Khí thiên nhiên

, Hoa Kỳ.]]

Khí thiên nhiên (còn gọi là khí gas, khí ga, khí đốt – từ chữ gaz trong tiếng Pháp) là hỗn hợp chất khí có khả năng cháy, thành phần chủ yếu là các hydrocarbon (hợp chất chứa cacbon và hydro). Cùng với than đá và dầu mỏ, khí thiên nhiên được xếp vào nhóm nhiên liệu hóa thạch.

Thành phần chính của khí thiên nhiên là metan (CH4), thường chiếm 70–90% thể tích. Ngoài ra còn có etan (C2H6), propan (C3H8), butan (C4H10), pentan (C5H12) và các ankan khác. Khí thiên nhiên thường được tìm thấy cùng với các mỏ dầu trong vỏ Trái Đất, được khai thác và xử lý để trở thành nhiên liệu, hiện cung cấp khoảng 25% nhu cầu năng lượng toàn cầu. Ngoài ra, khí thiên nhiên cũng tồn tại trong các thành tạo ngầm, trong vỉa than (dưới dạng khí mêtan trong than – coalbed methane) hoặc liên kết với các hồ chứa hydrocarbon khác.

Khí thiên nhiên thô thường chứa một lượng nhỏ tạp chất như cacbon dioxide (CO2), hydro sulfua (H2S) và nitơ (N2). Các tạp chất này làm giảm nhiệt trị và có thể gây ăn mòn, nên thường được loại bỏ trong quá trình xử lý khí, đồng thời trở thành sản phẩm phụ.

Khí thiên nhiên từ nhiên liệu hóa thạch là một tài nguyên thiên nhiên không tái tạo. Trong đời sống, khí thiên nhiên thường được gọi ngắn gọn là “khí”, đặc biệt khi so sánh với dầu hoặc than đá. Tuy nhiên, không nên nhầm lẫn với xăng, nhất là ở Bắc Mỹ, nơi “gasoline” thường được gọi tắt là “gas”.

Sử dụng
Khí thiên nhiên được sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu và nguyên liệu cho nhiều ngành kinh tế.

Trong gia đình, khí thiên nhiên được dùng cho bếp ga, lò ga để nấu nướng, sấy khô.
Trong công nghiệp, khí thiên nhiên được đốt trong các lò sản xuất gạch, gốm, xi măng, các lò nấu thủy tinh, lò luyện kim loại, cũng như trong các tua bin nhiệt điện để phát điện.
Trong giao thông vận tải, khí thiên nhiên có thể được nén thành CNG (Compressed Natural Gas) hoặc hóa lỏng thành LNG (Liquefied Natural Gas) để sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho xăng, dầu.

Khí thiên nhiên cũng là nguyên liệu quan trọng của ngành hóa dầu, được dùng để sản xuất các hóa chất cơ bản như amoniac (cho phân đạm), ethylene (cho chất dẻo), methanol, bột giặt, dược phẩm và nhiều loại hàng hóa khác. Một ứng dụng quan trọng khác là sản xuất hydro thông qua quá trình reforming hơi nước. Hydro sau đó được dùng trong công nghiệp hóa chất, nhà máy lọc dầu, làm tác nhân hydro hóa và là nhiên liệu cho xe chạy bằng hydro.

Theo Ngân hàng Thế giới, mỗi năm có hơn 150&nbsp;km³ khí thiên nhiên bị đốt bỏ hoặc xả thải. Trước khi sử dụng, khí thiên nhiên thường phải qua xử lý để loại bỏ tạp chất như nước, cacbon dioxide, hydro sulfua, nitơ… Các sản phẩm phụ thu được gồm ethan, propan, butan, pentan, các hydrocarbon nặng hơn, lưu huỳnh tinh khiết, heli và nitơ.

Ngoài ra, khí thiên nhiên còn được dùng trong sản xuất thức ăn giàu protein và thức ăn cho cá bằng cách nuôi cấy vi khuẩn Methylococcus capsulatus trên quy mô thương mại.

Khí thiên nhiên chủ yếu được tiêu thụ tại Bắc Bán cầu, trong đó Bắc Mỹ và châu Âu là những khu vực sử dụng lớn nhất.

Lịch sử
Người Trung Hoa đã sử dụng khí thiên nhiên khoảng năm 500 TCN. Họ phát hiện ra một cách để vận chuyển khí thoát ra từ mặt đất bằng các đường ống dẫn bằng tre đến nơi sử dụng để đun sôi nước muối để trích xuất các muối, ở huyện Tự Lưu Tỉnh của Tứ Xuyên.

Vào thế kỷ XVII, khí thiên nhiên đã được sử dụng để sưởi ấm và chiếu sáng ở miền Bắc Ý. Ở Hoa Kỳ, khí thiên nhiên lần đầu đã được phát hiện ở Fredonia, New York vào năm 1825.

Do khí thiên nhiên ở dạng khí (mật độ thấp) khó vận chuyển bằng các phương tiện thông thường, trong lịch sử khí thiên nhiên đã được sử dụng ở các khu vực gần mỏ khí. Khi ngành công nghiệp dầu khí phát triển vào thế kỷ XIX và thế kỷ XX, khí thiên nhiên được phát hiện cùng dầu mỏ (khí đồng hành) từ các mỏ ngầm thường được xử lý như chất phụ phẩm phế thải và thường được đốt bỏ ngay trên giàn khoan. Ngày nay, khí thiên nhiên được vận chuyển thông qua các mạng lưới đường ống dẫn khí rộng lớn hoặc được hóa lỏng và chở bằng tàu bồn.

Đến năm 2009, 66.000 tỷ m³ (hoặc 8%) đã được sử dụng trong tổng số ước tính 850.000 tỷ m³ trữ lượng khí thiên nhiên có thể thu được còn lại. Dựa trên mức tiêu thụ của thế giới năm 2015 ước tính khoảng 3.400 tỷ m³ khí đốt/năm, tổng số trữ lượng khí có thể khai thác kinh tế ước tính còn lại sẽ kéo dài 250 năm với mức tiêu thụ hiện nay. Sự gia tăng hàng năm trong cách sử dụng từ 2-3% có thể dẫn đến dự trữ hiện thu hồi kéo dài ít hơn đáng kể, chỉ còn khoảng 80 - 100 năm. Trong năm 2011, nhà máy F – T của Royal Dutch Shell sản xuất 140.000 thùng/ngày đã đi vào hoạt động tại Qatar.

