Виды горючих газов
В Украине создана и развивается новая крупная отрасль промышленности – газовая, использующая огромные запасы природных горючих газов Прикарпатья и Юго-востока Украины (Шебелинка), а также искусственные (промышленные) горючие газы. К искусственным относят газы, получаемые переработкой (газификацией) твердого топлива, а также коксовые газы, крекинг-газы, доменные газы и др. Хотя производство искусственных газов имеет довольно значительные объемы, удельный вес их в общей добыче и потреблении газов в стране невелик.
К природным газам относят, прежде всего газы, своим происхождением связанные с нефтью. Вместе с нефтью всегда добывают нефтяные или попутные газы. Во многих случаях насыщенность нефти газом очень высока: на одну тонну нефти попутно добывают 100-150 м2 газа. Месторождения, в которых нефть отличается высоким содержанием газов, называют нефтегазовыми.
Наибольшее значение имеют чисто газовые и газоконденсатные месторождения, своим происхождением также связанные с нефтью. Будучи очень подвижными, газы легко перемещаются по пористым и трещиноватым породам и в удобных для этого местах часто скапливаются в огромных количествах. Такие свободные (в отличие от нефтяных) газы составляют подавляющую часть ресурсов природного газа.
Практическое значение имеют и шахтные или рудничные газы. Они выделяются из угольных пластов и скапливаются в шахтах. Дегазация шахт, т.е. удаление из них газа, является одним из важнейших условий нормальной их эксплуатации (рудничные газы, содержащие метан, вредны для здоровья людей и опасны в отношении взрывов и пожаров). Из угольных шахт ежегодно удаляют десятки миллионов кубометров газа. Использование этого горючего газа приобретает большое промышленное и коммунально-бытовое значение, особенно в таких крупнейших угольных бассейнах, как Донецкий, Приднепровский и Львовско-Волынский.
Однако основу современной газовой промышленности составляет добыча и транспортировка свободных природных газов. Природные газы являются самым дешевым и вместе с тем высокотеплотворным топливом. На 1 т условного топлива в виде природного газа затрачивается в 20 раз меньше труда, чем на добычу такого же количества топлива в виде угля, и в 5 раз меньше, чем на добычу 1 т условного топлива в виде нефти. Экономически очень эффективна и транспортировка газа по газопроводам, себестоимость которой во много раз ниже себестоимости перевозки любого другого вида топлива (особенно твердого).
Состав природных газов и их использование
Природные газы – это смесь различных газообразных углеводородов, из которых до 98% составляет метан СН4. В попутных нефтяных газах содержание метана ниже (50–90%) и соответственно выше содержание других углеводородов – этана, пропана и бутана.
Кроме углеводородов, в природном газе содержится некоторое количество азота, кислорода, водорода, окиси углерода, углекислого газа, сероводорода и других веществ в газообразном состоянии.
Природные газы, будучи дешевым и удобным в использовании топливом, в настоящее время уже широко используют как коммунально-бытовые потребители, так и главным образом промышленность.
Наибольшее значение имеет использование газа в качестве топлива на электростанциях и в промышленной энергетике, где сейчас потребляется много добываемого в стране газа. С каждым годом расширяется применение газа в металлургии, цементной промышленности, машиностроении и других отраслях. Замена газом других видов топлива на тепловых электростанциях и в технологических процессах многих производств дает экономию топлива и труда, упрощает и интенсифицирует производственные процессы, уменьшает загрязненность атмосферы продуктами горения и т.д.
Большие перспективы имеет использование природных газов в качестве сырья для химической промышленности. Содержащиеся в газе углеводороды можно переработать в важнейшие химические продукты (аммиак, ацетилен, метанол, сажу и др.). На основе природного газа производят наиболее дешевые азотные удобрения.
Добыча, транспортировка и хранение природного газа
Простота передачи газов на большие расстояния позволяет значительную часть их использовать вдали от мест добычи. Для этой цели сооружают магистральные газопроводы протяженностью в сотни и тысячи километров.
Первые магистральные газопроводы прокладывали из труб малого диаметра (300-500 мм). Новые газопроводы сооружают – из труб диаметром 1000-1400 мм и более. Увеличение диаметра газопровода резко повышает его пропускную способность и сокращает относительный расход металла и капиталовложений на единицу мощности (пропускной способности) газопровода, снижает себестоимость транспортировки газа.
Технический прогресс значительно ускорил строительство газопроводов, которые сооружают теперь в несколько раз быстрее, чем 20-30 лет назад. Специальные машины (роторные экскаваторы) роют траншеи; другие машины подвозят трубы, сваривают их, очищают от ржавчины, покрывают особым антикоррозионным раствором и слоем изоляции (битумом, синтетической пленкой, специальной бумагой), укладывают подготовленные трубы в траншею и засыпают её.
