Полезные свойства природного газа. Что такое природный газ

Природный газ представляет собой смесь предельных угле­водородов состава С п Н 2п+2 , в которой содержится метан, этан, пропан, бутан и иногда пары более тяжелых углеводородов. Часто в состав природных газов входят азот N 2 (до 40 % по объему), углекислота СО 2 , сероводород H 2 S и редкие газы.

В газе газовых и газоконденсатных месторождений обыч­но преобладает метан; его доля достигает 98,8 %; в нефтяном (попутном) газе доля метана намного меньше, однако увели­чивается доля более тяжелых углеводородов - этана, пропа­на и бутана .

Состав газовых смесей выражается в виде массовой, объем­ной или молярной доли компонентов в процентах. Массовая доля в процентах какого-либо компонента газовой смеси пред­ставляет собой отношение массы этого компонента к массе всей смеси:

где М i - масса i -го компонента; M см - масса смеси.

Объемная доля (%) какого-либо компонента в смеси газов равна отношению объема компонента к объему всей смеси:

где V i - объем /-го компонента в смеси; V см - объем всей смеси.

Молярная доля компонента определяется аналогично и может быть представлена в виде

где N i - число молей г-го компонента в смеси; N cm - сум­марное число молей газа в смеси.

Физические свойства природного газа зависят от его со­става, но в целом близки к свойствам метана как основного компонента смеси.

Плотность природного газа можно определить взвешива­нием или вычислить, зная молекулярную массу смеси М:

где V m - объем моля газа при стандартных условиях, м 3 .

Обычно р г находится в пределах 0,73- 1,0 кг/м 3 . В расче­тах часто используют более удобную величину - относитель­ную плотность Δ так как значение ее практически не зави­сит от давления и температуры. За величину сравнения при­нимают плотность воздуха

где М Г - масса газа; М в - масса воздуха.

Относительная плотность газа изменяется от 0,50 до 1,0. Плотность индивидуальных компонентов углеводородных га­зов (и сероводорода), за исключением метана, больше еди­ницы. При всех расчетах, связанных с движением газа, исполь­зуется вязкость. Аналитические зависимости вязкости смеси от вязкости входящих в смесь компонентов сложны и имеют недостаточную точность. В связи с этим на практике вяз­кость определяют по экспериментальным графикам, один из которых приведен на рис. 1.2.

Вязкость природных газов зависит от их состава, темпера­туры и давления. При высоком давлении вязкость растет с увеличением плотности газа, при низком - уменьшается. С повышением давления вязкость увеличивается. Температура влияет на вязкость по-разному: при низких давлениях с по­вышением температуры она увеличивается, а при высоких (5-10 МПа) - снижается. Такие свойства объясняются сте­пенью близости газа к жидкому состоянию. Вязкость природ­ных газов обычно составляет (1,1 - 1,6)-10~ 5 Пас.

Состояние газа характеризуется давлением р, температу­рой Т и объемом V. Соотношение между этими параметрами определяется законами идеальных газов (Бойля - Мариотта, Гей-Люссака и др.), которые имеют чрезвычайно большое

значение в технологии добычи и транспортирования нефти и газа. Однако состояния реальных и идеальных газов в опре­деленных условиях существенно отличаются. Поэтому для расчета состояния реальных газов обычно пользуются обоб­щенным газовым законом в виде уравнения Клапейрона, в которое вводится поправка (коэффициент сжимаемости Z), учитывающая отклонение реальных газов от законов сжатия и расширения идеальных газов:

pV = ZMRT,

где Z - коэффициент сжимаемости; М - масса газа; р - давление; V - объем газа; R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура.

Для нефтяных газов значение коэффициента сжимаемо­сти Z можно найти приближенно

по графикам Брауна, представленным на рис. 1.3. Коэффициенты сжимаемости Z на этом графике зависят от приведенных давления р пр и температуры Т пр, значения которых можно определить по формулам

где р и Т - соответственно давление и температура газа; р кр и Т кр - критические давления и температура.

Для смесей газов критические температуру и давление определяют по формулам или приближенно по графикам рис. 1.4 как функцию относительной плотности смеси. При добыче природного газа часто приходится иметь дело с про­цессами дросселирования, т. е. с изменением давления без совершения внешней работы. Температура идеального газа при этом остается постоянной. Температура реального газа изменяется, что очень важно учитывать, так как это явление связано с выпадением из него влаги и углеводородного кон­денсата. Снижение давления в области относительно низких давлений (до 40 МПа) приводит к охлаждению газа, в облас­ти высоких - к нагреванию. Изменение температуры газа при его дросселировании носит название эффекта Джоуля-Томсона. Различают дифференциальный и интегральный эф­фекты. Большое практическое значение имеет интегральный эффект Джоуля - Томсона, т. е. понижение температуры

газа на конечном участке изменения его давления. Эту вели­чину обычно находят по кривым теплосодержания (рис. 1.5). Зная давление газа и его температуру при одном состоянии, по этим кривым можно найти температуру газа после дроссе­лирования. Для этого от первоначальной точки по линии равного теплосодержания следует переместиться в точку но­вого значения давления. Температура, соответствующая этой точке, явится искомой величиной. Изменение температуры газа при снижении давления на 0,1 МПа называется коэффи­циентом Джоуля - Томсона. Эта величина составляет 0,25 - 0,35 °С на 0,1 МПа (1 атм).

