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关于天然气最基本的小知识

2020-03-16

什么是天然气



天然气是天然形成的一种可以燃烧的气体。天然气的主要成分是甲烷(化学方程式CH4)。

天然气主要蕴藏在地下多孔隙岩层中,包括油田气、气田气、煤层气、泥火山气和生物生成气等,也有少量出于煤层。它是优质燃料和化工原料。

天然气主要用途是作燃料,可制造炭黑、化学药品和液化石油气,由天然气生产的丙烷、丁烷是现代工业的重要原料。天然气主要由气态低分子烃和非烃气体混合组成。主要由甲烷(85%)和少量乙烷(9%)、丙烷(3%)、氮(2%)和丁烷(1%)组成。主要用作燃料,也用于制造乙醛、乙炔、氨、碳黑、乙醇、甲醛、烃类燃料、氢化油、甲醇、硝酸、合成气和氯乙烯等化学物的原料。天然气被压缩成液体进行贮存和运输。煤矿工人、硝酸制造者、发电厂工人、有机化学合成工、燃气使用者、石油精炼工等有机会接触本品。主要经呼吸道进入人体。属单纯窒息性气体。浓度高时因置换空气而引起缺氧,导致呼吸短促,知觉丧失;严重者可因血氧过低窒息死亡。高压天然气可致冻伤。不完全燃烧可产生一氧化碳。

天然气是较为安全的燃气之一,它不含一氧化碳,也比空气轻,一旦泄漏,立即会向上扩散,不易积聚形成爆炸性气体,安全性较其他燃体而言相对较高。

采用天然气作为能源,可减少煤和石油的用量,因而大大改善环境污染问题;天然气作为一种清洁能源,能减少二氧化硫和粉尘排放量近100%,减少二氧化碳排放量60%和氮氧化合物排放量50%,并有助于减少酸雨形成,舒缓地球温室效应,从根本上改善环境质量。

天然气作为汽车燃料,具有单位热值高、排气污染小、供应可靠、价格低等优点,已成为世界车用清洁燃料的发展方向,而天然气汽车则已成为发展最快、使用量最多的新能源汽车。

但是,对于温室效应,天然气跟煤炭、石油一样会产生二氧化碳。因此,不能把天然气当做新能源。其优点有:绿色环保

天然气是一种洁净环保的优质能源,几乎不含硫、粉尘和其他有害物质,燃烧时产生二氧化碳少于其他化石燃料,造成温室效应较低,因而能从根本上改善环境质量。


理化性质



天然气是存在于地下岩石储集层中以烃为主体的混合气体的统称,比重约0.65,比空气轻,具有无色、无味、无毒之特性。

天然气主要成分烷烃,其中甲烷占绝大多数,另有少量的乙烷、丙烷和丁烷,此外一般有硫化氢、二氧化碳、氮和水气和少量一氧化碳及微量的稀有气体,如氦和氩等。天然气在送到最终用户之前,为助于泄漏检测,还要用硫醇、四氢噻吩等来给天然气添加气味。

天然气不溶于水,密度为0.7174kg/Nm3,相对密度(水)为0.45(液化)燃点(℃)为650,爆炸极限(V%)为5-15。在标准状况下,甲烷至丁烷以气体状态存在,戊烷以上为液体。甲烷是最短和最轻的烃分子。

有机硫化物和硫化氢(H₂S)是常见的杂质,在大多数利用天然气的情况下都必须预先除去。含硫杂质多的天然气用英文的专业术语形容为"sour(酸的)"。

天然气每立方燃烧热值为8000大卡至8500大卡。每公斤液化气燃烧热值为11000大卡。气态液化气的比重为0.55。每立方液化气燃烧热值为25200大卡。每瓶液化气重14.5公斤,总计燃烧热值159500大卡,相当于20立方天然气的燃烧热值

甲烷燃烧方程式

完全燃烧:CH4+2O2===CO2+2H2O(反应条件为点燃)