Khí thiên nhiên có thể được "liên kết" (được tìm thấy trong các mỏ dầu), hoặc "không liên quan" (được phân lập trong các mỏ khí tự nhiên), và cũng được tìm thấy trong các mỏ than (như methan than). Đôi khi nó chứa một lượng đáng kể etan, prôpan, butan và pentane - các hydrocarbon nặng được loại bỏ để sử dụng trong thương mại trước khi methan được bán dưới dạng nhiên liệu tiêu dùng hoặc nguyên liệu thực vật hóa học không chứa hydrocarbon như cacbon dioxide, nitơ, heli (hiếm khi) và hydro sulfide cũng phải được loại bỏ trước khi khí thiên nhiên có thể được vận chuyển.

Khí thiên nhiên được chiết xuất từ giếng dầu được gọi là khí vỏ bọc (đã hoặc không thực sự tạo ra các lò xo và thông qua một đầu ra của vỏ bọc) hoặc khí liên quan. Ngành công nghiệp khí thiên nhiên đang khai thác một lượng khí ngày càng tăng từ các loại tài nguyên: khí chua, khí chặt, khí đá phiến và khí methan.

Có một số bất đồng ở các quốc gia có trữ lượng khí lớn nhất. Các nguồn tin cho rằng Nga có trữ lượng lớn nhất đã được chứng minh thông qua CIA Hoa Kỳ (47 600&nbsp;km³), Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ (47 800&nbsp;km³), và OPEC (48 700&nbsp;km³). Tuy nhiên, BP ghi nhận Nga chỉ với 32 900&nbsp;km³, nó ở vị trí thứ 2, sau Iran (33 100 - 33 800&nbsp;km³, tùy thuộc vào nguồn gốc). Với Gazprom, Nga thường là nhà khai thác khí tự nhiên lớn nhất thế giới. Các nguồn tài nguyên chính đã được chứng minh (tính bằng km³) là trên thế giới: 187 300 (2013), Iran: 33 600 (2013), Nga: 32 900 (2013), Qatar: 25 100 (2013), Turkmenistan: 17 500 (2013) và Hoa Kỳ: 8500 (2013).

Người ta ước tính có khoảng 900 000&nbsp;km³ khí "mới" như khí đá phiến, trong đó có 180 000&nbsp;km³ có thể phục hồi được. Đổi lại, nhiều nghiên cứu từ MIT, Black & Veatch và DOE dự đoán rằng khí tự nhiên sẽ chiếm 1 phần lớn hơn của phát điện và nhiệt trong tương lai.

Lĩnh vực khí đốt lớn nhất thế giới là khu vực South Pars / North Dome Gas-Condensate ngoài khơi, được chia sẻ giữa Iran và Qatar. Ước tính có 51.000&nbsp;km khối khí tự nhiên và 50 tỷ thùng (7,9 tỷ m³) khí ngưng tụ tự nhiên.

Bởi vì khí thiên nhiên không phải là sản phẩm tinh khiết, khi áp suất hồ chứa giảm, khí không liên quan được chiết xuất từ 1 trường dưới điều kiện siêu tới hạn (áp suất / nhiệt độ), các thành phần trọng lượng phân tử cao hơn có thể ngưng tụ một phần. Khi ngưng tụ đẳng nhiệt - 1 hiệu ứng gọi là ngưng tụ ngược. Chất lỏng do đó hình thành có thể bị mắc kẹt khi các lỗ của bình chứa khí bị cạn kiệt. 1 phương pháp để đối phó với vấn đề này là bơm lại khí khô không ngưng tụ để duy trì áp suất dưới lòng đất, để cho bay hơi và chiết tách các chất ngưng tụ. Thường xuyên hơn, chất lỏng ngưng tụ ở bề mặt, và một trong những nhiệm vụ của nhà máy khí là thu gom chất ngưng tụ này. Chất lỏng thu được được gọi là chất lỏng khí tự nhiên (NGL) và có giá trị thương mại.

Khí đá phiến
Khí đá phiến là khí thiên nhiên được sản xuất từ đá phiến sét. Bởi vì đá phiến có độ thấm ma trận quá thấp, không cho phép khí chảy với số lượng kinh tế, các giếng khí đá phiến phụ thuộc vào các khe nứt để cho phép khí chảy. Các giếng khí đá phiến sớm phụ thuộc vào các đứt gãy tự nhiên thông qua đó dòng khí chảy ra; gần như tất cả các giếng khí đá phiến ngày nay yêu cầu "gãy xương nhân tạo" được tạo ra bằng cách bẻ gãy thủy lực. Từ năm 2000, khí đá phiến đã trở thành nguồn khí thiên nhiên chính ở Hoa Kỳ và Canada. Do sản lượng khí đá phiến tăng cao, Hoa Kỳ hiện là nhà sản xuất khí tự nhiên số một trên thế giới. Sau thành công tại Hoa Kỳ, thăm dò khí đá phiến đang bắt đầu ở các nước như Ba Lan, Trung Quốc và Cộng hòa Nam Phi.

Khí đốt nhà máy (khí đốt)
Khí đốt nhà máy là một loại nhiên liệu khí dễ cháy được tạo ra bởi quá trình chưng cất phá hủy than. Nó chứa nhiều loại khí nhiệt bao gồm hydro, cacbon monoxit, methan và các hydrocarbon dễ bay hơi khác, cùng với một lượng nhỏ khí không nhiệt lượng như cacbon dioxide và nitơ, và được sử dụng theo cách tương tự như khí thiên nhiên. Đây là một công nghệ lịch sử và thường không cạnh tranh về kinh tế với các nguồn khí đốt khác ngày nay.

