Tout sur le gaz naturel : composition et propriétés, extraction et utilisation du gaz naturel

Grâce à sa haute efficacité énergétique et à son respect de l'environnement, le gaz naturel, avec le pétrole, revêt une importance primordiale. Il est largement utilisé comme combustible et constitue également une matière première précieuse pour l'industrie chimique.

Et bien que l'utilisation du gaz soit devenue quotidienne et habituelle, il reste tout de même une substance complexe dans sa composition et assez dangereuse – pour arriver au brûleur d'un appareil à gaz, il parcourt un long et difficile chemin.

Dans cet article, nous aborderons les principales questions liées au gaz combustible naturel – nous parlerons de sa composition et de ses propriétés, nous décrirons les étapes de l'extraction, du transport et du traitement du gaz, ainsi que ses domaines d'application. Nous examinerons les idées modernes sur l'origine des réserves d'hydrocarbures, des faits intéressants et des hypothèses.

Qu'est-ce que le gaz combustible naturel ?

Il existe une opinion selon laquelle le gaz se trouve sous terre dans des vides et peut en être facilement extrait, pour cela il suffit de forer un puits. Mais en réalité, tout est bien plus compliqué : le gaz peut se trouver à l'intérieur d'une roche poreuse, peut être dissous dans l'eau, les hydrocarbures liquides, le pétrole.

Pour comprendre pourquoi cela se produit, il suffit de rappeler que le mot « gaz » vient du grec « chaos », qui reflète le principe de comportement de la substance. À l'état gazeux, les molécules se déplacent de manière chaotique, cherchant à remplir uniformément tout le volume possible. Grâce à cela, elles peuvent pénétrer et se dissoudre dans d'autres substances, y compris des liquides et des minéraux plus denses. Une pression et une température élevées renforcent considérablement le processus de diffusion. C'est souvent sous forme d'un tel « cocktail » que le gaz naturel est contenu dans le sous-sol.

Mais pour commencer, parlons de ce dont est composé le gaz et de ce qu'il représente – examinons la composition chimique et les propriétés physiques du gaz combustible naturel.

Caractéristiques de la composition chimique

Le gaz extrait du sous-sol, appelé « naturel », est un mélange de différents gaz.

Par sa composition, il se divise en trois groupes de composants :

• combustibles – hydrocarbures ;
• incombustibles (lest) – azote, dioxyde de carbone, oxygène, hélium, vapeur d'eau ;
• impuretés nocives – sulfure d'hydrogène et mercaptans.

Le premier et principal groupe est un ensemble d'hydrocarbures de la série du méthane (homologues) avec un nombre d'atomes de carbone de 1 à 5. Le plus grand pourcentage dans le mélange est le méthane (de 70 à 98 %), qui possède un atome de carbone. La teneur des autres gaz (éthane, propane, butane, pentane) varie de quelques unités à des dixièmes de pour cent.

Pour le gaz extrait des gisements, une forte concentration de méthane est caractéristique. Dans le gaz associé, extrait du pétrole, la proportion de méthane est beaucoup plus faible : 30 à 60 %, et celle des homologues plus élevée : 10 à 20 %.

Outre les hydrocarbures, le mélange peut contenir de petites quantités de substances non combustibles : sulfure d'hydrogène, azote, dioxyde de carbone, monoxyde de carbone, hydrogène et autres. Mais, selon le gisement, les proportions d'hydrocarbures, ainsi que la composition des autres gaz, peuvent varier considérablement.

Propriétés physiques du gaz

En ce qui concerne les propriétés physiques, le méthane CH₄ est incolore et inodore, très inflammable. À des concentrations dans l'air supérieures à 4,5 %, il est explosif. Cette propriété, combinée à l'absence d'odeur, représente une grande menace et un problème. Particulièrement dans les mines, car le méthane est absorbé par le charbon.

Nous avons écrit sur les causes de l'explosion de gaz dans les conditions domestiques dans ce document.

Pour donner une odeur au gaz, afin de détecter ses fuites, des substances spéciales à l'odeur désagréable – des odorisants – y sont ajoutées avant le transport. Le plus souvent, il s'agit de composés soufrés – éthanethiol ou éthylmercaptan. La proportion d'additif est choisie de manière à ce que la fuite soit perceptible à une concentration de gaz de 1 %.

Le principal avantage du combustible bleu est son pouvoir calorifique élevé – 39 MJ/kg. Par ailleurs, des substances inoffensives sont dégagées : de l'eau et du dioxyde de carbone. C'est également un facteur non négligeable qui permet d'utiliser le méthane dans les foyers.

D'où vient le gaz dans le sous-sol terrestre ?

Bien que les humains aient appris à utiliser le gaz il y a plus de 200 ans, il n'existe toujours pas de consensus sur l'origine du gaz dans les entrailles de la Terre.

