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1、油气水油气水第一章第一章 石油、天然气和油田水石油、天然气和油田水第一节 石油的成分和性质第二节 天然气的成分和性质第三节 油田水的成分和类型第四节 石油和天然气中的碳、氢同位素油气水油气水1石油的组分（按照在有机溶剂中的选择性溶石油的组分（按照在有机溶剂中的选择性溶解）解）（1）油质（油质（oil）：能溶于：能溶于石油醚石油醚而不被硅而不被硅胶吸附的部分。主要是烃类胶吸附的部分。主要是烃类（2）胶质胶质(resins)：用苯和洒精苯从：用苯和洒精苯从硅胶硅胶上解吸（溶解）下的石油部分。又可分为苯上解吸（溶解）下的石油部分。又可分为苯胶质和洒精苯胶质。主要为胶质和洒精苯胶质。主要为NSO化合物
2、化合物（3）沥青质沥青质(asphaltenes)：能溶于：能溶于氯仿氯仿，但不溶于石油醚、苯和洒精苯的部分。但不溶于石油醚、苯和洒精苯的部分。一、石油的组分、族分和馏分1-12族分族分按化合物组成对石油成分的一种分类。可分为按化合物组成对石油成分的一种分类。可分为饱和烃、芳香烃、非烃和沥饱和烃、芳香烃、非烃和沥青质青质四部分。有时亦称为族组成。四部分。有时亦称为族组成。油气水油气水3、馏份组成（、馏份组成（Fractions）根据各馏份根据各馏份沸点沸点不同进行蒸馏区分（据潘钟祥等，不同进行蒸馏区分（据潘钟祥等，1986）（蒸馏）馏 分轻 馏 分中 馏 分重 馏 分石油气汽油C511煤油C9
3、16柴油C1323重瓦斯油润滑油渣油切割温度3535-190190-260260-320320-360360-530530油气水油气水柴油柴油煤油煤油汽油汽油润滑润滑油石油石蜡和蜡和沥青沥青油气水油气水二、石油的化学组成（一）元素组成 C H S + N + O 微量元素（灰分）微量元素（灰分） 84-87% 11-14% 0.3-7% （一般在（一般在1-4%） 万分之几或更少万分之几或更少 硫是石油中的有害杂质，故含硫量常作为评价石油质量的重要指标。硫是石油中的有害杂质，故含硫量常作为评价石油质量的重要指标。 高硫石油：高硫石油：S 2%S 2% 含硫石油含硫石油: 2% S 0.5%:
4、2% S 0.5% 低硫石油低硫石油: S 0.5%: S 0.5% 石油的元素组成与自然界有机物有明显相似性，证明亲缘关系石油的元素组成与自然界有机物有明显相似性，证明亲缘关系. . （C、 H、 S、 N、 O、）、） Fe、 Ca、 Mg、 （Si）、）、 A1、 V、 Ni、 Cu、 Sb、 Mn、 Sr、 Ba、 B、 Co、 Zn、 Mo、 Pb、 Sn、 (Na)、 K、P、 Li、Cl、Bi、Be、Ge、Ag、As、Gd、Au、Ti、Cr、Cd油气水油气水海相石油与陆相石油V、Ni含量及V/Ni比的差别 V、Ni含量及含量及V/Ni 可用于烃源岩有机相确定及油源对比可用于烃源岩
5、有机相确定及油源对比.油气水油气水（二）石油的烃类组成（1）烷烷烃烃（Alkanes） 分子中碳原子以单键相连成链状分子中碳原子以单键相连成链状 无支链者称正烷烃无支链者称正烷烃, ,有支链者称异烷烃有支链者称异烷烃 密度、熔点与沸点均随相对分子量增加而升高密度、熔点与沸点均随相对分子量增加而升高 相对密度小于相对密度小于1 1，几乎不溶于水（气态烃除外），几乎不溶于水（气态烃除外）1、烃类化合物、烃类化合物 （烷烃、环烷烃、芳香烃）（烷烃、环烷烃、芳香烃）油气水油气水 在异构烷烃中具有重要意义的是在异构烷烃中具有重要意义的是异戊间二烯型烷烃异戊间二烯型烷烃，其特点是从，其特点是从第二个碳原子
