石油天然气的性质

石油．天然气的性质石油、烃类天然气是贮存于地下、可流动的、可燃的、不可再生的矿产资源，是自然界化石燃料的重要类别。石油、烃类天然气是各种碳氢化合物组成的、复杂的自然混合物。其构成的主要元素为碳和氢，也通称为烃类矿产。石油是一种液态的、可燃的碳氢化合物的混合物。在地下形成并贮集于各种孔隙、缝隙岩石中的称之为天然石油，也叫原油；从煤或油页岩中提炼出来的可燃液体，称之为人造石油。天然气从广义说，系指在大气圈和地壳内形成的各种天然的气体，包括氮气、二氧化碳气、硫化氢气、碳氢化合物气以及氦气。本章专述碳氢化合物气体。碳氢化合物气体，也称烃类气体。由于现今其他气体成藏发现的比例少，因此人们又惯用“天然气”的称谓以表述烃类天然气。石油、天然气是当今世界主要的能源和重要的化工原料。其产品广泛应用于人类社会活动的各个领域，深深地渗透在人们生活的方方面面，几乎是无所不在。20世纪，由于石油在“世界经济中发挥深远的影响，石油价格的重大变动能够刺激经济增长或促进通货膨胀和引起衰退”，“石油作为一种商品与国家战略、全球政治和实力紧密地交织在一起”（丹尼尔•耶金，1991）,因此，从世界已经发生过的形式多样的争夺和竞争、以致战争（如1973年中东和1991年海湾地区的战争等），充分反映了石油在当今世界所扮演的主导角色和所占有的极其重要的地位。20世纪常被形容为“石油的世纪”。中国是世界上最早发现和利用天然气的国家，也是世界上最早发现和利用石油的国家之一。由于长期处在封建社会的统治，特别是近100多年的半封建、半殖民地制度的禁锢，尤其是帝国主义的侵略以及为其侵占中国的市场而鼓吹的“中国贫油”的束缚，因此中国的石油工业，大大滞后于世界发展之走势，与世界工业国家相比，差距巨大，落后明显。1949年，中华人民共和国成立，石油工业开始进入了新的发展时期。建国初期，国家非常重视能源工业的发展，建立专门机构统一筹划。重视运用已有的石油地质理论，特别注重应用了我国地质学家针对中国地质实际而提出的评价，组织了规模很大的石油地质调查实践，积累了资料，深化了认识，指出了重点，并主要依靠自己的力量，用最短的时间，以最快的速度发现并建起了规模巨大的油田——大庆油田。这对于面临百废待兴、百业待举，发展经济的新中国无疑是输进了巨大活力的“血液”，极大地支持了各行各业的恢复和发展。周恩来总理在1963年12月举行的二届人大一次会议上宣布：中国需要的石油，现在可以基本自给，中国人民使用“洋油”的时代即将一去不复返了。大庆油田的发现和开发，作为中国石油工业发展的光辉里程碑，既预示了中国石油资源的巨大潜力，又更有力地推进了石油勘探和开发进程。几十年来，我国石油工业在党和政府的关怀和领导下，在有关部委和地方政府的支持下，在石油、地质部门和中国科学院等的共同努力下，发现了一批又一批油气田，建起了一个又一个生产开发基地，成为国家的重点行业，对国民经济建设发挥过并将继续发挥着巨大的作用。石油，有天然石油与人造石油之分，本节主要简述从地下采出的天然石油即原油的性质。天然气则专述可燃的碳氢化合物气体。（一）石油的化学组成自然界中，碳氢化合物种类繁多，已知的有数百种。但构成石油的碳氢化合物，从其对石油性质的影响和存在的广泛性来看，烷属（族）、环烷属（族）、芳香属（族）这三大系列的结构最为重要，也最为普遍。烷属（族）烃又可按其分子结构的特点而分为饱和烃和不饱和烃两大类。从溶有天然气的石油平均成分看，大体上烷属烃占53%，环烷属烃占31%，芳香属烃占16%。烷属烃，分子结构式为CnN2n+2，是由碳原子以单键链状与氢原子结合构成的一类饱和、稳定的烃化合物。没有支链的称为正构烷烃，按其碳原子数的增加分别定名为甲烷、乙烷……辛烷等；碳原子数超过十的即用数字直接表示，如正^一烷、正十二烷……正三十六烷等。现以甲烷、乙烷、正十一烷为例示其分子结构：当直链烷烃出现支链，称之为异构烷烃。如异戊烷的分子结构为正构烷与异构烷由于排列的形式不同，其化合物的性质差异也较大。以辛烷(C8H18)为例，正辛烷一般燃烧易产生爆震现象，而异辛烷燃烧时比较平稳。在室温下，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷呈气态；戊烷至十五烷呈液态；十六烷以上则呈固态。