1樓：中地數媒
天然氣是多種烴類和非烴的氣態混合物。在常溫常壓下以氣態存在的烴類有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、異丁烷及新戊烷;非烴類有氫、氮、二氧化碳、硫化氫和惰性氣體。在地下高溫高壓下，c5—c7烷烴和部分環烷烴、芳烴及有機硫化物也可以呈氣態存在。
天然氣的物理性質是多方面的，在此主要闡述與天然氣地質學相關的物理性質。
(一)密度與相對密度
天然氣的密度定義為單位體積氣體的質量。天然氣的密度隨重烴含量尤其是高碳數的重烴氣含量增加而增大，亦隨co2和h2s的含量增加而增大。
天然氣的相對密度是指在標準狀況下，單位體積天然氣與同體積空氣質量之比。天然氣的相對密度一般與相對分子量成正比。亦隨重烴、co2、h2s等高分子量氣體含量增加而增大。
在標準狀況下，天然氣中常見組分的密度和相對密度如表1－7所示。
表1－7 天然氣中常見組分的密度和相對密度(101325pa，15.55℃)
天然氣在地下的密度隨溫度的增加而減小，隨壓力的增加而加大。但鑑於天然氣的壓縮性極強，在氣藏中，天然氣的體積可縮小到地表體積的1/200～1/300，壓力效應遠大於溫度效應。因此，地下天然氣的密度遠大於地表溫壓下的密度，一般可達(150～250)kg/m3;凝析氣的密度最大可達(225～450)kg/m3。
(二)臨界溫度和臨界壓力
在自然(地面或地下)條件下，氣體是否以氣態存在取決於溫度和壓力。這就涉及臨界溫度和臨界壓力的概念。純物質的臨界溫度係指氣相物質(通過加壓)能維持液相的最高溫度。
高於臨界溫度時，無論加多大壓力，都不能使氣態物質變為液態。在臨界溫度時，氣態物質液化所需要的最低壓力稱為臨界壓力。高於臨界壓力時，無論溫度高低，氣、液兩相不可能共存。
這種臨界狀態只適用於純物質，而不適於多組分系統。
天然氣常見組分的臨界溫度和臨界壓力如表1－8所示。對於各烴類組分來說，甲烷的臨界溫度為－82.57℃，乙烷為32.
37℃。因此，它們在地下除溶於石油和水或形成氣水合物之外，均以氣相存在。丙烷臨界溫度為96.
67℃，在低於該溫度時，在適當的壓力下即可液化。因此丙烷及碳數更高的烷烴在地下大多以液相存在，僅有少量與甲烷、乙烷呈氣態存在或溶於石油或溶於水(數量更少)。
表1－8 天然氣中常見組分的臨界溫度和臨界壓力
圖1－6 丙烷pvt關係曲線圖
現以丙烷為例說明溫度、壓力與物質相態的關係。如圖 1 －6 所示，當溫度低於臨界溫度時，如71. 1℃和87.
8℃，由 pvt關係曲線上可以看出: 氣態丙烷的體積先是隨壓力增加而縮小; 在達到 a、a'點後壓力不變而體積繼續縮小，直到 b、b'為止; 過 b、b'後即使壓力增加極大，體積變化甚微。ai( a、a'……) 點為開始液化點，bi( b、b'……) 點為完全液化點，ai—bi為氣、液兩相共存區間，兩相平衡。
在兩相平衡區間 ( ai—bi)等壓縮小體積的壓力為飽和蒸氣壓力，簡稱蒸氣壓力。據此可將蒸氣壓力定義為在一定溫度條件下氣體可能存在的最大壓力。在一定溫度下，處於蒸氣壓力時氣、液兩相共存。
蒸氣壓力的大小取決於溫度，隨著物系溫度升高，等壓縮小體積的ai—bi區間段逐漸縮短，直到成為一點，即k點。k為臨界點，其溫度和壓力即為臨界溫度和臨界壓力。
烴類混合物的相圖以甲烷－乙烷雙組分混合物的相圖為例加以說明。如圖1－7所示，混合物的臨界壓力大大高於參與混合各組分的臨界壓力，而混合物的臨界溫度則處於混合組分的臨界溫度之間且更趨近於參與混合各組分中最高臨界溫度。可推知，多組分氣體混合物的蒸氣壓力也將大大高於相同溫度下單一組分的蒸氣壓力。
