Wszystko o gazie ziemnym: skład i właściwości, wydobycie i zastosowanie gazu ziemnego

Dzięki wysokiej efektywności energetycznej i ekologiczności gaz ziemny, obok ropy naftowej, ma pierwszorzędne znaczenie. Jest szeroko stosowany jako paliwo, a także stanowi cenny surowiec dla przemysłu chemicznego.

I choć korzystanie z gazu stało się codziennością i nawykiem, wciąż pozostaje on złożony pod względem składu i dość niebezpieczną substancją – aby trafić do palnika urządzenia gazowego, pokonuje długą i skomplikowaną drogę.

W artykule omówimy podstawowe zagadnienia związane z naturalnym gazem palnym – porozmawiamy o jego składzie i właściwościach, opiszemy etapy wydobycia, transportu i przetwarzania gazu, zakres jego zastosowań. Przyjrzymy się współczesnym poglądom na pochodzenie złóż węglowodorów, interesującym faktom i hipotezom.

Czym jest naturalny gaz palny?

Panuje opinia, że gaz zalega pod ziemią w pustkach i łatwo go stamtąd wydobyć, wystarczy wywiercić odwiert. W rzeczywistości jest jednak znacznie bardziej skomplikowanie: gaz może znajdować się wewnątrz porowatej skały, może być rozpuszczony w wodzie, ciekłych węglowodorach, ropie naftowej.

Aby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, wystarczy przypomnieć, że słowo «gaz» pochodzi z greckiego «chaos», które odzwierciedla zasadę zachowania substancji. W stanie gazowym cząsteczki poruszają się chaotycznie, dążąc do równomiernego wypełnienia całej możliwej objętości. Dzięki temu są w stanie przenikać i rozpuszczać się w innych substancjach, w tym także w gęstszych cieczach i minerałach. Wysokie ciśnienie i temperatura znacznie wzmacniają proces dyfuzji. Często właśnie w postaci takiego «koktajlu» gaz ziemny znajduje się w głębi ziemi.

Ale najpierw porozmawiajmy o tym, z czego składa się gaz i czym jest – przyjrzymy się składowi chemicznemu i właściwościom fizycznym naturalnego gazu palnego.

Specyfika składu chemicznego

Gaz wydobywany z głębi ziemi, zwany «naturalnym», jest mieszaniną różnych gazów.

Ze względu na skład dzieli się na trzy grupy składników:

• palne – węglowodory;
• niepalne (balast) – azot, dwutlenek węgla, tlen, hel, para wodna;
• szkodliwe domieszki – siarkowodór i merkaptany.

Pierwsza i główna grupa to zestaw węglowodorów z szeregu metanowego (homologów) o liczbie atomów węgla od 1 do 5. Największy procent w mieszaninie stanowi metan (od 70 do 98%), posiadający jeden atom węgla. Zawartość pozostałych gazów (etanu, propanu, butanu, pentanu) waha się od jednostek do dziesiątych części procenta.

Dla gazu wydobywanego ze złóż charakterystyczne jest wysokie stężenie metanu. W gazie towarzyszącym, wydobywanym z ropy, udział metanu jest znacznie niższy: 30–60%, a homologów wyższy: 10–20%.

Oprócz węglowodorów w mieszaninie mogą występować w niewielkich ilościach substancje niepalne: siarkowodór, azot, dwutlenek węgla, tlenek węgla, wodór i inne. Jednak w zależności od złoża proporcje węglowodorów, jak również skład innych gazów, mogą się znacznie wahać.

Właściwości fizyczne gazu

Pod względem właściwości fizycznych metan CH₄ nie ma koloru ani zapachu, jest bardzo łatwopalny. Przy stężeniach w powietrzu powyżej 4,5% – wybuchowy. Ta jego właściwość, w połączeniu z brakiem zapachu, stanowi duże zagrożenie i problem. Szczególnie w kopalniach, ponieważ metan jest absorbowany przez węgiel.

