天然气及其组分的物理化学性质
天然气物理性质
– 定义：以水的正常冰点为00C，水的正常沸 点定为1000C，其间均分为100等分，其单 位为摄氏度
12
• 华氏温标
索引
– 定义：以水的正常冰点为320F，水的正常沸点定 为2120F，其间均分为180等分，其单位为华氏度
• 开氏温标
– 定义：以水的正常冰点为273.15K，水的正常沸 点定为373.15K，单位：开尔文度
天然气的化学组成与分类索引
• 定义
– 天然的可燃气体统称为天然气 – 以烷烃为主的各种烃类和少量非烃类气体所
组成的气体混合物
• 组成
– 气体：气态烃、硫化氢，二氧化碳，氮气等 – 液体：液烃和水 (游离水和凝结水） – 机械杂质
1
索引
分类
• 按来源分类：
– 气田气：富含甲烷 – 油田气：乙烷及乙烷以上的烃类含量高 – 凝析气田气：丙、丁、戊烷 – 矿井气
6
换算方法
索引
• 已知质量组成gi，换算为体积组成vi或摩尔组 成yi
yi
ni ni
gi Mi gi Mi
• 已知摩尔组成yi，换算为质量组成gi
gi
mi mi
yiMi yiMi
7
换算方法
索引
• 已知体积百分数vi，换算为质量百分数gi
gi
mi mi
niMi niMi
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天然气的分子量 索引
• 定义
– 把00C、101325Pa时体积为22.4立方分米 天然气所具有的质量认为是天然气的分子 量，称为视分子量或平均分子量
• 计算方法 M y i M i 随组成不同而变化
M W N 1
M
gi
天然气产品质量标准
天然气产品质量标准天然气是一种清洁、高效、环保的能源，其产品质量标准也是非常重要的。
以下是天然气产品质量标准的相关章节。
一、天然气的基本性质天然气是一种无色、无味、非毒性的气体，主要成分是甲烷，同时还含有少量的乙烷、丙烷、丁烷、氮气、二氧化碳等气体。
其热值在35.17-55.50MJ/m3之间。
二、天然气的物理性质天然气的密度、比热、粘度、热导率等物理性质对于其使用和传输具有重要意义。
天然气的密度一般在0.65-0.85kg/m3之间，比热在1.3-1.6kJ/(kg·K)之间，粘度在0.01-0.03Pa·s之间，热导率在0.025-0.045W/(m·K)之间。
三、天然气的化学性质天然气的化学性质主要表现在其燃烧性能和气体组分的变化。
天然气的燃烧性能好，不含硫、烟尘等有害物质，对环境无污染。
同时，天然气的气体组分随着地质条件和开采方式的不同而有所差异。
四、天然气的组分分析天然气的组分分析是评价其品质的重要手段。
常规的组分分析方法有色谱法、质谱法、红外光谱法等。
其中，色谱法是最常用的分析方法，可以准确测定天然气中各种气体的含量。
五、天然气的水分含量天然气中的水分含量对于其使用和传输具有重要影响。
水分含量高会导致管道内结露和腐蚀，同时也会影响燃烧性能。
因此，天然气的水分含量应该控制在一定范围内，一般不超过30mg/m3。
六、天然气的硫化氢含量天然气中的硫化氢含量对于其使用和传输也具有重要影响。
高含量的硫化氢会导致管道内腐蚀和安全隐患。
因此，天然气的硫化氢含量应该控制在一定范围内，一般不超过5mg/m3。
七、天然气的氧含量天然气中的氧含量对于其燃烧性能也有一定影响。
氧含量高会导致燃烧不完全，产生一些有害物质。
因此，天然气的氧含量应该控制在一定范围内，一般不超过0.2%。
八、天然气的热值天然气的热值是评价其品质的重要指标之一。
热值高的天然气可以提高燃烧效率，降低能源消耗。
天然气知识基础
液压子站与传统子站优劣比较
项目 占地面积 液压子站 3- 4亩 普通子站 5亩以上 原由 液压子站设备简单，用拖车替代 传统子站的储气装置 1 .液压子站耗电量小，电机不大 于32KW；传统子站压缩机75KW左 右。 2.液压拖车泄气率高，拖车余气 小于1 20Nm 3；传统子站拖车泄气 率低，余气大于800Nm 3 液压装置噪音小于75dB(距设备1 米处）; 压缩机噪音大于1 20dB
