石油的物理化学性质毕业论文外文翻译 副本.pdf

毕业论文外文翻译毕业论文外文翻译 原原 文文 题题 目目 THE PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF PETROLENM 题题 目目 名名 称称 石油的物理化学性质 译译 者者 xx 系系 部 部 地 质 学 专专 业业 班班 级级 地 质 11001 班 指指 导导 教教 师师 赵 明 跃 副教授 完完 成成 日日 期期 2014年 3 月 16 日 石油的物理化学性质 油气勘探主要关注的是石油和天然气的寻找 石油和天然气的物理化学成 分很复杂 主要是由两种不同元素构成的碳氢化合物组成的 在物理上 碳氢 化合物分为气体 液体 可塑物质和固体 气态碳氢化合物包括干气 甲烷 和湿气 乙烷 丙烷 丁烷等 凝析油在地表以下是气态的碳氢化合物 但 是在地表遇冷之后就凝聚成液体 液态碳氢化合物也叫做油或者原油 可通过 冶炼的石油产品来区分它们 可塑性碳氢化合物包括沥青和相关物质 固态碳 氢化合物包括煤和干酪根 固态气水合物是由具有特殊原子晶格结构的冰晶组 成 它包括甲烷和其他气体分子 本章节主要描述了天然气 石油和固态气水 合物的物理和化学性质 对于解决油气的生成和运移的第五章来说这是必备的 先决条件 而第九章主要讨论的是固态碳氢化合物和塑性碳氢化合物 包括沥 青砂和油页岩 地球上的大气层是由天然气体组成的 然而 在石油工业中 天然气定义 为由碳氢化合物和各种性质的非碳氢化合物组成的混合物 它存在于液态油阶 段或者气态原油阶段的天然地下储集层中 上述定义被美国石油协会 API 美国石油地质学家协会 AAPG 以及石油工程协会 SPE 所接受 这些权威机 构还将天然气划分为溶解气 伴生气和非伴生气 溶解气就是储集层中溶解在 液态石油中的气体 伴生气一般被认为是气顶气 它与储层中的原油有关 并 位于原油的上方 非伴生气是存在于储层中与原油性质没有多大关系的气体 液化天然气 NGLs 是在地表被液化了的储集层气体的一部分 它不需要地质 设备或者气体处理工艺处理 液化天然气包括乙烷 丙烷 丁烷 戊烷 天然 气油和凝析油 基本上来说 地底下的天然气可以被分为两大类 无机成因的 和有机成因的 表 2 1 天然气被分为干气和湿气 这主要是根据它们所含的液态蒸汽的数量决定 的 干气可能被粗略的定义为一种含有少于 0 1gal 1000ft 3凝析油的一种气体 在化学上 干气就是指有大量的甲烷组成的气体 湿气就是一种含有多于 0 3gal 1000ft 3凝析油的气体 在化学上 这些气体包括乙烷 丁烷和戊烷 天然气也被描述为甜气和酸气 它们主要是由是否存在氢氧硫化物来区分的 2 12 1 天然气天然气 2 1 12 1 1 烃类气体烃类气体 天然气的主要是由烷烃系列的碳氢化合物构成的 表 2 2 这个系列中 的组分含量伴随着分子量的增加而越少 甲烷含量最多 乙烷 丁烷 戊烷也 较为常见 而烷烃中分子量比戊烷大的却很少见 甲烷如果在地表发现就被称 为沼气 如果存在于煤矿下被称为坑气 当钻井钻到干井最干的部分时所发现 到的痕量甲烷被称为页岩气或者背景气 甲烷是一种无色 易燃的气体 它是 由煤的彻底蒸馏而形成的 伴有其他流体 就像我们所熟知的 在甲烷被天 然气代替以前 欧洲国家通常将其作为住用用途 而天然气的主要成分是甲烷 甲烷是烷烃系列中最重要的成员 它的化学性质不活泼 可有少量溶于水而且 密度比空气轻 相对密度为 0 554 甲烷有三种形成方式 它可能来源于地幔 也可能是形成于埋藏有机物热 演化过程中 也可能来源于地下较浅处微生物对有机质的分解作用 利用地球 化学分析和同位素分析可以区别储层中甲烷的来源 来自于地幔的甲烷通常以 碳的比例为 12 13 来区别于生物成因的甲烷 甲烷是微生物在常温常压下腐 烂产生的副产品 生物甲烷气是一种具有无穷潜力的能源 可以肯定的是现在 超过 20 的天然气来自于生物成因 Rice and Claypool 1981 十九世纪杰 出的 Victorians 认为伦敦街道上污水中产生的甲烷有燃烧的可能性 如今前 卫派的农业学家通过收集发酵成熟的粪便所生成的气体为他们的农场获得了大 量的能源 在许多国家由废物产生的甲烷现在被泵进国内输气系统 