Природный газ — от месторождений до потребителя: добыча, подготовка, применение

Природный газ – ценное полезное ископаемое, залегающее в земных недрах. Это смесь углеводородов в газообразном состоянии, где основным компонентом является метан (92-98%). Газ широко применяется как топливо для отопления, производства электроэнергии, в химической промышленности (производство аммиака, метанола) и все чаще используется как транспортное топливо.

Физико-химические свойства природного газа

Природный газ обладает уникальными свойствами, которые делают его легко узнаваемым и отличимым от других ресурсов. Химический состав Основу газа составляет метан (CH₄), молекула которого состоит из одного атома углерода и четырёх атомов водорода. Он легче воздуха, и его содержание в природном газе может достигать 92–98%.

Помимо метана, в составе присутствуют более тяжёлые углеводороды – так называемые гомологи: этан, пропан, бутан. Также в газе содержатся примеси: водяной пар, углекислый газ, сероводород, азот и другие. Однако они не оказывают значительного влияния на основные характеристики газа.

Природный газ – легко воспламеняющееся вещество. Он горит голубым пламенем и представляет собой как ценное топливо, так и потенциально опасное вещество. Он легче воздуха и обладает высокой летучестью. В естественном состоянии газ не имеет запаха. Для обнаружения утечек в быту в него добавляют одоранты – серосодержащие вещества с резким запахом. Без них обнаружить утечку без специальных приборов практически невозможно.

Способы добычи

Так как природный газ залегает на достаточно большой глубине под землёй (1-6 км), то для его добычи требуется выполнение целого ряда инженерно-технических мероприятий.

Под естественным давлением

Природный газ в земных недрах находится в пористых горных породах, пронизанных системой микротрещин и пустот. В этих естественных резервуарах он содержится под колоссальным давлением, которое может в десятки раз превышать атмосферное. Для добычи этого ценного ресурса бурят специальные скважины, причем обычно создают целую сеть таких выработок для равномерного распределения давления.

Каждая скважина укрепляется обсадными трубами, пространство между которыми и стенками скважины заполняется цементным раствором для герметизации. Благодаря разнице давлений в пласте и на поверхности, газ самопроизвольно устремляется вверх по скважине, после чего поступает на очистные сооружения и далее – к конечным потребителям.

Из угледобывающих шахт

Современные технологии позволяют не только устранять опасные производственные факторы, но и извлекать из них практическую пользу. Яркий пример – использование метана, выделяющегося в угольных шахтах. По мере углубления выработок концентрация этого газа возрастает, создавая угрозу взрывов. Раньше метан просто удаляли, но сегодня его научились эффективно утилизировать:

• Активный метод: откачка вакуумными насосами с последующим накоплением;
• Пассивный метод: изоляция газовых очагов с последующим выводом или разбавлением до безопасной концентрации.

Эта технология особенно широко применяется в США, где шахтный метан стал дополнительным источником энергоресурсов.

Гидроразрыв

Гидроразрыв (фрекинг) – технология повышения продуктивности газовых скважин путём создания трещин в пластах породы. В скважину под высоким давлением закачивают водную смесь с песком и химическими реагентами, что вызывает раскол породы и высвобождение газа.

Несмотря на эффективность, метод вызывает: сейсмическую активность загрязнение грунтовых вод выбросы токсичных газов повышение радиационного фона. Из-за экологических рисков технология запрещена в ряде стран.

Под водой

Огромные запасы голубого топлива расположены в прибрежных зонах морей и океанов. Хотя данный метод и требует строительства очень дорогих гравитационных платформ с развитой инфраструктурой, тем не менее, способ находит всё более широкое распространение.

Более того, осваивается добыча газа вообще без строительства надводных сооружений: напрямую от подводных установок к береговому комплексу. Примером может служить Киринское месторождение на шельфе острова Сахалин. Удачная уникальная разработка даёт возможность освоения подводных месторождений находящихся под толщей льда. Если же залежи природного газа располагаются вблизи берегов, то уместным становится наклонное бурение, начатое на суше.

