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1、1,第2章 天然气资源产状及性质,第1节 天然气产状第2节 天然气化学组成第3节 天然气物理性质第4节 天然气同位素,2,2.1.1、天然气的概念广义：自然界存在的一切天然气体。狭义：地壳上部存在的各种天然气体，以烷烃气为主。中国古代文献，被称为火井、井火、阴气、毒气、圣灯、火龙、火泉等。,2.1 天然气产状,3,2.1.2、天然气产状,1)相态,游离态,溶解态,吸附态,固态气水合物,2)分布特点,聚集型气,分散型气,3)与油的关系,伴生气,非伴生气,Associated gas,Non-associated gas,Aggregated gas,Decentralized gas,free
2、gas phase,the gas dissolved in oil/water,the coal bed gas,the methane hydrate,4,1、天然气的概念广义：自然界存在的一切天然气体。,5,2.1.2、天然气产状,condensed gas,6,凝析气：特殊的气藏气。地层高温、高压下，呈气态，采出后反而呈液态油。,气水合物：特殊温压条件下，气分子与水分子形成的固态结晶化合物。,7,天然气水合物相图,8,天然气水合物结构图,9,10,第2章 天然气资源产状及性质,第1节 天然气产状第2节 天然气化学组成第3节 天然气物理性质第4节 天然气同位素,11,化学组成,烃类：甲-
3、戊烷，C1-C5,非烃类：N2、CO2、H2S等,2 天然气资源产状及性质,2.2 天然气化学组成,12,化学组成：烃类为主，甲-戊烷，C1-C5；非烃类次之，N2、CO2、H2S等，,2 天然气资源产状及性质,2.2 天然气化学组成,13,14,化学组成：烃类为主，甲-戊烷，C1-C5；非烃类次之，N2、CO2、H2S等 烃类中，C1为主，C2+（重烃）为次，重烃中，C2和C3-含量较高，C4 少见。一般规律：碳数增加，含量减少。干气：C2+（重烃）含量体积百分比5%，湿气：C2+（重烃）含量体积百分比5%，亦有其他类似划分标准。,2 天然气资源产状及性质,2.2 天然气化学组成,15,烃类
4、中，C1为主，C2+（重烃）为次，重烃中，C2和C3含量较高，C4 少见。一般规律：碳数增加，含量减少。烃类气体组成的控制因素：热成熟作用 气源岩母质类型 运移过程的“地层色层效应”生物作用 水洗作用 混源,2 天然气资源产状及性质,2.2 天然气化学组成,16,热成熟作用 未成熟成熟过成熟 甲烷含量高 低 高，重烃反之 气源岩母质类型 油型气重烃含量偏高，10-40%者多见；煤成气重烃含量偏低，高于20%者罕见。故 腐泥型有机质 比 腐植型有机质 可生成更多的重烃气。,2 天然气资源产状及性质,2.2 天然气化学组成,原因：腐泥型有机质 富含长链结构，断链后成重烃。腐植型有机质 富含环状结构
5、，侧链短，只能成甲烷。,17,运移过程的“地层色层效应”甲烷分子小，扩散系数大，运移快，运移后含量相对增加。重烃相反。生物作用 1）、微生物直接产生天然气：生物成因气甲烷含量高。2）、微生物降解作用，长链变短链，重烃减少、甲烷增加。,2 天然气资源产状及性质,2.2 天然气化学组成,18,水洗作用 地下水的活动影响天然气烃类组成,2 天然气资源产状及性质,2.2 天然气化学组成,混源 不同来源的天然气的混合使天然气组成复杂化。我国绝大多数气藏属于混源气藏。,19,化学组成：烃类为主，甲-戊烷，C1-C5；非烃类次之，N2、CO2、H2S等 非烃类中，N2、CO2、H2S、H2、Hg、He 一般
