《石油地质学》课件2. 油气组成与性质

1、第二章 油气组成与性质Oil wells just offshore at Summerland, California, c.1915 石油、天然气及其固态衍生物统称为石油沥青类。与煤、油页岩、一部分硫属于自然界常见的可燃矿产。大多与古代生物遗体演变而来，因此称为可燃有机矿产。 第一节石油的组成与性质非可燃有机岩：种类繁多，如白垩、硅藻土、与生物作用有关的灰岩可燃有机岩气态：气田气、油田气、煤层气、泥火山气、沼气、页岩气等液态：石油固态：沥青、地蜡、石沥青、煤、油页岩、硫磺有机岩一、石油的概念及元素组成 石油是以液态形式存在于地下岩石孔隙中的可燃有机矿产。 在地下油气藏中，石油无论在成分上和

2、相态上都是极其复杂的混合物成分上:以烃类为主，含有数量不等的非烃化合物及多种微量元素。相态上:以液态为主，溶有大量烃气及少量非烃气，并溶有数量不等的烃类和非烃类的固态物质 第一节石油的组成与性质石油中碳、氢两元素占绝对优势。次为O、N、S。 C含量可达8387%，氢含量可达1114%，二者合计可达9599%；余下的O、N、S总量一般不到14%。个别硫达3-7%。 除外，在石油中还含有多种微量元素，但总量仅有万分之几，其中最为石油地质学家重视的钒、镍两种元素，它们可以用于研究生油岩相、油源对比，油气运移等问题。石油没有固定的化学成分和物理常数，但其有一定的变化范围和共同特征。 不同化合物分子结构

3、的差异，对吸附剂和有机溶剂具有选择性的吸附和溶解的性能。因而将石油分为饱和烃、芳香烃、非烃和沥青质。 有时候也会看到石油被分为油质、胶质和沥青质。 石油中的化合物组成归纳起来，主要可分为烃和非烃两大类，具体包括： 正构烷烃； 异构烷烃； 环烷烃； 芳香烃； 含氮、硫、氧化合物。 烃类非烃类 二、石油的化合物类型及特征具有重要的石油成因意义石油中正构烷烃含量一般为15-20%（体积）CCCCCCCCC正丁烷正戊烷 多数石油不同碳原子数正烷烃相对含量分布曲线有三个共同特点： 1) 正烷烃分布曲线是连续曲线。1. 正构烷烃（无C支链） 2) 根据正烷烃分布曲线的主峰碳值位置及形态，可将其分为三种基本

4、类型： a、主峰小于C15、且主峰区较窄。 b、主峰大于C25主峰区较宽。 c、主峰在C15-25之间，主峰区宽。 3) 不同类型的曲线都对应有一个某碳数的极大值。 在较高分子的正构烷烃部分，奇数碳原子烃含量和偶数碳原子烃含量近等，而一般生物或现代沉积物，奇数碳原子占明显优势。 一般生油岩的主峰碳数陆相大于海相，沼泽相大于湖相。随成熟度增加，奇数碳优势消失，曲线变为一条圆滑曲线。 上述正烷烃分布特点与成油原始有机质，成油环境和成熟度有密切关系：CCCCCCCCC异丁烷异戊烷2. 异构烷烃 在石油烷烃中，异构烷烃以主链碳数0.8 石油中的非烃是指石油所含的硫、氮、氧及金属原子的化合物，其量有时达

5、石油量的30%，它们对石油的质量有重要的影响。 目前，已发现的这类化合物有硫化氢、硫醇、吡啶、喹啉、吖啶、吡咯、卟啉、吲哚、卟唑、脂肪酸、环烷酸和酚（统称石油酸）等等。 其中，最为重要的是卟啉，它被认为是由植物的叶绿素和动物氯化血红素转化而来，是石油成因分析的有力证据。 5. 组成石油的非烃 在石油中卟啉常与钒、镍等金属元素组成络和物。因此，又称有机金属化合物，其基本结构与叶绿素结构极为相似。 但是，并不是所有原油中都有卟啉，因为，高温或氧化物条件下卟啉易于裂解被破坏。 所谓卟啉是以四个吡咯核为基本结构，由甲川桥联结成的含氮化合物。又称lei族化合物。 1、原油的馏分 原油的馏分是利用组成石油

