天然气及其组分的物理化学性质
天然气及其组分的物理化学性质
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
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
CH416.04322.362518.750.7174190.584.54439.842 35.906乙烷
C2H630.0722.187276.641.3553305.424.81670.35155.36764.397丙烷C3H844.09721.936188.652.0102369.824.194101.26651.90893.240正丁烷n-
C4H1058.12421.504143.1302.703425.183.747133.88650.376123.649异丁烷i-
C4H1058.12421.598143.132.6912408.143.600133.04849.532122.853正戊烷
C15H1272.15120.891115.273.453746.9653.325169.37749.438156.733氢H22.01622.427412.67O.089833.251.28012.74549.04210.786氧
O231.99922.392259.971.4289154.334.971—141.926—氮
N223.01322.403296.951.2507125.973.349——氦
He3.01622.42281.170.13453.350.118——二氧化磺
CO244.01022.26189.041.9768304.257.290———硫化氢
H2S34.07622.18244.171.5392373.558.89025.364 23.383空
气28.06622.40287.241.2931132.43.725—16.488—水蒸气
H2O18.01521.629461.760.8330647.0021.830—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 5.015.010.6014.50-
161.491.5451.3090.030240.0104乙烷50.052.913.08.776.41-
88.002.2441.1980.018610.0986丙烷47.5152.19.57.653.81-
42.052.9601.1610.015120.1524正丁烷46.3831.58.56.972.53-
0.053.7101.1440.013490.2010异丁烷45.7451.88.5 -11.72—
1.144—0.1848正戊烷45.651.48.36.481.8536.06—1.121—0.2539氢45.3814.075.98.5293.00-25
2.751.2981.4070.21630氧120.111——19.861
3.60-182.981.3151.4000.02500.0213氮——17.0013.30-195.781.3021.4020.024890.04氦————-269.95—1.640——二氧化碳———1
4.307.09-78.200.6201.3040.013720.225硫化
氢 4.345.511.907.63-60.201.5571.3200.013140.100空气15.192——17.5013.40-192.501.3061.4010.02489—水蒸气——8.6010.12—1.4911.3350.016170.3480二、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
CH3SH48.1d0=0.896-1215.8196.87.140.323溶极易溶极易溶乙硫醇
C2H5SH62.13d420=0.839-12136～37225.255.420.3011.5g/100g溶溶正丙硫醇C3H7SH76.15d425=0.836-11267～68———难溶溶溶异丙硫醇(CH3)2CHSH76.15d425=0.809-130.758～60———极难溶无限溶无限
溶正丁硫醇C4H9SH90.18d425=0.837-11697～98———微溶易溶易溶2-甲基丙硫醇(CH3)2CHCH2SH90.18d420=0.836＜-7988———极微深易溶易溶叔丁硫醇(CH2)2CSH90.18——65～67——————甲硫醚
(CH3)2S62.13d421=0.846-83.237.3229.90.3060.306不溶溶溶乙硫醚(C2H5)2S90.18d420=0.837-99.592～93283.8.02790.2790.31g/100g无限溶无限溶硫化羰COS60.072.79g/L-138.2-50.2105.0——
800mg/100mg溶溶噻吩C4H4S84.13d415=1.070-3084317.0——不溶溶—硫S32.06—120444.61040.0—————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。