Tudo sobre gás natural: composição e propriedades, extração e aplicação do gás natural

Graças à sua alta eficiência energética e sustentabilidade ecológica, o gás natural, juntamente com o petróleo, tem importância primordial. Ele é amplamente utilizado como combustível e também serve como matéria-prima valiosa para a indústria química.

E embora o uso do gás tenha se tornado cotidiano e habitual, ele ainda permanece uma substância complexa em sua composição e bastante perigosa – para chegar ao queimador de um aparelho a gás, ele percorre um longo e complicado caminho.

Neste artigo, abordaremos as principais questões relacionadas ao gás natural combustível – falaremos sobre sua composição e propriedades, descreveremos as etapas de extração, transporte e processamento do gás, suas áreas de aplicação. Consideraremos as concepções modernas sobre a origem das reservas de hidrocarbonetos, fatos interessantes e hipóteses.

O que é o gás natural combustível?

Existe a opinião de que o gás se encontra no subsolo em vazios e é facilmente extraído, bastando perfurar um poço. Mas na realidade é muito mais complexo: o gás pode estar contido em rochas porosas, pode estar dissolvido em água, em hidrocarbonetos líquidos, no petróleo.

Para entender por que isso acontece, basta lembrar que a palavra 'gás' vem do grego 'caos', que reflete o princípio do comportamento da substância. No estado gasoso, as moléculas se movem caoticamente, tentando preencher uniformemente todo o volume possível. Por isso, elas são capazes de penetrar e se dissolver em outras substâncias, inclusive líquidos e minerais mais densos. A alta pressão e temperatura aumentam significativamente o processo de difusão. Frequentemente, é na forma de tal 'coquetel' que o gás natural está contido nas entranhas.

Mas, para começar, vamos falar sobre a composição do gás e o que ele representa – examinaremos a composição química e as propriedades físicas do gás natural combustível.

Características da composição química

O gás extraído das entranhas, chamado de 'natural', é uma mistura de vários gases.

Quanto à composição, ele se divide em três grupos de componentes:

• Combustíveis – hidrocarbonetos;
• Não combustíveis (lastros) – nitrogênio, dióxido de carbono, oxigênio, hélio, vapores de água;
• Impurezas nocivas – sulfeto de hidrogênio e mercaptanas.

O primeiro e principal grupo é um conjunto de hidrocarbonetos da série metano (homólogos) com número de átomos de carbono de 1 a 5. A maior porcentagem na mistura é o metano (de 70 a 98%), que possui um átomo de carbono. O teor dos demais gases (etano, propano, butano, pentano) varia de unidades a décimos de porcento.

Para o gás extraído de campos, é característica a alta concentração de metano. No gás associado, extraído do petróleo, a proporção de metano é muito menor: 30 a 60%, e a dos homólogos é maior: 10 a 20%.

Além dos hidrocarbonetos, a mistura pode conter pequenas quantidades de substâncias não inflamáveis: sulfeto de hidrogênio, nitrogênio, dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrogênio e outros. Porém, dependendo do campo, as proporções de hidrocarbonetos, bem como a composição de outros gases, podem variar significativamente.

Propriedades físicas do gás

Em termos de propriedades físicas, o metano CH₄ não tem cor nem odor, é altamente inflamável. Em concentrações no ar acima de 4,5% – explosivo. Essa propriedade, combinada com a ausência de odor, representa uma grande ameaça e problema. Especialmente em minas, pois o metano é absorvido pelo carvão.

Sobre as causas da explosão de gás em condições domésticas, escrevemos neste material.

Para dar odor ao gás, com o objetivo de detectar seus vazamentos, antes do transporte são adicionadas substâncias especiais com odor desagradável – odores. Na maioria das vezes, são compostos sulfurados – etanotiol ou etilmercaptano. A proporção da impureza é ajustada de forma que o vazamento seja perceptível em uma concentração de gás de 1%.

A principal vantagem do combustível azul é o alto poder calorífico específico – 39 MJ/kg. Ao mesmo tempo, são liberadas substâncias inofensivas: água e dióxido de carbono. Este também é um fator importante que permite o uso do metano em residências.

De onde vem o gás nas entranhas da Terra?

Embora as pessoas tenham aprendido a usar o gás há mais de 200 anos, até hoje não há uma opinião unânime sobre de onde vem o gás no subsolo da Terra.