Hầu hết các nhà chứa khí đốt nằm ở phía đông Hoa Kỳ vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX là lò than cốc với sản phẩm đơn giản là làm nóng than bitum trong các buồng kín khí. Khí thải từ than được thu thập và phân phối thông qua mạng lưới đường ống đến nhà ở và các tòa nhà khác, nơi nó được sử dụng để nấu ăn và thắp sáng. (Khí nóng đã không được sử dụng rộng rãi cho đến nửa cuối thế kỷ 20.) Than đá (hoặc nhựa đường) được thu thập ở đáy lò khí đốt thường được sử dụng để lợp mái và các mục đích chống thấm khác, trộn với cát và sỏi được sử dụng cho các đường phố lát đá.

Khí Biogas
Vi khuẩn Metanogenic Archaea chịu trách nhiệm cho tất cả các nguồn sinh học của methan. Một số sống trong các mối quan hệ cộng sinh với các dạng sống khác, bao gồm mối, động vật nhai lại và các loại cây trồng. Các nguồn khí methan khác, thành phần chính của khí thiên nhiên, bao gồm khí bãi rác, khí sinh học và methan hydrat. Khi khí giàu methan được tạo ra bởi sự phân hủy yếm khí của vật chất hữu cơ không phải hóa thạch (sinh khối), chúng được gọi là khí sinh học (hoặc khí biogas tự nhiên). Các nguồn khí sinh học bao gồm đầm lầy và bãi chôn lấp, cũng như các chất thải nông nghiệp như bùn thải và phân bón bằng cách xử lý kỵ khí, ngoài quá trình lên men ruột, đặc biệt là ở bò. Khí bãi rác được tạo ra bằng cách phân hủy chất thải tại các bãi rác, loại trừ hơi nước, khoảng 1 nửa lượng khí thải là khí methan và phần lớn còn lại là khí cacbon dioxide, với một lượng nhỏ nitơ, oxy và hydro, và lượng thay đổi của hydro sulfide và siloxan. Nếu khí không được loại bỏ, áp lực có thể lên cao đến mức nó hoạt động trên bề mặt, gây thiệt hại cho bãi rác, mùi khó chịu, thảm thực vật chết và nguy cơ nổ. Khí có thể bay vào khí quyển, bùng cháy hoặc đốt cháy để sản xuất điện hoặc nhiệt. Khí biogas cũng có thể được sản xuất bằng cách tách các vật liệu hữu cơ khỏi chất thải mà nếu không thì sẽ chuyển đến bãi rác. Phương pháp này hiệu quả hơn là chỉ thu được khí bãi rác mà nó tạo ra. Các đầm kỵ khí tạo ra khí sinh học từ phân chuồng, trong khi các lò phản ứng biogas có thể được sử dụng cho phân chuồng hoặc các bộ phận của cây trồng. Giống như khí bãi rác, khí sinh học chủ yếu là methan và cacbon dioxide, với một lượng nhỏ nitơ, oxy và hydro. Tuy nhiên, ngoại trừ thuốc trừ sâu, thường có mức chất gây ô nhiễm thấp hơn.

Khí bãi rác không thể được phân phối thông qua đường ống dẫn khí thiên nhiên trừ khi nó được làm sạch tới dưới 3% CO2, và một vài phần triệu H2S, vì CO2 và H2S ăn mòn các đường ống. Sự hiện diện của CO2 sẽ làm giảm mức năng lượng của khí yêu cầu đối với đường ống. Siloxan trong khí sẽ hình thành trong việc đốt khí và cần phải được loại bỏ trước khi đi vào bất kỳ hệ thống phân phối hoặc truyền tải khí nào. Do đó, để tiết kiệm khí đốt tại chỗ hoặc trong khoảng cách ngắn của bãi rác ta có thể sử dụng một đường ống chuyên dụng. Hơi nước thường được loại bỏ, ngay cả khi khí được đốt cháy tại chỗ. Nếu nhiệt độ thấp ngưng tụ nước ra khỏi khí, siloxan có thể được hạ xuống cũng bởi vì chúng có xu hướng ngưng tụ với hơi nước. Các thành phần phi methan khác cũng có thể được loại bỏ để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải, để ngăn chặn sự bẩn thỉu của thiết bị hoặc để xem xét môi trường. Đồng đốt khí bãi rác với khí tự nhiên cải thiện quá trình đốt cháy, làm giảm lượng khí thải.

Khí sinh học, và đặc biệt là khí bãi rác, đã được sử dụng ở một số khu vực, nhưng việc sử dụng chúng có thể được mở rộng đáng kể. Các hệ thống thử nghiệm đã được đề xuất sử dụng ở các vùng của Hertfordshire (Anh) và Lyon (Pháp). Khí được tạo ra trong các nhà máy xử lý nước thải thường được sử dụng để tạo ra điện. Ví dụ, nhà máy xử lý nước thải Hyperion ở Los Angeles đốt cháy 8 triệu feet khối (230.000 m³) khí mỗi ngày để tạo ra điện cho Thành phố New York sử dụng khí để chạy thiết bị trong các nhà máy xử lý nước thải, để sản xuất điện và trong lò hơi. Sử dụng khí thải để sản xuất điện không chỉ giới hạn ở các thành phố lớn, thành phố Bakersfield, California, sử dụng đồng phát tại các nhà máy thoát nước của nó. California có 242 nhà máy xử lý nước thải, 74 trong số đó đã lắp đặt các thiết bị kỵ khí. Tổng công suất sinh học từ 74 nhà máy là khoảng 66 MW.

Khí tự nhiên tinh thể - hydrat
Một lượng lớn khí tự nhiên (chủ yếu là methan) tồn tại ở dạng hydrat dưới trầm tích trên các thềm lục địa ngoài khơi và trên đất ở các vùng bắc cực trải qua băng vĩnh cửu, chẳng hạn như ở Siberia. Hydrat đòi hỏi một sự kết hợp của áp suất cao và nhiệt độ thấp để hình thành.

Trong năm 2010, chi phí chiết xuất khí thiên nhiên từ khí tự nhiên kết tinh được ước tính bằng gấp đôi chi phí chiết xuất khí thiên nhiên từ các nguồn thông thường, và thậm chí cao hơn từ các mỏ ngoại lai.

Trong năm 2013, Tổng công ty Dầu khí Quốc gia Nhật Bản (JOGMEC) đã thông báo rằng họ đã thu hồi lượng khí thiên nhiên có liên quan đến mặt thương mại từ methan hydrat.

