Природный газ не так прост, как порою кажется

СМИ и интернет пестрят статьями «Газ — наше всё!» и «да что мы можем, кроме самого простого — газ качать?» Одновременно ругают и хвалят Газпром и НОВАТЭК, одновременно газ и двигатель бюджета и тормоз модернизации экономики. Криков и рассуждений пруд пруди, а вот ответов на наши любимые «детские» вопросы найти — постараться надо.

Что такое вообще природный газ, одинаков ли он во всех трубах и во всех скважинах или нет? Почему специалисты по газу говорят, что он не пахнет, а на кухнях у себя мы любую утечку именно носом и чуем? Заглянешь в профессиональные статьи — там сам черт ногу сломит от кубометров, тонн, британских термальных единиц и прочих тонн условного топлива.

Так что же происходит на всевозможных буровых установках, компрессорных станциях, отличий газоперерабатывающих заводов от газоперерабатывающих комбинатов, почему так много денег требуется для сжижения газа, а на регазификацию сжиженного — в разы меньше? И почему, в конце концов, сжиженный газ на кораблях-газовозах требует температуры в -162 градуса, а в зажигалках с ним все в порядке и при положительных температурах?

Несмотря на задуманную краткость, слов придется нам написать, а вам прочитать достаточно много, так что это только начало, но «порции» большими не будут.

Как всегда — минимум формул и объем, необходимый не столько для глубокого погружения в органическую химию и физические свойства газа, сколько для понимания того, насколько непрост такой «простой и привычный» нам природный газ, из чего складывается цена на него, почему газ трубопроводный всегда будет дешевле газа сжиженного, зачем строят в Амурской области газоперерабатывающий завод и чем он будет отличаться от планируемого там же газоперерабатывающего комбината.

Амурский газоперерабатывающий завод станет крупнейшим в России и одним из самых больших в мире производств по переработке природного газа и крупнейшим в мире предприятием по производству гелия. 
 

Затаённое дыхание планеты

Итак, что такое, собственно говоря, природный газ?

Пожалуй, одно из самых неудачных названий, придуманных человеком, поскольку оно не отражает и толику удивительных свойств этого творения матушки-природы.

Газ… То, что мы вдыхаем — это тоже газ, и то, что мы выдыхаем — тоже газ. А «природный газ» — это затаенное дыхание планеты, дарящее нам возможность извлечь из него миллиарды джоулей энергии, получить удивительные, невиданные в природе вещества — полиэтилены и полипропилены, пластмассы, краски, растворители, удобрения, топливо для моторов наших машин.

Природный газ — это небольшое чудо, щедрый подарок природы, без освоения тайн которого наша цивилизация была бы совсем иной, менее комфортной, менее уютной и, в то же время — менее опасной.

Природный газ — чудо, но чудо опасное. Концентрируясь в воздухе, он способен стать причиной отравлений и страшных пожаров. Это он, природный газ, как грозный языческий бог, забирает жизни людей, утративших бдительность и осторожность.

И это он же, но покоренный нашим умом, нашими трудами — дарит свет и тепло, вращает турбины генераторов и помогает нести покупки из супермаркетов.

Природный газ… Нет, что-то правильное в этом название все же есть — это дыхание природы, дающее нам возможность ее же, природу, покорить. Покорить мрак ночи и холода зимы, перенести без вреда зной лета в прохладных помещениях, без труда приготовить самые изысканные блюда.

Подарок щедрый и опасный, привычный и необычный, об удивительных свойствах которого знать должен каждый.

Когда говорят о культуре, почему-то чаще всего вспоминают литературу и изобразительное искусство, скульптуру, балет, музыку и поэзию. Неумение разбираться во всем этом служит основанием обзывать человека «дикарем».

Но наша с вами цивилизация — это не только изящные искусства, не только песни и пляски.

Наша цивилизация — цивилизация моторов и электричества, цивилизация нефти, газа, атома.

Наша цивилизация — это одухотворенный, неистовый и осмысленный протест против Второго закона термодинамики: мы не хотим и не позволяем расти энтропии на нашей Земле. И делаем мы это потому, что каждый из нас — сгусток энергии, воли и разума, отрицающего тепловую смерть.

Наша цивилизация — это неуклонное, год за годом и век за веком покорение энергии, подчинение ее нашему уму и желаниям.

Нашу цивилизацию создали удивительные люди — ученые, конструкторы, инженеры, простые рабочие, исповедовавшие религию техносферы, читающие евангелия энергомашин, служившие молебны энергопусков, вместо свечей ставившие громадины опор электропередач, читавшие молитвы законов электромагнетизма, физики и химии.