6、开始，每四个碳原子有一个甲基支链。第二个碳原子开始，每四个碳原子有一个甲基支链。姥鲛烷（姥鲛烷（PristanePristane）和植烷（）和植烷（PhytanePhytane）是重要的生物标志化合物。）是重要的生物标志化合物。常用来进行油源对比，区分沉积环境（氧化还原环境）。常用来进行油源对比，区分沉积环境（氧化还原环境）。在强还原环境下以形成植烷为主在强还原环境下以形成植烷为主, ,在弱氧化条件下以形成姥鲛烷为主在弱氧化条件下以形成姥鲛烷为主 。油气水油气水甲烷乙烷丙烷丁烷异丁烷油气水油气水管线中的结蜡（C33）油气水油气水碳原子以单键相连成环状的饱和烃。碳原子以单键相连成环状的饱和烃。根
7、据分子中的碳环数目，分单环、双环、三环和多环烷烃。根据分子中的碳环数目，分单环、双环、三环和多环烷烃。石油中多为五员环和六员环（分别由石油中多为五员环和六员环（分别由5个和个和6个碳原子组成的环个碳原子组成的环 ）。）。密度、熔点与沸点均较碳原子数相同的烷烃高。密度、熔点与沸点均较碳原子数相同的烷烃高。 相对密度小于相对密度小于1（2）环烷烃（）环烷烃（Naphthene ）环丙烷环丙烷环戊烷环戊烷环己烷环己烷油气水油气水（3）芳香烃（）芳香烃（Aromatics）单环芳烃具特殊芳香味，有毒。单环芳烃具特殊芳香味，有毒。分子中含有苯环的烃类，属不饱分子中含有苯环的烃类，属不饱和烃。和烃。按结构
8、可分为：按结构可分为：单环芳烃单环芳烃 （含一个苯环）（含一个苯环）多环芳烃多环芳烃（含两个以上独立苯环）（含两个以上独立苯环）稠环芳烃稠环芳烃 (含两个以上苯环含两个以上苯环, 彼此彼此通过共用两个相邻碳原子稠合而成）通过共用两个相邻碳原子稠合而成）苯甲苯油气水油气水（三）石油的非烃组成（三）石油的非烃组成主要包括含硫、含氮、含氧化合物（1）含硫化合物石油中的硫以元素硫、硫化氢、硫醇、硫醚等形式出现石油中的硫主要来自有机物的蛋白质和地层中的含硫酸盐矿物如石膏等，故产于蒸发盆地的石油含硫量较高。 易形成 H2S、H2SO4、H2SO3 等，对金属管线设备造成腐蚀。Hydrogen Sulphi
9、dethiophene (C4H4S)硫化氢硫化氢噻吩噻吩油气水油气水corrosion油气水油气水（2）含氮化合物（）含氮化合物（Nitrogen compounds） 含量一般万分之几千分之几含量一般万分之几千分之几 金属卟啉类化合物金属卟啉类化合物 ：石油有机成因证据之一：石油有机成因证据之一 （叶绿素（叶绿素 血红素）血红素） 油源对比油源对比V/Ni V/Ni 比值比值 （3）含氧化合物（）含氧化合物（Oxygen compounds） 含量一般千分之几含量一般千分之几 石油酸中环烷酸最重要（水化学找油标志）石油酸中环烷酸最重要（水化学找油标志） （4）含硫、氮、氧的化合物）含硫、氮
10、、氧的化合物胶质、沥青质胶质、沥青质 （resin and asphaltene）苯酚苯酚phenol （石炭酸）（石炭酸）油气水油气水三.石油的物理性质 （一）颜色 由化学组成决定。主要取决于沥青质的含量。浅黄色黑，但深色石油居多。无色石油可能与油气运移中胶质、沥青质被岩石吸附有关。 （四川黄瓜山、大港）油气水油气水相对密度相对密度：2020的石油与的石油与44纯纯水水单单位体位体积积的重量比。的重量比。D D4 42020：0.750.751.001.00。石油按密度分石油按密度分类类：轻质轻质油（油（0.870.93)0.93)我国以我国以 0.82-0.89 0.82-0.89 居多（