Sự hình thành khí thiên nhiên
Khí thiên nhiên được tạo ra từ sinh vật phù du, các vi sinh vật sống dưới nước bao gồm tảo và động vật nguyên sinh. Khi các vi sinh vật này chết đi và tích tụ trên đáy đại dương, chúng dần bị chôn đi và xác của chúng được nén dưới các lớp trầm tích. Trải qua hàng triệu năm, áp suất và nhiệt do các lớp trầm tích chồng lên nhau tạo nên trên xác các loại sinh vật này đã chuyển hóa hóa học các chất hữu cơ này thành khí thiên nhiên.

Do dầu mỏ và khí thiên nhiên thường được tạo ra bằng các quá trình tự nhiên tương tự nhau, hai loại hydrocarbon này thường được tìm thấy cùng nhau ở trong các bể chứa ngầm tự nhiên. Sau khi dần được tạo nên trong lòng vỏ Trái Đất, dầu mỏ và khí thiên nhiên đã dần chui vào các lỗ nhỏ của các tầng đá xốp xung quanh, những tầng đá xốp này có vai trò như các bể chứa tự nhiên. Do các lớp đá xốp này thường có nước chui vào, cả dầu mỏ và khí tự nhiên, vốn nhẹ hơn nước và kém dày đặc hơn các tầng đá xung quanh nên chúng chuyển lên trên qua lớp vỏ, đôi khi cách xa nơi chúng được tạo ra. Cuối cùng, một số hydrocarbon này bị bẫy lại bởi các lớp đá không thấm (đá không xốp), các lớp đã này được gọi là đá "mũ chụp". Khí thiên nhiên nhẹ hơn dầu mỏ, do đó nó tạo ra một lớn nằm trên dầu mỏ. Lớp khí này được gọi là "mũ chụp khí".

Các lớp than đá có chứa lượng methan đáng kể, methan là thành phần chính của khí thiên nhiên. Trong các trữ lượng than đá, methan thường thường bị phân tán vào các lỗ các vết nứt của tầng than. Khí thiên nhiên này thường được gọi là khí methan trong tầng than đá (coal-bed methane).

Hiện diện

và tiếp theo là màu đỏ là những quốc gia có sản lượng lớn nhất)]]
Khí thiên nhiên đã được phát hiện trên khắp các châu lục, ngoại trừ châu Nam Cực. Trữ lượng khí thiên nhiên thế giới tổng cộng vào khoảng 150 tỷ tỷ m³ (150 × 1018). Trữ lượng khí thiên nhiên lớn nhất, tổng cộng 48 tỷ tỷ m³ đang nằm ở Nga. Trữ lượng lớn thứ nhì thế giới, 50 tỷ tỷ m³, nằm ở Trung Đông. Các mỏ có trữ lượng khác nằm ở các nơi khác ở châu Á, châu Phi và Úc.

Trữ lượng khí thiên nhiên ở Hoa Kỳ tổng cộng 5 tỷ tỷ m³. Theo xếp hạng trữ lượng khí thiên nhiên theo từng bang từ cao xuống thấp, các mỏ khí thiên nhiên lớn đã được phát hiện ở: Texas, Vịnh México ngoài khơi Louisiana, ở Oklahoma, ở New Mexico, ở Wyoming và ở Vịnh Prudhoe của Bắc Slope ở bang Alaska. Ở Canada, tổng trữ lượng khí tự nhiên là 1,7 tỷ tỷ m³. Phần lớn trữ lượng khí tự nhiên ở Canada nằm ở Alberta.

Phân loại
Khí thiên nhiên là một loại khí không màu sắc và được phân loại tùy theo thành phần của nó. Khí khô có chứa tỷ lệ methan cao còn khí ướt có chứa đáng kể khối lượng hydrocarbon có phân tử lượng cao hơn thuộc nhóm ankan, bao gồm etan, prôpan, và butan. Phần cặn lắng của khí là phần còn lại sau khi các ankan đã được rút khỏi khí ướt. Khí chua là khí chứa nồng độ hydro sulfít cao (đây là một chất khí không màu, độc, có mùi trứng thối). Khí ngọt là khí có chứa ít chất hydro sulfít.

Các chất không phải là hydro cacbon trong khí thiên nhiên được là các chất làm loãng và chất gây ô nhiễm. Các chất làm loãng bao gồm các loại khí và hơi như: nitơ, cacbon dioxide và hơi nước. Các chất gây ô nhiễm bao gồm các hydro sulfít và các hợp chất lưu huỳnh khác. Các chất gây ô nhiễm có thể phá hoại các thiết bị sản xuất và vận chuyển. Nếu được đốt, các chất gây ô nhiễm có thể gây ra các vấn đề như ô nhiễm không khí và mưa axit. Mưa axit được tạo thành khi các hợp chất lưu huỳnh trong khí thiên nhiên và các loại nhiên liệu hóa thạch khác như than đá bị đốt và phản ứng với hơi ẩm trong không khí để tạo nên axit sulfuric (H2SO4). Hỗn hợp hơi ẩm axit này rơi xuống đất khi trời mưa gây hư hại cho mùa màng và rừng, hồ, suối, sông.

Khai thác
Để định vị được các mỏ khí, các nhà địa chất học thăm dò những khu vực có chứa những thành phần cần thiết cho việc tạo ra khí thiên nhiên: đá nguồn giàu hữu cơ, các điều kiện chôn vùi đủ cao để tạo ra khí tự nhiên từ các chất hữu cơ, các kiến tạo đá có thể "bẫy" các hydrocarbon.

Khi các kiến tạo địa chất có thể chứa khí tự nhiên được xác định, thông thường chứ không phải luôn ở bể trầm tích, người ta tiến hành khoan các giếng các kiến tạo đá. Nếu giếng khoan đi vào lớp đá xốp có chứa trữ lượng đáng kể khí thiên nhiên, áp lực bên trong lớp đá xốp có thể ép khí thiên nhiên lên bề mặt. Nhìn chung, áp lực khí thường giảm sút dần sau một thời gian khai thác và người ta phải dùng bơm hút khi lên bề mặt.

