油燃而声 第10期 | 天然气——洁净环保优质能源
《油气简史》
（第二版 富媒体）
油燃而声 第10期
天然气，可以燃烧，主要成分为甲烷（CH4），通常含有少量的乙烷、丙烷、丁烷等烃类气体，也可能还含有二氧化碳、氮气、硫化氢等非烃类气体。
▲天然气组成
天然气的利用可追溯到 2000 多年前。当时蜀人在打井取盐时，发现了地下天然气，然后顺便采掘到地面，将其燃烧用于制盐。四川是世界上最早开发利用天然气的，是我国天然气勘探开发的摇篮和基地。现代天然气工业的起源，与一个叫 William Hart 的美国人有关，在1821年的一天，他在小溪边玩耍，发现小溪中有气泡“唰唰”冒出，便用铲子挖出了第一口天然气井，这口井只有 8.2m 深。今天的天然气井已经很深了，从几百米到上万米，靠人工挖是不行的。
天然气在地层中一般有两种形式存在，有的和原油伴生，有的单独存在。
由于天然气比液态石油的分子更小，它比液态石油更能“钻空子”，所以不仅能大量渗进石油能渗进岩石中，也能渗进石油渗不进去的一些岩石中。于是，在地层中，有石油的地方几乎都会有天然气，也就是说石油中几乎都溶解有天然气。如果把石油比作“孕妇”，那么天然气就好比是孕妇腹中“婴儿”， 所以在开采石油的同时都会伴随天然气采出——即油田伴生气。油田伴生气虽然很常见，但总量并不大。
绝大部分的天然气在某些地层中单独存在，也就是说在这些地层中只有天然气没有石油。
此外，还有一种叫凝析气的特殊天然气，这种天然气开采出地面后会析出轻质石油，通常称为凝析油，也称为天然汽油，具有这种特征或特殊现象的气藏称之为凝析气藏。
从凝析油的角度，通常将含有凝析油的天然气称为湿气，不含有凝析油的天然气称为干气（纯甲烷）；含湿气的天然气藏则称为湿气藏，含干气的天然气藏称为干气藏。
天然气也可以存在于煤炭中，这种天然气称为煤层气——煤炭工人称之为瓦斯。天然气还可以存在于页岩中，这种天然气称为页岩气。
▲天然气分类
天然气也可以是“固态”的，固态天然气就是今天我们所说的天然气水合物——“可燃冰”。它存在于海洋深部和永久冻土中，其中海洋中的可燃冰占大多数。
▲天然气井喷
天然气一般无色无味，是一种易燃易爆气体，和空气混合后，温度只要达到 550℃就燃烧。从地下采出的天然气因含水、含 H2S 等有毒物质，需经过管道输送到天然气处理厂脱硫、脱水处理达到使用标准才能使用。
▲天然气集输与处理
▲天然气用途
天然气可用于发电，发电效率高；也可用作化工原料，以天然气为原料的一次加工产品主要有合成氨、甲醇、炭黑等近 20 个品种；也广泛用于家庭做饭、烧水、采暖及制冷等以及饭店、酒店、医院的锅炉房和厨房；以天然气为燃料的压缩天然气汽车是一种环保型汽车， 具有价格低、污染少、安全等优点。天然气是优质高效的清洁能源，二氧化碳和氮氧化物的排放仅为煤炭的一半和五分之一左右，二氧化硫的排放几乎为零。天然气也是受到人们青睐的“三可”能源，其开发利用越来越受到世界各国的重视。
▲天然气的三大优势（李鹭光等，2018）
科普内容介绍
钻井过程中一项非常重要的工作就是安全、高效钻达目的层。
农村的水井也就十几米深，而油气井深达几百米、几千米甚至上万米，整个钻井过程是一个“黑匣子”工程。为什么说是“黑匣子”工程呢？因为钻井的对象是地下的岩石，我们无法像空间作业那样，能够通过望远镜等设备进行监测。在钻井过程中，只能通过返出岩屑情况和一些钻井参数来判断地下情况。地下情况复杂、特殊，地层千差万别，有的地下地层压力不同，有低压层，有异常高压层；有的岩石很坚硬，有的很松软；有的岩石很致密，有的存在裂缝、溶洞，甚至是大裂缝大溶洞；有的地层还含二氧化碳和有毒气体如硫化氢等。尽管在钻井前和钻井过程中，钻井技术人员做了很多非常细致的、详尽的准备工作，但还是经常遇到各种井下复杂情况，比如井喷、溢流、井涌等，给钻井施工带来挑战和困难。这些情况甚至可能导致井毁人亡，给国家和人民造成巨大损失。
最严重的井喷失控类似于火山爆发。井喷失控后，喷发的油气往往伴随有毒气体或夹杂着砂石，喷出的石块敲打着井架叮当作响，现场还会闻到油气味，现场人员也可能吸入有毒气体。井架上碰撞出的火花可能引燃喷发出的气体，大火可能高达数十米，在几千米甚至几十千米以外都能看见。井喷失控会造成机毁人亡、油气井报废、环境污染以及巨大的经济损失。
2003年12月23日，在重庆市开县高桥镇罗家寨，发生了国内乃至世界气井井喷史上罕见的特大井喷失控事故，造成万人大撤离，2142人受伤住院，243人中毒死亡，直接经济损失上亿元，是新中国成立以来，重庆历史上死亡人数最多、损失最重的一次特大安全事故。这项事故，给国家、社会、人民群众的生命财产带来了灾难性的损失。作为人类开采天然气史上最大的悲剧事件，这次事故在国际国内反应强烈，影响很大。