11、沥青质少，胶质多，故粘度偏高，密度偏低）居多（沥青质少，胶质多，故粘度偏高，密度偏低）决定因素决定因素：1 1 胶质胶质 沥青质含量；沥青质含量； 2 2 大分子烃类含量；大分子烃类含量； 3 3 溶解气含量溶解气含量（二）相对密度美国西欧油气水油气水决定因素决定因素：温度、压力、化学组成，溶解气含量温度、压力、化学组成，溶解气含量稀油：稀油：100mPa100mPa100mPas s 普通稠油：普通稠油：10010010000mPa10000mPas s 特稠油：特稠油：10000mPa10000mPas s50000mPa50000mPas s 超稠油：超稠油：50000mPa50000m
12、Pas s （三）粘度（三）粘度（ViscosityViscosity）受温度影响极大，压力加大亦有增加。决定了石油流动性，进而影响到受温度影响极大，压力加大亦有增加。决定了石油流动性，进而影响到产量、开发方式和运输过程产量、开发方式和运输过程反映石油流体内摩擦力的参数，运动粘度或动力粘度动力粘度单位：Pas或mPas (1mPas=1厘泊)油气水油气水紫外线照射下发出荧光的性质。紫外线照射下发出荧光的性质。 多环芳烃及非烃引起发光，饱和烃则不发光。多环芳烃及非烃引起发光，饱和烃则不发光。荧光分析荧光分析（岩屑、薄片）（岩屑、薄片）发光强度与石油或沥青质浓度有关。发光颜色依化合物不同而不同。发
13、光强度与石油或沥青质浓度有关。发光颜色依化合物不同而不同。 轻质轻质油：油：浅浅兰兰色色；胶；胶质质多者：多者：绿绿黄黄；沥沥青青质质多者：多者：褐色褐色。 （四）荧光性（四）荧光性（Fluorescence）油气水油气水（五）旋光性（Rotary polarization）当偏光通过石油时，偏光面会旋转一定角度，这种特性称为旋光性。左旋、右旋物质；天然石油多为右旋。0.1度几十分。随含油地层年代增长而减小。（六）溶解性(solubility)烃类难溶于水，易溶于氯仿，四氯化碳，苯，石油醚等有机溶剂。（七）导电性（Conductivity）高电阻率电阻率测井 油气水油气水第二节 天然气天然气的
14、概念：天然气（广义）：天然存在于自然界的一切气体。如：大气、地表气、沉积岩中的气、宇宙气、火山气。天然气（狭义）：指与油气田有关的以烃类为主的可燃气体。世界气藏气化学组成图世界气藏气化学组成图（据（据B,T等，等，1976） 一、天然气的组成1.元素组成 C H为主，少量N+O+S。2.化合物组成（1）烃类气体 CH4占80-90% 重烃气（C2、C3、C4 95% 蓝色火焰，少含汽油蒸汽。湿气（wet gas）：含重烃气5%，黄色火焰。1-2油气水油气水（2） 非烃气常见有N2、CO2、H2S、H2、CO、Hg蒸气及惰性气体，有时还含有少量有机硫、氧、氮化合物。非烃气的含量一般小于10%，但
15、亦有少量非烃气的含量超过10%，极少数是以非烃气为主的气藏，如N2气藏，CO2气藏、H2S气藏。痕量到微量的稀有气体，如氦、氖、氪、氩、氙、氡等惰性气体美国：本得隆起 二迭系砂岩气藏 N2 达8.6%中国：广东 三水盆地 砂头峪气田 CO2达99.5%河北赵兰庄油气田孔一段（地层含石膏）H2S达92%油气水油气水二、天然气的产状二、天然气的产状1、聚集型天然气气藏气（干气，贫气）：烃类气体单独聚集成藏，不与石油伴生。C1一般大于95%，重烃气含量极少（14%）。N2为主的气藏数量10%，CO2或H2S为主的气藏1%气顶气（湿气，富气gas cap） ：与石油共存于油气藏中，呈游离气顶状态的天然