Их схима — глубочайшие скважины в недоступных местах, покоренные реки, перегороженные плотинами, гудящие провода и тихая, беззвучная мощь атомных реакторов, компрессорные станции, которые гонят сконцентрированную энергию на тысячи и тысячи километров.

Совершаемые ими таинства их религии дают нам свет и тепло, заставляют работать двигатели насосов и тепловозов, самолетов и кораблей, автомобилей и ракет.

Не зная основ религии и культуры техносферы, имеем ли мы право причислять себя к знатокам культуры?..

Газовое ассорти

То, что мы называем привычной идиомой «природный газ» — всегда смесь разных газов, которые образовались в незапамятные времена в недрах нашей планеты при анаэробном разложении органических веществ.

Органические вещества — это понятно, «анаэробный» — значит, при отсутствии воздуха. Сжало-сдавило в тех недрах органику так, что места для воздуха просто не осталось, и осталась органика вот в таких ловушках на миллионы лет.

Залегает природный газ в пластах земных пород отнюдь не одинаково, лежит он в разных частях планеты разное количество лет, образуется он при чуточку разных давлениях и температурах, да и органика, из которой он образовался, вовсе не была неким «единым стандартом».

Потому в разных месторождениях природный газ — разный. Разное количество химических веществ в его составе, разные пропорции в этом «ассорти», потому и обработка, которой его надо подвергать, прежде, чем «затолкать» в трубу, в топку электростанции и в маленькие конфорки на кухне, на разных месторождениях всякий раз индивидуальна, всякий раз требует творческого подхода к разработке технологий переработки.

Какие-то месторождения природного газа «в полном порядке» — в газовых залежах, добывать его из них легко и приятно.

Впрочем, о «легкости» мы еще не раз поговорим, легко это делать только в сравнении с трудами, которые приходится тратить, чтобы забрать его из газовых шапок нефтегазовых месторождений или из раствора в нефти и воде — бывают и такие случаи.

При нормальных условиях, то есть при нуле градусов Цельсия и атмосферном давлении в 762 мм ртутного столба (они же — 101,325 кПа, килопаскалей) природный газ всегда в газообразном состоянии, уж простите за это «масло масляное».

Встречается газ и в кристаллообразном состоянии, в виде естественных газогидратов, но про подобную газовую экзотику вспомним попозже.

Молекула метана

Основная часть природного газа — это метан, его в химической подземной смеси обычно от 70 до 98%.

Разброс достаточно большой, но чему тут удивляться — и состав органики, из которой он образовался, мог быть совершенно разным, и температуры с давлением, при которых матушка-природа нам его припасала — тоже разные.

СН4 — вот несложная химическая формула метана, к 1 атому углерода «приклеены» 4 атома водорода. Для нас с вами важнее всего, что этот газ, не имеющий ни цвета, ни запаха, чрезвычайно горюч и даже взрывоопасен при концентрации в воздухе выше 4,5%.

За время существования нашей цивилизации «на счету» метана жизни сотен тысяч, если не миллионов горняков — именно метан при малейшем нарушении правил безопасности взрывается и горит в шахтах всего мира.

Но есть и обратная сторона медали — его теплотворность обеспечивает газовые электростанции тем количеством электроэнергии, которая обеспечивает технологические промышленные производства и нашу с вами комфортную жизнь.

Да и в конфорках газовых плит горит все тот же метан, к которому прибавляют остро пахнущие вещества, помогающие нам уловить малейшую его утечку.

1 кубометр метана при сгорании дает столько же тепла, сколько 1,5 кубометра неочищенного природного газа (в среднем, конечно) или 1,2 литра дизельного топлива.

В природном газе практически всегда содержатся более тяжелые углеводороды — этан, пропан и бутан. Этан, С2Н6 точно так же бесцветен и не имеет запаха, но еще более горюч, чем метан, однако как топливо его не используют — намного больше пользы и прибыли можно получить, используя его для производства этилена.

Но о химической переработке составляющих природного газа — попозже, пока просто зафиксируем: этан полезнее для химиков, чем для энергетиков.

Молекулы пропана и бутана
 

Пропан, С3Н8 бесцветен, без запаха. От природного газа его отделяют, поскольку для него есть масса других способов применения.

Это им мы режем металл, греем битум и асфальт, это он служит топливом для переносных электрогенераторов, это он находится в баллонах красного цвета на наших дачах и в багажниках автомобилей.

Удобен, чертяка — для его хранения в баллонах достаточно давления в 10-15 атмосфер, при горении дает температуру в 466 градусов.

