第一章1-油气藏中的流体—石油、天然气和油田水改

石油地质学,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,第一节石油沥青类概述,石油沥青类（Petroleumasphalts,Petroleumbitumens)天然气、石油及其固态衍生物统称。是可燃有机矿产组成的主要部分,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,可燃有机矿产的主要元素：碳和氢，还会有少量的氧、硫、氮等杂质。,从物理状态分类，可燃有机矿产可分为三类：1气态可燃矿产：即天然气。2液态可燃矿产：以石油为代表。3固态可燃矿产：种类较多，包括煤、油页岩、硫磺及石油衍生物：地沥青、地蜡、石沥青等。,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,油气藏中的流体石油、天然气、油田水,任一个油气藏或油藏中都存在石油、天然气、油田水三种流体，而纯气藏中只有天然气和油田水。这些流体在圈闭范围内按重力分异，在垂向上呈层状分布，天然气最轻居圈闭顶部，石油居中，水在下面。,油气藏中的石油、天然气、油田水三者并非截然分离，气-油、油-水和气-水之间存在过渡带，它们以一定关系共存于储集层的孔隙裂缝系统中。,第二节石油的成分和性质,存在于地下岩石孔隙介质中的由各种碳氢化合物与杂质组成的，呈液态和稠态的油脂状天然可燃有机矿产。,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,石油（Petroleum）：指气态、液态、固态的以烃类为主的混合物。（国际标准化委员会),原油（Crudeoil）：采至地表的液态石油。,烃类（Hydrocarbons）由碳和氢两种元素构成的化合物。,基本概念,（一）元素组成(Elementalcomposition),元素组成：C、H、O、S、N和微量元素（灰分）C、H两元素主要呈烃类化合物存在，是石油组成的主体。S、O、N元素组成的化合物大多富集在渣油或胶质和沥青质中。,一、石油的化学成份,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,H：1114%平均13%,C：8487%平均:84.5%,S+N+O+微量元素：14%,S含量具有环境指示意义：海相、近海陆相、陆相碳酸岩和蒸发岩（半咸咸水）S高（）内陆相（淡水）S低（）。,按氮组成可分为：N0.25%：高氮原油,按硫组成可分为：S%：高硫原油,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,利用发射光谱法和中子活化分析法在石油灰分中已发现种微量元素，按其含量多少和常见程度列举如下种元素：铁(Fe)、钙(Ca)、镁(Mg)、硅(Si)、铝(Al)、钒(V)、镍(Ni)、铜(Cu)、锑(Sb)、锰(Mn)、锶(Sr)、钡(Ba)、硼(B)、钴(Co)、锌(Zn)、钼(Mo)、铅(Pb)、锡(Sn)、钠(Na)、钾(K)、磷(P)、锂(Li）、氯(Cl)、铋(Bi)、铍(Be)、锗(Ge)、银(Ag)、砷(As)、镓(Ga)、金(Au)、钛(Ti)、铬(Cr)、镉(Cd)。特征：这些元素与自然界有机质的元素组成相似，表明石油与原始有机质存在着明显的亲缘关系。用途：其中V、Ni含量及其比值（V/Ni）已被用来确定生油岩相、油源对比以及研究油气运移等问题。如V、Ni高且V/Ni1-海相；V/Ni0.9重质油；0.9轻质油。美国通常用API度、西欧用波美度来表示石油的比重。,关系如下：API=141.5/15.5C时比重-131.5波美度=140/15.5C时比重-130,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,API度、波美度与d420在数值上正好相反，前者越大，后者越小，油质也轻,(三)石油的粘度(Viscosity)：代表石油流动时分子之间相对运动所引起的内摩擦力大小。三种表示方式：动力粘度（绝对粘度t），单位（Pa.s)。运动粘度（Vt=t/(比重)，单位(m2/s)，相对粘度(称恩氏粘度Et)，是在恩氏粘度计中200ml原油与20同体积蒸馏水流出时间的比值。,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,石油的粘度是一个很重要的参数，在油田的开采和集输方面很重要。如克拉玛依采用注蒸气法开采，还有一些油田注氮气开采。,原油的比重、粘度的影响因素：,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,化学成分：烃C数或芳烃、含S、N、O化合物(非烃)：d420，同C数烃的d420，：烷烃60%），非烃和沥青质可达10%30%，个别可达50%。,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,固体沥青是同石油有关的固态衍生物，多为深褐色至黑色的有机矿物，化学成分不甚稳定，也无一定晶形，彼此之间常呈过渡形式，因此鉴定比较困难。鉴定固体沥青的标志主要依靠化学成份、密度、硬度、稠度、熔点、溶解度、可燃性、燃烧、火焰及地质产状特征。固体沥青种类繁多,按成因及物化性质可分四大类：,二、固体沥青的成分和性质,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,重质油一般是由于地壳抬升或断裂作用破坏了原始油藏上覆盖层的有效性，使地表水渗入到油藏，使油藏发生生物降解或氧化而形成。固体沥青则一般是原始油藏已出露地表或近地表遭受较为彻底的破坏产物。但具体成因较复杂，目前研究程度较低，尚无明确结论。