نظرة من الداخل: كيف يتم استخراج الغاز الطبيعي من باطن الأرض

ما هو الغاز الطبيعي؟

يُعرف الغاز الطبيعي، الذي يُشار إليه عادةً بـ«الوقود الانتقالي»، بأنه خليط من الهيدروكربونات يتألف بشكل أساسي من الميثان (CH₄)، وهو المادة العضوية الأكثر إنتاجًا صناعيًّا. وإلى جانب الميثان، يحتوي الغاز الطبيعي على آثار ضئيلة من الهيدروكربونات مثل الإيثان والبروبان والبيوتان والبنتانات، بالإضافة إلى كميات ضئيلة من ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين وكبريتيد الهيدروجين (الذي تسبب رائحة البيض الفاسد!) وبخار الماء. وبما أنه يأتي في شكله الخام كغاز طبيعي، فهو عديم الرائحة واللون وقابل للاحتراق تمامًا، مما يجعله مصدرًا قويًا للطاقة. إنه أشبه بكنز مدفون في أعماق الأرض؛ ويُعرف بالوقود الأحفوري، حيث تشكل على مدى ملايين السنين من المواد العضوية المتحللة. ويكون في الحالة الغازية عند درجة الحرارة والضغط العاديين؛ ويُعد فهم هذا الجانب أمرًا بالغ الأهمية عند شرح كيفية استخراج الغاز الطبيعي ومعالجته واستخدامه في النهاية.

من الصعب تصور ذلك، لكن بقايا النباتات والكائنات البحرية والمواد النباتية كانت موجودة على الأرض قبل ظهور البشرية بفترة طويلة. استقرت هذه البقايا النباتية في قاع المحيطات والمستنقعات، وبعد سنوات عديدة، دُفنت تحت حرارة شديدة وضغط عالٍ وتحولت إلى طبقات حرارية. ومع مرور الوقت، بدأت تلك المواد العضوية المدفونة في أعماق القشرة الأرضية تتشكل تحت ضغط شديد للغاية. وتضافرت الحرارة الشديدة والضغط العالي لتحويل بعض هذه المواد إلى فحم ونفط وغاز طبيعي — وهي مصادر للميثان الحراري المحبوس داخل التكوينات الصخرية المسامية. في الأماكن التي توجد فيها رواسب النفط، توجد هذه التكوينات أيضًا وتعمل كمناطق لتخزين الغاز الطبيعي. امتدت هذه العملية على مدى آلاف السنين وكانت دليلًا على قدرة الأرض على تحويل بقايا النباتات الأساسية إلى موارد طبيعية. هل يمكن أن تكون هذه العملية مصدرًا للطاقة المتجددة في المستقبل؟ ربما ستسهم يومًا ما في ظاهرة الاحتباس الحراري.

استكشاف وتحديد مواقع احتياطيات الغاز الطبيعي

لا يبدأ البحث عن الغاز الطبيعي باستخدام الحفار. بل يبدأ بالجهود الاستكشافية. فالجيولوجيون هم شركاء العصر الحديث الذين يعملون على تحليل البيانات والخرائط المتعلقة بقشرة الأرض من أجل العثور على تشكيلات جيولوجية بارزة. كما يركزون على أنواع معينة من الصخور المعروفة باحتوائها على الغاز الطبيعي. وتعد هذه الخصائص الجيولوجية، الموجودة في أعماق الأرض، حاسمة لنجاح استخراج هذا المورد الطبيعي. وربما يعثرون على الغاز الطبيعي التقليدي أو الغاز الصخري، أو حتى الغاز المحصور. وتعد المسوحات الزلزالية البرية والبحرية جزءًا لا يتجزأ من عملية الحفر. تستخدم هذه المسوحات الموجات الزلزالية التي تولدها معدات متخصصة، مثل «شاحنات الثامبر»، لرسم خرائط لسطح الأرض وتحديد رواسب الفحم. تخيل الموجات الصوتية وهي تخترق الأرض وتنعكس عند طبقات الصخور المختلفة، مما ينتج عنه صورة فوتوغرافية للبنية تحت السطحية.

