Средние века. Путник ночью возвращается через лес домой из далекого селения. Вдруг за деревьями показываются огоньки — неужели это поселок, где можно переночевать? Человек следует за огоньками, но они то оказываются ближе, то прячутся за кочками. Ноги вязнут в топком мху, а вокруг только темнота, бульканье и уханье. Путник даже не мог представить, что через много лет газ, который зажигал мистические болотные огоньки, станет важнейшим энергоресурсом на планете.
Жители средней полосы России сложили множество легенд вокруг болотных свечений. В старину они считались дурным знаком: следуя за блуждающими огнями, можно было зайти в такую топь и глушь, что выбирался не каждый. В южных землях горение природного газа было окружено другим ореолом. Люди почитали негаснущие огни, танцующие над расщелинами в каменистых горных россыпях, как явление священное и даже божественное. Один из таких естественных выходов газа и сейчас можно увидеть в Турции — он расположен на горе Янарташ, по-турецки — «горящий камень». Огни на берегу Каспийского моря близ будущего Баку служили рыбакам маяками с самых древних времен.
История открытия природного газа уходит в древние времена. Один из персидских царей однажды приказал перенести дворцовую кухню к источнику газа и здорово сэкономил: дрова и уголь в пустыне — товары дефицитные. Китайцы сжигали газ для выпаривания морской воды и получения соли. Возможно, именно они придумали первый газопровод, который подавал топливо от источника к солеварням с помощью десятков километров бамбуковых труб.
Несмотря на третье место в рейтинге потребления энергоресурсов, после нефти и угля, в промышленном масштабе природный газ был приручен сравнительно недавно.
Миллионы лет под землей
Попадая на дно болота, остатки растений разлагаются анаэробными микроорганизмами. При этом выделяются газообразные продукты — метан и некоторые примеси. Среди них — сероводород, придающий болотному газу неприятный запах, и фосфин, который при контакте с воздухом изредка вызывает самовоспламенение или свечение болотного газа — так и появляются болотные огни.
Когда пласт органических остатков любого происхождения перекрывается толстым слоем горных пород, активность бактерий сменяется воздействием высоких температур и давлений земных недр. Нагрев тоже приводит к образованию газа, но он оказывается запертым в недрах, и в течение миллионов лет накапливается в газоносных пластах на глубине в несколько километров. Нередко газ мигрирует в пределах пластов, стремясь подняться ближе к поверхности по системам пор и трещин. Самые концентрированные месторождения природного газа образуются, когда он скапливается под куполами и складками вышележащих газонепроницаемых пластов — глинистых и сланцевых.
Процесс образования природного газа можно воспроизводить, перерабатывая биомассу в замкнутых реакторах с помощью специальных бактериальных культур. Этот процесс занимает несколько суток, а не миллионы лет, как в земных недрах. Заменить таким образом весь природный газ — дело далекого будущего, а в более близкой перспективе производство биогаза может стать экологичным и полезным способом утилизации органических отходов.
Найти, извлечь, очистить
Первые углеводородные месторождения находили случайно, когда бурили недра в поисках воды — это было широко распространено уже в девятнадцатом веке. Иногда из скважины выходила не вода, а горючая субстанция. Купцы и промышленники догадывались, что энергию горения можно использовать. В 1907-м году купец Мельников организовал рядом со скважиной кирпичное и стекольное производство, — так началось использование природного газа в России.
Позже к делу подключились геологи, которые составляли карты залегания пластов, изучали сейсмические данные и указывали: «вот тут может быть газ». Разведывательные и опорные скважины бурились в Сибири и на Крайнем Севере, оборудование доставляли «на себе» через десятки километров бездорожья и тайги. Ничто не гарантировало находку, — все сведения были гораздо менее надежными, чем сейчас, а в случае успеха предстояла долгая работа по обустройству площадки добычи и протягиванию газопроводов.
Сейчас в поиске и добыче газа людям помогают наукоемкие технологии. Газоносные пласты менее плотные, чем окружающие их горные породы, поэтому в таких пластах сейсмические волны замедляются. Это приводит к задержке регистрации волн на сейсмографе. Записывая волны в различных точках земной поверхности и анализируя задержки, можно с хорошей точностью определить местоположение и характеристики пласта, который замедляет волны. Еще один метод современной геологоразведки — гравитационный. Ускорение свободного падения над месторождением чуть меньше, чем было бы в отсутствие газоносного пласта, и чувствительные приборы позволяют это обнаружить.
Когда наличие газоносного пласта установлено, разведчиков сменяют добытчики. Скважины равномерно распределяют по полю добычи, достигая полноты извлечения и избегая преждевременного наполнения пласта водой, которая может перекрыть газу путь к скважине изнутри. При разработке месторождений, где газ захвачен внутри плотной породы, ему, наоборот, «помогают» выйти из пласта, закачивая туда воду под давлением. Этот же метод под названием «гидроразрыв пласта» применяется и для извлечения остатков газа из разработанных месторождений.
Сразу после добычи природный газ очищают от сероводорода и других примесей, а затем закачивают в газопроводы или сжижают для перевозки в танкерах. При этом отделяется гелий — газ, который образуется в недрах Земли при радиоактивном распаде, но почти отсутствует в атмосфере. Гелий в воздушных шариках тоже родом из газовых месторождений.
Необычным источником газа являются клатраты. Под давлением метан может входить в кристаллическую решетку водяного льда и образовывать «горючий лед» — вещество, очень похожее на обычный водяной лед, но загорающееся при поднесении спички. Объем метана в клатратных залежах на морском дне сравним с традиционными месторождениями, но пока возможности его добычи изучены недостаточно.
Природный газ, бензин, дизельное топливо и даже парафин — близкие родственники: все они являются смесью так называемых предельных углеводородов — соединений, обладающих наибольшим возможным соотношением водорода и углерода в составе.
Атом углерода (C) может образовывать четыре химических связи, а водорода (H) — только одну. Если атом углерода один — получается метан, CH4, главный компонент природного газа. В молекуле пропана три углеродных атома образуют цепочку. Средний атом углерода в ней связан с двумя крайними, и у него остается только два места для атомов водорода. У крайних для водорода есть три места. Получается формула C3H8. В эту цепочку можно вставлять дополнительные звенья состава CH2, получая молекулы бутана C4H10 и других предельных углеводородов CnH2n+2.
Углеводороды от метана до бутана — газообразные, от пентана до гептадекана, молекулы которого содержат 17 атомов углерода и 36 атомов водорода, — жидкие, а еще более тяжелые — твердые. Легкие и летучие жидкие углеводороды входят в состав бензина, а из более тяжелых делают керосин и дизельное топливо.
Согласно теории биогенного (органического) происхождения, все эти углеводороды образуются в результате одного процесса — разложения органических остатков в недрах Земли. Если в составе органических остатков было много водорода — образуется природный газ, а если много углерода — нефть. В промежуточных случаях образуется и метан, и более тяжелые углеводороды. Метан, растворенный в нефти и отделяемый при ее добыче, называется попутным газом. Он очень похож на природный по составу и свойствам, но в нем содержится больше тяжелых газообразных углеводородов — от этана до бутана.
Какие углеводороды сгорают с выделением большего количества тепла (калорийностью)? Теплота сгорания растет с увеличением атомов водорода в составе молекул. В молекулах метана атомов водорода больше, чем в молекулах тяжелых углеводородов. Если сравнивать по массе, природный газ — самое теплотворное ископаемое топливо. Но на практике измеряют объем природного газа, а не его массу, и на единицу объема газ выделяет меньше тепла, чем более тяжелые «родственники».