16、气。重烃气含量可达百分之几几十，仅次于甲烷按相态：游离态、溶解态、吸附态、固态气水合物按分布：聚集型、分散型按与石油关系：伴生气、非伴生气油气水油气水2、分散型天然气油溶气气在油中溶解度高，根据含气量加以处理、利用水溶气分低压水溶气和高压水溶气煤层气煤层中吸附的和游离态的天然气，即瓦斯固态气水合物水与天然气（甲烷）结合形成的白色固态结晶物3、伴生气和非伴生气与成因有关，探明储量中非伴生气约占75%油气水油气水 天然气化合物的分子的长度和有效直径要比石油化合物分子的长度和天然气化合物的分子的长度和有效直径要比石油化合物分子的长度和天然气化合物的分子的长度和有效直径要比石油化合物分子的长度和天然气
17、化合物的分子的长度和有效直径要比石油化合物分子的长度和有效直径一般要小，前者更有利于运移。有效直径一般要小，前者更有利于运移。有效直径一般要小，前者更有利于运移。有效直径一般要小，前者更有利于运移。 组成组成组成组成甲烷甲烷甲烷甲烷/ /硫化氢硫化氢硫化氢硫化氢二氧化二氧化二氧化二氧化碳碳碳碳乙烷乙烷乙烷乙烷丙烷丙烷丙烷丙烷/ /异丁烷异丁烷异丁烷异丁烷正烷烃正烷烃正烷烃正烷烃杂环化杂环化杂环化杂环化合物合物合物合物沥青质沥青质沥青质沥青质长度（长度（长度（长度（1010-10-10mm）4.24.24.74.75.55.56.56.54.2-404.2-4015-3015-305050分子分
18、子分子分子有效直径有效直径有效直径有效直径（1010-10-10mm）分子分子分子分子有效直径有效直径有效直径有效直径（1010-10-10mm）分子分子分子分子有效直径有效直径有效直径有效直径（1010-10-10mm）氦氦氦氦2.02.0二氧化碳二氧化碳二氧化碳二氧化碳3.33.3正烷烃正烷烃正烷烃正烷烃4.84.8氢氢氢氢2.32.3氮氮氮氮3.43.4环烷烃环烷烃环烷烃环烷烃5.45.4氩氩氩氩2.92.9甲烷甲烷甲烷甲烷3.83.8杂环化合物杂环化合物杂环化合物杂环化合物10-3010-30水水水水3.23.2苯苯苯苯4.74.7沥青质沥青质沥青质沥青质50-10050-100三、天
19、然气的物理性质1、分子大小 石油、天然气的各种化合物分子长度石油、天然气的各种化合物分子长度 天然气、水和液天然气、水和液固态烃类和非烃类化合物分子有效直径固态烃类和非烃类化合物分子有效直径油气水油气水密度（g）：g=P Mg /ZRTP-压力， Mg -表观分子量，Z-压缩因子（理想气体等于1），R-通用气体常数，T-绝对温度。 天然气的密度：在地表一般0.70.75kg/m3；在地下可达150250kg/m3 ，凝析气可达225450kg/m3 。相对密度（rg）天然气的相对密度：常温常压下天然气的密度（ g ）和空气的密度（a）之比。 rg= g/a= Mg / MaMa为空气的表观分子
