天然氣是多種烴類和非烴的氣態(tài)混和物。在常溫常壓下以氣態(tài)存在的烴類有乙炔、乙烷、丙烷、丁烷、異丙醇及新己烷;非烴類有氫、氮、二氧化碳、硫化氫和惰性氨氣。在地下低溫高壓下，C5—C7烯烴和部份環(huán)己烷、芳烴及有機絡(luò)合物也可以呈氣態(tài)存在。
天然氣的化學性質(zhì)是多方面的，在此主要探討與天然氣地質(zhì)學相關(guān)的數(shù)學性質(zhì)。
(一)密度與相對密度
天然氣的密度定義為單位容積二氧化碳的質(zhì)量。天然氣的密度隨重烴濃度尤其是高碳數(shù)的重烴氣濃度降低而減小，亦隨CO2和H2S的濃度降低而減小。
天然氣的相對密度是指在標準狀況下，單位容積天然氣與同容積空氣質(zhì)量之比。天然氣的相對密度通常與相對分子量成反比。亦隨重烴、CO2、H2S等高分子量二氧化碳濃度降低而減小。
在標準狀況下，天然氣中常見組分的密度和相對密度如表1－7所示。
表1－7天然氣中常見組分的密度和相對密度(，15.55℃)
天然氣在地下的密度隨氣溫的降低而降低，隨壓力的降低而加強。但鑒于天然氣的壓縮性極強，在氣藏中，天然氣的容積可縮小到地表容積的1/200～1/300，壓力效應(yīng)遠小于氣溫效應(yīng)。為此，地下天然氣的密度遠小于地表溫壓下的密度，通常可達(150～250)kg/m3;凝析氣的密度最大可達(225～450)kg/m3。
(二)臨界氣溫和臨界壓力
在自然(地面或地下)條件下水的密度隨溫度變化表，二氧化碳是否以氣態(tài)存在取決于水溫和壓力。這就涉及臨界氣溫和臨界壓力的概念。純物質(zhì)的臨界氣溫系指液相物質(zhì)(通過加壓)能維持固相的最高氣溫。低于臨界氣溫時，無論加多大壓力，都不能使氣態(tài)物質(zhì)變?yōu)橐簯B(tài)。在臨界氣溫時，氣態(tài)物質(zhì)液化所須要的最低壓力稱為臨界壓力。低于臨界壓力時，無論氣溫高低，氣、液兩相不可能共存。這些臨界狀態(tài)只適用于純物質(zhì)，而不易于多組分系統(tǒng)。
天然氣常見組分的臨界氣溫和臨界壓力如表1－8所示。對于各烴類組分來說，二氧化碳的臨界氣溫為－82.57℃，甲烷為32.37℃。為此，它們在地下除溶于石油和水或產(chǎn)生氣水合物之外，均以液相存在。乙炔臨界氣溫為96.67℃，在高于該氣溫時，在適當?shù)膲毫ο录纯梢夯?。因而乙烷及碳?shù)更高的烯烴在地下大多以固相存在，僅有少量與乙炔、乙烷呈氣態(tài)存在或溶于石油或溶于水(數(shù)目更少)。
表1－8天然氣中常見組分的臨界氣溫和臨界壓力
圖1－6乙炔pVt關(guān)系曲線圖
現(xiàn)以乙炔為例說明氣溫、壓力與物質(zhì)相態(tài)的關(guān)系。如圖1－6所示，當氣溫高于臨界氣溫時，如71.1℃和87.8℃，由pVt關(guān)系曲線上可以看出:氣態(tài)乙炔的容積先是隨壓力降低而縮小;在達到A、A'點后壓力不變而容積繼續(xù)縮小，直至B、B'為止;過B、B'后雖然壓力降低極大，容積變化甚少。Ai(A、A'……)點為開始液化點，Bi(B、B'……)點為完全液化點，Ai—Bi為氣、液兩相共存區(qū)間，兩相平衡。在兩相平衡區(qū)間(Ai—Bi)等壓縮小容積的壓力為飽和蒸汽壓力，簡稱蒸汽壓力。據(jù)此可將蒸汽壓力定義為在一定濕度條件下二氧化碳可能存在的最大壓力。在一定濕度下，處于蒸汽壓力時氣、液兩相共存。蒸汽壓力的大小取決于水溫，隨著物系氣溫下降，等壓縮小容積的Ai—Bi區(qū)間段逐步減短，直至成為一點，即K點。K為臨界點，其氣溫和壓力即為臨界氣溫和臨界壓力。
烴類混和物的相圖以二氧化碳－丙酮雙組分混和物的相圖為例加以說明。如圖1－7所示，混和物的臨界壓力大大低于參與混和各組分的臨界壓力，而混和物的臨界氣溫則處于混和組分的臨界體溫之間且更趨近于參與混和各組分中最高臨界體溫?？赏浦?，多組分二氧化碳混和物的蒸汽壓力也將大大低于相同氣溫下單一組分的蒸汽壓力。
圖1－7二氧化碳－甲烷混和物的相圖
圖1－8多組分烴類物質(zhì)的相圖
