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-1-第一章天然气的形成据国际能源会议预测，21世纪世界能源将进入天然气时代，21世纪初期天然气将逐渐替代石油。前者占能源百分比将超过50%。随着人们环保意识的加强，天然气这种绿色能源又是重要的化工原料日益受到重视。各国政府和能源工业界都把天然气工业放在重要的位置上，研究本国发展天然气工业的潜力和途径，制定天然气工业的中长期发展战略，增加对天然气工业的投资比例。世界上丰富的天然气资源为天然气工业发展奠定了坚实的物质基础。据专家预测，世界上常规天然气资源达400×1012～600×1012m3。此外，还有大量的非常规天然气资源。目前，天然气资源探明程度很低，天然气完全可以满足人类对能源的需求。据美国《油气杂志》1998年年终号报导，全世界估算剩余探明天然气储量145.6×1012m3。其中亚太地区为10.2×1012m3，西欧为4.5×1012m3，东欧与独联体为56.7×1012m3,中东为49.5×1012m3，非洲为10.2×1012m3，西半球总计14.5×1012m3，居前10位的国家依次为俄罗斯、伊朗、卡塔尔、沙特阿拉伯、阿布扎尔、美国、委内瑞拉、阿尔及利亚、尼日利亚、伊拉克。1998年我国天然气剩余探明储量为1.3669×1012m2,位居第20位。第一节概述一、地层条件下的天然气从广义上讲，在常温常压下以气态存在的任何天然物质都叫天然气，这些天然物质在地壳中是很有限的。主要是由5个碳原子以下的烃类，二氧化碳、氮气、硫化氢、氢气、氦气和氩气。这些天然气体大多数通常以超临界状态存在。它们可溶解在水里或者原油内。原油主要由5个或5个碳原子以上的烃类组成。这些高分子烃类在常温常压下呈液态。当埋藏深度增加时，温度平均以30℃/km的幅度上升（视局部热流量和地层剖面的热传导率而定，变化范围为20~80℃/km）。深度达到5km后，温度高于地壳中除丁烷以外的所有富有天然气的临界温度。在正常条件下，许多地下天然气在水中的溶解度相当高，其溶解度随压力-2-急剧上升，在温度达到60℃时它又下降，在地质条件下这些作用相互平衡后溶解度随深度增加仍呈现出上升趋势。当达到一定深度，地层中孔隙流体的压力接近地静压力时，1mol纯水溶解甲烷10mol以上，即1m3水大约溶解15m3甲烷（标准条件下）。天然气，特别是烃类气体与原油有很高的混溶性，且随着温度和压力的升高这种混溶性增加很大。此外，在已发现和待发现的天然气藏中，甲烷只占地壳中各种气体的很小一部分（约占5%~10%）。另一部分呈溶解状态，保存在油藏和水溶气藏中大部分气体呈分散状态贮存在沉积岩和其他岩石中，最后这些气体很难从地层中经济性的开采出来，其中很大部分天然气储存在非常规气藏中，特别是水化物气藏中。二、天然气藏的天然气组分天然气的化学组分为石蜡族低分子饱和烃气体和非烃气体。烃类气体以甲烷（CH4）为主，含量一般大于70%，乙烷（C2H6）次之。含量一般小于10%，丙烷（C3H8），丁烷（C4H10）等的含量不多。常见的非烃气体是硫化氢（H2S）、二氧化碳（CO2）和氮气（N2）。有时也含有氦（He）氖（Ne）氪（Kr）氙（Xe）等隋性稀有气体。不同地层，不同层位的天然气组成变化很大气体组分的差异不但影响其本身的经济价值，对开发工程也有重要影响。（见表）-3--4--5-在大多数情况下，天然气藏是多种气体组分的混合物，但纯的近似纯的甲烷气藏，二氧化碳气藏和氮气藏也常见。除甲烷外，其他气态氢类所占比例变化很大，但从未高于60%。氢、氦、氩几乎总是比例很小，但也有例外，如独联体发现的一个气田的氢气含量达到70%，美国有一个气藏氦气的最高含量达到10%。天然气藏只有达到一定规模才具有商业开采价值，严格讲只有烃类气体占主要部分的气藏才能叫天然气藏。天然气藏由圈闭体，储渗体和流体三大要素组成，每一大要素又可分为若干种类。气藏的分类是以这些要素中的一种或几种为依据，以能反映这些要素特征的指标作为标准进行划分的，有以圈闭成因的分类，分为构造圈闭，地层圈闭和岩性圈闭。