第1章油气藏中流体成分和性质

第一章油气藏中流体成分和性质主要内容原油的组成及性质天然气的组成和性质油田水的组成和性质任一油气藏中都存在石油、天然气、油田水三种流体，只有纯气藏中才只有天然气和油田水。这些流体存在于储集层的孔隙裂缝中，并在圈闭范围内按比重分异，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。同时，油气藏中的油、气、水三者存在过渡带，并以一定关系共存于储基层的孔隙系统中（2-1）。第一节石油石油是存在于地下岩石孔隙中的以液态烃为主体的可燃有机矿产，石油又称原油。地下油气藏中的石油气态、液态和固态烃类及其衍生物混合而成的，在成分和相态上均表现为极其复杂的混合物。一、石油的化学组成（一）石油的元素组成石油的元素组成主要是碳（C）和氢（H），其次是硫（S）、氮（N）、氧（O）。世界上大多数石油的元素组成一般为：碳含量介于80%~88%之间，氢含量占10%~14%，硫、氮、氧总量在0.3%~7%之间变化，一般低2%~3%。碳、氢两种元素在原油中一般占95％以上石油中硫含量，据蒂索（B.P.Tissot,1978）等对9347个样品的统计，平均为0.65%（重量），其频率分布为双峰型（图2-2）石油中含氮量在0.1%~1.7%之间，平均值0.94%。90%以上的原油含氮量小于0.2%，最高可达1.7%（美国文图拉盆地的石油），通常以0.25%作为贫氮和富氮石油的界限。石油的含氧量在0.1%~4.5％之间，主要与其氧化变质程度有关。除上述５种元素之外，还从石油灰分（石油燃烧后的残渣）中发现有５０多种元素。这些元素虽然种类繁多，但总量仅占石油重量的十万分之几到万分之几，在石油中属于微量元素。（二）石油的化合物组成1.烃类化合物:指全部由氢和碳原子构成的化合物——烷烃、环烷烃、芳香烃.在化学上，烃类可以分为两大类：饱和烃和不饱和烃。（1）饱和烃在石油中饱和烃在数量上占大多数，一般占石油所有组分的50%~60%。（2）不饱和烃石油中的不饱和烃主要是芳香烃和环烷芳香烃，平均占原油重量的20%~45%。

分子中碳原子以单键相连成链状无支链者称正烷烃,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相对密度小于1，几乎不溶于水（气态烃除外）1、烷烃（Alkanes）

：属饱和烃（CnH2n+2）常PT下

C1~4气态，C5~16液态，C17+固态（不同碳原子正烷烃相对含量的分布曲线）1、烷烃：

1）正构烷烃属直链烃在原油中正构烷烃的含量是较高的，其含量一般为15％～20％。原油中已检测出C1～C60的各种正构烷烃。正构烷烃含量随碳原子数增加有规律地减少。

管线中的结蜡（C33＋）2）异构烷烃——属侧链烃

C10内的异构烷烃含量较高，在C5～C8范围内，最常见的构型是具有一个叔碳原子（2-甲基或3-甲基），其次是两个叔碳原子的构型。在中等分子量范围内最重要的异构烷烃是异戊二烯类烷烃,含量常占原油的1％。最重要：异戊二烯型烷烃（植烷，姥鲛烷）生物标志化合物。IsopentaneIsobutane(C4H10)2、环烷烃化合物原油中：单环和双环烷烃：占环烷烃总量的50％～55％三环烷烃：占20％四环和五环环烷烃：占碳数大于10的环烷烃的25％，它们的结构与四环甾(zāi)族化合物和五环三萜(tiē)烷直接相关。3、芳香烃化合物（Aromatics）单环芳烃（含一个苯环）多环芳烃（含两个以上独立苯环）稠环芳烃(含两个以上苯环,彼此通过共用两个相邻碳原子稠合而成）