Бутан, С4Н1 — бесцветен, но уже имеет специфический запах. Используют в смеси с пропаном как топливо для автомобилей, чтобы повысить октановое число, смесь пропана и бутана горит в наших зажигалках, ценен для химической промышленности как сырье для производства бутилена.

Газовая терминология

И еще пару слов — про запас, на тот случай, если кому-то из вас доведется читать статьи на узкоспециализированных сайтах, статьи профессионалов, которые не просто «глубоко погружены в материал», а которые внутри этого материала просто таки живут.

Очень часто в таких источниках мелькают термины, которые с первого взгляда кажутся совершенно непонятными и порой сбивают с толку. Метан, этан, пропан и бутан частенько «обзывают» загадочным словом «гомологи».

Тут ничего хитрого нет, смотрите.
 

Вот метан: 1 атом углерода и 4 атома водорода, СН4.

Вот этан: 2 атома углерода и 6 атомов водорода, С2Н6.

Добавляем еще 1 атом углерода и еще 2 атома водорода, и вот перед нами формула пропана — С3Н8.

Еще 1 атом углерода и еще 2 атома водорода, и вот уже бутан — С4Н10.

Гомологи — соединения одного класса, отличающиеся по составу на целое число групп СН2, не более того.

Встречается и деление природных газов разных месторождений на сухие (бедные) и жирные (богатые).

Тоже ничего хитрого, сухие газы — те, в которых метана порядка 95-96%, а содержание других гомологов незначительно.

Сухие газы обычно содержатся в чисто газовых месторождениях, а жирные газы — это обычно попутные нефтяные, в них гомологов метана порой бывает десятки процентов.

Гомологический ряд алканов, рис.: infourok.ru
 

Поскольку нефть и газ имеют очень схожий углеводородный состав, газ является естественным спутником нефти, содержится практически во всех известных нефтяных месторождениях.

По сути нефть с растворенным в ней газом подобна газированным напиткам. При больших пластовых давлениях газа в нефти много, но после вскрытия нефтяной ловушки давление падает, газ начинает бурно выделяться.

Откройте крышку бутылки с лимонадом — вот вам и самая примитивная модель нефтяного месторождения. Сначала газа выделяется много, потом остается только небольшое количество пузырьков. Увидели?

Заодно и задумайтесь, так ли легко нефтяникам и газовикам отделить попутный газ от нефти. Ну а жирный газ содержит столько тяжелых гомологов метана, что из него выгоднее получать сжиженный газ.

Видите — фраза, которая до прочтения этой небольшой статьи показалась бы вам абракадаброй, стала уже понятной.

Много в жирном газе этана, пропана и бутана, его выгоднее не гнать в магистральный трубопровод для дальнейшего сжигания, а переработать, чтобы получить отдельные составляющие, фракции, в чистом виде.

Жирные газы в 99% случаев — это сопутствующие нефтяные газы, которые нужно выделить из нефти, чтобы сделать ее товарной.

Товарная нефть, в соответствии с российскими и мировыми стандартами, должна содержать не более 1-2% газа, в силу чего любая нефтяная компания — одновременно и «немножко газовая».

Принадлежность любого нефтяного промысла — многоступенчатые сепараторы, в которых от нефти отделяют воду и попутные газы.
 

Факел с попутным газом, фото: tatgazinvest.ru
 

Часто встречается еще один термин, обычно в виде аббревиатуры — ШФЛУ, которая расшифровывается как «широкая фракция легких углеводородов». Опять же — тот, кто сочинил такое название, был либо шутником, либо участником всемирного тайного заговора химиков-газовиков или нефтяниками, которые вот так отомстили газовикам за то, что приходится возиться с газом.

Вот есть слово «легких» и, по логике, в эту самую фракцию должны в обязательном порядке входить метан и этан.

Но — «скажем логике «нет»! В составе ШФЛУ как раз метан и этан должны находиться в минимальном количестве, не более 5%. Это невозможно понять, это нужно просто запомнить: в составе широкой фракции легких углеводородов самых легких углеводородов — нет.

ШФЛУ состоит из пропана с бутаном и более тяжелых гомологов. У всех газов, которые тяжелее бутана, тоже есть имена собственные, но звучат они настолько вычурно, что забивать ими голову нет никакого смысла. Обозначают их как «С5 и выше» — вот и все.

Более-менее запоминаемое название — пентан, следующий гомолог метана после бутана. «Пента» — пять, формула очевидна — С5Р12.

