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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
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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。
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