O przyczynach wybuchu gazu w warunkach domowych pisaliśmy w tym materiale.

Aby nadać gazowi zapach, w celu wykrycia jego wycieków, przed transportem dodaje się do niego specjalne substancje o nieprzyjemnym zapachu – odoranty. Najczęściej są to związki zawierające siarkę – etanotiol lub etylomercaptan. Udział domieszki dobiera się tak, aby wyciek był wyczuwalny przy stężeniu gazu wynoszącym 1%.

Główną zaletą błękitnego paliwa jest wysoka wartość opałowa – 39 MJ/kg. Przy tym wydzielają się nieszkodliwe substancje: woda i dwutlenek węgla. Jest to również istotny czynnik, umożliwiający stosowanie metanu w gospodarstwie domowym.

Skąd pochodzi gaz w głębi ziemi?

Chociaż ludzie nauczyli się wykorzystywać gaz ponad 200 lat temu, do dziś nie ma jednej opinii, skąd pochodzi gaz we wnętrzu ziemi.

Podstawowe teorie pochodzenia

Istnieją dwie główne teorie jego pochodzenia:

• mineralna, wyjaśniająca powstawanie gazu procesami degazacji węglowodorów z głębszych i gęstszych warstw ziemi oraz ich wypływania do stref o niższym ciśnieniu;
• organiczna (biogeniczna), według której gaz jest produktem rozkładu szczątków organizmów żywych w warunkach podwyższonego ciśnienia, temperatury i braku powietrza.

W złożu gaz może występować jako oddzielna akumulacja, czapa gazowa, roztwór w ropie lub wodzie albo hydraty gazowe. W tym ostatnim przypadku złoża znajdują się w porowatych skałach między nieprzepuszczalnymi warstwami gliny. Najczęściej takimi skałami są zagęszczony piaskowiec, węglany, wapienie.

Udział zwykłych złóż gazowych wynosi tylko 0,8%. Nieco większy procent przypada na gaz głębinowy, węglowy i łupkowy – od 1,4 do 1,9%. Najbardziej rozpowszechnionymi rodzajami złóż są gazy rozpuszczone w wodzie oraz hydraty – w przybliżeniu w równych proporcjach (po 46,9%).

Ponieważ gaz jest lżejszy od ropy naftowej, a woda cięższa, położenie surowców kopalnych w złożu jest zawsze jednakowe: gaz nad ropą, a woda podpiera od dołu całe złoże ropy i gazu.

Gaz w złożu znajduje się pod ciśnieniem. Im głębsze złoża, tym jest ono wyższe. Średnio na każde 10 metrów przyrost ciśnienia wynosi 0,1 MPa. Istnieją złoża o anomalnie wysokim ciśnieniu. Na przykład na złożach aczimowskich złoża Urengojskiego ciśnienie to osiąga 600 atmosfer i więcej przy głębokości od 3800 do 4500 m.

Interesujące fakty i hipotezy

Jeszcze nie tak dawno uważano, że światowe zasoby ropy i gazu powinny wyczerpać się już na początku XXI wieku. Na przykład pisał o tym w 1965 roku autorytatywny amerykański geofizyk Chabbert.

Do chwili obecnej wiele krajów nadal zwiększa tempo wydobycia gazu. Nie obserwuje się żadnych realnych oznak wyczerpywania się zasobów węglowodorów.

Według doktora nauk geologiczno-mineralogicznych W. W. Polewanowa, podobne błędne przekonania wynikają stąd, że teoria organicznego pochodzenia ropy i gazu jest nadal powszechnie akceptowana i zajmuje umysły większości naukowców. Mimo to już D. I. Mendelejew uzasadnił teorię o nieorganicznym głębinowym pochodzeniu ropy, a następnie zostało to udowodnione przez Kudriawcewa i W. R. Larina.