甲烷+氧气→二氧化碳+水蒸气

不完全燃烧:2CH4+3O2=2CO+4H2O

甲烷+氧气→一 氧化碳+水蒸气


组成分类



1.天然气按在地下存在的相态可分为游离态、溶解态、吸附态和固态水合物。只有游离态的天然气经聚集形成天然气藏,才可开发利用。

2.天然气按照存生成形式又可分为伴生气和非伴生气两种。

伴生气:伴随原油共生,与原油同时被采出的油田气。其中伴生气通常是原油的挥发性部分,以气的形式存在于含油层之上,凡有原油的地层中都有,只是油、气量比例不同。即使在同一油田中的石油和天然气来源也不一定相同。他们由不同的途径和经不同的过程汇集于相同的岩石储集层中。

非伴生气:包括纯气田天然气和凝析气田天然气两种,在地层中都以气态存在。凝析气田天然气从地层流出井口后,随着压力的下降和温度的升高,分离为气液两相,气相是凝析气田天然气,液相是凝析液,叫凝析油。若为非伴生气,则与液态集聚无关,可能产生于植物物质。世界天然气产量中,主要是气田气和油田气。对煤层气的开采,现已日益受到重视。

3.依天然气蕴藏状态,又分为构造性天然气、水溶性天然气、煤矿天然气等三种。而构造性天然气又可分为伴随原油出产的湿性天然气、不含液体成份的干性天然气。

4.天然气按成因可分为生物成因气、油型气和煤型气。无机成因气尤其是非烃气受到高度重视。

5.按天然气在地下的产状又可以分为油田气、气田气、凝析气、水溶气、煤层气、及固态气体水合物等。


形成原因


生物成因

成岩作用(阶段)早期,在浅层生物化学作用带内,沉积有机质经微生物的群体发酵和合成作用形成的天然气称为生物成因气。其中有时混有早期低温降解形成的气体。生物成因气出现在埋藏浅、时代新和演化程度低的岩层中,以含甲烷气为主。生物成因气形成的前提条件是更加丰富的有机质和强还原环境。

最有利于生气的有机母质是草本腐植型—腐泥腐植型,这些有机质多分布于陆源物质供应丰富的三角洲和沼泽湖滨带,通常含陆源有机质的砂泥岩系列最有利。硫酸岩层中难以形成大量生物成因气的原因,是因为硫酸对产甲烷菌有明显的抵制作用,H2优先还原硫酸根为硫离子形成金属硫化物或硫化氢等,因此二氧化碳不能被氢气还为甲烷。

甲烷菌的生长需要合适的地化环境,首先是足够强的还原条件,一般Eh<-300mV为宜(即地层水中的氧和SO42-依次全部被还原以后,才会大量繁殖);其次对pH值要求以靠近中性为宜,一般6.0~8.0,最佳值7.2~7.6;再者,甲烷菌生长温度O~75℃,最佳值37~42℃。没有这些外部条件,甲烷菌就不能大量繁殖,也就不能形成大量甲烷气。

有机成因

油型气

沉积有机质特别是腐泥型有机质在热降解成油过程中,与石油一起形成的天然气,或者是在后成作用阶段由有机质和早期形成的液态石油热裂解形成的天然气称为油型气,包括湿气(石油伴生气)、凝析气和裂解气。

与石油经有机质热解逐步形成一样,天然气的形成也具明显的垂直分带性。在剖面最上部(成岩阶段)是生物成因气,在深成阶段后期是低分子量气态烃(C2~C4)即湿气,以及由于高温高压使轻质液态烃逆蒸发形成的凝析气。在剖面下部,由于温度上升,生成的石油裂解为小分子的轻烃直至甲烷,有机质亦进一步生成气体,以甲烷为主石油裂解气是生气序列的最后产物,通常将这一阶段称为干气带。由石油伴生气→凝析气→干气,甲烷含量逐渐增多,故干燥系数升高。

