Природный газ — важнейший ресурс современности

Природный газ — это важнейшее полезное ископаемое, которое содержится в недрах Земли уже сотни миллионов лет. Для современного человека значимость газа очень трудно переоценить, ведь он используется для приготовления пищи, отопления домов, заправки транспорта и решения многих других задач. И даже поддерживать Вечный огонь у памятников павшим нам помогает природный газ.

В мировой экономике и политике газовые месторождения являются весомым преимуществом, ведь спрос на топливо возрастает одновременно с ростом населения нашей планеты. В этой статье мы поговорим о ключевых особенностях, технологиях добычи и глобальной значимости природного газа, а также порассуждаем о перспективах его использования в будущем.

Что такое природный газ?

Состав газа

Природный газ — это собирательное название для ископаемых газообразных углеводородов. По разным оценкам, от 85 до 95% мировых запасов приходится на метан (CH₄). По удачному стечению обстоятельств метан выделяет много тепла и обладает низкой токсичностью по сравнению с другими видами газового топлива. Однако в природе он редко встречается в чистом виде и обычно содержит примеси:

• углеводородные — этан (C₂H₆), пропан (C₃H₈), бутан (C₄H₁₀);
• неуглеводородные — азот (N₂), сероводород (H₂S), углекислый газ (CO₂), гелий (He).

Физические свойства газа

• Природный газ бесцветен и прозрачен, а также не имеет запаха. Чтобы у людей была возможность вовремя обнаружить утечку газа, в него добавляют одоранты — вещества, которые даже в самых минимальных концентрациях обладают резким отталкивающим запахом.
• Плотность природного газа при нормальном атмосферном давлении и температуре составляет 0,8 кг/м³, что примерно в 1,5 раза меньше плотности воздуха. Благодаря этому свойству он не скапливается внизу, а поднимается вверх, рассеивается и улетучивается. Даже открытой форточки хватит, чтобы обезопасить помещение от опасной концентрации газа в случае его утечки. 
• Температура воспламенения природного газа составляет 537 °C, а температура горения превышает 2 000 °C. При этом с увеличением доли тяжелых углеводородов — этана, пропана и бутана — оба этих показателя снижаются.

Химические свойства газа

Безусловно, главным химическим свойством природного газа является его способность к окислению и горению. При низкой концентрации метана в воздухе для начала реакции с кислородом достаточно небольшой искры или источника пламени, например, горящей спички. Если же концентрация метана превышает 4,4%, такая смесь становится взрывоопасной. В результате реакции окисления природного газа в подходящих условиях, т.е. при наличии кислорода и источника зажигания, выделяются углекислый газ, водяной пар и энергия в виде тепла и света.

Сам по себе природный газ неядовит и нетоксичен, однако его высокая концентрация приводит к опасным последствиям для здоровья. Накапливаясь в воздухе, он начинает вытеснять кислород, что поначалу приводит к спутанности сознания, а затем к удушью, повреждению легких и мозга и к смерти. Длительное воздействие даже небольших доз углеводородов способствует развитию астмы и других хронических заболеваний дыхательных путей.

История природного газа

Люди догадывались о существовании природного газа еще в глубокой древности: вблизи месторождений он нередко самопроизвольно выходил на поверхность, в результате чего возникали негаснущие факелы. Такие явления часто становились частью мифов, легенд, сакральных ритуалов. Однако единственными, кто нашел практическое применение газу, судя по всему, были древние китайцы. В V веке до нашей эры они строили подземные бамбуковые газопроводы. По ним потоки газа перенаправлялись к котлам, в которых кипятили морскую воду для извлечения соли. И хотя уже в XIX веке в Европе и Америке было повсеместно распространено газовое освещение, газ в нем использовали в основном синтетический, природный же газ люди стали массово использовать для своих нужд с начала ХХ века.   На период с 1900 по 2024 годы приходится 95% потребления природного газа за всю историю человечества.

Месторождения природного газа

Образование природного газа — это длительный геологический процесс, который начался около 500 млн лет назад еще в палеозойскую эру и продолжался в течение десятков, а может и сотен миллионов лет. Органические остатки растений и морских животных накапливались на дне водоемов и покрывались осадочными породами, создававшими бескислородную среду. Высокая температура и давление в недрах Земли способствовали термическому разложению. При этом в формирующихся молекулах метана и других углеводородов запасалась энергия, которую организмы ранее получали из пищи и солнечного света в процессе фотосинтеза.

