Thành phần chính của khí thiên nhiên làmetan (CH4), thường chiếm 70–90% thể tích. Ngoài ra còn cóetan (C2H6),propan (C3H8),butan (C4H10),pentan (C5H12) và cácankan khác. Khí thiên nhiên thường được tìm thấy cùng với cácmỏ dầu trongvỏ Trái Đất, được khai thác và xử lý để trở thànhnhiên liệu, hiện cung cấp khoảng 25% nhu cầunăng lượng toàn cầu. Ngoài ra, khí thiên nhiên cũng tồn tại trong các thành tạo ngầm, trongvỉa than (dưới dạngkhí mêtan trong than –coalbed methane) hoặc liên kết với cáchồ chứahydrocarbon khác.
Khí thiên nhiên thô thường chứa một lượng nhỏ tạp chất nhưcacbon dioxide (CO2),hydro sulfua (H2S)[1] vànitơ (N2). Các tạp chất này làm giảmnhiệt trị và có thể gây ăn mòn, nên thường được loại bỏ trong quá trình xử lý khí, đồng thời trở thànhsản phẩm phụ.
Khí thiên nhiên từ nhiên liệu hóa thạch là mộttài nguyên thiên nhiên không tái tạo. Trong đời sống, khí thiên nhiên thường được gọi ngắn gọn là “khí”, đặc biệt khi so sánh vớidầu hoặcthan đá. Tuy nhiên, không nên nhầm lẫn vớixăng, nhất là ởBắc Mỹ, nơi “gasoline” thường được gọi tắt là “gas”.
Trong giao thông vận tải, khí thiên nhiên có thể được nén thànhCNG (Compressed Natural Gas) hoặc hóa lỏng thànhLNG (Liquefied Natural Gas) để sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho xăng, dầu.
Vào thế kỷ XVII, khí thiên nhiên đã được sử dụng để sưởi ấm và chiếu sáng ở miền BắcÝ. ỞHoa Kỳ, khí thiên nhiên lần đầu đã được phát hiện ở Fredonia,New York vào năm1825.[4]
Do khí thiên nhiên ở dạng khí (mật độ thấp) khó vận chuyển bằng các phương tiện thông thường, tronglịch sử khí thiên nhiên đã được sử dụng ở các khu vực gần mỏ khí. Khi ngànhcông nghiệpdầu 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 trêngiàn khoan. Ngày nay, khí thiên nhiên được vận chuyển thông qua các mạng lướiđường ống dẫn khí rộng lớn hoặc được hóalỏng và chở bằngtàu 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.[5] 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.[5]
Trong thế kỷ XIX, khí thiên nhiên thường được xem như một sản phẩm phụ của việc sản xuất dầu, vì các chuỗi khícacbon nhỏ, nhẹ đi ra từdung dịch khi cácchất lỏng chiết xuất trải qua việc giảmáp suất từ hồ chứa xuống bề mặt.
Khí tự nhiên còn dư là một vấn đề xử lý trong các mỏ dầu đang hoạt động. Nếu không được tiêu thụ gần đầu giếng thì nó cực kỳ tốn kém. Thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX, khí dư thường được đốt cháy tại các mỏ dầu. Ngày nay, khí dư (hoặc khí bị tồn đọng trongthị trường) liên quan đến việc khai thác dầu thường được trả lại hồ chứa với các giếng phun trong khi chờ thị trường trongtương lai có thể hoặc kìm nén sự hình thành, có thể tăng cường tỷ lệ khai thác từ các giếng khác. Ở những khu vực có nhu cầu khí tự nhiên cao (nhưMỹ), đường ống được xây dựng khi có khả năng kinh tế để vận chuyển khí từ giếng khoan đến một người tiêu dùng.
