第2章油气水

第二章 油气藏中的流体 油、气、水的化学组成和物理性质油气水在油气藏（岩石）中的分布一概念石油的定义： “混合物 ”成分 ：以烃类为主 + 数量不等的非烃化合物及微量元素相态 ：以液态为主 ，可溶解大量天然气与固态物质 1 石油 (petroleum/crude oil)二元素组成1基本元素石油 没有确定的元素组成 ，但主要由 5种元素组成，即 C、 H、 O、 S、 N。石油中的 平均元素组成 （ % ）为： C84 .5，H13 .0， O0.5 ， S1.5 ， N0.5 。 2微量元素石油中还有几十种微量元素，主要是金属元素（其中 V和 Ni的含量最高），仅占石油重量的万分之几，构成了石油的灰分。C、 H两元素在石油中占绝对优势 ，主要以烃类化合物的形式存在，构成了石油的主体。而 O、 S、 N常存在于含杂原子的化合物中，主要是重馏分。高硫原油和低硫原油 （以 S =1%为界）3同位素原油中常见的稳定同位素有 C（ C12、 C13）、 H（ H1、 H2）、 Ar（ Ar40、 Ar36）。衡量其大小通常用 比值和 值 （千分数）表示。 值的定义是： 值（ ） =（ Rs/Rr - 1） 1000式中 Rs和 Rr分别代表样品和相应标准的同位素比值（重 /轻）。可看出， Rs越小， 值越小。关于稳定同位素的标准值，国际上通用氢为SMOW ， 碳用美国南卡州皮狄组美洲拟箭石（ PDB）。由图可知，不同地区、不同类型原油的同位素类型曲线间有着明显差别，能有效解决成油环境、油源对比及石油演化等方面的问题。图 2-1 原油碳同位素类型曲线 (据廖永胜， 1982（实线）； Stahl， 1977（ 虚线） )- 福山凹陷， - 莺歌海西部凹陷 , 和 - 涠西南凹陷）1-福 25井 E， 2-莺 9井 N， 3-湾 2井 E， 4-湾 9井 Pz， 5-莺 2井 E， 6-湾 5井 N三化合物组成组成石油的化合物有两类：（一）烃类化合物1烷烃C4以下为气态， C5C16为液态， C17以上为固态。正烷烃分布曲线奇碳优势主峰碳原 异戊间二烯型烷烃 （ 姥鲛烷 Pr、 植烷 Ph最丰富），一般认为由叶绿素的侧链 植醇演化而来。2环烷烃石油中多为五员环和六员环。应用：环己烷 /环戊烷 生油温度3芳香烃石油中有：苯、萘（二环）、菲和蒽（三环）环烷芳烃以四环、五环最重要，多与甾、萜类化合物有关，属生物成因标志物 。三种烃类在世界石油烃组成中所占的比例（ %）烃类名称 范 围 通常范围 平均含量 烷烃 0 70 5 55 30 环烷烃 20 80 25 75 46 芳香烃 5 60 10 40 24 （二）非烃化合物这一部分化合物在石油的重质馏分中含量较高。1含氧化合物有酸性和中性氧化物两类。前者称为石油酸，其中又以环烷酸最为重要，约占总酸的 90% ，多集中于石油 250 350 的中间馏分内，多属一元酸类，常为环戊烷的衍生物，易形成各种盐类，由此可作为地下水找油的一种标志。2含硫化合物有 H2S、 硫醇（ RSH）、 硫醚（ RSR ）、噻吩等。3含氮化合物可分两类：碱性氮化物 ：多为砒啶、喹啉等非碱性氮化物 ：主要是砒咯、卟啉等 动物血红素和植物叶绿素都属卟啉类化合物，且结构相同（见下图）除上述已经分离和鉴定出的各种化合物外，石油中还有一定数量的、由多种元素（ C、 H、 O、 S、 N等）组成的、结构极为复杂的高分子化合物，因受分离技术的限制，目前对其具体的结构特征尚不清楚，统称其为 沥青质 。石油的馏分石油的馏分是根据组成石油的化合物具有不同沸点的特性，加热蒸馏， 将原油分割成不同沸点范围（馏程）的若干部分，每一部分就是一个馏分 。原油的炼制工艺即利用了这一原理。不同馏分的名称及温度范围见下表。 馏分种类 轻馏分 中 馏分 重 馏分石油气 汽油 煤油 柴油 重 瓦斯油 润滑油 渣油温度（ ） 35 35-190 190-260 260-320 320-360 360-500 500石油的组分利用不同成分化合物对 有机溶剂和吸附剂 具有的选择性溶解和吸附性能，通过在一定程序下选用不同有机溶剂和吸附剂，从而将石油分成 饱和烃、芳烃、胶质和沥青质 等 4种成分。考虑到轻馏分具有较强的挥发性，在储存、运输过程中容易造成误差，故在对石油组分进行地球化学分析时，常先对石油进行蒸馏，一律去掉低于 210 的馏分， 仅保留大于 210 的馏分进行分离 。具体的分析流程见下图。 四物理性质1颜色 ：浅（淡黄色） 深（黑色）2相对密度（比重） ： 在 1atm（ 101325Pa） 压力下，单位体积的 20 石油与 4 纯水的重量比，通常以 d420表示。