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天然气
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天然气是一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。在标准状况下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液体。天然气在燃烧过程中产生的能影响人类呼吸系统健康的
物质极少，产生的二氧化碳仅为煤的40%左右，产生的二氧化硫也很少。天然
气燃烧后无废渣、废水产生，相较于煤炭、石油等能源具有使用安全、热值高、洁净等优势。
从广义的定义来说，天然气是指自然界中天然存在的一切气体，包括大气圈、水圈、生物圈和岩石圈中各种自然过程形成的气体。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，主要存在于油田气、气田气、煤层气、泥火山气
和生物生成气中。天然气又可分为伴生气和非伴生气两种。伴随原油共生，与
原油同时被采出的油田气叫伴生气；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
压力和温度的下降，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。与煤炭、石油等能源相比，天然气在燃烧过程中产生的能影响人类
呼吸系统健康的物质极少，产生的二氧化碳仅为煤的40%左右，产生的二氧化
硫也很少。天然气燃烧后无废渣、废水产生，具有使用安全、热值高、洁净等
优势。天然气是一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和
水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。在标准状况下，甲烷至丁烷以气体
状态存在，戊烷以上为液体。天然气系古生物遗骸长期沉积地下，经慢慢转化
烧天然气的汽车
及变质裂解而产生之气态碳氢化合物，具可燃性，多在油田开采原油时伴随而
出或纯天然气气田。天然气蕴藏在地下多孔隙岩层中，主要成分为甲烷，比重
约0.65，比空气轻，具有无、无味、无毒之特性。天然气公司皆遵照政府规
定添加臭剂(四氢噻吩)，以资用户嗅辨。天然气在空气中含量达到一定程度后
会使人窒息。若天然气在空气中浓度为5%~15%的范围内，遇明火即可发生爆炸，这个浓度范围即为天然气的爆炸极限。爆炸在瞬间产生高压、高温，其破坏力
和危险性都是很大的。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。1、天然气发电，具有缓解能源紧缺、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。2、天然气化工工业，天然气是制造氮肥的最佳原料，具有投资少、成本低、污染少等特点。天然气占氮肥生产原料的比重，世界平均为80%左右。3、城市燃气事业，
特别是居民生活用燃料。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。4、压缩天然气汽车，以天然气代替汽车用油，具有价格低、污染少、安全等优点。目前人们的环保意识提高，世界需求干净能源的呼声高涨，各国政府
也透过立法程序来传达这种趋势，天然气曾被视为最干净的能源之一，再加上1990年中东的波斯湾危机，加深美国及主要石油消耗国家研发替代能源的决心，因此，在还未发现真正的替代能源前，天然气需求量自然会增加。天然气与石
油生成过程既有联系又有区别：石油主要形成于深成作用阶段，由催化裂解作
用引起，而天然气的形成则贯穿于成岩、深成、后成直至变质作用的始终；与
石油的生成相比，无论是原始物质还是生成环境，天然气的生成都更广泛、更
迅速、更容易，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。因此天然气的成因是多种多样的。归纳
起来，天然气的成因可分为生物成因气、油型气和煤型气。近年来无机成因气
尤其是非烃气受到高度重视，这里一并简要介绍，最后还了解各种成因气的判