Типы месторождений (конвенциональные, сланцевые, метан угольных пластов)

• Конвенциональные месторождения природного газа являются традиционными (прим. ред.: от латинского «conventio» — «соглашение»). В них газ содержится в хорошо проницаемых пористых породах, таких как песчаники и известняки, окруженных газонепроницаемыми слоями глины или солей. Конвенциональные месторождения являются коллекторами — постепенно накапливаясь в них, газ попадал в «ловушку» и хранился под большим давлением.
• Сланцевые месторождения считаются нетрадиционными источниками, так как газ залегает в них в достаточно необычных условиях. Сланцы — это слоистые осадочные породы с низкой проницаемостью. В отличие от конвенциональных месторождений, сланцевые являются и коллекторами, и источниками, так как природный газ формировался внутри самой породы, а не перемещался из других мест.
• Природный газ является сопутствующим продуктом в процессе углеобразования. По мере того, как растительные массы преобразовывались в уголь, они выделяли множество летучих веществ, в том числе и метан. Затем газовые молекулы адсорбировали, то есть концентрировались на поверхности угля, или же накапливались в породах, окружавших пласты. Чем старше угольное месторождение, тем больше природного газа успело в нем накопиться. Природный газ представляет огромную опасность при разработке угольных месторождений, провоцируя взрывы и обвалы шахт. Из-за отсутствия запаха определить его высокую концентрацию можно только с помощью газоанализаторов.

Крупнейшие мировые месторождения (Россия, США, Катар, Иран)

Мировым лидером по объему месторождений природного газа является Россия. Согласно международной энергетической статистике за 2021 год, на территории нашей страны залегает 47 800 км³ газа. Это в 2 раза больше, чем объем воды в озере Байкал — крупнейшем пресноводном источнике в мире. В топ-5 по подтвержденным запасам также входят следующие страны (в км³):

• Иран — 34 000, конвенциональные месторождения;
• Катар — 23 900, конвенциональные месторождения;
• США — 17 710, сланцевые месторождения;
• Туркменистан — 10 000, конвенциональные месторождения.

Также назовем несколько крупнейших месторождений природного газа с указанием стран, на территориях которых они находятся, и общих объемов полезного ископаемого, включая уже извлеченные (в км³):

• Северное / Южный Парс, Катар и Иран — 35 000;
• Уренгой, Россия — 6 300;
• Бованенковское, Россия — 4 000;
• Ямбургское, Россия — 3 900;
• Хасси-Рмель, Алжир — 3 500;
• Штокмановское, Россия — 3 100;
• Галкыныш, Туркменистан — 2 800.

Технологии добычи газа

Поиск месторождений природного газа проводят геологи посредством сейсморазведки. Искусственно создавая волны, проникающие в недра Земли, они фиксируют характер их преломления и отражения, получая информацию о свойствах пород и оценивая вероятность содержания в них газа. Чтобы подтвердить возможность добычи в промышленных масштабах, специалисты бурят небольшую разведочную скважину и извлекают керн — цилиндрический образец породы, — после чего тщательно анализируют его структуру и химический состав.

Бурение скважин (вертикальное, горизонтальное)

Бурение вертикальных скважин — это основной способ добычи газа из конвенциональных месторождений. Так как газ в них находится под большим давлением, он легко выходит на поверхность по стальным трубам стволов, укрепленных слоем цемента. Вертикальные скважины обеспечивают простую и экономически выгодную добычу, так как располагаются непосредственно над месторождением.

Однако вертикальные скважины неэффективны, если газосодержащие пласты занимают большую площадь и находятся в труднодоступных местах — на большой глубине или значительном отдалении от берега. В этом случае используются горизонтальные или наклонно-направленные скважины. Непосредственно под буровой установкой стволы имеют вертикальную ориентацию, а затем изгибаются, подходя к месторождению под очень острым, иногда почти нулевым углом. Такой способ обеспечивает более высокую площадь контакта скважины с пластом и позволяет разместить буровую установку в удобном месте.

Гидроразрыв пласта (фрекинг)

Для добычи сланцевого газа специалисты используют гидроразрыв пласта, или фрекинг (прим. ред.: в переводе с английского языка «fracking» означает «гидроразрыв»). Так как проницаемость сланцевых пород очень низка, в них делают трещины для обеспечения потока газа. В породы закачивают смесь воды и расклинивающего вещества — обычно песка с добавлением едких химикатов, буквально раскалывающих твердые породы. Затем по этим каналам природный газ поступает в горизонтальные или вертикальные скважины.

