第一章油气藏中流体

1、第一章第一章 油气藏中的流体油气藏中的流体1q第一节 石油q第二节 天然气 q第三节 油田水第一章第一章 油油气藏中的流气藏中的流体体q第一节 石油一、石油的概念及组成一、石油的概念及组成二、石油的分类二、石油的分类三、石油的物理性质三、石油的物理性质四、海、陆相石油的基本区别四、海、陆相石油的基本区别第一章第一章 油油气藏中的流气藏中的流体体q（一）石油的概念（一）石油的概念 石油是存在于地下岩石孔隙中的以液态烃为主体的可燃有石油是存在于地下岩石孔隙中的以液态烃为主体的可燃有机矿产机矿产。地下油气藏中的石油是。地下油气藏中的石油是气态、液态及固态烃类及其衍气态、液态及固态烃类及其衍生物生物的

2、混合物，在成分上以烃类为主，含有数量不等的非烃化的混合物，在成分上以烃类为主，含有数量不等的非烃化合物及多种微量元素。合物及多种微量元素。在相态上以液态为主，溶有大量烃气及在相态上以液态为主，溶有大量烃气及少量非烃气以和数量不等的固态烃类及非烃类物质少量非烃气以和数量不等的固态烃类及非烃类物质。油气藏中。油气藏中组成石油的各种成分和相态的比例因地而异，因此，石油没有组成石油的各种成分和相态的比例因地而异，因此，石油没有确定的化学成分和物理常数确定的化学成分和物理常数 一、石油的概念及组成一、石油的概念及组成q（二）石油的元素组成（二）石油的元素组成 石油没有确定的化学成分，因而也就没有确定的元

3、素石油没有确定的化学成分，因而也就没有确定的元素组成。但其元素组成还是有一定的变化范围组成。但其元素组成还是有一定的变化范围。 石油主要由石油主要由碳碳 (C）、）、氢氢（H）、）、硫硫（S）、）、氮氮（N）、）、氧氧（O）等元素组成，等元素组成，不同产地的石油元素组成含量存在不同产地的石油元素组成含量存在差异差异 。一、石油的概念及组成一、石油的概念及组成石油的元素组成（重量百分比）石油的元素组成（重量百分比） 原 油 产 地元 素 组 成CHSNO中 国 大庆(萨尔图混合油)85.7413.31 0.11 0.15 0.69胜利(101混合油) 86.2612.20 0.80 0.41 -

4、 弧岛油田 84.24 11.74 2.20 0.47 - 大港油田(混合油) 85.67 13.40 0.12 0.23 - 江汉油田(混合油) 83.00 12.81 2.09 0.47 1.63 克拉玛依油田(混合油) 86.13 13.30 0.04 0.25 0.28 前 苏 联 雅雷克苏 80.61 10.36 1.05 痕量 8.97 乌克兰 84.60 14.00 0.14 1.25 1.25 老格罗兹尼 86.42 12.62 0.32 - 0.68 卡拉 -布拉克 87.77 12.37 - - 0.46 美 国 文图拉(加利福尼亚州) 84.60 12.70 0.40 1

5、.70 1.20 科林加(加利福尼亚州) 86.40 11.70 0.60 - - 博芒特(得克萨斯州) 85.70 11.00 0.70 2.61 堪萨斯州 84.20 13.00 1.90 0.45 0.45 (据石毓程，1980 补充) 原油中含硫量原油中含硫量变化很大，从万分之几（克拉玛依，变化很大，从万分之几（克拉玛依，0.05 %0.05 %）到百分之几（委内瑞拉，）到百分之几（委内瑞拉，5.48%5.48%）。根据含硫量可把原油分为）。根据含硫量可把原油分为高硫原油高硫原油（含硫量大于含硫量大于1%1%）和低硫原油）和低硫原油（含硫量小于含硫量小于1%1%）。原原油中的硫主要来自

6、有机物的蛋白质和围岩的含硫酸盐矿物如石油中的硫主要来自有机物的蛋白质和围岩的含硫酸盐矿物如石膏等，故膏等，故产于海相环境的石油较形成于陆相环境的石油含硫量产于海相环境的石油较形成于陆相环境的石油含硫量高。高。 原油中含氮量原油中含氮量在在0.1-1.7%0.1-1.7%之间，平均值之间，平均值0.094%0.094%。90%90%以上的以上的原油含氮量小于原油含氮量小于0.2%0.2%。 原油的含氧量原油的含氧量在在0.1-4.5%0.1-4.5%之间，主要与其氧化变质程度有之间，主要与其氧化变质程度有关。关。 除上述除上述5 5种主要元素之外，还从原油灰分（石油燃烧后的种主要元素之外，还从原

