Todo sobre el gas natural: composición y propiedades, extracción y aplicación del gas natural

Gracias a su alta eficiencia energética y respeto por el medio ambiente, el gas natural, junto con el petróleo, tiene una importancia primordial. Se utiliza ampliamente como combustible y también sirve como valiosa materia prima para la industria química.

Y aunque el uso del gas se ha vuelto cotidiano y habitual, sigue siendo una sustancia compleja en su composición y bastante peligrosa – para llegar al quemador de un aparato de gas, recorre un camino largo y complicado.

En el artículo analizaremos las preguntas principales relacionadas con el gas natural combustible – hablaremos de su composición y propiedades, describiremos las etapas de extracción, transporte y procesamiento del gas, y sus áreas de aplicación. Examinaremos las teorías modernas sobre el origen de las reservas de hidrocarburos, datos interesantes e hipótesis.

¿Qué es el gas natural combustible?

Existe la creencia de que el gas se encuentra bajo tierra en cavidades y se extrae fácilmente, para lo cual basta con perforar un pozo. Pero en realidad todo es mucho más complicado: el gas puede estar dentro de una roca porosa, puede estar disuelto en agua, en hidrocarburos líquidos, en petróleo.

Para entender por qué ocurre esto, basta recordar que la palabra «gas» proviene del griego «caos», que refleja el principio del comportamiento de la sustancia. En estado gaseoso, las moléculas se mueven de manera caótica, tratando de llenar uniformemente todo el volumen posible. Debido a esto, pueden penetrar y disolverse en otras sustancias, incluyendo líquidos y minerales más densos. La alta presión y temperatura intensifican significativamente el proceso de difusión. A menudo, es en forma de este «cóctel» que el gas natural se encuentra en el subsuelo.

Pero para empezar, hablemos de qué está compuesto el gas y qué es – examinemos la composición química y las propiedades físicas del gas natural combustible.

Características de la composición química

El gas extraído del subsuelo, llamado «natural», es una mezcla de diversos gases.

Por su composición, se divide en tres grupos de componentes:

• Combustibles – hidrocarburos;
• No combustibles (lastres) – nitrógeno, dióxido de carbono, oxígeno, helio, vapor de agua;
• Impurezas nocivas – sulfuro de hidrógeno y mercaptanos.

El primer y principal grupo es un conjunto de hidrocarburos de la serie del metano (homólogos) con un número de átomos de carbono de 1 a 5. El mayor porcentaje en la mezcla lo constituye el metano (del 70 al 98 %), que tiene un átomo de carbono. El contenido de los demás gases (etano, propano, butano, pentano) oscila entre unidades y décimas de porcentaje.

Para el gas extraído de yacimientos es característica una alta concentración de metano. En el gas asociado, extraído del petróleo, la proporción de metano es mucho menor: del 30 al 60%, y la de homólogos es mayor: del 10 al 20%.

Además de los hidrocarburos, pueden estar presentes en la mezcla pequeñas cantidades de sustancias no combustibles: sulfuro de hidrógeno, nitrógeno, dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrógeno y otros. Sin embargo, dependiendo del yacimiento, las proporciones de hidrocarburos, así como la composición de otros gases, pueden variar considerablemente.

Propiedades físicas del gas

En cuanto a sus propiedades físicas, el metano CH₄ no tiene color ni olor y es altamente inflamable. A concentraciones en el aire superiores al 4,5% es explosivo. Esta propiedad, junto con la falta de olor, representa una gran amenaza y un problema, especialmente en las minas, ya que el metano es absorbido por el carbón.

Sobre las causas de la explosión de gas en condiciones domésticas, escribimos en este material.

Para darle olor al gas, con el fin de detectar sus fugas, antes del transporte se le añaden sustancias especiales con olor desagradable: odorizantes. La mayoría de las veces son compuestos que contienen azufre – etanotiol o etilmercaptano. La proporción del aditivo se selecciona de manera que la fuga sea perceptible a una concentración de gas del 1%.

La principal ventaja del combustible azul es su alto poder calorífico específico – 39 MJ/kg. Además, se liberan sustancias inofensivas: agua y dióxido de carbono. Este es también un factor importante que permite utilizar el metano en el hogar.

¿De dónde proviene el gas en el subsuelo?

Aunque los humanos aprendieron a utilizar el gas hace más de 200 años, hasta la fecha no existe una opinión unánime sobre de dónde proviene el gas en el subsuelo.