（1）从气田开采的气田气或称纯天然气； （2）伴随石油一起开采出来的石油气，也称石油伴生气； （3）凝析气田气，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。 （4）从井下煤层抽出的矿井气（俗称：瓦斯）。
四、天然气及其成分的物理化学性质
五、天然气压缩与节流
1、压缩：利用加压装置或设备使管道（储气装置）内 天然气压力升高，以提高管线的输送能力或对气体进行 储存，以满足其它工艺要求的过程，称为压缩。 2、节流：具有一定压力、充满管道的天然气在流经管 道内的节流件时，流束将在节流件处形成局部收缩，从 而使流速增加，静压降低，此种现象称为节流。
二、天然气的组分
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（CH4）占绝大多数，另有少量的乙烷（C2H6)、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，戊烷以上为液体。
三、天然气的分类（按矿藏分类）
4.高压表：气瓶的高压管路经过过流保护阀后安装了高压
表，能指示气瓶内的压力
5.其它：油气转换开关等部件，选型的重点是减压阀和混 合器。因为在其它条件不变的条件下，这两个部件直接影 响CNGV的主要性能，其它的部件大多数属于标准件，基本 上是成熟的、定型的产品，选配比较容易。
天然气的性质和特点
天然气的性质和特点1、天然气是一种易燃易爆气体，和空气混合后，温度只要达到550℃就燃烧。
在空气中，天然气的浓度只要达到5-15%就会爆炸。
2、天然气无色，比空气轻，不溶于水。
一立方米气田天然气的重量只有同体积空气的55%左右，一立方米油田伴生气的重量，只有同体积空气的75%左右。
3、天然气的主要成分是甲烷，本身无毒，但如果含较多硫化氢，则对人有毒害作用。
如果天然气燃烧不完全，也会产生一氧化碳等有毒气体。
4、天然气的热值较高，一立方米天然气燃烧后发出的热量是同体积的人工煤气（如焦炉煤气）的两倍多，即35.6-41.9兆焦/立方米（约合8500-10000千卡/立方米）。
5、天然气可液化，液化后其体积将缩小为气态的六百分之一。
每立方米天然气完全燃烧需要大约十立方米空气助燃。
6、一般油田伴生气略带汽油味，含有硫化氢的天然气略带臭鸡蛋味。
天然气的主要成分是甲烷，甲烷本身是无毒的，但空气中的甲烷含量达到10%以上时，人就会因氧气不足而呼吸困难，眩晕虚弱而失去知觉、昏迷甚至死亡。
天然气中如含有一定量的硫化氢时，也具有毒性。
硫化氢是一种具有强烈臭鸡蛋味的无色气味，当空气中的硫化氢浓度达到0.31毫克/升时，人的眼、口、鼻就会受到强烈的刺激而造成流泪、怕光、头痛、呕吐；当空气中的硫化氢含量达到1.54毫克/升时，人就会死亡。
因此，国家规定：对供应城市民用的天然气，每立方米中硫化氢含量要控制在20毫克以下天然气的化学组成天然气是指烃类气体。
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。
从分布特点又可分为聚集型和分散型两类。
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、固态气水合物则属分散型，也称为非常规型天然气。
从与油藏的关系划分，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；与油没有明显联系的或仅含有极少量原油的气藏气，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之为非伴生气。
天然气的组成及危害
天然气的组成及危害天然气的组成天然气主要组分为甲烷，通常占90%以上，还含有一些乙烷、丙烷、丁烷及戊烷以上的烃类，并且有少量的二氧化碳、氮气、硫化氢、氢气等非烃类组分。
我国油气田中普遍含硫化氢较少，但四川所产天然气中含硫化氢较多。
含量约在0.1%左右。
天然气的物理化学性质相对密度：0.55-0.75闪点：-218℃自燃点：500-700℃（典型干气）爆炸下限：3.6%-6.5%爆炸上限：13%-17%最小点火能：0.3-0.4MJ（典型干气）天然气的低位发热量（扣除水的气化潜热后的发热量）：35-39MJ/Nm3天然气的危害甲烷等轻烃本身无毒，为单纯窒息性气体。