6、含量10%，极少数含量10%或更高。,2 天然气资源产状及性质,2.2 天然气化学组成,20,非烃类中，N2、CO2、H2S、H2、Hg、He 一般含量10%，极少数含量10%或更高。,2 天然气资源产状及性质,2.2 天然气化学组成,N2:世界上83%气藏中N2浓度在0.4-12.5%,古老地台N2含量较高。N2含量10%气藏称为高氮气藏。我国天然气，N2含量4%的居多。天然气 N 的来源：生物来源：蛋白质-氨基酸-氮化物-N2 大气来源：空气中 N2 最多 岩浆来源：岩浆析出,21,22,非烃类中，N2、CO2、H2S、H2、Hg、He 一般含量10%，极少数含量10%或更高。,2 天然气
7、资源产状及性质,2.2 天然气化学组成,CO2：天然气中CO2含量一般很低，大多2%。但也有高的,可单独成藏。,23,非烃类中，N2、CO2、H2S、H2、Hg、He 一般含量10%，极少数含量10%或更高。,2 天然气资源产状及性质,2.2 天然气化学组成,CO2：天然气中CO2成因分 有机、无机 2 类。有机成因：有机质降解可产生一定量的 CO2。如型干酪根。无机成因：1）碳酸盐岩分解 CaCO3=CaO+CO2 2）岩浆成因-温压降低，析出CO2。研究表明，含量高于 50%的 CO2 一般是无机成因。,24,非烃类中，N2、CO2、H2S、H2、Hg、He 一般含量10%，极少数含量10
8、%或更高。,2 天然气资源产状及性质,2.2 天然气化学组成,H2S：天然气中H2S 含量一般极微，以H2S占优势的H2S气藏极其罕见。H2S1%的气藏为富硫化氢气藏。已知气藏中含H2S最高的是美国南Texas奥陶系灰岩气藏，H2S含量达98。,25,非烃类中，N2、CO2、H2S、H2、Hg、He 一般含量10%，极少数含量10%或更高。,2 天然气资源产状及性质,2.2 天然气化学组成,含H2S5的气田具有商业价值，是硫磺的工业来源。H2S 集中分布于碳酸盐-硫酸盐岩地层中。我国四川盆地、冀中发现H2S气藏。,26,储层岩性,27,非烃类中，N2、CO2、H2S、H2、Hg、He 一般含量
9、10%，极少数含量10%或更高。,2.2 天然气化学组成,H2S 成因：3种 生物成因微生物还原作用，低温、浅埋 热化学成因含硫有机质热解 或 高温加 H 使硫酸盐还原，高温、深埋 岩浆成因岩浆上侵过程析出H2S。除上述外，还有痕量到微量的稀有气体，如氦、氖、氪、氩、氙、氡等惰性气体，它们在沉积圈中含量较低，不能单独形成气藏，而常与其他气体共存于气藏中，少部分则溶于石油及地层水中。,28,第2章 天然气资源产状及性质,第1节 天然气产状第2节 天然气化学组成第3节 天然气物理性质第4节 天然气同位素,29,2 天然气资源产状及性质,2.3 天然气物理性质,常见天然气组成的基本物性常数,30,2
10、 天然气资源产状及性质,2.3 天然气物理性质,1）天然气分子大小 天然气分子很小，比石油中的液态烃、固态烃和杂原子化合物的分子小得多。此乃天然气易扩散、易运移、易渗漏，难保存之根本原因。,组成天然气、石油的化合物分子长度,天然气、水和液固态烃类和非烃类化合物分子有效直径，一般比分子长度要小。,31,2.3 天然气物理性质,2）天然气表观分子量 天然气是烃类为主的混合气，没有确定的分子量。其分子量由各种组成分子按照百分含量累加而得。气体混合物的分子量称为表观分子量，或视分子量。,式中Mg为气体混合物的表观分子量；Yi、Mi 分别为气体组分的摩尔分数和分子量。,32,2 天然气资源产状及性质,2