Фрекинг — это эффективный метод добычи природного газа, но малейшие ошибки при его использовании могут нанести серьезный ущерб экологии. В числе основных рисков исследователи отмечают загрязнение поверхностных и подземных вод химикатами из расклинивающих смесей и загрязнение атмосферы канцерогенными соединениями, такими как бензол. Кроме того, искусственная сейсмическая активность, вызванная гидроразрывом, может спровоцировать более крупные землетрясения.

Морская добыча (шельфовые месторождения)

Добыча природного газа на морском шельфе, то есть скрытой под водой частью континентальной коры, сопряжена с определенными рисками и сложностями, среди которых природные катаклизмы, дрейфующие льды и сильные подводные течения. Если месторождение под шельфом находится на большом расстоянии от берега, возникает необходимость создания сложного комплекса из подводных и наземных систем. Их ключевым элементом являются морские платформы, которые делятся на 2 основных типа:

• стационарные — устанавливаются при глубине не более 500 метров;
• плавучие — могут перемещаться между месторождениями и применяются для бурения на глубине до 3 километров.

Подготовка и транспортировка газа

Природный газ, добываемый из скважин, содержит множество нежелательных примесей, в числе которых вода, сероводород, углекислый газ и частицы пород. Поэтому перед транспортировкой газа к потребителям его необходимо подготовить. Процесс подготовки включает следующие основные этапы.

• Сепарация — газ пропускают через специальную установку, резко снижая давление и скорость потока, в результате чего тяжелые породы и значительная часть жидкости оседают на стенках.
• Осушка — после сепарации в газе все еще остается водяной пар. Чтобы предотвратить коррозию и засорение трубопроводов гидратами, на газ воздействуют адсорбентами и абсорбентами — химическими веществами, поглощающими влагу.
• Очистка — из смеси необходимо удалить токсичный сероводород и балластный углекислый газ. Для этого ее пропускают через химические реагенты, производные аммиака, вбирающие в себя лишние вещества.
• Одоризация — на заключительном этапе в природный газ добавляют небольшое количество сильно пахнущего вещества. Газ в бытовых плитах содержит этантиол (C₂H₆S), придающий ему тот самый узнаваемый запах.

Трубопроводный транспорт

Из-за низкой плотности и летучести природный газ очень сложно перевозить на транспортных средствах, как другие полезные ископаемые. Поэтому основным способом его транспортировки являются магистральные трубопроводы. Подготовленный природный газ закачивают в стальные или полимерные трубы диаметром до 1,5 метров. На пути следования газопровода размещают компрессорные установки, обеспечивающие высокое давление и, как следствие, пропускную способность.

Сжиженный природный газ (СПГ)

При добыче газа в океане строительство газопровода может быть затруднено. В этом случае его сжижают, то есть охлаждают до температуры —162 °C для перевода в жидкое состояние, попутно удаляя воду и примеси. Сжиженный природный газ уменьшается в объеме примерно в 600 раз. В специальных криогенных резервуарах его перевозят к месту назначения на танкерах, подобно нефти. В приемном терминале газ нагревают и возвращают в исходное состояние, а затем направляют в распределительную сеть.

Использование природного газа

Природный газ — это необходимая часть большинства современных жилищно-коммунальных хозяйств. Газовые котлы используются в системах отопления и горячего водоснабжения. Газовые плиты остаются наиболее экономичным прибором для приготовления пищи, а в регионах с частыми перебоями электроэнергии — еще и самым надежным. Однако применение газа не ограничивается бытовыми удобствами и охватывает самые разные сферы.

• Энергетика — в теплоэлектроцентралях газ сжигают в котлах, нагревающих воду. Разогретый пар под высоким давлением поступает в турбины, вращение которых запускает генераторы и способствует выработке электрического тока.
• Промышленность — газ является источником энергии для плавки металлов, обжига цемента и варки стекла. Также он служит сырьем для изготовления пластмасс, аммиака и различных химических удобрений.
• Транспорт — сжатый под высоким давлением газ используют как экономичное топливо для общественного и коммерческого транспорта, а иногда и для легковых автомобилей. Сжиженный природный газ служит топливом для морских судов, а до начала 1990-х им заправляли некоторые модели самолетов конструкторского бюро «Туполев».

