Газ — один из самых экологически чистых и удобных видов топлива. Очень просто включить на кухне газовую плиту или зажечь газовую горелку в котле отопления. Однако путь, который газ проходит из недр Земли до потребителя, уникален по своей сложности и достоин отдельного рассказа.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №5(45). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Природный газ использовали ещё в III веке н. э. в Древнем Китае, там с помощью горящего газа выпаривали соль. Для этого газ c месторождения по бамбуковым трубкам подавали к горелкам, расположенным под испарителями солевых растворов. При этом китайцы не только собирали газ в местах естественного выхода, но также бурили скважины с помощью бамбуковых стволов. Получался своего рода прообраз современной газотранспортной системы.

В VII веке до н. э. в Древней Персии горящий природный газ косвенно послужил причиной появления целого религиозного культа огнепоклонников — последователей Заратустры. В местах своего естественного выхода на поверхность газ до сих пор пылает в зороастрийских храмах, ставших сегодня достопримечательностями Азербайджана.

Храм вечного огня Атешгях, Баку

Что же из себя представляют газообразные углеводороды, и в каких формах они встречаются в природе? Во-первых, это природный газ. Его добывают из газоконденсатных месторождений. Состоит он преимущественно из метана с примесями этана, пропана, бутана и является самым распространённым — в общем балансе добываемого газа на природный приходится до 85 %. Во-вторых, это попутный нефтяной газ, растворённый в нефти или скопившийся «газовой шапкой» в верхней части подземных нефтяных пластов. В первом случае газ «выкипает» из нефти при атмосферном давлении на поверхности земли — это называется разгазирование. Попутный газ тяжелее природного, так как в его составе много пропана, бутана, пентана, гексана и других фракций. В-третьих, это газ, растворённый в подземных водах, находящихся под высоким давлением. Добыча в промышленных масштабах такого газа ведётся пока только в Японии и Китае, но по мере расхода мировых месторождений природного газа её придётся освоить и другим государствам. И, наконец, гидраты — комплексные соединения углеводородов и воды. Эти полезные ископаемые образуются в глубине земли в условиях высоких давлений, избытка влаги и низких температур. На данный момент столь экзотичные углеводороды практически не добываются из-за сложности перевода жидких гидратов в газообразное состояние.

Важной вехой в промышленном освоении природных месторождений углеводородов стало газовое освещение в крупных городах. В 1807 году лондонские улицы осветил искусственный газ, полученный при пиролизе каменного угля, а в 1816 году природный газ был впервые применён для освещения городов США. С тех пор газообразные углеводороды стали неотъемлемой частью научно-технического прогресса. Газом начали отапливать здания, с его помощью производили электроэнергию, его использовали в качестве моторного топлива, а также в химической промышленности.

Природный газ и нефть неразлучны. Они обычно залегают недалеко друг от друга, а порой и в одном месторождении. По­этому гипотезы их происхождения рассматриваются вместе. Первыми появились гипотезы о неорганическом (абиогенном) происхождении. Ещё в начале XIX века Александр Гумбольдт предположил, что нефть происходит из неорганических горных пород, нагреваемых вулканическим теплом. В 1876 году французский учёный Марселен Бертло синтезировал простые углеводороды из неорганических веществ, что косвенно подтвердило идею Гумбольдта. В это же время Дмитрий Менделеев предложил «карбидную» тео­рию образования углеводородов: вода просачивается в глубины земли и реагирует с карбидами металлов, в ходе чего образуются простые органические соединения и оксиды металлов.

Магматическая гипотеза происхождения предполагает, что в мантии Земли при высоких температурах из водорода и углерода формируются первичные радикалы, которые в дальнейшем поднимаются в верхние слои литосферы и образуют нефть с газом. Эту идею предложил в середине прошлого столетия Николай Кудрявцев, и у неё есть косвенные подтверждения — углеводородные ископаемые, которые находят на глубине более 10 км. Предполагают даже, что нефть и газ на нашей планете произошли после столк­новения с огромным космическим телом: в результате в образовавшийся гигантский кратер попали вулканический пепел, почва и горные породы, а также принесённые из космоса углеводороды, что и вызвало в дальнейшем распространение процесса образования нефти и газа.

Органические (биогенные) гипотезы строятся вокруг отмершего планктона, животного и растительного мира, которые миллионы лет откладывались в осадочных породах. Позже в условиях отсутствия кислорода, высоких температур и давлений образовались залежи нефти и газа. Косвенным подтверждением этой гипотезы стал опыт Ганса Гефера и Карла Энглера, когда они получили из рыбьего жира предельные углеводороды, парафин и смазочное масло. Для этого исследователи перегнали органический жир при температуре 400 °С и давлении в 1 МПа. Случилось это в 1888 году, а спустя 31 год академик Николай Зелинский из сапропеля (донные органические отложения) озера Балхаш получил бензин, керосин, масло и метан. В пользу гипотезы органического происхождения выступают размещения скоплений нефти и газа в толщах осадочных пород.

Хотя учёные до сих пор спорят об истинном происхождении полезных углеводородов, методы их разведки и добычи отточены до совершенства.

Всё начинается с предварительного составления геологической карты. Только по ней можно предполагать о наличии месторождения. Один из способов построения такой карты — это сейсморазведка. 