Chế biến khí thiên nhiên

Khi khí thiên nhiên được khai thác khỏi mặt đất, nó được vận chuyển bằng đường ống dẫn khí đến một nhà máy tinh lọc và xử lý, nơi nó được chế biến.

Khí thiên nhiên được chế biến bằng các thiết bị tách lọc khí để loại bỏ các hợp chất không phải là hydrocarbon, đặc biệt là Hydro sulfide cacbon dioxide. Hai quá trình sử dụng cho mục đích này là hấp thụ và hút bám (absorption and adsorption).

Quá trình hấp thụ sử dụng một chất lỏng hấp thụ khí tự nhiên và các tạp chất và phân tán chúng trong chất lỏng này. Trong một quá trình được gọi là hấp thụ hóa học, các tạp chất phản ứng với chất lỏng hấp thụ. Khí thiên nhiên sau đó thoát ra khỏi chất hấp thụ còn chất hấp thụ còn tạp chất ở lại trong chất lỏng. Các chất lỏng hấp thụ thường được sử dụng là nước, các dung dịch amin nước (aqueous amine) và cacbonat natri.

Quá trình hút bám là một quá trình cô đặc khí tự nhiên trên bề mặt một chất rắn hoặc một chất lỏng để loại bỏ tạp chất. Một chất thường được sử dụng cho mục đích này là cacbon (than), là chất có diện tích bề mặt trên đơn vị trọng lượng rộng. Ví dụ, các hợp chất lưu huỳnh trong phí tự nhiên được bề mặt hấp thụ của cacbon giữ lấy. Các hợp chất lưu huỳnh được kết hợp với hydro và ôxi để tạo thành axít sulphuric và có thể loại bỏ.

Sau khi các tạp chất đã được loại bỏ trong các thiết bị tách lọc, khí thiên nhiên được vận chuyển đến các nhà máy chế biến nơi các hợp chất như êtan, butan và các chất khác được tách ra để sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Các chất êtan, propan, và butan được sử dụng rộng rãi trong ngành hóa dầu.

Vận chuyển và lưu trữ
Sau khi được chế biến, khí thiên nhiên được vận chuyển bằng các đường ống dẫn khí đến các hộ tiêu thụ là các khu dân cư hay các khu công nghiệp. Khi khí di chuyển trong lòng ống, sự ma sát của khí lên thành ống làm giảm lưu lượng khí. Do đó, các trạm nén được lắp đặt dọc theo tuyến ống để bổ sung áp lực cần thiết đủ giữ cho khí di chuyển đến nơi yêu cầu.

Một khi khí đã đến nơi tiêu thụ, các công ty khí đốt thường chứa vào các bồn bể để cung cấp cho thị trường vào giờ cao điểm. Ví dụ khi thời tiết lạnh thì nhu cầu tiêu thụ khí tự nhiên thường vượt quá số lượng đường ống có thể vận chuyển từ các nhà máy chế biến khí thiên nhiên. Do đó, các công ty kinh doanh khí đốt thường chứa khí thiên nhiên vào các bể chứa lớn chịu áp lực cao hoặc chứa vào các tầng đá xốp. Trong nhiều trường hợp, các khu vực tàng trữ khí thiên nhiên được sử dụng là các mỏ than hoặc các giếng dầu đã bị bỏ hoang. Khi cần, người ta lại bơm lên mặt đất.

Khí thiên nhiên có thể được chở bằng tàu và tàng trữ dưới dạng Khí tự nhiên hóa lỏng (LNG). Khí thiên nhiên được hoá lỏng ở nhiệt độ -160&nbsp;°C (-256&nbsp;°F). Khí thiên nhiên chiếm thể tích lớn hơn 600 lần lớn hơn so với dạng lỏng của nó. Khí hóa lỏng được vận chuyển bằng tàu bồn và xe bồn.

Ảnh hưởng đến môi trường

Khí thiên nhiên bị rò rỉ

Khí thiên nhiên chủ yếu bao gồm methan. Sau khi thải ra bầu khí quyển, nó được loại bỏ bằng cách oxy hóa dần thành cacbon dioxide và nước bằng các gốc hydroxyl (OH−)) được hình thành ở tầng đối lưu hoặc tầng bình lưu, cho phản ứng hóa học tổng thể:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O.

Trong khi tuổi thọ của methan trong khí quyển tương đối ngắn khi so sánh với carbon dioxide, với chu kỳ bán rã khoảng 7 năm, nó có hiệu quả hơn trong việc giữ nhiệt trong khí quyển. Khí tự nhiên là một khí nhà kính mạnh hơn carbon dioxide do tiềm năng nóng lên toàn cầu của methan lớn hơn. Ước tính năm 2009 của EPA đặt khí thải methan toàn cầu ở mức 85&nbsp;km khối (3,0 nghìn tỷ feet khối) mỗi năm hoặc 3% sản lượng toàn cầu, 3,0 nghìn tỷ mét khối hoặc 105 nghìn tỷ feet khối (năm 2009). Phát thải khí methan trực tiếp chiếm 14,3% tổng lượng phát thải khí nhà kính nhân tạo toàn cầu vào năm 2004.

Trong quá trình khai thác, lưu trữ, vận chuyển và phân phối, khí tự nhiên được biết là rò rỉ vào khí quyển, đặc biệt là trong quá trình khai thác. Một nghiên cứu của Đại học Cornell năm 2011 đã chứng minh rằng tỷ lệ rò rỉ khí mê-tan có thể đủ cao để gây nguy hiểm cho lợi thế nóng lên toàn cầu của nó đối với than đá. Nghiên cứu này đã bị chỉ trích sau này vì đã ước lượng quá mức lượng khí methan bị rò rỉ. Kết quả sơ bộ của một số mẫu không khí từ máy bay do Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia thực hiện cho thấy các phát thải methan cao hơn ước tính bởi các giếng khí ở một số khu vực.

