天然气的物理性质

Question

如题所述

Answer 1

天然气是多种烃类和非烃的气态混合物。在常温常压下以气态存在的烃类有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷及新戊烷;非烃类有氢、氮、二氧化碳、硫化氢和惰性气体。在地下高温高压下，C₅—C₇烷烃和部分环烷烃、芳烃及有机硫化物也可以呈气态存在。

天然气的物理性质是多方面的，在此主要阐述与天然气地质学相关的物理性质。

(一)密度与相对密度

天然气的密度定义为单位体积气体的质量。天然气的密度随重烃含量尤其是高碳数的重烃气含量增加而增大，亦随CO₂和H₂S的含量增加而增大。

天然气的相对密度是指在标准状况下，单位体积天然气与同体积空气质量之比。天然气的相对密度一般与相对分子量成正比。亦随重烃、CO₂、H₂S等高分子量气体含量增加而增大。

在标准状况下，天然气中常见组分的密度和相对密度如表1－7所示。

表1－7 天然气中常见组分的密度和相对密度(101325Pa，15.55℃)

天然气在地下的密度随温度的增加而减小，随压力的增加而加大。但鉴于天然气的压缩性极强，在气藏中，天然气的体积可缩小到地表体积的1/200～1/300，压力效应远大于温度效应。因此，地下天然气的密度远大于地表温压下的密度，一般可达(150～250)kg/m³;凝析气的密度最大可达(225～450)kg/m³。

(二)临界温度和临界压力

在自然(地面或地下)条件下，气体是否以气态存在取决于温度和压力。这就涉及临界温度和临界压力的概念。纯物质的临界温度系指气相物质(通过加压)能维持液相的最高温度。高于临界温度时，无论加多大压力，都不能使气态物质变为液态。在临界温度时，气态物质液化所需要的最低压力称为临界压力。高于临界压力时，无论温度高低，气、液两相不可能共存。这种临界状态只适用于纯物质，而不适于多组分系统。

天然气常见组分的临界温度和临界压力如表1－8所示。对于各烃类组分来说，甲烷的临界温度为－82.57℃，乙烷为32.37℃。因此，它们在地下除溶于石油和水或形成气水合物之外，均以气相存在。丙烷临界温度为96.67℃，在低于该温度时，在适当的压力下即可液化。因此丙烷及碳数更高的烷烃在地下大多以液相存在，仅有少量与甲烷、乙烷呈气态存在或溶于石油或溶于水(数量更少)。

表1－8 天然气中常见组分的临界温度和临界压力

图1－6 丙烷pVt关系曲线图

现以丙烷为例说明温度、压力与物质相态的关系。如图 1 －6 所示，当温度低于临界温度时，如71. 1℃和87. 8℃，由 pVt关系曲线上可以看出: 气态丙烷的体积先是随压力增加而缩小; 在达到 A、A'点后压力不变而体积继续缩小，直到 B、B'为止; 过 B、B'后即使压力增加极大，体积变化甚微。A_i( A、A'……) 点为开始液化点，B_i( B、B'……) 点为完全液化点，A_i—B_i为气、液两相共存区间，两相平衡。在两相平衡区间 ( A_i—B_i)等压缩小体积的压力为饱和蒸气压力，简称蒸气压力。据此可将蒸气压力定义为在一定温度条件下气体可能存在的最大压力。在一定温度下，处于蒸气压力时气、液两相共存。蒸气压力的大小取决于温度，随着物系温度升高，等压缩小体积的A_i—B_i区间段逐渐缩短，直到成为一点，即K点。K为临界点，其温度和压力即为临界温度和临界压力。

烃类混合物的相图以甲烷－乙烷双组分混合物的相图为例加以说明。如图1－7所示，混合物的临界压力大大高于参与混合各组分的临界压力，而混合物的临界温度则处于混合组分的临界温度之间且更趋近于参与混合各组分中最高临界温度。可推知，多组分气体混合物的蒸气压力也将大大高于相同温度下单一组分的蒸气压力。