بمجرد تحديد موقع محتمل، تأتي المرحلة التالية وهي الحفر الاستطلاعي – وهو حرفياً حفر حفرة في الأرض لاكتشاف ما يوجد تحتها. ويتطلب ذلك حفر بئر عميق، غالبًا على عمق عدة آلاف من الأقدام، للوصول إلى خزان الغاز الطبيعي المفترض. ولا يهدف هذا النوع من الآبار الاستكشافية إلى وضع تخمين عام؛ بل في الواقع، هناك استراتيجية محددة بدقة لعملية الحفر والاستقراء. تُستخدم أدوات ومعدات هندسية لجمع البيانات، بما في ذلك حجم الغاز الذي يمكن قياسه بالقدم المكعب، وضغط الغاز، والخصائص المحددة لنفاذية الصخور. وهذا يساعد بشكل فعال في معرفة جدوى الخزان من حيث الاستخدام التجاري لاستخراج الغاز الطبيعي منه. إنها مخاطرة، لكنها مخاطرة مدعومة بأفضل الشبكات الجيولوجية والخبرة الهندسية. وهذا يساعد في تحديد الإمكانات والجودة للغاز الطبيعي المتاح وكيفية تنظيم الإنتاج في المستقبل.

طرق الاستخراج: من البئر إلى خط الأنابيب

لم يعد استخراج الغاز الطبيعي من أعماق القشرة الأرضية مجرد فكرة بعيدة المنال، بل أصبح جزءًا من التاريخ ويحظى الآن بإعجاب الكثيرين. ويتضمن ذلك مزيجًا آسرًا من الهندسة والجيولوجيا. وتعتمد الطرق المستخدمة في ذلك إلى حد كبير على نوع رواسب الغاز الطبيعي – سواء كانت تقليدية أو غير تقليدية. على سبيل المثال، المواد النباتية المتحللة، والمعروفة أيضًا باسم الغاز التقليدي، والتي تقع تحت العديد من طبقات الصخور غير القابلة للنفاذ، يسهل الوصول إليها مقارنةً بالغاز الطبيعي غير التقليدي. يتيح الحفر العمودي الوصول إلى أعماق أكبر، حيث يتقدم الحفار عبر طبقات الصخور حتى يصل إلى خزان الغاز الطبيعي. وهي عملية بسيطة نسبيًّا تتألف من بضع خطوات، لكنها تنطوي على بعض أوجه القصور. تقع احتياطيات الغاز الطبيعي عمومًا داخل آبار مزودة بغلاف فولاذي لدعمها، ويحتوي هذا الغلاف على الخزان. ويبدو من العدل القول إنها تُعتبر مهمة سهلة إلى حد كبير بشكل عام. وهناك طرق أخرى لاستخراج الغاز الطبيعي غير التقليدي تتيح إجراء الحفر الأفقي والتكسير الهيدروليكي.

من ناحية أخرى، يمكن اعتبار الحفر الأفقي عكس ذلك، حيث يتيح تغطية مساحة أكبر. ويُعد هذا الأسلوب أكثر كفاءة ويحقق معدل إنتاج أفضل مقارنة بالطرق الأخرى. وهذا، إلى جانب التكسير الهيدروليكي، يزيل القيود التي أعاقت صناعة الغاز الطبيعي وألحقت بها أضرارًا جسيمة. ولاستخراج الغازات، يتم حقن مزيج من الماء والرمل والمواد الكيميائية في الخليط بضغط عالٍ، ثم يتم ضخه في حفرة البئر لتمديد الصخور، مما يؤدي إلى إخراج الغازات.