11、.3 天然气物理性质,3）天然气密度、相对密度天然气密度：单位体积天然气的重量。,式中g为天然气的密度；Mg、Vg 分别为天然气重量和体积。地层条件下，可根据气体状态方程导出：,式中M：平均表观分子量，P：气层压力，Z：压缩因子，T：蓝氏绝对温度（oR=459.69+）,为何平均表观分子量？,33,2 天然气资源产状及性质,2.3 天然气物理性质,3）天然气密度、相对密度天然气密度：单位体积天然气的重量。,地层条件下，天然气密度随分子量M压力P乘积增大而增大，随温度T增大而减小。地层天然气密度，一般150-250kg/m3，凝析气密度，可达225-450 kg/m3。,34,地层条件下天然气密
12、度，可根据条件查诺模图（nomogram）获得,35,2 天然气资源产状及性质,2.3 天然气物理性质,4）天然气的逆凝结、逆蒸发(1)单组分等温P-V关系 丙烷临界温度96.67,高于此温度，不可液化。低于96.67，在适当压力下可液化。Ai：开始液化点；Bi：完全液化点。,开始液化前，随P,气体V;开始液化后，P不变,气体V继续;完全液化后,随P,液体V减小极小.都属于正常的相态转化.,36,2.3 天然气物理性质,4）天然气逆凝结、逆蒸发(2)多组分相图,百分比:液相的量,线5:露点线,线4:泡点线 B2 B1，压力增大，气相增加，称逆蒸发；B1 B2，压力降低，液相增加，称逆凝结；凝析
13、气藏形成的原理。,37,2 天然气资源产状及性质,2.3 天然气物理性质,3）天然气密度、相对密度相对密度（比重）：相同温度、压力下，天然气的密度与空气密度的比值。,式中rg为天然气的相对密度。,38,4)、溶解度 天然气溶解度：单位体积的溶剂溶解天然气的体积。（1）在水中溶解度 天然气在水中溶解度（Q）用亨利公式表示：Q=CP 上式中P为压力，C为溶解系数或亨利系数（即：亨利系数一个大气压下单位体积水溶解天然气的体积）。天然气溶解度与压力成正比。,39,4)、溶解度 天然气溶解度：单位体积的溶剂溶解天然气的体积。（1）在水中溶解度 各种化合物的溶解系数是不同的，与温度和水中其他溶质浓度含量有
14、关。常温下各种常见的烃类化合物及非烃类气体的在纯水中溶解系数见表。当水中含溶解有二氧化碳时，烃类气体溶解度会增加。,表113 常见的天然气组分在纯水的溶解系数（20，1105Pa）,40,4)、溶解度 天然气溶解度：单位体积的溶剂溶解天然气的体积。（2）在石油中溶解度 烃类天然气在石油中溶解度（或溶解系数）大大高于在水中溶解度（溶解系数）。一方面较重烃气溶解度较大，另一方面轻馏分较重馏分有更大的溶解天然气能力。,原因？有机质相似相溶原理-重烃气与轻质馏分分子相似！C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C20C35,41,5)、粘度(动力粘度=绝对粘度，运动粘度=动力粘度/密度)混合气
15、体的动力粘度（g）取决于其组成，用下式表示：g=iYiMi0.5/YiMi0.5上式中，i、Yi、Mi分别是第i种气体化合物的粘度、摩尔分数和分子量。天然气的动力粘度要比石油（1-几十cp）、水（1cp）小得多，一般只有千分之几到百分之几。,42,6)、吸附作用 天然气被岩石吸附的现象。单位质量岩石吸附天然气量大小与岩石类型和天然气化合物类型以及压力温度等有关有关。常温下甲、乙、丙烷的吸附值如表2-9。表1-14 岩石对气态烃吸附值7)、热值 烃类天然气是优质的燃料。,43,第2章 天然气资源产状及性质,第1节 天然气产状第2节 天然气化学组成第3节 天然气物理性质第4节 天然气同位素,44,
