天然气的概念及产状

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(一) 天然气的概念

天然气是一种高效、高能、低污染的优质能源。所谓天然气，从广义上理解，是指自然界天然存在的一切气体。根据其存在的环境，索柯洛夫(В.А.Соколов，1971)将天然气分为八类(表2－6):大气、表层沉积物中气、沉积岩的气、海洋中的溶解气、变质岩中气、岩浆岩中气、地幔排出气和宇宙气等。

目前研究较为充分的是以沉积岩为主体的地壳上部岩石圈中的天然气，特别是以烃类为主的气藏和油气藏中的天然气(偶然发现的非烃气藏)。因此，在《石油与天然气地质学》中研究的主要对象是岩石圈中以烃类为主的天然气，是狭义的天然气。

(二) 天然气的产状类型

沉积圈中的天然气，依其存在的相态可以分为游离气、溶解气(溶于油和水中)、吸附气和固体水溶气;依其分布特点可以分为聚集型和分散型;依其与石油产出的关系可以分为伴生气和非伴生气。

1.聚集型天然气

游离气是常规气藏中天然气存在的基本形式。只有大规模的游离气聚集，才能有效地开发利用。聚集型天然气可以是气藏气、气顶气和凝析气。

表2－6 天然气的分类

气藏气是指在圈闭中具有一定工业价值的单独天然气聚集。特别是巨大的非伴生气藏(田)，是气藏气的主体。但也有些气藏气可以存在于油气田中，在垂向或横向上与油藏或油气藏有一定的联系。

气顶气是指与油共存于油气藏中呈游离态位居油气藏顶部的天然气。这种天然气不仅在分布上，而且在成因上与石油都有密切联系。它的基本特点是:重烃气(C2+烃气)的含量多数大于5%，个别可高于甲烷，少有小于5%的。

凝析气是一种含有一定量凝析油的特殊的气藏气。在地下较高温度、压力下，凝析油因逆蒸发作用而气化或以液态分散(溶解)于气中，呈单一气相存在，称之为凝析气。凝析气采出后因地表温度、压力较低，其中凝析油呈液态析出，与天然气分离。这种含有一定量凝析油的气藏，称为凝析油气藏，常简称为凝析气藏，或凝析油藏。

2.分散型天然气

分散型天然气主要以油溶气、水溶气、煤层气、致密地层气和固态气水合物形式赋存。

油溶气任一油藏内总是溶有数量不等的天然气，每吨油内溶解气的数量少则几到几十立方米，多则可达数百到上千立方米。含气量低时，分离出的天然气利用价值较小;含气量高时，收集起来可作动力燃料及化工原料，或回注于油藏以提高石油采收率。

水溶气包括低压水溶气和高压地热型水溶气。沉积圈内地下水中烃气资源总量可达n×1016～1.5×1017m3(佐尔金，1983)，比常规气藏中天然气的总储量(约为2.4×1014m3)大数十倍到上百倍，分布广泛但品位较低。低压水溶气的含气量一般在1～5m3/t，个别可达5m3/t以上。这种水溶气一般很难单独开采，但可以综合利用。如日本1975年在开采浅层碘水时，就回收水溶气达5.265×108m3，占当年日本总产气量(3×109m3)的1/6。高压地热水溶气中含气量较高，特别是在异常高压带以下的地下水中，含气量特别高。以乌克兰刻赤半岛为例，3000m深的地下水中含气量平均为5m3/t;3000～4000m深为7m3/t;4000～5000m深为19m3/t;个别井在25～45m3/t以上，其中方塔诺夫5号和10号井达150～200m3/t。美国墨西哥湾沿岸的高压异常带以下的高压水溶气亦很丰富，估计储量可达8.5×1012m3。高压水溶气在降低压力的条件下，出现强烈排气作用。如前喀尔巴坳陷布雷尼2号井的两个高压水溶气层，每昼夜分别排出1×104和49×104m3。因此，开发异常高压带的水溶气，特别是水溶气和热水的综合利用，是很有价值的。