Théories principales de l'origine

Il existe deux principales théories sur son origine :

• minérale, expliquant la formation du gaz par des processus de dégazage d'hydrocarbures provenant des couches plus profondes et plus denses de la Terre et leur remontée vers des zones de moindre pression ;
• organique (biogène), selon laquelle le gaz est un produit de décomposition des restes d'organismes vivants dans des conditions de pression et de température élevées et d'absence d'air.

Dans un gisement, le gaz peut se présenter sous forme d'accumulation distincte, de chapeau de gaz, de solution dans le pétrole ou l'eau, ou d'hydrates de gaz. Dans ce dernier cas, les gisements se trouvent dans des roches poreuses entre des couches d'argile imperméables au gaz. Le plus souvent, ces roches sont du grès compacté, des carbonates, des calcaires.

La part des gisements de gaz conntionels n'est que de 0,8%. Un pourcentage légèrment plus élvé correspnd au gaz profod, au gaz de houille et au gaz de schiste – de 1,4 à 1,9%. Les types de gisments les plus courants sont les gaz dissous dans l'eau et les hydrates – dans des proportions à peu près égales (46,9% chacun).

Étanr donnè que le gaz est plus léger que le pétole et que l'eau est plus lourde, la posiion des fosiles dans le réervoir est oujours la même : le gaz au-desus du pétole, et l'eau soutient par le bas tout le gisement pétrolier et gazier.

Le gaz dans le réservoir est sous prssion. Plus les gisements sont profnds, plus elle est élevée. En moyene, tous les 10 mètres, l'augmentation de prssion est de 0,1 MPa. Il exite des réservoirs à prssion anomlement élevée. Par exemle, dans les dépôts d'Achimov du gisement d'Ouréngoï, elle atent 600 atmosphères et plus, à une profondeur de 3800 à 4500 m.

Faits intéressants et hypothèses

Il n'y a pas si longtems encor, on pensait que les réserves mondiales de pétole et de gaz s'épuiseraient dè le début du XXIe sièle. Par exemle, en 1965, l'émient géophysicien américain Hubbert écrivait cela.

Jusqu'à présent, de nombreus pays continuent d'augmenter le rythme de production de gaz. Aucun signe réel que les réserves d'hydrocarbures s'épuisent n'est observé.

Selon le docteur ès sciences géologiques et minéralogiques V.V. Polévanov, de telles erreurs sont dues au fait que la théorie de l'origine organique du pétrole et du gaz est encore généralement acceptée et occupe les esprits de la plupart des scientifiques. Cependant, D.I. Mendeléiev avait déjà établi la théorie de l'origine inorganique profonde du pétrole, et cela a été par la suite démontré par Koudriavtsev et V.R. Larine.

Mais de nombreux faits plaident contre l'origine organique des hydrocarbures.

En voici quelques-uns :

• des gisements ont été découverts à des profondeurs allant jusqu'à 11 km, dans des fondations cristallines, où l'existence de matière organique ne peut même pas être théorique ;
• à l'aide de la théorie organique, on ne peut expliquer que 10 % des réserves d'hydrocarbures, les 90 % restants sont inexplicables ;
• la sonde spatiale Cassini a découvert en 2000 sur Titan, satellite de Saturne, des ressources gigantesques d'hydrocarbures sous forme de lacs, plusieurs ordres de grandeur supérieures aux ressources terrestres.

L'hypothèse de la Terre originellement hydrure, avancée par Larine, explique l'origine des hydrocarbures par la réaction de l'hydrogène avec le carbone dans les profondeurs de la Terre et la dégazéification ultérieure du méthane.

Selon elle, il n'y a pas de gisements anciens du Jurassique. Tout le pétrole et le gaz auraient pu se former il y a entre 1 et 15 mille ans. Au fur et à mesure de l'extraction, les réserves peuvent se réalimenter graduellement, ce qui a été observé dans des gisements de pétrole anciennement exploités et abandonnés.

Comment se déroulent l'extraction et le transport ?

Le processus d'extraction du gaz naturel commence par la construction de puits. Selon la profondeur de la couche gazéifère, leur profondeur peut atteindre 7 km. Au fur et à mesure du forage, un tube (colonne de tubage) est descendu dans le puits. Pour empêcher le gaz de s'échapper par l'espace entre le tube et les parois du puits, on réalise un cimentage – remplissage de l'interstice avec de l'argile ou du ciment.

À la fin de la construction, la tour de forage est retirée et une tête de puits est installée sur la tête du tubage. Celle-ci est constituée de vannes et de clapets et sert à prélever le gaz du puits.

Le nombre de puits peut être assez important.

Plusieurs fonctions sont dévolues à la tête de puits : elle maintient en suspension les tiges de pompage dans le puits, gère les modes de fonctionnement et mesure les paramètres des parties externe et interne du puits.