多組分混和烴氣物系相圖與雙組分相圖類似，如圖1－8所示。圖中K1點為臨界凝析點，K1點的氣溫稱為臨界凝析體溫，低于該氣溫在物系內(nèi)就不可能產(chǎn)生液態(tài);線5為露點線，代表液體開始析出，氣溫繼續(xù)增加即產(chǎn)生氣、液兩相共存;線4為泡點線，代表氣已達到飽和，開始起泡，有少量二氧化碳分子逸出液體，假如繼續(xù)降糖，就可以產(chǎn)生游離氣態(tài)，產(chǎn)生氣、液兩相共存;K點為臨界點，K點是露點線和泡點線的交匯點，為氣、液兩相的內(nèi)涵變?yōu)橄嗤狞c，K點的壓力稱為臨界凝析壓力，低于該壓力物系內(nèi)便不可能產(chǎn)生純游離液相。K點一側(cè)(高于K點氣溫)低于該點壓力(實際上是低于泡點壓力即泡點線4之上)的1區(qū)只存在不飽和的溶化氣;K點一側(cè)(高于臨界凝析氣溫K1區(qū)間)在低于該點壓力(實際上為露點線之上)的2區(qū)為凝析氣。所以說，低于K點壓力(臨界凝析壓力)物系內(nèi)便不可能產(chǎn)生純游離液相。故泡點曲線4上方的1區(qū)為純氣相(代表富含欠飽和溶化氣的油西藏);露點曲線下段K1點兩側(cè)的3區(qū)為純液相(代表純氣西藏);露點曲線上段(K—K1)之上方的2區(qū)為凝析油氣西藏;泡點曲線4和露點曲線5所包圍區(qū)內(nèi)氣、液兩相共存(代表有游離氣頂?shù)挠蜌獠胤植紖^(qū))。
在地下土層中，當氣層室溫處于K與K1之間，如圖中氣溫在82.5℃時，低壓下物系以氣態(tài)為主，氣、液兩相平衡，隨壓力上升氣相漸漸增多，符合正常凝結(jié)的概念(增壓凝結(jié));當壓力降低達到B2后，壓力繼續(xù)降低氣相(油相)反倒降低，待達到B1點則完全汽化(更準確地說是氣、液兩相界線完全消失，成為非氣非油的凝析油氣流體)。這與正常蒸發(fā)概念完全相反(增壓蒸發(fā))，稱之為逆蒸發(fā)現(xiàn)象。反之，從B1到B2點的過程，與正常凝結(jié)現(xiàn)象呈反向(減壓凝結(jié))，稱之為逆凝結(jié)。凝析(油)氣藏的產(chǎn)生就是逆蒸發(fā)之相態(tài)轉(zhuǎn)變所致。而氣藏開采時凝析物(油)是由逆凝結(jié)而析出。
從里面的表述可以得出如下概念:等溫壓縮過程的蒸發(fā)現(xiàn)象稱作逆蒸發(fā)，也可稱之為反溶化。在一定條件下輕液態(tài)烴表現(xiàn)出在烴氣介質(zhì)中被蒸發(fā)(溶化)的特點，因而在自然界產(chǎn)生一種含溶化狀態(tài)液體的二氧化碳，這些二氧化碳稱作凝析氣，這些二氧化碳的地下集聚就是凝析氣藏。二氧化碳混和物等溫膨脹時產(chǎn)生凝析液的現(xiàn)象稱作逆凝結(jié)。在基巖條件下包含在氣藏中的氣量與凝析油量之比(m3/m3或m3/t)一般叫凝析油氣比。天然氣藏的凝析油氣比變化通常在(4000～30000)m3/t之間。
(三)溶化性
天然氣能不同程度地溶化于水和油兩類溶劑中，具體數(shù)目取決于天然氣和溶劑的成份以及二氧化碳的壓力、溫度。不同成份的二氧化碳其溶化系數(shù)有相當大的差異，在常溫常壓下天然氣常見組分在水底的溶化系數(shù)如表1－9所示。按照相像相溶原理，烴氣在石油中的溶化度要比水底大許多倍。在標準狀況下乙烷在石油中的溶化系數(shù)為0.3，是在水底溶化系數(shù)的近10倍。溶化性隨壓力增高溶化度減小，隨氣溫下降反倒增加。另外，當石油中溶有天然氣時，即可增加石油本身的相對密度、黏度以及表面張力。
表1－9天然氣常見組分在水底的溶化系數(shù)(20℃，)
(四)粘度
粘度是指流體分子間相對運動所形成的內(nèi)磨擦力的大小。天然氣的粘度就是天然氣分子間內(nèi)部磨擦力的一種量度。天然氣粘度是研究天然氣運移、開發(fā)和集輸?shù)囊粋€重要參數(shù)。天然氣的粘度很小，在地表常溫常壓下，只有(n×10－2～10－3)mPa·s。遠比水(1mPa·s)和油(1～n×10mPa·s)的粘度低。天然氣粘度與二氧化碳組成、溫度、壓力等誘因有關(guān)。在接近大氣壓的低壓條件下，壓力對粘度的影響很小(可忽視)，粘度隨氣溫降低而變大，隨分子量減小而降低;而在較高壓力下，天然氣的粘度隨壓力降低而減小，隨氣溫下降而減少，隨分子量降低而減小。據(jù)悉，天然氣粘度還隨非烴二氧化碳降低而降低。