别方法。1.概念生物成因气-指成岩作用(阶段)早期，在浅层生物化学作用带内，沉积有机质经微生物的体发酵和合成作用形成的天然气。其中有时混有早期
低温降解形成的气体。生物成因气出现在埋藏浅、时代新和演化程度低的岩层中，以含甲烷气为主。2.形成条件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。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。硫酸岩层中难以形成大量生物成因气的原因，是因为硫
酸对产甲烷菌有明显的抵制作用，H2优先还原SO42-→S2-形成金属硫化物或
H2S等，因此CO2不能被H2还原为CH4。甲烷菌的生长需要合适的地化环境，
首先是足够强的还原条件，一般Eh<-300mV为宜(即地层水中的氧和SO42-依次
全部被还原以后，才会大量繁殖)；其次对pH值要求以靠近中性为宜，一般
6.0~8.0，最佳值
7.2~7.6；再者，甲烷菌生长温度O~75℃，最佳值37~42℃。
没有这些外部条件，甲烷菌就不能大量繁殖，也就不能形成大量甲烷气。3.化
学组成生物成因气的化学组成几乎全是甲烷，其含量一般>98%，高的可达99%
以上，重烃含量很少，一般<1%，其余是少量的N2和CO2。因此生物成因气的
干燥系数(Cl/∑C2+)一般在数百~数千以上，为典型的干气，甲烷的δ13C1值
一般-85~-55‰，最低可达-100‰。世界上许多国家与地区都发现了生物成因气藏，如在西西伯利亚683-1300米白垩系地层中，发现了可采储量达10.5万亿
m3的气藏。我国柴达木盆地(有些单井日产达1百多万方)和上海地区(长江三
角洲)也发现了这类气藏。1.概念油型气包括湿气(石油伴生气)、凝析气和裂解气。它们是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，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。
2.形成与分布与石油经有机质热解逐步形成一样，天然气的形成也具明显的垂
直分带性。在剖面最上部(成岩阶段)是生物成因气，在深成阶段后期是低分子
量气态烃(C2~C4)即湿气，以及由于高温高压使轻质液态烃逆蒸发形成的凝析气。在剖面下部，由于温度上升，生成的石油裂解为小分子的轻烃直至甲烷，有机
质亦进一步生成气体，以甲烷为主石油裂解气是生气序列的最后产物，通常将
这一阶段称为干气带。由石油伴生气→凝析气→干气，甲烷含量逐渐增多，故
干燥系数升高，甲烷δ13C1值随有机质演化程度增大而增大。对我国四川盆地
气田的研究(包茨，1988)认为，该盆地的古生代气田是高温甲烷生气期形成的，从三叠系→震旦系，干燥系数由小到大(T：35.5→P：73.1→Z：387.1)，重烃
由多到少。川南气田中，天然气与热变沥青共生，说明天然气是由石油热变质
而成的。1.概述煤型气是指煤系有机质(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。煤田开采中，经常出现大量瓦斯涌出的现象，如四川合
川县一口井的瓦斯突出，排出瓦斯量竟高达140万立方米，这说明，煤系地层
确实能生成天然气。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。煤型气也可形成特大气田，1960S以来在西西伯利亚北部
K2、荷兰东部盆地和北海盆地南部P等地层发现了特大的煤型气田，这三个气
区探明储量22万亿m3，占世界探明天然气总储量的1/3弱。据统计(M.T哈尔
布蒂，1970)，在世界已发现的26个大气田中，有16个属煤型气田，数量占60%，储量占72.2%，由此可见，煤型气在世界可燃天然气资源构成中占有重要
地位。我国煤炭资源丰富，据统计有6千亿吨，居世界第三位，聚煤盆地发育，现已发现有煤型气聚集的有华北、鄂尔多斯、四川、台湾-东海、莺歌海-琼东南、以及吐哈等盆地。经研究，鄂尔多斯盆地中部大气区的气多半来自上古生
界C-P煤系地层(上古∶下古气源=7∶3或6∶4)，可见煤系地层生成天然气的
潜力很大。2.成煤作用与煤型气的形成成煤作用可分为泥炭化和煤化作用两个
阶段。前一阶段，堆积在沼泽、湖泊或浅海环境下的植物遗体和碎片，经生化
作用形成煤的前身--泥炭；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。实测