Jednak przeciwko organicznemu pochodzeniu węglowodorów przemawia wiele faktów.

Oto niektóre z nich:

• odkryto złoża na głębokościach do 11 km, w podłożu krystalicznym, gdzie istnienie materii organicznej nie jest możliwe nawet teoretycznie;
• za pomocą teorii organicznej można wyjaśnić tylko 10% zasobów węglowodorów, pozostałe 90% jest niewyjaśnialne;
• sonda kosmiczna «Cassini» odkryła w 2000 roku na księżycu Saturna Tytanie gigantyczne zasoby węglowodorów w postaci jezior, o kilka rzędów wielkości przewyższające ziemskie.

Wysunięta przez Larina hipoteza pierwotnie hydrydowej Ziemi wyjaśnia pochodzenie węglowodorów poprzez reakcję wodoru z węglem w głębinach ziemi i późniejszą degazację metanu.

Zgodnie z nią, nie ma żadnych starożytnych złóż z okresu jurajskiego. Cała ropa i gaz mogły powstać w przedziale od 1 do 15 tysięcy lat temu. W miarę wydobycia zasoby mogą stopniowo się uzupełniać, co zaobserwowano na dawno wyeksploatowanych i porzuconych złożach ropy naftowej.

Jak przebiega wydobycie i transport?

Proces wydobycia naturalnego gazu palnego rozpoczyna się od budowy odwiertów. W zależności od zalegania warstwy gazonośnej ich głębokość może sięgać 7 km. W trakcie wiercenia do odwiertu opuszczana jest rura (kolumna okładzinowa). Aby zapobiec ucieczce gazu przez przestrzeń między rurą a ścianami odwiertu, wykonuje się tamponowanie – wypełnienie szczeliny gliną lub cementem.

Po zakończeniu budowy, wieża wiertnicza jest usuwana, a na głowicę kolumny okładzinowej montowana jest armatura wylotowa. Stanowi ona konstrukcję z zasuw i zaworów, służącą do pobierania gazu z odwiertu.

Liczba odwiertów może być dość duża.

Na armaturach wylotowych spoczywa kilka funkcji: utrzymują w odwiercie w stanie zawieszonym rury wydobywcze, sterują trybami pracy, mierzą parametry zewnętrznej i wewnętrznej części odwiertu.

Cały cykl wydobycia gazu ziemnego palnego odbywa się w trzech etapach:

1. Zagospodarowanie złoża gazowego. W wyniku wiercenia powstaje różnica ciśnień. Dzięki temu gaz przemieszcza się po złożu w kierunku odwiertów.
2. Eksploatacja odwiertów gazowych. Na tym etapie gaz przepływa przez kolumnę okładzinową.
3. Zbiór i przygotowanie do transportu. Gaz ze wszystkich armat wylotowych trafia do specjalnych kompleksów technologicznych UKPG. Na nich następuje osuszanie gazu, oczyszczanie ze szkodliwych zanieczyszczeń.

Nawet niewielkie stężenia siarkowodoru, pary wodnej lub cząstek stałych prowadzą do szybkiej korozji, tworzenia się hydratów oraz uszkodzeń mechanicznych wewnętrznej powierzchni rurociągu.

Ostateczne przygotowanie do transportu odbywa się na obiektach głównych. Obejmuje ono doczyszczanie i usuwanie kondensatu węglowodorowego, schładzanie gazu w celu zmniejszenia jego objętości.

Głównym sposobem transportu gazu na duże odległości jest gazociąg magistralny. Stanowi on system złożonych obiektów inżynieryjnych, od samych rurociągów po magazyny podziemne.

W punkcie końcowym magistrali znajdują się gazowe stacje rozdzielcze (GRS). Tutaj następuje końcowe oczyszczanie z zanieczyszczeń pyłem i cieczami, obniżenie ciśnienia do poziomu wymaganego przez odbiorców, jego stabilizacja, pomiar przepływu gazu oraz dodawanie odorantu.

