石油天然氣的性質(zhì)

石油．天然氣的性質(zhì)石油、烴類天然氣是貯存于地下、可流動的、可燃的、不可再生的礦產(chǎn)資源，是自然界化石燃料的重要類別。石油、烴類天然氣是各種碳氫化合物組成的、復雜的自然混合物。其構(gòu)成的主要元素為碳和氫，也通稱為烴類礦產(chǎn)。石油是一種液態(tài)的、可燃的碳氫化合物的混合物。在地下形成并貯集于各種孔隙、縫隙巖石中的稱之為天然石油，也叫原油；從煤或油頁巖中提煉出來的可燃液體，稱之為人造石油。天然氣從廣義說，系指在大氣圈和地殼內(nèi)形成的各種天然的氣體，包括氮氣、二氧化碳氣、硫化氫氣、碳氫化合物氣以及氦氣。本章專述碳氫化合物氣體。碳氫化合物氣體，也稱烴類氣體。由于現(xiàn)今其他氣體成藏發(fā)現(xiàn)的比例少，因此人們又慣用“天然氣”的稱謂以表述烴類天然氣。石油、天然氣是當今世界主要的能源和重要的化工原料。其產(chǎn)品廣泛應用于人類社會活動的各個領(lǐng)域，深深地滲透在人們生活的方方面面，幾乎是無所不在。20世紀，由于石油在“世界經(jīng)濟中發(fā)揮深遠的影響，石油價格的重大變動能夠刺激經(jīng)濟增長或促進通貨膨脹和引起衰退”，“石油作為一種商品與國家戰(zhàn)略、全球政治和實力緊密地交織在一起”（丹尼爾?耶金，1991）,因此，從世界已經(jīng)發(fā)生過的形式多樣的爭奪和競爭、以致戰(zhàn)爭（如1973年中東和1991年海灣地區(qū)的戰(zhàn)爭等），充分反映了石油在當今世界所扮演的主導角色和所占有的極其重要的地位。20世紀常被形容為“石油的世紀”。中國是世界上最早發(fā)現(xiàn)和利用天然氣的國家，也是世界上最早發(fā)現(xiàn)和利用石油的國家之一。由于長期處在封建社會的統(tǒng)治，特別是近100多年的半封建、半殖民地制度的禁錮，尤其是帝國主義的侵略以及為其侵占中國的市場而鼓吹的“中國貧油”的束縛，因此中國的石油工業(yè)，大大滯后于世界發(fā)展之走勢，與世界工業(yè)國家相比，差距巨大，落后明顯。1949年，中華人民共和國成立，石油工業(yè)開始進入了新的發(fā)展時期。建國初期，國家非常重視能源工業(yè)的發(fā)展，建立專門機構(gòu)統(tǒng)一籌劃。重視運用已有的石油地質(zhì)理論，特別注重應用了我國地質(zhì)學家針對中國地質(zhì)實際而提出的評價，組織了規(guī)模很大的石油地質(zhì)調(diào)查實踐，積累了資料，深化了認識，指出了重點，并主要依靠自己的力量，用最短的時間，以最快的速度發(fā)現(xiàn)并建起了規(guī)模巨大的油田——大慶油田。這對于面臨百廢待興、百業(yè)待舉，發(fā)展經(jīng)濟的新中國無疑是輸進了巨大活力的“血液”，極大地支持了各行各業(yè)的恢復和發(fā)展。周恩來總理在1963年12月舉行的二屆人大一次會議上宣布：中國需要的石油，現(xiàn)在可以基本自給，中國人民使用“洋油”的時代即將一去不復返了。大慶油田的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)，作為中國石油工業(yè)發(fā)展的光輝里程碑，既預示了中國石油資源的巨大潛力，又更有力地推進了石油勘探和開發(fā)進程。幾十年來，我國石油工業(yè)在黨和政府的關(guān)懷和領(lǐng)導下，在有關(guān)部委和地方政府的支持下，在石油、地質(zhì)部門和中國科學院等的共同努力下，發(fā)現(xiàn)了一批又一批油氣田，建起了一個又一個生產(chǎn)開發(fā)基地，成為國家的重點行業(yè)，對國民經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮過并將繼續(xù)發(fā)揮著巨大的作用。石油，有天然石油與人造石油之分，本節(jié)主要簡述從地下采出的天然石油即原油的性質(zhì)。天然氣則專述可燃的碳氫化合物氣體。