6、的化合物具有不同沸点的特性，加热蒸馏，将原油切割成不同沸点范围的若干部分，每一部分就是一个馏分。 馏分 温度（OC） 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3535-190190-260260-320320-360360-530530 三、原油的馏分、组分 2、原油的组分 原油的组分是通过有机溶剂和硅胶成分的选择性溶解和吸附而取得的各总分离物。原油蒸馏轻馏分2100C馏分用乙醚溶解沉淀物沥青质烃类+胶质可溶的用硅胶、有机溶剂冲洗冲洗物烃色层吸附物胶质 石油不同的馏分，其化合物组成不同，一般： 轻馏分：主要由低碳数、分子量较小的烷烃和环烷烃组成。 中馏分：主要由中

7、分子量和较高碳数的烷烃和环烷烃组成，并含一定数量的芳烃和环烷芳烃及少量的N、S、O化合物。 重馏分：主要由高碳数、大分子量的环烷烃芳烃和环烷芳烃以及N、S、O化合物主要集中于重馏分中。 3、石油馏分与化合物组成的关系四、石油的物理性质由于石油没有固定的组成，因此，严格地讲，石油没有固定的物理常数。但经过广泛的对比，还是能归纳出反映石油总特征的物理性质。石油重要的物理性质有：颜色、比重、粘度、荧光性、旋光性、溶解性等特征。 石油的颜色变化很大，从白色、淡黄色、黄褐色、深褐色、黑绿直至黑色。 例如：大港油田有的井产的油即为白色，大庆油田的井产的油即为黑色。 石油的颜色与石油中胶质、沥青质含量有关，

8、含量越高，颜色越深，观察石油的颜色一定注意将样品朝光源方向，不要在反射光下观察。 1.石油的颜色 液态石油比重是指一个大气压下200C石油与40C纯水单位体积的重量比，用d420表示。 欧美各国则以一大气压下，600F（相当于15.60 0C ）石油与4 0C纯水单位体积的重量比。 商业上用API度为单位： API度=141.5/60时比重-131.5 石油比重一般介于0.750.98之间 0.90 称为重质石油 0.90 称为轻质石油世界平均比重的原油，1吨按7.3桶计算。2.石油的比重 粘度值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。 粘度又分为：动力粘度运动粘度相对粘度3.石油

9、的粘度 1）动力粘度（绝对粘度）： 单位为帕斯卡秒（Pas）。它表示1牛顿力作用下，两个液层面积各为1平方米，相距1米，彼此间相对移动速度为1米/S 时，液体流动所产生的阻力。 常用t表示，1Pas=10P（10泊）=100厘泊； 2）运动粘度： 动力粘度与密度之比称运动粘度 单位为/s，二次方米/每秒，其常用Vt表示 3)相对粘度： 又称思氏粘度，是在思氏粘度计中200ml原油与20时同体积的蒸馏水流出时间的比，用Et表示。 实验室测定的Et，通过置换算表，获得运动粘度，运动粘度与密度之积即得动力粘度。 粘度大小主要取决于石油的化学组成，含轻质组分多则粘度小，含蜡、胶质、沥青质多则粘度大。不

10、同环境下石油粘度不同 石油难溶于水，但可溶于多种有机溶剂，如苯、氯仿、二硫化碳、醚等，据此可以鉴定和分离岩石中的石油烃。 石油在水中的溶解度虽很小，但就单个化合物而言，芳烃的溶解度最大，环烷烃次之，烷烃最低。当水中饱含CO2 和烃气时，石油的溶解度将明显提高。4.石油的溶解性 石油在紫外光照射下可产生荧光的特性，称为荧光性。 石油中只有不饱和烃及其衍生物具有荧光性，饱和烃不发荧光。 石油的荧光性随饱和烃浓度及分子量的增加而加深，一般芳烃是天蓝色（芳烃主要为轻质油），胶质为黄色，沥青质为褐色。 石油的荧光性非常灵敏，据此可以鉴定各样中的含油性（或含油级别）。 5.石油的荧光性 天然石油具有一种特