Innym powszechnym sposobem transportu metanu są przewozy morskie specjalnymi statkami – gazowcami.

Ogromne kuliste zbiorniki nie pozwolą pomylić gazowca z innymi typami statków. Stanowią one termosy utrzymujące stałą temperaturę potrzebną dla ciekłego metanu -163 °C.

Przekształcenie gazu w stan ciekły odbywa się w specjalnych zakładach LNG. Proces przebiega w dwóch etapach: najpierw metan schładzany jest do -50 °C, a następnie do -163 °C. Przy tym jego objętość zmniejsza się 600-krotnie.

Przetwarzanie i zakres zastosowań

Wysoka palność gazu ziemnego determinuje jego główne zastosowanie. Jest używany jako paliwo w zakładach, fabrykach, elektrociepłowniach, kotłowniach, instytucjach, budynkach mieszkalnych, obiektach rolniczych i wielu innych. Zalecamy zapoznanie się z zasadami użytkowania gazu w gospodarstwie domowym.

Wydobycie i przeróbka ropy naftowej zawsze wiąże się z wydzielaniem gazu towarzyszącego. W niektórych przypadkach jego objętości mogą być imponujące i wynosić do 300 metrów sześciennych na jeden metr sześcienny surowej ropy.

Istnieje jednak wiele złóż, gdzie naturalny gaz towarzyszący nie jest wykorzystywany, lecz spalany w pochodniach. Na przykład na terenie całej Rosji traci się w ten sposób do 25% użytecznych surowców.

Część gazu towarzyszącego trafia do zakładów przetwarzania gazu. Otrzymuje się z niego oczyszczony suchy gaz, który jest wykorzystywany do ogrzewania. Innym cennym składnikiem jest mieszanina lekkich węglowodorów.

Schemat przedstawia ogólny obraz procesu przeróbki wydobywanego gazu. Rola produktów końcowych dla nowoczesnego przemysłu chemicznego jest trudna do przecenienia.

Następnie jest rozdzielana na frakcje w specjalnych instalacjach. W rezultacie otrzymuje się takie węglowodory jak propan, butan, izobutan, pentan. Aby zmniejszyć objętość, ułatwić transport i przechowywanie, są one skraplane.

Przebudowa samochodów na gaz szybko się zwraca i przynosi wymierne oszczędności. Rozbudowa sieci stacji gazowych sprzyja zwiększeniu floty pojazdów z LPG. Korzyści odnoszą nie tylko kierowcy, ale także piesi, którzy nie muszą wdychać szkodliwych spalin.

Propan i butan są stosowane do ogrzewania domów gazem butlowym albo do zasilania pojazdów. Jednak większa część trafia do dalszego przetwórstwa w zakładach petrochemicznych.

W wyniku wysokotemperaturowego ogrzewania (pirolizy) otrzymuje się z nich główny surowiec do wszystkich materiałów syntetycznych – monomery: etylen, propylen, butadien. Pod działaniem katalizatorów łączą się one w polimery. W efekcie powstają tak cenne materiały jak kauczuk, PCV, polietylen i wiele innych.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

W filmie dokumentalnym przystępnie i obrazowo opowiedziano o gazie:

Ten film edukacyjny poświęcony jest transportowi gazu magistralnego:

Wiele jeszcze nie wiemy o gazie ziemnym – jego pochodzenie wciąż kryje wiele tajemnik. Pozostaje mieć nadzieję, że niebieskie paliwo jest naprawdę niewyczerpanym darem, którego wystarczy i nam, i naszym potomkom.

Czy mają Państwo pytania po przeczytaniu powyższego materiału? A może chcieliby Państwo uzupełnić artykuł przydatnymi uwagami, ciekawymi faktami lub zdjęciami? Proszę pisać swoje komentarze, zadawać pytania, brać udział w dyskusji – formularz opinii znajduje się poniżej.