（一）石油的化學組成自然界中，碳氫化合物種類繁多，已知的有數(shù)百種。但構(gòu)成石油的碳氫化合物，從其對石油性質(zhì)的影響和存在的廣泛性來看，烷屬（族）、環(huán)烷屬（族）、芳香屬（族）這三大系列的結(jié)構(gòu)最為重要，也最為普遍。烷屬（族）烴又可按其分子結(jié)構(gòu)的特點而分為飽和烴和不飽和烴兩大類。從溶有天然氣的石油平均成分看，大體上烷屬烴占53%，環(huán)烷屬烴占31%，芳香屬烴占16%。烷屬烴，分子結(jié)構(gòu)式為CnN2n+2，是由碳原子以單鍵鏈狀與氫原子結(jié)合構(gòu)成的一類飽和、穩(wěn)定的烴化合物。沒有支鏈的稱為正構(gòu)烷烴，按其碳原子數(shù)的增加分別定名為甲烷、乙烷……辛烷等；碳原子數(shù)超過十的即用數(shù)字直接表示，如正^一烷、正十二烷……正三十六烷等?，F(xiàn)以甲烷、乙烷、正十一烷為例示其分子結(jié)構(gòu)：當直鏈烷烴出現(xiàn)支鏈，稱之為異構(gòu)烷烴。如異戊烷的分子結(jié)構(gòu)為正構(gòu)烷與異構(gòu)烷由于排列的形式不同，其化合物的性質(zhì)差異也較大。以辛烷(C8H18)為例，正辛烷一般燃燒易產(chǎn)生爆震現(xiàn)象，而異辛烷燃燒時比較平穩(wěn)。在室溫下，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷呈氣態(tài)；戊烷至十五烷呈液態(tài)；十六烷以上則呈固態(tài)。環(huán)烷屬烴，分子式為CnH2n。碳原子以單鍵呈環(huán)狀相連并與四周的氫原子結(jié)合構(gòu)成。與烷烴相比，氫原子數(shù)目減少。但仍是一種飽和、穩(wěn)定的化合物，如環(huán)己烷,其分子結(jié)構(gòu)為：環(huán)己烷和環(huán)戊烷是石油中最主要的環(huán)烷烴。環(huán)烷烴與烷烴在化學性質(zhì)上比較接近，但構(gòu)成的石油反映出的物理性質(zhì)則有所差異。環(huán)烷烴比例大的石油比烷烴比例大的石油往往密度大、熔點和沸點高。芳香屬烴，也稱苯屬烴，分子通式為CnH2n，碳原子以單鍵和雙鍵呈環(huán)狀與氫原子結(jié)合。苯(C6H6)是最簡單和典型的代表，其分子結(jié)構(gòu)為這類烴多具有芳香氣味。在石油中，常集中于重餾分內(nèi)。烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴都屬于比較穩(wěn)定的飽和烴類。但在鏈狀烷烴的化合物中，有不飽和烴類化合物存在。這類化合物的碳原子呈鏈狀以雙鍵相連與氫原子結(jié)合。缺少二個氫原子的稱為烯烴，分子通式為CnH2n。例如乙烯（C2H4）,其分子結(jié)構(gòu)為碳原子間仍呈鏈狀排列但以三鍵相連的結(jié)構(gòu)，稱為炔烴，其分子通式CnHn。如乙炔（C2H2）,分子結(jié)構(gòu)為：HCCH。這類不飽和烴在化學性質(zhì)上比較不穩(wěn)定。當較純時，點火燃燒尚顯平靜，而一旦混有空氣，就易發(fā)生猛烈爆炸。石油中，碳、氫是主要的組成元素。碳一般占84%?88%，氫占12%?14%，原子比介于5.7?8.5之間。其他元素，如氧、氮、硫元素約占1%，很少達到2%?3%，還有磷、釩等微量元素和礦物質(zhì)，這些元素或以游離狀或組成化合物的形式存在于重的組分中。（二）石油的物理性質(zhì)石油的物理性質(zhì)隨其化學組成的不同而有明顯的差異。不同性質(zhì)的石油，對開發(fā)、集輸、貯存、加工影響較大，因此其經(jīng)濟評價也各不相同。1）石油的顏色顏色與原油中含有的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)數(shù)量的多少有密切關(guān)系。深色原油密度大、粘度高。液性明顯的原油多呈淡色，甚至無色；粘性感強的原油，大多色暗，從深棕、墨綠到黑色。