有些固体沥青如地蜡、软沥青、地沥青及石沥青等，常在地表成为找油的直接标志，是评价区域含油气远景的强有力佐证。如柴达木油田的深褐色地蜡、老君庙油田的黑色沥青、克拉玛依油田的黑色石沥青。我国老一代地质学家就是依靠这些标志（油气苗）在西北找到一批油气田。,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,第六节石油沥青类中的碳、氢、硫、氧、氮同位素,同位素：指元素周期表中原子序数相同，原子量不同的元素（相同质子数和不同中子数）同位素可分为稳定同位素和放射性同位素。稳定同位素：指原子核的结构不会自发改变。放射性同位素：系指能自行蜕变,形成具质子数不同的新原子同位素。稳定同位素有两个最显著的属性：（1）稳定性：经过复杂的化学反应之后，原子核结构不发生变化。（2）分馏作用：指同位素在两种同位素比值不同的物质之间进行分配。油气分析的同位素主要有：C、H、S、O、N。,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,（一）稳定碳同位素丰度,丰度表示方法,国际上趋于使用统一的标准，即美国南卡罗莱纳州白垩系箭石的碳同位素标准，简称PDB，其中：C1C12=1123.710-5,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,一、碳同位素,（二）分馏机理1.同位素的交换反应指不发生化学反应，只是化学物质间，不同相或单个分子发生的同位素重新分配所引起的分馏作用。在温度较高的地带大气和水2.光合作用的动力效应植物在光合作用过程中，吸收CO2和H2O，致使自身富集12C，而13C相对减小。13C值减少6%。,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,3.热力和化学反应的动力效应-C-C-键的稳定性顺序：在低温条件下，形成的烃类，富集12C；在高温条件下形成的烃类，富集13C。4.物理化学效应蒸发作用：气相富集轻同位素12C，液相富集13C。扩散作用：先扩散部分富集12C，残余富13C。,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,（三）油气中碳同位素分布特点,A.原油13C：-22-33；平均值：-25-26。海相：13C值较高：-27-22；陆相：13C值偏低：-29-33。随组分分子量的增大，急剧增大。烷烃正构烷烃；芳烃随环数增加值增大；可溶沥青干酪根。年代越老的石油，12C越富集，13C越少。,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,B.天然气随天然气成熟度的增高而增大：高温深层富C13，低温浅层富C12生物成因气：13C-60-95低热解成因气：13C：-50-20高以上两种气的混合气13C：-50-60同一天然气成份中（有机成因）：13C113C213C313C4分子量增加，13C增大。,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,氢有H1、H2、H3三个同位素。H3是放射性的，半衰期只有12.46年。氢的稳定同位素的相对丰度H1：99.9844%，H2：0.0156%。(一)丰度表示方法D或H2/H1即（D/H1）D(D/H1)样品(D/H1)标准/(D/H1)标准1000(D/H1)标准值取海水中的(D/H1)值（SMOW）,二、氢同素,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,石油中H2含量普遍比水高约60%，在天然气中可达79.39%。A、原油中：D一般为：80160；天然气：D一般为：105270;B、化合物中D：饱和烃芳烃非烃C、生物成因气：13C、D较低热解成因气：13C、D较高D、同油气聚集伴生水中H2含量较高，由于石油与水中的氢同位素交换，产生了富H2的石油。在古代地层水中H2含量也增高。,(二)分布特点,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,(三)氢同位素与碳同位素组成的关系,石油的D与13C值没有明显的相关关系。,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,天然气的D与13C值存在一定关系。但不很明显的关系。,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,三、硫同位素硫含有S32、S33、S34、S36四个同位素，其相对丰度S32：95.1%、S33：0.74%、S34：4.2%、S36：0.016%。由于S33和S36含量少，一般只测定S32和S34。测定样品中的硫同位素含量时，是以坎冈、迪阿布洛（CangonDiablo）陨石陨硫铁的硫作为标准，其S34/S32=0.045。用下式求出34S,沉积岩中的34S值介于-4.14+4.55之间。经研究发现同时代地层中石油和天然气的34S具有稳定值；而不同时代的石油，该值却变化较大。可为不同时代的油源对比提供一个新途径。,第一章石油、天然气、油田水的成分和性质,四、氧同位素氧的同位素有三个O16、O17、O18。而O17含量很少，一般只研究O16/O18比值。氧同位素在油气地质学中研究极少，一般只用于测定古地温。由于水和碳酸盐中的水与二氧化碳所含的氧之间存在同位素交换平衡，这个平衡受环境温度控制。因而，可利用碳酸盐中的O16/O18比值来测定古沉积盆地的温度。五、氮同位素N14、N15同位素因其含量变化较大，目前对其研究较少。但是当含氮天然气通过砂岩运移时，氮同位素