一般介于 0.75 0.98，大于 0.9的称为重油。西方： API度3粘度 ： 表示石油流动分子之间相对运动所引起的内摩擦力大小，粘度越大，流动性越差。可分为动力粘度、运动粘度和相对粘度。 在 SI制中，动力粘度的单位为 Pa s， 定义是：当 1Pa的切力（ P ） 作用于液体，使相距（ L） 为1m、 面积（ F） 为 1m2的两液层发生相对恒速流动，流量（ Q） 为 1m3/s时的动力粘度就为 1Pa s。 公式为：4荧光性这种冷发光现象 由多环芳香烃和非烃引起 。发光的颜色取决于石油性质，强度则与石油或沥青物质的浓度有关，一般只要 10ppm即可发光。5旋光性当偏振光通过石油时，偏转面将要旋转一定角度，一般是 0.1 几度，且天然石油主要是右旋 的。6溶解性石油在水中的溶解度很低。 C数相同时，烷烃 环烷烃芳香烃；除甲烷外，各族烃类在水中的溶解度都随分子量增加而增大； 外界条件 的影响是：与温度正比、皂胶粒正比、水中无机盐分反比。但石油却极易溶于 苯、 CCl4、 氯仿、石油醚、醇等 有机溶剂 。五石油的分类Tissot和 Welte （1978） 分类方案：用三角图解方法，将沸点 210 的馏分，以烷 (石蜡）烃、环烷烃、芳烃+NSO化合物作为图上的三个端元组分，将世界上的石油分为 6类。根据 统计出现的频数 ，大多数正常石油属于芳香 中间型、石蜡 环烷型和石蜡型； 而若以石油的产储量大小论 ，则芳香 沥青型最重要，其次是芳香 环烷型和芳香 中间型。六海、陆相石油的基本区别内容 海相石油 陆相石油 石油类型 芳香 中间型、石蜡 环烷型为主 以石蜡型为主，部分为石蜡 环烷型 石蜡含量 低（ 5%） 高（普遍 5%）硫含量 高 低微量元素 V、 Ni含量高，且V/Ni 1V、 Ni含量低，且V/Ni 1碳同位素 13C -27 13C -29 (第三系原油 )中国原油性质 （引自李克玉， 1996）新增：2 天然气 (natural gas/gas)一概念从广义上讲，天然生成于自然界的一切气体都可称为 天然气 。在石油和天然气地质学中研究更多的是沉积圈中以烃类为主的天然气。随着天然气工业的发展，人们对一些非烃气和稀有气体如 CO2、 H2S、 Ar气也开始给予重视。二产出状态沉积圈中的天然气，依其存在的 相态 可分为：游离气、溶解气、吸附气和固态气水合物。按其 分布特征 可分为分散型和聚集型，前者包括水溶气、油溶气、煤层气、吸附气及固态水合物中的气；后者包括气藏气、气顶气和凝析气。三化学组成天然气主要以气态的低分子烃和非烃气体 (如 CO2、 H2S、 N2)及微量惰性气体（如 He、 Ar） 组成。世界气藏化学组成图由图可见，绝大多数气藏以烃气为主，其中又以甲烷气比例最高，只是在油田伴生气（气顶气）中，才有较高的重烃（多为 C2H6、 C3H8） 含量。一般认为， C2+ 5%的天然气称为 湿气 ，而 C2+ 5%的统称为 干气 。氮国别 气田名称 产层 CH4 重烃气 CO2 N2 H2S H2 He 中国圣灯山 P1 94.57 0.99 0.24 2.43 0.02 石油沟 T1 97.80 0.40 0.20 1.10 0.10 大庆 K1 83.82 13.0 0.11 2.58 大港 Es3 75.21 23.22 前苏联乌连戈伊 K1 88.49 10.96 0.46 0.09 乌克蒂尔 P 75.1 14.0 0.1 杜依马兹 D 61.4 25.4 0.2 14.0 美国米尔斯兰契 S 95.8 0.6 1.2 2.3 0.1 潘汗德 -胡果顿 P 81.5 10.9 0.1 0.5 本得隆起 P 0.1 0.8 89.9 8.6 国内外某些气田的天然气化学成分（）四物理性质一般无色，可有汽油味或 H2S味，可燃烧。1相对密度（比重）标准状态（ 1atm， 20 ）， 单位体积天然气与空气的重量之比，一般 0.650.75。2粘度远小于液态石油。一般在 0 时为 0.0031mPas， 20 时为 0.120mPas 。 随气体分子量的增大而减小，随温、压的增大而增大。3溶解性天然气能不同程度地溶解于水和油中（ 相似相溶原理） 。标 准状 态 下常 见 天然气 组 分在 纯 水中的溶解系数而当石油中溶有天然气时，即可降低石油本身的相对密度、粘度以及表面张力，使其易于运动。组分 CH4 C2H6 C3H8 n-C4H10 i-C4H10 CO2 H2S N2 溶解系数 0.033 0.047 0.037 0.036 0.025 0.87 2.58 0.016 *4天然气的逆凝结和逆蒸发自然界存在这样一种气藏， 在地下深处高温高压下呈气相，采到地面时，反而凝结为液