环烷属烃，分子式为CnH2n。碳原子以单键呈环状相连并与四周的氢原子结合构成。与烷烃相比，氢原子数目减少。但仍是一种饱和、稳定的化合物，如环己烷,其分子结构为：环己烷和环戊烷是石油中最主要的环烷烃。环烷烃与烷烃在化学性质上比较接近，但构成的石油反映出的物理性质则有所差异。环烷烃比例大的石油比烷烃比例大的石油往往密度大、熔点和沸点高。芳香属烃，也称苯属烃，分子通式为CnH2n，碳原子以单键和双键呈环状与氢原子结合。苯(C6H6)是最简单和典型的代表，其分子结构为这类烃多具有芳香气味。在石油中，常集中于重馏分内。烷烃、环烷烃、芳香烃都属于比较稳定的饱和烃类。但在链状烷烃的化合物中，有不饱和烃类化合物存在。这类化合物的碳原子呈链状以双键相连与氢原子结合。缺少二个氢原子的称为烯烃，分子通式为CnH2n。例如乙烯（C2H4）,其分子结构为碳原子间仍呈链状排列但以三键相连的结构，称为炔烃，其分子通式CnHn。如乙炔（C2H2）,分子结构为：HCCH。这类不饱和烃在化学性质上比较不稳定。当较纯时，点火燃烧尚显平静，而一旦混有空气，就易发生猛烈爆炸。石油中，碳、氢是主要的组成元素。碳一般占84%〜88%，氢占12%〜14%，原子比介于5.7〜8.5之间。其他元素，如氧、氮、硫元素约占1%，很少达到2%〜3%，还有磷、钒等微量元素和矿物质，这些元素或以游离状或组成化合物的形式存在于重的组分中。（二）石油的物理性质石油的物理性质随其化学组成的不同而有明显的差异。不同性质的石油，对开发、集输、贮存、加工影响较大，因此其经济评价也各不相同。1）石油的颜色颜色与原油中含有的胶质、沥青质数量的多少有密切关系。深色原油密度大、粘度高。液性明显的原油多呈淡色，甚至无色；粘性感强的原油，大多色暗，从深棕、墨绿到黑色。我国玉门、大庆等油田的原油多呈黑褐色；新疆克拉玛依油田原油呈茶褐色；青海柴达木盆地的原油多呈淡黄色；四川、塔里木、东海等盆地的一些凝析气田所产凝析油从浅黄色到无色。2）石油的臭味是由于原油中所含的不同挥发组分而引起。芳香属组分含量高的原油具有一种醚臭味。含有硫化物较高的原油则散发着强烈刺鼻的臭味。由于含硫化物较高，因此这类原油在加工时，需要增加专门的处理装置而要投入更多的资金。我国主要油田的含硫量较之中东地区原油的含硫量（高于2%）低得多，大庆油田原油含硫量不到1%0,胜利油田原油含硫量也多不超过1%。3）石油的密度指在地面标准条件下，脱气原油单位体积的质量。以吨每立方米（t/m3）或克每立方厘米（g/cm3）表示。石油相对密度（以往文献曾以比重表示）是15.5°C或20°C时原油密度与4°C时水的密度的比值。国际上常用API度作为决定油价的标准。API度与相对密度的相关关系式为：API度（15.5C）=（141.5/相对密度）-131.5,API度大,相对密度小。水的API度为10。密度大小与石油的化学组成、所含杂质数量有关。胶质、沥青质含量高,密度大,颜色深；低分子量烃含量高,密度小。不同地区、不同地层所产原油密度有较大的差别。原油按其密度可分为四类:轻质原油（密度V0.87g/cm3）冲质原油（＞0.87〜0.92g/cm3）,重质原油（＞0.92〜1.0g/cm3），超重质原油（＞1.0g/cm3）。我国生产的原油密度变化也较大，大庆（多在0.8601g/cm3）、长庆（0.8437g/cm3）、青海尕斯库勒（0.8388g/cm3）等地区所产原油多属轻质原油;胜利(多数在0.8873g/cm3左右)、辽河(0.8818g/cm3)等地区所产原油多属中质原油;胜利孤岛(0.9472g/cm3)、大港羊三木(0.9492g/cm3)、辽河高升(0.9609g/cm3)、新疆乌尔禾(0.9609g/cm3)等油田所产原油则属重质原油。4)石油的粘度指液体质点间移动的摩擦力，以mPa・s表示。粘度大小决定着石油在地下、在管道中的流动性能。一般与原油的化学组成、温度和压力的变化有密切关系。通常原油中含烷烃多、颜色浅、温度高、气溶量大时，粘度变小。而压力增大粘度也随之变大。地下原油粘度比地面的原油粘度小。根据粘度大小，将原油划分为常规油(V100mPa・s)，稠油(>100〜V10000mPa・s)，特稠油(>10000〜50000mPa・s)和超特稠油或称沥青(>50000mPa・s)四类。