7、油灰分（石油燃烧后的残渣）中发现有铁残渣）中发现有铁( (Fe)Fe)、钙钙( (Ca)Ca)、镁镁( (Mg)Mg)、硅硅( (Si)Si)、铝铝( (Al)Al)、钒（钒（V V）、）、镍（镍（NiNi）、）、铜（铜（CuCu）、）、锑（锑（SbSb）、）、锰（锰（MnMn）、）、锶（锶（SrSr）、）、钡（钡（BaBa）、）、硼（硼（B B）、）、钴（钴（CoCo）、）、锌（锌（ZnZn）、）、钼（钼（MoMo）、铅（铅（PbPb）、）、锡（锡（SnSn）、）、钠（钠（NaNa）、）、钾（钾（K K）、）、磷（磷（P P）、）、锂（锂（LiLi）、）、氯（氯（ClCl）、）、铋（铋（Bi

8、Bi）、）、铍（铍（BeBe）、）、锗（锗（GeGe）、）、银（银（AgAg）、砷（砷（AsAs）、）、镓（镓（GaGa）、）、金（金（AuAu）、）、钛（钛（TiTi）铬（铬（CrCr）、）、镉（镉（CdCd）等等3030多种元素。多种元素。这些元素虽然种类繁多，但总量仅占石油这些元素虽然种类繁多，但总量仅占石油重量的万分之几，在石油中属微量元素重量的万分之几，在石油中属微量元素，亦或称之为灰分元素亦或称之为灰分元素。 在石油微量元素中，以钒在石油微量元素中，以钒( (V)V)、镍镍( (Ni)Ni)两种元素含量高、分两种元素含量高、分布普遍，且鉴于其与石油成因有关联，最为石油地质学家所重布

9、普遍，且鉴于其与石油成因有关联，最为石油地质学家所重视。视。 V/NiV/Ni比值可做为区分是来自海相环境还是陆相环境沉积物比值可做为区分是来自海相环境还是陆相环境沉积物的标志之一。的标志之一。 一般一般V/Ni1V/Ni1被认为是海相环境。被认为是海相环境。 V/Ni1V/Ni C C4 4者较少见。在多数情况下者较少见。在多数情况下 ，含量随碳数含量随碳数增加而减少；但在有的气藏中也可见增加而减少；但在有的气藏中也可见C C3 3H H8 8和和C C4 4H H1010异常高的现象。重异常高的现象。重烃气中烃气中C C4 4-C-C7 7除正构烷烃外，有时还有少到微量环烷烃和芳烃。除正构

10、烷烃外，有时还有少到微量环烷烃和芳烃。 一般常根据重烃气的含量将天然气划分为一般常根据重烃气的含量将天然气划分为湿气和干气。湿气和干气。但不同但不同学者所用的参数、量值及具体的划分方案不尽相同。学者所用的参数、量值及具体的划分方案不尽相同。在天然气地在天然气地质学上常用重烃气含量质学上常用重烃气含量5%5%作为划分干气和湿气的界限，作为划分干气和湿气的界限，C C2+2+5%5%称称为湿气，为湿气，C C2+2+5%5%称为干气称为干气。典型的湿气和干气以及欧、非、美洲。典型的湿气和干气以及欧、非、美洲若干有商业价值的天然气烃类组成如表所示。若干有商业价值的天然气烃类组成如表所示。 天然气组成

11、天然气组成% %（体积）（体积）资料资料来源来源CHCH4 4C C2 2H H6 6C C3 3H H8 8C C4 4H H9 9 C C5 5H H1212非烃非烃 典型典型湿气湿气84.684.66.46.45.35.32.62.61.11.1 HeronHeron(964)(964)干气干气96.096.02.02.00.60.60.30.31.11.1利曼（英，北海）利曼（英，北海） 94.8 94.8 3.0 3.0 0.6 0.6 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 TiratsooTiratsoo(1979) (1979) 非洲非洲 利比亚利比亚 71.4 71.