我國玉門、大慶等油田的原油多呈黑褐色；新疆克拉瑪依油田原油呈茶褐色；青海柴達木盆地的原油多呈淡黃色；四川、塔里木、東海等盆地的一些凝析氣田所產(chǎn)凝析油從淺黃色到無色。2）石油的臭味是由于原油中所含的不同揮發(fā)組分而引起。芳香屬組分含量高的原油具有一種醚臭味。含有硫化物較高的原油則散發(fā)著強烈刺鼻的臭味。由于含硫化物較高，因此這類原油在加工時，需要增加專門的處理裝置而要投入更多的資金。我國主要油田的含硫量較之中東地區(qū)原油的含硫量（高于2%）低得多，大慶油田原油含硫量不到1%0,勝利油田原油含硫量也多不超過1%。3）石油的密度指在地面標準條件下，脫氣原油單位體積的質(zhì)量。以噸每立方米（t/m3）或克每立方厘米（g/cm3）表示。石油相對密度（以往文獻曾以比重表示）是15.5°C或20°C時原油密度與4°C時水的密度的比值。國際上常用API度作為決定油價的標準。API度與相對密度的相關(guān)關(guān)系式為：API度（15.5C）=（141.5/相對密度）-131.5,API度大,相對密度小。水的API度為10。密度大小與石油的化學組成、所含雜質(zhì)數(shù)量有關(guān)。膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量高,密度大,顏色深；低分子量烴含量高,密度小。不同地區(qū)、不同地層所產(chǎn)原油密度有較大的差別。原油按其密度可分為四類:輕質(zhì)原油（密度V0.87g/cm3）沖質(zhì)原油（＞0.87?0.92g/cm3）,重質(zhì)原油（＞0.92?1.0g/cm3），超重質(zhì)原油（＞1.0g/cm3）。我國生產(chǎn)的原油密度變化也較大，大慶（多在0.8601g/cm3）、長慶（0.8437g/cm3）、青海尕斯庫勒（0.8388g/cm3）等地區(qū)所產(chǎn)原油多屬輕質(zhì)原油;勝利(多數(shù)在0.8873g/cm3左右)、遼河(0.8818g/cm3)等地區(qū)所產(chǎn)原油多屬中質(zhì)原油;勝利孤島(0.9472g/cm3)、大港羊三木(0.9492g/cm3)、遼河高升(0.9609g/cm3)、新疆烏爾禾(0.9609g/cm3)等油田所產(chǎn)原油則屬重質(zhì)原油。4)石油的粘度指液體質(zhì)點間移動的摩擦力，以mPa?s表示。粘度大小決定著石油在地下、在管道中的流動性能。一般與原油的化學組成、溫度和壓力的變化有密切關(guān)系。通常原油中含烷烴多、顏色淺、溫度高、氣溶量大時，粘度變小。而壓力增大粘度也隨之變大。地下原油粘度比地面的原油粘度小。根據(jù)粘度大小，將原油劃分為常規(guī)油(V100mPa?s)，稠油(>100?V10000mPa?s)，特稠油(>10000?50000mPa?s)和超特稠油或稱瀝青(>50000mPa?s)四類。由于測定絕對粘度較煩雜，在研究中常用恩氏粘度計測定相對粘度。相對粘度指液體的絕對粘度與同溫條件下水的絕對粘度比。我國原油粘度變化范圍較大。大慶白堊系原油(50°C)粘度在19?22mPa?s，任丘震旦亞界原油(50C)為53?84mPa?s,勝利孤島原油(50C)為103?6451mPa?s。5）石油的熒光反應石油在紫外光照射下受激發(fā)發(fā)光，并在照射后所發(fā)光立即消失的這種熒光反應特性，普遍被用于野外工作時作為判斷巖石中是否含有石油顯示的重要標志。按發(fā)光顏色的不同以及分布的情況，大體可推測所顯示的石油組分及其百分含量。一般油質(zhì)呈天藍色，膠質(zhì)呈黃綠色，瀝青質(zhì)呈棕褐色。6）石油的旋光性石油在偏光下，具有把偏光面向右旋轉(zhuǎn)的特性。偏轉(zhuǎn)度一般小于1°。旋光性是有機質(zhì)所特有的一種性質(zhì)，而且當加溫至300°C時即消失。因此，在研究石油生成時，常以這種旋光性和在石油中發(fā)現(xiàn)的素（由動植物色素如葉綠素或血紅素變化而成，并在溫度超過200C時被破壞）的存在作為石油有機成因的依據(jù)。