但硫化氢是一种剧毒气体，天然气中如果含有较多的硫化氢，大量吸入会损害健康。
油气井井喷失控钻井分"钻探井"和"生产井"两种，钻探井的目的是要搞清地下是否有石油或天然气；钻生产井是为了把地层中的油、气开采出来。
当钻井遇到地下油、气、水层时，地下的油、气或水串进井内的泥浆里，加快了泥浆流动和循环的速度，地下油、气压力失去控制，造成油、气、水等混合物沿着环空迅速喷到地面。
为什么油井会发生井喷失控？地下压力是怎样形成的？原来，在井眼未形成之前，地层四周应力处于平衡状态，压力相对稳定。
井眼形成以后，地层压力平衡受到破坏，地层下的流体由于流动而产生压力。
钻井时为了平衡地层压力，保证钻井正常进行，要不断地往井内注入泥浆，并随时根据地层压力的变化调整泥浆比重，使井底压力始终与地层压力保持平衡，而油井井喷失控则是由于种种原因，使井底压力低于地层压力，井下压力失去平衡造成的。
在钻井的过程中发生井喷失控的事故，根据我国玉门、四川、大庆、中原等油气田发生的一些井喷失控事故的发生分析，大多数是在钻入高压油、气层时，由于施工设计不准确，泥浆性能不好，操作技术不当，或井下发生严重漏失等原因造成的。
井喷失控如不能及时控制，很容易发生火灾，井喷失控一旦发生火灾将会造成巨大损失。
天然气的组成分类及地球化学特征
按有机质演化阶段分类
1.生物气——指有机质在未成熟阶段 (Ro<0.4%~0.5%)经厌氧细菌生物化学降解所 生成的气态产物。化学成分以甲烷为主，典 型生物气为干气，重烃气含量常小于0.5%, 一般δ13C1<-55‰。
2.热解气——指有机质在成熟演化阶段（Ro 为0.5%～2.0%）经热催化作用生成的天然气， 包括油型热解气和煤型热解气。
二、天然气的类型
1. 按天然气来源划分
有机成因天然气：指沉积岩中沉积有机质通过细菌、物理化学等 形成的天然气 无机成因天然气：泛指在任何环境下由无机物质形成的天然气。包括宇
宙气、幔源气、岩浆岩气、变质岩气及无机盐类分解气。无机成因 气来源广泛、复杂，多与宇宙或地球深处地幔、岩浆活动有关，当 代科学技术水平尚难深入研究它们。它们常沿深大断裂或转换断层 上升至上部圈闭中，聚集成工业气藏。
一、天然气成因类型 二、有机成因气的主要类型及其特征 三、碳、氢、氦和氩同位素地球化学特征
四、轻烃地球化学
五、各类天然气的鉴别
第一节 天然气成因类型
一、概念
广义的天然气是指自然界中的一切气体，即岩石圈、 水圈、大气圈以及地幔和地核中的一切气体 狭义的天然气是指以烃类气体为主（在少数情况下 也有以CO2和N2为主，极个别情况下也有以H2S为 主）的，分布于岩石圈、水圈以及地幔和地核中的 气体 在油气勘探中主要研究的是岩石圈中的可燃天然气 体，主要成分为CH4
1）油型热解气——由腐泥型干酪根在成熟演化阶段生成的天然气， Ro为 0.5%～1.3%主要形成液态烃和湿气， Ro为1.3%～2.0% 主要形成凝析油气
在成熟阶段多以成油(包括凝析油)为主、成气为辅，故油型热解气在大多数情况 下均以“配角”伴生于原油或部分凝析油中，只在少数情况下呈游离的气顶气， 个别情况下可呈夹层的游离气层气。
天然气物理化学性质
海底天然气物理化学性质第一节海底天然气组成表示法一、海底天然气组成海底天然气是由多种可燃和不可燃的气体组成的混合气体。
以低分子饱和烃类气体为主，并含有少量非烃类气体。
在烃类气体中，甲烷（CH4）占绝大部分，乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）和戊烷（C5H12）含量不多，庚烷以上（C5+）烷烃含量极少。
另外，所含的少量非烃类气体一般有氮气（N2）、二氧化碳（CO2）、氢气（H2）、硫化氢（H2S）和水汽（H2O）以及微量的惰性气体。
由于海底天然气是多种气态组分不同比例的混合物，所以也像石油那样，其物理性质变化很大，它的主要物理性质见下表。
海底天然气中主要成分的物理化学性质二、海底天然气容积分数和摩尔分数定义混合物中各组分的容积为V i ，总容积V ；摩尔分数y i ：i 组分的摩尔数n i 与混合物总摩尔数n 的比值。
