Tutto sul gas naturale: composizione e proprietà, estrazione e utilizzo del gas naturale

Grazie all'elevata efficienza energetica e all'ecocompatibilità, il gas naturale, insieme al petrolio, riveste un'importanza fondamentale. Viene ampiamente utilizzato come combustibile e costituisce anche una preziosa materia prima per l'industria chimica.

E sebbene l'uso del gas sia diventato quotidiano e abituale, esso rimane pur sempre una sostanza complessa nella composizione e piuttosto pericolosa – per arrivare al bruciatore di un apparecchio a gas, esso compie un percorso lungo e difficile.

Nell'articolo esamineremo le principali questioni relative al gas naturale combustibile – parleremo della sua composizione e proprietà, descriveremo le fasi di estrazione, trasporto e lavorazione del gas, nonché i suoi ambiti di applicazione. Considereremo le moderne concezioni sull'origine delle riserve di idrocarburi, fatti interessanti e ipotesi.

Che cos'è il gas naturale combustibile?

Si ritiene che il gas si trovi sottoterra in cavità e che sia facile da estrarre, per cui basterebbe perforare un pozzo. Ma in realtà tutto è molto più complesso: il gas può trovarsi all'interno di rocce porose, può essere disciolto in acqua, in idrocarburi liquidi o nel petrolio.

Per capire perché ciò accade, è sufficiente ricordare che la parola 'gas' deriva dal greco 'caos', che riflette il principio del comportamento della sostanza. Allo stato gassoso, le molecole si muovono in modo caotico, tendendo a riempire uniformemente tutto lo spazio disponibile. Di conseguenza, esse sono in grado di penetrare e dissolversi in altre sostanze, compresi liquidi e minerali più densi. L'alta pressione e la temperatura aumentano notevolmente il processo di diffusione. Spesso è proprio sotto forma di tale 'cocktail' che il gas naturale si trova nel sottosuolo.

Ma per cominciare, parliamo di cosa è composto il gas e di cosa rappresenta – esaminiamo la composizione chimica e le proprietà fisiche del gas naturale combustibile.

Caratteristiche della composizione chimica

Il gas estratto dal sottosuolo, chiamato 'naturale', è una miscela di diversi gas.

Per composizione si divide in tre gruppi di componenti:

• combustibili – idrocarburi;
• non combustibili (zavorre) – azoto, anidride carbonica, ossigeno, elio, vapore acqueo;
• impurità nocive – acido solfidrico e mercaptani.

Il primo gruppo principale è un insieme di idrocarburi della serie del metano (omologhi) con un numero di atomi di carbonio da 1 a 5. La percentuale maggiore nella miscela è costituita dal metano (dal 70 al 98%), che ha un atomo di carbonio. Il contenuto degli altri gas (etano, propano, butano, pentano) varia da unità a decimi di punto percentuale.

Per il gas estratto dai giacimenti è caratteristica un'alta concentrazione di metano. Nel gas associato, estratto dal petrolio, la percentuale di metano è molto inferiore: 30-60%, mentre quella degli omologhi è superiore: 10-20%.

Oltre agli idrocarburi, nella miscela possono essere presenti sostanze non combustibili in piccole quantità: idrogeno solforato, azoto, anidride carbonica, monossido di carbonio, idrogeno e altri. Tuttavia, a seconda del giacimento, le proporzioni degli idrocarburi, così come la composizione degli altri gas, possono variare notevolmente.

Proprietà fisiche del gas

Per quanto riguarda le proprietà fisiche, il metano CH₄ non ha colore né odore ed è molto infiammabile. A concentrazioni nell'aria superiori al 4,5% è esplosivo. Questa sua caratteristica, unita all'assenza di odore, rappresenta una grande minaccia e un problema, specialmente nelle miniere, poiché il metano viene assorbito dal carbone.

Sulle cause dell'esplosione del gas in ambienti domestici abbiamo scritto in questo articolo.

Per conferire odore al gas, al fine di rilevare eventuali perdite, prima del trasporto vengono aggiunte sostanze speciali dall'odore sgradevole, gli odoranti. Spesso si tratta di composti contenenti zolfo, come l'etanotiolo o l'etilmercaptano. La quantità di additivo è scelta in modo tale che una perdita sia percepibile quando la concentrazione di gas è dell'1%.

Il principale vantaggio del combustibile blu è l'elevato potere calorifico specifico: 39 MJ/kg. Inoltre, durante la combustione vengono rilasciate sostanze innocue: acqua e anidride carbonica. Questo è anche un fattore importante che consente l'uso del metano in ambito domestico.

Da dove proviene il gas nel sottosuolo terrestre?

Sebbene gli esseri umani abbiano imparato a utilizzare il gas più di 200 anni fa, non esiste ancora un consenso unanime su come il gas si formi nelle viscere della terra.

