长江大石油与天然气地质学教案第1章 油气藏中的流体第1节石油

石油与天然气地质学教案第一章油气藏中的流体-石油、天然气和油田水第一节

石油一、石油的概念

石油（又称原油）---crudeoil：一种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。

组成石油的成分非常复杂，根据其不同的特性，可分为元素组成、馏分组成、组分组成和化合物组成，三者有相互关系；依据石油中各种结构类型化合物的含量，可对石油进行分类；不同环境下生成的石油，比如海陆相石油的特征有明显的区别；石油没有固定的成分，因此石油没有确定的物理参数，石油的物理性质取决于它的化学组成。二、石油的组成（一）石油的元素组成：

组成石油的化学元素主要是碳、氢、氧、氮、硫。碳含量

为：84-87%，平均84.5%；氢含量为：11～14%，平均13%；两元素在石油中一般占95～99%，平均为97.5%。剩下的硫、氮、氧及微量元素的总含量一般只有1～4%，其中，氧：0.1～4.5%，一般小于0.5%；硫：小于1%，平均0.65%；氮：小于0.1%。含硫量小于1%的为低硫原油,含硫量大于1%的为高硫原油。常以0.25%作为贫氮和高氮石油的界线。石油中还发现微量元素，构成了石油的灰分。

已发现的33种微量元素按其含量多少和常见程度列举如下：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)。构成了石油的灰粉

在这些微量元素中，最引起石油地质学者重视的是V、Ni两种元素，它们含量高，分布普遍并具有成因意义。近年来，石油灰分中的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。（二）石油的馏分组成

石油的馏分：是利用组成石油的化合物具有不同沸点的特性，加热蒸馏，将石油切割成不同沸点范围（即馏程）的若干部分，每一部分就是一个馏分。

（三）石油的组分组成：

石油的组分：石油化合物的不同组分对有机溶剂和吸附具有选择性溶解和吸附性能，选用不同有机溶剂和吸附剂，将石油分成若干部分，每一部分就是一个组分，分别为油质、苯胶质、洒精苯胶质及沥青质。

油质：凡能溶解于中性有机溶剂，不被硅胶所吸附，浅黄色粘性油状物。

苯胶质：能溶解于中性有机溶剂，被硅胶所吸附，主要溶于苯，属暗色的油状物。

洒精苯胶质：溶于酒精和苯，同时也被苯所吸附。

沥青质：用石油醚分离，得到一种不溶于石油醚的物质暗黑色-黑色沥青状无定形的固体。

（四）石油的化合物组成

在近代实验室中，用液相色谱可将石油划分为烃类化合物：正构烷烃、异构烷烃、环烷烃、芳烃和非烃化合物及沥青质。

正构烷烃

属饱和烃，在常温常压下，1～4个碳原子（C1～C4）的烷烃为气态，5～16个碳原子（C5～C16）的烷烃为液态，17个碳原子以上（C17＋）的高分子烷烃皆呈固态。

石油中已鉴定出的正烷烃有C1～C45，个别报导曾提及见到C60正烷烃，但大部分正烷烃碳数≤C35。石油中多数占15.5%（体积），轻质石油可达30%以上，而重质石油可小于15%。

其含量主要取决于：

1.生成石油的原始有机质的类型：陆相原油含量多，海相原油含量少。

2.原油的成熟度：可用正烷烃分布曲线来判断原油的成熟度。

石油中正构烷烃的来源：

现代生物：如细菌、藻类。含脂类的植物或蜡质（主要在高等植物的叶、孢子花粉、果实）。有机质的演变、分解。

正烷烃分布曲线

在石油中，不同碳原子数正烷烃相对含量呈一条连续的分布曲线，称为正烷烃分布曲线。不同类型原油的正烷烃分布特点不同：

未成熟的石油，主要含大分子量的正构烷烃；

成熟的石油中，主要含中分子量的正构烷烃；

降解的石油中，主要含中、小分子量的正构烷烃；

根据主峰碳数位置及形态，可将正烷烃分布曲线分为三种基本类型：

A、主峰小于C15，且主峰区较窄，表明低分子正烷烃高于高分子正烷烃，代表高成熟原油；

B、主峰大于C25，主峰区较宽，奇数和偶数碳原子烃的分布很有规律，二者的相对含量接近相等，代表未成熟或低成熟的原油；

C、主峰区在C15～C25之间，主峰区宽，代表成熟原油。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，因此这些特征已被广泛用于鉴别生油岩和研究石油的成熟度。

2、异构烷烃

石油中的异构烷烃以≤C10为主，且以异戊间二烯烷烃最重要。其特点是在直链上每4个碳原子有一个甲基支链。在沉积物和原油中以植烷、姥鲛烷、降姥鲛烷、异十六烷及法呢烷的含量最高。研究和应用最多的是植烷和姥鲛烷。

来源：有人认为是植物的叶绿素的侧链—植醇或色素演变而来，为生物标志化合物。因此，同源的石油所含异戊间二烯类烷烃类型和含量都十分接近。因此，常用于油源对比标志（指纹化合物），近来也用于沉积环境研究。