由于测定绝对粘度较烦杂，在研究中常用恩氏粘度计测定相对粘度。相对粘度指液体的绝对粘度与同温条件下水的绝对粘度比。我国原油粘度变化范围较大。大庆白垩系原油(50°C)粘度在19〜22mPa・s，任丘震旦亚界原油(50C)为53〜84mPa・s,胜利孤岛原油(50C)为103〜6451mPa・s。5）石油的荧光反应石油在紫外光照射下受激发发光，并在照射后所发光立即消失的这种荧光反应特性，普遍被用于野外工作时作为判断岩石中是否含有石油显示的重要标志。按发光颜色的不同以及分布的情况，大体可推测所显示的石油组分及其百分含量。一般油质呈天蓝色，胶质呈黄绿色，沥青质呈棕褐色。6）石油的旋光性石油在偏光下，具有把偏光面向右旋转的特性。偏转度一般小于1°。旋光性是有机质所特有的一种性质，而且当加温至300°C时即消失。因此，在研究石油生成时，常以这种旋光性和在石油中发现的素（由动植物色素如叶绿素或血红素变化而成，并在温度超过200C时被破坏）的存在作为石油有机成因的依据。7） 石油的溶解性石油不溶于水，但可溶于有机溶剂，如苯、香精、醚、三氯甲烷、硫化碳、四氯化碳等，也能局部溶解于酒精之中。原油又能溶解气体烃和固体烃化物以及脂膏-树脂、硫和碘等。8） 石油的凝固点与含蜡量凝固点系指原油从流动的液态变为不能流动的固态时的温度。这对不同温度尤其在低温地区考虑贮运条件时是非常重要的指标。根据凝固点高低石油可分为高凝油（N40C）、常规油（＞-10〜＜40C）、低凝油（V-10C）三类。我国多数油田所产原油的凝固点，在15〜30C之间。石油含蜡量系指原油中含石蜡的百分数。石蜡在其熔点温度（37〜76°C）时溶于石油中，一旦低于熔点温度，原油中就出现石蜡结晶。我国主要油田所产原油的含蜡量较高，大约在20%〜30%之间。大庆萨尔图油田含量多在22.6%〜24.1%，河南魏岗油田为42%〜52%，江汉王场油田为2.8%〜11.4%，克拉玛依油田仅7%左右。含蜡量高的原油凝固点也高。9） 石油的燃烧特性石油和成品油可燃程度随温度而异，表现在闪点、燃点和自燃点的差异。“闪点”指石油在容器内受热，容器口遇火则发生闪火但随之又熄灭时的温度。“燃点”指受热继续升高，遇火不但出现闪火而且引起了燃烧的温度。“自燃点”指原油在受热已达到相当高的温度，即便不接触火种也出现自燃现象的温度。石油是由具不同沸点的烃化合物组成的混合物，与水（沸点为100C）不同，没有固定的沸点。其闪点随具不同沸点化合物的含量比例不同而各有差异。沸点越高，闪点也高。如石油产品中煤油闪点在40C以上，柴油在50〜65C之间，重油在80〜120C，润滑油要达到300C左右。自燃点却相反，沸点高的成品油，自燃点降低，如汽油自燃点为415〜530C，裂化残渣油自燃点约270C，石油沥青则降至230〜240C。石油作为一种混合物，其闪点在一20〜100C之间，而自燃点则为380〜530C之间。10） 石油的馏分组成由于石油是由具不同沸点的烃化合物混合而成，因此通过控制不同的温度而可分别获得不同的石油产品。随着温度的增高，首先是轻组分馏出，继而为较重的烃馏分，最后剩余胶质、沥青质残渣。通过实践测定，我国原油的初沸点在70一100©之间。在一次加工中，产品的馏出顺序大致为：5°C以下首先是石油醚,40—180U之间为航空汽油，205C左右为汽车汽油，120—240C为重汽油，200—315C为煤油；270—300C为润滑油，190一350©为柴油，350C以上则为残余物（渣油）。三）天然气的化学组成本节所指天然气是指烃类气体。地壳中，天然气就其产状分析，有游离态、溶解态（溶于原油和水中）、吸附态和固态气水合物四种类型。从分布特点又可分为聚集型和分散型两类。气藏气、气顶气、凝析气、油溶气属聚集型，也称为常规型天然气；水溶气、煤层气、固态气水合物则属分散型，也称为非常规型天然气。从与油藏的关系划分，气顶气、油溶气以及油藏之间或油藏上方的、在成因上与成油过程相伴的气藏气，均归于伴生气；与油没有明显联系的或仅含有极少量原油的气藏气，成因上与煤系有机质或未成熟的有机质有关而生成的天然气称之为非伴生气。