Газ, получаемый промышленными методами

Помимо природного газа, существуют искусственные виды газообразного топлива, производимые из различных углеводородов:

• Нефтяные газы – образуются при переработке нефти (пропан, бутан) или выделяются как попутный газ при добыче;
• Коксовый газ – побочный продукт коксования угля (при высоких температурах);
• Сланцевый газ – получают термической обработкой сланца без доступа воздуха;
• Генераторный газ – производят в газогенераторах при переработке угля, торфа или древесины (температура около 1000°C).

Все эти газы различаются по способу производства, но имеют схожий углеводородный состав.

Производство и переработка природного газа

После добычи природный газ проходит комплексную подготовку. Лишь в редких случаях его можно сразу направить в трубопроводы – чаще всего он содержит примеси и требует предварительной обработки. Основной путь – доставка на газоперерабатывающий завод (ГПЗ), как правило, по трубопроводу, реже – железнодорожным транспортом в виде компримированного газа.

Этапы подготовки газа

Подготовка газа включает несколько стадий.

Сепарация. На этом этапе из газа удаляются механические примеси, вода, песок, частицы горной породы. Принцип схож с действием молочного сепаратора – тяжёлые частицы отделяются под действием центробежной силы.

Осушка. Газ обезвоживают, поскольку водяной пар может привести к образованию гидратов и коррозии оборудования. Сначала газ охлаждают, чтобы влага конденсировалась, затем дополнительно сушат его при высокой температуре и пониженном давлении.

Очистка от примесей. В составе газа часто присутствуют азот, гелий, водород, сероводород, углекислый газ и другие газы. Для их удаления применяются:

• молекулярные сита (абсорбция);
• химические абсорбенты;
• мембранные технологии (в частности – для отделения гелия);
• криогенная перегонка – при глубокой переработке.

Удаление тяжёлых углеводородов. Завершающая стадия – извлечение конденсируемых фракций (этан, пропан, бутан, пентан). После этого газ соответствует стандартам, его можно подавать в магистральные сети или направлять на сжижение.

После подготовки доля примесей в газе, как правило, не превышает 5%, что соответствует требованиям промышленного и бытового использования.

Производство сжиженного природного газа (СПГ)

Для транспортировки на большие расстояния, особенно морским путём, природный газ переводят в сжиженное состояние. Это происходит на заводах СПГ в три этапа:

• Сжатие до высокого давления.
• Многоступенчатое охлаждение до температуры −160 °C.
• Сжижение и хранение в специальных криогенных резервуарах.

Объём газа в жидком виде уменьшается примерно в 600 раз, что делает его удобным для транспортировки танкерами. Перед подачей потребителю СПГ регазифицируют (нагревают и переводят обратно в газообразное состояние).

Компримированный газ (КПГ)

В бытовом и автотранспорте чаще используется компримированный природный газ (КПГ). Его сжимают до давления 200–250 атмосфер без сжижения, и он остаётся в газообразном состоянии. КПГ очищают менее тщательно, и он может содержать фракции тяжёлых углеводородов – это допустимо при использовании в двигателях или для отопления.

Получение гелия, этана, пропана и других фракций

В ходе глубокой переработки природного газа на газофракционирующих и газохимических предприятиях из него выделяются:

• Этан – используется как сырьё для получения этилена и других мономеров в нефтехимии.
• Пропан и бутан – применяются в качестве топлива (баллоны, авто, промышленность), а также как сырьё для производства пластмасс.
• Пентан и гексан – используются в лакокрасочной и косметической промышленности.
• Гелий – редкий и ценный инертный газ, широко применяемый в металлургии (при сварке и пайке), криогенной медицине, ракетостроении, научных исследованиях при сверхнизких температурах.

