什么是天然气？
广义的天然气：自然界中的一切气体。如：宇宙气、大气、海洋气、岩浆岩中气体等。
狭义的天然气：地壳上部各种天然气体，主要是指聚集成气藏的烃类或非烃类气体。
我们石油和天然气地质学中讨论的主要是狭义的天然气。
天然气的分类
按相态分
天然气按相态可分为聚集性天然气和分散型天然气。
1、聚集型天然气
以游离状态聚集的天然气。进一步分三类：
- 气藏气：独立成为具有工业价值的聚集型天然气即气藏。
- 气顶气：存在于油藏顶部的聚集型天然气。
- 凝析气：含有凝析油的气藏气（是一种特殊的气藏气），含有一定量的凝析油。凝析气采出后，压力降低部分烃气因逆凝结成为油，即凝析油。
2、分散型天然气
- 油溶气：溶于石油中的天然气。
- 水溶气：溶于水中的天然气。
- 煤层气：煤层中吸附和游离态的天然气，又称为瓦斯。
- 固态气水合物：烃类气体化合物分子与水分子结合形成的固态化合物。俗称可燃冰（左下图）。
- 页岩气：页岩气是指富含有机质、成熟的暗色泥页岩或高碳泥页岩中由于有机质吸附作用或岩石中存在着裂缝和基质孔隙，使之储集和保存了一定具商业价值的生物成因、热解成因及二者混合成因的天然气。
按与油藏位置或成因关系分
1、伴生气
位置上伴生气：气顶气、油溶气和油藏周围（上、中、下方）的气。
成因上伴生气：成油过程中形成的各种天然气。
2、非伴生气
位置上非伴生气：与油藏分布没有关系。例如：某些气藏气。
成因上非伴生气：煤系有机质或未成熟 的有机质形成的生物成因天然气。
天然气的化学组成
气藏和油气藏中的天然气无论是气藏类型，还是气体中化合物组成，都是以烃类气体为主，含有少量非烃类气体。
烃类
1、甲烷：是烃类气体主要化合物。
2、重烃气（乙烷及其以重， C2+ ）：其中以乙烷和丙烷为主。有时有少量的环烷烃和芳香烃。
根据烃类天然气中甲烷气和重烃气含量，常将其分两类：
（1）干气：C2+ <5% 。
（2）湿气：C2+ > 5%。
表1 典型干、湿气烃类组成表
| 按烃类天然气中甲烷气和重烃气含量分 | 天然气组成（体积%） | |||||
| CH4 | C2H6 | C3H8 | C4H10 | ＞C5H12 | 非烃 | |
| 典型湿气 | 84.6 | 6.4 | 5.3 | 2.6 | 1.1 | |
| 典型干气 | 96 | 2 | 0.6 | 0.3 | 1.1 | |
来源：Heron（1964）
非烃类组成
气藏气中常见的非烃气有N2、CO2、H2S、H2、CO、Hg蒸气及惰性气体，有时还含有少量有机硫、氧、氮化合物。非烃气的含量一般小于10%，但亦有少量非烃气的含量超过10%，极少数是以非烃气为主的气藏，如N2气藏，CO2气藏、H2S气藏。
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，而常与其它气体共存于气藏中，少部分则溶于石油及地层水中。在泉水中微量稀有气体，具有医疗价值。但要使稀有气体作为气藏来开采，必须含有相当大的浓度，而且数量相当大时，才有经济价值。
天然气的物理性质
分子大小
见表2和表3。
表2 石油、天然气的各种化合物分子长度
| 组成 | 甲烷/硫化氢 | 二氧化碳 | 乙烷 | 丙烷/异丁烷 | 正烷烃 | 杂环化合物 | 沥青质 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 长度（10-10m） | 4.2 | 4.7 | 5.5 | 6.5 | 4.2-40 | 15-30 | >50 |
表3 天然气、水和液-固态烃类和非烃类化合物分子有效直径
| 分子 | 有效直径（10-10m） | 分子 | 有效直径（10-10m） | 分子 | 有效直径（10-10m） |
|---|---|---|---|---|---|
| 氦 | 2.0 | 二氧化碳 | 3.3 | 正烷烃 | 4.8 |
| 氢 | 2.3 | 氮 | 3.4 | 环烷烃 | 5.4 |
| 氩 | 2.9 | 甲烷 | 3.8 | 杂环化合物 | 10-30 |
| 水 | 3.2 | 苯 | 4.7 | 沥青质 | 50-100 |
由上表可以看出，天然气化合物分子的长度和有效直径要比石油化合物分子长度和有效直径一般要小，前者更有利于运移。
表观分子量
表观分子量（Mg）：天然气中各种化合物平均分子量，按下式计算：
Mg = ∑Yi·Mi