L'ensemble du cycle d'extraction du gaz naturel combustible se déroule en trois étapes :

1. Développement du gisement de gaz. Le forage crée une différence de pression. Grâce à cela, le gaz se déplace dans le réservoir vers les puits.
2. Exploitation des puits de gaz. À cette étape, le gaz emprunte le tubage.
3. Collecte et préparation au transport. Le gaz provenant de toutes les têtes de puits arrive dans des complexes technologiques spéciaux UKPG. Là, le gaz est séché, nettoyé des impuretés nocives.

Même de faibles concentrations de sulfure d'hydrogène, de vapeur d'eau ou de particules solides entraînent une corrosion rapide, la formation d'hydrates et des dommages mécaniques à la surface interne du pipeline.

La préparation finale au transport a lieu dans les installations principales. Elle comprend le post-traitement et l'élimination du condensat d'hydrocarbures, ainsi que le refroidissement du gaz pour réduire son volume.

Le principal moyen de transport du gaz sur de longues distances est le gazoduc principal. Il représente un système d'ouvrages d'ingénierie complexes allant des pipelines eux-mêmes jusqu'à des sites de stockage souterrains.

Au point terminal du gazoduc se trouvent les stations de distribution de gaz (SDG). Ici, on procède à la dernière purification des impuretés de poussière et de liquides, à l'abaissement de la pression au niveau requis par les consommateurs, à sa stabilisation, à la comptabilisation du débit de gaz et à l'ajout d'odorant.

Un autre moyen courant de transport du méthane est le transport maritime par des navires spécialisés – les méthaniers.

Les énormes réservoirs sphériques ne permettent pas de confondre un méthanier avec d'autres types de navires. Ils sont constitués de réservoirs isolés (thermos) qui maintiennent la température constante requise pour le méthane liquide, à -163 °C.

La transformation du gaz en état liquide est effectuée dans des usines spécialisées de GNL. Le processus se déroule en deux étapes : d'abord, le méthane est refroidi à -50 °C, puis à -163 °C. Son volume est alors réduit d'un facteur 600.

Traitement et domaines d'application

La haute combustibilité du gaz naturel détermine son utilisation principale. Il est utilisé comme combustible dans les usines, les fabriques, les centrales de cogénération, les chaufferies, les institutions, les immeubles résidentiels, les bâtiments agricoles et bien d'autres. Nous vous recommandons de prendre connaissance des règles d'utilisation du gaz domestique.

L'extraction et le raffinage du pétrole sont toujours accompagnés du dégagement de gaz associé. Dans certains cas, ses volumes peuvent être considérables et atteindre jusqu'à 300 mètres cubes par mètre cube de pétrole brut.

Mais il existe un grand nombre de gisements où le gaz naturel associé n'est pas utilisé, mais brûlé dans des torchères. Par exemple, dans toute la Russie, jusqu'à 25% de la matière première utile est ainsi perdue.

Une partie du gaz associé est envoyée dans des usines de traitement du gaz. On en obtient du gaz sec purifié, utilisé pour le chauffage. Un autre composant précieux est le mélange d'hydrocarbures légers.

Le schéma montre une vue d'ensemble du processus de traitement du gaz extrait. Le rôle des produits finaux pour l'industrie chimique moderne est difficile à surestimer.

Ensuite, le gaz est séparé en fractions dans des installations spéciales. On obtient ainsi des hydrocarbures tels que le propane, le butane, l'isobutane, le pentane. Pour réduire le volume, faciliter le transport et le stockage, ils sont liquéfiés.

La conversion des voitures au gaz est rapidement rentable et permet de réaliser des économies substantielles. L'extension du réseau de stations-service au gaz favorise l'augmentation du parc de véhicules équipés de GPL. Non seulement les conducteurs y gagnent, mais aussi les piétons qui n'ont pas à respirer des gaz d'échappement nocifs.

Le propane et le butane sont utilisés pour le chauffage des maisons au gaz en bouteille ou pour les automobiles. Mais la majeure partie est acheminée vers une transformation ultérieure dans les usines pétrochimiques.

Par chauffage à haute température (pyrolyse), on obtient les principales matières premières pour tous les matériaux synthétiques – les monomères : éthylène, propylène, butadiène. Sous l'action de catalyseurs, ils se combinent en polymères. En sortie, on obtient des matériaux aussi précieux que le caoutchouc, le PVC, le polyéthylène et bien d'autres.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Dans le documentaire, il est expliqué de manière accessible et claire à propos du gaz :

Ce film éducatif est consacré au transport de gaz par gazoduc :

Nous sommes encore loin de tout savoir sur le gaz naturel – son origine recèle encore de nombreux mystères. Il faut espérer que le combustible bleu est vraiment un don inépuisable qui suffira pour nous et pour nos descendants.

Avez-vous encore des questions après la lecture du matériel ci-dessus ? Ou souhaitez-vous compléter l'article avec des remarques utiles, des faits intéressants ou des photos ? Écrivez vos commentaires, posez des questions, participez à la discussion – le formulaire de contact se trouve ci-dessous.