Ngoài việc vận chuyển khí qua đường ống để sử dụng trong việc phát điện, các mục đích sử dụng khác cho khí thiên nhiên bao gồmxuất khẩukhí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) hoặc chuyển khí thiên nhiên thành các sản phẩm lỏng khác thông quacông nghệ khí hóa lỏng (GTL). Công nghệ GTL có thể chuyển đổi khí thiên nhiên thành các sản phẩm chất lỏng nhưxăng,dầu diesel hoặcnhiên liệumáy bay phản lực. Một loạt các công nghệ GTL đã được phát triển, bao gồm Fischer – Tropsch (F – T),methanol để xăng (MTG) và syngas cho xăng cộng (STG +). F-T sản xuất một loạidầu thô tổng hợp có thể được tinh chế thêm thành các sản phẩm hoàn chỉnh, trong khi MTG có thể sản xuất xăng tổng hợp từ khí thiên nhiên. STG + có thể sản xuất xăng, dầu diesel, nhiên liệu máy bay phản lực và hóa chất thơm trực tiếp từ khí thiên nhiên thông qua một quá trình đơn.[6] Trong năm 2011, nhà máy F – T củaRoyal Dutch Shell sản xuất 140.000 thùng/ngày đã đi vào hoạt động tạiQatar.[7]
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).[8] Đôi khi nó chứa một lượng đáng kểetan,prôpan,butan vàpentane - cáchydrocarbon nặng được loại bỏ để sử dụng trongthương mại trước khimethan được bán dưới dạng nhiên liệu tiêu dùng hoặc nguyên liệuthực vậthóa học không chứa hydrocarbon nhưcacbon dioxide,nitơ,heli (hiếm khi) vàhydro sulfide cũng phải được loại bỏ trước khi khí thiên nhiên có thể được vận chuyển.[9]
Khí thiên nhiên được chiết xuất từ giếng dầu được gọi làkhí vỏ bọc (đã hoặc không thực sự tạo ra cáclò 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 vàkhí methan.
Có một số bất đồng ở các quốc gia có trữ lượng khí lớn nhất. Các nguồn tin cho rằngNga có trữ lượng lớn nhất đã được chứng minh thông quaCIAHoa Kỳ (47 600 km³),[10]Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ (47 800 km³),[11] vàOPEC (48 700 km³).[12] Tuy nhiên,BP ghi nhậnNga chỉ với 32 900 km³,[13] nó ở vị trí thứ 2, sauIran (33 100 - 33 800 km³, tùy thuộc vào nguồn gốc). VớiGazprom, 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) vàHoa Kỳ: 8500 (2013).
Người ta ước tính có khoảng 900 000 km³ khí "mới" như khí đá phiến, trong đó có 180 000 km³[14] có thể phục hồi được. Đổi lại, nhiều nghiên cứu từMIT,Black & Veatch vàDOE dự đoán rằng khí tự nhiên sẽ chiếm 1 phần lớn hơn củaphát điện và nhiệt trong tương lai.[15]
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 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. Khingưng tụđẳng 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 là khí thiên nhiên được sản xuất từđá phiến sét. Bởi vìđá phiến cóđộ thấm ma trận quá thấp, không cho phép khí chảy với số lượngkinh 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 ởHoa Kỳ vàCanada.[16] Do sản lượng khí đá phiến tăng cao, Hoa Kỳ hiện là nhà sản xuất khí tự nhiên số một trên thế giới.[17] Sau thành công tại Hoa Kỳ, thăm dò khí đá phiến đang bắt đầu ở các nước nhưBa Lan,Trung Quốc vàCộng hòa Nam Phi.[18][19][20]
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 nóngthan 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 (hoặcnhựa đường) được thu thập ở đáy lò khí đốt thường được sử dụng để lợp mái và các mục đích chống thấm khác, trộn vớicát vàsỏi được sử dụng cho các đường phố lát đá.
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 loạicây trồng. Các nguồn khí methan khác, thành phần chính của khí thiên nhiên, bao gồm khíbãi rác,khí sinh học vàmethan hydrat. Khi khí giàumethan được tạo ra bởisự phân hủy yếm khí củavật chất hữu cơ không phảihóa thạch (sinh khối), chúng được gọi là khí sinh học (hoặckhí biogas tự nhiên). Các nguồn khí sinh học bao gồmđầm lầy và bãi chôn lấp, cũng như cácchất thải nông nghiệp như bùn thải vàphân bón bằng cách xử lý kỵ khí, ngoài quá trìnhlên 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 vàhydro, và lượng thay đổi củahydro sulfide vàsiloxan. 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 cơnổ. Khí có thể bay vàokhí 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 từphân 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 trừthuốc trừ sâu, thường có mứcchất 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 triệuH2S, vì CO2 và H2Săn mòn các đường ống. Sự hiện diện củaCO2 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 hướngngưng tụ vớihơi nước. Các thành phần phimethan 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 củaHertfordshire (Anh) vàLyon (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 ởLos Angeles đốt cháy 8 triệu feet khối (230.000 m³) khí mỗi ngày để tạo ra điện choThành phố New York sử dụng khí để chạy thiết bị trong các nhà máy xử lý nước thải, đểsản xuất điện và tronglò 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 lýnước 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.[21]
Một lượng lớn khí tự nhiên (chủ yếu là methan) tồn tại ở dạnghydrat dướitrầm tích trên cácthềm lục địa ngoài khơi và trên đất ở các vùng bắc cực trải quabăng vĩnh cửu, chẳng hạn như ởSiberia. 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 từkhí 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 từmethan hydrat.[22]
Dodầu 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 vỏTrái 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 cónước 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 lớpthan đá có chứa lượngmethan 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 trongtầng than đá (coal-bed methane).