لكن هذه التقنية أثارت أيضًا بعض القضايا البيئية، لا سيما فيما يتعلق باستخدام المياه والتلوث المحتمل لموارد المياه الجوفية. إن مسار الغاز الطبيعي من باطن الأرض إلى خط الأنابيب هو قصة لا تنتهي من التطور البشري الذي يهدف إلى تلبية احتياجات المجتمع العالمي من الطاقة. وهي مهمة يجب إنجازها بتخطيط دقيق، وهندسة متأنية، ومراعاة قصوى لموارد كوكبنا.

معالجة الغاز الطبيعي وتنقيته

الغاز الطبيعي في شكله الخام ليس مفيدًا جدًّا، وهذا أقل ما يمكن قوله. فهو يحتوي على بخار الماء، وثاني أكسيد الكربون، والهيدروجين الكبريتي، وغيرها من جزيئات الهيدروكربونات غير الميثانية التي يجب معالجتها. وبشكل أساسي، هذه المكونات ليست جزءًا من الغاز الطبيعي النقي. ولكن هنا يأتي دور محطات معالجة الغاز الطبيعي؛ حيث تعمل هذه المحطات كمحطات تنظيف صناعية، يتم فيها استخلاص الميثان من المكونات الأخرى غير المرغوب فيها. وربما ستعمل التقنيات الجديدة على تحسين هذه العملية بشكل أكبر. تعد المرحلة الأولى، وهي إزالة بخار الماء، مهمة جدًّا، حيث إنها لا تؤدي فقط إلى خفض طاقة الغاز، بل قد تزيد من تآكل خطوط الأنابيب. ثم تأتي عملية ترشيح جميع سوائل الغاز الطبيعي، مثل البروبان والبيوتان والإيثان، التي لها استخدامات أو تطبيقات نهائية منفصلة للغاز الطبيعي.

تم تحويل الخث، الذي يتكون أساسًا من جزيء الميثان، إلى أشكال أكثر قابلية للاستخدام، وأصبح من الممكن الآن توريده إلى مختلف المؤسسات ومحطات توليد الطاقة. ومن خلال التخلص من الشوائب الضارة مثل كبريتيد الهيدروجين، تجعل هذه العملية الغاز الطبيعي أكثر قابلية للاستخدام. ويتعين أن تمر إجراءات تحويل الغاز الطبيعي الخام إلى وقود صالح للاستخدام بالعديد من المراحل حتى يصبح جاهزًا للبيع بالتجزئة. وبفضل الطرق والتقنيات المتنوعة المستخدمة، يكون المنتج النهائي هو غاز طبيعي نقي يستوفي مختلف معايير الجودة والسلامة. نأمل أن تكون هناك احتياطيات كافية من الغاز الطبيعي لتلبية الطلب. كما سترون، للمناخل الجزيئية أهمية كبيرة في عملية التنقية هذه. ربما توجد مصادر مختلفة للغاز الطبيعي لم يتم استكشافها بالكامل بعد. وربما سيكتشفون يومًا ما غاز الميثان المنبعث من مناجم الفحم بالقرب من مواقع الحفر، وستنشأ تقنيات جديدة من هذه الاحتياطيات من الغاز الطبيعي. من الصعب معرفة المزيد عن هيدرات الميثان وما ستجلبه تلك المصادر من الغاز الطبيعي.

المناخل الجزيئية: تعزيز الكفاءة والجودة

الأنواع المختلفة من المناخل الجزيئية المستخدمة في معالجة الغاز الطبيعي

تُستخدم المناخل الجزيئية في عمليات الغاز الطبيعي بنفس الطريقة التي تُستخدم بها الأدوات المختلفة في صندوق الأدوات، حيث تؤدي كل أداة وظيفة فريدة ومخصصة. على سبيل المثال، تُستخدم المناخل الجزيئية من نوع 3A و4A لتجفيف الغاز الطبيعي لمنع تكوّن الهيدرات وتآكل أنظمة الأنابيب. أما المناخل الأخرى، مثل 5A و13X، فهي أكثر كفاءة في إزالة ثاني أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين من الغاز. ومن أجل تحسين جودة الغاز الطبيعي من خلال عملية التنقية، يجب اختيار المنخل الجزيئي المناسب. ويتعلق الأمر باستخدام الأداة الصحيحة مع مراعاة نوع الشوائب ودرجة النقاء التي يرغب فيها المستخدم.