12、4 16.0 16.0 7.9 7.9 3.4 3.4 1.3 1.3 / / 阿尔及利亚阿尔及利亚 86.5 86.5 9.4 9.4 2.6 2.6 1.1 1.1 0.1 0.1 0.3 0.3 尼日利亚尼日利亚 88.1 88.1 6.3 6.3 2.1 2.1 0,3 0,3 1.1 1.1 2.1 2.1 圣弗朗西斯科圣弗朗西斯科（美，加州）（美，加州） 88.59 88.59 7.01 7.01 1.93 1.93 0.28 0.28 0.03 0.03 2.06 2.06 洛杉矶（美，加州）洛杉矶（美，加州） 86.5 86.5 8.0 8.0 1.9 1.9 0.3 0.3

13、0.2 0.2 3.1 3.1 华盛顿特区华盛顿特区 95.15 95.15 2.84 2.84 0.63 0.63 0.24 0.24 0.1 0.1 1.04 1.04 天然气的烃类组成变化很大天然气的烃类组成变化很大，如我国柴达木盆地聂中的气如我国柴达木盆地聂中的气藏气，甲烷含量为藏气，甲烷含量为99.5%99.5%，重烃（，重烃（C C2 2H H6 6）含量仅含量仅0.035%0.035%，C C1 1/C/C2+2+为为28432843，H/CH/C原子比为原子比为3.9993.999；而俄罗斯格罗兹尼的石油伴生气，；而俄罗斯格罗兹尼的石油伴生气，甲烷含量仅甲烷含量仅30.8%30

14、.8%，重烃（，重烃（C C2 2H H6 6-C-C5 5H H1212）含量却高达含量却高达69.2%69.2%，且其，且其中中C C3 3H H8 8-C-C5 5H H1212各占各占20%20%左右，相应地，左右，相应地，C C1 1/C/C2+2+为为0.4450.445，H/CH/C原子比原子比为为3.023.02。这两个例子可作为天然气烃类组成两个极端的代表，。这两个例子可作为天然气烃类组成两个极端的代表，其差别是显而易见的。其差别是显而易见的。（二）、天然气的非烃组成二）、天然气的非烃组成 在以烃类为主的天然气聚集中，一般将非烃气体成分视为杂在以烃类为主的天然气聚集中，一般将

15、非烃气体成分视为杂质。但有的非烃气体含量达到一定的品位也具有很高的经济价值质。但有的非烃气体含量达到一定的品位也具有很高的经济价值，应予以足够的重视；同时，研究非烃气体，对了解天然气的形，应予以足够的重视；同时，研究非烃气体，对了解天然气的形成、运移等也有重要意义。因此我们有必要对天然气中的非烃气成、运移等也有重要意义。因此我们有必要对天然气中的非烃气体有所认识。体有所认识。天然气（主要是气藏气）中常见的非烃气有天然气（主要是气藏气）中常见的非烃气有N N2 2、COCO2 2、H H2 2S S、COCO、SOSO2 2、H H2 2、HgHg蒸气及惰性气体，有时还有少量含硫蒸气及惰性气体，

16、有时还有少量含硫、氮、氧的有机化合物。非烃气的含量一般小于、氮、氧的有机化合物。非烃气的含量一般小于10%10%，但亦有少，但亦有少量气藏非烃气体含量可超过量气藏非烃气体含量可超过10%10%，极少数是以非烃气体为主的气，极少数是以非烃气体为主的气藏，如藏，如N N2 2气藏，气藏，COCO2 2气藏，气藏，H H2 2S S气藏。气藏。q第二节 天然气一、天然气的概念及产状一、天然气的概念及产状二、天然气的化学组成二、天然气的化学组成三、天然气的物理性质三、天然气的物理性质四、天然气与石油的区别四、天然气与石油的区别第一章第一章 油油气藏中的流气藏中的流体体 天然气是多种烃类和非烃的气态混合

17、物。天然气是多种烃类和非烃的气态混合物。在常温常压下以气在常温常压下以气态存在的烃类有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷及新戊烷；非态存在的烃类有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷及新戊烷；非烃类有氢、氮、二氧化碳、硫化氢和惰性气体。烃类有氢、氮、二氧化碳、硫化氢和惰性气体。在地下高温高压在地下高温高压下，下，C5-C7C5-C7烷烃和部分环烷烃、芳烃及有机硫化物也可以呈气态烷烃和部分环烷烃、芳烃及有机硫化物也可以呈气态存在。存在。三、天然气的物理性质三、天然气的物理性质 ( (一一) )、密度与相对密度、密度与相对密度 天然气的密度定义为单位体积气体的质量。天然气的密度定义为单位体积气体的质量。在标

