重要的气体化工原料天然气

天然气是指自然界中存在的一类可燃性气体，是一种化石燃料。天然气蕴藏在地下多孔隙岩层中，包括油田气、气田气、煤层气、泥火山气和生物生成气等，也有少量出于煤层。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。

一、天然气的形成

天然气的成因是多种多样的，天然气的形成贯穿于成岩、深成、后成直至变质作用的始终。千万年前死亡的大量植物和动物遗体沉积到湖泊或海洋底部，随着时间的推移，砂、泥和其他沉积物被石化了。随着这些沉积物的向上堆积，这些有机质就被保存在沉积岩内。最终，在这些不断积累的沉积层中，重量产生的压力和热力将这些有机质转变成了天然气和石油。沉积的“源”岩包括煤层、页岩及一些石灰岩，由于富含有机质而呈暗色。许多沉积盆地主要生成天然气。

⒈ 生物成因

成岩作用早期，在浅层生物化学作用带内，沉积了许多有机质，经过微生物群的发酵和合成作用，就形成了生物原因的天然气，这种天然气埋藏的深度比较浅，而且时代比较新，演化的程度也比较低，以含甲烷气为主。

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。

⒉ 有机成因

通过沉积中的有机物质，特别是腐泥型有机质在热降解成油过程中，与石油一起形成天然气。有机原因生成的气体有油型气和煤型气，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天然气称为油型气，包括湿气（石油伴生气）、凝析气和裂解气。

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。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。

⒊ 无机成因

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H2S、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。

⒋ 煤型气

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，已形成的褐煤在还原条件、一定pH值、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。在这些外部条件下，甲烷菌大量繁殖，形成了大量的甲烷气。

煤型气也可形成特大气田，煤型气在世界可燃天然气资源构成中占有重要地位。

总之，天然气要经历很长的时间才能形成，是一种再生能力较弱的资源，形成的过程中对环境的因素要求很重要，所以天然气的形成是需要一定的气候和环境条件的。

二、天然气的组成和分类

天然气主要由气态低分子烃和非烃气体混合组成。主要成分为烷烃，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、氮和水气和少量一氧化碳及微量的稀有气体，如氦和氩等。

⒈ 按在地下存在的相态可分为游离态、溶解态、吸附态和固态水合物。只有游离态的天然气经聚集形成天然气藏，才可开发利用。

⒉ 按照生成形式又可分为伴生气和非伴生气两种。

⑴ 伴生气：伴随原油共生，与原油同时被采出的油田气。其中伴生气通常是原油的挥发性部分，以气的形式存在于含油层之上，凡有原油的地层中都有，只是油、气量比例不同。

即使在同一油田中的石油和天然气来源也不一定相同。他们由不同的途径和经不同的过程汇集于相同的岩石储集层中。

⑵ 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，随着压力的下降和温度的升高，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。若为非伴生气，则与液态集聚无关，可能产生于植物物质。

⒊ 按成因分为生物成因气、油型气和煤型气。

⑴ 油型气 沉积有机质特别是腐泥型有机质在热降解成油过程中，与石油一起形成的天然气，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天然气称为油型气，包括湿气（石油伴生气）、凝析气和裂解气。由石油伴生气→凝析气→干气，甲烷含量逐渐增多，随有机质演化程度增大而增大。

⑵ 煤型气 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称为煤型气。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。

世界天然气产量中，主要是气田气和油田气。对煤层气的开采，现已日益受到重视。

⒋ 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、不含液体成份的干性天然气。

三、天然气的开采原理和方法

天然气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。

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得多。

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。

治理气藏水患主要从两方面入手，一是排水，一是堵水。主要原理是排除井筒积水，专业术语叫排水采气法。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。

常用的采气方法为：

⒈ 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。

⒉ 泡沫排水采气法 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。

⒊ 柱塞气举排水采气法 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。

⒋ 深井泵排水采气法 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。

四、天然气的理化性质

天然气具有无色、无味、无毒、易燃之特性。能被液化和固化，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高热极易燃烧爆炸，爆炸极限(V%)为5-15％。比空气轻，能扩散到相当远的地方，遇明火会引起回燃。若遇高温，容器内压增大，有开裂和爆炸的危险。天然气不溶于水，密度为0.7174kg/Nm3，相对密度（水）为约0.45(液化)燃点为650℃。