Principais teorias de origem

Existem duas teorias principais sobre sua origem:

• Mineral, que explica a formação do gás por processos de desgaseificação de hidrocarbonetos das camadas mais profundas e densas da Terra e sua ascensão para zonas de menor pressão;
• Orgânica (biogênica), segundo a qual o gás é um produto da decomposição de restos de organismos vivos em condições de alta pressão, temperatura e ausência de ar.

No campo, o gás pode estar na forma de um acúmulo separado, capa de gás, solução em petróleo ou água, ou hidratos de gás. Neste último caso, os depósitos estão em rochas porosas entre camadas impermeáveis de argila. Na maioria das vezes, essas rochas são arenito compactado, carbonatos, calcários.

A parcela de campos de gás convencionais é de apenas 0,8%. Um percentual ligeiramente maior corresponde ao gás profundo, de carvão e de xisto – de 1,4 a 1,9%. Os tipos de depósitos mais comuns são os gases dissolvidos em água e hidratos – aproximadamente em proporções iguais (cada um com 46,9%).

Como o gás é mais leve que o petróleo e a água é mais pesada, a posição dos fósseis na camada é sempre a mesma: o gás fica acima do petróleo, e a água sustenta por baixo todo o campo de petróleo e gás.

O gás no reservatório está sob pressão. Quanto mais profundo o depósito, maior a pressão. Em média, a cada 10 metros, o aumento da pressão é de 0,1 MPa. Existem reservatórios com pressão anormalmente alta. Por exemplo, nos depósitos de Achimovski do campo de Urengoi, atinge 600 atmosferas ou mais, com profundidades de 3800 a 4500 m.

Fatos interessantes e hipóteses

Não faz muito tempo, acreditava-se que as reservas mundiais de petróleo e gás se esgotariam já no início do século XXI. Por exemplo, em 1965, o renomado geofísico americano Hubbert escreveu sobre isso.

Até o momento, muitos países continuam aumentando o ritmo da produção de gás. Não há sinais reais de que as reservas de hidrocarbonetos estejam se esgotando.

Segundo o doutor em ciências geológicas e mineralógicas V.V. Polevanov, esses equívocos são causados pelo fato de que a teoria da origem orgânica do petróleo e do gás ainda é amplamente aceita e domina as mentes da maioria dos cientistas. Embora D.I. Mendeleev já tenha fundamentado a teoria da origem inorgânica profunda do petróleo, e posteriormente isso foi comprovado por Kudryavtsev e V.R. Larin.

Mas muitos fatos falam contra a origem orgânica dos hidrocarbonetos.

Aqui estão algumas delas:

• depósitos foram descobertos em profundidades de até 11 km, em embasamentos cristalinos, onde a existência de matéria orgânica nem mesmo teoricamente é possível;
• com a teoria orgânica, é possível explicar apenas 10% das reservas de hidrocarbonetos; os outros 90% são inexplicáveis;
• a sonda espacial 'Cassini' descobriu em 2000 no satélite de Saturno, Titã, recursos gigantescos de hidrocarbonetos na forma de lagos, várias ordens de grandeza maiores do que os terrestres.

A hipótese levantada por Larin de uma Terra inicialmente hidretada explica a origem dos hidrocarbonetos por meio da reação do hidrogênio com o carbono nas profundezas da Terra e subsequente desgaseificação do metano.

Segundo ela, não há depósitos antigos do período jurássico. Todo o petróleo e gás podem ter se formado entre 1 e 15 mil anos atrás. À medida que são extraídos, as reservas podem ser gradualmente reabastecidas, o que foi observado em campos de petróleo há muito esgotados e abandonados.

Como ocorrem a extração e o transporte?

O processo de extração de gás natural combustível começa com a construção de poços. Dependendo da profundidade do reservatório de gás, sua profundidade pode atingir 7 km. Durante a perfuração, um tubo (coluna de revestimento) é descido no poço. Para evitar o escape de gás pelo espaço entre o tubo e as paredes do poço, é feita a cimentação – preenchimento do espaço com argila ou cimento.

Após a conclusão da construção, a torre de perfuração é removida e na cabeça da coluna de revestimento é instalada uma árvore de natal. Ela consiste em uma estrutura de válvulas gaveta e válvulas, servindo para a extração de gás do poço.

O número de poços pode ser bastante grande.

A árvore de natal tem várias funções: ela mantém as tubulações de produção suspensas no poço, controla os modos de operação, mede os parâmetros das partes externa e interna do poço.