Bản đồ sản lượng khí thiên nhiên theo quốc gia (các quốc giamàu nâu và tiếp theo làmàu đỏ là những quốc gia có sản lượng lớn nhất)
Khí thiên nhiên đã được phát hiện trên khắp cácchâu lục, ngoại trừchâu 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 ởNga. Trữ lượng lớn thứ nhì thế giới, 50 tỷ tỷ m³, nằm ởTrung Đông. Các mỏ có trữ lượng khác nằm ở các nơi khác ởchâu Á,châu Phi vàÚc.
Trữ lượng khí thiên nhiên ởHoa Kỳ tổng cộng 5 tỷ tỷ m³. Theo xếp hạng trữ lượng khí thiên nhiên theo từngbang từ cao xuống thấp, các mỏ khí thiên nhiên lớn đã được phát hiện ở:Texas,Vịnh México ngoài khơiLouisiana, ởOklahoma, ởNew Mexico, ởWyoming và ởVịnh Prudhoe củaBắc Slope ở bangAlaska. ỞCanada, tổng trữ lượng khí tự nhiên là 1,7 tỷ tỷ m³. Phần lớn trữ lượng khí tự nhiên ở Canada nằm ởAlberta.
Khí thiên nhiên là một loại khí khôngmàu sắc và được phân loại tùy theo thành phần của nó. Khí khô có chứa tỷ lệmethan cao còn khí ướt có chứa đáng kể khối lượng hydrocarbon có phân tử lượng cao hơn thuộc nhómankan, bao gồmetan,prôpan, vàbutan. 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 độhydro 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 chấtlưu 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 nhưô nhiễm không khí vàmưa axit. Mưa axit được tạo thành khi các hợp chất lưu huỳnh trong khí thiên nhiên và các loạinhiên liệu hóa thạch khác như than đá bị đốt và phản ứng với hơi ẩm trong không khí để tạo nênaxit sulfuric (H2SO4). Hỗn hợp hơi ẩmaxit này rơi xuống đất khi trời mưa gây hư hại cho mùa màng vàrừng,hồ,suối,sông.
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" cáchydrocarbon.
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.
Khi khí thiên nhiên được khai thác khỏi mặt đất, nó được vận chuyển bằngđường 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 làHydro sulfidecacbon dioxide. Hai quá trình sử dụng cho mục đích này làhấp thụ vàhút 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 vớichất 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 lànước, các dung dịch amin nước (aqueous amine) vàcacbonat 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 làcacbon (than), là chất có diện tích bề mặt trên đơn vị trọng lượng rộng. Ví dụ, các hợp chấtlưu huỳnh trong phí tự nhiên được bề mặt hấp thụ của cacbon giữ lấy. Các hợp chất lưu huỳnh được kết hợp vớihydro vàôxi để tạo thànhaxít 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 nhưêtan,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.
Sau khi được chế biến, khí thiên nhiên được vận chuyển bằng cácđường ống dẫn khí đến các hộ tiêu thụ là các khu dân cư hay cáckhu công nghiệp. Khi khí di chuyển trong lòng ống, sựma 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 °C (-256 °F). Khí thiên nhiên chiếmthể 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.