Principali teorie sull'origine

Esistono due teorie principali sulla sua origine:

• minerale, che spiega la formazione del gas attraverso processi di degassazione degli idrocarburi dagli strati più profondi e densi della terra e il loro sollevamento verso zone a pressione inferiore;
• organica (biogenica), secondo la quale il gas è un prodotto della decomposizione dei resti di organismi viventi in condizioni di alta pressione, temperatura e assenza di aria.

Nel giacimento, il gas può presentarsi sotto forma di un accumulo separato, di una cupola di gas, di una soluzione nel petrolio o nell'acqua, oppure di idrati di gas. In quest'ultimo caso, i depositi si trovano in rocce porose tra strati di argilla impermeabili al gas. Molto spesso tali rocce sono arenaria compatta, carbonati, calcari.

La quota dei giacimenti di gas convenzionali è solo dello 0,8%. Una percentuale leggermente maggiore riguarda il gas profondo, carbonifero e di scisto – dall'1,4% all'1,9%. I tipi di depositi più comuni sono i gas disciolti in acqua e gli idrati – in proporzioni approssimativamente uguali (46,9% ciascuno).

Poiché il gas è più leggero del petrolio e l'acqua è più pesante, la posizione dei fossili nello strato è sempre la stessa: il gas sopra il petrolio, mentre l'acqua sostiene dal basso l'intero giacimento di petrolio e gas.

Il gas nello strato è sotto pressione. Più profondi sono i depositi, maggiore è la pressione. In media, ogni 10 metri l'aumento di pressione è di 0,1 MPa. Esistono strati con pressione anormalmente alta. Ad esempio, nei depositi Achimovskij del giacimento di Urengoj, essa raggiunge 600 atmosfere e oltre, a profondità comprese tra 3800 e 4500 m.

Fatti interessanti e ipotesi

Fino a poco tempo fa si pensava che le riserve mondiali di petrolio e gas si sarebbero esaurite già all'inizio del XXI secolo. Ad esempio, nel 1965 ne scrisse l'autorevole geofisico americano Hubbert.

Fino ad oggi molti paesi continuano ad aumentare il ritmo di estrazione del gas. Non si osservano segni reali che le riserve di idrocarburi si stiano esaurendo.

Secondo il dottore in scienze geologiche e mineralogiche V.V. Polevanov, tali errori sono dovuti al fatto che la teoria dell'origine organica del petrolio e del gas è ancora generalmente accettata e domina le menti della maggior parte degli scienziati. Sebbene già D.I. Mendeleev abbia sostenuto la teoria dell'origine inorganica profonda del petrolio, e successivamente ciò sia stato dimostrato da Kudryavtsev e V.R. Larin.

Ma molti fatti parlano contro l'origine organica degli idrocarburi.

Ecco alcuni di essi:

• sono stati scoperti giacimenti a profondità fino a 11 km, in basamenti cristallini, dove l'esistenza di materia organica non può essere nemmeno teorizzata;
• con la teoria organica si può spiegare solo il 10% delle riserve di idrocarburi, il restante 90% è inspiegabile;
• La sonda spaziale 'Cassini' ha scoperto nel 2000 sul satellite di Saturno Titano risorse gigantesche di idrocarburi sotto forma di laghi, di diversi ordini di grandezza superiori a quelle terrestri.

L'ipotesi della Terra inizialmente idruro, avanzata da Larin, spiega l'origine degli idrocarburi attraverso la reazione dell'idrogeno con il carbonio nelle profondità della Terra e la successiva degassificazione del metano.

Secondo essa, non esistono antichi giacimenti del periodo giurassico. Tutto il petrolio e il gas potrebbero essersi formati in un periodo compreso tra 1 e 15 mila anni fa. Con il prelievo, le riserve possono gradualmente riempirsi, come si è osservato in giacimenti petroliferi a lungo sfruttati e abbandonati.

Come avvengono l'estrazione e il trasporto?

Il processo di estrazione del gas naturale combustibile inizia con la costruzione di pozzi. A seconda della profondità dello strato gassifero, la loro profondità può raggiungere i 7 km. Man mano che si perfora, viene calata nel pozzo una tubatura (colonna di rivestimento). Per evitare la fuoriuscita di gas attraverso lo spazio tra il tubo e le pareti del pozzo, si esegue la tamponatura – riempimento dell'intercapedine con argilla o cemento.

Al termine della costruzione, l'impianto di perforazione viene rimosso e sulla testa della colonna di rivestimento viene installata la testa pozzo. Essa è costituita da valvole e saracinesche e serve per l'estrazione del gas dal pozzo.

Il numero di pozzi può essere piuttosto elevato.

Alla testa pozzo sono affidate diverse funzioni: mantiene sospesi i tubi pompa-compressore nel pozzo, gestisce i regimi operativi, misura i parametri delle parti esterna e interna del pozzo.