7） 石油的溶解性石油不溶于水，但可溶于有機溶劑，如苯、香精、醚、三氯甲烷、硫化碳、四氯化碳等，也能局部溶解于酒精之中。原油又能溶解氣體烴和固體烴化物以及脂膏-樹脂、硫和碘等。8） 石油的凝固點與含蠟量凝固點系指原油從流動的液態(tài)變?yōu)椴荒芰鲃拥墓虘B(tài)時的溫度。這對不同溫度尤其在低溫地區(qū)考慮貯運條件時是非常重要的指標。根據(jù)凝固點高低石油可分為高凝油（N40C）、常規(guī)油（＞-10?＜40C）、低凝油（V-10C）三類。我國多數(shù)油田所產(chǎn)原油的凝固點，在15?30C之間。石油含蠟量系指原油中含石蠟的百分數(shù)。石蠟在其熔點溫度（37?76°C）時溶于石油中，一旦低于熔點溫度，原油中就出現(xiàn)石蠟結(jié)晶。我國主要油田所產(chǎn)原油的含蠟量較高，大約在20%?30%之間。大慶薩爾圖油田含量多在22.6%?24.1%，河南魏崗油田為42%?52%，江漢王場油田為2.8%?11.4%，克拉瑪依油田僅7%左右。含蠟量高的原油凝固點也高。9） 石油的燃燒特性石油和成品油可燃程度隨溫度而異，表現(xiàn)在閃點、燃點和自燃點的差異。“閃點”指石油在容器內(nèi)受熱，容器口遇火則發(fā)生閃火但隨之又熄滅時的溫度?！叭键c”指受熱繼續(xù)升高，遇火不但出現(xiàn)閃火而且引起了燃燒的溫度?！白匀键c”指原油在受熱已達到相當高的溫度，即便不接觸火種也出現(xiàn)自燃現(xiàn)象的溫度。石油是由具不同沸點的烴化合物組成的混合物，與水（沸點為100C）不同，沒有固定的沸點。其閃點隨具不同沸點化合物的含量比例不同而各有差異。沸點越高，閃點也高。如石油產(chǎn)品中煤油閃點在40C以上，柴油在50?65C之間，重油在80?120C，潤滑油要達到300C左右。自燃點卻相反，沸點高的成品油，自燃點降低，如汽油自燃點為415?530C，裂化殘渣油自燃點約270C，石油瀝青則降至230?240C。石油作為一種混合物，其閃點在一20?100C之間，而自燃點則為380?530C之間。10） 石油的餾分組成由于石油是由具不同沸點的烴化合物混合而成，因此通過控制不同的溫度而可分別獲得不同的石油產(chǎn)品。隨著溫度的增高，首先是輕組分餾出，繼而為較重的烴餾分，最后剩余膠質(zhì)、瀝青質(zhì)殘渣。通過實踐測定，我國原油的初沸點在70一100?之間。在一次加工中，產(chǎn)品的餾出順序大致為：5°C以下首先是石油醚,40—180U之間為航空汽油，205C左右為汽車汽油，120—240C為重汽油，200—315C為煤油；270—300C為潤滑油，190一350?為柴油，350C以上則為殘余物（渣油）。三）天然氣的化學組成本節(jié)所指天然氣是指烴類氣體。地殼中，天然氣就其產(chǎn)狀分析，有游離態(tài)、溶解態(tài)（溶于原油和水中）、吸附態(tài)和固態(tài)氣水合物四種類型。從分布特點又可分為聚集型和分散型兩類。氣藏氣、氣頂氣、凝析氣、油溶氣屬聚集型，也稱為常規(guī)型天然氣；水溶氣、煤層氣、固態(tài)氣水合物則屬分散型，也稱為非常規(guī)型天然氣。從與油藏的關(guān)系劃分，氣頂氣、油溶氣以及油藏之間或油藏上方的、在成因上與成油過程相伴的氣藏氣，均歸于伴生氣；與油沒有明顯聯(lián)系的或僅含有極少量原油的氣藏氣，成因上與煤系有機質(zhì)或未成熟的有機質(zhì)有關(guān)而生成的天然氣稱之為非伴生氣。在我國，常規(guī)的天然氣貯存形式是普遍存在的，包括氣層氣、溶解氣、水溶氣、凝析氣。一般說，“氣層氣”是指在原始儲層條件下，天然氣以自由氣相貯集于儲層內(nèi)。“溶解氣”指原始儲層條件下，天然氣以溶解狀態(tài)存于儲層內(nèi)的原油中?！八軞狻敝冈谠純訔l件下，天然氣體溶解于儲層內(nèi)的邊水或底水中?！澳鰵狻敝冈谠嫉貙訔l件下，天然氣以自由相存在，但當?shù)貙訅毫档铰饵c壓力以下時，有反凝析現(xiàn)象產(chǎn)生。