有以油气成因做分类的，也有根据气藏的流体和空隙介质进行分类的等。三、天然气组分来源（一）烃类气态烃类有三种成因类型。细菌型、热成型和无机型，然而到目前为止。人类只发现前两种有商业价值的气藏。1、细菌型这种气体是由于细菌型对沉积岩有机物残渣的作用而产生，称之为细菌气或生物气，这种所谓产生甲烷的细菌在沉积岩沉降及潜埋早期产生作用，象大家都知道的在沼泽或墓地就会形成一种可自燃的气体。产生甲烷的细菌只能在非常严格的环境条件下繁殖，在这种环境中必须是无氧的，也没有硫酸盐或硝酸盐，这些被酶作用物必须是以溶解在沉积环境水中形式存在，所需的氢由细菌生态系统中其他细菌提供。甲烷是唯一生成的烃类，其温度必须保持在60-80℃范围内，大致相当于地层深度2000-2500m。氢的产生同样也受到现有空间的限制，沉积岩必须保持有足够的孔隙度。细菌气并不是有机沉积物的必然产物，尽管如此，细菌气占已发现天然气储量的20%。2、热解气在一定条件下，在一些沉积层，由有机物质按照“热模式”形成热解气。这种有机物质与沉积岩一块形成，聚集在沉积层界面的有机碎屑由活性有机物-6-降解。在有氧环境中，这种降解过程进行很快，也接近完全，在有机碎屑中原来存在的碳几乎全部转化为二氧化碳，并释放到大气中。在缺氧环境中，这种降解进行的比较缓慢，也不充分，这种残余物以复杂的微结构形式聚集在沉积岩中，并且一直保持降解过程。在有机溶剂中不溶解的所有物质构成干酪根。在沉积盆地演化过程中，沉积物逐渐下沉温度和压力上升。虽然温度一般低于200℃。但沉积周期相当长，以致于在沉降时占沉积物有机成分大多数的干酪根完全热降解，这种热降解产生烃及非烃类化合物。在沉积初期，一般在2000m以上没有烃类生成，在这个区域内，干酪根分子失去氧化功能团，产生氧化物，干酪根的热裂解逐步开始生成液态烃（原油），大部分气态烃是由已形成的原油二次裂解形成的，这个区域叫后生作用区。此时，气油比增长较快，形成油占主要成分的油区和气体占主要成分的凝析气区或者叫湿气区。3、无机气火山喷发气体和地下热水中也含有甲烷，变质岩（岩浆岩）矿物中内含流体常常也含有轻质烃类，主要是甲烷。这些烃类是由简单化合物直接合成的，但这种气很难形成工业开发规模。（二）非烃类成分天然气生成的过程，有部分非烃类气体伴随着产生，有些非烃类物质在一定的条件下也能形成较大规模的气藏。如二氧化碳、硫化氢，这里不在讨论。第二节天然气组分与特性一、天然气的分类1、天然气按气藏分类可分为气田气、凝析气田气和油田伴生气三种。气田气：气藏中烃类以单相存在，而戊烷以上组分很少，在开采过程中没有或极少有天然气凝析油产生的天然气，称为气田气。凝析气田气：气藏中戊烷以上组分含量较多，在开采过程中有较多的天然气凝析油析出。但没有或有极少的原油同时采出来的天然气，称为凝析气田气。油田伴生气：在油藏中，烃类以液相和气相共同存在，在开采过程中伴随原油同时被采出来的天然气，称为油田伴生气或油田气。-7-2、天然气按组分来分可分为干气、湿气、贫气、富气，也可分为酸性天然气和洁净天然气等。我国天然气行业划分如下：干气：1m3（N）的天然气中，C5以上重烃液体含量低于13.5cm3。湿气：1m3（N）的天然气中，C5以上重烃液体含量高于13.5cm3。富气：1m3（N）的天然气中，C3以上烃类液体含量超过94cm3。贫气：1m3（N）的天然气中，C3以上烃类液体含量低于94cm3。酸性天然气：含有较多的硫化氢和二氧化碳等酸性气体，需要经过净化处理才能达到管输标准的天然气。就含硫量而言，一般把含硫量大于20毫克/m3（标准状态）的天然气称为酸性天然气。洁净天然气：硫化氢和二氧化碳含量甚微，不需要净化处理就可进行管输或利用的天然气。二、天然气的组分及表示方法天然气的组分是很复杂的气体混合物，各类天然气的组分有100多种，大致可分为：1、烷烃：烷烃的通式为CnH2n+2是天然气的主要成分，在常压20℃时，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷为气态，戊烷以上到C17H36为液态，C18H38为固态。