原油中1～3环的苯、萘和菲系列含量最高，占芳香馏分的70％左右，而四环以上的芳烃仅占不到10％。单环芳烃具特殊芳香味，有毒。2.非烃化合物（1）含硫化合物硫是碳和氢之后的第三个重要元素，含硫的化合物也最多见。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、硫化铁、亚硫酸、或硫酸等化合物，对机器、管道、油罐、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。（2）含氮化合物石油中含氮较为少见，平均含量小于0.1%。目前从石油中分离出来的含氮化合物有30多种，主要是含氮杂环化合物形式存在。（3）含氧化合物石油中含氧化合物已鉴定出50多种，包括有机酸、酚和酮类化合物。（三）石油的馏分组成表2-1石油的馏分组成馏分轻馏分（低沸馏分）

中馏分（中沸馏分）重馏分（高沸馏分）石油气汽油煤油柴油重质瓦斯油润滑油渣油温度℃<3535~190190~260260~320320~360360~530>530（四）石油的组分组成二、石油的分类（一）分类原则和方法

石油的分类常因用途不同而采用的参数各异，地球化学家和地质学家注意原油组成与生油岩及其演化作用的关系。（二）Tissot和Welte的石油分类主要依据原油中各类烃类的含量比例关系，以烷烃（石蜡），环烷烃，芳香烃+S、N、O化合物三个参数作为三个端元，采用三角图解来划分原油类型。三、海陆相石油的基本区别表2-4海相与陆相石油的基本区别表

环境区别海相石油陆相石油石油类型芳香-中间型、石蜡-环烷型石蜡型为主、少石蜡-环烷型含蜡量低，<5%，一般0.5%~3%高，>5%，一般10%~30%含硫量高，S>1%低，S<1%V/NiV/Ni>1%V/Ni<1%碳稳定同位素＆13Cδ13C>--27‰δ13C<--29‰含蜡量高是陆相石油的基本特征之一.世界上高蜡石油都产于陆相环境中，如右图。海相石油一般为高硫石油，而陆相石油一般为低硫石油。四、石油的物理性质1、颜色（color）:颜色变化较大，从无色—黑色。与组成有关：胶质-沥青质含量越高颜色越深，烃类含量高，颜色浅。原油一般以黑色为多。原油颜色的不同可有以下几个原因：1）无色或浅色原油：可能在运移过程中，带色的胶质和沥青质被岩石吸附，剩下浅色油质（烃类）部分。亦可能是由于高温裂解，使高分子烃碳链断裂，变成低分子烃，而形成浅色轻质组分。2）如果原油受到氧化或菌解而形成黑色的沥青质、炭质。如胜利、克拉玛依（热采）。热采－蒸汽吞吐法热采-蒸汽辅助重力泄油法2、密度和相对密度（Gravity）密度：指单位体积重量。相对密度：指标准条件下（20℃）原油密度与4℃下纯水密度之比值。原油的密度在20℃下，一般介于0.75—1.0之间。相对密度>0.92（国际：0.934）重质原油

<0.92轻质原油

美国：API度=141.5/d（15.5）-131.5

西欧：波美度=140/d（15.5）-130

影响因素：1）胶质、沥青质含量↑，密度↑；

2）高分子量含量大，密度↑；

3）溶解气含量↑，密度。↑与此同时，溶解气量增加引起体积增加的效应，远远超过随压力增加而使体积减小的效应。因此出现压力增加时石油体积不是缩小而是增大，直至达到饱和压力为止（图2－12）在地下，石油的比重还与其溶解气量、温度、压力等因素有关在地下油气藏中，溶解气量多则比重小；在其它条件不变时，比重随温度增加而减小，随压力增大而增大。3、粘度（Viscosity）指流体质点相对移动时所受到的内部阻力。它是对流体流动性能的度量，单位为帕斯卡秒（Pa·S）。通常测定的是相对粘度，即液体的绝对粘度与同温条件下水的绝对粘度之比。原油的粘度变化很大，如大庆原油粘度在50℃为9.3~21.8×10-3Pa·S，孤岛油田馆陶组原油则为103~6451×10-3Pa·S。影响因素：