18、准状况下在标准状况下，天然气中主要烃类成分的密度为，天然气中主要烃类成分的密度为0.67730.6773kg/mkg/m3 3（甲烷）甲烷）- -3.04543.0454kg/mkg/m3 3 （戊烷）。天然气混合物的密度一般为戊烷）。天然气混合物的密度一般为0.7-0.7-0.750.75kg/mkg/m3 3 ，其中石油伴生气特别是油溶气的密度最高可达其中石油伴生气特别是油溶气的密度最高可达1.51.5kg/mkg/m3 3甚至更大些。甚至更大些。天然气的密度随重烃含量尤其是高碳数的天然气的密度随重烃含量尤其是高碳数的重烃气含量增加而增大，亦随重烃气含量增加而增大，亦随COCO2 2和和H

19、 H2 2S S的含量增加而增大。的含量增加而增大。 天然气的相对密度是指在相同温度、压力条件下天然气密度天然气的相对密度是指在相同温度、压力条件下天然气密度与空气密度的比值，或者说在相同温度、压力下同体积天然气与与空气密度的比值，或者说在相同温度、压力下同体积天然气与空气质量之比。天然气烃类主要成分的相对密度为空气质量之比。天然气烃类主要成分的相对密度为0.55390.5539（甲烷（甲烷）-2.4911-2.4911（戊烷），天然气混合物一般在（戊烷），天然气混合物一般在0.56-1.00.56-1.0之间，亦随之间，亦随重烃及重烃及COCO2 2和和H H2 2S S的含量增加而增大。的

20、含量增加而增大。化合物 分子式 分子量 密度 相对密度 甲烷 CH4 16.043 0.6773 0.5539 乙烷 C2H6 30.070 1.2693 1.0382 丙烷C3H8 44.097 1.8614 1.5225 丁烷 C4H10 58.124 2.4535 2.0068 异丁烷 C4H10 58.124 2.4535 2.0068 戊烷 C5H12 72.151 3.0454 2.4911 异戊烷 C5H12 72.151 3.0454 2.4911 新戊烷 C5H12 72.151 3.0454 2.4911 巳烷 C6H14 86.178 3.6374 2.9753 庚烷 C

21、7H16 100.205 4.2299 3.4596 环戊烷 C5H10 70.135 2.9604 2.4215 环巳烷 C6H12 84.162 3.5526 2.9057 苯 C6H6 78.114 3.2974 2.6969 甲苯 C7H8 92.141 3.8891 3.1812 二氧化碳 CO2 44.010 1.8577 1.5195 硫化氢 H2S 34.076 1.4380 1.7165 氮 N2 28.013 1.1822 1.9672 天然气中常见组分的密度和相对密度天然气中常见组分的密度和相对密度 （101325Pa，15.55） 天然气在地下的密度随温度的增加而减小，

22、随压力的增加天然气在地下的密度随温度的增加而减小，随压力的增加而加大而加大。但鉴于天然气的压缩性极强，在气藏中，天然气的体但鉴于天然气的压缩性极强，在气藏中，天然气的体积可缩小到地表体积的积可缩小到地表体积的1/200-1/3001/200-1/300，压力效应远大于温度效应，压力效应远大于温度效应，因此，因此地下天然气的密度远大于地表温压下的密度，一般可达地下天然气的密度远大于地表温压下的密度，一般可达150-250150-250kg/mkg/m3 3；凝析气的密度最大可达凝析气的密度最大可达225-450225-450kg/mkg/m3 3。（二）、临界温度和临界压力二）、临界温度和临界压