Нефтяники отделяют газ от нефти за счет сепарирования, сжимают его на компрессорах и перегоняют на газовые промысла или сразу на ГПЗ (газоперерабатывающие заводы), и вот там уже от природного газа методом охлаждения отделяют ШФЛУ — замечательное сырье для химической промышленности.

Примеси родные и посторонние

Кроме углеводородов, которыми являются перечисленные «зверушки», в природном газе всегда наличествуют и другие вещества.

Углекислый газ (СО2) и сероводород (Н2S) в газовой смеси появляются в приповерхностных слоях, где появляется возможность взаимодействовать с кислородом. А на больших глубинах газ вступает во взаимодействие с сульфатными пластовыми водами (воды с содержанием солей серной кислоты), и в результате всевозможных реакций выделяется чистая сера (S).

Эти трое — углекислый газ, сероводород и сера — в составе природного газа есть всегда.

Попутный нефтяной газ, рис.: РИА Новости
 

Азот, гелий, аргон и другие инертные газы в составе природного газа тоже присутствует практически всегда, хоть и в минимальных количествах, от 0,01% до 0,15%.

Но случаются и редкие исключения — к примеру, в Оренбургском месторождении содержание гелия доходит до 10%, поэтому там рядом с газоперерабатывающим заводом (ГПЗ) построен и работает гелиевый завод.

Кроме того, во всех без исключения нефтеносных и газоносных пластах есть вода, и выходящий из скважины газ всегда содержит то или иное количество воды в виде водяного пара.

Наличие водяных паров в газе — это гарантированная коррозия трубопроводов и оборудования и шанс появления в них гидратов, снегоподобного вещества, способного полностью перекрыть сечение трубопровода.

При снижении давления в газе, что в многокилометровых газопроводах просто неизбежно, вода выделяется в чистом виде, и на наших северных месторождениях она способна не только заставить ржаветь внутреннюю поверхность труб и оборудования, но еще и просто превратиться в лед.

Трубы начинают закупориваться, измерительная и контрольная аппаратура и вовсе выходит из строя.

При таком сложном составе, который еще и разнится от одного месторождения к другому, нет ничего удивительного в том, что природный газ перед любым способом его использования приходится «чистить» — и оттого, что вредно, и оттого, что слишком ценно, чтобы гореть в топках электростанций.

Не всякий газ пригоден для трубы

Разобравшись с непростым составом природного газа, продолжим наше знакомство с технологией его транспортировки по трубам.

Нам кажется, что этот маленький «ликбез» необходим как прививка от многочисленных критиканов, любящих многословно разглагольствовать о том, как «отсталая Россия пихает трубы под землю, оттуда прет газ, а ничего технически сложного ватники освоить не способны».

Мягко сказать — это заблуждение, грубо — получится совсем уж нецензурно…

Газопровод «Южный поток», фото: gazprom.ru
 

Скважина пробурена, магистральный трубопровод проложен — что, стыкуем, врубаем компрессорные станции вдоль трубы, и вот уже все в полном порядке, пора идти подсчитывать прибыль?

Да даже мечтать об этом не приходится!

Газ, поступающий из скважины, к транспортировке по трубопроводу не готов совершенно, абсолютно и категорически.

Прежде всего он несет с собой механические примеси — пыль, частички грунта. Давление в трубопроводах, которое обеспечивают компрессорные станции — 75 атмосфер, и вот эти самые механические примеси под таким давлением будут внутри трубы вести себя, как наждак, стирая поверхность.

Такое же абразивное воздействие получат арматура, детали и оборудование компрессорных и газораспределительных станций, контрольно-измерительная аппаратура.

Все газы тяжелее метана в трубопроводах норовят конденсироваться и оседать в пониженных точках газопроводов, уменьшая их проходное сечение.

Наличие водяных паров в газе — это гарантированная коррозия трубопроводов и оборудования, а еще — шанс появления в них гидратов, снегоподобного веществ, способных полностью перекрыть сечение трубопровода.

Еще хлеще ведет себя сероводород, который в присутствии влаги образует серную и сернистую кислоты, которые в буквальном смысле слова разъедают трубы, арматуру и оборудование.

Углекислый газ понижает температуру сгорания газа, ухудшает его химический состав, и тоже ведет к коррозии.

В общем, неподготовленный к транспортировке природный газ — это просто фильм ужасов для любого специалиста по трубопроводам. А потому давайте знакомиться с тем, что обеспечивает всех нас приличным по своему составу газом.

Перерождение газа начинается 
на его месторождении

Просим любить и жаловать — УКПГ, установка комплексной подготовки газа:

Или вот такая — тут в снегу:

Фото: gazprom.ru

Красиво, не так ли? Но универсальной, типовой УКПГ просто не существует — для каждого месторождения приходится подбирать индивидуальный комплект оборудования, ведь в каждом месторождении химический состав природного газа чуточку разный, способ очистки зависит и от климатических, температурных условий местности, в которой находится месторождение.