在地表浅 层 通常生物甲烷气是通过微生物分解富含有机质的沉积物而形成的 然而 随着埋藏深度和温度的增加 这个过程减弱并且微生物的作用也逐渐消 失 出现在深部地层的甲烷气来源于有机物的热演化和热成熟 这个过程将在 稍后的第五章中进行详细的讨论 其他出现在天然气中的重要的碳氢化合物是乙烷 丙烷 丁烷和部分戊烷 它们的化学式和分子结构显示在图 2 1 它们在各气藏中的显示见表 2 3 不 同于甲烷 这些烷烃系列中比较重的成分并不是来自于生物成因 它们只产生 于有机物的热演化过程中 如果在钻井过程中气体探测器记录到它们的存在 通常暗示着此处与重要的油气聚集或者原岩相聚不远 2 2 1 21 2 非烃类气体非烃类气体 2 1 2 1 惰性气体 在许多天然气藏中氦是一种常见的微量元素 除此之外还有氩和氡 氦在 大气中的含量约为 5ppm 在矿山 温泉和火山喷气孔中皆可找到它的踪迹 它曾被发现在油田气中的含量高达 8 Dobbin 1935 在北美洲 富含氦气 的天然气出现在美国的四角区和德克萨斯州的锅饼状地区 加拿大的亚伯达和 萨斯喀彻温省 Lee 1963 Hitchon 1963 在加拿大它们集中出现在具有地 壳张力的地区 如皮斯里弗 斯威特沃特以及落基山脉上 其他具有富含氦气 的天然气的地区有波兰 阿尔萨斯以及澳大利亚的昆士兰 众所周知 氦是由 放射性元素的衰变产生的 这些放射性元素主要是铀 钍 镭 组成氦气各元 素的比率显示在表 2 4 Rogers 1921 计算出每年将有 282 到 1 06 10 9立方英 尺的氦气产生 根据这些数据 多数人认为天然气中存在的氦气来源于深层基 岩 特别是放射性的花岗岩 虽然气体产生速率很慢且相对稳定 但是当排入 到上覆地层 在基岩受到由地壳变形所引起的断裂或热力学作用时 这个过程 将会发生的十分剧烈 理论上说 它对证明富含氦气的天然气和放射性基岩之间的相互关系来说 是十分有用的 这个关系通常很难被展示出来 因为氦气趋向于出现在井的深 层而不是浅层 而且很少有足够的井来测量基岩的地质情况 在美国氦的主要 来源是德克萨斯州的潘汉德 胡果顿气田 这个气田内部含有高达 1 86 的 氦气 而且一台萃取设备从 1929 年就开始工作 Pippin 1970 这是很重要 的 因为这个气田中产生的氦气来源于一个由于花岗岩断块所阻挡而尖灭的沉 积岩中 氦也可产生于沉积序列中铀矿石的分解 比如说美国犹他州中部的 Castlegate 除了氦气 其他惰性气体的痕迹也在地表之下被发现 曾在潘汉 德 胡果顿气田和日本发现氩气 和氡 的存在 氩和氡分别是钾和镭放射 性分解的副产品 通常认为它们与氦有着相同的来源 通常认为氦气具有重要的经济价值 因为它比空气轻 且是惰性气体 在 飞船中使用时比氢气更安全 氩和氡的经济价值次之 但是由于氡的吸入是造 成肺癌的原因之一 所以被认为是环境污染物之一 不过现在有一些精确的管 理系统 可以通过利用非渗透性膜来改善氡气侵入家里的危害 氡气对健康的 危害在地下最为严重 特别是以花岗岩为主的地层 Durrance 1986 英国氡 气含量最高的记录位于德文郡的一个达特穆尔花岗岩健康中心的厕所里 氮气是另一种常出现在地壳中的非碳氢化合物 它通常与刚才描述的惰性 气体和碳氢化合物有关 在北美洲 氦气出现在从新墨西哥到阿尔伯特和萨斯 喀彻温省的一个狭长带 Rattlesnake 注意到了氦气和氮气的联系 氮气也是 北海盆地南部赤底统气体常见的重要组成部分 在西索尔气田和格罗宁根气田 已发布的数据分别从 1 到 14 Butler 1975 Stauble and Milius 1970 德国近海地区个别的井曾被报告发现了很高数量的氮气 氮气的起源比其他的 惰性气体更为复杂 氮气曾在火山喷发中被发现过 但是一些研究表明它可能 是有机成因的 比如说 细菌分解硝酸盐和氨气 尽管就化学上的可行性来说 这种生物成因的氮气只产生于地下较浅的地方 但是在自然界中也产生于地下 较深处的碳氢化合物储集层中 同时 碳质沥青的热变质作用也被证明可产生 氮和碳的二氧化物 这个原理曾被假定为阿尔伯特和萨斯喀彻温省的 Beaverhill 湖形成的基本条件 多种信息证明了氮气最重要的来源是来自于地下 尤其是火成岩 首先 关于关于氮气是来自于地下的惰性气体的猜想已经被证明了 