23、力 在自然（地面或地下）条件下，气体是否以气态存在取决于在自然（地面或地下）条件下，气体是否以气态存在取决于温度和压力。这就涉及到临界温度和临界压力的概念。温度和压力。这就涉及到临界温度和临界压力的概念。纯物质纯物质的临界温度系指气相物质能（通过加压）维持液相的最高温度的临界温度系指气相物质能（通过加压）维持液相的最高温度。高于临界温度时，无论加多大压力，都不能使气态物质变为。高于临界温度时，无论加多大压力，都不能使气态物质变为液态。在临界温度时，气态物质液化所需要的最低压力称为临液态。在临界温度时，气态物质液化所需要的最低压力称为临界压力。高于临界压力时，无论多少温度，气、液两相不可能界压力

24、。高于临界压力时，无论多少温度，气、液两相不可能共存。共存。天然气常见组分的临界温度和临界压力如表所示。天然气常见组分的临界温度和临界压力如表所示。 化合物 沸点（）( 101325Pa） 凝固点（）(101325Pa） 蒸气压力(101325Pa，） 临界温度（） 临界压力(101325p a) 甲烷 -161.49 -182.48 (340.228) -82.57 45.44 乙烷 -86.60 -183.23 (54.436) 32.27 48.16 丙烷 -42.04 -187.69 12.929 96.67 41.94 丁烷 -0.50 -138.36 3.511 152.03 37

25、.47 异丁烷 -11.72 -159.61 4.913 134.94 36.00 戊烷 36.07 -129.73 1.059 196.50 33.25 异戊烷 27.88 -159.91 1.390 187.28 33.37 新戊烷 9.50 -16.57 2.433 160.63 31.57 巳烷 68.73 -95.32 0.337 234.28 29.73 庚烷 98.43 -90.58 0.110 267.11 27.00 环戊烷 49.25 -93.84 0.675 238.60 44.49 环巳烷 80.72 6.54 0.222 286.39 40.22 苯80.09 5.5

26、3 0.219 289.01 48.34 甲苯 110.63 -94.97 0.0702 318.64 40.55 二氧化碳 -78.50 - - 31.06 72.88 硫化氢 -60.33 -82.89 26.810 100.39 88.87 氮-195.78-210.00 - -146.89 33.55 天然气中常见组分的临界温度和临界压力天然气中常见组分的临界温度和临界压力 对于各烃类组分来说，甲烷的临界温度为对于各烃类组分来说，甲烷的临界温度为-82.57，乙，乙烷为烷为32.37。因此它们在地下除溶于石油和水或形成气水。因此它们在地下除溶于石油和水或形成气水合物之外，均以气相存在。

27、丙烷临界温度为合物之外，均以气相存在。丙烷临界温度为96.67，在低，在低于该温度时，在适当的压力下即可液化。因此丙烷及碳数于该温度时，在适当的压力下即可液化。因此丙烷及碳数更高的烷烃，在地下大多以液相存在，仅有少量与甲烷、更高的烷烃，在地下大多以液相存在，仅有少量与甲烷、乙烷呈气态或溶于石油或溶于水（数量更少）存在。乙烷呈气态或溶于石油或溶于水（数量更少）存在。（三）、溶解性三）、溶解性 天然气能不同程度溶于水和石油两类溶剂中。天然气能不同程度溶于水和石油两类溶剂中。 天然气能不同程度地溶解于水和油两类溶剂中，具体数量取天然气能不同程度地溶解于水和油两类溶剂中，具体数量取决于天然气和溶剂的成

28、分以及气体的压力、温度。不同成分的决于天然气和溶剂的成分以及气体的压力、温度。不同成分的气体其溶解系数有相当大的差别气体其溶解系数有相当大的差别。根据相似相溶原理，。根据相似相溶原理，烃气在烃气在石油中的溶解度要比水中大许多倍石油中的溶解度要比水中大许多倍。在标准状况下甲烷在在石。在标准状况下甲烷在在石油中的溶解系数为油中的溶解系数为0.30.3，是在水中溶解系数的近，是在水中溶解系数的近1010倍（倍（0.0330.033）。溶解性随压力增高溶解度增大，随温度升高反而降低。溶解性随压力增高溶解度增大，随温度升高反而降低。另外另外，当石油中溶有天然气时，即可降低石油本身的相对密度、粘，当石油中

