第九章石油生产基础知识-天然气

天然气概念，是指以烃类气体为主的天然气体，主要成分是甲烷，并含有一些二氧化碳、氮气、硫化氢等非烃类气体。它是一种无色无味、热值高、燃烧稳定、洁净环保的优质能源，热值为8500大卡/米3。它们分布在岩石圈、水圈及地球内部。

地壳中，天然气就其产状分析，有游离态、溶解态（溶于原油和水中）、吸附态和固态气水合物四种类型。就其分布特点，又可分为聚集型和分散型两类。气层气（气藏气、气顶气）、凝析气、油溶气属聚集型，也称为常规型天然气；水溶气、煤层气、页岩气、固态气水合物则属分散型，称为非常规型天然气。从与油藏的关系划分为伴生气和非伴生气。气顶气、油溶气以及油藏之间或油藏上方的、在成因上与成油过程相伴的气藏气，均归于伴生气；与油没有明显关系的或仅含有少量原油的气藏气，成因上与煤系有机质或未成熟的有机质有关而生成的天然气称为非伴生气。

常规的天然气储存形式多样，包括气层气、油溶气、凝析气

气层气指在原始储层条件下，天然气以自由气相储存于储层内

油溶气指原始储层条件下，天然气以溶解状态存于储层内的原油中

凝析气指原始地层条件下，天然气以自由相存在，但当地层压力降到露点压力以下时，有反凝析现象产生

水溶气指在原始储层条件下，天然气体溶解于储层内的边水或底水中

煤层气也称煤矿瓦斯气，从已经进行的研究和预测表明，具有巨大的潜力。20世纪90年代以来，我国已不同程度地启动了煤层气开发工作。近十年来，页岩气成为勘探开发着力开拓的领域。

天然气的组成、物理性质及用途

天然气是各种气体的混合物，其主要成分是各种碳氢化合物，其中甲烷（CH

4

）

占绝对多数（＞80%），次为乙烷（C

2H

6

）、丙烷（C

3

H

8

）、丁烷（C

4

H

10

）及其它重质

气态烃，它们是天然气的主要可燃成分。除上述烃类气体外，天然气中还含有少

量二氧化碳（CO

2）、氮气（N

2

）、氧气（O

2

）、氢气（H

2

）、硫化氢（H

2

S）、一氧化

碳（CO）等气体和极少量氦（He）、氩（Ar）等惰性气体，这些不可燃烧成分，影响天然气的热值。

①根据重烃含量分类

干气：天然气的化学组成以甲烷为主，甲烷含量达90%以上，乙烷与乙烷以上的重烃很少或没有。

湿气：天然气的化学组成仍以甲烷为主，对乙烷、丙烷等重气体烷烃和水分含量在10%以上的天然气称为湿气。油田伴生气大部分是湿气，只有经过多级分离和净化才能变成干气。

在现场简易鉴定干气与湿气的方法为：将天然气点燃，仔细观察火焰颜色，若为蓝色即为干气；若为黄色即为湿气。也可将气体通入水中，水面上呈彩色油膜的则为湿气；干气不具此特征。

②根据矿藏分类

气田气：天然气中主要含甲烷，约占80%～98%，重烃气体很少，约占0～5%，不含戊烷或戊烷以上的重烃或含量甚微。

油田气：天然气中主要成分除含甲烷外，乙烷或乙烷以上的重烃较多，在5%～10%以上，和石油共生，又称为石油气。

凝析气：天然气中除含有大量甲烷外，戊烷或戊烷以上的烃类含量也较高，含有汽油和煤油组分。主要是由于油、气藏的埋藏深度加大，处于高温、高压下

的碳氢化合物为单相气态，采到地面后，由于温度、压力降低而发生凝结，由原来单相气态的碳氢化合物转为液态石油。

煤层气：指煤层中所含的吸附或游离状态的天然气，在煤矿中将其称为矿井瓦斯。成分以甲烷为主，也含有氮气和二氧化碳气，重烃含量很少，有时还含有极少量的氨和硫化氢气体。

③天然气的物理性质

天然气密度：指1立方米天然气在0℃及0.101325MPa条件下的质量，单位为克/厘米3（kg/m3）。天然气是多组分的混合物，各组分的密度也不相同。随着重烃含量增多，密度增大。密度随压力增高而增大，随温度增高而变小。