Teorías principales sobre el origen

Existen dos teorías principales sobre su origen:

• Mineral, que explica la formación del gas por procesos de desgasificación de hidrocarburos desde capas más profundas y densas de la tierra y su ascenso a zonas de menor presión;
• Orgánica (biogénica), según la cual el gas es un producto de la descomposición de restos de organismos vivos en condiciones de alta presión, temperatura y ausencia de aire.

En el yacimiento, el gas puede encontrarse como acumulación separada, capa de gas, disuelto en petróleo o agua, o en forma de hidratos de gas. En este último caso, los depósitos se encuentran en rocas porosas entre capas impermeables de arcilla. La mayoría de las veces, estas rocas son arenisca compactada, carbonatos y calizas.

La proporción de yacimientos convencionales de gas es solo del 0,8%. Un porcentaje ligeramente mayor corresponde al gas profundo, de carbón y de esquisto, del 1,4% al 1,9%. Los tipos más comunes de depósitos son los gases disueltos en agua y los hidratos, aproximadamente en proporciones iguales (46,9% cada uno).

Dado que el gas es más ligero que el petróleo y el agua es más pesada, la posición de los fósiles en el yacimiento es siempre la misma: el gas encima del petróleo y el agua empuja desde abajo todo el yacimiento de petróleo y gas.

El gas en el yacimiento está bajo presión. Cuanto más profundos son los depósitos, mayor es la presión. En promedio, por cada 10 metros, el aumento de presión es de 0,1 MPa. Existen capas con presión anormalmente alta. Por ejemplo, en los depósitos de Achimov del yacimiento de Urengói, alcanza las 600 atmósferas o más a una profundidad de entre 3800 y 4500 m.

Datos interesantes e hipótesis

Hasta hace no mucho tiempo se creía que las reservas mundiales de petróleo y gas se agotarían ya a principios del siglo XXI. Por ejemplo, así lo escribió en 1965 el prestigioso geofísico estadounidense Hubbert.

Hasta el momento, muchos países continúan aumentando el ritmo de producción de gas. No se observan signos reales de que las reservas de hidrocarburos se estén agotando.

Según el doctor en ciencias geológico-mineralógicas V.V. Polevánov, tales conceptos erróneos se deben a que la teoría del origen orgánico del petróleo y el gas sigue siendo generalmente aceptada y domina las mentes de la mayoría de los científicos. Aunque ya D.I. Mendeléyev fundamentó la teoría del origen inorgánico profundo del petróleo, y posteriormente esto fue demostrado por Kudriávtsev y V.R. Larín.

Pero muchos hechos hablan en contra del origen orgánico de los hidrocarburos.

Aquí algunas de ellas:

• Se han descubierto yacimientos a profundidades de hasta 11 km, en basamentos cristalinos, donde la existencia de materia orgánica no puede ser ni siquiera teórica;
• Con la teoría orgánica solo se puede explicar el 10% de las reservas de hidrocarburos, el 90% restante es inexplicable;
• La sonda espacial «Cassini» descubrió en el año 2000 en la luna Titán de Saturno recursos gigantescos de hidrocarburos en forma de lagos, varios órdenes de magnitud superiores a los terrestres.

La hipótesis de la Tierra inicialmente hidruro, propuesta por Larín, explica el origen de los hidrocarburos mediante la reacción del hidrógeno con el carbono en las profundidades de la Tierra y la posterior desgasificación de metano.

Según ella, no hay depósitos antiguos del período Jurásico. Todo el petróleo y el gas pudieron haberse formado entre 1 y 15 mil años atrás. A medida que se extraen, las reservas pueden reponerse gradualmente, lo que se ha observado en yacimientos petrolíferos agotados y abandonados hace tiempo.

¿Cómo se realiza la extracción y el transporte?

El proceso de extracción de gas natural combustible comienza con la construcción de pozos. Dependiendo de la profundidad del yacimiento gasífero, su profundidad puede alcanzar los 7 km. A medida que se perfora, se introduce una tubería (columna de revestimiento) en el pozo. Para evitar que el gas escape a través del espacio entre la tubería y las paredes del pozo, se realiza una cementación – relleno del hueco con arcilla o cemento.

Al finalizar la construcción, se retira la torre de perforación y se instala un árbol de Navidad en la cabeza del revestimiento. Este consiste en una estructura de compuertas y válvulas, y sirve para la extracción de gas del pozo.

La cantidad de pozos puede ser bastante grande.

Al árbol de Navidad se le asignan varias funciones: sostiene en suspensión las tuberías de producción en el pozo, controla los regímenes de trabajo, mide los parámetros de la parte externa e interna del pozo.