在我国，常规的天然气贮存形式是普遍存在的，包括气层气、溶解气、水溶气、凝析气。一般说，“气层气”是指在原始储层条件下，天然气以自由气相贮集于储层内。“溶解气”指原始储层条件下，天然气以溶解状态存于储层内的原油中。“水溶气”指在原始储层条件下，天然气体溶解于储层内的边水或底水中。“凝析气”指在原始地层条件下，天然气以自由相存在，但当地层压力降到露点压力以下时，有反凝析现象产生。对非常规的天然气类型，在我国仍属潜在的领域。但煤层气，也称煤矿瓦斯气，从已经进行的研究和预测表明具有巨大的潜力，90年代以来，我国已程度不等地启动了工作，成为勘探开发着力开拓的领域。烃类天然气以甲烷（CH4）气为主，并含有总量不多、各自数量不等的重烃（C2—C5）气。其中非烃气以氮（N2）、二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）气较为常见。另外，天然气中还含有一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、氢（H2）、汞（Hg）以及氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氙（Xe）及氡（Rn）等痕量至微量的惰性气体。烃类天然气的元素组成与石油相似，碳占65%〜80%，氢元素占12%〜20%,H/C原子比在4〜5之间。一般甲烷占总量的85%以上，乙、丙烷较常见，约占2%〜12%左右，丁烷以上含量较少。根据天然气中重烃（C2以上）的含量，把天然气分为干气（贫气）和湿气（富气）。重烃含量高于或等于5%的定为湿气，含量低于5%的定为干气。四川盆地所产天然气多属干气，其甲烷含量多超过95%。湿气多与原油共存，也常被称为伴生气。湿气中的乙烷、丙烷、丁烷在增压后又可变为液态，故也被称为液化石油气。不同地区天然气的成分不尽相同，往往随地而异，即使同一个油气田或油气田内的不同层位，也有所变化，有的甚至差异较大。（四） 天然气的物理性质天然气是无色、无味的气体。当天然气中混有硫化氢气时，就会出现强烈的刺鼻臭味。其重要物理性质还包括：1）密度天然气密度是指单位体积气体的重量，以kg/m3表示。天然气是多组分的混合物,各组分的密度也不相同。在地面标准状态下,天然气混合物的密度一般为0.7〜0.75kg/m3,随重烃含量增多密度增大。某些油田伴生气，其密度可达1.5kg/m3。密度随压力增高而增大,随温度增高而变小。天然气的相对密度是指相同温度、压力（如15.6°C、101325Pa或20°C、101325Pa）条件下，天然气密度与空气密度的比值。天然气混合物一般在0.56〜1.0之间。2）天然气的粘度粘度是指气分子内部质点运移的摩擦阻力,是研究气体的运移、评价开采、集输条件的重要参数,常用动力粘度（绝对粘度）表示，单位采用mPa・s。也可用运动粘度，即动力粘度与密度的比值,单位以mm2/s表示。粘度大小与化学组成及其所处环境有关。在标准状况下，分子量增加，粘度变小，温度升高粘度增大。在压力较高的条件下，压力增高粘度增大。3）天然气压缩性和溶解性天然气是可压缩的。同体积的天然气，在地面与地下密度不同，重量也不同。天然气具有溶于水和石油这两类不同液体的能力，但易于与石油互溶而与水则不易互溶。如甲烷，在原油中的溶解系数为0.3，而在水中的溶解系数仅0.033，两者可相差达一个数量级。影响天然气溶解性的主要因素是压力，而温度对天然气的溶解力的影响则比较复杂。（五） 石油、天然气的热值热值系指单位重量燃料燃烧时所产生的热量，是评价燃料质量的重要指标，单位以MJ/kg表示。平均低位发热量,石油为41.87MJ/kg,天然气为38.97MJ/kg，原煤为20.93MJ/kg。国际上多以标准燃料应用的基热值（标准煤当量）29.27MJ/kg计量。石油、天然气折算标准燃料系数分别为1.4286和1.33。（六） 石油、天然气的差别石油、天然气在元素组成、结构形式以及生成的原始材料和时序等方面，有其共性、亲缘性，也有其特性、差异性。在化学组成的特征上，天然气分子量小（小于20）,结构简单，H/C原子比高（4〜5）,碳同位素的分馏作用显著。石油的分子量大（75〜275），结构也较复杂，H/C原子比相对低（1.