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简介

天然气天然气

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、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类和非烃类气体的混合物。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丁烷,此外一般还含有硫化氢、二氧化碳和水气,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。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,相较于煤炭、石油等能源具有使用安全、热值高、洁净等优势。[7]

成因
天然气管道天然气管道

天然气的形成贯穿于成岩、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。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。[6]

生物成因气

 1.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。

2.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,div优先还原SO42-→S2-形成金属硫化物或divS等,因此CO2不能被div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Eh<-300mV为宜(即地层水中的氧和SO42-依次全部被还原以后,才会大量繁殖);其次对pH值要求以靠近中性为宜,一般6.0~8.0,最佳值7.2~7.6;再者,甲烷菌生长温度O~75℃,最佳值37~42℃。没有这些外部条件,甲烷菌就不能大量繁殖,也就不能形成大量甲烷气。

3.化学组成

生物成因气的化学组成几乎全是甲烷,其含量一般>98%,高的可达99%以上,重烃含量很少,一般<1%,其余是少量的N2和CO2。因此生物成因气的干燥系数(Cl/∑C2+)一般在数百~数千以上,为典型的干气,甲烷的δ13C1值一般-85~-55‰,最低可达-100‰。世界上许多国家与地区都发现了生物成因气藏,如在西西伯利亚683-1300米白垩系地层中,发现了可采储量达10.5万亿m3的气藏。我国柴达木盆地(有些单井日产达1百多万方)和上海地区(长江三角洲)也发现了这类气藏。

油型气

1.概念

油型气包括湿气(石油伴生气)、凝析气和裂解气。它们是沉积有机质特别是腐泥型有机质热降解成油过程中,与石油一起形成的,或者是在后成作用阶段由有机质和早期形成的液态石油热裂解形成的。

2.形成与分布

与石油经有机质热解逐步形成一样,天然气的形成也具明显的垂直分带性。

在剖面最上部(成岩阶段)是生物成因气,在深成阶段后期是低分子量气态烃(C2~C4)即湿气,以及由于高温高压使轻质液态烃逆蒸发形成的凝析气。在剖面下部,由于温度上升,生成的石油裂解为小分子的轻烃直至甲烷,有机质亦进一步生成气体,以甲烷为主石油裂解气是生气序列的最后产物,通常将这一阶段称为干气带。

由石油伴生气→凝析气→干气,甲烷含量逐渐增多,故干燥系数升高,甲烷δ13C1值随有机质演化程度增大而增大。

对中国四川盆地气田的研究(包茨,1988)认为,该盆地的古生代气田是高温甲烷生气期形成的,从三叠系→震旦系,干燥系数由小到大(T:35.5→P:73.1→Z:387.1),重烃由多到少。川南气田中,天然气与热变沥青共生,说明天然气是由石油热变质而成的。

煤型气

1.概述

煤型气是指煤系有机质(包括煤层和煤系地层中的分散有机质)热演化生成的天然气。

煤田开采中,经常出现大量瓦斯涌出的现象,如四川合川县一口井的瓦斯突出,排出瓦斯量竟高达140万立方米,这说明,煤系地层确实能生成天然气。

煤型气是一种多成分的混合气体,其中烃类气体以甲烷为主,重烃气含量少,一般为干气,但也可能有湿气,甚至凝析气。有时可含较多Hg蒸气和N2等。

煤型气也可形成特大气田,1960S以来在西西伯利亚北部K2、荷兰东部盆地和北海盆地南部P等地层发现了特大的煤型气田,这三个气区探明储量22万亿m3,占世界探明天然气总储量的1/3弱。据统计(M.T哈尔布蒂,1970),在世界已发现的26个大气田中,有16个属煤型气田,数量占60%,储量占72.2%,由此可见,煤型气在世界可燃天然气资源构成中占有重要地位。我国煤炭资源丰富,据统计有6千亿吨,居世界第三位,聚煤盆地发育,现已发现有煤型气聚集的有华北、鄂尔多斯、四川、台湾—东海、莺歌海—琼东南、以及吐哈等盆地。经研究,鄂尔多斯盆地中部大气区的气多半来自上古生界C-P煤系地层(上古∶下古气源=7∶3或6∶4),可见煤系地层生成天然气的潜力很大。