Todo el ciclo de extracción de gas natural combustible se produce en tres etapas:

1. Desarrollo del yacimiento de gas. Como resultado de la perforación se crea una diferencia de presiones. Gracias a esto, el gas se mueve a través del yacimiento hacia los pozos.
2. Operación de pozos de gas. En esta etapa, el gas recorre el camino a través de la tubería de revestimiento.
3. Recolección y preparación para el transporte. El gas de todas las válvulas de boca de pozo llega a complejos tecnológicos especiales (UCPG). En ellos se realiza el secado del gas, la purificación de impurezas nocivas.

Incluso concentraciones insignificantes de sulfuro de hidrógeno, vapor de agua o partículas sólidas provocan una rápida corrosión, formación de hidratos y daños mecánicos en la superficie interna de la tubería.

La preparación final para el transporte se realiza en las instalaciones principales. Incluye la purificación adicional y la eliminación del condensado de hidrocarburos, el enfriamiento del gas para reducir su volumen.

El principal modo de transporte de gas a largas distancias es el gasoducto principal. Este representa un sistema de complejas estructuras de ingeniería, desde los propios conductos hasta almacenamientos subterráneos.

En el punto final del gasoducto principal se encuentran las estaciones de distribución de gas (EDG). Aquí se realiza la última limpieza de impurezas de polvo y líquidos, la reducción de la presión al nivel necesario para los consumidores, su estabilización, la medición del consumo de gas y la adición de odorante.

Otro tipo común de transporte de metano son los transportes marítimos en buques especiales: los gaseros.

Los enormes tanques esféricos no permiten confundir a un gasero con otros tipos de barcos. Representan termos que mantienen constante la temperatura necesaria para el metano líquido de -163 °C.

La conversión del gas a estado líquido se realiza en plantas especiales de GNL. El proceso ocurre en dos etapas: primero el metano se enfría a -50 °C, y luego a -163 °C. Con ello, su volumen se reduce 600 veces.

Procesamiento y áreas de aplicación

La alta inflamabilidad del gas natural determina su uso principal. Se utiliza como combustible en fábricas, plantas, centrales térmicas, calderas, instituciones, viviendas, instalaciones agrícolas y muchas otras. Recomendamos familiarizarse con las normas de uso del gas en el hogar.

La extracción y refinación de petróleo siempre va acompañada de la liberación de gas asociado. En algunos casos, sus volúmenes pueden ser considerables y alcanzar hasta 300 metros cúbicos por cada metro cúbico de petróleo crudo.

Pero existe una gran cantidad de yacimientos donde el gas natural asociado no se utiliza, sino que se quema en antorchas. Por ejemplo, en toda Rusia se pierde hasta el 25% del material útil de esta manera.

Parte del gas asociado se envía a plantas de procesamiento de gas. De él se obtiene gas seco purificado, que se utiliza para calefacción. Otro componente valioso es la mezcla de hidrocarburos ligeros.

El diagrama muestra una visión general del proceso de procesamiento del gas extraído. Es difícil exagerar el papel de los productos finales para la industria química moderna.

Posteriormente, se separa en fracciones en instalaciones especiales. Como resultado, se obtienen hidrocarburos como propano, butano, isobutano, pentano. Para reducir el volumen, facilitar el transporte y almacenamiento, se licúan.

La conversión de automóviles a gas se amortiza rápidamente y genera un ahorro significativo. La expansión de la red de estaciones de servicio de gas contribuye al aumento del parque automotor con equipos de gas licuado. No solo los conductores se benefician, sino también los peatones, que no tienen que respirar gases de escape nocivos.

El propano y el butano se utilizan para calentar hogares con gas envasado o para automóviles. Pero la mayor parte se destina a un procesamiento posterior en plantas petroquímicas.

Mediante calentamiento a alta temperatura (pirólisis) se obtienen de ellos las principales materias primas para todos los materiales sintéticos: monómeros como etileno, propileno, butadieno. Bajo la acción de catalizadores, se combinan en polímeros. El resultado son materiales valiosos como caucho, PVC, polietileno y muchos otros.

Conclusiones y video útil sobre el tema

En el documental se explica de manera accesible y visual sobre el gas:

Esta película educativa está dedicada al transporte principal de gas:

Todavía no sabemos todo sobre el gas natural – su origen sigue albergando muchos misterios. Solo queda esperar que el combustible azul sea realmente un regalo inagotable que alcance tanto para nosotros como para nuestros descendientes.

¿Le quedan preguntas después de leer el material anterior? ¿O desea complementar el artículo con comentarios útiles, datos interesantes o fotografías? Escriba sus comentarios, haga preguntas, participe en la discusión – el formulario de comentarios se encuentra a continuación.