УПКГ не стоит у каждой скважины отдельно, ее делают централизованной для всего месторождения, при разработке которого обычно используется не одна, а множество скважин.

Соответственно, приходится монтировать систему труб от скважин к месту расположений УКПГ и в этих «паутинах», кажущихся постороннему глазу полным хаосом, сокрыт понятный только специалистам порядок, продуманность.

«Ткнуть трубу и качать бабки»? Ну-ну.
 

В состав УКПГ входят (мы просто перечислим, не раскрывая подробных технических и технологических деталей):

☞ блок предварительной очистки (сепарации), обеспечивающий отделение от газа механических примесей, капельной влаги и жидких углеводородов;

☞ технологические установки очистки, осушки и охлаждения газов;

☞ дожимные компрессорные станции;

☞ вспомогательные системы производственного назначения (операторная, установки со средствами связи, электро-, тепло- и водоснабжения, электрохимической защиты, пожаротушения, склады химических абсорбентов и пр.).

Каким бы ни был состав газа на том или ином месторождении, в магистральный газопровод должна поступать одна и та же смесь, требования к которой собраны в ОСТ 51.40-83.

В них — предельные нормы содержания воды, углекислого газа, тяжелых углеводородов, сероводорода, кислорода, температура газа при том или ином времени года и требования по теплоте сгорания.

Только в таком виде газ допускают до поступления в магистральный газопровод — не прямиком из недр Земли, а после многоступенчатой системы очистки, осушки, подогрева или охлаждения.

По сути, каждое УКПГ — большая химическая и физическая лаборатория, исправность функционирования которых обеспечивают специалисты с высшим образованием, соглашающиеся трудиться в очень непростых порой условиях.

Мы с вами прекрасно знаем, что наш газ добывается в Сибири, в полярных районах, на шельфах северных морей. Полярные ночи, морозы и снегопады — специалисты и аппаратура обязаны выдерживать все, что выпадает на их долю.

Да-да, ради того, чтобы мы поутру могли спокойно кипятить чайник и жарить яичницу, включив на кухне свет, днем и ночью работают те, о ком мы так редко вспоминаем.

Фото: gazprom.ru
 

УКПГ, которую вы видели на фотографии — далеко не самая большая и не самая мощная. В октябре 1966 года была запущена Пунгинская УПКГ мощностью 6 млрд кубометров газа в год, и на тот момент это был всесоюзный рекорд.

В мае 1972 была запущена УКПГ на Медвежьем месторождении — 8,5 млрд кубов в год, в 1993 начала работу УКПГ Комсомольского месторождения, удерживающая пальму первенства и поныне — 32 млрд кубометров ежегодно.

Химия — не только жизнь, 
но ещё и деньги

Как вы понимаете, этот сверхкороткий рассказ может быть развернут в повесть, в роман. УКПГ для газовых месторождений и для месторождений газоконденсатных, осушка газа охлаждением и осушка химическая, абсорбционная и адсорбционная, этиленгликоли, осушка твердым поглотителем…

Это действительно серьезная наука, но для общего понимания того, что происходит в точке входа природного газа в магистральный трубопровод сказанного вполне достаточно.

В следующий раз мы постараемся понять, зачем Газпром строит в Амурской области газоперерабатывающий завод и почему СИБУР решил, что должен разместить рядом с ним свой будущий газоперерабатывающий комбинат. Да и чем, собственно, отличается завод от комбината.

И совсем отдельная история — как приходится подготавливать природный газ к сжижению, как выглядит сам процесс сжижения и почему получить жидкий газ на Ямале удается немного дешевле, чем в Персидском заливе.

Да, заодно разберемся, почему жидкий газ в зажигалке остается жидким и при дневной температуре, а газ, который везут по морю специализированные танкеры, должен иметь температуру -160 градусов и не выше.

В том, что мы называем «природным газом» — множество тайн и загадок, которые таковыми стали просто потому, что химию в школе мы изучали давным-давно, да порой еще и кое-как.

Попробуем вспомнить, заодно присоединив к забытому информацию сугубо экономическую — что сколько стоит, что выгоднее оставлять сырьем, а что — переработать, прикинув выгодную глубину переработки. Наука наукой, а деньги любят счет.

Вряд ли будущие статьи будут трудными для понимания, ведь молекулы куда как менее загадочны и таинственны, чем атом, так что нет сомнений — справимся!