20、量。天然气的相对密度0.561.0之间。因此，它们通常比空气要轻。 2 2、密度和相对密度、密度和相对密度油气水油气水在水中溶解度用亨利公式表示： Q=CPP为压力，C为溶解系数或亨利系数（即：亨利系数一个大气压下单位体积水溶解天然气的体积）。换言之，天然气溶解度与压力成正比。 常见的天然气组分在纯水的溶解系数（20，1105Pa）在石油中溶解度 烃类天然气在石油中溶解度（或溶解系数）大大高于在水中溶解度（溶解系数）。一方面较重烃气溶解度较大，另一方面轻馏分较重馏分有更大的溶解天然气能力。天然气组分甲烷乙烷丙烷丁烷异丁烷二氧化碳硫化氢氮气溶解系数0.0330.0470.0370.0360.02
21、50.872.580.016 3、溶解度天然气溶解度：单位体积的溶剂溶解天然气的体积。油气水油气水天然气的粘度与其化学组成有关。一般天然气的粘度在0时为0.3110-3mPas,20 时为1210-3mPas。天然气的动力粘度要比石油小得多，一般只有后者百分之几。5、吸附作用 天然气被岩石吸附的现象。单位质量岩石吸附天然气量大小与岩石类型和天然气化合物类型以及压力温度等有关有关。岩石对气态烃吸附值岩石对气态烃吸附值 气体气体气体气体岩石岩石岩石岩石压压压压力（力（力（力（mmHgmmHg）吸附含量吸附含量吸附含量吸附含量（cmcm3 3/kg/kg）甲甲甲甲烷烷烷烷砂岩砂岩砂岩砂岩粘土粘土粘土
22、粘土685.8685.8762.25762.2529.629.671.871.8丙丙丙丙烷烷烷烷砂岩砂岩砂岩砂岩粘土粘土粘土粘土73.8773.87725.07725.07600.6600.61,012.91,012.9丁丁丁丁烷烷烷烷砂岩砂岩砂岩砂岩粘土粘土粘土粘土791.53791.53690.40690.401,152.31,152.31,643.91,643.94、粘度油气水油气水烃类天然气是优质的燃料，每立方米天然气燃烧时所发出的热量。与重烃含量有关。单位kJ/m3。 热值排序：煤热值排序：煤热值排序：煤热值排序：煤 干气干气干气干气 石油石油石油石油 湿气湿气湿气湿气 1 1 1
23、1 01 0 11 1苏林分类的主要水型苏林分类的主要水型（据（据Dickey，1986）油气水油气水概括说来，地表水含有 SO42- 和 HCO3-，但却只含很少的 Ca2+ 和 Mg2+。因此，阳离子几乎全为 Na+。故 Na+ 的毫克当量百分数应近似等于所有阴离子的毫克当量百分数之和：Na+ Cl- + SO42- HCO3- （大致）（大致） Na+ - Cl- SO42- HCO3- （大致）（大致） 此时 Na/Cl 1若（Na Cl）/ SO4 1，称重碳酸钠型水即即地表水油气水油气水典型的原生水几乎不含 SO42- 和 HCO3-，所有的阴离子几乎均为 Cl-。因此：Cl- N
24、a+ + Ca2+ Mg2+ （大致）（大致） Cl- - Na+ Ca2+ Mg2+ （大致）（大致） 此时 Na/Cl 1。 若（ Cl Na ）/ Mg 1，称氯化钙型水代表了缺乏循环交替的地层水的特征油田水的水型以氯化钙型为主，其次为重碳酸钠型，而硫酸钠型和氯化镁型较为罕见。原生水油气水油气水 （一）比重：一般 1。矿化度越高，比重越大。 （二）颜色：一般不透明而呈浑浊状；并常带有颜色。 （三）溴味：常具汽油味或煤油味，有咸味、苦味、腐臭味（含H2S时）。 （四）导电性：因含多种离子而导电。矿化度越高，导电性越好。 （ 用途：电测井解释 油 气 水层 ）五、油田水的物理性质五、油田水的