圖1－7 甲烷－乙烷混合物的相圖
圖1－8 多組分烴類物質的相圖
多組分混合烴氣物系相圖與雙組分相圖類似，如圖 1 －8 所示。圖中 k1點為臨界凝析點，k1點的溫度稱為臨界凝析溫度，高於該溫度在物系內就不可能形成液態; 線 5為**線，代表液體開始析出，溫度繼續降低即形成氣、液兩相共存;線 4 為泡點線，代表氣已達到飽和，開始起泡，有少量氣體分子逸出液體，如果繼續降壓，就可以形成遊離氣態，形成氣、液兩相共存; k點為臨界點，k 點是**線和泡點線的交匯點，為氣、液兩相的內涵變為相同的點，k 點的壓力稱為臨界凝析壓力，高於該壓力物系內便不可能形成純遊離氣相。k點左邊(低於k點溫度)高於該點壓力(實際上是高於泡點壓力即泡點線4之上)的1區只存在不飽和的溶解氣;k點右邊(低於臨界凝析溫度k1區間)在高於該點壓力(實際上為**線之上)的2區為凝析氣。
所以說，高於k點壓力(臨界凝析壓力)物系內便不可能形成純遊離氣相。故泡點曲線4上方的1區為純液相(代表含有欠飽和溶解氣的油藏區);**曲線下段k1點右側的3區為純氣相(代表純氣藏區);**曲線上段(k—k1)之上方的2區為凝析油氣藏區;泡點曲線4和**曲線5所包圍區內氣、液兩相共存(代表有遊離氣頂的油氣藏分佈區)。
在地下地層中，當氣層溫度處於k與k1之間，如圖中溫度在82.5℃時，低壓下物系以氣態為主，氣、液兩相平衡，隨壓力上升液相逐漸增多，符合正常凝結的概念(增壓凝結);當壓力增加達到b2後，壓力繼續增加液相(油相)反而減少，待達到b1點則完全氣化(更確切地說是氣、液兩相界線完全消失，成為非氣非油的凝析油氣流體)。這與正常蒸發概念完全相反(增壓蒸發)，稱之為逆蒸發現象。
反之，從b1到b2點的過程，與正常凝結現象呈反向(減壓凝結)，稱之為逆凝結。凝析(油)氣藏的形成就是逆蒸發之相態轉變所致。而氣藏開採時凝析物(油)是由逆凝結而析出。
從上面的敘述可以得出如下概念:等溫壓縮過程的蒸發現象叫做逆蒸發，也可稱之為反溶解。在一定條件下輕液態烴表現出在烴氣介質中被蒸發(溶解)的特性，從而在自然界形成一種含溶解狀態液體的氣體，這種氣體叫做凝析氣，這種氣體的地下聚集就是凝析氣藏。
氣體混合物等溫膨脹時形成凝析液的現象叫做逆凝結。在地層條件下包含在氣藏中的氣量與凝析油量之比(m3/m3或m3/t)通常叫凝析油氣比。天然氣藏的凝析油氣比變化一般在(4000～30000)m3/t之間。
(三)溶解性
天然氣能不同程度地溶解於水和油兩類溶劑中，具體數量取決於天然氣和溶劑的成分以及氣體的壓力、溫度。不同成分的氣體其溶解係數有相當大的差別，在常溫常壓下天然氣常見組分在水中的溶解係數如表1－9所示。根據相似相溶原理，烴氣在石油中的溶解度要比水中大許多倍。
在標準狀況下甲烷在石油中的溶解係數為0.3，是在水中溶解係數的近10倍。溶解性隨壓力增高溶解度增大，隨溫度升高反而降低。
另外，當石油中溶有天然氣時，即可降低石油本身的相對密度、黏度以及表面張力。
表1－9 天然氣常見組分在水中的溶解係數(20℃，101325pa)
(四)黏度
黏度是指流體分子間相對運動所產生的內摩擦力的大小。天然氣的黏度就是天然氣分子間內部摩擦力的一種量度。天然氣黏度是研究天然氣運移、開發和集輸的一個重要引數。
