Как нашли газ в мире

История использования природного газа

19.06.2014

Голландский врач и химик Ван Гельмонт в начале 17 века лабораторным путем сумел разложить воздух на две составляющие части, назвав эти части газами. Под газом подразумевалось вещество, способное распространяться по всему доступному объему. Широкую известность слово газ получило после опубликования французским химиком Лавуазье «Начального учебника химии» в 1789 году.

История в древнейшие времена

О горючих газах было известно с древнейших времен. Горящие газовые факелы называли «вечным огнем», им поклонялись, рядом с ними строили храмы и святилища. «Священные  огни» существовали во многих странах  древнего мира – в Иране, на Кавказе, в Северной Америке, Индии, Китае, и т. д.  Еще Марко Поло описывал  использование природного газа в Китае, где его применяли для освещения, отопления, для выпаривания соли.

Что такое природный газ

Природным газом считают смесь газов, образовавшихся в результате разложения органических веществ в недрах Земли. Обычно природный газ собирается на глубинах от одного до нескольких километров, хотя существуют скважины глубиной более 6 км.
В стандартных условиях это газообразное вещество в виде:

• отдельных скоплений (газовые залежи);
• газовой шапки нефтегазовых месторождений.

Большими запасами обладают: Россия, Иран, Туркмения, Азербайджан, страны Персидского залива,  США.

Использование природного газа

Практическое использование горючего газа, началось в середине 19 века после изобретения немецким химиком Робертом Бунзеном газовой горелки. Бунзеновские горелки работали на искусственном «светильном газе», полученном в процессе переработки каменного угля или горючих сланцев. Очень быстро газовые горелки осветили улицы и жилые дома многих столиц и крупных городов мира. В Российской Империи газовые горелки одновременно с Петербургом появились во Львове, Варшаве, Москве, Одессе, Харькове и Киеве.

Некоторые разновидности природного газа

Различают природный газ и «попутный» или «нефтяной» газ. Различие между ними заключается в количестве содержащихся в них тяжелых углеводородов. В природном тяжелый углеводород (метан) составляет более 80% от общего состава газа, в «попутном» газе – не более 40%, а остальное – этан, пропан, бутан, и прочие.

«Попутный» газ содержится в нефтяных залежах поверх нефти, образуя газовую шапку, которая собирается в пористой породе, покрытой глинистым сланцем. Глинистый сланец препятствует выходу газа. Иногда во время буровых работ в результате резкого изменения давления газ отделяется от нефти и может происходить его утечка. Недостатком «попутного» газа, является необходимость очистки его от примесей, тогда как природный газ в очистке не нуждается.

Примерный состав природного газа

Газ различных месторождений может иметь различный состав. В среднем, содержание компонентов таково:

• метан 80-99%
• этан 0,5-0,4 %
• пропан 0,2-1,5%
• бутан 0,1-1%
• пентан 0-1%
• благородные газы (гелий, аргон) – сотые и тысячные доли процента.

Чрезвычайно редко встречаются месторождения горючих веществ с содержанием гелия 5 -8%. Гелий – очень ценный, обладает ярко выраженной химической пассивностью. В сжиженном состоянии гелий используется для охлаждения ядерных реакторов. В атмосфере гелия выплавляют металлы высокой чистоты. Природный газ – единственный источник получения гелия. В состав может входить сероводород, из которого получают серу, используемую в промышленности. Прочие вещества могут составлять от  2% до 13%  всего объема. Каждое пятое месторождение нефти – нефтегазовое, причем часто это месторождение содержит не попутный, а природный газ, имеющий такую же ценность, как и нефть.

Газовая  промышленность  России

В дореволюционной России природный газ не использовался, хотя отмечалось его наличие. Только после Октябрьской революции 1917 года советское правительство поставило задачу о возможностях использования газа, добываемого вместе с нефтью. До конца 30-х годов 20-го века Советская Россия не имела самостоятельной газовой промышленности, она была сопутствующей нефтяной промышленности, а месторождения газа открывались исключительно в процессе разведки и добычи  нефти.