煤型气

煤系有机质(包括煤层和煤系地层中的分散有机质)热演化生成的天然气称为煤型气。煤田开采中,经常出现大量瓦斯涌出的现象,如重庆合川区一口井的瓦斯突出,排出瓦斯量竟高达140万立方米,这说明,煤系地层确实能生成天然气。煤型气是一种多成分的混合气体,其中烃类气体以甲烷为主,重烃气含量少,一般为干气,但也可能有湿气,甚至凝析气。有时可含较多Hg蒸气和N2等。煤型气也可形成特大气田,1960S以来在西西伯利亚北部K2、荷兰东部盆地和北海盆地南部P等地层发现了特大的煤型气田,这三个气区探明储量22万亿立方米,占世界探明天然气总储量的1/3弱。据统计(M.T哈尔布蒂,1970),在世界已发现的26个大气田中,有16个属煤型气田,数量占60%,储量占72.2%,由此可见,煤型气在世界可燃天然气资源构成中占有重要地位。成煤作用与煤型气的形成:成煤作用可分为泥炭化和煤化作用两个阶段。前一阶段,堆积在沼泽、湖泊或浅海环境下的植物遗体和碎片,经生化作用形成煤的前身——泥炭;随着盆地沉降,埋藏加深和温度压力增高,由泥炭化阶段进入煤化作用阶段,在煤化作用中泥炭经过微生物酶解、压实、脱水等作用变为褐煤;当埋藏逐步加深,已形成的褐煤在温度、压力和时间等因素作用下,按长焰煤→气煤→肥煤→焦煤→瘦煤→贫煤→无烟煤的序列转化。

实测表明,煤的挥发分随煤化作用增强明显降低,由褐煤→烟煤→无烟煤,挥发分大约由50%降到5%。这些挥发分主要以CH4、CO2、H2O、N2、NH3等气态产物的形式逸出,是形成煤型气的基础,煤化作用中析出的主要挥发性产物。

1.煤化作用中挥发性产物总量端口;

2.CO2 3.H2O 4. CH4 5.NH3 6.H2S

从形成煤型气的角度出发,应该注意在煤化作用过程中成煤物质的四次较为明显变化(煤岩学上称之为煤化跃变):

第一次跃变发生于长焰煤开始阶段,碳含量Cr=75-80%,挥发分Vr=43%,Ro=0.6%;

第二次跃变发生于肥煤阶段,Cr=87%,Vr=29%,Ro=1.3%;

第三次跃变发生烟煤→无烟煤阶段,Cr=91%,Vr=8%,Ro=2.5%;

第四次跃变发生于无烟煤→变质无烟煤阶段,Cr=93.5%,Vr=4%,Ro=3.7%,芳香族稠环缩合程度大大提高。

在这四次跃变中,导致煤质变化最为明显的是第一、二次跃变。煤化跃变不仅表现为煤的质变,而且每次跃变都相应地为一次成气(甲烷)高峰。

煤型气的形成及产率不仅与煤阶有关,而且还与煤的煤岩组成有关,腐殖煤在显微镜下可分为镜质组、类脂组和惰性组三种显微组分,中国大多数煤田的腐殖煤中,各组分的含量以镜质组最高,约占50~80%,惰性组占10~20%(高者达30~50%),类脂组含量最低,一般不超过5%。

在成煤作用中,各显微组分对成气的贡献是不同的。长庆油田与中国科院地化所(1984)在成功地分离提纯煤的有机显微组分基础上,开展了低阶煤有机显微组分热演化模拟实验,并探讨了不同显微组分的成烃贡和成烃机理。发现三种显微组分的最终成烃效率比约为类脂组:镜质组:惰性组=3:1:0.71,产气能力比约为3.3:1:0.8,说明惰性组也具一定生气能力。

无机成因

地球上的所有元素都无一例外地经历了类似太阳上的核聚变的过程,当碳元素由一些较轻的元素核聚变形成后的一定时期里,它与原始大气里的氢元素反应生成甲烷。

地球深部岩浆活动、变质岩和宇宙空间分布的可燃气体,以及岩石无机盐类分解产生的气体,都属于无机成因气或非生物成因气。它属于干气,以甲烷为主,有时含CO2、N2、He及H2S、Hg蒸汽等,甚至以它们的某一种为主,形成具有工业意义的非烃气藏。