16、2 天然气资源产状及性质,2.4 天然气同位素,同位素概念 具有相同原子序数而不同的原子量的元素。分为 稳定同位素 和 放射性同位素 同位素的值：,式中，Rs、Rr分别为样品、标准的同位素比值。,45,2 天然气资源产状及性质,2.4 天然气同位素,同位素分馏作用 物质间同位素的转移和分配作用,称为同位素分馏作用.有:同位素交换反应：12CO2+13CH4 13CO2+12CH4热力反应和化学反应:高温烃富13C蒸发与扩散:残余部分富重同位素,13C、D等,46,2 天然气资源产状及性质,2.4 天然气同位素,15N、18O等的标准,47,2 天然气资源产状及性质,2.4 天然气同位素,世界天
17、然气甲烷 13C分布,反映生物作用、热力作用、化学动力学的结果,48,2 天然气资源产状及性质,2.4 天然气同位素,我国天然气甲烷 13C分布,反映生物作用、热力作用、化学动力学的结果,49,2 天然气资源产状及性质,2.4 天然气同位素,（1）鉴别成因类型无机成因天然气 13C1-20，有机成因天然气 13C1-20，但有不同意见。相同成熟度下，油型气：富12C，13C1较小，煤型气：富13C，13C1较大，如Ro=0.8%时，油型气 13C1=-42.4-45.5，煤型气 13C1=-28.8-33.6，如Ro=1.0%时，油型气 13C1=-41.0-43.4，煤型气 13C1=-28
18、.0-34.5，,50,51,52,2 天然气资源产状及性质,2.4 天然气同位素,（1）鉴别成因类型（2）判断天然气成熟度 有机质热演化成因的天然气，成熟度越高，越富13C，13C1越大。为什么？Stahl(1975)，西北欧和北美天然气甲烷 13C R0,53,2 天然气资源产状及性质,2.4 天然气同位素,（2）判断天然气成熟度,我国 油 型气,13C1()=21.72logR0-43.31,54,2 天然气资源产状及性质,2.4 天然气同位素,（2）判断天然气成熟度,我国 煤 型气,13C1()=0.864logR0-32.8,55,2 天然气资源产状及性质,2.4 天然气同位素,（2
19、）判断天然气成熟度,煤成甲烷气：13C1=14.12logRo-34.39,我国,油型甲烷气：13C1=15.80logRo-42.20,煤成乙烷气：13C2=8.16logRo-25.71,煤成丙烷气：13C3=7.12logRo-24.03,56,注意：甲烷、乙烷、丙烷的关系,57,2 天然气资源产状及性质,2.4 天然气同位素,我国：从+7到-39 世界：从+27到-42,二氧化碳的碳同位素:无机成因的 高于 有机成因的!why?,58,2 天然气资源产状及性质,2.4 天然气同位素,二氧化碳的碳同位素与CO2含量关系,I,IV,有机成因的：13C值-10、CO2含量高-低；共存区、混源
20、区过渡,59,2 天然气资源产状及性质,2.4 天然气同位素,无机的：幔源的，高3He/4He 壳源的，低3He/4He,60,2 天然气资源产状及性质,2.4 天然气同位素,氢的同位素 我国 D分布,61,2 天然气资源产状及性质,2.4 天然气同位素,氢的同位素 我国部分生物气的 D分布-一般小于-190,生物甲烷氢同位素明显受沉积环境制约:苏北启东，海陆交互相，D1-190,62,2 天然气资源产状及性质,2.4 天然气同位素,氢的同位素 D：热演化的标尺,13DCH4=35.5logRo-152,63,2 天然气资源产状及性质,2.4 天然气同位素,甲烷及其同系物的氢同位素：随碳数增大，D变重,64,2004.2 中国地质大学石油系 徐思煌,2 天然气资源产状及性质,2.4 天然气同位素,C、D同位素联合使用于气-气对比,煤成气,油型气,65,
