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1、,基本内容提要：主要阐明石油、天然气、油田水的化学组成和物理性质，并介绍碳、氢、氧、硫同位素的基本知识以及海相与陆相原油的差别及原油的分类。,第一章 石油、天然气、油田水的产状和性质,第一章 石油、天然气、油田水的产状和性质,第一节 石油沥青类概述,一、石油沥青类与可燃有机矿产 天然气、石油及其固态衍生物，统称为石油沥青类。它们多由古代的动物、植物遗体演变而来，属有机成因，又具有燃烧能力，总称为可燃有机矿产或可燃有机岩。,二、可燃有机矿产的元素组成 组成可燃有机岩的主要元素是碳和氢，还含少量的氧、硫、氮等杂质元素。,三、可燃有机矿产分类 根据物理状态，可燃有机矿产分为气态、液态和固态三类。(1
2、)气态可燃矿产：纯气田的气体、石油伴生的油田气、煤型气、火山气、沼气等。(2)液态可燃矿产：以石油为代表。(3)固态可燃矿产：地沥青、地蜡、石沥青等石油衍生物，还有各种煤、油页岩、硫磺等。,地沥青,油页岩,石油,开县气井,第二节 石油的成份和性质石油（petroleum）是什么？简单地说，石油是指赋存于地下岩石孔隙中，以碳氢化合物为主的液态可燃有机矿产。石油从地下开采出来，没有经过加工提炼之前通常称之为原油（crude oil）.成份：主要烃类、少量非烃、微量元素相态：液态为主，溶有大量烃气，少量非烃气物性：多具芳香气味、油脂状、比水轻，颜色 有黑、褐、棕、绿、浅黄直至透明。,一、石油的元素组
3、成 由C、H及少量O、S、N等元素组成。据统计：C，84-87%；H，11-14%；O+S+N，14%；微量元素约万分之几。显然C、H占绝对优势，也叫碳氢化合物(hydrocarbon)主要呈烃类存在。,S，平均为0.65%；S2%，高硫原油；S0.5%S2%，含硫原油；S0.5%，低硫原油。碳酸盐含油层和咸水湖沉积的石油，S一般含量较高。N 平均为0.094%；通常 0.25%，高氮原油；0.25%，贫氮原油。,微量(灰分)元素(石油组分中发现)有：Fe,Ca,Mg,Si,Al,V(钒)，Ni(镍)，Cu(铜)，Sb(锑)，Mn,Sr(锶)，Ba(铍)，B(硼)，Co(钴)，Zn(锌)，Mo
4、(镅)，Pb(铅)，Sn(锡)，Na(钠),K(钾),P(磷),Li(锂)，Cl(氯),Bi(铋)，Be(铍)Ge(锗)，Ag(银)，As(砷)，Ga(镓)，Au(金)，Ti(钛)，Cr(铬)，Ca(镉)等59种元素。我国原油一般Ni高（陆），V低，V/Ni比值低。,二、石油的烃类组成及特征(一)烃类化合物1.烷烃（脂肪族烃）通式CnH2n+2，属饱和烃常温常压下：C1C4(气态)；C5 C16(液态)；C16(固态)分子结构特点：碳与碳原子间以单键相连，排成直链，按其是否有支链存在，进一步分正构烷烃、异构烷烃。无支链的为正构烷烃，如正戊烷；有支链的为异(构)烷烃。如异戊烷,异烷烃中最有意义的
5、是具特征结构的异戊二烯型烷烃。特点是直链上每四个碳原子有一个甲基支链。如：植烷，姥鲛烷，降姥鲛烷，异十六烷及法呢烷的含量最高，主要来源于叶绿素，加之化学稳定性，可用作油源对比。,2.环烷烃，通式为 CnH2n，属饱和烃 结构特征是碳原子以单键联结成闭合的链环。环烷烃由围成环的多个次甲基(-CnH2n-)组成。按分子所含碳环数目分：单环烷烃(CnH2n)双环烷烃(CnH2n-2)三环烷烃(CnH2n-4)多环烷烃（组成环的碳原子数为大于3的数，相应为三员环、四员环、五员环、六员环）。,环烷烃在石油中分布的特点：五员环和六员环最常见(稳定)，六员环居多；低沸点馏份中，单环占主要，随沸点增高，出现双
6、环、三环多环化合物。,3.芳烃及环烷芳烃 通式(CnH2n-6),属不饱和烃。特点：至少含一个苯环,具有六个碳原子和六个氢原子级成的特殊碳环-苯环。（苯环是由单键与双键相所构成的闭合环）按结构分：单环芳烃：分子中含一个苯环，包括苯及同系物；多环芳烃：分子中含两个或多个独立苯环；稠环芳烃：分子中含两个或多个苯环，彼此之间通过共用两个相邻碳原子稠合而成。,(二)石油的非烃组成（含有O、S、N等元素的化合物）1.含硫化合物 已鉴定出100多种，多数情况下，以硫化氢(H2S)，硫醇(RSH)，硫醚(RSR)，噻吩及其同系物等形态出现。,2.含氮化合物已鉴定出30多种，通常:高氮原油，N0.25%贫氮原