29、溶有天然气时，即可降低石油本身的相对密度、粘度以及表面张力。度以及表面张力。 天然气的组分上，天然气的组分上，重烃气特别是碳数较高的重烃气重烃气特别是碳数较高的重烃气含量愈含量愈高，溶解度愈大。高，溶解度愈大。 原油组分方面，在相同温度、压力条件下，天然气在原油组分方面，在相同温度、压力条件下，天然气在低碳低碳数烃类含量高的轻质原油中数烃类含量高的轻质原油中比重质原油中的溶解度要高得多。比重质原油中的溶解度要高得多。 温度对天然气溶解度的影响是随油层温度的温度对天然气溶解度的影响是随油层温度的升高溶解度降升高溶解度降低低，但其影响效应远低于压力的效应。，但其影响效应远低于压力的效应。 无论是溶

30、于地层水还是原油中的天然气，在条件发生无论是溶于地层水还是原油中的天然气，在条件发生改变时，其中的溶解气都有可能脱离地层水或原油成为游改变时，其中的溶解气都有可能脱离地层水或原油成为游离气，并在适当的条件下聚集成为气藏。离气，并在适当的条件下聚集成为气藏。特别是在油（气特别是在油（气）藏中，当压力降低时，天然气会自石油中析出，且各组）藏中，当压力降低时，天然气会自石油中析出，且各组分的析出与其溶解度相对应，分的析出与其溶解度相对应，甲烷最先开始析出，然后是甲烷最先开始析出，然后是乙烷、丙烷、丁烷等同系物依次析出乙烷、丙烷、丁烷等同系物依次析出。（四）、粘度四）、粘度 前已述及，粘度是指流体分子

31、间相对运动所产生的内摩擦力前已述及，粘度是指流体分子间相对运动所产生的内摩擦力的大小。天然气的粘度就是天然气分子间内部摩擦力的一种量度的大小。天然气的粘度就是天然气分子间内部摩擦力的一种量度 天然气粘度是研究天然气运移、开发和集输的一个重要参数天然气粘度是研究天然气运移、开发和集输的一个重要参数。天然气的粘度很小，在地表常温常压下，只有天然气的粘度很小，在地表常温常压下，只有n n1010-2-2-10-10- -3 3MPa.sMPa.s。远比水（远比水（1 1MPa.sMPa.s）和油（和油（1-1-n n10MPa.s10MPa.s）粘度为低。天粘度为低。天然气粘度与气体组成、温度、压力

32、等因素有关。然气粘度与气体组成、温度、压力等因素有关。在接近大气压的在接近大气压的低压条件下，压力对粘度的影响很小（可忽略），粘度随温度增低压条件下，压力对粘度的影响很小（可忽略），粘度随温度增加而变大，随分子量增大而减小；而在较高压力下，天然气的粘加而变大，随分子量增大而减小；而在较高压力下，天然气的粘度随压力增加而增大，随温度升高而减小，随分子量增加而增大度随压力增加而增大，随温度升高而减小，随分子量增加而增大。此外，天然气粘度还随非烃气体增加而增加。此外，天然气粘度还随非烃气体增加而增加。（五）、吸着作用五）、吸着作用 气体与固体表面接触所发生的关系，可以有吸收作用，也可气体与固体表面接

33、触所发生的关系，可以有吸收作用，也可以只有吸附作用，亦或兼而有之。吸附作用与吸收作用是有区别以只有吸附作用，亦或兼而有之。吸附作用与吸收作用是有区别的，气体与固体表面接触并渗入固体物质内部（直至饱和）的现的，气体与固体表面接触并渗入固体物质内部（直至饱和）的现象叫做象叫做吸收作用吸收作用；而气体被固体吸收的初步过程是气体分子被固而气体被固体吸收的初步过程是气体分子被固体表面分子所吸引，这一现象叫做体表面分子所吸引，这一现象叫做吸附作用。吸附作用。由于常常不能确定由于常常不能确定是吸附作用还是吸收作用，故把气体（或液体）在固体表面发生是吸附作用还是吸收作用，故把气体（或液体）在固体表面发生的作用

34、笼统称之为的作用笼统称之为吸着作用。吸着作用。（六）、扩散六）、扩散 气体扩散是自然界常见的一种物理化学现象。气体扩散是自然界常见的一种物理化学现象。按引起按引起扩散的主导因素可分为浓度扩散和温度扩散。按扩散介质扩散的主导因素可分为浓度扩散和温度扩散。按扩散介质可分为气体在气体中扩散（自由扩散）、气体在液体中扩可分为气体在气体中扩散（自由扩散）、气体在液体中扩散和气体在固体（岩石）中扩散。散和气体在固体（岩石）中扩散。 浓度扩散是由物质的浓度差而引起，气体由高浓度处浓度扩散是由物质的浓度差而引起，气体由高浓度处向低浓度方向流动，分子的相互运动趋向于拉平相互接触向低浓度方向流动，分子的相互运动趋