Разведка газовых месторождений началась в 1939 году в Саратовской области: в 1940-м году нашли газ, а в 1941-м году была поставлена первая рабочая скважина. Нехватка  топлива, возникшая в начале Великой Отечественной войны 1941-1945 гг.. (были временно «потеряны» угольные месторождения Донбасса и нефтяные месторождения Северного Кавказа), заставила с максимальной интенсивностью заняться разведкой и добычей природного газа. Уже в 1941 году в Саратовской и  Куйбышевской областях началась промышленная добыча природного газа. Суточная производительность одной газовой скважины равнялась 800 тыс. куб.м. газа. Эксплуатация этих месторождений положила начало газовой индустрии. Вначале газ использовался для работы Саратовской ГРЭС, а в 1942 году началось строительство газопровода Саратов – Москва. Строительством руководил Лаврентий Берия, его закончили в июле 1946 года. На газопроводе ежесуточно работало более 30 тысяч человек. От Саратова до Москвы через 487 преград было вручную проложено 840 км газопровода. Было построено:

• 84 перехода через реки и каналы;
• 250 переходов через железнодорожные пути;
• шесть поршневых компрессорных станций;
• вынуто более 3,5 миллионов кубов грунта.

Газопровод проходил по территориям Саратовской, Пензенской, Тамбовской, Рязанской и Московской областей.

Для информации

Подача 1 млн. куб. м. газа в Москву заменила ежедневный расход: 

• миллиона кубов дров;
• 650 тысяч тонн угля;
• 150 тысяч тонн керосина;
• 100 тысяч тонн топочного мазута.

Приро́дный газ —смесь углеводородов, преимущественно метана, с небольшими примесями других газов, добываемая из осадочных горных пород Земли.

С середины XX века природный газ является важным полезным ископаемым, широко используемым в энергетике как энергоноситель и в крупнотоннажной химии как источник углеводородного сырья для синтеза полимеров и азотных удобрений. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. При нормальных (согласно ГОСТ Р 51847-2001) условиях (101,325 кПа и 0 °C) природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.

Сэр Гемфри Дэви (учёный-химик) ещё в 1813 году заключил из своих анализов^[1], что рудничный газ есть смесь метана CH₄ с небольшим количеством азота (N₂) и углекислого газа (СО₂) — то есть, что он качественно тождественен по составу с газом, выделяющимся из болот.

Химический состав[править | править код]

Основную часть природного газа составляет метан (CH₄) — от 70 до 98 %. В состав природного газа могут входить более тяжёлые углеводороды — гомологи метана^[2]:

• этан (C₂H₆),
• пропан (C₃H₈),
• бутан (C₄H₁₀),
• пентан (C₅H₁₂).

Природный газ содержит также другие вещества, не являющиеся углеводородами:

• водород (H₂),
• сероводород (H₂S),
• углекислый газ (СО₂)^[2],
• азот (N₂)^[2],
• гелий (He) и другие инертные газы.

Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Для облегчения возможности определения утечки газа в него в небольшом количестве добавляют одоранты — вещества, имеющие резкий неприятный запах (гнилой капусты, прелого сена, тухлых яиц). Чаще всего в качестве одоранта применяются тиолы (меркаптаны), например, этилмеркаптан (16 г на 1000 м³ природного газа).

Природный газ считается более экологичным, по сравнению с углём, так как даёт меньший выброс СО₂ на единицу получаемой энергии^[3], выделяет значительно меньше ядовитых веществ (возможны оксиды азота и сернистый ангидрид, но сложные продукты пиролиза, являющиеся зачастую весьма токсичными и канцерогенными веществами, при сжигании природного газа не образуются и не могут образовываться в принципе, но эти опасные вещества образуются при сжигании угля, мазута, дизельного топлива)

Физические свойства[править | править код]

Ориентировочные физические характеристики (зависят от состава; приведены при нормальных условиях, если не указано иное):

• Плотность:
  • от 0,68 до 0,85 кг/м³ (сухой газообразный);
  • 400 кг/м³ (жидкий).
• Температура самовоспламенения: 537 °C;
• Температуры конденсации-испарения −161,5 °С^[4];
• Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом от 4,4 % до 17 % объёмных;
• Удельная теплота сгорания: 28—46 МДж/м³ (6,7—11,0 Мкал/м³)^[5] (то есть 8-12 кВт·ч/м³);
• Октановое число при использовании в двигателях внутреннего сгорания: 120—130.
• Легче воздуха в 1,8 раза, поэтому при утечке не собирается в низинах, а поднимается вверх^[6].