大家可能还记忆犹新，2010年4月20日，英国石油公司在美国墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台发生了井喷爆炸着火事故，造成11人死亡，17人受伤。平台燃烧36小时后沉没，持续漏油87天，4万多桶原油流入墨西哥湾，近1500公里海滩受到污染，至少2500平方公里的海水被石油覆盖，引发了严重的环境污染，成为美国历史上最严重的漏油事故。英国石油公司为墨西哥湾漏油事件支出的相关费用总额达538亿美元，事故赔偿额度创下历史最高。
大家应该都曾经被铁人王进喜的故事所震撼吧？在20世纪70年代的电影《创业》中，铁人王进喜为了提高泥浆密度、控制溢流、制服井喷，不畏严寒、奋不顾身地跳进了零下30～40℃的泥浆池，用身体搅拌泥浆，保住了油井和井口设备，避免了一场灾难性钻井事故。那为什么王进喜舍命也要跳进泥浆池呢？因为他要争分夺秒的制服突发性的井喷，多耽搁一秒就有可能造成不可估量的损失。
在日常作业中，我们如何防止这些事故的发生呢？
一方面，在钻井过程中采取井控措施。在油气勘探开发过程中，井控工作是一项重要环节，是安全生产工作的重中之重。井控，也就是油气井的压力控制，就是采用一定方法平衡地层孔隙压力。地层岩石存在微小到肉眼几乎不可见的孔隙，地层孔隙压力也就是岩石孔隙内流体的压力。打个比方，当你将手放入一个浸满水的海绵时，你会感到四周有一股力量把你的手掌包围住，这个力就是地层孔隙压力。在钻井时，井眼周围的地层孔隙压力会挤压井眼，孔隙中的流体还可能流入井眼内。井控就是通过在井筒内形成压力，平衡地层孔隙压力，抵消这份压力对井眼的影响。如何在井筒内形成压力呢？这就需要让井眼内充满钻井液，改变钻井液的密度，从而改变钻井液的重力大小，达到井控目的。
另一方面，我们还需要帮助石油工人“看清楚”地下的情况。目前的主要手段：一是地震勘探技术，这就相当于给地球做B超检查，识别地下深处可能埋藏油气的位置；二是测井技术，这与外科医生在做微创手术时的内窥镜相似，我们给钻头装上“千里眼”，观察钻头前进过程中，井眼周围的情况，查看井四周是什么样的岩石，以及岩石里边装的是油还是水；三是录井技术，好比医生通过检查病人的粪便来推断病情，我们利用钻井过程中的“地面排出物”——岩屑，预测地层情况，查看是什么岩石、岩石是否含油气；四是取芯技术，好比医生给病人做小型“穿刺”取“活体”样本。我们通过专业工具，从地下几千米的位置取出岩石和流体样品，通过岩石样品查看岩石孔大小、孔与孔是否连通、是否有油水。通过流体样品，我们来分析它的油、气、水的性质，比如组成、密度、粘度、压缩性等，以及随温度压力变化情况。最后就是进行生产测试，俗称放喷，就是大家经常在电视里边看见的井口喷火、井口喷油的场景。目的是看看发现的油气是否具有工业油气产量，有无工业采掘价值。
很显然，地球物理学家通过地球物理勘探对地球做B超，可以预测地下石油和天然气富集的最有可能的地理位置，以及可能发现油气的地质年代。但这项预测具有不确定性，还有很多“模糊”的问题需要回答。回答这些不确定性问题的，就是钻井工程师，他们通过钻井钻遇地层，通过测井、录井、取样、测试等各种方式来确定和挖掘钻遇地层包含的所有信息。对于油气采掘来说，钻井非常重要，因为它可以查明油气藏构造形态、含油气面积、储量规模、流体性质及生产能力等一系列情况。
可见，钻井是一项高投入、高技术、高风险的复杂工作，但“井工厂”技术，作为一种流水作业线方式，可以大大降低成本、提高劳动效率。就好比大餐厅做菜，洗菜、切菜、炒菜都是专人负责，可以同时进行，节约周期。“井工厂”按工厂化组织管理模式把各工序有效地衔接起来，集中配置人力、物力、财力、组织等要素，充分协调统筹地理环境、材料供给、电力供应、人力物力财力，采用“群式布井、集中施工、流水作业、资源整合、统一管理、远程控制”方式，按相应标准进行批量化施工与流水作业，从而降低工程成本、提高作业效率。例如，在同一平台钻井，先准备好钻开地层上部表层，也就是一开的钻井液后，用相同钻具组合批量化钻井，把所有井表层一次钻完；再配制二开钻井液，用二开钻具组合批量化钻完所有二开井眼表层以下的钻井，以此类推。这样的方式既可以降低钻井液配制成本，大幅降低钻井周期。同时也为下道工序，如压裂、试油、试气批量化作业创造了条件。“工厂化”这种全新的作业方式，特别适用于像页岩气资源这样的低品位、非常规油气资源的开发作业，从而助力我国非常规油气资源的持续规模效益开发。美国致密砂岩气、页岩气开发，英国北海油田、墨西哥湾和巴西深海油田，都是采用的“工厂化”作业方式。陆上一个井场钻50多口井，海上一个钻井平台钻100多口井，高度集中的流水线施工和作业，使开采成本大大降低，投资者的效益最大化
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