第一节　天然气的组成与分类

一、天然气的组成

天然气是以低分子饱和烃为主的烃类气体与少量非烃类气体组成的混合气体，是一种低相对密度、低黏度的流体，无色，在常压和293K时，CH ₄ ～C ₄ H ₁₀ 为气态，C ₅ H ₁₂ ～C ₁₇ H ₃₆ 为液态，C ₁₈ H ₃₈ 以上为固态。天然气是一种可燃气体，它与4%～14%的空气混合易燃，点火温度范围在866.5～977.6K，具有很高的发热量。如在标准状态下，甲烷的热值为37260kJ/m ³ ，比普通煤的热值大1.5倍。这是表征天然气的重要性质参数，因为天然气定价最常用的依据为它的热值含量，而不是它的质量或体积。天然气不仅是优质洁净的燃料，更是优质的化工原料。在其组成中，甲烷（CH ₄ ）占有绝大部分，乙烷（C ₂ H ₆ ）、丙烷（C ₃ H ₈ ）、丁烷（C ₄ H ₁₀ ）和戊烷（C ₅ H ₁₂ ）含量不多，戊烷以上 的烷烃含量极少。另外，其还含有少量的非烃类气体，如硫化氢（H ₂ S）、二氧化碳（CO ₂ ）、一氧化碳（CO）、氮（N ₂ ）、氢（H ₂ ）、水蒸气（H ₂ O）以及硫醇（RSH）、硫醚（RSR）、二硫化碳（CS ₂ ）、羰基硫[或硫化羰或氧硫化碳（COS）]、噻吩（C ₄ H ₄ S）等有机硫化物，有时也含有微量的稀有气体，如氦（He）、氩（Ar）等。在大多数天然气中还存在着少量的不饱和烃，如乙烯（C ₂ H ₄ ）、丙烯（C ₃ H ₆ ）、丁烯（C ₄ H ₈ ），偶尔还含有极少量的环状烃化物———环烷烃和芳烃，如环戊烷、环己烷、苯、甲苯、二甲苯等。我国某些油气田天然气化学组成如表1-1、表1-2所示。

二、天然气的分类

依据不同的原则，有3种天然气的分类方式。

1．按矿藏特点分类

按矿藏特点的不同，可将天然气分为气井气、凝析井气和油田气。前两者合称非伴生气，后者又称为油田伴生气。

① 气井气：即纯气田天然气，气藏中的天然气以气相存在，通过气井开采出来，其中甲烷含量高。

② 凝析井气：即凝析气田天然气，在气藏中以气体状态存在，是具有高含量可回收烃液的气田气，其凝析液主要为凝析油，其次可能含有部分凝析水。这类气田的井口流出物除含有甲烷、乙烷外，还含有一定量的丙、丁烷及C ₅ 以上的烃类。

③ 油田气：即油田伴生气，它伴随原油共生，是在油藏中与原油呈相平衡接触的气体，包括游离气（气层气）和溶解在原油中的溶解气。在油井开采情况下，借助气层气来保持井压，而溶解气则伴随原油采出。当油田气随原油一起被开采到地面后，由于油气分离条件（温度和压力）和分离方式（一级或多级）的不同，以及受气液平衡规律的限制，气相中除含有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷外，还含有戊烷、己烷，甚至C ₉ 、C ₁₀ 组分。液相中除含有重烃外，仍含有一定量的丁烷、丙烷，甚至甲烷。与此同时，为了降低原油的饱和蒸气压，防止原油在储运过程中的蒸发损耗，油田上往往采用各种原油稳定工艺回收原油中的C ₁ ～C ₅ 组分，回收回来的气体，称为原油稳定气，简称原稳气。

2．按天然气的烃类组成分类

（1）C ₅ 界定法——干、湿气的划分

据天然气中C ₅ 以上烃液含量的多少，用C ₅ 界定法划分干气和湿气。

① 干气：指在1标方（101.325kPa，20℃）井口流出物中，C ₅ 以上烃液含量低于13.5cm ³ 的天然气。

② 湿气：指在1 标方井口流出物中，C ₅ 以上烃液含量高于13.5cm ³ 的天然气。

（2）C ₃ 界定法——贫、富气的划分

据天然气中C ₃ 以上烃类液体的含量多少，用C ₃ 界定法划分贫气和富气。

① 贫气：指在1标方井口流出物中，C ₃ 以上烃类液体含量低于94cm ³ 的天然气。

② 富气：指在1标方井口流出物中，C ₃ 以上烃类液体含量高于94cm ³ 的天然气。

值得一提的是，国外文献定义两种气体为贫气：a.在天然气加工装置回收天然气液体之后的剩余残气；b.几乎不含或无可回收天然气液体的未加工气体。而富气指适合作天然气加工厂原料并能从中提取产品的气体，这与上述的定义无原则上区别。相反，干气和湿气包括两方面的内容：一则是针对天然气是否含有水分来划分为干、湿气；二则是与贫、富气的划分相类似。

3．按酸气含量分类

按酸气（CO ₂ 和硫化物）含量多少，天然气可分为酸性天然气和洁气。

酸性天然气指含有显著量的硫化物和CO ₂ 等酸性气体，这类气体必须经处理后才能达到管输标准或商品气气质指标。洁气是指含硫化物和 CO ₂ 甚微或根本不含的气体，它不需净化就可外输和利用。

另外，干、湿气也可按天然气中含有水分的多少来进行划分。

由此可见酸性天然气和洁气的划分采取了模糊的判据，而具体的数值指标并无统一的标准。在我国，一般采用H ₂ S含量不高于20mg/m ³ 作为界定指标，把H ₂ S含量高于20mg/m ³ 的天然气称为酸性天然气，否则为洁气。

把净化后达到管输要求的天然气称为净化气。

三、组分浓度表示法

1．浓度表示法

天然气组成有三种表示方法：质量组成、体积组成和摩尔组成。每种组成均可用百分数或小数表示。

（1）质量组成

符号w _i 表示组分i的质量组成：

式中 m _i ——组分i的质量；

∑m _i ——总质量。

（2）体积组成

符号φ _i 表示组分i的体积组成：

式中 V _i ——组分i的体积；

∑V _i ——总体积。

（3）摩尔组成

符号y _i 表示组分i的摩尔组成：

式中 n _i ——组分i的物质的量；

∑n _i ——总物质的量。

2．天然气组成的三种表示方法之间的转换

在基准状态（101.325kPa，0℃）时，任何1kmol的气体体积都是22.4m ³ ，因此混合气体中任何组分的体积组成在数值上等于其摩尔组成，即

（1）由天然气的质量组成w _i 换算为体积组成φ _i 或摩尔组成y _i ：

式中 M _i ——组分i的相对分子质量。

（2）由天然气的摩尔组成y _i （或体积组成φ _i ）换算为质量组成w _i ：

（3）由天然气的体积组成φ _i 换算为质量组成w _i ： ErQwrQ+ouFMmuc3DLFjGY4ksxaWX9iAxYBsND0xzMrUI3Xl093zsaKYf0UC/Z1Ji