1）化学组成：分子量小的烷烃、环烷烃含量多，粘度低；反之则高。

2）温度：T↑、粘度↓；T↓、粘度高。

3）压力：P↑、粘度↑；P↓、粘度↓。

4）溶解气量：溶解气量高，则粘度低；反之则高。4、凝固点凝固点：将液体原油冷却到失去流动性时的温度。影响因素：

1）含蜡量：含蜡量高，则凝固点高，反之则低。

2）烷烃碳数高低：凝固点高的原油容易使井底结蜡，给开采工作造成困难。5、荧光性（Fluorescence）紫外线照射下发光—荧光。影响因素：化学结构—多环芳烃及非烃引起发光，饱和烃则不发光。轻质油：浅兰色；胶质多者：绿～黄；沥青质多者：褐色。6、旋光性当偏光通过原油时，偏光面会旋转一定角度，这个角度称为旋光角。这种能使偏光面发生旋转的特性，称为旋光性。左旋物质，右旋物质，天然原油多为右旋。0.1度—几十分。

原因：分子中具有不对称分子结构。原油中的胆甾醇和植物性甾醇分子为不对称结构。胆甾醇存在于动物的胆汁、鱼肝油和蛋黄中，而植物性甾醇存在于植物油和脂肪中。所以，原油的旋光性是原油有机成因的一个有力的佐证。

7、导电性原油电阻率高达109—1016Ω·m。可利用此性质，用电阻率曲线来判断油水层。8、溶解性原油易溶于有机溶剂而难溶于水。原油在水中的溶解度取决于成份和外界条件。烃类在水中的溶解度（甲烷除外）随分子量增大而减小。碳数相同的烃类比较：烷烃<环烷烃<芳香烃。第二节天然气一、天然气的概念及产状（一）、天然气的概念：广义上指岩石圈中存在的一切天然生成的气体。石油地质学中研究的主要是沉积圈中以烃类为主的天然气。（二）天然气的产出类型

按天然气的成因可分为有机成因气和无机成因气；按天然气存在的相态可以分为游离气、溶解气、吸附气和固态气水化合物；依天然气分布特征可分为聚集型和分散型；依天然气与石油产出的关系分为伴生气和非伴生气。按照天然气的成分可分为烃类气体和非烃类气体。1、聚集型天然气气顶气是指与油共存于油气藏中呈游离态位居有气藏顶部的天然气。气藏气是指在圈闭中具有一定工业价值的单独天然气聚集。凝析气是一种含有一定量凝析油的特殊的气藏气。在地下较高温度、压力下，凝析油因逆蒸发作用而气化或以液态分散（溶解）于气中，呈单一气相存在，称之为凝析气。2、分散型天然气

油溶气溶解于石油中的天然气。

水溶气溶解于水中的天然气。煤层气煤层气指煤层中所含的吸附和游离态的天然气。煤矿中将这种天然气称为瓦斯。致密地层气主要指致密砂岩和裂缝性含气页岩中的天然气。固态气水合物是一种白色的固态似冰状的结晶化合物，又称气水化物或固体气，也叫天然气水合物，俗称“可然冰”。二、天然气的化学组成天然气的元素组成，以碳、氢为主，碳占65～80%，氢占12～20%，另有少氮、氧、硫及其它微量元素。天然气的化合物组成以甲烷为主，其次为重烃气，并含有数量不等的N2

、CO2、H2S及其它惰性气体。三、天然气的物理性质比重：在标准状态下，单位体积天然气与同体积空气的重量比，即天然气的比重。一般为0.65～0.75，高者可达1.5，湿气的比重大于干气。。粘度：天然气的粘度与其化学组成及其所处的环境有关。一般随分子量增加而减小，随温度、压力增大而增大（因分子间的运动加快，碰撞增多）。蒸气压力：气体液化时所需施加的压力称蒸气压力。蒸汽压力随温度升高而增大。在同一温度条件下碳氢化合物的分子量越小，则其蒸气压力越大。溶解性：在相同的条件下，天然气在石油中的溶解度远大于在水中的溶解度。当天然气重烃增多，或者石油中的轻馏份较多时，都可增加天然气在石油中的溶解度。热值：每立方天然气燃烧时所发出的热量称为热值。单位每千卡/米3或千卡/千克。湿气热值较高，可达210千卡/米3，而煤和石油的热值分别为4103千卡/千克及104千卡/千克。热值是评价燃料质量的重要指标。四、天然气与石油的差别（一）组成成分上的差别天然气仅包含少数几个最简单的烃类成员；石油则不同，几乎囊括了烃类的所有成员。（二）物理性质上的差别相态的差别导致二者密度、黏度、溶解度、压缩性、吸附性和扩散性等物理性质上的差别。一、基本概念石油、石油的成分、组分组成、石油的比重、石油的荧光性、旋光性；天然气、气顶气、气藏气、凝析气（凝析油）、固态气水合物、煤层气二、问答题