7、油，N0.25%碱性氮化合物：吡啶、喹啉、异喹啉等同系物；非碱性氮化合物：吡咯、卟啉等同系物。其中卟啉类富有成因意义，特点是含有卟啉环，卟啉是由四个吡咯环通过四个(-CH-)基团交替联结而成的十六员环。来源于植物的叶绿素、动物氮化血红素，可提供有机成因的证据。,叶绿素（A）与原油中的卟啉（B）、植烷（Ph）、姥鲛烷(Pr)结构比较图（etc.,1981）,石油中的卟啉化合物 主要为钒卟啉、镍卟啉；海相原油富含钒卟啉；陆相原油富含镍卟啉；中新生代生成的原油卟啉含量较多；古生代地层中含量甚低或不含。,3.含氧化合物 目前在石油中已鉴定出50多种。分属于环烷酸、酚、脂肪酸，统称石油酸。醛、酮)含量极
8、少。几乎所有石油中都含环烷酸，但含量变化大(0.03-1.9%)。,三、石油分类（研究目的不同，原则和方法采用参数不同）常用蒂索分类：根据烃类、胶质、沥青质相对含量；考虑，含硫量 采用三角图解，根据烷烃、环烷烃、芳烃O、S、N化合物相对含量。共分六种类型：石蜡型；石蜡-环烷型；环烷型；芳香-中间型；芳香-沥青型；芳香-环烷型。,四、海、陆相石油基本区别海相：芳香-中间型、石蜡-环烷型为主，饱和烃 25-70%，芳烃占总烃25-60%，S较高，V/Ni1，13C值，一般-27，低蜡，一般为0.5-3.0%；陆相：石蜡烃为主，部分为石蜡-环烷型，饱和烃 60-90%，芳烃占总烃10-20%，S较低
9、，V/Ni1，13C值一般-29，高蜡，一般5，为10-30%。,五、石油的物理性质 石油的物理性质，取决于它的化学组成，不同地区、不同层位，甚至同一层位在不同构造部位的石油，其物理性质也可明显差别。1.颜色：石油的颜色不一，有淡黄、黄褐、黑绿、黑色等。石油的颜色与石油中胶质、沥青质的含量有关。一般情况下，胶质、沥青质的含量愈高，颜色愈深。,2.密度和相对密度 相对密度(d420)指在一个大气压下，20石油与4纯水的单位体积密度之比。重质石油(d420)0.93中质石油0.90(d420)0.93轻质石油(d420)0.90,相对密度主要决定于：胶质-沥青质含量高、密度大、颜色深。低碳数烃含量
10、多，密度小。石油中溶解气数量多，密度小。温度高，密度小，压力大，密度增大。商业上：API度=141.5/(15.5时密度)-131.5(我国、美国常用)波美度=140/(15.5时密度)-130(西欧常用),3.粘度 指液体在外力作用下，阻止其质点相对移动的能力，就是该液体的粘度。粘度的单位为泊。定义：当用1达因的切力作用于流体，使相距1厘米，面积1厘米2的两液层发生相对流动，如流动的速度为1厘米/秒，该流体的粘度为一泊。在国际单位SI制中，单位为帕斯卡秒(PaS),影响石油粘度的主要因素密度增高，粘度加大；温度增高，粘度降低；压力增高，粘度加大；烷烃含量高，粘度降低；环烷烃高，粘度大；烷烃、
11、环烷烃含量多，粘度低；蜡、胶质、沥青质含量高，粘度大；原油中溶解气增加，粘度降低。,4.导电性 石油电阻率极高，与高矿化度的油田水及沉积岩相比，可视为无限大。在测井上，可将油、水因视电阻率而区分开。5.荧光性 石油在紫外线照射下可产生荧光的特性。芳烃和非烃引起发光，低碳数饱和烃不发荧光。芳烃呈天蓝色，含胶质较多为绿色或黄色，含沥青较多为褐色。,6.旋光性 当偏光通过石油时，偏光面会旋转一定角度(旋光角)。凡具有能使偏振光的振动面发生旋转的特性，称旋光性。引起石油旋光性产生原因，是在组成石油的某些化合物中，有些碳原子具不对称结构，使化合物产生具有旋光的性能。人工合成的有机物或天然无机物，不具这种