25、物理性质油气水油气水第4节 油气的碳同位素同位素：同位素：质子数相同而中子数不同的原子质子数相同而中子数不同的原子原原子子的的理理想想结结构构1-4同位素效应：物质参与生物、化学、物理的作用过程中，其中元素的一种同位素被另一种同位素所取代，从而引起物质的物理、化学性质变化的现象。油气水油气水（一）碳、氢稳定同位素在自然界的丰度、比值和标准 原子原子原子原子序序序序数数数数同位素丰度同位素丰度同位素丰度同位素丰度（%）同位素比同位素比同位素比同位素比比比比比值值值值标标标标准及符号准及符号准及符号准及符号 值值值值符号符号符号符号1 11 1H 99.985H 99.9852 2H 0.015H
26、 0.0152 2H/H/1 1HH1.5101.510-4-4标标标标准平均大洋水准平均大洋水准平均大洋水准平均大洋水缩缩缩缩写号写号写号写号SMOWSMOWDD（，SMOWSMOW）6 61212C 98.892C 98.8921313C 1.108C 1.1081313C/C/1212C C1.12101.1210-2-2南卡南卡南卡南卡罗罗罗罗来来来来纳纳纳纳州白垩系皮州白垩系皮州白垩系皮州白垩系皮狄狄狄狄组组组组美洲美洲美洲美洲拟拟拟拟箭石，箭石，箭石，箭石，缩缩缩缩写写写写代号代号代号代号PDBPDB 1313C C（，PDBPDB） 自然界不同的含碳、氢物质的同位素丰度有着明显的
27、区别，同位素的比值DH，13C/12C也各不相同。利用这一特性可确定油气的成因，进行油气源对比和油气运移等研究。一、碳、氢稳定同位素在自然界的丰度、比值、标准和一、碳、氢稳定同位素在自然界的丰度、比值、标准和一、碳、氢稳定同位素在自然界的丰度、比值、标准和一、碳、氢稳定同位素在自然界的丰度、比值、标准和 值值值值油气水油气水同位素比值的测量和对比单位一般是用千分数来表示的。值的定义如下： RS为样品的同位素比值，对于碳、氢稳定同位素，分别以DH、13C/12C； Rr为标准的稳定同位素比值(氢为SMOW的DH，碳为PDB的13C/12C） 。 （二）值的定义1313C C （13C/12C)样
28、品样品 （13C/12C)标准标准（13C/12C)标准标准1000o油气水油气水各地质时代石油的碳同位素分布（据各地质时代石油的碳同位素分布（据各地质时代石油的碳同位素分布（据各地质时代石油的碳同位素分布（据StahlStahl，19771977） 二、油气中碳稳定同位素 石油碳同位素的13C值（PDB，以下同）一般为-33到-22，平均为-26到-25。海相原油的13C值较高，为-27到-22；陆相原油中的13C偏低，为-29到-33。石油的13C值与类脂物较接近，石油的13C值随年代变老，显示出轻微降低趋势，即年代愈老的石油12C相对富集，13C值减少。油气水油气水饱和烃、芳烃、胶质和沥
29、青质13C值随馏分的极性和分子量增大而增加。把石油不同组分13C值变化连成曲线，称为碳同位素类型曲线。利用碳同位素类型曲线能有效地解决成油环境、油源对比及石油演化等方面的问题。原油碳同位素类型曲线碳同位素类型曲线油气水油气水天然气的13C值变化较大，从-100直到-20。一般低温浅层中形成的天然气（甲烷）富集12C具有较低的13C值（-100到-50）；而深层和年代较老，在较高温度下形成的天然气，具有较高的13C值（-50到-20）。利用13C1-Ro（镜质体反射率，%）和13C1-C1/Ci（甲烷系数）关系图线，能较有效地区分不同母质和演化阶段所生成的天然气。对地下水中溶解的甲烷气的碳同位素测定，能帮助确定溶解气的成因类型及来源，有助于确定地下水与油气藏的关系。天然气的碳稳定同位素油气水油气水本章结束本章结束