35、向于拉平相互接触的容器内物质的浓度。随着温度升高，分子的热运动加速的容器内物质的浓度。随着温度升高，分子的热运动加速，扩散加快。，扩散加快。 扩散系数是浓度梯度等于扩散系数是浓度梯度等于1 1时时1 1秒钟内通过截面积为秒钟内通过截面积为1 1厘厘米米2 2的扩散气体量。扩散系数反比于气体压力，因为随着压的扩散气体量。扩散系数反比于气体压力，因为随着压力增加，分子自由行程的长度减小，相应地压缩气体的扩散力增加，分子自由行程的长度减小，相应地压缩气体的扩散进行得比稀薄气体慢。进行得比稀薄气体慢。 一般气体的自由扩散系数（气体在气体中扩散）大部分一般气体的自由扩散系数（气体在气体中扩散）大部分在在

36、0.08-0.230.08-0.23厘米厘米2 2 / /秒之间。氢具有最大的扩散系数，如氢秒之间。氢具有最大的扩散系数，如氢通过氮或氦气的扩散系数为通过氮或氦气的扩散系数为0.70.7厘米厘米2 2 / /秒。秒。 气体在液体中的扩散，气体在液体中的扩散，从气体在液体表层溶解（吸收作用）从气体在液体表层溶解（吸收作用）开始，然后由于在各液体层中存在气体浓度差而进一步扩散。开始，然后由于在各液体层中存在气体浓度差而进一步扩散。气体在水中的扩散系数一般随分子量和分子大小的增加而减小气体在水中的扩散系数一般随分子量和分子大小的增加而减小，随压力和温度的升高而增大。，随压力和温度的升高而增大。 气体

37、在岩石中的扩散气体在岩石中的扩散比在自由空间进行得慢，也比在水中进比在自由空间进行得慢，也比在水中进行得慢。因为在岩石中气体是沿充满流体、结构复杂的孔道进行得慢。因为在岩石中气体是沿充满流体、结构复杂的孔道进行扩散。与自由空间扩散相比，在砂中较之慢行扩散。与自由空间扩散相比，在砂中较之慢2-32-3倍，在砂岩中倍，在砂岩中慢慢9-149-14倍，在致密砂岩中要慢倍，在致密砂岩中要慢100100倍。倍。 气体通过没有孔隙的岩石（矿物质）的扩散比通过孔隙岩气体通过没有孔隙的岩石（矿物质）的扩散比通过孔隙岩石小石小10-10010-100倍，但随着气体的温度和压力升高，扩散速度将大倍，但随着气体的温

38、度和压力升高，扩散速度将大大加快。大加快。 热扩散（温度扩散）是由于存在温度差而产生，热扩散使热扩散（温度扩散）是由于存在温度差而产生，热扩散使轻分子或小分子气体趋向于在高温区集中，而重分子或大分子轻分子或小分子气体趋向于在高温区集中，而重分子或大分子气体在低温区聚集。气体在低温区聚集。 天然气的扩散不可小视，扩散可使气田中的气大量散失。在天然气的扩散不可小视，扩散可使气田中的气大量散失。在漫长的地质历史中，甚至可使整个气藏消失。漫长的地质历史中，甚至可使整个气藏消失。 （七）、热值七）、热值 热能是天然气主要经济价值所在。天然气的热值与组热能是天然气主要经济价值所在。天然气的热值与组成天然气

39、的成分有关，含烃气比例越高，热值越高；含非成天然气的成分有关，含烃气比例越高，热值越高；含非烃气，特别是含烃气，特别是含COCO2 2、N N2 2等气体比例越高，热值越低。天然等气体比例越高，热值越低。天然气中主要烃气成分的热值如表所列。气中主要烃气成分的热值如表所列。天然气中主要烃类气体的热值（据美国天然气工程手册，天然气中主要烃类气体的热值（据美国天然气工程手册，1959） 烃烃 类类 热热 值（发值（发 热热 量）量）* KJ/m3(净值净值) KJ/m3(净值净值) KJ/m3(全值全值) KJ/m3(全值全值) 甲甲 烷烷 34037.80 47541.96 37811.48 52