图1－7 甲烷－乙烷混合物的相图

图1－8 多组分烃类物质的相图

多组分混合烃气物系相图与双组分相图类似，如图 1 －8 所示。图中 K₁点为临界凝析点，K₁点的温度称为临界凝析温度，高于该温度在物系内就不可能形成液态; 线 5为露点线，代表液体开始析出，温度继续降低即形成气、液两相共存;线 4 为泡点线，代表气已达到饱和，开始起泡，有少量气体分子逸出液体，如果继续降压，就可以形成游离气态，形成气、液两相共存; K点为临界点，K 点是露点线和泡点线的交汇点，为气、液两相的内涵变为相同的点，K 点的压力称为临界凝析压力，高于该压力物系内便不可能形成纯游离气相。K点左边(低于K点温度)高于该点压力(实际上是高于泡点压力即泡点线4之上)的1区只存在不饱和的溶解气;K点右边(低于临界凝析温度K₁区间)在高于该点压力(实际上为露点线之上)的2区为凝析气。所以说，高于K点压力(临界凝析压力)物系内便不可能形成纯游离气相。故泡点曲线4上方的1区为纯液相(代表含有欠饱和溶解气的油藏区);露点曲线下段K₁点右侧的3区为纯气相(代表纯气藏区);露点曲线上段(K—K₁)之上方的2区为凝析油气藏区;泡点曲线4和露点曲线5所包围区内气、液两相共存(代表有游离气顶的油气藏分布区)。

在地下地层中，当气层温度处于K与K₁之间，如图中温度在82.5℃时，低压下物系以气态为主，气、液两相平衡，随压力上升液相逐渐增多，符合正常凝结的概念(增压凝结);当压力增加达到B₂后，压力继续增加液相(油相)反而减少，待达到B₁点则完全气化(更确切地说是气、液两相界线完全消失，成为非气非油的凝析油气流体)。这与正常蒸发概念完全相反(增压蒸发)，称之为逆蒸发现象。反之，从B₁到B₂点的过程，与正常凝结现象呈反向(减压凝结)，称之为逆凝结。凝析(油)气藏的形成就是逆蒸发之相态转变所致。而气藏开采时凝析物(油)是由逆凝结而析出。

从上面的叙述可以得出如下概念:等温压缩过程的蒸发现象叫做逆蒸发，也可称之为反溶解。在一定条件下轻液态烃表现出在烃气介质中被蒸发(溶解)的特性，从而在自然界形成一种含溶解状态液体的气体，这种气体叫做凝析气，这种气体的地下聚集就是凝析气藏。气体混合物等温膨胀时形成凝析液的现象叫做逆凝结。在地层条件下包含在气藏中的气量与凝析油量之比(m³/m³或m³/t)通常叫凝析油气比。天然气藏的凝析油气比变化一般在(4000～30000)m³/t之间。

(三)溶解性

天然气能不同程度地溶解于水和油两类溶剂中，具体数量取决于天然气和溶剂的成分以及气体的压力、温度。不同成分的气体其溶解系数有相当大的差别，在常温常压下天然气常见组分在水中的溶解系数如表1－9所示。根据相似相溶原理，烃气在石油中的溶解度要比水中大许多倍。在标准状况下甲烷在石油中的溶解系数为0.3，是在水中溶解系数的近10倍。溶解性随压力增高溶解度增大，随温度升高反而降低。另外，当石油中溶有天然气时，即可降低石油本身的相对密度、黏度以及表面张力。

表1－9 天然气常见组分在水中的溶解系数(20℃，101325Pa)

