Alles over aardgas: samenstelling en eigenschappen, winning en toepassing van aardgas

Dankzij de hoge energie-efficiëntie en milieuvriendelijkheid heeft natuurlijk gas, samen met olie, een primair belang. Het wordt op grote schaal gebruikt als brandstof en dient ook als waardevolle grondstof voor de chemische industrie.

En hoewel het gebruik van gas alledaags en vertrouwd is geworden, blijft het qua samenstelling complex en een tamelijk gevaarlijke stof – om in de brander van een gasapparaat te komen, legt het een lange en complexe weg af.

In het artikel behandelen we de belangrijkste vragen met betrekking tot natuurlijk brandbaar gas – we bespreken de samenstelling en eigenschappen, beschrijven de fasen van winning, transport en verwerking van gas, de toepassingsgebieden. We bekijken moderne opvattingen over de oorsprong van koolwaterstofvoorraden, interessante feiten en hypothesen.

Wat is natuurlijk brandbaar gas?

Er bestaat de opvatting dat gas in holtes onder de grond zit en gemakkelijk kan worden gewonnen, door gewoon een boorput te slaan. Maar in werkelijkheid is het veel complexer: gas kan zich in poreus gesteente bevinden, kan opgelost zijn in water, vloeibare koolwaterstoffen, olie.

Om te begrijpen waarom dit gebeurt, volstaat het te bedenken dat het woord 'gas' afkomstig is van het Griekse 'chaos', wat het gedragsprincipe van de stof weerspiegelt. In gasvormige toestand bewegen moleculen chaotisch en streven ernaar om alle beschikbare ruimte gelijkmatig te vullen. Hierdoor kunnen ze andere stoffen binnendringen en erin oplossen, ook in dichtere vloeistoffen en mineralen. Hoge druk en temperatuur versterken het diffusieproces aanzienlijk. Vaak komt natuurlijk gas in de ondergrond voor in de vorm van zo'n 'cocktail'.

Maar laten we eerst bespreken waar gas uit bestaat en wat het is – we bekijken de chemische samenstelling en fysische eigenschappen van natuurlijk brandbaar gas.

Kenmerken van de chemische samenstelling

Gas dat uit de ondergrond wordt gewonnen, 'natuurlijk' genoemd, is een mengsel van verschillende gassen.

Wat samenstelling betreft is het verdeeld in drie groepen componenten:

• brandbare – koolwaterstoffen;
• niet-brandbare (ballasten) – stikstof, koolstofdioxide, zuurstof, helium, waterdamp;
• schadelijke onzuiverheden – waterstofsulfide en mercaptanen.

De eerste en belangrijkste groep is een verzameling koolwaterstoffen van de methaanreeks (homologen) met een aantal koolstofatomen van 1 tot 5. Het grootste percentage in het mengsel is methaan (van 70 tot 98 %), dat één koolstofatoom heeft. Het gehalte aan de overige gassen (ethaan, propaan, butaan, pentaan) varieert van eenheden tot tienden van procenten.

Voor gas dat uit velden wordt gewonnen, is een hoge concentratie methaan kenmerkend. In het bijbehorende gas, dat uit olie wordt gewonnen, is het aandeel methaan veel lager: 30 – 60%, en dat van homologen hoger: 10 – 20 %

Naast koolwaterstoffen kunnen in het mengsel kleine hoeveelheden niet-brandbare stoffen aanwezig zijn: waterstofsulfide, stikstof, kooldioxide, koolmonoxide, waterstof en andere. Maar afhankelijk van het veld kunnen de verhoudingen van koolwaterstoffen, evenals de samenstelling van andere gassen, aanzienlijk variëren.

Fysische eigenschappen van gas

Qua fysische eigenschappen is methaan CH₄ kleur- en reukloos, zeer brandbaar. Bij concentraties in de lucht van meer dan 4,5% is het explosiegevaarlijk. Deze eigenschap, in combinatie met het ontbreken van geur, vormt een groot gevaar en probleem. Vooral in mijnen, omdat methaan door kool wordt geabsorbeerd.

Over de oorzaken van de gasexplosie in huishoudelijke omstandigheden hebben wij geschreven in dit artikel.

Om het gas een geur te geven, met het doel lekkages op te sporen, worden er vóór transport speciale stoffen met een onaangename geur aan toegevoegd – odoranten. Meestal zijn dit zwavelhoudende verbindingen – ethaanthiol of ethylmercaptaan. De hoeveelheid toevoeging wordt zodanig gekozen dat een lek waarneembaar is bij een gasconcentratie van 1%.

Het belangrijkste voordeel van blauwe brandstof is de hoge specifieke verbrandingswarmte – 39 MJ/kg. Hierbij komen onschadelijke stoffen vrij: water en kooldioxide. Dit is ook een niet onbelangrijke factor die het mogelijk maakt methaan in huishoudens toe te passen.

Waar komt gas in de aardbodem vandaan?

Hoewel mensen al meer dan 200 jaar geleden leerden gas te gebruiken, is er tot op heden geen eensluidende mening over waar gas in de aardbodem vandaan komt.

