石油天然气与油田水

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1、第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质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。 流体存在于储集层的孔隙裂缝中，并在圈闭范围内按重力分异，在垂向 上呈层状分布。 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。一、石油的概念石油(Petroleum)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，石油无论在成分上还是在相态上都是极其复杂的混合物。石油是由各种碳氢化合物与少量杂质组成的液态可燃矿物。在成分上以烃类为主，含有数量不等的非烃化合物及多种微量

2、元素；在相态上以液态为主，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 石油原油（Crude Oil）：采至地表的液态石油(Petroleum)烃类（Hydrocarbons）：由碳（C）和氢（H）两种原子构成的化合物二、石油组分、族分和馏分石油的馏分 是利用组成石油的化合物具有不同沸点的特性，加热蒸馏，将原油切割成不 同范围（即馏程）的若干部分，每一部分就是一个馏分。根据Hunt（1979）对美国一种密度为35oAPI（商业上用）环烷型石油所作的分析结果 ，以脱气后各馏分总 合计，各馏分的体积百分比为：汽油27%、煤油13%、柴油12%、 重瓦斯油10%、润滑油2

3、0%、渣油18%。 除按上述温度切割馏分外，还可以按每隔50或100间隔分出相应的直馏馏分来。三、石油的化学成分 石油的元素组成主要是C，H，其次是S、N、O。 石油的平均元素组成，根据Hunt（1996）统计，碳85%、氢 13%、硫+氮+氧2%。碳、氢两元素主要呈烃类化合物存在，是石油 组成的主体。硫、氮、氧元素组成的化合物大多富集在渣油或胶质 和沥青质中。 石油中碳含量一般为82%-87%，氢含量一般为11%-14%，两元素 在石油中一般占95%-99%。碳、氢元素质量比（C/H）介于5.7-7.7之 间，平均值约为6.5。（一）元素组成石油中硫含量，据Tissot和Welte (197

4、8) 对9347个样品的统计，硫含量介于0.1 -10%之间，平均为0.65%，其频率分布具双峰型，在1%处为最小值，可将样品 分为两部分，多数样品（约7500个）含硫量小于1%，少数样品（约1800个）含硫 量大于1%。根据含硫量可把原油分为高硫原油（含硫量大于1%）和低硫原油 （含硫量小于1%）。 海相环境和陆相蒸发岩环境中的沉积有机质形成的石油硫含量高，可达5%， 被严重降解的石油硫含量可高达10%。石油产产地元素组组成，CHSN、O大庆庆(萨萨尔图图混合油)85.7413.310.110.150.69中 国胜胜利(101混合油)86.2612.200.800.41弧岛岛84.2411.

5、742.200.47大港85.6713.400.120.23江汉汉(混合油)83.0012.812.090.471.63克拉玛玛依(混合油)86.1313.300.050.250.28原 苏苏 联联雅雷克苏苏80.6110.361.058.97乌乌克兰兰84.6014.000.141.251.25老格罗兹罗兹 尼86.4212.620.320.68卡拉布拉克87.7712.370.46文图图拉(加利福尼亚亚州)84.0012.70.41.701.20美 国科林加(加利福尼亚亚州)86.4011.70.60博芒特(得克萨萨斯州)85.7011.000.702.61堪萨萨斯州84201300160

6、045045石油中氮含量一般比硫含量低得多，大多数石油氮含量小于 0.2%，均值为0.094%（Tissot 和Welte，1984）少数样品含氮量高达 0.5%以上，最高可达1.7%（美国文图拉盆地的石油）。通常以 0.25%作为贫氮和高氮石油的界线。 石油中氧含量一般分布在0.1%-4.5%，很少超过2%，氧主要富集 在石油高沸点馏分中，其含量与石油的次生变化程度有关。除上述5种元素外，石油中还含有几十种微量元素，它们构成了石油中的 灰分，其含量变化从十万分之几到万分之几。它们与自然界有机质中的微量元 素组成十分相近，被作为石油有机成因的证据之一。 微量元素可利用发射光谱法和中子活化分析法