1.简述石油的元素组成。

2.简述石油中化合物组成的类型及特征。

3.简述Tissot和Welte三角图解的石油分类方法。

4.简述海陆相原油的基本区别。（如何鉴别海相原油和陆相原油？）

5.描述石油物理性质的主要指标有哪些？

6.简述天然气依其分布特征在地壳中的产出类型及分布特征。

上节课遗留问题：旋光性石油与天然气热值6、旋光性当偏光通过原油时，偏光面会旋转一定角度，这个角度称为旋光角。这种能使偏光面发生旋转的特性，称为旋光性。左旋物质，右旋物质，天然原油多为右旋。0.1度—几十分。

原因：分子中具有不对称分子结构。原油中的胆甾醇和植物性甾醇分子为不对称结构。胆甾醇存在于动物的胆汁、鱼肝油和蛋黄中，而植物性甾醇存在于植物油和脂肪中。所以，原油的旋光性是原油有机成因的一个有力的佐证。

偏振光是电矢量相对于传播方向以一固定方式振动的光。振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振现象。光波是电磁波，因此，光波的传播方向就是电磁波的传播方向。光波中的电振动矢量E和磁振动矢量H都与传播速度v垂直，因此光波是横波，它具有偏振性。具有偏振性的光则称为偏振光。光的偏振现象可以借助于实验装置进行检测.P1、P2是两块同样的偏振片。通过一片偏振片p1直接观察自然光（如灯光或阳光），透过偏振片的光虽然变成了偏振光，但由于人的眼睛没有辨别偏振光的能力，故无法察觉。如果我们把偏振片P1的方位固定，而把偏振片P2缓慢地转动，就可发现透射光的强度随着P2转动而出现周期性的变化，而且每转过90°就会重复出现发光强度从最大逐渐减弱到最暗；继续转动P2则光强又从接近于零逐渐增强到最大。由此可知，通过P1的透射光与原来的入射光性质是有所不同的，这说明经P1的透射光的振动对传播方向不具有对称性。通过偏振片的透射光，它的振动限制在某一振动方向上,我们把第一个偏振片P1叫做“起偏器”，它的作用是把自然光变成偏振光，但是人的眼睛不能辨别偏振光。必须依靠第二片偏振片P2去检查。旋转P2，当它的偏振化方向与偏振光的偏振面平行时，偏振光可顺利通过，这时在P2的后面有较亮的光。当P2的偏振方向与偏振光的偏振面垂直时，偏振光不能通过，在P2后面也变暗。第二个偏振片帮助我们辨别出偏振光，因此它也称为“检偏器”。偏振光通过某些晶体或物质的溶液时，其振动面以光的传播方向为轴线发生旋转的现象，称为旋光现象。旋光现象产生的原理具有旋光性的晶体或溶液称为旋光物质。最早是发现石英晶体有这种现象，后来继续发现在糖溶液、松节油、硫化汞、氯化钠等液体中和其他一些晶体中都有此现象。有的旋光物质使偏振光的振动面顺时针方向旋转，称为右旋物质，反之称为左旋物质。标煤为标准煤(Standardcoal)的简称，由于各种燃料燃烧时释放能量存在差异，国际上为了使用的方便，统一标准，在进行能源数量、质量的比较时，将煤炭、石油、天然气等都按一定的比例统一换算成标准煤来表示(1公斤标准煤的低位热值为29307.6千焦耳(7000千卡)