天然气的相对密度：在某一压力和温度下天然气密度与标准状态下同体积干燥空气的密度之比。一般在0.6～1.0之间，比空气轻。含重烃量多的天然气相对密度较大，如中原油田个别油气藏的天然气相对密度竟高达 1.0298，主要是天然气中含重烃较多所致。相对密度小的天然气其主要成份是以甲烷为主，含量约在90%以上。例如四川油田阳三气藏，天然气的相对密度为0.562，其甲烷含量竟高达98.15%。

一般天然气液化后，体积缩小1000倍，故在天然气和石油的产量、储量中，常采用1000cm3天然气相当于1cm3石油，其利用价值也大致相当。

天然气粘度：是指天然气在流动时，分子间所产生的内摩擦力，单位是毫帕秒（mPa?s）。天然气粘度是表示天然气流动难易程度的一种参数；气体粘度大小与压力、温度有关。一般来说，在相同温度下，压力不大时，气体粘度与压力无关，压力较大时，气体的粘度随压力增加而增加。气体的粘度和液体不同，在低压时粘度随着温度升高而增大。但是当压力很高时，气体粘度随温度升高而降低。

溶解性：任何气体均有不同程度的溶解于液体的性能，气体溶于液体的数量，决定于液体与气体的性质、压力、温度及已溶于液体中的其他溶解物质的特点。在地层中，天然气具有溶于水和石油这两类不同液体的能力，但易于与石油互溶而与水则不易互溶。轻质石油比重质石油溶解容易得多，而重的碳氢化合物气体较轻的碳氢化合物气体易于溶解。当天然气溶于石油后就会降低石油的密度、粘度及表面张力，使石油的流动性增大。

压缩性：天然气是可压缩的，同体积的天然气，在地面和地下密度不同，质量也不同。通常可用天然气的体积系数来衡量。天然气的体积系数是指天然气在油层条件下所占的体积与在标准状况（20℃，0.101MPa）下所占体积的比值，单位是“立方米每立方米”（m3／m3）。也可用弹性压缩系数来衡量，弹性压缩系数是指压力每变化lMPa，气体体积的变化率。

④天然气的用途

天然气是低碳经济的助力器。天然气是一种清洁高效的能源，具有燃烧效率

高、使用方便、不产生废渣以及CO

2、SO

2

等温室气体排放少等优点。在燃烧效率

方面，天然气比煤炭高40%。在温室气体排放方面，天然气比煤炭排放的CO

2

减少52.1%。天然气相对于煤炭具有巨大的资源优势。因此，它对低碳经济的发展，具有重大的推动作用。

我国于2002年7月4日正式开工建设的“西气东输”工程，西起新疆塔里木盆地经甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏，输送天然气到上海、浙江，供应沿线各省的民用和工业用气。这一工程的建成，不仅缓解东部经济发达地区的能源短缺问题，同时也使这一地区的空气质量大为改善。

国内天然气的用途按功能可分为燃料和工业原料两大类，按行业可分为化

工、发电、工业燃料及民用燃料等四大行业。天然气的使用主要分以下五方面：民用燃料：天然气价格低廉、热值高（约8500～10000千卡/米3、天然气燃烧后发出的热量是相同体积的城市煤气的2.5倍左右。这样就可以减少输配设备和管道，节省材料，减少施工费用）。安全性能、环境性能好，是民用燃气的首选燃料。天然气本身是无味的，为了用户安全，在给城市供应的天然气中加入了微量的四氢噻酚，有淡汽油的臭味，是为了便于察觉而添加的嗅剂。

工业燃料：我国工业燃料占天然气总消费量的35%，天然气主要用于锅炉燃料、金属、冶炼、瓷砖类建材烧制等。以天然气代替煤，用于工厂采暖，生产用锅炉以及热电厂燃气轮机锅炉。天然气主要可用于发电，以天然气为燃料的燃气轮机电厂的废物排放水平大大低于燃煤与燃油电厂，而且发电效率高，建设成本低，建设速度快；另外，燃气轮机启停速度快，调峰能力强，耗水量少，占地省。