∑=='i i i i V VV V y ； 1='∑i y ；∑==ii i i n n n n y ； 1=∑i y 由分压定律，存在P i V= n i R M T ；P i V=n R M T 由分容定律，存在PV i = n i R M T ；PV=n R M Tppn n y i i i ==； i i i i y n n V V y ==='结论：对于理想气体混合物，任意组分的摩尔分数可以用该组分的分压与混合物总压的比值表示，且摩尔分数与容积分数相等。
三、海底天然气分子量标准状态下，1kmol 天然气的质量定义为天然气的平均分子量，简称分子量。
∑=i i M y M 四、海底天然气密度（1）平均密度混合气体密度指单位体积混合气体的质量。
按下面公式计算： 0℃标准状态 ∑=i i M y 414.221ρ； 20℃标准状态 ∑=i i M y 055.241ρ 任意温度与压力下 i i i i V y M y ∑∑=/ρ （2）相对密度在标准状态下，气体的密度与干空气的密度之比称为相对密度。
天然气的物理化学性质
C3、C7、C20 10%、20%、70%
二、天然气的组成
1、天然气：（烃类、非烃类） uNatural gas：指从地下采出的，常温常压下相态
为气态的烃类和少量非烃类气体组成的混合物。 lHydrocarbon：CnH2n+n
C1(70~98%)、C2(<10%） C3~C5(百分之几)、C6+（甚微） lNon-hydrocarbon：H2S、CO2、N2、CO、Ar、He
m1 14.4387 Kg m2 1.5035 Kg m3 2.20485 Kg
u求：体系的质量组成、摩尔组成和体积组成
二、天然气的组成
l体系的质量组成
气相
体系的总质量m
C1, C2, C3
3
m mi m1 m2 m3 i 1 18.14705
3
G1 m1 / mi 14.4387 /18.14705
n2 0.05 n3 0.05
二、天然气的组成
体系的总摩尔数n:
气相
C1, C2, C3
3
n ni n1 n2 n3 i 1 0.9 0.05 0.05
1
yi
ni
/ n3
i1
i
ni
体系中各组分的摩尔组成:
y1 n1 0.9 y2 n2 0.05 y3 n3 0.05
第二章
天然气的物理化学性质
第二章 天然气的物理化学性质
u确定天然气在各状态下物性参数的方法： l直接取气样进行实验测定； l根据天然气各组分的物理性质、物理规律利用
混合规则进行计算。
第二章 天然气的物理化学性质
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
天然气的组成和分类 天然气的分子量、相对密度、密度和比容 天然气偏差系数的确定 天然气的等温压缩系数 天然气的体积系数和膨胀系数 天然气的粘度 天然气含水量和溶解度
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编号：SY-AQ-09384( 安全管理)单位：_____________________审批：_____________________日期：_____________________WORD文档/ A4打印/ 可编辑天然气及其组分的物理化学性质Physical and chemical properties of natural gas and its components天然气及其组分的物理化学性质导语：进行安全管理的目的是预防、消灭事故，防止或消除事故伤害，保护劳动者的安全与健康。
在安全管理的四项主要内容中，虽然都是为了达到安全管理的目的，但是对生产因素状态的控制，与安全管理目的关系更直接，显得更为突出。
天然气的主要成分为甲烷，此外还含有乙烷、丙烷、丁烷等烃类气体，氮、CO2、H2S及微量氢、氦、氩等非烃类气体，一般气藏天然气的甲烷含量在90%以上。
油田伴生气中甲烷含量占65%～80%，此外还含有相当数量的乙烷、丙烷、丁烷等烃类气体。
一、天然气主要组分的物理化学性质天然气主要组分的物理化学性质见表1-3-1。
