什么是天然气

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1、中文名称：天然气 英文名称：natural gas 定义1：一种主要由甲烷组成的气态化石燃料。主要存在于油田和天然气田，也有少量出于煤层。 应用学科：电力（一级学科）；燃料（二级学科） 定义2：地下采出的，以甲烷为主的可燃气体。它是石蜡族低分子饱和烃气体和少量非烃气体的混合物。 应用学科：资源科技（一级学科）；能源资源学（二级学科） 天然气，是一种主要由甲烷组成的气态化石燃料。它主要存在于油田和天然气田，也有少量出于煤层。天然气燃烧后无废渣、废水产生，相较煤炭、石油等能源有使用安全、热值高、洁净等优势。1991年6月22日，陕甘宁盆地发现大型天然气田。美国诺伯尔能源公司2011年9月18日夜开

2、始在塞浦路斯专属经济区第12板块进行天然气资源的勘探工作从广义的定义来说，天然气是指自然界中天然存在的一切气体，包括大气圈、水圈、生物圈和岩石圈中各种自然过程形成的气体。而人们长期以来通用的“天然气”的定义，是从能量角度出发的狭义定义，是指天然蕴藏于地层中的烃类和非烃类气体的混合物，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、氮和水气及微量的惰性气体，如氦和氩等。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。 天然气主要存在于油田气、气田气、煤层气、泥火山气和生物生成气中，也有少量出于煤层。天然气又可分为伴生气和非伴生气两种。伴随原油共生

3、，与原油同时被采出的油田气叫伴生气；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，随着压力和温度的下降，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。 油田与煤炭、石油等能源相比，天然气在燃烧过程中产生的能影响人类呼吸系统健康的物质极少，产生的二氧化碳仅为煤的40%左右，产生的二氧化硫也很少。天然气燃烧后无废渣、废水产生，具有使用安全、热值高、洁净等优势。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。天然气的主要成分是甲烷(CH4),甲烷是最短和最轻的烃分子.它也可能会含有一些较重的

4、烃分子,例如乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)和丁烷(C4H10),还有一些不定量的含有气体的硫磺，参见天然气冷凝物. 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). 尽管天然气是无色无味的，然而在送到最终用户之前，还要用硫醇来给天然气添加气味，以助于泄漏检测.天然气不像一氧化碳那样具有毒性，它本质上是对人体无害的.不过如果天然气处于高浓度的状态，并使空气中的氧气不足以维持生命的话，还是会致人死亡的，毕竟天然气不能用于人类呼吸. 作为燃料，天然气也会因发生爆炸而造成伤亡.虽然天然气比空气轻而容易发散

5、，但是当天然气在房屋或帐篷等封闭环境里聚集的情况下，达到一定的比例时，就会触发威力巨大的爆炸. 爆炸可能会夷平整座房屋，甚至殃及邻近的建筑.甲烷在空气中的爆炸极限下限为5%,上限为15%. 天然气车辆发动机中要利用的压缩天然气的爆炸，由于气体挥发的性质，在自发的条件下基本是不具备的，所以需要使用外力将天然气浓度维持在5%到15%之间以触发爆炸. 编辑本段简要介绍天然气是一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。在标准状况下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以下为液体。 天然气天然

6、气系古生物遗骸长期沉积地下，经慢慢转化及变质裂解而产生之气态碳氢化合物，具可燃性，多在油田开采原油时伴随而出或纯天然气气田。 天然气蕴藏在地下多孔隙岩层中，主要成分为甲烷，比重约0.65，比空气轻，具有无色、无味、无毒之特性。天然气公司皆遵照政府规定添加臭剂（四氢噻吩），以资用户嗅辨。天然气在空气中含量达到一定程度后会使人窒息。 若天然气在空气中浓度为5%15%的范围内，遇明火即可发生爆炸，这个浓度范围即为天然气的爆炸极限。爆炸在瞬间产生高压、高温，其破坏力和危险性都是很大的。 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

7、、不含液体成份的干性天然气。 编辑本段主要用途天然气发电 天燃气发电具有缓解能源紧缺、降低燃煤发电比例，减少环境污染的有效途径，且从经济效益看，天然气发电的单位装机容量所需投资少，建设工期短，上网电价较低，具有较强的竞争力。 天然气化工工业 天然气是制造氮肥的最佳原料，具有投资少、成本低、污染少等特点。天然气占氮肥生产原料的比重，世界平均为80%左右。 世界上有天然气的主要地区城市燃气事业 特别是居民生活用燃料。随着人民生活水平的提高及环保意识的增强，大部分城市对天然气的需求明显增加。天然气作为民用燃料的经济效益也大于工业燃料。 压缩天然气汽车 以天然气代替汽车用油，具有价格低、污染少、安全等