40、812.96 乙乙 烷烷 60937.25 45162.10 66618.44 49371.20 丙丙 烷烷 87915.42 44054.17 95537.50 47873.33 丁丁 烷烷 115863.04 43368.15 125876.35 47116.44 *原统计以原统计以Btu/ft3计，经换算成计，经换算成SI单位单位 （八）、形成结晶水合物八）、形成结晶水合物 在自然界存在的低温高压条件下，天然气（氦、氖、氢在自然界存在的低温高压条件下，天然气（氦、氖、氢除外）能够与水结合形成除外）能够与水结合形成结晶水合物（固体气）结晶水合物（固体气）。这是天然。这是天然气的重要性质。这

41、一性质具有实际意义。气的重要性质。这一性质具有实际意义。 固体气为密度在固体气为密度在0.88-0.900.88-0.90g/cmg/cm3 3的固体结晶物质，象雪的固体结晶物质，象雪或冰，或冰，1 1m m3 3气体水合物中含气体水合物中含0.90.9m m3 3的水和的水和70-24070-240m m3 3的气，含气的气，含气量的多少取决于气体的组分。尽管甲烷、乙烷、丙烷、量的多少取决于气体的组分。尽管甲烷、乙烷、丙烷、COCO2 2等气体均可形成气水合物，但固体气中的天然气还是以甲烷等气体均可形成气水合物，但固体气中的天然气还是以甲烷占优势，即常见为甲烷水合物。占优势，即常见为甲烷水合

42、物。甲烷水合物是在冰点附近的特殊温度和压力条件下形成的甲烷水合物是在冰点附近的特殊温度和压力条件下形成的 其开始出现的条其开始出现的条件是：温度低于件是：温度低于0，压力小于，压力小于2.5Mpa；温度温度0-20，压，压力为力为2.5-25Mpa。温温度达度达21-27时，甲时，甲烷水合物将被分解烷水合物将被分解。 因此，气水合物因此，气水合物主要存在于冻土、主要存在于冻土、极地和深海沉积物极地和深海沉积物分布区。分布区。海水与甲烷形成气水合物的相图（据海水与甲烷形成气水合物的相图（据Katz，1959） 气水合物是天然气（主要是甲烷）被俘获在水分子的气水合物是天然气（主要是甲烷）被俘获在水

43、分子的笼型结构中，即水分子的笼型化合物。在这种化合物中，笼型结构中，即水分子的笼型化合物。在这种化合物中，水的冰晶体格架扩展为包含气体分子的晶体。水的冰晶体格架扩展为包含气体分子的晶体。 在一定温度、压力条件下，气和水相互作用形成气水合物。除在一定温度、压力条件下，气和水相互作用形成气水合物。除甲烷、氮和惰性气体以外的所有其它气体，都具有高于某一温度甲烷、氮和惰性气体以外的所有其它气体，都具有高于某一温度就不形成气水合物的临界温度。就不形成气水合物的临界温度。 形成气水合物的条件必须低温高压，在地层条件下，只有在形成气水合物的条件必须低温高压，在地层条件下，只有在深潜的深潜的 永久永久 冻土带

44、（厚层冰岩带）发育区（一般在极地），冻土带（厚层冰岩带）发育区（一般在极地），低低温高压温高压才能得以兼备。在现代沉积物中，前苏联科学家发现，海才能得以兼备。在现代沉积物中，前苏联科学家发现，海洋底下是天然气水合物形成的最佳场所，海洋总面积的洋底下是天然气水合物形成的最佳场所，海洋总面积的90%90%具有形具有形成气水合物的温压条件。成气水合物的温压条件。 气体水合物可以视之为固体溶液，其中气体水合物可以视之为固体溶液，其中 溶剂溶剂 是由水分子构成是由水分子构成的立方晶系的结晶骨架，其中分布着溶解气分子。即气体分子的立方晶系的结晶骨架，其中分布着溶解气分子。即气体分子 溶溶解解 于由水分子组成的结晶骨架于由水分子组成的结晶骨架 溶剂溶剂 中形成的中形成的 固体溶液固体溶液 。 目前，对天然气水合物的研究已成为一个热点，也是当今目前，对天然气水合物的研究已成为一个热点，