Todo o ciclo de extração de gás natural combustível ocorre em três etapas:

1. Desenvolvimento do campo de gás. Como resultado da perfuração, cria-se uma diferença de pressão. Devido a isso, o gás se move pela formação até os poços.
2. Operação de poços de gás. Nesta etapa, o gás percorre o caminho pela coluna de revestimento.
3. Coleta e preparação para o transporte. O gás de todas as árvores de natal é enviado para complexos tecnológicos especiais de UKPG. Neles ocorre a secagem do gás, limpeza de impurezas nocivas.

Mesmo concentrações mínimas de sulfeto de hidrogênio, vapor de água ou partículas sólidas levam à corrosão rápida, formação de hidrato e danos mecânicos na superfície interna do tubo.

A preparação final para o transporte ocorre nas instalações principais. Ela inclui limpeza adicional e remoção de condensado de hidrocarboneto, resfriamento do gás para reduzir seu volume.

O principal modal de transporte de gás a longas distâncias é o gasoduto principal. Ele representa um sistema de estruturas de engenharia complexas, desde os próprios tubos até armazenamentos subterrâneos.

No ponto final do gasoduto, estão as estações de distribuição de gás (EDG). Aqui ocorre a última limpeza de impurezas de poeira e líquidos, redução da pressão ao nível necessário aos consumidores, sua estailização, medição do consumo de gás e adição de odorante.

Outro tipo comum de transporte de metano são os transportes marítimos por navios especiais – navios gaseiros.

Os enormes reservatórios esféricos não permitem confundir um navio gaseiro com outros tipos de navios. Eles são como termossos que mantêm a temperatura constante necessária para o metano líquido a -163 °C.

A transformação do gás em estado líquido é realizada em usinas especiais de GNL. O processo ocorre em duas etapas: primeiro, o metano é resfriado a -50 °C, e depois a -163 °C. Com isso, seu volume é reduzido em 600 vezes.

Processamento e áreas de aplicação

A alta inflamabilidade do gás natural determina sua aplicação principal. Ele é usado como combustível em fábricas, indústrias, usinas termelétricas, caldeiras, instituições, casas residenciais, instalações agrícolas e muitas outras. Recomendamos conhecer as regras de uso do gás doméstico.

A extração e o refino de petróleo sempre são acompanhados pela liberação de gás associado. Em alguns casos, seus volumes podem ser impressionantes, chegando a até 300 metros cúbicos por metro cúbico de petróleo bruto.

No entanto, existe um grande número de jazidas onde o gás natural associado não é utilizado, sendo queimado em tochas. Por exemplo, em toda a Rússia, perde-se assim até 25% da matéria-prima útil.

Parte do gás associado é enviada para usinas de processamento de gás. Dele se obtém gás seco purificado, utilizado para aquecimento. Outro componente valioso é a mistura de hidrocarbonetos leves.

O esquema mostra uma visão geral do processo de processamento do gás extraído. O papel dos produtos finais para a indústria química moderna é difícil de superestimar.

Em seguida, ela é separada em frações em instalações especiais. Como resultado, obtêm-se hidrocarbonetos como propano, butano, isobutano, pentano. Para reduzir o volume, facilitar o transporte e o armazenamento, eles são liquefeitos.

A conversão de veículos para gás se paga rapidamente e proporciona uma economia significativa. A expansão da rede de postos de gás contribui para o aumento da frota de veículos equipados com gás. Ganham não apenas os motoristas, mas também os pedestres, que não precisam respirar emissões nocivas.

O propano e o butano são usados para aquecimento de casas com gás engarrafado ou para veículos. Mas a maior parte segue para processamento posterior em indústrias petroquímicas.

Através do aquecimento a alta temperatura (pirólise), obtém-se a principal matéria-prima para todos os materiais sintéticos – monômeros: etileno, propileno, butadieno. Sob a ação de catalisadores, eles se combinam em polímeros. Obtêm-se materiais valiosos como borracha, PVC, polietileno e muitos outros.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

O documentário explica o gás de forma acessível e clara:

Este filme educativo é dedicado ao transporte de gás por gasodutos:

Ainda não sabemos tudo sobre o gás natural – sua origem ainda guarda muitos mistérios. Resta esperar que o combustível azul seja realmente um dom inesgotável, que bastará para nós e para nossos descendentes.

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