12、性质。,7.溶解性石油能溶于多种有机溶剂，难溶于水。碳数相同的分子比较，烷烃溶解度最小，环烷烃居中，芳烃最大；烷烃中(除甲烷)低分子气态烃溶解度较高，随分子量增大，溶解度减小。外界条件：温度增高，溶解度加大；水中无机组份含量增加时，溶解度降低；水中有皂胶粒存在时，(烃类)溶解度增大。,第三节 天然气的成分和性质一、天然气的概念和产状(一)概念广义的天然气，指存在于自然界的一切气体。狭义的天然气：(油、气地质研究的气体)指与油田或气田有关的可燃气体。成分以气态烃为主。多与生物成因有关。,(二)产状按相态:游离气,溶解气,吸付气,固态气水合物；按分布特征:聚集型，分散型；按与石油产出关系：伴生气，
13、非伴生气；按成因：有机成因型(石油气、煤成气、菌解气)；无机成因型(岩浆脱气、火山喷气、变质脱气、围岩分解等)。,1.聚集型天然气气藏气 指在圈闭中具一定工业价值的单独天然气聚集，可存在于油气田中，也可存在于与石油成因分布上无联系的气田(无机成因)内。,气顶气：指与油共存于油气藏，呈游离态存在于油气藏顶部的天然气。在分布、成因上与石油有密切关系。基本特点：重烃气含量大于5%，重烃气含量多少取决于石油的组成和密度。,溶解气油内溶解气：特点是重烃含量高，常见于饱和或过饱和油藏中。水内溶解气：主要成份有甲烷、氮、重烃气、二氧化碳等，不同成因盆地，成份含量不同。凝析气 一种特殊的气藏气。在地下较高温度
14、、压力下，超过临界条件后，液态烃逆蒸发而气化或呈液态分布在气中，呈单一气相产出；采出后因地表温度、压力降低，逆凝结呈液态析出。,2.分散型天然气油溶气：指油藏中的溶解气，任一油藏总溶有数量不等的天然气。水溶气：水溶气储量较大，但含气率低。煤层气：指煤层所含吸付和游离态的天然气，其含量因变质强度和煤顶板透气性差异很大。固态气水合物：冰点附近特殊温压条件下形成的固态结晶化合物。气体分子天然地被封闭在水分子的扩大晶格中，形成固态气水合物。,二、天然气的化学元素组成 主要由气态的低分子烃(C1-C4)和非烃气体(N2、CO2、H2S)及痕量到微量惰性气体组成。据统计：C，42-78%，H，14-24%
15、；化合物以甲烷为主，其次为重烃气(C2+)；含有少量的C2-C6的烷烃。一般碳数越大，含量越少。,实际勘探中，根据重烃气含量分湿气和干气。干气(贫气)：C2+5%，常不与油伴生，可形成纯气藏，燃烧时呈兰色火焰，通入带冰的水中，无油膜出现。湿气(富气)：C2+5%，常与油伴生，有微弱汽油味，燃烧时呈黄色火焰，通入带冰的水中，水面常出现彩色油膜。非烃气体：有CO2，N2，H2S及He、Ar等惰性气体含量不等。高者可成为以CO2，N2为主的气藏。,三、天然气的物理性质(一)基本物理性质,1.密度和相对密度 在标准状况下，单位体积天然气的质量。一般与它的分子量成正比。即密度随重烃含量尤其是高碳数的重烃
16、含量及CO2和H2S含量的增加而增大，一般：气体越多，密度越大；湿气比干气密度大；氮气、硫化氢、二氧化碳含量高，密度大。,2、粘度常压下：一般随分子量增加，粘度减小，随温度增加，粘度加大。(温度升高，气体分子运动加速，增加分子间碰撞，粘度加大),3.溶解性相同条件下气在石油中的解度大于在水中的溶解度。天然气中重烃增多或油中轻组分增加都可增大气体在油中溶解。降低温度或增大压力，可使气体在油中溶解度增加。,4.蒸气压力 气体液化时所需施加的压力。随温度升高，蒸气压力增大；同一温度条件下，碳氢化合物的分子量越小，蒸气压力越大。5、扩散性 在浓度梯度的作用下，自发地由高浓度区向低浓度区转移以达到浓度平
17、衡的过程。,第四节 油田水一、油田水的概念与产状油田水:指油田区域内与油气藏有密切联系的地下水，与油、气组成一个统一的流体系统。水与油、气分布相对位置分:边水,底水；水与油相对位置分：上层水，夹层水，下层水；水在储层存在状态分：气态水，吸附水，毛细管水，自由水,二、来源及形成(一)四种来源沉积水，渗入水，转化水，深成水(二)形成以沉积水、渗入水、转化水与深成水的某一种为主或它们以不同比例混合形成，经过一系列复杂的物理、化学作用与油气伴生而形成。由于形成中和油气相互作用，油田水具有一般地下水不常见的组份-烃类及其衍生物。,三、油田水的矿化度及化学组成包括：1、无机组成：(已测定60多种，常见30