Природный газ является смесью из определенных разновидностей газа, которые образуются глубоко в земле после разложения осадочных органических пород. Это полезное ископаемое, которое должно добываться вместе с нефтью или в качестве самостоятельного вещества.

Свойства природного газа

В естественном состоянии газ представлен в виде отдельных скоплений. Их принято называть газовыми залежами, которые скапливаются в земных недрах, как газовые шапки. Природный газ в некоторых случаях может находиться в глубоких слоях земли в состоянии полного растворения - это нефть или вода. Стандартные условия для образования газа - это наличие температурного режима в двадцать градусов и давление около 0,101325 Паскаля. Стоит отметить, что представленное полезное ископаемое из природного месторождения добывается только в газообразном состоянии - газогидраты.

Главные свойства природного газа - это отсутствие всякого запаха и цвета. Чтобы определить утечку, можно добавить такие вещества, как одоранты, которые имеют сильно выраженный и характерно неприятный запах. В большинстве случаев одорант заменяют на этил-меркаптан. Природный газ достаточно широко используют в качестве топлива на электрических станциях, в черной и цветной металлургии, цементных и стекольных промышленных предприятиях. Он может пригодиться во время производства строительных материалов, для коммунальных и бытовых нужд, а также в качестве уникального сырья для получения органических соединений при синтезе.

В каком состоянии транспортируется газ?

Чтобы значительно упростить задачу транспортировки и дальнейшего хранения газа, его необходимо сжижать. Дополнительное условие - это охлаждение природного газа, если есть постоянное повышенное давление. Свойства природного газа предоставляют возможности для перевозки его в обычных баллонах.

Для транспортировки газа в баллоне его необходимо разделить, после чего он будет состоять в большей части из пропана, а также включать в себя более тяжелые углеводороды. Это происходит потому, что метан и этан не могут находиться в жидких состояниях, особенно если воздух достаточно теплый (18-20 градусов). При транспортировке природного газа необходимо соблюдать все требования и установленные нормы. В противном случае можно столкнуться с взрывоопасными ситуациями.

Что собой представляет сжиженный природный газ?

Сжиженный газ является определенным состоянием природного газа, который охладили при помощи давления. Сжиженный природный газ приводится в такое состояние для того, чтобы его было легче хранить, и он не занимал много места при транспортировке. Таким образом, его можно доставить до конечного потребителя. Плотность газа в два раза меньше плотности бензина. В зависимости от состава его температура кипения может достигать до 160 градусов. Коэффициент сжижения или экономический режим составляет до 95 процентов.

Газ, который находится в скважинах, необходимо тщательным образом подготовить для дальнейшей транспортировки, чтобы привезти его на предприятия. Это могут быть химические заводы, котельные, а также городские газовые сети. Важность правильной подготовки заключается в том, что в природном газе находятся разнообразные примеси, которые вызывают определенные затруднения во время его транспортировки и применения.

Как добывается газ на территории России

Природный газ образуется в процессе смешивания разнообразных видов газа, которые находятся в земной коре. Глубина может достигать почти 2-3 километра. Газ может появиться в результате высокого температурного режима, а также давления. Но доступ кислорода к месту добычи должен полностью отсутствовать.

Добыча природного газа на территории Российской Федерации осуществляется сегодня в самой глубокой скважине. Она располагается возле города Новый Уренгой, где скважина уходит вглубь почти на шесть километров. Газ в этих недрах находится под сильным и высоким давлением. Правильная добыча природного вещества - это бурение скважин. В местах, где есть газ, ставят несколько скважин. Специалисты стараются выполнить бурение равномерно, чтобы пластовые давления имели одинаковое распределение.

Химический состав природного газа

Газ, который добывают из природных месторождений, состоит из углеводородных и не углеводородных компонентов. Природный газ - это метан, который включает в себя более тяжелые гомологи - этан, пропан и бутан. В некоторых случаях можно встретить природное вещество, в котором есть пары пентана и гексана. Углеводород, который содержится в залежах, принято считать тяжелым. Он может образовываться исключительно в процессе образования нефти, а также при преобразовании рассеянных органических веществ.

Помимо углеводородных компонентов, в природном газе имеются примеси диоксида углерода, азота, сероводорода, гелия и аргона. В газонефтяных месторождениях в некоторых случаях присутствуют жидкие пары.