8、优点。 目前人们的环保意识提高，世界需求干净能源的呼声高涨，各国政府也透过立法程序来传达这种趋势，天然气曾被视为最干净的能源之一，再加上1990年中东的波斯湾危机，加深美国及主要石油消耗国家研发替代能源的决心，因此，在还未发现真正的替代能源前，天然气需求量自然会增加。 编辑本段形成原因天然气与石油生成过程既有联系又有区别：石油主要形成于深成作用阶段，由催化裂解作用引起，而天然气的形成则贯穿于成岩、深成、后成直至变质作用的始终；与石油的生成相比，无论是原始物质还是生成环境，天然气的生成都更广泛、更迅速、更容易，各种类型的有机质都可形成天然气腐泥型有机质则既生油又生气，腐植形有机质主要生成气态烃。

9、因此天然气的成因是多种多样的。归纳起来，天然气的成因可分为生物成因气、油型气和煤型气。近年来无机成因气尤其是非烃气受到高度重视，这里一并简要介绍，最后还了解各种成因气的判别方法。 生物成因气 概念 生物成因气指成岩作用（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。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。 形成条件 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

10、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SO42-S2-形成金属硫化物或H2S等，因此CO2不能被H2还原为CH4。 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Eh98%，高的可达99%以上，重烃含量很少，一般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。 目前世界上已发现的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

11、以下几种： 无机成因 ： 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。 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，98200也能生成相当量CO2，这种成因CO2特征：CO2含量35%，13CCO2-8。 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+

12、。 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： 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） 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； 地下卤水（硝酸盐）脱氮作用：硝酸盐经生化作用生成N2O+N2； 地幔源的N2：如铁陨石含氮数十数百个ppm； 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

13、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： 生物成因（有机）：包括生物降解和生物化学作用；1 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。 稀有气体（He、Ar、） 这些气体尽管在地下含量稀少，但由于其特殊的地球化学行为，科学家

14、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1.3910-610-5，后者则由295.62000。 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）。 气态碳与氢气直接反应 主要内容地球上的所有元素都无一例外地经历了类似现在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，随着温度下降，氧气变得越来越活泼，它氧化、聚合了甲烷形成了石油分子，由于长时间的氧化、聚合，石油分子

15、越来越大，形成了大量的近似沥青的物质，当早期地球频繁的火山熔岩喷发在沥青上时，由于熔岩密度大，沉入石油底部对其隔绝空气加强热，导致碳氢键断裂，释放氢气，形成煤炭。（一部分石油分子不是甲烷经氧化、聚合而形成的，它们是在地球温度较高时，由碳、氢直接形成不饱和烃聚合而成的） 各种成因气识别标志自然界中天然气分布很广，成因类型繁多且热演化程度不同，其地化特征亦多种多样，因此很难用统一的指标加以识别。实践表明，用多项指标综合判别比用单一的指标更为可靠（戴金星，1993）。天然气成因判别所涉及的项目看，主要有同位素、气组分、轻烃以及生物标志化合物等四项，其中有些内容判别标准截然，具有绝对意义，有些内容则在

16、三种成因气上有些重叠，只具有一定的相对意义。 编辑本段对比石油石油、天然气在元素组成、结构形式以及生成的原始材料和时序等方面，有其共性、亲缘性，也有其特性、差异性。 天然气汽车在化学组成的特征上，天然气分子量小（小于20），结构简单，H/C原子比高（45），碳同位素的分馏作用显著。石油的分子量大（75275） ，结构也较复杂，H/C 原子比相对低（1.42.2），碳同位素的分馏作用比天然气弱。 在物理性质方面，天然气基本是只含有极少量液态烃和水的单一气相；石油则可包容气、液、固三相而以液相为表征的混合物。天然气密度比石油小得多，既易压缩，又易膨胀。在标准条件下，天然气粘度仅n10-210-3m

17、Pas，而石油粘度为nn10-3mPas，相差几个数量级。天然气的扩散能力和在水中的溶解度均大于石油。 在生成的条件方面，天然气比石油宽。天然气既有有机质形成，也有深成无机形成；沉积环境以湖沼型为主；生气母质以腐殖型干酪根（型）为主，生成的温度区间较宽，在浅部低温下即开始生成生物气；在中等深度（温度多数在6590）范围内，发生的有机质热降解作用而大量生成石油的“液态窗”阶段，也可伴之生成；在深部高温条件下有机质裂解则又主要是生成天然气。天然气对储集层的要求也比石油要宽，一般岩石的孔隙度为10%15%，渗透率在110-3510-3m2也可成藏。而由于天然气的活泼性，则对盖层的要求比石油严格得多。