3、环烷烃

由许多围成环的多个次甲基（-CH2-）组成。组成环的碳原子数可以是大于3的任何数，相应称为三员环、四员环、五员环等。石油中的环烷烃多为五员环或六员环。

其含量与成熟度有关：成熟度低→高，由多环→单、双环。一般，单、双环占环烷烃的50.5%；三环占环烷烃的20%；四、五环占环烷烃的25%。

原油中大于四环的环烷烃一般具有很高的旋光性，所以没成熟的原油旋光性高。多环环烷烃与四环的甾族化合物和五环的三萜稀类化合物很相似，被作为有机成因的主要证据之一。

4、芳香烃

芳香烃其特征是分子中含有苯环结构，属不饱和烃。根据其结构不同可分为单环、多环、稠环三类芳香烃。

单环芳烃是指分子中含有一个苯环的芳香烃，包括苯及其同系物；多环芳烃是指分子中含两个或多个独立苯环的芳香烃；稠环芳香烃是指分子中含两个或多个苯环，彼此之间共用两个相邻碳原子稠合而成的芳香烃。

在石油的低沸点馏分中，芳香烃含量较少，且多为单环芳香烃，如苯、甲苯和二甲苯。随沸点升高，芳香烃含量亦增多，除单环芳香烃外，出现双环芳香烃，如联苯。在重质馏分中还可能出现稠环芳香烃，如萘和菲，蒽的含量较少。

5、非烃化合物

主要是含硫、氮、氧三种元素的有机化合物，主要集中在石油的高沸点馏分中。

含硫化合物：最重要的非烃化合物，存在于中、重馏分中。主要有硫醇（-SH）、硫化物（-S-）（包括硫醚

R-S-Rˊ、环硫醚）、二硫化物（-S-S-）以及噻吩衍生物。此外，还有元素硫、硫化氢。硫来自有机物的蛋白质和围岩的含硫矿物石膏等

含氮化合物：主要集中在胶质—沥青质中。石油中含氧化合物可分为碱性和中性两大类。碱性含氮化合物主要是吡咯、吲哚、咔唑的同系物及酰胺等。原油中含有具有重要意义的中性含氮化合物，即卟啉化合物，它是石油有机成因的重要生物标志物。

卟啉是以4个吡咯环为基本结构，由4个次甲基（-CH＝）桥键连接的含氮化合物。在石油中卟啉常与金属Ｖ、Ｎi络合形成有机络合物，它比较稳定，易保存，具有极强的吸光性和荧光性。卟啉本身在高温或氧化条件下易分解，说明石油是在温度不高、还原环境下形成，卟啉还易被粘土吸附，可应用于油气运移研究。

含氧化合物：主要有酸性和中性两大类。酸性含氧化合物中有环烷酸、脂肪酸及酚，总称石油酸；中性含氧化合物有醛、酮等，其含量较少。

酸性含氧化合物中环烷酸最多，占酸性物质90%以上，易与碱金属作用生成环烷酸盐，极易溶于水，因此，油田水中环烷酸可作为一种含油气性直接曛尽三、馏分、组分和化合物组成三者的关

四、石油的分类

石油的分类方法常因目的而异，地球化学家和地质学家注重原油组成及其与生油岩和演化作用的关系。代表性的分类方案是Tissot和Welte(1978)提出的，该分类采用三角图解，以烷烃、环烷烃、芳烃＋N、S、O化合物作为三角图解的三个端元。

以饱和烃含量50%为界把三角图分为两大部分，在饱和烃含量＞50%的区域内，再根据石蜡烃含量50%、40%处建立次一级分类界线，将饱和烃＞50%区域分为三种基本类型：石蜡型、环烷型和石蜡环烷型。在芳烃＋N、S、O化合物大于50%的区域内，以石蜡烃含量10%建立分类界线，将石蜡烃含量＞10%的区域作为芳香-中间型原油，而石蜡烃＜10%为重质降解原油。在重质降解原油中，以环烷烃含量25%处建立分类界线，将环烷烃含量＞25%的称芳香-环烷型，而＜25%的称芳-香沥青型。五、海陆相原油的基本区别六、石油的物理性质

颜色：从白色、淡黄、黄褐、深褐、墨绿色至黑色。

比重：是指一大气压下，20℃石油与4℃纯水单位体积的重量比，用d420表示。一般介于0.75～0.98之间。通常把比重大于0.90的称为重质石油；小于0.90的称为轻质石油。美国通常用API度、西欧用波美度来表示石油的比重。

美国通常用API度、西欧用波美度来表示石油的比重，它们与国际通用不同的比重之间的关系如下：

API=141.5/15.5C时比重-131.5

波美度=140/15.5C时比重-130

API度和波美度高的石油，实际上属于低比重的轻质石油。这两种单位与国际通用单位的换算值如表。

石油的粘度：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。有动力粘度,又称绝对粘度，用SI表示，单位为帕斯卡秒（Pa.s)。动力粘度/同温下密度称为运动粘度，其单位称二次方米每秒(m2/s)，不同温度下的运动粘度用Vt表示。相对粘度又称恩氏粘度，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。常用Et表示。

石油颜色深浅和比重、粘度的大小主要取决于石油的化学组成，胶质、沥青质含量愈高，颜色愈深，比重愈大，粘度增加。

荧光性：石油在紫外光照射下可产生延缓时间不足10-7秒的发光现象，称为荧光性。石油中的多环芳烃和非烃具有荧光性。荧光色随不饱和烃的浓度及分子量