Борис Марцинкевич,
18 августа 2022, 23:38 — REGNUM СМИ и интернет пестрят статьями «Газ — наше все!» 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, каковы отличия 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.

Затаенное 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 схимна — 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) 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.

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, которое 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.

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, С4Н10 — 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.

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.

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 промыслы 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.

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 нашем 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 от того, что вредно, и от того, 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…

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, снегоподобных 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.

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.

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 еще 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!