18、因此，天然气分布的领域要比石油广，产出的类型、贮集的形式也比石油多样，既有与石油聚集形式相似的常规天然气藏，如构造、地层、岩性气藏等，又可形成煤层气、水封气、气水化合物以及致密砂岩、页岩气等非常规的天然气藏。煤层既是生气源岩又是储集体的煤层气藏已成为很现实的类型。 “世界上已探明的天然气储量中，约有90%都不与石油伴生，而是以纯气藏或凝析气藏的形式出现，形成含气带或含气区。这说明天然气地质与石油地质虽然有某些共同性，也有密切的联系，但天然气毕竟有它自身发生、发展、形成矿藏的地质规律”（包茨，1988）。 由于天然气具有的一些特性，因而在理论研究、资源评价以及勘探技术方法和开采方式上与石油也不尽

19、相同，需要发展一些具有针对性的工作方法和技术系列，以适应今后将不断扩大的天然气资源开发的需要。 编辑本段有关开采天然气也同原油一样埋藏在地下封闭的地质构造之中，有些和原油储藏在同一层位，有些单独存在。对于和原油储藏在同一层位的天然气，会伴随原油一起开采出来。对于只有单相气存在的，我们称之为气藏，其开采方法既与原油的开采方法十分相似，又有其特殊的地方。 天然气开采由于天然气密度小，为0.750.8千克/立方米，井筒气柱对井底的压力小；天然气粘度小，在地层和管道中的流动阻力也小；又由于膨胀系数大，其弹性能量也大。因此天然气开采时一般采用自喷方式。这和自喷采油方式基本一样。不过因为气井压力一般较高加

20、上天然气属于易燃易爆气体，对采气井口装置的承压能力和密封性能比对采油井口装置的要求要高的多。 天然气开采也有其自身特点。首先天然气和原油一样与底水或边水常常是一个储藏体系。伴随天然气的开采进程，水体的弹性能量会驱使水沿高渗透带窜入气藏。在这种情况下，由于岩石本身的亲水性和毛细管压力的作用，水的侵入不是有效地驱替气体，而是封闭缝缝洞洞或空隙中未排出的气体，形成死气区。这部分被圈闭在水侵带的高压气，数量可以高达岩石孔隙体积的30%50%，从而大大地降低了气藏的最终采收率。其次气井产水后，气流入井底的渗流阻力会增加，气液两相沿油井向上的管流总能量消耗将显著增大。随着水侵影响的日益加剧，气藏的采气速度

21、下降，气井的自喷能力减弱，单井产量迅速递减，直至井底严重积水而停产。目前治理气藏水患主要从两方面入手，一是排水，一是堵水。堵水就是采用机械卡堵、化学封堵等方法将产气层和产水层分隔开或是在油藏内建立阻水屏障。目前排水办法较多，主要原理是排除井筒积水，专业术语叫排水采气法。 压缩天然气减压站小油管排水采气法是利用在一定的产气量下，油管直径越小，则气流速度越大，携液能力越强的原理，如果油管直径选择合理，就不会形成井底积水。这种方法适应于产水初期，地层压力高，产水量较少的气井。 泡沫排水采气方法就是将发泡剂通过油管或套管加入井中，发泡剂溶入井底积水与水作用形成气泡，不但可以降低积液相对密度，还能将地层

22、中产出的水随气流带出地面。这种方法适应于地层压力高，产水量相对较少的气井。 柱塞气举排水采气方法就是在油管内下入一个柱塞。下入时柱塞中的流道处于打开状态，柱塞在其自重的作用下向下运动。当到达油管底部时柱塞中的流道自动关闭，由于作用在柱塞底部的压力大于作用在其顶部的压力，柱塞开始向上运动并将柱塞以上的积水排到地面。当其到达油管顶部时柱塞中的流道又被自动打开，又转为向下运动。通过柱塞的往复运动，就可不断将积液排出。这种方法适用于地层压力比较充足，产水量又较大的气井。 深井泵排水采气方法是利用下入井中的深井泵、抽油杆和地面抽油机，通过油管抽水，套管采气的方式控制井底压力。这种方法适用于地层压力较低的气井，特别是产水气井的中后期开采，但是运行费用相对较高。