Question

天然气的物理性质

Answer 1

天然气的物理性质是多方面的，在此主要涉及与天然气地质学相关的物理性质。天然气一般无色，可有汽油味和硫化氢味，可燃烧。由于化学组成变化大，因而物理性质变化也大。

(一)密度和相对密度

天然气的密度定义为单位体积气体的质量。在标准状况(10⁵Pa，15.55℃)下，天然气中主要烃类成分的密度为0.6773g/cm³(甲烷)～3.0454g/cm³(戊烷)。天然气混合物的密度一般为0.7～0.75g/cm³，其中石油伴生气特别是油溶气的密度最高可达1.5g/cm³甚至更大些。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相同温度、压力条件下天然气密度与空气密度的比值，或者说在相同温度、压力下同体积天然气与空气质量之比。天然气烃类主要成分的相对密度为0.5539(甲烷)～2.4911(戊烷)，天然气混合物一般在0.56～1.0之间。天然气的相对密度一般与相对分子质量成正比。由于“湿气”含重烃气较多，因此，“湿气”的相对密度大于“干气”。

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至地表体积的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150～250g/cm³;凝析气的密度最大可达225～450g/cm³。

(二)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^－3mPa·s，20℃时为12×10^－3mPa·s。天然气的黏度，一般随相对分子质量增加而减小，随温度和压力增高而增大。这是由于分子间的距离不能增加，而温度升高后会使气体分子运动加速，增加分子间碰撞的次数，导致黏度加大。此外，天然气黏度还随非烃气体含量的增加而增加。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。

图2－14 丙烷的p－V－T关系曲线

(三)临界温度和压力

临界温度是指气相纯物质能维持液相的最高温度。高于临界温度时，无论压力有多大，都不能使气态物质凝为液态。在临界温度时，气态物质液化所需的最低压力称临界压力。甲烷的临界温度为－82.4℃，因此，地下甲烷除溶于石油和水中的之外，呈气态存在。

在地下较高温度(即物系的临界温度和最高凝结温度之间)的特定条件下，随压力增加液态烃可以转变为气态。这种相态的转化称之为逆蒸发，是凝析气藏形成的基本原因。为了较清楚地阐明这一问题，必须首先分析单一烃类化合物的物系压力、体积和温度的关系曲线。

在丙烷的p－V－T关系曲线图(图2－14)中，当物系在71.1℃时，p－V关系曲线表明，气态丙烷的体积随压力增加而缩小，直到B点为止;过B点后，即使压力增加到极大，体积变化甚微。随着物系温度的上升，等压缩小体积的A'—B'线段逐渐缩短，直到成为一点，即K点。A点为开始液化点，A'B'为气液两相并存，保持平衡状态，B点为完全液化点。在两相平衡时，等压缩小体积的压力为饱和蒸汽压，其大小取决于温度。K点为临界点，该点的温度和压力称为临界温度和临界压力。丙烷的临界温度为96.8℃，临界压力为43.4×10⁵Pa。当温度超过临界温度，即使压力很大，也不能使气体液化，也就不存在等压的两相平衡状态。

讨论多组分烃类物系的相平衡状态图(图2－15)，能使我们充分认识地下凝析油气藏形成过程。

图中K点为临界点，代表泡点曲线和露点曲线交汇点。K₁点为临界凝结温度点，代表气液两相并存时的最高温度。泡点曲线4(即液相开始有气体析出的点线)上方1区为纯液相(即含有欠饱和溶解气的油藏区);5曲线为露点曲线(即气相开始有液体凝洁的点线)，K₁外侧的3区为纯气相(纯气藏)区;K—K₁上方的2区为凝析油气藏区;泡点曲线4和露点曲线5包围区为气、液两相平衡区，既有气相又有液相，为有游离气顶的油气藏分布区。

在油层埋藏较浅，地层温度低于临界温度时，物系相态的变化符合正常的凝结和蒸发的概念。例如，25℃时随压力增加，物系中凝析的液体逐渐增多，当压力达到18MPa时(C₁点)，完全被液化。

当埋藏深度增大，地层温度介于临界温度和临界凝结温度之间，如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。但当压力达到15.5MPa(B₂点)后，随压力增大，液相反而减少，气相则增加到达B₁点完全气化。这与正常蒸发概念完全相反，称之为逆蒸发。反之，从B₁到B₂点的凝结，称为逆凝结，凝析气藏的形成，就是逆蒸发的相态转变的结果。

图2－15 多组分烃类物系的相图

(四)溶解性

天然气溶于石油和水。在相同条件下，天然气在石油中的溶解度远远大于在水中的溶解度，例如甲烷在石油中的溶解度比在水中大10倍。天然气中重烃增多，或者石油中的轻馏分较多时，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。

(五)热值

单位体积(或单位质量)的天然气燃烧时所发出的热量，称为热值，单位为kJ/m³或kJ/kg，也可用kcal/m³ 。天然气的热值变化很大，氢可达142256kJ/m³，而甲烷为37112kJ/m³。天然气中湿气的热值较高，可达83680kJ/m³。而煤和石油的热值分别为16736kJ/m³及41840kJ/m³。