上式中，Yi 、Mi分别是第i 种化合物的摩尔分数和分子量。
密度和相对密度
1、密度（rg）：
rg = P · Mg /Z · R · T
上式中，P-压力， Mg -表观分子量，Z-压缩因子（理想气体等于1），R-通用气体常数，T-绝对温度。
天然气的密度：在地表一般0.7—0.75kg/m3；在地下可达150—250kg/m3 ，凝析气可达225—450kg/m3 。
2、相对密度（rg）
天然气的相对密度：常温常压下天然气的密度（ ρ g ）和空气的密度（ ρa ）之比。
rg = rg / ra = Mg / Ma
上式中， Ma为空气的表观分子量（28.97）。天然气的相对密度0.56—1.0之间。因此，它们通常比空气要轻。
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 = C · P
上式中P为压力，C为溶解系数或亨利系数（即：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。
各种化合物的溶解系数是不同的，与温度和水中其它溶质浓度含量有关。常温下各种常见的烃类化合物及非烃类气体在纯水中溶解系数见表4。当水中含溶解有二氧化碳时，烃类气体溶解度会增加。
表4 常见的天然气组分在纯水的溶解系数（20℃，1×105Pa）
| 天然气组分 | 甲烷 | 乙烷 | 丙烷 | 丁烷 | 异丁烷 | 二氧化碳 | 硫化氢 | 氮气 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 溶解系数 | 0.033 | 0.047 | 0.037 | 0.036 | 0.025 | 0.87 | 2.58 | 0.016 |
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。
粘度
混合气体的动力粘度（ mg）用下式表示：
mg =∑m i · Yi · Mi0。5/∑Yi · Mi0。5
上式中， m 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小得多，一般只有后者百分之几。
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。常温下甲、乙、丙烷的吸附值如表5。
表5 岩石对气态烃吸附值
| 气体 | 岩石 | 压力（mmHg※） | 吸附含量（cm3/kg） |
|---|---|---|---|
| 甲烷 | 砂岩 | 685.8 | 29.6 |
| 粘土 | 762.25 | 71.8 | |
| 丙烷 | 砂岩 | 73.87 | 600.6 |
| 粘土 | 725.07 | 1,012.90 | |
| 丁烷 | 砂岩 | 791.53 | 1,152.30 |
| 粘土 | 690.4 | 1,643.90 |
热值
烃类天然气是优质的燃料
烃类气、液相态
单组分相图
以丙烷为例，简单地说明烃类气体相态的变化特点（图1）,由该图可以得出下列几个概念：
- 露点：相图中气体开始液化的点（图1中A和A’点）。
- 泡点：相图中液体开始汽化的点（图1中B和B’点）。
- 临界点（K）：泡点线和露点线的交点。
- 临界温度（ Tk ）：临界点对应的温度。高于此温度，无论压力多大，都不产生液相。或者说，不产生液相（只产生气相）的最低温度（图1中Tk=96.7C）。
- 临界压力（ Pk ）：临界点对应的压力。或者说，气液共存的最大压力。换言之，高于此压力，无论温度多少，都不能产生气液共存。
多组分相图
图2是一烃类多组分相图,由该图得出下列几个概念：
- 临界凝析温度点（K1）：PT相图中产生液相最高温度点。换言之，高于此温度，无论压力多大，都不产生液体（和凝析油气？）。
- 临界凝析压力点（K2）：PT相图中能产生其液相共存的最高压力点。换言之，高于此压力，无论温度多少，都不能产生气液共存（只是或液 或气或凝析油气）。
- 逆蒸发：随压力增加（或随温度降低），液态烃转变为气态烃的现象。K1-K露点线为“逆露点线”。
- 逆凝结：随压力降低（或随温度增加），气态烃转变为液态烃的现象。
思考题
1、解释下列名词：天然气、煤层气、固态气水合物、干气、湿气、天然气表观分子量、泡点和露点、临界温度、临界压力。
2、天然气的分类。
3、天然气的化学组成。
4、天然气的物理性质。