Khí thiên nhiên chủ yếu bao gồmmethan. Sau khi thải ra bầu khí quyển, nó được loại bỏ bằng cáchoxy hóa dần thànhcacbon dioxide và nước bằng các gốchydroxyl (OH−)) được hình thành ở tầng đối lưu hoặc tầng bình lưu, cho phản ứng hóa học tổng thể:
Trong khi tuổi thọ củamethan trongkhí quyển tương đối ngắn khi so sánh vớicarbon dioxide, vớichu kỳ bán rã khoảng 7 năm, nó có hiệu quả hơn trong việc giữ nhiệt trongkhí quyển. Khí tự nhiên là mộtkhí nhà kính mạnh hơncarbon dioxide do tiềm năng nóng lên toàn cầu củamethan lớn hơn. Ước tính năm 2009 của EPA đặtkhí thảimethan toàn cầu ở mức 85 km khối (3,0 nghìn tỷ feet khối) mỗi năm[25] hoặc 3% sản lượng toàn cầu, 3,0 nghìn tỷmét khối hoặc 105 nghìn tỷ feet khối (năm 2009).[26] Phát thải khímethan 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 làrò rỉ vàokhí quyển, đặc biệt là trong quá trình khai thác. Một nghiên cứu củaĐại 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 khímethan 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 thảimethan cao hơn ước tính bởi cácgiếng khí ở một số khu vực.
Khí tự nhiên thường được mô tả lànhiên liệu hóa thạch sạch nhất. Nó tạo ra 25% –30% và ít hơn 40% –45%carbon dioxide trên mỗijoule được phân phối so vớidầu vàthan tương ứng và có khả năng gây ô nhiễm ít hơn các nhiên liệuhydrocarbon khác.[27][28] Tuy nhiên, về mặt tuyệt đối, nó bao gồm một tỷ lệ phần trăm đáng kể lượng khí thảicarbon của con người thải ra, và sự phát thải này được dự báo sẽ tăng lên.
Theo Báo cáo đánh giá lần thứ tư củaIPCC, năm 2004, khí tự nhiên tạo ra khoảng 5,3 tỷ tấnCO2 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.
Khai thác khí tự nhiên cũng tạo ra các đồng vị phóng xạ củapoloni (Po-210),chì (Pb-210) vàradon (Rn-220).Radon là một loại khí có hoạt động ban đầu từ 5 đến 200.000becquerels trên một mét khối khí. Nó phân hủy nhanh chóng thànhPb-210 có thể tích tụ thành màng mỏng trong thiết bị khai thác khí.
Một số mỏ khí tạo ra khí chua có chứahydrogen sulfide (H2S). Khí không được xử lý này độc hại. Nhằm xử lý khíAmine, một quy trình quy mô công nghiệp loại bỏ các thành phần khíaxit, thường được sử dụng để loại bỏhydrogen 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, …
Việc giải phóng khí tự nhiên từ các thành tạođá xốp dướimặt 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 vỡthủy lực cuối cùng sẽ chiếm gần 70% phát triển khí thiên nhiên ởBắc 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 củakhoan 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 lẫnnước với nhiều loại hóa chất khác nhau thông qua vỏ giếng vào trongđá. Nước vớiáp lực cao bị phá vỡ hoặc "nứt" do đá sẽ tạo ra khí từ sự hình thànhđá.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 vàochất lỏng để thực hiện các chức năng như giảmma sát và ức chếăn 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 lượngmuối 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. TạiHoa Kỳ, lượng nước trung bình được sử dụng cho mỗi đứt gãy thủy lực đã được báo cáo là gần 7.375gallon đối vớigiếng dầu và khí đốt thẳng đứng trước năm 1953, gần 197.000gallon cho giếng dầu và khí đốt thẳng đứng từ năm 2000-2010 và gần 3 triệugallon 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 củađá phiến, lúc đó mũi khoan quay theo đá theo chiều ngang hàng trăm hoặc hàng ngànfeet. 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.
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.
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.
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 khí tự nhiên được đo bằng mét khối bình thường (mét khối khí ở nhiệt độ "bình thường" 0 °C (32 °F) và áp suất 101.325 kPa (14.6959 psi)) hoặc feet khối tiêu chuẩn (foot khối khí ở nhiệt độ "chuẩn": 60.0 °F (15.6 °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 kg / m3 (0,05 lb / cu ft), một giá trị gần đúng).
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.
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 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 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.
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 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.
^"Natural Gas – Proved Reserves".The World Factbook. Central Intelligence Agency.Bản gốc lưu trữ ngày 7 tháng 3 năm 2017. Truy cập ngày 1 tháng 12 năm 2013.
^US Energy Information Administration, International statistics, accessed 1 Dec. 2013.