)能源名称平均低位发热量折标准煤系数原煤20908千焦(5000千卡)/千克0.7143千克标准煤/千克洗精煤26344千焦(6300千卡)/千克0.9000千克标准煤/千克其他洗煤⑴洗中煤8363千焦(2000千卡)/千克0.2857千克标准煤/千克⑵煤泥8363~12545千焦(2000-3000千克)0.2857~0.4285千克标准煤/千克焦碳28435千焦(6800千卡)/千克0.9714千克标准煤/千克原油41816千焦(10000千卡)/千克1.4286千克标准煤/千克燃料油41816千焦(10000千卡)/千克1.4286千克标准煤/千克汽油43070千焦(10300千卡)/千克1.4714千克标准煤/千克煤油43070千焦(10300千卡)/千克1.4714千克标准煤/千克柴油42552千焦(10200千卡)/千克1.4571千克标准煤/千克液化石油气50179千焦(12000千卡)/千克1.7143千克标准煤/千克炼厂干气45998千焦(11000千卡)/千克1.5714千克标准煤/千克标煤换算1吨原油=1.43吨标准煤1立方米天然气=1.33Kg标准煤1吨原煤=0.714吨标准煤"标煤"是"标准煤"的简称能源的度量单位。各种能源由于所含热值不同，采用的实物计量单位也不一样。我国目前采用标准煤为能源的度量单位，即每千克标准煤为29271千焦耳。第三节油田水一、油田水的概念油田水：从广义上理解，油田水是指油田区域（含油构造）内的地下水，包括油层水和非油层水。狭义的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。二、油田水的产状按照水的储存状态，可分为以下三种：吸附水呈薄膜状被岩石颗粒表面吸附，在一般温、压条件下不能自由运动。毛细管水存在于毛细管孔隙-裂隙中，只有当作用于水的力超过毛细管时才能运动。自由水存在于超毛细管孔隙-裂隙中，在重力作用下能自由运动，也称之为重力水。根据水与油、气分布的相对位置，分为底水和边水。底水：是指含油（气）外边界范围以内与油（气）相接触，且位于油气之下承托着油气的油（气）层水。边水：是指含油气外边界以外的油气层水，实际上是底水的自然延伸。三、油田水的来源油田水的来源是一个极为复杂而尚未取得统一认识的问题。一般认为可以有以下四种来源：①沉积水②渗入水③深成水④成岩水沉积水：是沉积物堆积过程中充填于沉积物颗粒间并保存在其中的水。渗入水：是指来源于大气降雨时渗入到浅处空隙、渗透性岩层中的水。深成水：特指来源于地幔及地壳深部的高温、高矿化度、饱和气体的地下水、包括初生水、岩浆水和变质水。成岩水：来源于矿物成岩转化脱出的结晶水（结构水）的有机质演化伴生的水。四、油田水的化学组成无机组成：以HCO3-、SO42-、Cl-和Ca2+、Na+、Mg2+6种阴、阳离子为代表以及碘、溴、硼、钡、锶、铵等微量元素，其组合特征及异常值能反应油田水的地质特征。有机组成：油田水中含有气态烃、液态烃、苯、酚及环烷酸皂等有机组分，其含量及比值可作为找油的水化学标志。溶解气：常见的有O2、N2、CO2、H2S、CH4、He等。五、油田水的类型

分类原则是HCO3-、SO42-、Cl-和Ca2+、Na+、Mg2+6种阴、阳离子的相对含量，以Na/Cl、(Na-Cl)/SO4和(Cl-Na)/Mg这三个成因系数，把天然水划分为四种基本类型。水的成因系数Na+/C1-Na+-C1-/SO42-C1--Na+/Mg2+大陆水硫酸钠型>1<1<0重碳酸钠型>1>1<0海水氯化镁型<1<0<1深层水氯化钙型<1<0>1六、油田水的物理性质（一）颜色和透明度油田水因含胶体和乳化物，一般不透明或混浊状。含H2S者呈淡青绿色；含铁质胶状体者带淡红色、褐色或淡黄色。（二）嗅味和味道含H2S气体时常常有刺鼻的腐蛋味；当水中溶有较多重烃气及液态烃时，往往具有汽油或煤油味。（三）相对密度油田水因溶有数量不等的盐类，相对密度变化很大，油田水相对密度一般大于1。（四）黏度油田水中含盐分，黏度比纯水高。一般黏度与溶解盐分成正比，与温度成反比。（五）导电性油田水因含各种离子，能够导电。第四节油气的碳、氢稳定同位素一、同位素的