稀有气体He、Ar等,由于其特殊的地球化学行为,科学家们常把它们作为地球化学过程的示踪剂。He、Ar的同位素比值3He/4He、40Ar/36Ar是查明天然气成因的极重要手段,因沿大气→壳源→壳、幔源混合→幔源,二者不断增大,前者由1.39×10-6→>10-5,后者则由295.6→>2000。此外,根据围岩与气藏中Ar同位素放射性成因,还可计算出气体的形成年龄(朱铭,1990)。

甲烷

无机合成:CO2+H2→CH4+H2O 条件:高温(250℃)、铁族元素

地球原始大气中甲烷:吸收于地幔,沿深断裂、火山活动等排出

板块俯冲带甲烷:大洋板块俯冲高温高压下脱水,分解产生的H、C、CO/CO2→CH4

CO2

天然气中高含CO2与高含烃类气一样,同样具有重要的经济意义,对于CO2气藏来说,有经济价值者是CO2含量>80%(体积浓度)的天然气,可广泛用于工业、农业、气象、医疗、饮食业和环保等领域。中国广东省三水盆地沙头圩水深9井天然气中CO2含量高达99.55%,日产气量500万方,成为有很高经济价值的气藏。

世界上已发现的CO2气田藏主要分布在中—新生代火山区、断裂活动区、油气富集区和煤田区。从成因上看,共有以下几种:

无机成因

① 上地幔岩浆中富含CO2气体当岩浆沿地壳薄弱带上升、压力减小,其中CO2逸出。

②碳酸盐岩受高温烘烤或深成变质可成大量CO2,当有地下水参与或含有Al、Mg、Fe杂质,98~200℃也能生成相当量CO2,这种成因CO2特征:CO2含量>35%,δ13CCO2>-8‰。

③碳酸盐矿物与其它矿物相互作用也可生成CO2,如白云石与高岭石作用即可。

另外,有机成因有:生化作用、热化学作用、油田遭氧化煤氧化作用。

N2

N2是大气中的主要成分,据研究,分子氮的最大浓度和逸度出现在古地台边缘的含氮地层中,特别是蒸发盐岩层分布区的边界内。氮是由水层迁移到气藏中的,由硝酸盐还原而来,其先体是NH4+。

N2含量大于15%者为富氮气藏,天然气中N2的成因类型主要有:

① 有机质分解产生的N2:100-130℃达高峰,生成的N2量占总生气量的2.0%,含量较低;(有机)

② 地壳岩石热解脱气:如辉绿岩热解析出气量,N2可高达52%,此类N2可富集;

③ 地下卤水(硝酸盐)脱氮作用:硝酸盐经生化作用生成N2O+N2;

④ 地幔源的N2:如铁陨石含氮数十~数百个ppm;

⑤ 大气源的N2:大气中N2随地下水循环向深处运移,混入最多的主要是温泉气。

从同位素特征看,一般来说最重的氮集中在硝酸盐岩中,较重的氮集中在芳香烃化合物中,而较轻的氮则集中在铵盐和氨基酸中。

H2S

全球已发现气藏中,几乎都存在有H2S气体,H2S含量>1%的气藏为富H2S的气藏,具有商业意义者须>5%。

据研究(Zhabrew等,1988),具有商业意义的H2S富集区主要是大型的含油气沉积盆地,在这些盆地的沉积剖面中均含有厚的碳酸盐一蒸发盐岩系。

自然界中的H2S生成主要有以下两类:

① 生物成因(有机):包括生物降解和生物化学作用;1

② 热化学成因(无机):有热降解、热化学还原、高温合成等。根据热力学计算,自然环境中石膏(CaSO4)被烃类还原成H2S的需求温度高达150℃,因此自然界发现的高含H2S气藏均产于深部的碳酸盐—蒸发盐层系中,并且碳酸盐岩储集性好。