表1-3-1天然气主要组分在标准状态下的物理化学性质名称分子式相对分子质量摩尔体积Vm/(m3/kmol)气体常数R(J/kg·K) 密度ρ/(kg/m3)临界温度Tc/K临界压力Pc/MPa高热值Hh/(MJ/m3)高热值Hh/(MJ/kg)低热值H1/(MJ/m3)甲烷CH4 16.043 22.362 518.75 0.7174 190.58 4.544 39.842 35.906 乙烷C2H6 30.07 22.187276.64 1.3553 305.42 4.816 70.351 55.367 64.397 丙烷C3H8 44.097 21.936 188.65 2.0102 369.82 4.194101.266 51.908 93.240 正丁烷n-C4H10 58.124 21.504 143.130 2.703 425.18 3.747 133.886 50.376 123.649 异丁烷i-C4H10 58.124 21.598 143.13 2.6912 408.14 3.600 133.048 49.532 122.853 正戊烷C15H12 72.151 20.891115.27 3.4537 46.965 3.325 169.377 49.438 156.733 氢H22.016 22.427 412.67 O.0898 33.25 1.280 12.74549.042 10.786 氧O2 31.999 22.392 259.97 1.4289 154.33 4.971 —141.926 —氮N2 23.01322.403 296.95 1.2507 125.97 3.349 ——氦He 3.016 22.42 281.17 0.1345 3.35 0.118 ——二氧化磺CO2 44.010 22.26 189.04 1.9768 304.25 7.290 ———硫化氢H2S34.07622.18 244.17 1.5392 373.55 8.890 25.364 23.383 空气28.066 22.40 287.24 1.2931 132.4 3.725 —16.488—水蒸气H2O18.01521.629461.760.8330647.0021.830—名称低热值H1/(MJ/kg)爆炸极限(体积分数)/% 动力黏度μ×106/(Pa·s)运动黏度υ×106/(m2/s)沸点/℃定压比热容Cp/(kJ/m3·K)绝热指数K导热系数λ/[W/(m·K)] 偏心因子上限下限甲烷5.015.010.60 14.50 -161.49 1.545 1.309 0.03024 0.0104 乙烷50.05 2.9 13.0 8.77 6.41-88.00 2.244 1.1980.01861 0.0986 丙烷47.515 2.19.57.65 3.81-42.05 2.960 1.161 0.01512 0.1524 正丁烷46.383 1.58.56.97 2.53-0.05 3.710 1.144 0.01349 0.2010 异丁烷45.745 1.88.5-11.72 —1.144 —0.1848 正戊烷45.65 1.4 8.3 6.48 1.85 36.06 —1.121 —0.2539 氢45.381 4.0 75.98.52 93.00 -252.75 1.298 1.407 0.2163 氧120.111 ——19.86 13.60 -182.98 1.315 1.400 0.02500.0213 氮——17.00 13.30 -195.78 1.302 1.402 0.02489 0.04氦————-269.95 —1.640 ——二氧化碳———14.30 7.09-78.200.6201.304 0.01372 0.225硫化氢4.3 45.5 11.90 7.63-60.20 1.557 1.320 0.01314 0.100 空气15.192 ——17.50 13.40-192.501.3061.4010.02489—水蒸气——8.6010.12—1.4911.3350.016170.3480二、天然气中有机硫化合物的主要性质天然气中除含有H2S外，还含有数量不等的硫醇、硫醚以及微量的二硫化碳、硫化羰。