Belangrijkste theorieën over oorsprong

Er bestaan twee belangrijke theorieën over de oorsprong ervan:

• mineraal, die de vorming van gas verklaart door processen van ontgassing van koolwaterstoffen uit diepere en dichtere lagen van de aarde en hun opstijging naar zones met lagere druk;
• organisch (biogeen), volgens welke gas een product is van de ontbinding van resten van levende organismen onder hoge druk, hoge temperatuur en afwezigheid van lucht.

In een veld kan gas voorkomen als een afzonderlijke opeenhoping, een gaskap, een oplossing in olie of water, of als gashydraten. In het laatste geval bevinden de afzettingen zich in poreuze gesteenten tussen gasondoorlatende kleilagen. Meestal zijn dergelijke gesteenten verdichte zandsteen, carbonaten, kalksteen.

Het aandeel van gewone gasvelden bedraagt slechts 0,8%. Een iets groter percentage is afkomstig van diep, steenkool en schaliegas – van 1,4% tot 1,9%. De meest voorkomende typen afzettingen zijn wateropgeloste gassen en hydraten – ongeveer in gelijke verhoudingen (elk 46,9%).

Aangezien gas lichter is dan olie en water zwaarder, is de positie van de delfstoffen in de laag altijd hetzelfde: gas boven olie, en water ondersteunt van onderen het hele olie- en gasveld.

Gas in de laag staat onder druk. Hoe dieper de afzettingen, hoe hoger de druk. Gemiddeld neemt de druk per 10 meter toe met 0,1 MPa. Er bestaan lagen met abnormaal hoge druk. Bijvoorbeeld in de Atsjimovsk-afzettingen van het Oerengoj-veld bereikt deze 600 atmosfeer of meer bij een diepte van 3800 tot 4500 m.

Interessante feiten en hypothesen

Nog niet zo lang geleden werd gedacht dat de wereldwijde voorraden olie en gas al aan het begin van de 21e eeuw zouden zijn uitgeput. In 1965 schreef de gezaghebbende Amerikaanse geofysicus Hubbert hier bijvoorbeeld over.

Tot op heden blijven veel landen het tempo van de gaswinning opvoeren. Er worden geen echte tekenen waargenomen dat de koolwaterstofvoorraden opraken.

Volgens doctor in de geologisch-mineralogische wetenschappen V.V. Polevanov worden dergelijke misvattingen veroorzaakt doordat de theorie van organische oorsprong van olie en gas nog steeds algemeen wordt aanvaard en de geest van de meeste wetenschappers beheerst. Hoewel D.I. Mendelejev al de theorie van anorganische diepe oorsprong van olie onderbouwde, en dit vervolgens werd bewezen door Kudrjavtsev en V.R. Larin.

Maar veel feiten spreken tegen de organische oorsprong van koolwaterstoffen.

Hier zijn enkele daarvan:

• Er zijn velden ontdekt op diepten tot 11 km, in kristallijne fundamenten, waar het bestaan van organisch materiaal zelfs theoretisch onmogelijk is;
• Met de organische theorie kan slechts 10% van de koolwaterstofvoorraden worden verklaard, de overige 90% zijn onverklaarbaar;
• De ruimtesonde Cassini ontdekte in 2000 op de maan Titan van Saturnus gigantische koolwaterstofbronnen in de vorm van meren, die enkele orden van grootte groter zijn dan die op aarde.

De door Larin voorgestelde hypothese van een oorspronkelijk hydride-aarde verklaart de oorsprong van koolwaterstoffen door de reactie van waterstof met koolstof in de diepten van de aarde en de daaropvolgende degassing van methaan.

Volgens deze hypothese zijn er geen oude afzettingen uit het Jura. Alle olie en gas zijn mogelijk ontstaan binnen een periode van 1 tot 15 duizend jaar geleden. Naarmate er wordt gewonnen, kunnen de voorraden geleidelijk worden aangevuld, wat is waargenomen op lang uitgeputte en verlaten olievelden.

Hoe vindt winning en transport plaats?

Het proces van winning van natuurlijk brandbaar gas begint met de aanleg van putten. Afhankelijk van de ligging van de gasvoerende laag kan hun diepte 7 km bedragen. Tijdens het boren wordt een buis (voeringkolom) in de put neergelaten. Om te voorkomen dat gas ontsnapt door de ruimte tussen de buis en de wanden van de put, wordt tamponage toegepast – het vullen van de opening met klei of cement.

Na voltooiing van de bouw wordt de boortoren verwijderd en op de kop van de mantelbuis wordt een productiekerstboom geïnstalleerd. Deze bestaat uit een constructie van afsluiters en kleppen, en dient voor de winning van gas uit de put.

Het aantal putten kan vrij groot zijn.

De productiekerstboom heeft verschillende functies: hij houdt de productiebuizen in de put hangend, regelt de werkingsmodi en meet de parameters van het externe en interne deel van de put.