Добычу, транспортировку и хранение природного газа осуществляют следующим образом. Для вскрытия газоносного пласта пробуривают скважины, через которые благодаря пластовому давлению (иногда достигающему 20-24 МПа и более) газ устремляется на поверхность. Если на газовом месторождении есть несколько скважин, то их связывают специальным газосборным кольцом, к которому подключены отдельные газовые скважины. Газ из всех скважин поступает на головную компрессорную станцию. Здесь его сушат и очищают от сероводорода.
В течение первых 2-5 лет происходит опытно-промышленная эксплуатация газовой залежи, в ходе которой уточняют свойства пласта, запасы газа, продуктивность скважины, степень подвижности пластовых вод. В это время бурят скважины и ведут освоение газового промысла. Для извлечения газа из недр, его сбора, учета, транспортировки готовят к эксплуатации скважины и наземное оборудование. Одновременно добывают 10-20% от общих запасов газа.
В процессе второго периода длительностью до 10 лет идет промышленная разработка, при которой добывают около 60% запаса газа. Для поддержания объема добычи на определенном уровне бурят новые эксплуатационные скважины, т.к. отбор газа из ранее пробуренных постепенно снижается. При снижении давления в скважине вводят в действие дополнительную компрессорную станцию, повышающую давление газа, отбираемого из залежи.
Третий период разработки месторождений не ограничен во времени и длится до исчерпания запасов. В этот период проводят мероприятия по увеличению добычи газа из скважин: расширяют каналы скважин с помощью обработки соляной кислотой или гидропескоструйным методом; производят обратную закачку газа, из которого удалены тяжелые углеводороды, в залежи по нагнетательным скважинам закачивают воду (обводнение).
Общая разработка газовой залежи длится 15-20 лет. В отличие от твердого и жидкого топлива природный газ должен сразу направляться непосредственно к потребителю. Поэтому добыча газа представляет собой комплексный процесс, состоящий из его добычи и транспортировки.
Очищенный газ под давлением в 5,5–7,5 МПа, сообщаемым компрессорами головной станции (если пластовое давление недостаточно велико), направляют в магистральный газопровод. Компрессорные станции располагают на газопроводе через каждые 100–150 км. Пройдя это расстояние, газ имеет давление уже только в 3-4 МПа. Очередная компрессорная станция вновь поднимает давление газа в магистрали. Так, от одной компрессорной станции к другой газ передают на тысячи километров.
На подходе к большому городу газопровод обычно разветвляется на два полукольца, что улучшает распределение газа по городским газовым сетям и способствует поддержанию в них равномерного давления. Перед поступлением в городскую газовую сеть не имеющий запаха природный газ проходит через специальную одорирующую установку, в которой он получает определенный запах. Это необходимо для быстрого обнаружения случаев утечки газа из сети, что делает безопасным пользование им. Иногда одорирование производят на промышленной газораспределительной станции.
Для хранения горючего газа иногда сооружают огромные резервуары, называемые газгольдерами. Однако удобнее хранить газы в сжиженном виде. При температуре –160° С и большом давлении природный газ переходит в жидкое состояние и занимает при этом объем в 600 раз меньший, чем в газообразном состоянии. Значительно легче (при обычной температуре и сравнительно невысоком давлении) сжижаются пропан и бутан, выделяемые из нефтяных газов.
Перевозится сжиженный газ в специальных цистернах и баллонах. Применение сжиженного газа позволяет газифицировать города, к которым газопроводы еще не проложены, и снабжать газом небольших потребителей, к которым из-за небольшого объема потребления газа прокладка газопровода невыгодна.
Самыми емкими и удобными являются подземные хранилища газа. Хранение газа в них обходится в 250 раз дешевле, чем в газгольдерах. В качестве таких хранилищ можно использовать различные подземные выработки, в которые под большим давлением закачивают газ, герметически изолируемый от атмосферы.
Более экономичными газохранилищами являются истощенные (выработанные) газовые и нефтяные месторождения, в пористые пласты которых можно закачивать огромное количество сжатого газа. Находясь под большим давлением, этот газ легко выделяется и по скважине поступает в газопроводную сеть.
Для хранения газа используют также и водоносные пласты, в которые закачивают газ, оттесняющий из пласта воду. Газохранилища в водоносных пластах наиболее распространены в странах СНГ. Они созданы около крупнейших городов.
Крупные газохранилища имеют большое значение в регулировании добычи и потреблении газа: при снижении потребления газа его излишки направляют в хранилище, откуда он поступает в газопроводную сеть, когда расход газа значительно возрастает.