Khí thải carbon dioxide

Khí tự nhiên thường được mô tả là nhiên liệu hóa thạch sạch nhất. Nó tạo ra 25% –30% và ít hơn 40% –45% carbon dioxide trên mỗi joule được phân phối so với dầu và than tương ứng và có khả năng gây ô nhiễm ít hơn các nhiên liệu hydrocarbon khác. Tuy nhiên, về mặt tuyệt đối, nó bao gồm một tỷ lệ phần trăm đáng kể lượng khí thải carbon của con người thải ra, và sự phát thải này được dự báo sẽ tăng lên.

Theo Báo cáo đánh giá lần thứ tư của IPCC, năm 2004, khí tự nhiên tạo ra khoảng 5,3 tỷ tấn CO2 thải ra trong vòng một năm, trong khi than và dầu sản xuất lần lượt là 10,6 và 10,2 tỷ tấn. Theo Báo cáo đặc biệt về kịch bản phát thải (Special Report on Emissions Scenario) vào năm 2030, khí thiên nhiên sẽ là 11 tỷ tấn mỗi năm, với than và dầu hiện nay là 8,4 và 17,2 tỷ tương ứng do nhu cầu tăng 1,9% một năm.

Hạt nhân phóng xạ

Khai thác khí tự nhiên cũng tạo ra các đồng vị phóng xạ của poloni (Po-210), chì (Pb-210) và radon (Rn-220). Radon là một loại khí có hoạt động ban đầu từ 5 đến 200.000 becquerels trên một mét khối khí. Nó phân hủy nhanh chóng thành Pb-210 có thể tích tụ thành màng mỏng trong thiết bị khai thác khí.

Mối quan ngại về sự an toàn

Một số mỏ khí tạo ra khí chua có chứa hydrogen sulfide (H2S). Khí không được xử lý này độc hại. Nhằm xử lý khí Amine, một quy trình quy mô công nghiệp loại bỏ các thành phần khí axit, thường được sử dụng để loại bỏ hydrogen sulfide khỏi khí tự nhiên. Khai thác khí thiên nhiên (hoặc dầu) dẫn đến giảm áp lực trong hồ chứa. Việc giảm áp lực này lần lượt có thể dẫn đến sụt lún, chìm xuống mặt đất ở trên. Lún có thể ảnh hưởng đến hệ sinh thái, đường thủy, cống rãnh và hệ thống cấp nước, nền móng, …

Fracking

Việc giải phóng khí tự nhiên từ các thành tạo đá xốp dưới mặt đất có thể được thực hiện bằng một quá trình gọi là nứt gãy thủy lực hoặc "nứt". Người ta ước tính rằng sự phá vỡ thủy lực cuối cùng sẽ chiếm gần 70% phát triển khí thiên nhiên ở Bắc Mỹ. Kể từ khi hoạt động bẻ gãy thủy lực thương mại đầu tiên vào năm 1949, khoảng một triệu giếng đã bị phá hủy bằng thủy lực tại Hoa Kỳ. Việc sản xuất khí thiên nhiên từ các giếng bị phá hủy bằng thủy lực đã sử dụng những phát triển công nghệ của khoan định hướng và nằm ngang, giúp cải thiện khả năng tiếp cận khí tự nhiên trong các thành tạo đá chặt chẽ. Sự tăng trưởng mạnh mẽ trong việc sản xuất khí độc đáo từ các giếng bị nứt thủy lực xảy ra trong khoảng thời gian từ năm 2000-2012.

Trong quá trình bẻ gãy thủy lực, các nhà khai thác buộc trộn lẫn nước với nhiều loại hóa chất khác nhau thông qua vỏ giếng vào trong đá. Nước với áp lực cao bị phá vỡ hoặc "nứt" do đá sẽ tạo ra khí từ sự hình thành đá. Cát và các hạt khác được thêm vào nước như một chất phụ trợ để giữ cho các vết nứt trong đá mở, do đó cho phép khí chảy vào vỏ và sau đó lên bề mặt. Hóa chất được thêm vào chất lỏng để thực hiện các chức năng như giảm ma sát và ức chế ăn mòn. Sau khi "frack", dầu hoặc khí được chiết xuất và 30-70% chất lỏng frack, tức là hỗn hợp của nước, hóa chất, cát, vv, chảy ngược trở lại bề mặt. Nhiều thành tạo chứa khí cũng chứa nước, sẽ chảy nước giếng lên bề mặt cùng với khí, trong cả giếng bị nứt bằng thủy lực và không bị thủy lực. Điều này tạo ra nước thường có hàm lượng muối cao và các khoáng chất hòa tan khác xảy ra trong quá trình hình thành.

Thể tích nước được sử dụng cho các giếng gãy thủy lực được thay đổi tùy theo kỹ thuật bẻ gãy thủy lực. Tại Hoa Kỳ, lượng nước trung bình được sử dụng cho mỗi đứt gãy thủy lực đã được báo cáo là gần 7.375 gallon đối với giếng dầu và khí đốt thẳng đứng trước năm 1953, gần 197.000 gallon cho giếng dầu và khí đốt thẳng đứng từ năm 2000-2010 và gần 3 triệu gallon đối với các giếng khí ngang từ năm 2000-2010.
Xác định kỹ thuật đóng khung nào là phù hợp với năng suất tốt phụ thuộc phần lớn vào các tính chất của đá hồ chứa từ đó để chiết xuất dầu hoặc khí đốt. Nếu đá đặc trưng bởi tính thấm thấp - đề cập đến khả năng để cho các chất, tức là khí, đi qua nó, sau đó đá có thể được coi là một nguồn khí chặt chẽ. Khí đá phiến, mà hiện nay còn được biết đến như một nguồn khí độc đáo, liên quan đến việc khoan một lỗ khoan theo chiều dọc cho đến khi nó đạt đến hình dáng của đá phiến, lúc đó mũi khoan quay theo đá theo chiều ngang hàng trăm hoặc hàng ngàn feet. Ngược lại, các nguồn dầu và khí truyền thống được đặc trưng bởi khả năng thấm đá cao hơn, điều này cho phép dòng chảy của dầu hoặc khí vào giếng khoan với kỹ thuật bẻ gãy thủy lực ít tốn kém hơn so với việc sản xuất khí chật hẹp.