11、殊性质旋光性，即石油能将偏振光的振动面旋转一定角度的能力。 因石油旋光性与含有结构不对称的生物成因标志化合物有关，所以旋光性被认为是石油有机成因的重要证据。 6.石油的旋光性7. 导电性 石油及其产品具有极高的电阻率，可视为非导体。8. 热值 每公斤石油烃燃烧时可产生10000-110004186.8J的热量，是优质燃料。9. 蒸发与沸腾 常温常压下，石油的轻质组分就会优先逸出，使石油比重增大。10. 凝固和液化 石油的分类常采用三角图解，以烷烃、环烷烃、芳烃N、O、S化合物作为三个端元 其数据是指沸点210馏分的分析数据。五、石油的分类 该分类一共分为六种类型：它们分别是石蜡型、环烷型、石蜡

12、环烷型，芳烃环烷型，芳香沥青型，芳香中间型。 六、海陆相石油的基本区别 主要表现在六方面：海相石油陆相石油饱和烃含量芳烃含量25-70%60-90%25-60%10-20%含蜡量（正、异构烷烃）陆相石油大于海相石油含蜡量。普遍大于5%。含硫量一般海相石油大于陆相石油的含硫量，V/Ni1-27-29指标内容第二节 天然气的组成与性质 一、天然气的概念和产出类型天然气广义天然气狭义天然气1、大气2、地表气 3、沉积岩中的气体 4、海洋中的气体 5、变质岩中的气体 6、岩浆岩中的气体 7、火山气体 8、宇宙气体指天然存在于自然界的一切气体石油天然气地质学中所研究的主要是狭义的天然气 无机成因气：如岩

13、浆气； 有机成因气：由有机质经热演化所形成的； 混合成因气：前两者的混合物.1、狭义天然气按成因可分为：有机成因气按其母质来源又可分为： 腐泥型天然气 腐植型天然气 腐植腐泥型天然气 腐植腐泥型天然气:是指前两者的过渡类型。腐泥型天然气又称油型气或石油气： 它是指以腐泥型为主的有机质（包括低等植 物和动物的遗体），在其演化过程中所生成 的气态物质。腐植型天然气又称煤成气，或煤型气、煤系气: 它指以腐植型为主的有机质（包括高等植物） 在其演化过程中所生成的气态物质。 1游离气: 游离气是指以自由的游离状态存在的天 然气。 2溶解气: 溶解气是指溶解于油、水等液体中的天 然气。 3吸附气:吸附气是

14、指吸附于岩石颗粒表面的，没 有特殊的排驱作用不能自由移动的天然气微粒。 4固态汽水合物: 固态气水合物是在冰点附近的 特殊温、压条件下形成的固态结晶化合物。所以 又称冰冻甲烷。2、狭义的天然气按存在的相态又可分为：是在较高的温度、压力下由液态烃逆蒸发而形成的一种特殊气藏气。其采出后由于压力、温度降低逆凝结而成轻质油。 分散型天然气3、狭义天然气按其 分布特征可分为：聚集型天然气a、气顶气：指与油共存于油气藏中呈游离气顶产出的天然气。该气体的成分重烃含量较高。当压力变化时，它可与溶解气相互转化，如压力增大， 气顶气可以溶于油内而成为油内溶解气。c、凝析气：b、气藏气：指单一天然气聚集中的气体。当

15、压力增 大时，该气体可以转化为水内溶解气。聚集型天然气Note：这一概念千万别跟前面讲成因分类时提到的“煤成气”、“煤系气”等相混淆分散型天然气：油内溶解气水内溶解气沉积岩中吸附气固态气水合物中煤层气、 指赋存于煤层中的瓦斯和吸附气 “煤层气”这种资源自八十年代后，我国对此给予了极高度的重视，因为这种气体对煤矿开采危害极大，且污染环境，如能变害为宝，将是难得的好事，而且我国这种气体的气源量非常大。 在国外，这种气体资源已被成功地广泛利用。它的效益高，成本非常低廉。 所以，目前，无论地质矿产部，还是石油部，煤炭部都给予了极大的投入，成立了“中联煤成气总公司”，先正在淮南、唐山等地进行试点研究、估

16、计这种资源是非常有发展前景的。 煤层气只是煤成气赋存于煤层中的那部分气体。煤成气还可赋存于其它储层之中。 据统计：烃含量高于的气藏数占总数的以上。氮含量为主的气藏仅占气藏总数的百分之几。以CO2或H2S为主的气藏占气藏总数的以下。惰性气体在沉积圈中不能单独富集成惰性气体为主的气藏。只有达到浓度且数量巨大时，方做为特殊种类的气藏开采。 二、天然气的化学组成 1.天然气的元素组成：与石油相似，以碳、氢为主，另有少量的、及其它微量元素。 2.天然气的化合物：以烃类，尤以甲烷为主，重烃C2H6为次，并含有少量的2、CO2、H2S等气体。 干气：是指甲烷含量大于95，重烃含量小于，不与石油共存的气体。