7、来加以鉴定，常见的有： 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）。 在这些微量元素中，钒和镍两种微量元素的分布最普遍并且具有成因意义， 通过钒镍比值（V/Ni）可区别海相或陆相成因的石油。（二）石油的化合物组成石油中不同组分的化合物由于分子结构的

8、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，根据这一特性，可选用不同吸附剂和有机溶剂，将石 油分成饱和烃、芳烃、胶质和沥青质等组分。石油组分分析流程图石油的化合物组成归纳起来，主要可分为烃和非烃两大类。石 油中不同组分的化合物组成如下： 饱和烃：包括正构、异构烷烃（含天然石蜡，碳数分布 大约在C16-C70）和环烷烃； 芳烃：包括芳烃和环烷芳烃； 胶质和沥青质：为含硫、氮、氧 的非烃化合物。 根据Hunt（1979）对比重为35oAPI的环烷型石油所作的分析各类 化合物的质量百分比为：石蜡烃25%、环烷烃50%、芳烃17%、非烃 （胶质+沥青质）8%。1、正构烷烃 石油中鉴定出的正

9、烷烃常见的从C1-C45，可分离鉴定出C90以上的 正烷烃，碳数大于C40以上的正烷烃称微晶蜡 （C16-C40的正烷烃称 显晶蜡 ）； 大部分正烷烃碳数C35。 正烷烃含量一般占石油质量的15%-25%，轻质石油可达30%以上 ，而重质石油可小于15%。 在常温和常压下，C1-C4正烷烃为气态，C5-C15为液态，C16以上为 固态（天然石蜡）。主峰碳位置及形态，可将正烷烃分布曲线分为3种基本类型： 主峰小于C15，且主峰区较窄； 主峰大于C25，且主峰区较宽； 主峰在C15-C25之间，且主峰区较宽。2、异构烷烃 石油中带支链的异构烷烃以C10为主，C11-25较少，且以类异戊间二烯型烷烃

10、 最重要。 石油中的类异戊间二烯型烷烃，一般认为是由叶绿素的侧链即植醇演化 而来，为生物成因标志化合物。(1) 2,6,10三甲基十二烷（法呢烷）；(2) 2,6,10三甲基十三烷（异十六烷）；(3) 2,6,10三甲基十 四烷；(4) 2,6,10三甲基十五烷（降老鲛烷）；(5) 2，6，10，14-四甲基十五烷（老鲛烷，Pr）；(6) 2，6，10，14-四甲基十六烷（植烷，Pr）；(7) 2，6，10，14-四甲基十七烷。类异戊二烯烷烃同系列立体化学结构图（据潘钟祥等，1986 ）甲基示意图在石油烷烃馏分中，最重要的异烷烃是异戊间二烯型烷烃。其特点是在直链上每四个碳原子有一个甲基支链。在

11、沉积物和原油中，往往以植烷、姥 鲛烷、降姥鲛烷、异十六烷及法呢烷的含量最高。2，6，10，14四甲基十六烷(植烷)2，6，10，14四甲基十五烷(姥鲛烷) 同源的石油，所含异戊间二烯型烷烃的类型和含量都非常相似，因此近几年来常用作油源对比的标志或“指纹”，区分沉积环境（氧化-还原环境）。 低分子量（C10的环烷烃，其中尤以环戊烷和环己烷及其衍生物是石油的 重要组分； 中等到大分子量（C10-35）的环烷烃可以是单环到六环； 环烷烃以单环（通式CnH2n）和双环（通式CnH2n-2）最为重要，占石油中环烷 烃重量的50%-55%，三环（通式CnH2n-4）占20%，四环以上占25%左右。 四-五

12、环的环烷烃结构与生物体中的四环甾族化合物和五环三萜烯类化 合物有明显的相似性，并具有旋光性，是石油有机成因的主要证据之一。 在石油中多环环烷烃的含量随成熟度增加而明显减少，在高成熟石油中则以 1-2环的环烷烃为主。 在常温和常压下，环丙烷（C3H6）和甲基环丙烷（C4H8）为气态，单环环烷 烃均为液态，两环以上（C11）的环烷烃为固态。3、环烷烃4、芳烃和环烷芳烃芳香烃：简称芳烃，指具有六个碳原子和六个氢原子组成的特殊碳环-苯环的化合 物，其特征是分子中含有苯环结构，属不饱和烃。 石油中已鉴定出的芳烃的基本类型有：苯、萘、蒽和菲等。 其中以苯、萘、菲三种化合物含量最多。每个类型的主要组分常常不