(五)吸著作用
二氧化碳與固體表面接觸所發(fā)生的關(guān)系，可以有吸收作用，也可以只有吸附作用，或兼而有之。吸附作用與吸收作用是有區(qū)別的水的密度隨溫度變化表，二氧化碳與固體表面接觸并溶入固體物質(zhì)內(nèi)部(直到飽和)的現(xiàn)象稱作吸收作用;而二氧化碳被固體吸收的初步過程是二氧化碳分子被固體表面分子所吸引，這一現(xiàn)象稱作吸附作用。因為經(jīng)常不能確定是吸附作用還是吸收作用，故把二氧化碳(或液體)在固體表面發(fā)生的作用籠也稱為吸著作用。
(六)擴散
二氧化碳擴散是自然界常見的一種數(shù)學物理現(xiàn)象。按造成擴散的主導誘因可分為含量擴散和氣溫擴散。按擴散介質(zhì)可分為二氧化碳在二氧化碳中擴散(自由擴散)、氣體在液體中擴散和二氧化碳在固體(巖石)中擴散。
含量擴散是由物質(zhì)的含量差而導致，二氧化碳由高含量處向低含量方向流動，分子的互相運動趨于于拉平互相接觸的容器內(nèi)物質(zhì)的含量。隨著氣溫下降，分子的熱運動加速，擴散推進。
室溫擴散(熱擴散)是因為存在室溫差而形成，熱擴散使輕分子或小分子二氧化碳趨于于在低溫區(qū)集中，而重分子或大分子二氧化碳在高溫區(qū)集聚。
天然氣的擴散不可小視，擴散可使氣田中的氣大量散失。在漫長的地質(zhì)歷史中，擴散甚至可使整個氣藏消失。
(七)熱值
熱能是天然氣主要經(jīng)濟價值所在。天然氣的熱值與組成天然氣的成份有關(guān)，含烴氣比列越高，熱值越高;含非烴氣，非常是含CO2、N2等二氧化碳比列越高，熱值越低。天然氣中主要烴氣成份的熱值如表1－10所列。
從表1－10可見，就烴氣而言，以容積論，含重烴比列越高，非常是含較高碳數(shù)烴氣越多，熱值越高;以重量論，相同重量的天然氣則是含二氧化碳比列越高，熱值越高。
表1－10天然氣中主要烴類二氧化碳的熱值
*原統(tǒng)計以Btu/ft3計，經(jīng)換算成SI單位。(據(jù)《美國天然氣工程指南》，1959)
(八)乙烷氣水合物
在自然界的高溫高壓條件下，天然氣(氦、氖、氫除外)才能與水結(jié)合產(chǎn)生結(jié)晶水合物(固體氣)，這是天然氣的重要性質(zhì)，這一性質(zhì)具有實際意義。
固體氣為密度在(0.88～0.90)g/cm3的固體結(jié)晶物質(zhì)，像雪或冰，通式為M·H2O，式中M為產(chǎn)生水合物的二氧化碳分子。1m3二氧化碳水合物中含0.9m3的水和70～240m3的氣，含氣量的多少取決于二氧化碳的組分。雖然乙烷、乙烷、丙烷、CO2等二氧化碳均可產(chǎn)生氣水合物，但固體氣中的天然氣還是以二氧化碳占優(yōu)勢，即常見為乙炔水合物。
乙炔水合物是在冰點附近的特殊氣溫和壓力條件下產(chǎn)生的(圖1－9)。其開始出現(xiàn)的條件是:濕度高于0℃，壓力大于2.5MPa;氣溫0～20℃，壓力為2.5～25MPa。氣溫達21～27℃時，二氧化碳水合物將被分解。為此，氣水合物主要存在于土層、極地和深海沉積物分布區(qū)。
圖1－9海水與乙烷產(chǎn)生氣水合物的相圖(據(jù)Katz，1959)
在一定濕度、壓力條件下，氣和水互相作用產(chǎn)生氣水合物。除二氧化碳、氮和惰性二氧化碳以外的所有其他二氧化碳，都具有低于某一氣溫就不產(chǎn)生氣水合物的臨界體溫。產(chǎn)生氣水合物的條件是必須高溫高壓，在基巖條件下，只有在深潛的“永久”凍土帶(厚層冰巖帶)發(fā)育區(qū)(通常在極地)，高溫高壓就能得以兼具。在現(xiàn)代沉積物中，前南斯拉夫科學家發(fā)覺，海洋下邊是天然氣水合物產(chǎn)生的最佳場所，海洋總面積的90%具有產(chǎn)生氣水合物的溫壓條件。