天然气

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天然气:天然气管道工程(阿克苏至喀什段南疆输气管道)

  天然气汉语拼音:Tianranqi;英语:Natural Gas),地壳中以烃类为主的天然气体。即在石油天然气地质中所称的狭义天然气。它是重要的矿物燃料和化工原料,成分以烃类为主,含有少量的非烃气体。非烃气体大多数与烃气伴生,但在某些气藏中可成为主要组分,形成以非烃气体为主的气藏。广义天然气是指自然界天然形成的一切气体,包括大气圈水圈岩石圈中各种自然过程形成的气体,它们常为各种气体化合物或气态元素的混合物。

成因类型

  天然气的来源多种多样,可以分为无机成因气和有机成因气。无机成因气包括幔源气、岩浆岩气、变质岩气、无机矿物分解气,以及放射作用和宇宙间所产生的气体。有机成因气依其有机质的类型划分为腐泥型和腐殖型,按热演化阶段分生物(化学)气、热解气和裂解气。另外,常把腐泥型有机质的热解气和裂解气称为油型气;把腐殖型有机质(包括煤)的热解气和裂解气称为煤型气。

  生物(化学)气是指在低温(小于75℃)还原环境下,厌氧细菌对沉积有机质进行生物化学降解所形成的富含甲烷的气体,亦称细菌气、生物成因气。油型气包括伴随生油过程生成的富含重烃的湿气(石油伴生气),以及高成熟和过成熟阶段裂解形成的凝析油伴生气和裂解干气;煤型气是指煤层有机质(包括煤层和含煤地层中的分散有机质)热演化形成的天然气,又称煤成气、煤型热解气。有人认为煤成气专指煤层在煤化过程中生成的天然气,属煤型气的一种。主要以吸附状态存在于煤层中的煤成气称煤层气,又称煤层甲烷、煤层瓦斯。

产状

  天然气在自然界以游离态、溶解态、吸附态和固态气水化合物等相态存在。依天然气分布的特点可分为气顶气(在油藏顶部聚集成气顶)、气藏气(由游离天然气聚集形成的气藏)和凝析气(在超过临界温度和压力下,液态烃逆蒸发而形成的天然气藏)、溶解气(油内溶解气,水内溶解气)、煤层气和固态气水化合物中的天然气。

  天然气水合物(又称可燃冰),为固态的结晶化合物。在这种化合物中,水的冰晶体格架扩展为包括气分子的晶体。它是在冰点附近的特殊温度和压力条件下形成的,主要分布在极地冻土和深海沉积物分布区。水溶气、天然气水合物和煤层气都可以综合利用。这些气藏属非常规气藏,具有巨大发展潜力。

化学成分

  与油田及气田有关的天然气,主要成分是气态烃,其中以甲烷(CH4)为主,含少量乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)、戊烷(C5H12)和己烷(C6H14)等,一般碳数越大,含量越少。有时还含有非烃气体,常见的有N2、CO2、H2S,还有CO、SO2、H2、Hg等,以及少量至微量的惰性气体氦、氖、氩、氪、氙、氡等。

  气藏气基本上不与石油共生,单独聚集形成天然气藏。其甲烷含量通常占95%以上,重烃气含量很少(不超过1%~4%),属于干气(贫气)。气顶气则存在于油气藏顶部的呈游离状态的天然气,其成因与分布均与石油分布关系密切,重烃气含量可达百分之几至几十,仅次于甲烷,属于湿气(富气)。

  少数以非烃气体为主的气藏,有N2、CO2、H2S气藏。如中国广东省三水盆地发现的CO2气藏,CO2含量高达99.53%;中国河北晋州赵兰庄地区的H2S气藏,H2S含量高达92%;中国鄂西、江汉等地区的N2含量高的气藏,N2含量高达80%~90%;当某些非烃类气体含量(如CO2)富集至一定程度时,就可以开发或综合利用。

  天然气中的稀有气体,如氦、氖、氩、氪、氙等,常与其他气体共存于气藏中,不能单独成气藏。只有浓度相当高,而且数量相当大时,才能作为特殊的气藏加以开采。如中国四川盆地威远气田的震旦系气藏即含有工业性氦,已开采利用。

物理性质

  天然气一般无色,有时有汽油味或硫化氢味,性活泼,易散逸,易燃。由于其化学组成变化大,物理性质变化亦大。

  1.密度。标准状况下(0℃,一个大气压)单位体积的质量,一般为0.75千克/米3,常用相对密度表示,即在相同的压力和温度下,单位体积天然气与同体积干空气密度之比,一般为0.56~0.8。天然气密度随重烃气体含量增加而变大,亦随N2气、H2S气、CO2气含量的增加而变大。密度与相对密度并不相同,如甲烷密度为0.7166千克/米3,相对密度为0.5543;乙烷相应为1.3561千克/米3和1.0488;丙烷相应为2.0193千克/米3和1.5617。

  2.黏度。天然气的黏度与其化学组成及所处环境有关。一般天然气的黏度在0℃时为0.31×10-3毫帕·秒,20℃时为12×10-3毫帕·秒。天然气的黏度,一般随相对分子质量增加而减少,随温度和压力增高而增大。

  3.蒸气压力。将气体液化时所需施加的压力,称为该气体的饱和蒸气压力。蒸气压力随温度升高而增大。在同一温度条件下,碳氢化合物的分子量越小,则其蒸气压力越大,因此甲烷比其同系物的蒸气压大得多,这也正是在天然气的组成中往往甲烷等轻质碳氢化合物含量较多的原因。

  4.逆凝结、逆蒸发的特性。天然气在地下深处,处于高温高压下,当温度超过临界温度时,不论压力有多大,都不能使天然气凝结为液态,保持气态,成为逆蒸发。反之,开采时,天然气随着温度压力降低,气态烃反而凝结为液态,称为逆凝结。凝析气田的形成就是这种特性所造成的。

  5.溶解性。天然气溶于石油和水。溶解的数量决定于天然气和溶剂的成分、气体压力,并随温度上升和含盐度升高而降低,当压力增加至气体液化点附近时,溶解气的数量增加很快。在相同条件下,在石油中的溶解度远远大于在水中的溶解度,如甲烷在石油中的溶解度比在水中的大10倍。当天然气中重烃增多,或者石油中的轻馏分较多,都可增加天然气在石油中的溶解度。另外,降低温度或增大压力,也可得到同样效果。在石油中溶有天然气时,可以降低石油的相对密度、黏度及表面张力。在地下深处(大于1,000米),每升水中溶解的烃气可达几升,如果分布面积广,这种水溶气就具有工业价值。日本已对这种水溶气进行工业开发。

  ⑥热值。天然气中烃类气体是具有高热值的优质燃料,天然气平均低位发热量为38,953千焦/米3(9,310千卡/米3)。烃分子中含氢原子数越多,热值越高。

天然气利用

  天然气是经济、清洁的能源,重要的燃料和化工原料。近代石油化学工业,如甲醇、炭黑、炸药、合成纤维、合成橡胶、塑料、农药、医药、化肥及现代尖端高科技和国防工业的重要原料。一种重要的能源,广泛用作城市工业、交通和居民日常生活中的清洁燃料。其造成的污染是石油的1/40,煤炭的1/800。