Месторождения природного газа[править | править код]

В осадочной оболочке земной коры сосредоточены огромные залежи природного газа. Согласно теории биогенного (органического) происхождения нефти, они образуются в результате разложения останков живых организмов. Считается, что природный газ образуется в осадочной оболочке при бо́льших температурах и давлениях, чем нефть. С этим согласуется тот факт, что месторождения газа часто расположены глубже, чем месторождения нефти.

Крупнейшими запасами природного газа обладают: Россия (Уренгойское месторождение, Газпром обладает 17 % мировых запасов газа), Иран, большинство стран Персидского залива, США, Канада. Среди европейских стран — Норвегия и Нидерланды. Среди бывших республик Советского Союза большими запасами газа владеют Туркмения, Азербайджан, Узбекистан, а также Казахстан (Карачаганакское месторождение), и Украина (Юзовское месторождение).

Метан и некоторые другие углеводороды широко распространены в космосе. Метан — третий по распространённости газ во Вселенной после водорода и гелия. В виде метанового льда он участвует в строении многих удалённых от солнца планет и астероидов, однако такие скопления, как правило, не относят к залежам природного газа, и они до сих пор не нашли практического применения. Значительное количество углеводородов присутствует в мантии Земли, однако они тоже не представляют интереса.

Газогидраты[править | править код]

В науке долгое время считалось, что скопления углеводородов с молекулярным весом более 60 пребывают в земной коре в жидком состоянии, а более лёгкие — в газообразном. Однако во второй половине XX века группа сотрудников Московского института нефти и газа А. А. Трофимук, Н. В. Черский, Ф. А. Требин, Ю. Ф. Макогон, В. Г. Васильев обнаружили свойство природного газа в определённых термодинамических условиях переходить в земной коре в твёрдое состояние и образовывать газогидратные залежи. Позже выяснилось, что запасы природного газа в этом состоянии огромны^[7].

Газ переходит в твёрдое состояние в земной коре, соединяясь с пластовой водой при гидростатических давлениях до 250 атм и сравнительно низких температурах (до +22 °C). Газогидратные залежи обладают несравненно более высокой концентрацией газа в единице объёма пористой среды, чем в обычных газовых месторождениях, так как один объём воды при переходе её в гидратное состояние связывает до 220 объёмов газа. Зоны размещения газогидратных залежей сосредоточены главным образом в районах распространения многолетнемёрзлых пород, а также на небольшой глубине под океаническим дном^[7].

Добыча и транспортировка[править | править код]

Добыча[править | править код]

Природный газ находится в земле на глубине от 1000 м до нескольких километров (сверхглубокой скважиной недалеко от города Нового Уренгоя получен приток газа с глубины более 6000 метров). В недрах газ находится в микроскопических пустотах (порах). Поры соединены между собой микроскопическими каналами — трещинами, по этим каналам газ поступает из пор с высоким давлением в поры с более низким давлением до тех пор, пока не окажется в скважине.
Движение газа в пласте подчиняется определённым законам.
Газ выходит из недр вследствие того, что в пласте находится под давлением, многократно превышающем атмосферное; таким образом, движущей силой является разность давлений в пласте и системе сбора.

Газ добывают из недр земли с помощью скважин. Скважины стараются разместить равномерно по всей территории месторождения для равномерного падения пластового давления в залежи. Иначе возможны перетоки газа между областями месторождения, а также преждевременное обводнение залежи.

Большинство месторождений природного газа находятся очень далеко от мест, где он используется. Чтобы перевезти и сохранить газ, превратив последний в жидкость, его охлаждают до очень низкой температуры, достигающей минус 162 градусов Цельсия. При этом объем газа уменьшается в 600 раз^[8].

Мировая добыча природного газа в 2014 году составляла 3460,6 млрд м³. Лидирующее положение в добыче газа занимают Российская Федерация (в 2005 году объём добычи составил 548 млрд м³) и США (в 2009 году США впервые обогнали Россию не только по объёму добытого газа (624 млрд м³ против 582,3 млрд м³), но и по объёму добычи товарного газа, то есть, идущего на продажу контрагентам; в 2010 году Россия вернула себе лидерство в объёмах добываемого газа, нарастив добычу, США же, напротив, снизили добычу).

Некоторые газовые месторождения выделяют кислый газ, содержащий сероводород (H2S), токсичное соединение при вдыхании. Очистка газа амином, процесс промышленного масштаба, который удаляет кислотные газообразные компоненты, часто используется для удаления сероводорода из природного газа^[9].