表明，煤的挥发分随煤化作用增强明显降低，由褐煤→烟煤→无烟煤，挥发分
大约由50%降到5%。这些挥发分主要以CH4、CO2、H2O、N2、NH3等气态产物的形式逸出，是形成煤型气的基础，煤化作用中析出的主要挥发性产物见图5-9。
1.煤化作用中挥发性产物总量
2.CO2
3.H2O
4.CH4
5.NH3
6.H2S从形成煤型气
的角度出发，应该注意在煤化作用过程中成煤物质的四次较为明显变化(煤岩学上称之为煤化跃变)：第一次跃变发生于长焰煤开始阶段，碳含量Cr=75-80%,
挥发分Vr=43%，Ro=0.6%；第二次跃变发生于肥煤阶段，
Cr=87%,Vr=29%,Ro=1.3%；第三次跃变发生烟煤→无烟煤阶段，Cr=91%，
Vr=8%,Ro=2.5%；第四次跃变发生于无烟煤→变质无烟煤阶段，Cr=93.5%,Vr=4%，Ro=3.7%，芳香族稠环缩合程度大大提高。在这四次跃变中，导致煤质变化最为明显的是第一、二次跃变。煤化跃变不仅表现为煤的质变，而且每次跃变都相
应地为一次成气(甲烷)高峰。煤型气的形成及产率不仅与煤阶有关，而且还与
煤的煤岩组成有关，腐殖煤在显微镜下可分为镜质组、类脂组和惰性组三种显
微组分，我国大多数煤田的腐殖煤中，各组分的含量以镜质组最高，约占
50~80%，惰性组占10~20%(高者达30~50%)，类脂组含量最低，一般不超过5%。在成煤作用中，各显微组分对成气的贡献是不同的。长庆油田与中国科院地化
所(1984)在成功地分离提纯煤的有机显微组分基础上，开展了低阶煤有机显微
组分热演化模拟实验，并探讨了不同显微组分的成烃贡和成烃机理。发现三种
显微组分的最终成烃效率比约为类脂组：镜质组：惰性组=3：1：0.71，产气能力比约为3.3：1：0.8，说明惰性组也具一定生气能力。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。1.甲烷?无机合成：CO2+H2→CH4+H2O条件：高温(250℃)、铁族元素地球
原始大气中甲烷：吸收于地幔，沿深断裂、火山活动等排出?板块俯冲带甲烷：大洋板块俯冲高温高压下脱水，分解产生的H、C、CO/CO2→CH4?2.CO2天然气
中高含CO2与高含烃类气一样，同样具有重要的经济意义，对于CO2气藏来说，有经济价值者是CO2含量>80%(体积浓度)的天然气，可广泛用于工业、农业、
气象、医疗、饮食业和环保等领域。我国广东省三水盆地沙头圩水深9井天然
气中CO2含量高达99.55%，日产气量500万方，成为有很高经济价值的气藏。
目前世界上已发现的CO2气田藏主要分布在中-新生代火山区、断裂活动区、油气富集区和煤田区。从成因上看，共有以下几种：无机成因：①上地幔岩浆中
富含CO2气体当岩浆沿地壳薄弱带上升、压力减小，其中CO2逸出。②碳酸盐
岩受高温烘烤或深成变质可成大量CO2，当有地下水参与或含有Al、Mg、Fe杂质，98~200℃也能生成相当量CO2，这种成因CO2特征：CO2含量>35%，δ
13CCO2>-8‰。③碳酸盐矿物与其它矿物相互作用也可生成CO2，如白云石与高
岭石作用即可。另外，有机成因有：生化作用热化学作用油田遭氧化煤氧化作
用3.N2 N2是大气中的主要成分，据研究，分子氮的最大浓度和逸度出现在古
地台边缘的含氮地层中，特别是蒸发盐岩层分布区的边界内。氮是由水层迁移
到气藏中的，由硝酸盐还原而来，其先体是NH4+。N2含量大于15%者为富氮气藏，天然气中N2的成因类型主要有：①有机质分解产生的N2：100-130℃达高峰，生成的N2量占总生气量的2.0%，含量较
低；(有机)②地壳岩石热解脱气：如辉绿岩热解析出气量，N2可高达52%，此类N2可富集；③地下卤水(硝酸盐)脱氮作用：硝酸盐经生化作用生成N2O+N2；④地幔源的N2：如铁陨石含氮数十~数百个ppm；⑤大气源的N2：大气中N2随地下水循环向深处运移，混入最多
的主要是温泉气。从同位素特征看，一般来说最重的氮集中在硝酸盐岩中，较
重的氮集中在芳香烃化合物中，而较轻的氮则集中在铵盐和氨基酸中。4.H2S
全球已发现气藏中，几乎都存在有H2S气体，H2S含量>1%的气藏为富H2S的气藏，具有商业意义者须>5%。据研究(Zhabrew等，1988)，具有商业意义的H2S
富集区主要是大型的含油气沉积盆地，在这些盆地的沉积剖面中均含有厚的碳