مزايا استخدام المناخل الجزيئية في عمليات التنقية

يُعد تنقية الغاز الطبيعي مهمة شاقة للغاية، لكن المناخل الجزيئية تجعل هذه المهمة أسهل. فهي تتمتع بالقدرة على تحقيق دقة تفوق أي نظام ترشيح آخر معروف للبشرية. وبشكل أساسي، توفر هذه المناخل مستوى من الترشيح يجعلها قابلة لإعادة الاستخدام. وعلى عكس الطرق الأخرى لإزالة الشوائب، التي تتسم بالتكلفة العالية والإسراف، لا تتطلب المناخل الجزيئية صيانة كبيرة، حيث إنها قابلة للعكس. وتشبه قدرتها على إعادة شحن نفسها قدرة البطارية المستدامة. في عصرنا هذا، حيث تتجه جميع الصناعات نحو الهندسة المستدامة، يمكن دمج هذه المناخل بسهولة، لأنها صديقة للبيئة. ويتيح تصميمها الفريد لها تحمل نطاق واسع من التغيرات في درجات الحرارة والضغط. وبالتالي، فإنها تزيل الكثير من العوائق في مجال صناعة ترشيح الغاز الطبيعي.

تحسين أداء المناخل الجزيئية في تطبيقات الغاز الطبيعي

في كل فرع من فروع العلوم الحيوية، يتعين على المرء أن يبذل جهدًا يتجاوز مجرد الإشراف من أجل توفير منتج نهائي، لا سيما في حالة المناخل الجزيئية المستخدمة في مجال الغاز الطبيعي، والتي تتطلب تحسينًا متعدد العوامل لتحقيق أداء أفضل من مجرد التعويض الحراري وتعويض درجة الحرارة، وهو ما يدل على وجود علاقة تناسب عكسي بينهما قد تؤدي إلى امتصاص غير مرضٍ بسبب نقص الضغط المطلوب. قارن ذلك بمهام المراقبة الدورية البسيطة، وتحديث استبدال الطبقات، فالآن تبدو المهام مقلقة ما لم يتم تصحيحها من خلال تعديل نظام العملية حيث يوجد توازن بين أفضل أداء ومتانة من خلال التحسين الدقيق لطبقة المنخل الجزيئي. ولكن الأهم من ذلك، أن كل ما سبق لا يمكن تحقيقه إلا من خلال اختيار النوع والحجم الصحيحين للمنخل الجزيئي المناسبين للمهمة المطلوبة، على الرغم من أنه من الحكمة طلب المساعدة من شركات مثل «جالون» (Jalon) في تحقيق ذلك، حيث إنها خبيرة في مجالها. وبذلك، يصبح كل شيء تعاونًا بين الاستكشاف الحيوي للمنخل الجزيئي وتنقية الغاز، مما يؤدي إلى خفض التكلفة والوقت مع زيادة الموثوقية الإجمالية للنظام نفسه.

نقل وتخزين الغاز الطبيعي

شبكات الأنابيب وأنظمة التوزيع

بعد الاستخراج، يتعين على الغاز أن يمر بسلسلة من إجراءات المعالجة الصارمة، ثم ينطلق عبر شبكة ضخمة جدًا من خطوط الأنابيب التي تمتد في جميع أنحاء البلاد كنظام معقد. وقد لوحظ أيضًا أن العديد من هذه الأنابيب يبلغ طولها عدة أميال، وأنها تعمل على نقل الغاز من مراكز استخراجه إلى المراكز التي يمكن الاستفادة منه فيها، حيث يكون المستهلكون هم المستخدمون النهائيون. تمامًا مثل الأوردة والشرايين في جسم الإنسان، تعمل شبكات الأنابيب كعناصر أساسية في صناعة الغاز الطبيعي وتضمن إمدادًا متواصلًا بالغاز الطبيعي. ويكفي هذا الغاز الطبيعي لضمان الراحة في المنازل وتشغيل العديد من المصانع في جميع أنحاء البلاد. تخيلوا فقط مدى اتساع هذه الشبكة، تلك المهندسة المعمارية القوية والهادئة التي تربط مناطق الإنتاج بالمدن.