2.成煤作用与煤型气的形成

成煤作用可分为泥炭化和煤化作用两个阶段。前一阶段,堆积在沼泽、湖泊或浅海环境下的植物遗体和碎片,经生化作用形成煤的前身——泥炭;随着盆地沉降,埋藏加深和温度压力增高,由泥炭化阶段进入煤化作用阶段,在煤化作用中泥炭经过微生物酶解、压实、脱水等作用变为褐煤;当埋藏逐步加深,已形成的褐煤在温度、压力和时间等因素作用下,按长焰煤→气煤→肥煤→焦煤→瘦煤→贫煤→无烟煤的序列转化。

无机成因气

地球深部岩浆活动、变质岩和宇宙空间分布的可燃气体,以及岩石无机盐类分解产生的气体,都属于无机成因气或非生物成因气。它属于干气,以甲烷为主,有时含CO2、N2、He及divS、Hg蒸汽等,甚至以它们的某一种为主,形成具有工业意义的非烃气藏。

1. 甲烷

无机合成:CO2 + div → CH4 + divO 条件:高温(250℃)、铁族元素

地球原始大气中甲烷:吸收于地幔,沿深断裂、火山活动等排出

板块俯冲带甲烷:大洋板块俯冲高温高压下脱水,分解产生的H、C、CO/CO2→CH4

2. CO2

天然气中高含CO2与高含烃类气一样,同样具有重要的经济意义,对于CO2气藏来说,有经济价值者是CO2含量>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。

3.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+。

4.divS

全球已发现气藏中,几乎都存在有divS气体,divS含量>1%的气藏为富divS的气藏,具有商业意义者须>5%。

5.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1.39×10-6→>10-5,后者则由295.6→>2000。

主要用途

1、天然气发电,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。

2、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。

3、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。

4、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、安全等优点。[5]

安全性
天然气装置天然气装置

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。 
1、CH4 (甲烷, methane) - 沸点 -107℃ 
2、C2H6(乙烷, ethane) - 沸点 -67℃ 
3、C3H8 (丙烷, prop ane) - 沸点 -43℃ 
4、C4H10 (丁烷, butane) - 沸点 -0.5℃ 
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。[4]

中国分布

中国沉积岩分布面积广,陆相盆地多,形成优越的多种天然气储藏的地质条件。根据1993年全国天然气远景资源量的预测,中国天然气总资源量达38万亿m3,陆上天然气主要分布在中部和西部地区,分别占陆上资源量的43.2%和39.0%。 中国天然气资源的层系分布以新生界第3系和古生界地层为主,在总资源量中,新生界占37.3%,中生界11.1%,上古生界25.5%,下古生界26.1%。天然气资源的成因类型是,高成熟的裂解气和煤层气占主导地位,分别占总资源量的28.3%和20.6%,油田伴生气占18.8%,煤层吸附气占27.6%,生物气占4.7%。

中国天然气探明储量集中在10个大型盆地,依次为:渤海湾、四川、松辽、准噶尔、莺歌海-琼东南、柴达木、吐-哈、塔里木渤海鄂尔多斯。中国气田以中小型为主,大多数气田的地质构造比较复杂,勘探开发难度大。1991-1995年间,中国天然气产量从160.73亿m3增加到179.47亿m3,平均年增长速度为2.33%。[2]

开采
压缩天然气减压站压缩天然气减压站

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。

由于天然气密度小,为0.75~0.8千克/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。[3]

运输与储存
天然气运输天然气运输

在天然气利用过程中的主要困难是储存与运输。天然气管道的方案是非常经济的,但在需要穿越大洋的情况下并不可行。

具有贮藏罐的液化天然气运输船槽车只能短途运输液化天然气(Liquefied Natural Gas,缩写为LNG)或压缩天然气(Compressed Natural Gas,缩写为CNG),而液化天然气油轮则可以横渡大洋来运输液化天然气。远洋轮船会直接运输到最终用户那里,或是运到像管道这类能将天然气进一步输送的配送点那里。但是这种方式会因需要额外的设施在生产地点进行气体的液化或压缩而花费更多的资金,这种额外设施称为液化天然气站,并且还相应需要在最终用户或输入管道的设施那里进行气化或减压的处理。 

天然气经常以压缩天然气的形态储存在盐穹(salt dome),天然气井中采空后遗留的地下洞穴,或者以液化天然气的形态储存于气罐中。在市场需求低迷的时候,天然气就会注入这些地方储存起来,待到需求旺盛的时候提取。存贮点设在最终用户附近最有助于满足不断波动的需求,但实际操作中也可能有各种阻碍的因素。

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参考资料