13、是母体，而是烷 基衍生物，如CnH2n-6型的主要组分不是苯，常是甲苯。 苯,通式CnH2n-6甲苯环烷芳烃：包含一个或几个缩合芳环，石油中最丰富的是两环（一个芳环和一个 饱和环）的茚满和萘满以及它们的甲基衍生物。 石油中最重要的是四环和五环的环烷芳烃，它们大多数与甾、萜类化合物有关，它们 是生物成因标志化合物，其含量及分布特征是研究石油成因，进行油源对比的重要指标。（三）石油中的非烃组成石油中普遍含有数量不等的含硫、氮、氧等非烃化合物。低-中分子量者主要 存在于轻-中馏分内：而高分子量则富集于胶质和沥青质中。 石油所含的非烃化合物数量不少，尤其在重质馏分中含量更高。 石油中的非烃化合物主要包

14、括含硫、含氧、含氮化合物，它们对石油的质 量和炼制加工有着重要影响。硫是石油的重要组成元素之一。它在石油中的含量变化甚大，从万分之几到 百分之几。 硫在石油中可以呈元素硫、硫化氢、硫醇、硫醚、环硫醚、二硫化物、噻吩 及其同系物等形态出现。 石油中所含的硫是一种有害的杂质，因为它容易产生硫化氢(H2S)、硫化铁 (FeS)、硫醇、亚硫酸或硫酸等化合物，对机器管道、油罐、炼塔等金属设备造 成严重腐蚀，所以含硫量常作为评价石油质量的一项重要指标。 1、含硫化合物2、含氮化合物石油中的含氮量一般在万分之几至千分之几。 我国大多数原油含氮量均低于0.5%,大庆原油含氮量少（0.15%），孤岛原油 最多（

15、0.47%）。 石油中的含氮化合物包括碱性和非碱性两类。现已从石油中鉴定出的碱性氮 化物多为吡啶、喹啉、异喹啉和吖啶及其同系物，非碱性氮化物主要是吡咯、卟 啉及其同系物。其中以金属卟啉化合物最为重要。 在石油中，钒、镍等重金属都与卟啉分子中的氮呈络合状态存在，形成钒卟 啉和镍卟啉。3、含氧化合物石油中的含氧量一般只有千分之几，个别石油可高达23。氧在石油中 均以有机化合物状态存在，可分为酸性氧化物和中性氧化物两类。前者有环 烷酸、脂肪酸及酚，总称为石油酸；后者有醛、酮等，含量极少。 近十年来，利用石油中低-中分子量的含氮和含氧化合物在输导层中的吸附和 分馏作用研究石油的二次运移取得了重要的进展

16、。Bastow等 (2002) 研究表明， 含氮化合物中的咔唑和含氧化合物中的酚系列化合物随着石油二次运移距离的增 加其含量逐渐减少。三、石油的物理性质石油具有极其复杂的化学成分和变化的物理常数。但从总体上认识石油的物 理性质，对了解石油及进行石油地质研究和评价石油的工业品质都是必不可少的 。 1、颜色：石油的颜色变化范围很大，从无色、淡黄色、黄褐色、深褐色、黑绿色至黑色。我国四川黄瓜山和华北大港油田有的井产无色石油，克拉玛依石油呈褐至黑色，大 庆、胜利、玉门石油均为黑色。 石油颜色的深浅主要取决于胶质和沥青质的含量。胶质和沥青质含量愈高，则颜色也愈深 。2、密度和相对密度： 石油的密度定义为单位体积石油的质量：3、粘度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的大小。 流体粘度愈大，就愈难流动。它可用绝对动力粘度来表示。单位为Pas。 石油粘度的变化范围很大，如大庆油田白垩系原油粘度（19-22）10-3Pas， 克拉玛依油田原油为5010-3Pa