17、燃烧时呈蓝色火焰，无汽油味。通入水中水面无油膜。 另外，在实际勘探中，又常据成分特征将天然气分为湿气和干气。 湿气：是指甲烷含量小于95，重烃含量大于，并常与石油伴生的气体。 该气体有汽油味，燃烧时呈黄色火焰。通入水中，水面有油膜，与油田相关。 、比重：天然气的相对比重是指在标准状态下，单位体积的天然气和空气重量之比。 一般为0.65-0.75，个别高达1.5。比重大小一般与分子量成正比， 天然气液化后，体积一般缩小1000倍，所以在天然气和原油的产储量换算中，常采用103m3气相当于1 m3原油，其利用价值也大致相当。 三、天然气的物理性质 天然气一般无色，具汽油味或硫化氢味，可燃。与石油类

18、似，由于其化学组成变化较大，只能有一些共同的物理特征： 、粘度：一般天然气的粘度在0时为0.00031厘泊，在20时为0.0120厘泊。 3、临界温度和临界压力，逆凝结和逆蒸发： 临界温度系指气相物质能维持液相的最高温度。 高于此临界温度时，不论压力有多大，都不能使气态物质凝为液态。 临界压力是指在临界温度时，气态物质液化所需的最低压力。 由于甲烷、乙烷的临界温度较低，如甲烷的临界温度为-82.4。所以，地下甲烷、乙烷除溶于石油和水外，呈气态存在。而丙烷、丁烷的临界温度较高，所以在地下多以液态存在。 4、溶解度 天然气，既可以溶解于石油，也可溶解于水，但相同条件下，在石油中的溶解度远远大于水中

19、的溶解度，在标准状态下，甲烷在石油中的溶解度比水中的大10倍。 溶解度与气体的温度和压力有关，溶解度的计算公式是： 亨利公式 Q=（Q为溶解度；为相应温度下的溶解系数；为气体压力；） 5、热值 天然气热值较高，可达2104kcal/m3。是煤炭的5倍左右。 无论如何理解，我们都可以看出，油田水与石油的赋存和勘探有着密切的联系，掌握其水文地质特征及其化学特征，对于指导油气藏的勘探，开发有重要的意义。 第三节 油田水的组成与性质1.基本概念广义上：油田水是指油田区域内的地下水。 包括油层水或非油层水。 狭义上：油田水是指油田范围内直接与油 层连通的地下水，即油层水 一、油田水的概念及产状 2、油田

20、水的产状(1)按照油田水在岩 石中的存在状态a、吸附水：指呈薄膜状被岩石颗粒表面所吸附在一般温压下不能自由运动的水。b、毛细管水：指存在于毛细管空隙（孔隙、裂隙）中的水，也需施加外力作用方可移动。c、自由水：指存在于毛细管空隙中，重力作用下能自由运动的水。(2)根据水与油气分布的相对位置，油田水可分为底水：指含油气外边界范围以内，直接与油气相接触，并从底下托者油气的油田水。边水：指含油气外边界以外的油层水广义的油田水还包括：上层水下层水夹层水 油田水的矿化度是指水中的各种离子、分子和化合物的总含量，以单位体积的水加热至105后经蒸发所剩残渣或离子量来表示，单位为mg/l（或ppm）。 由于油田

21、水的来源和形成过程的差异性，其矿化度和化学组成也有较大的区别。一般，海相油田水多数矿化度大于100mg/l，陆相油田水多数矿化度低于50mg/l。 但总的来说，油田水的矿化度多数都较高。 二、油田水的矿化度及化学组成1.油田水矿化度2、油田水的化学组成 油田水的化学组成主要包括无机组成和有机组成两部分： (1) 无机组成 油田水的无机组成中除含有Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-等离子外，还含有特殊的碘（I）溴（Br）硼（B）锶（Sr）等微量元素。 无机组成的含量表示方法，除前所提到的重量法外，还可用当量法和当量百分法，具体的计算公式如下： 毫摩尔/升