منشآت التخزين تحت الأرض

تتضح الحاجة إلى تخزين الغاز الطبيعي وتصبح بالغة الأهمية كلما كان هناك تباين ملحوظ بين الطلب على الغاز والعرض، لا سيما في مواسم ذروة الطلب خلال فصل الشتاء. وفي مواسم ذروة الطلب خلال فصل الشتاء، يتم زيادة سعة التخزين تحت الأرض. التخزين تحت الأرض عبارة عن أنفاق تُبنى في احتياطيات الغاز الطبيعي المستنفدة أو في كهوف الملح، وتعمل كخلايا نحل ضخمة للغاز الطبيعي. وحتى في حالات حدوث قيود مفاجئة على العرض، تعمل هذه المخزونات تحت الأرض كضمانة ضد مثل هذه الاضطرابات، وتتيح توفر الغاز الطبيعي بمعدل ثابت إلى حد معقول على الرغم من التقلبات في الإنتاج. وهذا يشبه امتلاك احتياطيات من الغاز يمكن اللجوء إليها في حالة ارتفاع الطلب. في الواقع، في يوم واحد من شهر مارس 2022، سحبت الولايات المتحدة 2.4 تريليون قدم مكعب من الغاز الطبيعي من احتياطياتها ومخازنها، مما يسلط الضوء بشكل أكبر على هذه المنشآت باعتبارها ركائز أساسية في تلبية احتياجات الطاقة. وهذه الطاقة المخزنة على وجه الخصوص هي التي تضمن عدم حدوث انقطاعات في إمدادات الطاقة في أي وقت، خاصة في أوقات الطلب الهائل مثل فصل الشتاء.

الغاز الطبيعي المسال (LNG) للنقل لمسافات طويلة

بالنسبة للنقل لمسافات طويلة، لا سيما عبر المحيطات، يتم تحويل الغاز الطبيعي إلى غاز طبيعي مسال (LNG). ومن خلال تبريد الغاز الطبيعي إلى درجة حرارة -260 درجة فهرنهايت، ينخفض حجمه بمقدار 600 ضعف، مما يجعل نقله بواسطة ناقلات متخصصة أكثر كفاءةً بكثير. وتفتح هذه العملية آفاقًا جديدة في الأسواق العالمية، مما يتيح للدول التي لا تمتلك وصولًا مباشرًا إلى خطوط الأنابيب استيراد الغاز الطبيعي. وهذا مثال مذهل على كيفية توسيع التكنولوجيا لنطاق هذا المصدر الثمين للطاقة، وربط القارات، ودفع عجلة الاقتصادات في جميع أنحاء العالم. ويؤدي الغاز الطبيعي المسال، وهو الشكل المكثف للغاز الطبيعي، دورًا متزايد الأهمية في المشهد العالمي للطاقة، حيث يسهل التجارة ويضمن تنويع إمدادات هذا الوقود الأنظف في الاحتراق.