• Корма для животных и рыб — бактерии Methylococcus capsulatus питаются метаном и в процессе роста накапливают белковую массу, которую специалисты перерабатывают в порошок и используют в качестве питательной добавки под названием гаприн. Гаприном заменяют рыбную муку в кормах для сельскохозяйственных животных и хищных рыб.

Значение в мировой экономике

Природный газ обеспечивает приблизительно четверть мирового потребления энергии, что определяет его ключевое экономическое значение. Крупнейшими странами-потребителями природного газа являются США, Россия и Китай — суммарно на их долю приходится порядка 45% от общемирового спроса. Страны с теплым климатом почти не покупают природный газ. Например Австралия, Бразилия и Аргентина суммарно используют около 100 км³ в год, в 5 раз меньше чем Россия.

Газ и политика

Для многих стран, не обладающих собственными значительными запасами природного газа, его бесперебойные поставки являются одним из важнейших вопросов национальной безопасности. Абсолютное большинство европейских государств исторически зависят от импорта, а потому стремятся диверсифицировать поставки, так как потенциальное отключение может парализовать значительную часть промышленности и привести к социальной напряженности.

Экологические преимущества перед другими ископаемыми видами топлива

При сжигании природный газ выделяет не так много токсичных соединений и почти не содержит твердых частиц, загрязняющих атмосферу. Если сравнивать с нефтью и углем, то метан выделяет минимальное количество парникового углекислого газа, а также оксидов азота и диоксида серы, вызывающих кислотные дожди. Кроме того, сжигание газа происходит без образования сажи и золы, которые попадают в окружающую среду и способствуют развитию заболеваний дыхательных путей.

Перечисленные выше факторы делают природный газ более экологически безопасным топливом, чем нефть или уголь. Однако его добыча, переработка и потребление также связаны с различными рисками. Метан сам по себе является мощным парниковым газом, и его утечки ускоряют процессы глобального потепления. Зачастую при добыче нефти сопутствующий газ сжигают в специальных факелах или выбрасывают в атмосферу. Кроме того, если при добыче методом фрекинга случается авария, окружающие воды загрязняются химикатами, что ведет к деградации экосистем.

Будущее природного газа

Прогнозы различных специалистов относительно будущего природного газа кардинально отличаются. Одни эксперты считают, что в контексте перехода на возобновляемые источники энергии спрос на него будет падать. В частности, Европа в стремлении нивелировать геополитические риски реализует программу ускоренного энергоперехода. По данным за 2024 год, солнечные и ветряные станции произвели чуть менее половины электроэнергии во всем Евросоюзе.

Согласно другим прогнозам, спрос на газ будет неизменно расти в течение как минимум нескольких десятков лет. Основным стимулом может стать развитие промышленности в странах Африки и Азиатско-Тихоокеанского региона, которая с высокой долей вероятности будет основана на нефтегазовой отрасли. Кроме того, крупные мировые компании внедряют технологии, снижающие метановые выбросы при добыче газа, что укрепляет репутацию газодобычи в условиях нынешней климатической повестки.

Газ в вопросах и ответах

Как меняется геополитика газового рынка в условиях санкций и энергоперехода?

В условиях санкций и энергоперехода объемы экспорта российского природного газа снижаются. При этом Россия осваивает новые азиатские рынки и наращивает поставки сжиженного природного газа.

СПГ и трубопроводный газ: какой способ транспортировки станет доминирующим?

Доля сжиженного природного газа на рынке растет с каждым годом. Дорогая инфраструктура для его производства компенсируется гибкостью и независимостью транспортных маршрутов, в отличие от традиционных газопроводов.

Может ли метан стать экологичным «мостом» при переходе к водородной экономике?

Метан может использоваться для производства водородного топлива, однако этот процесс не является экологически чистым, так как в результате выделяется углекислый газ. Если будут разработаны технологии улавливания и безопасного хранения CO₂, метан вполне может стать таким «экологичным» мостом.

***

Уже более 100 лет природный газ играет ключевую роль в глобальной энергетике. С одной стороны, это самое экологически чистое ископаемое топливо, позволившее многим странам снизить долю потребления угля, что положительно сказалось на качестве воздуха. С другой — из-за проблемы утечек метана усиливается парниковый эффект. Можно с уверенностью сказать, что в краткосрочной перспективе природный газ не потеряет своего значения, но его будущее зависит от многих факторов, главные из которых — масштаб и скорость перехода на возобновляемые источники энергии.

Автор текста Иван Стефанов

Изображение на обложке: Freepik

• #Бактерии