對非常規(guī)的天然氣類型，在我國仍屬潛在的領(lǐng)域。但煤層氣，也稱煤礦瓦斯氣，從已經(jīng)進行的研究和預測表明具有巨大的潛力，90年代以來，我國已程度不等地啟動了工作，成為勘探開發(fā)著力開拓的領(lǐng)域。烴類天然氣以甲烷（CH4）氣為主，并含有總量不多、各自數(shù)量不等的重烴（C2—C5）氣。其中非烴氣以氮（N2）、二氧化碳（CO2）、硫化氫（H2S）氣較為常見。另外，天然氣中還含有一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、氫（H2）、汞（Hg）以及氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）、氙（Xe）及氡（Rn）等痕量至微量的惰性氣體。烴類天然氣的元素組成與石油相似，碳占65%?80%，氫元素占12%?20%,H/C原子比在4?5之間。一般甲烷占總量的85%以上，乙、丙烷較常見，約占2%?12%左右，丁烷以上含量較少。根據(jù)天然氣中重烴（C2以上）的含量，把天然氣分為干氣（貧氣）和濕氣（富氣）。重烴含量高于或等于5%的定為濕氣，含量低于5%的定為干氣。四川盆地所產(chǎn)天然氣多屬干氣，其甲烷含量多超過95%。濕氣多與原油共存，也常被稱為伴生氣。濕氣中的乙烷、丙烷、丁烷在增壓后又可變?yōu)橐簯B(tài)，故也被稱為液化石油氣。不同地區(qū)天然氣的成分不盡相同，往往隨地而異，即使同一個油氣田或油氣田內(nèi)的不同層位，也有所變化，有的甚至差異較大。（四） 天然氣的物理性質(zhì)天然氣是無色、無味的氣體。當天然氣中混有硫化氫氣時，就會出現(xiàn)強烈的刺鼻臭味。其重要物理性質(zhì)還包括：1）密度天然氣密度是指單位體積氣體的重量，以kg/m3表示。天然氣是多組分的混合物,各組分的密度也不相同。在地面標準狀態(tài)下,天然氣混合物的密度一般為0.7?0.75kg/m3,隨重烴含量增多密度增大。某些油田伴生氣，其密度可達1.5kg/m3。密度隨壓力增高而增大,隨溫度增高而變小。天然氣的相對密度是指相同溫度、壓力（如15.6°C、101325Pa或20°C、101325Pa）條件下，天然氣密度與空氣密度的比值。天然氣混合物一般在0.56?1.0之間。2）天然氣的粘度粘度是指氣分子內(nèi)部質(zhì)點運移的摩擦阻力,是研究氣體的運移、評價開采、集輸條件的重要參數(shù),常用動力粘度（絕對粘度）表示，單位采用mPa?s。也可用運動粘度，即動力粘度與密度的比值,單位以mm2/s表示。粘度大小與化學組成及其所處環(huán)境有關(guān)。在標準狀況下，分子量增加，粘度變小，溫度升高粘度增大。在壓力較高的條件下，壓力增高粘度增大。3）天然氣壓縮性和溶解性天然氣是可壓縮的。同體積的天然氣，在地面與地下密度不同，重量也不同。天然氣具有溶于水和石油這兩類不同液體的能力，但易于與石油互溶而與水則不易互溶。如甲烷，在原油中的溶解系數(shù)為0.3，而在水中的溶解系數(shù)僅0.033，兩者可相差達一個數(shù)量級。影響天然氣溶解性的主要因素是壓力，而溫度對天然氣的溶解力的影響則比較復雜。（五） 石油、天然氣的熱值熱值系指單位重量燃料燃燒時所產(chǎn)生的熱量，是評價燃料質(zhì)量的重要指標，單位以MJ/kg表示。平均低位發(fā)熱量,石油為41.87MJ/kg,天然氣為38.97MJ/kg，原煤為20.93MJ/kg。國際上多以標準燃料應用的基熱值（標準煤當量）29.27MJ/kg計量。石油、天然氣折算標準燃料系數(shù)分別為1.4286和1.33。（六） 石油、天然氣的差別石油、天然氣在元素組成、結(jié)構(gòu)形式以及生成的原始材料和時序等方面，有其共性、親緣性，也有其特性、差異性。在化學組成的特征上，天然氣分子量?。ㄐ∮?0）,結(jié)構(gòu)簡單，H/C原子比高（4?5）,碳同位素的分餾作用顯著。石油的分子量大（75?275），結(jié)構(gòu)也較復雜，H/C原子比相對低（1.