De gehele cyclus van de winning van natuurlijk brandbaar gas verloopt in drie fasen:

1. Ontwikkeling van het gasveld. Door het boren ontstaat een drukverschil. Hierdoor beweegt het gas door de formatie naar de putten.
2. Exploitatie van gasputten. In deze fase legt het gas de weg af door de mantelbuis.
3. Verzameling en voorbereiding voor transport. Gas uit alle fonteinkranen komt terecht op speciale technologische complexen (UKPG). Daar vindt droging van het gas plaats, reiniging van schadelijke onzuiverheden.

Zelfs geringe concentraties waterstofsulfide, waterdamp of vaste deeltjes leiden tot snelle corrosie, hydraatvorming en mechanische beschadigingen aan het binnenoppervlak van de pijpleiding.

De definitieve voorbereiding voor transport vindt plaats bij de hoofdinstallaties. Dit omvat nadere zuivering en verwijdering van koolwaterstofcondensaat, koeling van het gas om het volume te verminderen.

De belangrijkste manier van gastransport over lange afstanden is de hoofdgaspijpleiding. Deze vormt een systeem van complexe technische constructies van de pijpleidingen zelf tot ondergrondse opslagfaciliteiten.

Op het eindpunt van de hoofdleiding bevinden zich gasdistributiestations (GRS). Hier vindt de laatste zuivering van stof en vloeistoffen plaats, verlaging van de druk tot het niveau dat nodig is voor de consumenten, stabilisatie ervan, meting van het gasverbruik en toevoeging van odorant.

Een andere veel voorkomende vorm van transport van methaan is het vervoer over zee met speciale schepen – gastankers.

De enorme bolvormige reservoirs voorkomen dat een gastanker wordt verward met andere scheepstypen. Ze zijn thermosflessen die de constante benodigde temperatuur voor vloeibaar methaan van -163 °C handhaven.

Het omzetten van gas in vloeibare toestand gebeurt in speciale LNG-fabrieken. Het proces verloopt in twee fasen: eerst wordt methaan gekoeld tot -50 °C, daarna tot -163 °C. Hierbij neemt het volume 600 keer af.

Verwerking en toepassingsgebieden

De hoge brandbaarheid van aardgas bepaalt de voornaamste toepassing. Het wordt gebruikt als brandstof in fabrieken, productiebedrijven, warmtekrachtcentrales, stookruimtes, instellingen, woningen, agrarische objecten en vele andere. Wij raden u aan kennis te nemen van de regels voor gasgebruik in huis.

De winning en verwerking van ruwe olie gaat altijd gepaard met het vrijkomen van bijbehorend gas. In sommige gevallen kunnen de volumes indrukwekkend zijn en oplopen tot 300 kubieke meter per kubieke meter ruwe olie.

Maar er zijn veel velden waar natuurlijk bijbehorend gas niet wordt gebruikt, maar wordt afgefakkeld. In heel Rusland gaat bijvoorbeeld op deze manier tot 25% van de nuttige grondstof verloren.

Een deel van het bijbehorende gas gaat naar gasverwerkingsfabrieken. Hieruit wordt gezuiverd droog gas gewonnen, dat wordt gebruikt voor verwarming. Een andere waardevolle component is een mengsel van lichte koolwaterstoffen.

Het schema toont een algemeen beeld van het verwerkingsproces van het gewonnen gas. De rol van de eindproducten voor de moderne chemische industrie kan niet worden overschat.

Vervolgens wordt het in speciale installaties in fracties gescheiden. Het resultaat zijn koolwaterstoffen zoals propaan, butaan, isobutaan, pentaan. Om het volume te verminderen en transport en opslag te vergemakkelijken, worden zij vloeibaar gemaakt.

Het ombouwen van auto's naar gas verdient zich snel terug en levert aanzienlijke kostenbesparingen op. De uitbreiding van het netwerk van gasstations draagt bij aan een toename van het aantal auto's met LPG. Niet alleen bestuurders hebben er baat bij, maar ook voetgangers, die geen schadelijke uitlaatgassen hoeven in te ademen.

Propaan en butaan worden gebruikt voor het verwarmen van huizen met flessengas of voor auto's. Maar het grootste deel gaat naar verdere verwerking in de petrochemische industrie.

Door middel van verhitting op hoge temperatuur (pyrolyse) wordt hieruit de belangrijkste grondstof voor alle synthetische materialen verkregen – monomeren: ethyleen, propyleen, butadieen. Onder invloed van katalysatoren verbinden ze zich tot polymeren. Zo ontstaan waardevolle materialen zoals rubber, PVC, polyethyleen en vele andere.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

In de documentaire wordt op heldere en inzichtelijke wijze over gas verteld:

Deze educatieve film gaat over het transport van gas via hoofdleidingen:

We weten nog lang niet alles over aardgas – de oorsprong ervan herbergt nog vele mysteries. We moeten hopen dat de blauwe brandstof werkelijk een onuitputtelijke gave is, die zowel voor ons als voor onze nakomelingen toereikend zal zijn.

Heeft u nog vragen na het lezen van bovenstaand materiaal? Of wilt u het artikel aanvullen met nuttige opmerkingen, interessante feiten of foto's? Schrijf uw reacties, stel vragen, neem deel aan de discussie – het feedbackformulier vindt u hieronder.