其次 在北海盆 地的南部 氮气的含量与石炭系地层起源于气态碳氢化合物的煤级变化无关 Eames 1975 在盆地的东边 赤底统储集层中氮气的数量沿着火山侵入岩 增加的方向呈现增加的趋势 来自萨斯喀彻温省西南部的 Burwash 和 Cumming 1974 描述了氮气生成的另一种重要原因 产生于古生代基部碎屑岩中的天 然气包括 97 的氮气 2 的氦气和 1 的二氧化碳 并没有找到相关的碳氢化合 物 它们积累于变质地层中一个直立的火山塞之上 图 2 2 总的来说 各 种证据都证明了含氮天然气主要是无机成因的 尽管有机成因可能是大气和浅 层氮气生成的主要方式 此外 一些大气中的氮气在沉积过程中会被封闭在沉 积岩中 到现在而成为合成气 2 1 2 2 氢气 游离的氢气很少出现在地表以下 这是由于它的化学性质活泼 且扩散性 强 不易保存 尽管这样 也会有一两种特殊情况 在坦萨斯州林城盆地密西 西比河的岩石中 曾发现了超过 1 36 10 13立方英尺的氢气 经过分析 这些 气体中包括 40 的氢气 60 的氮气 以及痕量的二氧化碳 氩气和甲烷 Anonymous 1948 氢气通常溶解于地下水中 而在石油中溶解很少 但是 在惯常的分析中很少被记录到 地下的氢气可能产生于有机物热变质过程中 2 1 2 3 二氧化碳 通常认为 二氧化碳 CO2 是天然气中的碳氢化合物的附属品 它与氮 气和氦气也有关系 作为指示年代的产物 以二氧化碳为主要成分的天然气常 在火山活动频发带聚集 就像西西里岛 日本 新西兰以及位于北美洲的从阿 拉斯加州到墨西哥的科迪勒拉冰盖链 Levorsen 1967 以美国怀俄明州保德河 油田的 Tensleep 砂岩 宾夕法尼亚 为列 Levorsen 也举证了位于新墨西哥的一口每天可生产高达 26 10 7ft3二氧化碳的 井 其二氧化碳纯度为 99 毫无疑问 无论是有机过程还是无机过程都可在 地壳中生产出巨大数量的二氧化碳 在天然气的记录中 二氧化碳通常也伴随 着火山爆发和地震的记录 Sugisaki et al 1983 它也可产生在由于火成 岩侵入而变质的碳酸盐沉积物中 当渗透性的灰岩和白云岩被大气水或者原生 水侵入 并被其中的酸性物质过滤后 也可产生二氧化碳 正如第五章描述的 一样 二氧化碳是干酪根热变质过程中最常见的产物 通常在石油的发展前景 中被去除 由于流体侵入或者是微生物分解作用 在有机质的发酵和成熟有机 质的氧化过程中 也可释放出二氧化碳 特别地 甲烷在含氧水中反应可产生 二氧化碳和水 大部分的二氧化碳仍会溶解在水中形成碳酸 看起来 二氧化碳的两种起 源在很大程度上都是有可能的 在过去 二氧化碳通常只有有限的经济价值 就是被用来制作干冰 最近 关于二氧化碳提高石油回收率的应用提高了它的 效用性 2 1 2 4 硫化氢 由于硫化氢 H2S 的溶解度高 因此它在地表以下常作为游离气溶解于 石油和盐水中 硫化氢是一种有毒 有刺鼻气味的气体 它的出现将会使油气 田的操作过程出现问题 因为它对钢铁具有很强的腐蚀性 能快速的毁坏产品 二氧化碳 42 00 碳氢化合物 52 80 氮气 4 09 硫化氢 1 11 100 00 3 CH4 6 O2 3 CO2 6 H2O 输送管道 阀门和流程线 含有硫化氢气体的石油和天然气被称为酸气 不 含硫化氢的则被称为甜气 少量的硫化氢将会价格低石油和天然气的经济效益 因为必须安装一个除去它们的洗涤设备 既阻止了对管道的腐蚀性又降低了家 用液化气燃烧后剩余气体的危害 酸气的大量聚集将会变成一种有利条件 但 是它可能因此被作为单体硫的来源 德克萨斯州的埃默里大学对富含硫化氢的 天然气构成分析如下 匿名 1951 硫化氢 42 4 碳氢化合物 53 1 二氧化碳 4 50 100 00 通常 在火山喷发过程中 硫化氢和二氧化硫一起被释放出 但是它也可 在闭塞的现代沉积中产生 如死海和黑海 硫酸盐还原菌通过作用于金属硫化 物 主要是铁 而成功的实现了这个过程 以下是反应过程 2 C MeSO4 H2O MeCO3 CO2 H2S 其中 Me 金属 需要注意的是酸气通常存在于大量蒸发岩出现的油气区 典型的例子包括亚伯达的泥盆纪沉积盆地 科罗拉多州的悖论盆地 墨西哥的 西南部以及中东的大部分地区 硬石膏在