(四)黏度

黏度是指流体分子间相对运动所产生的内摩擦力的大小。天然气的黏度就是天然气分子间内部摩擦力的一种量度。天然气黏度是研究天然气运移、开发和集输的一个重要参数。天然气的黏度很小，在地表常温常压下，只有(n×10^－2～10^－3)mPa·s。远比水(1mPa·s)和油(1～n×10mPa·s)的黏度低。天然气黏度与气体组成、温度、压力等因素有关。在接近大气压的低压条件下，压力对黏度的影响很小(可忽略)，黏度随温度增加而变大，随分子量增大而减小;而在较高压力下，天然气的黏度随压力增加而增大，随温度升高而减小，随分子量增加而增大。此外，天然气黏度还随非烃气体增加而增加。

(五)吸着作用

气体与固体表面接触所发生的关系，可以有吸收作用，也可以只有吸附作用，或兼而有之。吸附作用与吸收作用是有区别的，气体与固体表面接触并渗入固体物质内部(直至饱和)的现象叫做吸收作用;而气体被固体吸收的初步过程是气体分子被固体表面分子所吸引，这一现象叫做吸附作用。由于常常不能确定是吸附作用还是吸收作用，故把气体(或液体)在固体表面发生的作用笼统称为吸着作用。

(六)扩散

气体扩散是自然界常见的一种物理化学现象。按引起扩散的主导因素可分为浓度扩散和温度扩散。按扩散介质可分为气体在气体中扩散(自由扩散)、气体在液体中扩散和气体在固体(岩石)中扩散。

浓度扩散是由物质的浓度差而引起，气体由高浓度处向低浓度方向流动，分子的相互运动趋向于拉平相互接触的容器内物质的浓度。随着温度升高，分子的热运动加速，扩散加快。

温度扩散(热扩散)是由于存在温度差而产生，热扩散使轻分子或小分子气体趋向于在高温区集中，而重分子或大分子气体在低温区聚集。

天然气的扩散不可小视，扩散可使气田中的气大量散失。在漫长的地质历史中，扩散甚至可使整个气藏消失。

(七)热值

热能是天然气主要经济价值所在。天然气的热值与组成天然气的成分有关，含烃气比例越高，热值越高;含非烃气，特别是含CO₂、N₂等气体比例越高，热值越低。天然气中主要烃气成分的热值如表1－10所列。

从表1－10可见，就烃气而言，以体积论，含重烃比例越高，特别是含较高碳数烃气越多，热值越高;以重量论，相同重量的天然气则是含甲烷比例越高，热值越高。

表1－10 天然气中主要烃类气体的热值

*原统计以 Btu/ft³计，经换算成 SI 单位。 ( 据 《美国天然气工程手册》，1959)

( 八) 甲烷气水合物

在自然界的低温高压条件下，天然气 ( 氦、氖、氢除外) 能够与水结合形成结晶水合物(固体气)，这是天然气的重要性质，这一性质具有实际意义。

固体气为密度在(0.88～0.90)g/cm³的固体结晶物质，像雪或冰，通式为M·H₂O，式中M为形成水合物的气体分子。1m³气体水合物中含0.9m³的水和70～240m³的气，含气量的多少取决于气体的组分。尽管甲烷、乙烷、丙烷、CO₂等气体均可形成气水合物，但固体气中的天然气还是以甲烷占优势，即常见为甲烷水合物。

甲烷水合物是在冰点附近的特殊温度和压力条件下形成的(图1－9)。其开始出现的条件是:温度低于0℃，压力小于2.5MPa;温度0～20℃，压力为2.5～25MPa。温度达21～27℃时，甲烷水合物将被分解。因此，气水合物主要存在于冻土、极地和深海沉积物分布区。

图1－9 海水与甲烷形成气水合物的相图(据Katz，1959)

在一定温度、压力条件下，气和水相互作用形成气水合物。除甲烷、氮和惰性气体以外的所有其他气体，都具有高于某一温度就不形成气水合物的临界温度。形成气水合物的条件是必须低温高压，在地层条件下，只有在深潜的“永久”冻土带(厚层冰岩带)发育区(一般在极地)，低温高压才能得以兼备。在现代沉积物中，前苏联科学家发现，海洋底下是天然气水合物形成的最佳场所，海洋总面积的90%具有形成气水合物的温压条件。