有机硫化物多数具有特殊的臭味，只要有很少量存在就能凭嗅觉察到。
因此，甲硫醇和噻吩被用作为天然气加臭剂，当输配气管道发生泄漏时能够及时察觉。
天然气中有机硫化物的主要性质见表1-3-2。
表1-3-2天然气中有机硫化合物的主要性质名称分子式相对分子质量相对密度熔点/℃沸点/℃临界温度/℃临界压力/MPa临界密度/(kg/L)溶解性能水醇醚甲硫醇CH3 SH 48.1d0=0.896 -121 5.8 196.8 7.14 0.323 溶极易溶极易溶乙硫醇C2H5SH62.13d420=0.839-121 36～37 225.25 5.420.3011.5g/100g溶溶正丙硫醇C3H7SH 76.15 d425=0.836 -112 67～68 ———难溶溶溶异丙硫醇(CH3 )2 CHSH 76.15 d425=0.809 -130.7 58～60 ———极难溶无限溶无限溶正丁硫醇C4H9SH 90.18 d425=0.837 -116 97～98 ———微溶易溶易溶2-甲基丙硫醇(CH3)2CHCH2SH90.18d420=0.836＜-7988———极微深易溶易溶叔丁硫醇(CH2 )2 CSH 90.18 ——65～67 ——————甲硫醚(CH3 )2S 62.13 d421=0.846 -83.2 37.3 229.9 0.306 0.306 不溶溶溶乙硫醚(C2H5)2S90.18d420=0.837-99.5 92～93 283.8.02790.2790.31g/100g无限溶无限溶硫化羰COS60.072.79g/L-138.2-50.2105.0——800mg/100mg 溶溶噻吩C4H4S 84.13 d415=1.070 -30 84 317.0 ——不溶溶—硫S32.06—120444.61040.0—————三、天然气中其他组分的性质1.氦氦是少数气藏天然气中可能存在的微量组分。
天然气中氦含量一般在0.01%～1.3%，但个别气藏中氦含量达到8%～9%。
如美国维尔得克特气田Santaffe8号井，天然气中氦含量高达9.5%，我国四川盆地威远气田震旦系气藏天然气中氦含量在0.25%～0.35%。
行业标准将天然气组分中含氦量达到0.1%以上者称为含氦气藏。
由于氦气的特殊性质，沸点极低3.2K(-269.8℃)，临界温度为3.35K(-269.95℃)，是无色、无臭的化学惰性气体，在工业和国防上具有特殊的用途，如作低温致冷剂、潜艇中的人造空气，用于氦气球、氦飞船等。
含氦气藏开发利用已得到高度重视。
2.氡氡是一种放射性元素，也称为镭射气，相对分子质量为222，半衰期为3.8d，为无色气体，凝点-71℃、沸点-61.8℃、密度9.73kg/m3。
由于氡的沸点靠近丙烷，因此，它趋向于在丙烷气流中富集。
当氡含量高于2000Bq/m3时，存在放射性危害。
荷兰某天然气井的氡含量达到167Bq/m3 。
我国少数气井的天然气中也有氡的显示，但含量极低。
3.水蒸气或凝析水天然气中常含有一定量的水蒸气或凝析水，其含量高低取决于天然气的压力和温度。
当天然气被水饱和时，会析出水滴，即凝析水。
凝析水往往是造成腐蚀和形成水化物的主要因素。
4.汞某些天然气中含有微量汞，在1～1000ng/m3之间，荷兰某天然气井中汞含量为4ng/m3，我国松辽盆地中央坳陷北部三肇凹陷北部汪家屯气田下白垩统扶、杨气藏天然气中汞蒸气含量高达2027ng/m3。
汞是一种重金属元素，俗称水银，常温下呈液态，银白色，易流动，密度13.596g/cm3，凝点-39℃，沸点356℃。
在常温下能与硫化合生成硫化汞。
汞不溶于水，能溶于硝酸，不被盐酸和冷硫酸侵蚀，汞蒸气对人体有毒。
阈限值(TLV)为50ng/m3时，汞蒸气会导致铝热交换器和管道产生严重腐蚀。
5.粉尘由于天然气在开采、输送和分配管网的腐蚀所夹带的固体粒子，主要成分是携入的泥沙、矿物粉尘、因腐蚀形成的氧化铁等。
这些粉尘的粒度为1～50μm。
粉尘会导致压缩机、控制系统和计量装置出现故障。
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