L'intero ciclo di estrazione del gas naturale combustibile avviene in tre fasi:

1. Sviluppo del giacimento di gas. A seguito della perforazione si crea una differenza di pressione. Grazie a ciò, il gas si muove attraverso il giacimento verso i pozzi.
2. Gestione dei pozzi di gas. In questa fase, il gas percorre il tratto lungo la colonna di rivestimento.
3. Raccolta e preparazione al trasporto. Il gas da tutte le teste di pozzo giunge a speciali complessi tecnologici UKPG. In essi avviene l'essiccazione del gas, la purificazione dalle impurità nocive.

Anche concentrazioni minime di acido solfidrico, vapore acqueo o particelle solide portano a una rapida corrosione, formazione di idrati e danni meccanici alla superficie interna della tubazione.

La preparazione finale al trasporto avviene presso le strutture principali. Essa include la pulizia finale e la rimozione del condensato di idrocarburi, il raffreddamento del gas per ridurne il volume.

Il principale mezzo di trasporto del gas su lunghe distanze è il gasdotto principale. Esso rappresenta un sistema di complesse strutture ingegneristiche che vanno dalle condotte stesse fino ai depositi sotterranei.

Al punto terminale del gasdotto si trovano le stazioni di distribuzione del gas (GRS). Qui avvengono l'ultima pulizia dalle impurità di polvere e liquidi, la riduzione della pressione al livello necessario per i consumatori, la sua stabilizzazione, la contabilizzazione del consumo di gas e l'aggiunta di odorante.

Un altro tipo comune di trasporto del metano è il trasporto marittimo con navi speciali – metaniere.

Gli enormi serbatoi sferici non permettono di confondere la nave metaniera con altri tipi di navi. Essi sono come thermos che mantengono la temperatura costante necessaria per il metano liquido a -163 °C.

La trasformazione del gas allo stato liquido avviene in impianti speciali di GNL. Il processo avviene in due fasi: prima il metano viene raffreddato a -50 °C, poi a -163 °C. In questo modo il suo volume si riduce di 600 volte.

Lavorazione e ambiti di applicazione

L'elevata infiammabilità del gas naturale determina il suo utilizzo principale. Viene usato come combustibile in fabbriche, stabilimenti, centrali termoelettriche, caldaie, istituzioni, case residenziali, strutture agricole e molti altri. Raccomandiamo di consultare le regole per l'uso del gas in ambito domestico.

L'estrazione e la raffinazione del petrolio sono sempre accompagnate dal rilascio di gas associato. In alcuni casi, i suoi volumi possono essere considerevoli e raggiungere fino a 300 metri cubi per ogni metro cubo di petrolio greggio.

Ma esiste un gran numero di giacimenti in cui il gas naturale associato non viene utilizzato, ma bruciato in torce. Ad esempio, in tutta la Russia si perde fino al 25% di materia prima utile in questo modo.

Una parte del gas associato viene inviata agli impianti di trattamento del gas. Da esso si ottiene gas secco purificato, utilizzato per il riscaldamento. Un'altra componente preziosa è la miscela di idrocarburi leggeri.

Lo schema mostra il quadro generale del processo di lavorazione del gas estratto. Il ruolo dei prodotti finali per l'industria chimica moderna è difficile da sopravvalutare.

Successivamente viene separata in frazioni in appositi impianti. Il risultato sono idrocarburi come propano, butano, isobutano, pentano. Per ridurre il volume e facilitare il trasporto e lo stoccaggio, vengono liquefatti.

La conversione delle auto a gas si ripaga rapidamente e consente un notevole risparmio. L'espansione della rete di stazioni di rifornimento di gas contribuisce all'aumento del parco auto con impianto a gas (GPL). Non solo i conducenti, ma anche i pedoni traggono vantaggio, non dovendo respirare gas di scarico nocivi.

Propano e butano vengono usati per il riscaldamento delle case con gas in bombole oppure per le automobili. Ma la maggior parte viene inviata per ulteriore lavorazione negli impianti petrolchimici.

Mediante riscaldamento ad alta temperatura (pirolisi) si ottengono da essi le principali materie prime per tutti i materiali sintetici – i monomeri: etilene, propilene, butadiene. Sotto l'azione di catalizzatori, si legano in polimeri. In uscita si ottengono materiali preziosissimi come gomma, PVC, polietilene e molti altri.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Nel documentario viene spiegato in modo chiaro e visivo il gas:

Questo film didattico è dedicato al trasporto principale del gas:

Non sappiamo ancora tutto sul gas naturale – la sua origine nasconde ancora molti misteri. Non ci resta che sperare che il combustibile blu sia davvero un dono inesauribile, sufficiente sia per noi che per i nostri discendenti.

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