Добыча природного газа (или нефти) приводит к снижению давления в пласте. Такое снижение давления, в свою очередь, может привести к проседанию грунта выше. Проседание может затронуть экосистемы, водные пути, канализационные и водопроводные системы, фундаменты и так далее^[10].

Фрекинг[править | править код]

Высвобождение природного газа из подземных пористых горных пород может быть осуществлено с помощью процесса, называемого гидравлическим разрывом пласта или «разрывом пласта». По оценкам, на гидроразрыв пласта в конечном итоге будет приходиться почти 70% добычи природного газа в Северной Америке^[11][12].

С момента первой коммерческой операции по гидроразрыву пласта в 1949 году в Соединенных Штатах было проведено около миллиона скважин с гидроразрывом пласта^[13]. При добыче природного газа из скважин с гидроразрывом пласта использовались технологические разработки наклонно-направленного и горизонтального бурения, которые улучшили доступ к природному газу в плотных горных породах. Сильный рост добычи нетрадиционного газа из скважин с ГРП произошел в период с 2000 по 2012 год.

При гидроразрыве пласта операторы скважин нагнетают воду, смешанную с различными химическими веществами, через обсадную трубу скважины в породу. Вода под высоким давлением разрушает или «раскалывает» горную породу, что приводит к выделению газа из горной породы. Песок и другие частицы добавляются в воду в качестве проппанта, чтобы держать трещины в породе открытыми, что позволяет газу поступать в обсадную колонну, а затем на поверхность. Химические вещества добавляются в жидкость для выполнения таких функций, как уменьшение трения и подавление коррозии. После «фрака» извлекается нефть или газ, и 30–70% жидкости гидроразрыва, т. е. смесь воды, химикатов, песка и т. д., вытекает обратно на поверхность. Многие газоносные пласты также содержат воду, которая будет течь вверх по стволу скважины на поверхность вместе с газом как в скважинах с гидроразрывом пласта, так и в скважинах без гидроразрыва пласта. Эта пластовая вода часто имеет высокое содержание солей и других растворенных минералов, которые встречаются в пласте^[14].

Транспортировка природного газа[править | править код]

Газ, поступающий из скважин, необходимо подготовить к транспортировке конечному пользователю — химический завод, котельная, ТЭЦ, городские газовые сети. Необходимость подготовки газа вызвана присутствием в нём, кроме целевых компонентов (целевыми для различных потребителей являются разные компоненты), также и примесей, вызывающих затруднения при транспортировке либо применении. Так, пары воды, содержащиеся в газе, при определённых условиях могут образовывать гидраты или, конденсируясь, скапливаться в различных местах (например, изгиб трубопровода), мешая продвижению газа; сероводород вызывает сильную коррозию газового оборудования (трубы, ёмкости теплообменников и т. д.). Помимо подготовки самого газа, необходимо подготовить и трубопровод. Широкое применение здесь находят азотные установки, которые применяются для создания инертной среды в трубопроводе.

В настоящее время основным видом транспорта является трубопроводный. Газ под давлением 75 атм прокачивается по трубам диаметром до 1,42 м. По мере продвижения газа по трубопроводу он, преодолевая силы трения как между газом и стенкой трубы, так и между слоями газа, теряет потенциальную энергию, которая рассеивается в виде тепла. Поэтому через определённые промежутки необходимо сооружать компрессорные станции (КС), на которых газ обычно дожимается до давления от 55 до 120 атм и затем охлаждается. Сооружение и обслуживание трубопровода весьма дорогостоящи, но тем не менее это наиболее дешёвый с точки зрения начальных вложений и организации способ транспортировки газа на небольшие и средние расстояния.

Кроме трубопроводного транспорта широко используют специальные танкеры — газовозы, специальные суда, на которых газ перевозится в сжиженном состоянии в специализированных изотермических ёмкостях при температуре от −160 до −150 °С.

Такой метод транспортировки является значительно более экономичным, чем трубопроводный, начиная с расстояний до потребителя сжиженного газа более 2000—3000 км, так как основную стоимость составляет не транспортировка, а погрузочно-разгрузочные работы, но требует более высоких начальных вложений в инфраструктуру, чем трубопроводный. К его достоинствам относится также тот факт, что сжиженный газ куда более безопасен при перевозке и хранении, чем сжатый.