煤层气煤层气指煤层中所含的吸附和游离状态的天然气。煤矿中将这种天然气称为瓦斯。它的含量因变质作用和煤层顶板的透气性不同而有很大差异，含气量变化在0.1～20m3(气)/t(煤)之间。1975年世界煤层气回收量为22.37×108m3，相当于世界总产气量的0.16%;那时对煤层气利用较高的国家如日本，回收量达2.69×108m3，约占日本当年产气量的9%。而现在对煤层气成规模开发利用较好的是美国，1995年仅圣胡安盆地的煤层气，700口裸眼井日产量就达4250×104m3，年产量达150×108m3以上;美国有煤层气井7000余口，日产气量0.71×108m3，煤层气年产气量即在250×108m3以上。我国煤炭资源量为5.1×1012t，居世界第二位(俄罗斯居第一位)，煤成甲烷资源量可达(30～35)×1012m3，数量相当可观。全球煤成甲烷的地质储量为(68～238)×1012tm3，这是一块不可小视的潜在资源。我国在山西沁水盆地煤层气的勘探也取得了大的突破。

致密地层气主要指致密砂岩和裂缝性含气页岩中的天然气。广义的致密地层气还包括煤层气，统称非常规天然气。目前对这类天然气开发利用较好的首推美国，有34000口致密地层天然气井，日产气1.5×1012m3。从全球来看，这是不小的潜在资源。

固态气水合物固态气水合物是一种白色的固态似冰状的结晶化合物，又称气水化物或固体气，也叫天然气水合物，还俗称“可燃冰”。在这种化合物中，冰的晶体格架扩展为包括气分子的晶体。认识和研究气水合物已有约200年的历史(Davy，1810)。20世纪70年代以来，在俄罗斯西西伯利亚发现了有巨大储量的气水合物气田———美索亚卡气田(天然气总储量约为4×1011m3)，其中以气水合物产出的占54%(D.L.Katz，1971)。海洋地震勘探和深海钻探亦证实大洋中广泛分布有气水合物(Stolletal.，1971)，人们这才将气水合物作为潜在的天然气资源加以研究。在特殊温度、压力条件下，每立方米气水合物中可含70～240m3天然气。由此可以想见气水合物中天然气资源的潜量。世界范围内气水合物中的甲烷总量约20×1015m3，较常规天然气大2～3个数量级。气水合物分解时将析出大量的气体，比在3～10MPa压力下自由容积中约大2～4倍，可达200m3/m3，即大大超过天然气在水和石油中的溶解度(当压力低于20MPa时)。气水合物的开发利用将涉及两个全球性问题:一是作为能源，巨大的潜在资源量，在满足人类对能源的需求方面具有相当大的诱惑力;二是开发将伴之释放大量的氮气和硫化物等，所产生的温室效应给地球上的生命物种带来的危害是难以估量的。因此，如果没有相应的技术措施和解决方案，结果将会得不偿失。所以，对气水合物如何开发利用还正在研究之中。

3.伴生气与非伴生气

所谓伴生气与非伴生气，主要是指天然气的产出与液态石油或油藏的分布关系。

狭义的伴生气仅指油气藏中的气顶气和油藏及油气藏中的油溶气;广义的伴生气还包括油田范围内分布于油藏及油气藏之间或其上方与之有密切关系的气藏气。后者实际上已经有成因上的含义，但在此侧重于分布上的联系。

非伴生气是指那些与油藏及油气藏分布没有明显联系，或仅有少量石油存在但没有重要工业价值、以天然气占绝对优势的气藏气。在目前的探明储量中，非伴生气占有明显优势，约占天然气全部探明储量的75%。

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。这三种煤（1）褐煤：多为块状，呈黑褐色，光泽暗，质地疏松；含挥发分40%左右，燃点低，容易着火，燃烧时上火快，火焰大，冒黑烟；含碳量与发热量较低（因产地煤级不同，发热量差异很大），燃烧时间短，需经常加煤。（2）烟煤：一般为粒状、小块状，也有粉状的，多呈黑色而有光泽，质地细致，含挥发分30%以上，燃点不太高，较易点燃；含碳量与发热量较高，燃烧时上火快，火焰长，有大量黑烟，燃烧时间较长；大多数烟煤有粘性，燃烧时易结渣。（3）无烟煤：有粉状和小块状两种，呈黑色有金属光泽而发亮。杂质少，质地紧密，固定碳含量高，可达80%以上；挥发分含量低，在10%以下，燃点高，不易着火；但发热量高，刚燃烧时上火慢，火上来后比较大，火力强，火焰短，冒烟少，燃烧时间长，粘结性弱，燃烧时不易结渣。应掺入适量煤土烧用，以减轻火力强度。

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