22、=重量值（mg/l）/当量值 毫克当量百分数=毫克当量数（各离子）/全部阴、阳离子的毫克当量数 (2) 有机组成 油田水中常见的有有机组分有：烃类、酚和有机酸。具体分布特征如下： 1) 油层水的烃类既有气态烃（C1-4），又有液态烃。而非油层水中只含少量甲烷、重烃很少。衡量重烃含量可用甲烷系数（CH4/总烃）或干燥系数（CH4/C2+烃）两种表示方法。 2) 油层水苯系化合物含量很高，一般可达0.011.58mg/l，且甲苯/苯1，而非油层水相反。 3)油层水中酚含量较高，一般大于0.1 mg/l，且以甲酚和邻甲酚为主，而非油层水酚含量较低，且以苯酚为主。 4)油田水中常含有不等量的环烷酸，脂

23、肪酸和氨基酸等有机酸。其中环烷酸是石油环烷烃的衍生物，是找油的重要水化学标志。 比较流行的油田水的分类是苏林的分类方案： 苏林根据大陆水含盐度低，其化学成分具有HCO3- SO42-Cl-, Ca2+ Na+ Mg2+且Na+ Cl-，而海水含盐度较高，其化学成分具有Cl-SO42-HCO3-，Na+ Mg2+ Ca2+且Cl- Na+，以Na/Cl、Na-Cl/ SO42-和Cl-Na/ Mg这三个系数为指标，将天然水划分为四种类型： 三、油田水分类水的类型大陆水海水深层水硫酸钠型重碳酸钠型氯化镁型氯化钙型成 因 系 数Na+/Cl-(Na+-Cl-)/SO42-(Cl-Na+)/Mg2+1

24、11111000010.85，此地带保存油气藏的前景不大； Na/Cl=0.850.75，此地带对烃类的保存较差； Na/Cl=0.750.65，是保存烃类较好的环境； Na/Cl=0.650. 5，是保存烃类好的地带； Na/Cl0.5，是烃类聚集最有希望的地带。 1970年，博雅尔斯基对苏林的分类作了进一步完善。他认为重碳酸钠型水处于沉积盆地的上层不利于油气藏的保存。另外，不是一切氯化钙型水都有利于油气藏保存，并据Na/Cl比将氯化钙型水细分为五类：实践证明，上述分类方案对油气勘探和开发有重要的作用。 同位素是指元素周期表中具有相同原子序数而原子量不同的元素。由于它们位于元素周期表的同一位

25、置，所以称之为同位素。 同位素的表示方法一般用元素符号的左上角加注原子量来表示，如12C、13C、14C、1H、2H、3H等。第四节油、气的碳氢稳定同位素一、同位素的概念及碳稳定同位素分馏机理 按同位素的稳定性，可将其分为：稳定同位素、放射性同位素。 放射性同位素是指那些能自行随意分解（即改变自己的原子量）形成具另外质子数的新原子的同位素，如铀、14C等皆属于放射性同位素。 稳定同位素是指那些原子核结构不会自发地改变的同位素。这类同位素即使经历复杂的化学反应，同位素比率（或含量）仍保持相对的稳定。这是稳定同位素的基本属性。 但由于稳定同位素的中子数和质量有一定的差别，其取代分子或键的化学活性也

26、有一定的差别，从而在参与生物、化学和物理作用过程中，也有一定的分馏作用，这是稳定同位素的又一属性。 油田上正是基于稳定同位素的这两个属性来进行油源对比、天然气成因分析等研究的。 下面我们以碳为例来分析一下碳稳定同位素的分馏机理： 碳稳定同位素常见的分馏作用有以下4方面： 同位素交换反应 指不发生化学反应，只在不同化学物质，不同相或单个分子之间发生的同位素重新分配所引起的分馏作用。 例如：13CO2+H12CO3-=12CO2+ H13CO3- 反应自左向右进行，则CO2中富集13C，式子自右向左进行，则CH4中富集13C。但具体向哪一方向演化需视具体条件的影响情况而定。例如海水中CO2与HCO3-反应的结果使13C富集。 光合作用的动力效应 植物进行光合作用时，吸收CO2和H2O繁殖本身过程中，由于分馏作用，就会使12C富集，而13C减少。 热力和化学反应的动力效应 同位素的质量不同，取代分子或键的化学活性不同，12C12C键的化