В 2004 году международные поставки газа по трубопроводам составили 502 млрд м³, сжиженного газа — 178 млрд м³. При этом доля сжиженного газа в общем объёме поставок быстро растёт, превысив к 2018 году 40 % (323 млрд м³) и по имеющимся прогнозам увеличится до 60 % к 2040 году^[15].

Есть также и другие технологии транспортировки газа, например с помощью железнодорожных цистерн. Разрабатывались также проекты транспортировки газа с использованием дирижаблей или в газогидратном состоянии, но эти разработки не нашли применения в силу различных причин.

Сжиженный природный газ[править | править код]

С целью транспортировки очищенный от примесей природный газ сжижают, охлаждая его до температуры конденсации −161,5 °С. Полученную жидкость называют сжиженным природным газом (СПГ). Основное преимущество СПГ — занимаемый объём меньше в 600 раз. Перед поставкой потребителю СПГ возвращают в газообразное состояние на регазификационных терминалах^[4].

СПГ производится на ожижительных установках. СПГ перевозят в специальных криогенных ёмкостях^[4].

В промышленных целях первый СПГ был получен в 1917 году в США. За ненадобностью технология не совершенствовалась до середины XX века, и только в 1941 году была совершена следующая попытка произвести СПГ. Производство СПГ достигло промышленных масштабов в середине 1960-х годов^[4].

В СССР первые установки сжижения природного газа известны с 1946 года^[16]. Однако промышленного применения СПГ в СССР не получил. В России первый крупнотоннажный завод СПГ запущен в 2009 году в рамках проекта «Сахалин-2»^[4].

Экология[править | править код]

В экологическом отношении природный газ является самым чистым видом органического топлива. При его сгорании образуется значительно меньшее количество вредных веществ по сравнению с другими видами топлива. Однако сжигание человечеством огромного количества различных видов топлива, в том числе природного газа, за последние полвека привело к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере, который является парниковым газом. Некоторые учёные на этом основании делают вывод об опасности возникновения парникового эффекта и как следствие — потепление климата. В связи с этим в 1997 году был подписан Киотский протокол по ограничению парникового эффекта. По состоянию на 26 марта 2009 года Протокол был ратифицирован 181 страной мира (на эти страны совокупно приходится более чем 61 % общемировых выбросов).

Применение[править | править код]

Природный газ широко применяется в качестве горючего в жилых, частных и многоквартирных домах для отопления, подогрева воды и приготовления пищи; как топливо для котельных, ТЭЦ, различной техники, в том числе и автомобильной, и др. Сейчас он используется в химической промышленности, как исходное сырьё для получения различных органических веществ, например, пластмасс. Для обнаружения утечек газа без использования специальных приборов в него добавляют в безвредных концентрациях этантиол, обладающий резким характерным запахом.

• Газовая плита
• Газовый водонагреватель
• Газовый котёл

Корма для животных и рыб[править | править код]

Богатые белком корма для животных и рыб получают путём скармливания природного газа бактериям Methylococcus capsulatus в промышленных масштабах.

Другое[править | править код]

Природный газ также используется в производстве тканей, стекла, стали, пластмасс, красок, синтетических масел и других продуктов. Окислительное дегидрирование этана приводит к образованию этилена, который может быть превращён в этиленэпоксид, этиленгликоль, ацетальдегид или другие олефины. Пропан может быть превращён в пропилен или окислен до акриловой кислоты и акринитрила.

См. также[править | править код]

• Болотный газ
• Биогаз
• Газпром
• Гидраты природных газов
• Международный газовый союз
• Месторождение природного газа
• Метан угольных пластов
• Мировые запасы природного газа
• Нефть
• Сжиженный природный газ
• Синтетические аналоги природного газа
• Сланцевый газ
• Список стран по добыче природного газа

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• Роддатис, К. Ф. Табл. 2.9. Средний состав природного газа, его теплота сгорания, плотность, объемы воздуха и продуктов сгорания при а=1 : [арх. 4 сентября 2011] // Справочник по котельным установкам малой производительности / К. Ф. Роддатис, А. Н. Полтарецкий. — М. : Энергоатомиздат, 1989. — С. 36−37. — 488 с. : ил. — 64 000 экз. — ББК 31.361. — УДК 621.182 (035.5)^(G). — ISBN 5-283-00018-4.
• ГОСТ Р 53367-2009 : Газ горючий природный. Определение серосодержащих компонентов хроматографическим методом : Издание официальное : [арх. 5 ноября 2013]. — М. : Стандартинформ, 2010.