На сегодняшний день единственным промышленным гелиевым заводом в России остаётся Оренбургский гелиевый завод, работающий в составе Оренбургского газоперерабатывающего комплекса. Также ведётся строительство новых гелиевых мощностей в рамках проекта «Ямал СПГ».

Хранение и транспортировка

Хранение природного газа производится:

• В мокрых газгольдерах или газгольдерах высокого давления. Первые имеют стабильное давление при переменном объёме хранения. Вторые – наоборот. Оба требуют значительных капитальных затрат и не обеспечивают сезонные колебания уровня потребления, в настоящее время строительство новых газгольдеров приостановлено.
• На концевых участках магистральных газопроводов, выступающих в качестве своеобразных временных накопителей в ночное время суток.
• В надземных и подземных хранилищах. Достаточно часто в качестве их используют пустые полости бывших месторождений, а также искусственно сооружённые пустоты на месте водоносных пластов.
• В изотермических резервуарах и ёмкостях шарообразной или цилиндрической формы, которые изготавливают из материалов, обладающих малой степенью температурного расширения.

Транспортировку газа осуществляют в основном газопроводами, а также автотранспортом в цистернах или баллонах. В случае наличия удобных водных путей – пользуются танкерами.

Сфера применения

В основе всемирного глобального использования природного газа лежат две уникальные особенности этого набора углеводородов: выделение значительного количества тепла при сгорании – голубое топливо, возможность транспортировки на значительные расстояния гигантских объёмов при незначительных текущих затратах. Он также применяется в качестве сырья для получения целого набора веществ, употребляемых в химической отрасли.

География добычи газа в России

Россия занимает лидирующее положение на мировом рынке природного газа, и одна из причин этому – богатейшая и разнообразная ресурсная база. География газодобычи охватывает как традиционные, давно освоенные районы, так и новые перспективные территории, включая арктические и восточносибирские регионы.

Абсолютным центром газовой промышленности остаётся Ямало-Ненецкий автономный округ. Здесь сосредоточено более 80% всех запасов и объёмов добычи газа в стране. Именно на этой территории расположены крупнейшие месторождения:

• Уренгойское;
• Ямбургское;
• Бованенковское;
• Харасавэйское.

Эти месторождения обеспечивают не только внутренние потребности России, но и формируют экспортный потенциал, питая магистральные газопроводы, направленные в Европу и Азию.

Соседний ХМАО специализируется в первую очередь на добыче нефти, однако и здесь в больших количествах извлекается попутный нефтяной газ, который также идёт на переработку и используется как топливо либо сырьё для химической промышленности.

Восточная Сибирь становится всё более значимой в общей структуре газовой отрасли. В Республике Саха (Якутия) активно разрабатывается Чаяндинское месторождение – один из ключевых элементов газопровода «Сила Сибири», направленного на экспорт в Китай. Ещё одним источником газа для этого маршрута стало Ковыктинское месторождение, расположенное в Иркутской области. 

В Красноярском крае осваиваются такие месторождения, как Юрубчено-Тохомское и Таликанское. Хотя по масштабам они уступают ямальским, их значение в обеспечении энергетической безопасности Восточной Сибири и Дальнего Востока неоспоримо.

Южные регионы России играют меньшую роль, но их значение сохраняется благодаря высокой степени освоенности и развитой инфраструктуре. В Астраханской области находится одно из крупнейших в Европе газоконденсатных месторождений с высоким содержанием сероводорода. Продукт из этого региона требует глубокой очистки, но в то же время служит источником как топлива, так и химического сырья.

Природный газ – универсальный и экологически более чистый источник энергии, который используется в энергетике, промышленности, транспорте и быту. Он обеспечивает высокую теплоотдачу, удобен в транспортировке и переработке, а также служит ценным сырьём для химической отрасли. Россия занимает лидирующие позиции по запасам и добыче газа, активно развивая как традиционные, так и новые месторождения. Благодаря этому природный газ остаётся важнейшим элементом энергетической системы страны и её экспортного потенциала.