18、种)，含量较多的。Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-；2、有机组成：烃类、酚、有机酸；3、溶解气：O2、N2、CO2、CH4、He等；4、微量元素：约几十种。矿化度：水的矿化度，即水中各种离子、分子和化合物的总含量。,四、油田水的类型 根据水中所含离子，把地层水分成不同类型。,根据大陆水和海水化学成分特征，把天然气水中的Na+和Cl-的当量比作为水的分类基础。并据水中离子(Cl-,SO42-,HCO3-,Mg2+,Ca2+)彼此化学亲合力的强弱顺序而组成盐类的原则，作划分依据。油田水以氯化钙型为主，重碳酸钠型为次,硫酸钠和氯化镁型少见）,五、油田水的物
19、理性质1.密度 因溶有数量不等的盐类，密度变化大，一般大于1,一般情况是含盐量越高，密度越大。2.粘度 由于含盐，粘度比纯水高，一般是溶解盐份越多，粘度越大。3.导电性 因含离子能导电，含离子越多，导电性越强。,4.透明度 一般不透明，呈混浊状。5.颜色 常带有颜色。含H2S时呈淡青绿色，含铁质胶状体时，带淡红色，褐色或淡黄色。6.嗅味 水中混有少量石油时，具汽油或煤油味，含H2S气体时，常带臭鸡蛋味，溶有NaCl时带咸味，含硫酸镁时带苦味。,第五节 稳定同位素 同位素指的是原子序数相同而中子数不同的那些质子(或元素周期表中具有相同原子序数而原子量不同的元素)，因为它们在周期表占有同一位置，故
20、称同位素。一、同位素的定义,值()=(Rs-Rr）/Rr1000 或值()=(Rs/Rr-1)1000 Rs，样品的比值 Rr，为标样的比值国际常用标准13C(PDB)，D/H为SMOW。,二、碳稳定同位素(一)常见的分馏作用1.同位素置换反应 反应结果，使不同物质中有的13C富集，另一些则12C富集。海水比大气中的CO2富集13C。2.光合作用的动力效应 植物光合作用时，会富集12C而使13C减少。海洋生物13C含量与HCO3中的13C含量相比会减少，13C值就会降低。海洋植物利用海水碳酸盐产生CO2光合作用，13C值增高。,3.温度效应 高温区相对富集13C，而低温区则贫13C。4.热力和
21、化学反应动力效应 低温条件形成的烃类12C较富集，13C值变小。高温条件下形成的烃类13C较高，13C值变大。5.物理化学效应 蒸发、扩散作用使气相富集轻同位素，液相则富集轻重的重同位素；一般气13C值相对低，油13C值相对高。,(三)应用1.鉴别烃类生成的母质和环境 利用陆生植物、湖沼等高等植物，淡水浮游生物与海洋动深海浮游生物的碳同位素组成有明显不同，来反推烃类生成的母质、环境。2.对比油源 一般原油比生油岩的13C值低几个千分点，被认为对比好，反之；则认为差或不是。,3.阐明油气的成熟过程 成熟过程中干酪根相对富集13C；裂解所得的烃类相对富集12C；时代越老，13C越相对富集。4.细菌
22、降解作用(保存条件)饱和烃降解有利于富集13C；杂环化合物或沥青裂解有利于12C的富集。5.运移 随运移距离增加，12C相对增加。同一层原油13C递减方向，可能就是油运移的方向。,(四)油气中的碳稳定同位素原油13C(PDB):一般为-22-33，平均-25-26海相原油：-27-22陆相原油：-29-33(相对值小)天然气：13C，从-20-100低温浅层-50-100深层、年代较老，较高温：-50-20,三、氢同位素 氢同位素的相对丰度为H1,H2,石油中H2含量比普通水高约60，在天然气中可达7939。(原油中D值变化还未能做出令人满意的解释，现场应用很少)原油中D值，-80-160 天然气D值，-105-270 生物成因气 13C低，D值也较低 热解成因气 13C和D值偏高。,四、硫稳定同位素 由于S33和S36数量很少，一般只测定S32和S34，也可以用S32/S34比值来表示硫同位素含量。沉积岩中34S值介于-4.144.55。之间；而S32和S34值变化在21.2802.212。,五、氧同位素 由于O17分布很少，一般都研究O16O18值。目前，在地质学上，只将碳酸盐中的氧同位素比值O16O18用来测定沉积盆地的古水温。六、氮同位素 天然氮有两种稳定同位素，其相对丰度为：N14，99.635%,N15，0.365%。,