Ссылки[править | править код]

• ExxonMobil пророчит газу светлое будущее : [арх. 31 июля 2013] // Вокруг газа : электр. журн.. — 2011. — 28 января.
• Добыча газа в мире в 2011-м году : [арх. 4 марта 2016] // Вокруг газа : электр. журн.. — 2012. — 28 июня.
• Alexey. «Газовые гиганты» : [арх. 19 июня 2008] // Природа.SU : электр. журн.. — 2008. — 7 мая. — Блог.
• Что такое сжиженный природный газ. Информаторий. ПАО «Газпром». Дата обращения: 5 июня 2019. Архивировано 25 ноября 2011 года.
• Что такое природный газ. Информаторий. ПАО «Газпром». Дата обращения: 5 июня 2019. Архивировано 25 ноября 2011 года.

Средние века. Путник ночью возвращается через лес домой из далекого селения. Вдруг за деревьями показываются огоньки — неужели это поселок, где можно переночевать? Человек следует за огоньками, но они то оказываются ближе, то прячутся за кочками. Ноги вязнут в топком мху, а вокруг только темнота, бульканье и уханье. Путник даже не мог представить, что через много лет газ, который зажигал мистические болотные огоньки, станет важнейшим энергоресурсом на планете.

Жители средней полосы России сложили множество легенд вокруг болотных свечений. В старину они считались дурным знаком: следуя за блуждающими огнями, можно было зайти в такую топь и глушь, что выбирался не каждый. В южных землях горение природного газа было окружено другим ореолом. Люди почитали негаснущие огни, танцующие над расщелинами в каменистых горных россыпях, как явление священное и даже божественное. Один из таких естественных выходов газа и сейчас можно увидеть в Турции — он расположен на горе Янарташ, по-турецки — «горящий камень». Огни на берегу Каспийского моря близ будущего Баку служили рыбакам маяками с самых древних времен.

История открытия природного газа уходит в древние времена. Один из персидских царей однажды приказал перенести дворцовую кухню к источнику газа и здорово сэкономил: дрова и уголь в пустыне — товары дефицитные. Китайцы сжигали газ для выпаривания морской воды и получения соли. Возможно, именно они придумали первый газопровод, который подавал топливо от источника к солеварням с помощью десятков километров бамбуковых труб.

Несмотря на третье место в рейтинге потребления энергоресурсов, после нефти и угля, в промышленном масштабе природный газ был приручен сравнительно недавно.

Миллионы лет под землей

Попадая на дно болота, остатки растений разлагаются анаэробными микроорганизмами. При этом выделяются газообразные продукты — метан и некоторые примеси. Среди них — сероводород, придающий болотному газу неприятный запах, и фосфин, который при контакте с воздухом изредка вызывает самовоспламенение или свечение болотного газа — так и появляются болотные огни.

Когда пласт органических остатков любого происхождения перекрывается толстым слоем горных пород, активность бактерий сменяется воздействием высоких температур и давлений земных недр. Нагрев тоже приводит к образованию газа, но он оказывается запертым в недрах, и в течение миллионов лет накапливается в газоносных пластах на глубине в несколько километров. Нередко газ мигрирует в пределах пластов, стремясь подняться ближе к поверхности по системам пор и трещин. Самые концентрированные месторождения природного газа образуются, когда он скапливается под куполами и складками вышележащих газонепроницаемых пластов — глинистых и сланцевых.

Процесс образования природного газа можно воспроизводить, перерабатывая биомассу в замкнутых реакторах с помощью специальных бактериальных культур. Этот процесс занимает несколько суток, а не миллионы лет, как в земных недрах. Заменить таким образом весь природный газ — дело далекого будущего, а в более близкой перспективе производство биогаза может стать экологичным и полезным способом утилизации органических отходов.

Найти, извлечь, очистить

Первые углеводородные месторождения находили случайно, когда бурили недра в поисках воды — это было широко распространено уже в девятнадцатом веке. Иногда из скважины выходила не вода, а горючая субстанция. Купцы и промышленники догадывались, что энергию горения можно использовать. В 1907-м году купец Мельников организовал рядом со скважиной кирпичное и стекольное производство, — так началось использование природного газа в России.