Những thập kỷ phát triển công nghệ khoan cho việc sản xuất dầu và khí đốt thông thường và độc đáo không chỉ cải thiện khả năng tiếp cận khí tự nhiên trong đá chứa có độ thấm thấp mà còn gây ra những tác động bất lợi đáng kể đến sức khỏe môi trường và cộng đồng.

EPA của Hoa Kỳ đã thừa nhận rằng các hóa chất độc hại, gây ung thư, tức là benzen và ethylbenzene, đã được sử dụng làm chất tạo gel trong nước và các hỗn hợp hóa học cho gãy khối ngang lớn (HVHF). Sau khi đứt gãy thủy lực trong HVHF, nước, hóa chất và chất lỏng frack quay trở lại bề mặt của giếng, được gọi là dòng chảy hoặc nước sản xuất, có thể chứa vật liệu phóng xạ, kim loại nặng, muối tự nhiên và hydrocarbon tồn tại tự nhiên trong đá phiến sét. Các chất hóa học, vật liệu phóng xạ, kim loại nặng và muối được loại bỏ khỏi giếng HVHF bởi các nhà khai thác cũng rất khó loại bỏ khỏi nước chúng bị trộn lẫn, và sẽ gây ô nhiễm nặng nề cho chu trình nước, phần lớn lưu lượng là hoặc được tái chế thành các hoạt động fracking khác hoặc tiêm vào các giếng sâu dưới lòng đất, loại bỏ lượng nước mà HVHF yêu cầu từ chu trình thủy văn.

Thêm mùi

Để hỗ trợ phát hiện rò rỉ, chất tạo mùi được thêm vào loại khí không màu và không mùi khác được người tiêu dùng sử dụng. Mùi này đã được so sánh với mùi trứng thối, do thêm tert-Butylthiol (t-butyl mercaptan). Đôi khi một hợp chất liên quan, thiophane, có thể được sử dụng trong hỗn hợp. Các tình huống trong đó một chất gây mùi được thêm vào khí thiên nhiên có thể được phát hiện bằng thiết bị phân tích, nhưng không thể được phát hiện đúng cách bởi một người quan sát có mùi thông thường, đã xảy ra trong ngành công nghiệp khí tự nhiên. Điều này được gây ra bởi mặt nạ mùi, khi một chất gây mùi vượt qua cảm giác của người khác. Tính đến năm 2011, ngành công nghiệp vẫn đang tiến hành nghiên cứu về nguyên nhân gây ra mùi hôi.

Nguy cơ cháy nổ

Các vụ nổ do rò rỉ khí tự nhiên xảy ra vài lần mỗi năm. Nhà riêng lẻ, doanh nghiệp nhỏ và các cấu trúc khác thường bị ảnh hưởng nhất khi rò rỉ bên trong tích tụ khí bên trong cấu trúc. Thông thường, vụ nổ đủ mạnh để gây thiệt hại đáng kể cho một tòa nhà nhưng để nó đứng vững. Trong những trường hợp này, những người bên trong có xu hướng bị thương nhẹ đến trung bình. Thỉnh thoảng, khí có thể thu thập với số lượng đủ cao để gây ra một vụ nổ chết người, làm tan rã một hoặc nhiều tòa nhà trong quá trình này. Khí thường tiêu tan dễ dàng ngoài trời, nhưng đôi khi có thể thu thập với số lượng nguy hiểm nếu tốc độ dòng chảy đủ cao. Tuy nhiên, xét đến hàng chục triệu cấu trúc sử dụng nhiên liệu, nguy cơ cá nhân sử dụng khí thiên nhiên rất thấp.

Nguy cơ hít phải carbon monoxide

Hệ thống sưởi bằng khí thiên nhiên có thể gây ngộ độc khí carbon monoxide nếu không được thông hơi hoặc kém thông hơi. Trong năm 2011, lò khí thiên nhiên, máy sưởi không gian, máy nước nóng và bếp được đổ lỗi cho 11 ca tử vong carbon monoxide ở Mỹ. 22 trường hợp tử vong khác là do các thiết bị chạy bằng khí đốt hoá lỏng, và 17 trường hợp tử vong do loại khí không xác định. Những cải tiến trong thiết kế lò đốt khí tự nhiên đã làm giảm đáng kể mối quan tâm ngộ độc CO. Máy dò cũng có sẵn cảnh báo khí carbon monoxide và/hoặc khí nổ (methan, propane, ….).

Lượng năng lượng, thống kê và giá cả

Lượng khí tự nhiên được đo bằng mét khối bình thường (mét khối khí ở nhiệt độ "bình thường" 0&nbsp;°C (32&nbsp;°F) và áp suất 101.325 kPa (14.6959 psi)) hoặc feet khối tiêu chuẩn (foot khối khí ở nhiệt độ "chuẩn": 60.0&nbsp;°F (15.6&nbsp;°C) và áp suất 14.73 psi (101.6 kPa)), một mét khối ≈ 35.3147 cu ft. Tổng nhiệt đốt của khí thiên nhiên chất lượng thương mại là khoảng 39 MJ / m3 (0,31 kWh / cu ft), nhưng điều này có thể thay đổi vài phần trăm. Đây là khoảng 49 MJ / kg (6,2 kWh / lb) (giả sử mật độ là 0,8&nbsp;kg / m3 (0,05&nbsp;lb / cu ft), một giá trị gần đúng).

Liên minh châu Âu

Giá xăng khác nhau rất nhiều trên toàn EU. Một thị trường năng lượng châu Âu duy nhất, một trong những mục tiêu chính của EU, sẽ làm tăng giá khí ở tất cả các nước thành viên EU. Hơn nữa, nó sẽ giúp giải quyết các vấn đề về cung và hâm nóng toàn cầu, cũng như tăng cường quan hệ với các nước Địa Trung Hải khác và thúc đẩy đầu tư trong khu vực.

Mỹ

Tại các đơn vị của Mỹ, một khối lượng tiêu chuẩn khối (28 L) khí tự nhiên tạo ra khoảng 1.028 đơn vị nhiệt Anh (1.085 kJ). Giá trị gia nhiệt thực tế khi nước hình thành không ngưng tụ là nhiệt thuần của quá trình đốt cháy và có thể thấp hơn 10%.