На небольшой глубине взрывается заряд, который вызовет сейсмические колебания горных пород. Затем с помощью специальных датчиков фиксируются отражённые волны. С помощью полученных сейсмограмм составляются глубинные карты залегания горных пород. Читая такие карты, можно найти признаки углеводородной ловушки, которая удерживает скопление газа или нефти непроницаемым слоем горной породы. Сейсморазведка позволяет искать углеводороды на глубинах не более 2–3 километров, для бо̀льших требуется магнито- и электроразведка.

В первом случае высокочувствительные сенсоры исследуют магнитное поле Земли в поисках аномалий, которые могут быть маркерами залежей углеводородов. Во втором случае измеряется электрическое поле глубинных горных пород, и если замечается снижение электрического сопротивления подземных участков, можно предположить наличие газовой или неф­тяной ловушки.

Для получения детальной информации состав грунта, подземных вод и даже припочвенного воздуха изучают с помощью газовой съёмки. Если в пробах обнаруживаются микроконцентрации углеводородов, то можно с уверенностью говорить о близком расположении месторождения. Также с помощью микробиологической съёмки охотники за углеводородами ищут микроорганизмы, питающиеся нефтью. Меткой наличия больших объёмов природного газа (или нефти) может служить и аномально низкий радиоактивный фон — это свойство углеводородов лежит в основе радиоактивной съёмки. Современные методы геологоразведки позволяют создавать не только 2D-карты геологических слоёв, но и трёхмерные модели на основе сразу нескольких методик разведки. А самым прогрессивным стал 4D-сейсмомониторинг — с его помощью научились не только составлять подробную модель месторождения, но отслеживать его изменения по мере добычи углеводородов.

Точно определить наличие газа в нед­рах можно только с помощью разведочного бурения, которое в случае успеха открывает дорогу к полноценной промышленной добыче углеводородного сырья. Однако газ на пути к потребителю должен пройти ещё несколько испытаний.

Месторождение газа найдено, проведено разведочное бурение, установлена буровая вышка для промышленной добычи, и бур уже вплотную приблизился к продуктивному пласту газа. Что нужно учесть при вскрытии газового месторождения? Во-первых, давление внутри газового пласта. Оно может быть столь высоким, что газ будет фонтанировать мощным напором, сметая всё на своём пути. Поэтому предусмотрены специальные устройства — превенторы, устанавливаемые на устье скважины и блокирующие аварийные выбросы. Кроме этого, столб бурового раствора над газовым пластом компенсирует давление внутри месторождения — это дополнительная страховка от опасного фонтана. Во-вторых, при вскрытии пласта необходимо его «прострелить». Для этого используют различные перфораторы, которые опускают к месторождению по скважине и взрывают. Так получаются многочисленные разрывы около скважины, позволяющие быстрее выкачивать газ из недр.

И вот, наконец, первый газ из скважины пошёл по трубам. Можно ли его подавать потребителям? Нет, нельзя. Всё дело в том, что выходящий газ загрязнён водой и мелкими частицами горных пород. Поэтому в первую очередь свежедобытый газ отправляется в специальные устройства для отделения жидкостей и твёрдых частиц. Обычно это физические сепараторы, очищающие газ за счёт низких температур, гравитационных и инерционных сил. Перед подачей непосредственно в газопровод углеводороды необходимо окончательно осушить, иначе это вызовет коррозию стенок трубы, а также образование твёрдых гидратов, перекрывающих поток газа. Для этого используют высокие колонны абсорберов с поглотителями влаги — как правило, этиленгликоли.

Обычно месторождения газа распола­гаются далеко от мест потребления — крупных промышленных центров. Универсальным инструментом транспортировки больших объёмов стал трубопровод. При этом он может прокладываться как по суше, так и по морскому дну — как, например, подводная часть газопровода Алжир — Марокко — Испания, пролегающая по дну Гибралтарского пролива. На протяжении всего маршрута газопроводы оснащаются дожимными компрессорными станциями, поддерживающими необходимое давление.

В сжиженном виде углеводородный газ можно перевозить при помощи желез­нодорожного и автомобильного транспорта. Обычно в цистерны заливают отдельные фракции природного газа: метан, этан, пропан и бутан. Такой вид транспортировки удобен тем, что топливо в цистернах можно доставлять напрямую на газозаправочные станции.

В случае, когда ни трубопроводные магистрали, ни железнодорожный транспорт недоступны, обращаются к морским коммуникациям. Для этого в морских портах строятся установки для сжижения природного газа. Полученный в таких агрегатах сжиженный природный газ (LNG — Liquefied Natural Gas) переливается в корабли-метановозы, оснащённые холодильниками.

Они поддерживают температуру –160 °С. По прибытии в порт назначения метановоз перекачивает сжиженный природный газ в установки регазификации для подачи потребителю в газообразном состоянии. Такая транспортировка дорого обходится — метановоз в три раза дороже нефтяного танкера. Однако это не останавливает такие страны, как Япония, которые ежегодно закупают около 75 % мировых объёмов сжиженного природного газа (СПГ). По прогнозам экспертов, через 10 лет треть всего экспорта природного газа в мире будет приходиться на СПГ. Со временем станет распространённый и новый способ транспортировки газа в замороженном до твёрдого состояния виде — для этого углеводороды охлаждают до температуры −182 °С.