工艺生产：如烤漆生产线、烟叶烘干、沥青加热保温等。

化工原料：化工领域是天然气的第二用户，近四分之一的天然气被用作化工原料，其中90%以上用于生产化肥。以天然气为原料的一次加工产品主要有合成氨、甲醇、炭黑等近20个品种，经二次或三次加工后的重要化工产品则包括甲醛、醋酸、碳酸二甲酯等50个品种以上。以天然气为原料的化工生产装置投资省、能耗低、占地少、人员少、环保性好、运营成本低。

压缩天然气汽车：用以解决汽车尾气污染问题。据测算汽车尾气污染占城市大气污染的50%，天然气汽车尾气对环境的污染大大低于燃油汽车。天然气作为燃料燃烧完全、结炭少、减少气阻和爆震。会使发动机使用寿命延长2～3倍，大修理间隔里程延长2～2.5万公里，维修费用降低50%，1立方米天然气热值相当于1.1升汽油，而其价格明显低于汽油，天然气价格比汽油价格低20～40%。我国天然气汽车以每年百万辆速度递增，预计2020年全国汽车拥有量将达到3000万辆，石油每年耗6亿吨，所以开发以气代油的汽车具有战略意义。

由于天然气的主要成分是甲烷，它本身是一种无毒可燃的气体，同其它所有燃料一样，天然气的燃烧需要大量氧气。如果居民用户在使用灶具或热水器时不注意通风，室内的氧气会大量减少，造成天然气的不完全燃烧。不完全燃烧的后果就是产生有毒的一氧化碳，用气场所通风不良也可能发生中毒事故。而且天然气是一种易燃易爆的气体，与空气混合后，当其浓度在 5%～16%（体积）范围内时，遇火源即会发生燃烧或爆炸，因此对天然气的安全使用不应掉以轻心。

当发现室内泄漏大量天然气时，首先应切断气源，打开门、窗，降低空气中天然气浓度，然后通知天然气公司维修人员处理。切不可使用燃具，甚至不能开关电灯，杜绝室内产生火花的可能，以防泄漏气体燃烧爆炸。

当发现有人天然气中毒时，应先关断气源，打开门窗通风换气，迅速将中毒人员抬离中毒环境，实施人工呼吸，及时送医院抢救。

就我们穿衣服来讲，即使最前卫的服装，也离不开石油中提炼的纤维。有资料显示，人一辈子平均要“穿”掉290千克石油。

就我们所吃的食物来讲，从培育、施肥、收割到物流，再到做成可口的美味端上餐桌，全过程都离不开石油及其衍生品的参与，人一辈子平均要“吃”掉551千克石油。

就我们的住来讲，我们房间里的生活装饰，让人体会到石油的无处不在：塑钢门窗、化纤壁纸、化纤布料等，都是石油的衍生品，人一辈子平均要“住”掉3790千克石油。

就我们的行来讲，“行”与石油的关系最密切，最简单的就是交通。人一辈

子平均要“行”掉3838千克石油。

那么，计算一下，我们每个人的一生，单从衣食住行来说，就要消耗掉8469千克石油。

①天然气在原油中的溶解

当油藏开采之后随着油层压力的下降，溶解在原油中的天然气就分离出来，衡量天然气在原油中的溶解能力用溶解度来表示。

溶解度的定义是：在一定的温度和压力下，单位体积原油中溶解的天然气量称为天然气的溶解度，单位为标米3／米3。

例如在120MPa，大气压，40℃时，l米3原油中溶解了130米3(标准状况下)天然气，那么我们就说天然气在该原油中120MPa，40℃时的溶解度为130标米3／米3。

②天然气在原油中的溶解度受油、气组成、压力及温度的影响

组成对溶解度的影响：天然气与原油的组分，彼此越接近则溶解度越大。低密度的原油和高密度的天然气，其溶解度较大；而高密度的原油和低密度天然气，其溶解度就相对小。这是前者相接近的组分较多，后者相接近的组分较少的缘故。