天然氣的黏度很小，在地表常溫常壓下，只有(n×10－2～10－3)mpa·s。遠比水(1mpa·s)和油(1～n×10mpa·s)的黏度低。天然氣黏度與氣體組成、溫度、壓力等因素有關。
在接近大氣壓的低壓條件下，壓力對黏度的影響很小(可忽略)，黏度隨溫度增加而變大，隨分子量增大而減小;而在較高壓力下，天然氣的黏度隨壓力增加而增大，隨溫度升高而減小，隨分子量增加而增大。此外，天然氣黏度還隨非烴氣體增加而增加。
(五)吸著作用
氣體與固體表面接觸所發生的關係，可以有吸收作用，也可以只有吸附作用，或兼而有之。吸附作用與吸收作用是有區別的，氣體與固體表面接觸並滲入固體物質內部(直至飽和)的現象叫做吸收作用;而氣體被固體吸收的初步過程是氣體分子被固體表面分子所吸引，這一現象叫做吸附作用。由於常常不能確定是吸附作用還是吸收作用，故把氣體(或液體)在固體表面發生的作用籠統稱為吸著作用。
(六)擴散
氣體擴散是自然界常見的一種物理化學現象。按引起擴散的主導因素可分為濃度擴散和溫度擴散。按擴散介質可分為氣體在氣體中擴散(自由擴散)、氣體在液體中擴散和氣體在固體(岩石)中擴散。
濃度擴散是由物質的濃度差而引起，氣體由高濃度處向低濃度方向流動，分子的相互運動趨向於拉平相互接觸的容器內物質的濃度。隨著溫度升高，分子的熱運動加速，擴散加快。
溫度擴散(熱擴散)是由於存在溫度差而產生，熱擴散使輕分子或小分子氣體趨向於在高溫區集中，而重分子或大分子氣體在低溫區聚集。
天然氣的擴散不可小視，擴散可使氣田中的氣大量散失。在漫長的地質歷史中，擴散甚至可使整個氣藏消失。
(七)熱值
熱能是天然氣主要經濟價值所在。天然氣的熱值與組成天然氣的成分有關，含烴氣比例越高，熱值越高;含非烴氣，特別是含co2、n2等氣體比例越高，熱值越低。天然氣中主要烴氣成分的熱值如表1－10所列。
從表1－10可見，就烴氣而言，以體積論，含重烴比例越高，特別是含較高碳數烴氣越多，熱值越高;以重量論，相同重量的天然氣則是含甲烷比例越高，熱值越高。
表1－10 天然氣中主要烴類氣體的熱值
*原統計以 btu/ft3計，經換算成 si 單位。 ( 據 《美國天然氣工程手冊》，1959)
( 八) 甲烷氣水合物
在自然界的低溫高壓條件下，天然氣 ( 氦、氖、氫除外) 能夠與水結合形成結晶水合物(固體氣)，這是天然氣的重要性質，這一性質具有實際意義。
固體氣為密度在(0.88～0.90)g/cm3的固體結晶物質，像雪或冰，通式為m·h2o，式中m為形成水合物的氣體分子。
1m3氣體水合物中含0.9m3的水和70～240m3的氣，含氣量的多少取決於氣體的組分。儘管甲烷、乙烷、丙烷、co2等氣體均可形成氣水合物，但固體氣中的天然氣還是以甲烷佔優勢，即常見為甲烷水合物。
甲烷水合物是在冰點附近的特殊溫度和壓力條件下形成的(圖1－9)。其開始出現的條件是:溫度低於0℃，壓力小於2.
5mpa;溫度0～20℃，壓力為2.5～25mpa。溫度達21～27℃時，甲烷水合物將被分解。
因此，氣水合物主要存在於凍土、極地和深海沉積物分佈區。
圖1－9 海水與甲烷形成氣水合物的相圖(據katz，1959)
在一定溫度、壓力條件下，氣和水相互作用形成氣水合物。除甲烷、氮和惰性氣體以外的所有其他氣體，都具有高於某一溫度就不形成氣水合物的臨界溫度。形成氣水合物的條件是必須低溫高壓，在地層條件下，只有在深潛的「永久」凍土帶(厚層冰岩帶)發育區(一般在極地)，低溫高壓才能得以兼備。
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