Химический состав природного газа

Трудно представить развитие современного человеческого общества без использования горючих ископаемых. К ним, кроме нефти и угля, относится природный газ, состав и применение которого мы и рассмотрим.

Подземная кухня природы

Около 400-600 млн лет назад на глубине от 1 до 3-6 км происходили сложные геохимические процессы. Они привели к образованию углеродной смеси, находящейся в газообразном состоянии, которую мы называем природным газом. Наука до сих пор не пришла к единому мнению о механизме образования этого вида природных ископаемых, являющегося одним из главных энергоносителей.

Как образовался природный газ

Существует два ответа на вопрос о происхождении природного газа. Первый дают такие корифеи химической науки, как российский ученый Д. Менделеев и француз П. Сабатье. Они выдвинули теорию минерального (вулканического) происхождения природного газа, исходя из которой еще на первичных стадиях формирования Земли как планеты металлы, входящие в состав земного ядра, соединялись с углеродом, образовывая карбиды. Под действием паранормальных температур, давления и катализаторов вода превращалась в водяной пар, вступала в реакции с CaH₂, AlH₃, LiH, и в глубинах планеты синтезировались газообразные углеводороды, особенно метан (CH₄)и этан (C₂H₆₎. В качестве доказательства Сабатье смоделировал вышеописанные процессы в своей лаборатории и получил смесь метана и его гомологов.

У приверженцев теории органического происхождения горючих ископаемых, среди которых был создатель учения о биосфере академик В. Вернадский, другое видение: они считают, что природный газ образовался из остатков растительных и животных организмов, вымерших в конце палеозойской эры, которые под действием бактерий, высокого давления и температуры превратились в смесь газообразных углеродов. Именно биохимические процессы и обеспечили, по мнению академика В. Вернадского, всем известный состав природного газа: 80-98% метана, 2-3% его ближайших гомологов – этана, пропана, бутана, пентана, а также небольшое количество примесей – сероводорода, углекислого газа, азота.

Природный газ как смесь алканов

Рассматривая состав природного газа с точки зрения химической систематики, уместно напомнить, что львиную долю в нём занимают предельные углеводороды – алканы. Их еще называют насыщенными. Подчиняясь общей формуле CnH_2n+2, легко вывести формулу простейшего алкана, имеющего всего один атом карбона в своей молекуле. Это метан – CH₄. Несмотря на простоту строения, именно содержание этого вещества обуславливает качество природного газа. Если присутствие метана, который входит в состав природного газа, выше 86%, то такое топливо называется высококалорийным и относится к группе H.

Российский природный газ отличается предельной теплотворностью (98%) и является самым качественным в мире.

Специфика состава газовых месторождений

Известно, что рисунок так называемых папиллярных линий на подушечках пальцев у каждого человека индивидуальный. Так же уникален химический состав природного газа, добытого из различных месторождений. Он различается по содержанию алканов.

Уренгойское месторождение в России является самым богатым. Состав природного газа (в процентах), который там добывают, выглядит следующим образом: метана – 87, этана – 6,2, пропана – 3,4, бутана – 1,98, пентана - 0,76, диоксида углерода – 0,12, азота – 1,1. Российское месторождение Медвежье, в котором добывают природный газ только H-группы, отличается своим составом. Так, метана в нем больше на 12%, этана меньше на 6%, а пропана на 3%.

Россия – газовый гигант

Добыча газа в России сосредоточена преимущественно в Западной Сибири, на Дальнем Востоке, в Волго-Уральской нефтегазоносной провинции. Ядром промышленно-энергетического комплекса страны по праву считают Ямбургское и Уренгойское месторождения. В них сосредоточено 9,4 трлн кубометров газа. В Заполярном месторождении находится 4,4, трлн м³ этого полезного ископаемого, а в Медвежьем – 1,6. На базе этих уникальных нефтегазовых запасов и был создан Западно-Сибирский программно-целевой территориально-производственный комплекс. Таким образом, по запасам природного газа Россия занимает одно из первых мест в мире.

Способы добычи природного газа

Учитывая геологические особенности образования газообразной смеси алканов, а именно их пластовое залегание, применяют так называемое роторное бурение. Газодобывающие установки ориентированы, прежде всего, на условия, в которых сформировался конденсат. Он может иметь вид скопления смеси между слоями известняка или сланца. Часто встречаются так называемые «газовые шапки», расположенные над залежами нефти. Реже природный газ образует растворы в воде (газогидраты) или нефти.

Вследствие бурения газ поднимается на поверхность, подчиняясь физическим законам перехода вещества из зоны высокого давления в зону его минимального значения. Такой способ бурения называется методом фонтанной эксплуатации. Затем полученное горючее сепарируется, то есть отделяется от воды и твердых частиц горных пород и направляется в промышленный газосборный пункт. Далее его транспортируют в магистральные газопроводы, откуда он поступает к конечному потребителю.

Перспективный попутчик

Состав и свойства природного газа зависят от особенностей самих месторождений. Отсюда их градация на газовые, газоконденсатные и нефтяные.

Нефтяные газы, называемые попутными, обычно растворены в нефти и выделяются во время её добычи. В попутных содержится меньше метана, но намного больше его гомологов – этана и пропана. Если раньше в середине ХХ столетия попутные газы не находили широкого применения, и их сжигали факельным способом, то сейчас ситуация коренным образом изменилась. Их улавливают в технологическом цикле добычи нефти в специальные резервуары – трапы.

Попутные газы, богатые пропаном и бутаном называют жирными. Из них реакцией дегидрирования (отщепления) атомов водорода при нагревании и в присутствии катализаторов добывают алкены – ненасыщенные углеводороды, такие как пропен и бутадиен. Они, в свою очередь, служат сырьем для химии органического синтеза. Например, из них получают каучуки и пластмассы.

Стоит ли «ставить» на сланцы

Еще одной разновидностью является сланцевый газ, добываемый из сланца – горной породы органического происхождения. Если сравнить состав природного газа, получаемого из сланца, с классическим образцом газового месторождения Н-группы, то показатели хуже и в содержании метана (меньше 85%), и в теплоте сгорания, которая более чем в 2,5 раза ниже.

Итак, рассмотрим состав природного газа в процентах, получаемого из сланцев:

Технологии горизонтального бурения и гидроразрыва, используемые в добыче сланцевого газа, варварски уничтожают природные ландшафты, а коктейль из 85 химических веществ, закачиваемых вглубь шурфов с целью разрыва земной коры, способен умертвить все живое, что встречается на его пути.

Газовая промышленность как основа тяжелой индустрии

Природный газ и нефть называют «кровью», питающей все без исключения отрасли промышленности, сельского хозяйства и жилищно-коммунального комплекса страны. Метан, входящий в состав природного газа, является не только топливом, но и исходным звеном в цепи реакций органического синтеза, обеспечивающим экономику необходимыми соединениями и материалами: пластмассами, спиртами, лаками, красителями.

При сжигании 1 кубометра газа выделяется до 54,4 кДж теплоты, поэтому он является одним из лучших видов топлива для бытовых и промышленных потребностей. Растет область применения природного газа в качестве моторного топлива. Жизнеобеспечение и безопасность государства напрямую связана с его потреблением. Ценность этого вида природного сырья лучше всего выражена в его названии – «голубое золото».