压力对溶解度的影响：气液体系压力不同，溶解度也不同，压力和溶解度的关系比较复杂。在压力比较小的情况下，其压力和溶解度呈非线性变化，当压力达到某一值时，压力和溶解度呈线性变化。

温度对溶解度的影响：当天然气的组成、压力一定时，其溶解度随着温度的增加而有所减小。但是减小的程度也受着压力的影响：在压力低时，溶解度随温度增高而减小的程度较小；高压时，溶解度随温度增高而减小的程度较大。

③天然气在原油中的分离

天然气在原油中的分离和分离方式有关，也就是常说的脱气方式有关。天然气的脱气方式分为接触脱气(或称一次分离) 和多级脱气(或称差异脱气)。

接触脱气：在现场上相当于油井产物直接进入与大气接触（或者0.1MPa）的油罐内，混合物从罐的上部进入，脱气原油由罐底出油，罐顶排出分离出的溶解气。

由于这种脱气，油气在罐内的总组成不变，瞬间达到相态平衡，这样分离出来的天然气重质成分含量高，分离出来气量大，脱气后的原油量相对减少，比重增大。现场上除了低压抽油井外，一般不采用这种脱气方式。

多级脱气：就是采出原油通过管线输送到具有不同压力等级的分离器内，最后才进入与大气接触油罐。在多级脱气过程中，是待每一级脱出天然气排出后，原油才进行下一级脱气，这样脱气是在系统总组成不断变化的条件下进行的，系统中的油气来不及达到平衡，使液相转化为气相的难度增大。所以，分离出来的天然气相对于一次脱气来说：重质成分含量低，分离出来气量小，脱气原油量相对增多，原油密度较低。在自喷采油中一般采用多级脱气。

一般来说，油气分离级次越多，分离出来的天然气就越少，所得到的原油性质就越好。

天然气开采包括溶解气的采出和气田天然气的开采

根据气井钻探阶段的不同，可将气井分为资料井、探井、生产井等几种类型为研究某地区的地层情况、沉积特点、构造形态所钻的井叫资料井

为进一步探明气田构造、储气层性质、含气、水的边界等综合资料所钻的井叫探井

在已经探明的气田上，为开采天然气而钻的井叫生产井（或开发井）。

气井包括井身结构和井口装置两部分。

气井井口装置由套管头、油管头和采气树组成。其主要作用是：悬挂油管；密封油管和套管之间的环形空间；通过油管或套管环形空间进行采气、压井、洗井、酸化、加注防腐剂等作业；控制气井的开关、调节压力、流量、气井井口装置。

油管头以上部分称为采气树，由闸阀、节流阀和小四通组成。其作用是开关气井、调节压力、气量、循环压井、井下压力计测量气层压力和井口压力等作业气井开采分为无水气井开采和气水同产井开采两种方式

无水气井开采工艺相对比较简单、产气量稳定、采收率高

气水同产井开采工艺相对比较复杂、产气量不稳定、采收率较低。

计量站担负单井生产出的原油与天然气或伴生气的分离、计量、加热和输送到转油站的任务

一般有计量间，配水间、加热间等组成，有的计量站还带有加药间。

计量间生产工艺及作用：计量间主要是担负单井生产出的原油与天然气或伴生气的分离、计量、加热和输送到转油站

油气计量的目的：确定油井生产的油、气、水量。

注水系统的作用：为提高油层的生产压力需向油层内注入一定数量的合格水。从水源到注水井的一般工艺流程：水源→净化站→注水站→配水间→注水井采油计量站内配水间主要任务：是接收注水站加压后的净化水，通过配水间向各注水井（油层）分配水量的工作

加热间的组成及作用：加热炉作为采出原油的加热设备，一般采用的是水套式加热炉。是一种间接式加热设备，具有加热均匀、盘管内原油不易结焦、保证原油进处理站温度均衡的优点，但热效率低。对轻质原油来讲，冷输方式不但节省了加热的燃料成本，而且降低了生产过程的管理风险，得到了油田生产的普遍采纳。