الأثر البيئي لاستخراج الغاز الطبيعي

إن استخراج موارد الطاقة في شكل الغاز الطبيعي، على الرغم من تصنيفه على أنه أقل تلويثًا مقارنةً بالوقود الأحفوري الآخر، لا يزال ينطوي على عمليات تؤثر على البيئة. وترتبط المراحل المختلفة التي ينطوي عليها هذا الاستخراج، مثل الاستكشاف وعمليات الحفر والإنتاج ونقل الغاز، بانبعاثات غازات الدفيئة مثل الميثان وثاني أكسيد الكربون، التي تؤثر على تغير المناخ. ويشكل استهلاك المياه، وتلوث المياه الجوفية والمياه السطحية بالمواد الكيميائية، والتخلص من مياه الصرف المستعملة الناتجة عن التكسير الهيدروليكي (المعروف أيضًا باسم «الفرانكينغ») مصدر قلق. فما هي الخطوة التالية للتخفيف من حدة هذه المشكلات؟ يُعد تدهور الأراضي وفقدان الموائل نتيجة لبناء خطوط الأنابيب ومنصات الآبار من العوامل البيئية التي تدعو للقلق، حيث إنها تؤثر على الحيوانات والنباتات. وبالمثل، في حين تظل حقيقة أن طاقة الغاز الطبيعي تنبعث منها كميات أقل من ثاني أكسيد الكربون مقارنة بالفحم، فإن استخدام الغاز الطبيعي في الأوساط الصناعية أو المنزلية يواجه آثارًا غير مرغوب فيها. لمعالجة هذه المشكلات، يجب وضع معايير للممارسات الصناعية، مثل إيجاد بدائل لمنع العوامل التي تؤدي إلى تسرب الغاز، وكذلك اتخاذ تدابير تنظيمية للتعامل مع التلوث وانبعاثات الغاز من أجل تحسين كفاءة الطاقة لهذا الوقود الأحفوري. وربما يكون من الضروري إحداث تغيير في الطريقة التي نستخدم بها طاقة الغاز الطبيعي.

اختر «جالون» للحصول على أفضل المناخل الجزيئية

يُعد جودة المناخل الجزيئية المستخدمة أحد الاعتبارات الحاسمة عند تكرير الغاز الطبيعي. وقد بدأت شركة «جالون» في صنع اسم لها باعتبارها موردًا رئيسيًّا للمناخل الجزيئية المتخصصة المصممة خصيصًا لتلبية متطلبات معالجة الغاز الطبيعي. إنها منتجات متخصصة وفعالة. إن خبرة شركة «جالون» في علوم المواد والتسويق في هذه المجالات تضمن ببساطة الكمال وخلق القيمة، وخفض تكاليف التشغيل، والحصول على منتج نهائي أفضل. على سبيل المثال، يمكن لشركة «جالون» توفير المناخل الجزيئية 3A لأغراض إزالة الرطوبة، وتنقية غاز الميثان الموجود في طبقات الفحم الحجري، أو غير ذلك من تطبيقات الغاز الطبيعي غير التقليدي. وقد أدى التركيز الشديد على التفاصيل وضمان رضا العملاء إلى ترسيخ مكانتها كمصدر موثوق به لشركات معالجة الغاز الطبيعي.

الخلاصة

تعد العملية الكاملة التي يمر بها الغاز الطبيعي، بدءًا من باطن الأرض وانتهاءً بوصوله إلى منازلنا ومصانعنا، عمليةً مثيرةً للاهتمام بحد ذاتها، وهي توضح كيف تطور البشر في سعيهم للحصول على الطاقة. وقد تمت دراسة تركيب هذا الوقود الأحفوري الفريد، كما تم استكشاف التقنيات المستخدمة لاستخراجه، بدءًا من الحفر الرأسي للعديد من الآبار في الحقول وصولًا إلى الأساليب الأكثر حداثة مثل التكسير الهيدروليكي. وقد تم تسليط الضوء على مراحل عملية تنقية الغاز الطبيعي، حيث يؤدي استخدام المناخل الجزيئية إلى تحسين جودة الغاز الطبيعي المنتج بشكل كبير. كما ناقشنا نقل الغاز الطبيعي وتخزينه، مع الاعتراف بتأثيره البيئي الناتج عن إنتاجه واستخدامه. لكن في النهاية، فإن الجانب الأكثر أهمية هو القدرة على فهم رحلة الغاز الطبيعي من باطن الأرض إلى خطوط الأنابيب لدينا، من أجل اتخاذ خيارات أكثر استنارة بشأن مكانة الغاز الطبيعي في نظام الطاقة الخضراء في المستقبل.