天然气及其组分的物理化学性质

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

22.187

276.64

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

4.194

101.266

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

20.891

115.27

3.4537

46.965

3.325

169.377

49.438

156.733

氢

H2

2.016

22.427

412.67

O.0898

33.25

1.280

12.745

49.042

10.786

氧

O2

31.999

22.392

259.97

1.4289

154.33

4.971

—

141.926

—

氮

N2

23.013

22.403

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

H2S

34.076

22.18

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

H2O

18.015

21.629

461.76

0.8330

647.00

21.830

—

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

5.0

15.0

10.60

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

1.198

0.01861

0.0986

丙烷

47.515

2.1

9.5

7.65

3.81

-42.05

2.960

1.161

0.01512

0.1524

正丁烷

46.383

1.5

8.5

6.97

2.53

-0.05

3.710

1.144

0.01349

0.2010

异丁烷

45.745

1.8

8.5

-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

75.9

8.52

93.00

-252.75

1.298

1.407

0.2163

0

氧

120.111

—

—

19.86

13.60

-182.98

1.315

1.400

0.0250

0.0213

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

-78.20

0.620

1.304

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

-192.50

1.306

1.401

0.02489

—

水蒸气

—

—

8.60

10.12

—

1.491

1.335

0.01617

0.3480

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

CH3SH

48.1

d0=0.896

-121

5.8

196.8

7.14

0.323

溶

极易溶

极易溶

乙硫醇

C2H5SH

62.13

d420=0.839

-121

36～37

225.25

5.42

0.301

1.5g/100 g

溶

溶

正丙硫醇

C3H7SH

76.15

d425=0.836

-112

67～68

—

—

—

难溶

溶

溶

异丙硫醇

(CH3)2CHSH

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)2CHCH2SH

90.18

d420=0.836

＜-79

88

—

—

—

极微深

易溶

易溶

叔丁硫醇

(CH2)2CSH

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)2S

90.18

d420=0.837

-99.5

92～93

283.8

.0279

0.279

0.31g/100g

无限溶

无限溶

硫化羰

COS

60.07

2.79g/L

-138.2

-50.2

105.0

—

—

800mg/100mg

溶

溶

噻吩

C4H4S

84.13

d415=1.070

-30

84

317.0

—

—

不溶

溶

—

硫

S

32.06

—

120

444.6

1040.0

—

—

—

—

—

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。