Tại Mỹ, doanh số bán lẻ thường ở đơn vị nhiệt (th); 1 nhiệt = 100.000 BTU. Bán khí đốt cho người tiêu dùng trong nước thường ở đơn vị 100 feet khối tiêu chuẩn (scf). Đồng hồ đo khí đo khối lượng khí được sử dụng, và điều này được chuyển đổi thành nhiệt bằng cách nhân khối lượng với hàm lượng năng lượng của khí được sử dụng trong khoảng thời gian đó, thay đổi theo thời gian. Tiêu thụ hàng năm điển hình của một nơi cư trú của một gia đình là 1.000 therm hoặc một khách hàng khu dân cư tương đương (RCE). Giao dịch bán buôn thường được thực hiện trong decatherms (Dth), nghìn decatherms (MDth), hoặc triệu decatherms (MMDth). Một triệu decatherms là một nghìn tỷ BTU, khoảng một tỷ feet khối khí tự nhiên.

Giá khí tự nhiên thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào vị trí và loại người tiêu dùng. Trong năm 2007, giá là $ 7/1000 feet khối (0,25 đô la / m3) điển hình ở Mỹ. Giá trị khí thiên nhiên điển hình là khoảng 1.000 BTU mỗi foot khối, tùy thuộc vào thành phần khí. Điều này tương ứng với khoảng 7 triệu đô la một triệu BTU hoặc khoảng 7 đô la mỗi gigajoule (GJ). Vào tháng 4 năm 2008, giá bán buôn là $ 10/1000 feet khối ($ 10 / MMBTU). Giá nhà ở thay đổi từ 50% đến 300% so với giá bán buôn. Vào cuối năm 2007, đây là $ 12– $ 16/1000 feet khối ($ 0,42– $ 0,57 / m3). Khí đốt tự nhiên tại Hoa Kỳ được giao dịch dưới dạng hợp đồng tương lai trên sàn giao dịch New York Mercantile Exchange. Mỗi hợp đồng là 10.000 MMBTU hoặc 10 tỷ BTU (10.551 GJ). Vì vậy, nếu giá khí là $ 10 / MMBTU trên NYMEX, hợp đồng trị giá $ 100,000.

Canada

Canada sử dụng thước đo số liệu cho thương mại nội bộ các sản phẩm hóa dầu. Do đó, khí tự nhiên được bán bởi gigajoule (GJ), mét khối (m3) hoặc nghìn mét khối (E3m3). Cơ sở hạ tầng phân phối hầu như luôn luôn theo khối lượng mét (mét khối hoặc mét khối). Một số khu vực pháp lý, chẳng hạn như Saskatchewan, chỉ bán khí đốt theo khối lượng. Các khu vực pháp lý khác, chẳng hạn như Alberta, khí được bán bởi hàm lượng năng lượng (GJ). Ở những khu vực này, hầu như tất cả các mét dành cho khách hàng thương mại nhỏ và dân cư đều đo khối lượng (m3 hoặc ft3) và báo cáo thanh toán bao gồm hệ số nhân để chuyển đổi âm lượng thành nội dung năng lượng của nguồn cung cấp khí địa phương.
Một gigajoule (GJ) là một thước đo xấp xỉ bằng một nửa thùng (250&nbsp;lbs) dầu, hoặc 1 triệu BTU, hoặc 1.000 cu ft hoặc 28 m3 khí. Hàm lượng năng lượng cung cấp khí đốt ở Canada có thể thay đổi từ 37 đến 43 MJ / m3 (990 đến 1,150 BTU / cu ft) tùy thuộc vào việc cung cấp và xử lý khí giữa giếng khoan và khách hàng.

Những nơi khác

Trong phần còn lại của thế giới, khí tự nhiên được bán trong các đơn vị bán lẻ gigajoule. LNG (khí thiên nhiên hoá lỏng) và LPG (khí dầu mỏ hóa lỏng) được giao dịch bằng tấn số liệu (1.000&nbsp;kg) hoặc MMBTU dưới dạng giao hàng tại chỗ. Các hợp đồng phân phối khí tự nhiên dài hạn được ký theo mét khối, và các hợp đồng LNG được tính theo tấn. LNG và LPG được vận chuyển bằng các tàu vận chuyển chuyên dụng, vì khí được hoá lỏng ở nhiệt độ đông lạnh. Đặc điểm kỹ thuật của mỗi hàng LNG / LPG thường chứa nội dung năng lượng, nhưng thông tin này nói chung không có sẵn cho công chúng.

Tại Liên bang Nga, Gazprom đã bán khoảng 250 tỷ mét khối khí đốt tự nhiên trong năm 2008. Năm 2013, họ sản xuất 487,4 tỷ mét khối (17,21 nghìn tỷ feet khối) khí thiên nhiên và khí liên quan. Gazprom đã cung cấp cho châu Âu 161,5 tỷ mét khối khí (5,70 nghìn tỷ feet khối) trong năm 2013.

Vào tháng 8 năm 2015, đợt khám phá khí tự nhiên lớn nhất trong lịch sử đã được thực hiện và được thông báo bởi một công ty khí ENI của Ý. Các công ty năng lượng chỉ ra rằng công ty đã khai quật được một lĩnh vực "siêu khổng lồ" khí ở Biển Địa Trung Hải bao gồm khoảng 40 dặm vuông (100 km2). Nó cũng đã được báo cáo rằng lĩnh vực khí đốt có thể chứa một tiềm năng 30 nghìn tỷ feet khối (850 tỷ mét khối) khí tự nhiên. ENI nói rằng năng lượng là khoảng 5,5 tỷ thùng dầu tương đương [BOE] (3,4 × 1010 GJ). Khu vực này được tìm thấy ở vùng biển sâu ngoài khơi bờ biển phía bắc Ai Cập và ENI cho rằng nó sẽ lớn nhất từ trước đến nay ở Địa Trung Hải và thậm chí cả thế giới.

Các dự án khai thác khí lớn ở Việt Nam
Đường ống dẫn khí Nam Côn Sơn
Dự án Khí - Điện - Đạm Cà Mau
Dự án đường ống dẫn khí Bạch Hổ
Dự án đường ống dẫn khí Lô B - Ô Môn

Tham khảo