天然气燃烧产生黄色或蓝色火焰。每立方燃烧热值为8000大卡至8500大卡。每公斤液化气燃烧热值为11000大卡。气态液化气的比重为2.5公斤/立方米。每立方液化气燃烧热值为25200大卡。每瓶液化气重14.5公斤，总计燃烧热值159500大卡，相当于20立方天然气的燃烧热值。

甲烷燃烧的化学方程式

完全燃烧：

CH4+2O2=(点燃)CO2+2H2O

不完全燃烧：

2CH4+3O2=(点燃)2CO+4H2O

天然气耗氧情况计算：1立方米天然气（纯度按100%计算）完全燃烧约需2.0立方米氧气，大约需要10立方米的空气。

天然气在送到最终用户之前，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。为便于泄漏检测，还要用硫醇、四氢噻吩等来给天然气添加气味。

五、天然气的主要用途

天然气主要用途是作优质燃料和化工原料。可制造炭黑、化学药品和液化石油气等等。由天然气生产的丙烷、丁烷是现代工业的重要原料。其开发利用越来越受到世界各国的重视。从全球范围来看，天然气资源量要远大于石油，发展天然气具有足够的资源保障。

⒈ 化工原料

天然气所含甲烷、乙烷、丙烷等烷烃经加工利用，可制成合成氨、甲醇及其加工产品甲醛、醋酸等、乙烯、乙炔、二氯甲烷、四氯化碳、二硫化碳、硝基甲烷和炭黑等。

天然气经过氯化、硫化、硝化、氨化、氧化可制得甲烷的各种衍生物；

湿性天然气中的乙烷、丙烷、丁烷和天然气凝析液等，经蒸汽裂解或热裂解可生产乙烯、丙烯和丁二烯；丁烷脱氢或氧化可生产丁二烯或醋酸、甲基乙基酮、顺丁烯二酸酐等。

⒉ 工业燃料

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。天然气发电是缓解能源紧缺、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。

天然气发电，通过处理天然气以后，然后安装天然气发电机组来提供电能，

⒊ 城市燃气

特别是居民生活用燃料，包括常规天然气，以及煤层气和页岩气这两种非常规天然气。主要是生产以后并入管道，日常使用天然气。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。

⒋ 汽车燃料

以压缩天然气代替汽车用油作为汽车燃料，具有单位热值高、排气污染小、供应可靠、价格低、安全等优点。已成为世界车用清洁燃料的发展方向，而天然气汽车则已成为发展最快、使用量最多的新能源汽车。

⒌ 主要优点

天然气作为新能源。其优点有：

⑴ 绿色环保 天然气是一种洁净环保的优质能源，几乎不含硫、粉尘和其他有害物质，采用天然气作为能源，可减少煤和石油的用量，燃烧时产生二氧化碳和氮氧化物的排放仅为煤炭的一半和五分之一左右，二氧化硫的排放几乎为零，有助于减少酸雨形成，舒缓地球温室效应，因而能大大改善环境污染问题，从根本上改善环境质量。

⑵ 经济实惠 天然气与人工煤气相比，同比热值价格相当，并且天然气清洁干净，能延长灶具的使用寿命，也有利于用户减少维修费用的支出。天然气是洁净燃气，供应稳定，能够改善空气质量，因而能为地区经济发展提供新的动力，带动经济繁荣及改善环境。

⑶ 安全可靠 天然气是较为安全的燃气之一，它不含一氧化碳，无毒、易散发，比重轻于空气，不宜积聚成爆炸性气体，一旦泄漏，立即会向上扩散，不易积聚形成爆炸性气体，是较为安全的燃气。

⑷ 改善生活 随着家庭使用安全、可靠的天然气，将会极大改善家居环境，提高生活质量。

六、天然气的毒性和危害

天然气在空气中含量达到一定程度后会使人窒息。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，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。