Смесь углеводородов, предмет религиозного культа, спора ученых и важнейший сырьевой ресурс. Он невидим и не имеет запаха. В России его больше, чем где-либо в мире.

Из чего состоит природный газ

Основу природного газа составляет метан (CH 4) - простейший углеводород (органическое соединение, состоящее из атомов углерода и водорода). Обычно в его состав также входят более тяжелые углеводороды , гомологи метана: этан (C 2 H 6), пропан (C 3 H 8), бутан (C 4 H 10) и некоторые неуглеводородные примеси.

Природный газ может существовать в виде газовых залежей, находящихся в пластах некоторых горных пород, в виде газовых шапок (над нефтью), а также в растворенном или кристаллическом виде.

Запах газа

Что интересно, ни один из названных газов не имеет ни цвета, ни запаха. Характерный неприятный запах, с которым в быту сталкивался практически каждый человек, придается газу искусственно и называется одорацией. В качестве одорантов , то есть неприятно пахнущих веществ, обычно используют серосодержащие соединения. Человек может уловить запах одного из самых распространенных одорантов - этантиола - даже если одна часть этого вещества придется на 50 миллионов частей воздуха. Именно благодаря одорации можно легко устанавливать утечки газа.

Этап добавления одоранта
с неприятным запахом.

Природный газ без запаха

Природный газ
с неприятным запахом

Спор ученых

Относительно происхождения природного газа (как, впрочем, и нефти) среди ученых до сих пор не существует единого мнения. Две основные концепции - биогенная и минеральная - утверждают разные причины образования углеводородных полезных ископаемых в недрах Земли.

Минеральная теория

Образование полезных ископаемых в пластах горных пород - часть процесса дегазации Земли. Из-за внутренней динамики Земли углеводороды, находящиеся на больших глубинах, поднимаются в зону наименьшего давления, образуя в результате газовые и нефтяные залежи.

Биогенная теория

Живые организмы, погибшие и опустившиеся на дно водоемов, разлагались в безвоздушном пространстве. Опускаясь все глубже из-за геологических движений, остатки разложившейся органики превратились под воздействием термобарических факторов (температуры и давления) в углеводородные полезные ископаемые, в том числе - в природный газ.

Невидимые поры

Довольно распространено ложное представление о том, что газ находится под землей в неких пустотах, из которых легко полностью извлекается. На самом деле газ может находиться внутри горной породы, имеющей пористую структуру настолько мелкую, что человеческим глазом ее увидеть нельзя. Держа в руках кусок песчаника, извлеченного с огромной глубины, достаточно сложно представить, что внутри заключен природный газ.

Поклонение газу

Человечество знает о существовании природного газа давно. И, хотя уже в IV веке до н. э. в Китае его научились использовать для отопления и освещения, долгое время яркое пламя, не оставляющее пепла, являлось предметом мистического и религиозного культа для некоторых народов. Например, на Апшеронском полуострове (современная территория Азербайджана) в VII веке был воздвигнут храм огнепоклонников Атешгях, служения в котором проходили вплоть до XIX века.

Кстати, недалеко от храма Атешгях в 1859 году была совершена первая в России попытка (довольно кратковременная) использовать природный газ в промышленных целях - на нефтеперегонном заводе в Баку.

Термоламп и первый газ в России

История российской газовой промышленности начинается в 1811 году. Тогда изобретатель Петр Соболевский создал первую установку для получения искусственного газа - термоламп. Выступив с докладом об этом на заседании Всероссийского общества любителей словесности, наук и художеств, по указу Александра I Соболевский был награжден орденом за свое изобретение. А несколькими годами позже, в 1819 году, на Аптекарском острове в Санкт-Петербурге зажглись первые газовые фонари. Таким образом, история газовой промышленности в России началась почти 200 лет назад - в 2011 году у нее был юбилей.

В середине 20-х годов XX века во всем СССР было добыто 227,7 млн кубометров газа. В 2010 году Группой «Газпром» было добыто 508,6 млрд кубометров газа.

Россия занимает первое место в мире по объему запасов природного газа. Доля «Газпрома» в этих запасах составляет около 70%. Таким образом, «Газпром» располагает самыми богатыми в мире запасами природного газа.

С наступлением XX века началось активное развитие российской газовой промышленности: впервые разрабатывались газовые месторождения, утилизировался попутный (нефтяной) газ.

Русская смекалка

Однако до XX века в России природный газ являлся побочным продуктом при добыче нефти и назывался попутным газом. Не существовало даже самих понятий газового или газоконденсатного месторождений. Обнаруживались они случайно, например при бурении артезианских скважин. Однако известен случай, когда во время бурения такой скважины находчивый саратовский купец, увидев вместо воды пламя, построил на этом месте стекольный и кирпичный заводы. Промышленники постепенно начали осознавать, что природный газ может быть крайне полезен.