Позже к делу подключились геологи, которые составляли карты залегания пластов, изучали сейсмические данные и указывали: «вот тут может быть газ». Разведывательные и опорные скважины бурились в Сибири и на Крайнем Севере, оборудование доставляли «на себе» через десятки километров бездорожья и тайги. Ничто не гарантировало находку, — все сведения были гораздо менее надежными, чем сейчас, а в случае успеха предстояла долгая работа по обустройству площадки добычи и протягиванию газопроводов.

Сейчас в поиске и добыче газа людям помогают наукоемкие технологии. Газоносные пласты менее плотные, чем окружающие их горные породы, поэтому в таких пластах сейсмические волны замедляются. Это приводит к задержке регистрации волн на сейсмографе. Записывая волны в различных точках земной поверхности и анализируя задержки, можно с хорошей точностью определить местоположение и характеристики пласта, который замедляет волны. Еще один метод современной геологоразведки — гравитационный. Ускорение свободного падения над месторождением чуть меньше, чем было бы в отсутствие газоносного пласта, и чувствительные приборы позволяют это обнаружить.

Когда наличие газоносного пласта установлено, разведчиков сменяют добытчики. Скважины равномерно распределяют по полю добычи, достигая полноты извлечения и избегая преждевременного наполнения пласта водой, которая может перекрыть газу путь к скважине изнутри. При разработке месторождений, где газ захвачен внутри плотной породы, ему, наоборот, «помогают» выйти из пласта, закачивая туда воду под давлением. Этот же метод под названием «гидроразрыв пласта» применяется и для извлечения остатков газа из разработанных месторождений.

Сразу после добычи природный газ очищают от сероводорода и других примесей, а затем закачивают в газопроводы или сжижают для перевозки в танкерах. При этом отделяется гелий — газ, который образуется в недрах Земли при радиоактивном распаде, но почти отсутствует в атмосфере. Гелий в воздушных шариках тоже родом из газовых месторождений.

Необычным источником газа являются клатраты. Под давлением метан может входить в кристаллическую решетку водяного льда и образовывать «горючий лед» —  вещество, очень похожее на обычный водяной лед, но загорающееся при поднесении спички. Объем метана в клатратных залежах на морском дне сравним с традиционными месторождениями, но пока возможности его добычи изучены недостаточно.

Природный газ в энергетике

Природный газ, бензин, дизельное топливо и даже парафин — близкие родственники: все они являются смесью так называемых предельных углеводородов — соединений, обладающих наибольшим возможным соотношением водорода и углерода в составе.

Атом углерода (C) может образовывать четыре химических связи, а водорода (H) — только одну. Если атом углерода один — получается метан, CH₄, главный компонент природного газа. В молекуле пропана три углеродных атома образуют цепочку. Средний атом углерода в ней связан с двумя крайними, и у него остается только два места для атомов водорода. У крайних для водорода есть три места. Получается формула C₃H₈. В эту цепочку можно вставлять дополнительные звенья состава CH₂, получая молекулы бутана C₄H₁₀ и других предельных углеводородов C_nH_2n+2.

Углеводороды от метана до бутана — газообразные, от пентана до гептадекана, молекулы которого содержат 17 атомов углерода и 36 атомов водорода, — жидкие, а еще более тяжелые — твердые. Легкие и летучие жидкие углеводороды входят в состав бензина, а из более тяжелых делают керосин и дизельное топливо.

Согласно теории биогенного (органического) происхождения, все эти углеводороды образуются в результате одного процесса — разложения органических остатков в недрах Земли. Если в составе органических остатков было много водорода — образуется природный газ, а если много углерода — нефть. В промежуточных случаях образуется и метан, и более тяжелые углеводороды. Метан, растворенный в нефти и отделяемый при ее добыче, называется попутным газом. Он очень похож на природный по составу и свойствам, но в нем содержится больше тяжелых газообразных углеводородов — от этана до бутана.

Какие углеводороды сгорают с выделением большего количества тепла (калорийностью)? Теплота сгорания растет с увеличением атомов водорода в составе молекул. В молекулах метана атомов водорода больше, чем в молекулах тяжелых углеводородов. Если сравнивать по массе, природный газ — самое теплотворное ископаемое топливо. Но на практике измеряют объем природного газа, а не его массу, и на единицу объема газ выделяет меньше тепла, чем более тяжелые «родственники».