2、烯烃：通式为CnH2n，在大部份天然气中仅可能以微量存在，一般有乙烯、丙烯、丁烯。3、环烷烃：通式为CnH2n的环烷烃，天然气中含量很少，典型的环烷烃有环戊烷、环已烷。4、芳香烃：芳香烃是一种不饱和的环状烃类，在天然气中可能存在的芳香烃有苯、甲苯、二甲苯和三甲苯。5、非烃类：天然气中含有的非烃类气体有氮气、二氧化碳、硫化氢、氢气、氦气、氩气、水蒸气、还有硫酸等有机化合物。三、管输天然气对有害组分含量的要求1、管输过程中要求不出现液态水，水汽含量尽可能小于0.2mg/m3。2、硫化氢和二氧化碳含量尽可能低。硫化氢含量应小于20mg/m3，最好不大于6mg/m3。二氧化碳的体积含量比应小于2%（v/v）。有机硫化物含量应小于250mg/m3。3、固体或液体杂质必须清除干净。-8-四、天然气的理化性质天然气是一个复杂的混合体，其分子质量、密度、蒸气压力、粘度和热传导率等指标不同的气田有不同的参数，这里不作详细介绍，只讲其基本概念。1、临界状态和视临界状态使天然气液化的最高温度称之为天然气的临界温度。在临界温度下，使气体液化的最低压力称之为天然气的临界压力。在临界压力和临界温度下1kg气体所占有的容积叫天然气的临界比容。临界压力、临界温度、临界比容统称为天然气的临界状态参数，临界状态参数决定的状态叫临界状态。天然气是多种气体组成的混合物，可以通过实验方法找到它的临界状态参数，也可以用它的组分的临界参数来计算它的临界参数，而计算出来的临界参数近似值，称为天然气的视临界参数。2、密度、比容。密度——是单位体积的物质重量。比容——是单位质量天然气所占有的体积。3、蒸气压力和沸点液体的表面总有一些液体的分子蒸发、变为蒸气、这些蒸气产生的压力称为液体的蒸气压力。而一定的温度下与液体相互平衡的蒸气所具有的压力则称为饱和蒸气压。饱和蒸气压与外界压力相等时的温度称为液体的沸点，也是气体的液化点。4、湿度和露点：每立方米天然气中含水蒸气的质量数称为天然气的绝对湿度。在一定的温度和压力下天然气的含水汽量达到饱和时，这个饱和水汽量的数值叫作饱和绝对湿度。天然气中的含水汽量超过此值后，就会有液态水析出。在一定压力下，饱和绝对湿度对应的温度称为水的露点，简称露点。5、爆炸极限：爆炸极限即指当可燃气体与空气混合到一定浓度时，遇到明火而引起爆炸，这种能爆炸的混合气体中所含燃气的浓度范围就是爆炸极限。用百分数表示，在混合气体中，当可燃气体的含量减少到不到形成爆炸混合物时的浓度，-9-称为爆炸下限。当可燃气体一直增加到不能形成爆炸混合物时的含量称为爆炸上限。各种可燃气体的爆炸极限（燃气体积%）气体名称爆炸极限气体名称爆炸极限下限上限下限上限氢H24.175.0乙烯C2H43.016.0一氧化碳CO12.575.0乙炔C2H22.382.0甲烷CH45.315.0硫化氢H2S4.345.5乙烷C2H63.212.5氨NH315.727.4丙烷C3H82.49.5炼焦煤气5.631.0丁烷C4H101.98.5水煤气6.272.0戊烷C5H121.48.0发生炉煤气20.773.7天然气的爆炸极限大约在4.96~15.7%左右。6、天然气各组分的参数组分分子式分子量密度Kg/Nm3总热值KT/Nm3GHV净热值KT/Nm3NHV甲烷CH416.0430.717539.93635.904乙烷C2H630.0701.33370.49864.404丙烷C3H844.0972.010101.36493.146正丁烷nC4H1058.1232.709134.415123.910异丁烷iC4H1058.1232.709153.851123.356正戊烷nC5H1272.1503.51172.189159.045正已烷nC6H1486.1774.31210.226194.445正庚烷nC7H16100.2005.39261.390242.007苯C6H678.1143.83