第一章石油天然气成分和性质

石油和天然气

地质学主讲人：杜振川能源地质学课件石油、天然气能源地质学课件石油、天然气能源地质学课件第一章石油、天然气的成分和性质石油:以液态烃为主要化学组分的可燃有机矿产它们由古代的动物、植物遗体演变而来，属有机成因，又具有燃烧能力，总称为可燃有机矿产或可燃有机岩。

这种矿产成分复杂，现已鉴定出上千种有机化合物，主要为烃类，还含有数量不等的非烃化合物和多种微量元素，有时溶有一些烃类气体、非烃气体、不等量固态烃和非烃物质。所以，石油实际上是多种有机化合物的混合体。第一节石油的成分和性质能源地质学课件第一章石油、天然气的成分和性质第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分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，主要成分是液态烃1、石油的元素组成组成石油的化学元素主要有碳(C)、氢(H)、氧(O)、硫(s)、氮(N)，其中碳和氢两种元素占绝对优势。能源地质学课件第一章石油、天然气的成分和性质第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1、石油的元素组成能源地质学课件第一章石油、天然气的成分和性质第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1、石油的元素组成从国内外(上表)一些石油的元素组成看出：一般石油中碳的含量占84—87％，氢含量为11一14％，两者在石油中以烃的形态出现，占石油成分的97—99％。剩下的硫、氮、氧及微量元素的总含量一般只有1—4％。但是，在个别情况下主要由于硫分增多，这个比例可高达3％－7％。能源地质学课件第一章石油、天然气的成分和性质第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1、石油的元素组成组成石油的化学元素除上述5种主要元素外，通过对石油的灰分进行分析，还识别出50多种微量元素，其含量变化从十万分之几到万分之几。按其含量多少和常见程度列举数种微量元素如下：Fe、Ca、Mg、Si、Al、V、Ni、Cu、Sb、Mn、Sr、Ba、B、Co、Zn、Mo、Pb、Sn、Na、K、P、Li、Cl、Bi、Be、Ge、As、As、Gd、Au、Ti、Cr、Cd。能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1）石油的烃类组成碳和氢两种主要元素组成各种碳氢化合物(烃类)存在于石油中，按其本身结构的不同可分为三类：

烷烃

环烷烃

芳香烃

2、石油的化合物组成石油的化合物组成归纳起来，主要可分为烃和非烃两类。烷烃与环烷烃为饱和烃芳香烃为不饱和烃。能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1）石油的烃类组成2、石油的化合物组成

在常温常压下，含一个到四个碳原子(C1—C4)的烷烃呈气态，含5个到16个碳原子(C5—C16)的正链烷烃呈液态；从17个碳原子(C17)以上的高分子烷烃皆呈固态。所有烷烃的比重都小于1，几乎不溶于水。①烷烃—又名脂肪族烃

→通式为CnH2n+2属饱和烃能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1）石油的烃类组成2、石油的化合物组成①烷烃—又名脂肪族烃

→通式为CnH2n+2属饱和烃

烷烃的分子结构特点：碳与碳原子都以单链C—C相连，排列成直链式。无支链着，为正构烷烃或正烷烃；有支链者，为异构烷烃或异烷烃。如：正烷烃：—C—C—C—C—

异烷烃：

能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1）石油的烃类组成2、石油的化合物组成①烷烃—又名脂肪族烃

→通式为CnH2n+2属饱和烃A．正构烷烃大多数正构烷烃碳数≤C55正构烷烃一般占石油质量的15％一25％，轻质石油中可达30％以上，而重质石油中可小于15％

能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1）石油的烃类组成2、石油的化合物组成①烷烃—又名脂肪族烃

→通式为CnH2n+2属饱和烃A．正构烷烃在石油中，不同碳原子数的正构烷烃在一定范围内是连续分布的。每条曲线上极大值对应的碳数为该曲线的主峰碳。能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1）石油的烃类组成2、石油的化合物组成①烷烃—又名脂肪族烃

→通式为CnH2n+2属饱和烃A．正构烷烃在石油中，不同碳原子数的正构烷烃在一定范围内是连续分布的。每条曲线上极大值对应的碳数为该曲线的主峰碳。能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1）石油的烃类组成2、石油的化合物组成①烷烃—又名脂肪族烃

→通式为CnH2n+2属饱和烃A．正构烷烃曲线的分布特点与成油的原始有机质类型、成油环境以及有机质的成熟度密切相关。一般陆源有机质形成的石油中高碳数(C22以上)正构烷烃含量高，海生低等浮游生物(细菌、藻类)形成的石油中低碳数(C22以下)的正构烷烃居多。有机质演化成熟程度较高的、年代较老、埋深较大的石油中低碳数正构烷烃居多；相反，演化程度低的石油，正构烷烃碳数偏大。能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1）石油的烃类组成2、石油的化合物组成①烷烃—又名脂肪族烃

→通式为CnH2n+2属饱和烃B．异构烷烃石油中的异构烷烃以10个碳数以下的为主，高碳数者以类异戊二烯型烷烃最受重视。其特点是在直链上每4个碳原子有1个甲基支链。类异戊二烯型烷烃，在沉积物和石油中，往往以植烷、姥鲛烷、陈姥鲛烷、异十六烷及法呢烷的含量最高能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1）石油的烃类组成2、石油的化合物组成①烷烃—又名脂肪族烃

→通式为CnH2n+2属饱和烃B．异构烷烃结构式：

能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1）石油的烃类组成2、石油的化合物组成②环烷烃石油中的环烷烃多为五员环或六员环及其衍生物，以单环和双环为主。多环中以四环甾烷和五环萜烷较为重要。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3、4、…，相应称为三员环、四员环、…。能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1）石油的烃类组成2、石油的化合物组成②环烷烃环烷烃由许多围成环的多个次甲基(—CH2—)组成。按分子中所含碳环数目，可以分为单环烷烃(通式CnH2n)、双环烷烃(通式CnH2n—2)、三环烷烃(通式CnH2n-4)和多环烷烃。能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1）石油的烃类组成2、石油的化合物组成②环烷烃在石油中，多环烷烃的含量随成熟度增加而明显减少，高成熟石油中以1—2个环的环烷烃为主。由于碳原子所有的价已被饱和，所以环烷烃和烷烃一样，都是比较稳定的。环烷烃的相对密度、熔点和沸点都比碳原子数相同的烷烃高，但相对密度仍小于1能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1）石油的烃类组成2、石油的化合物组成③芳香烃芳香烃系指由6个碳原子和6个氢原于组成的特殊碳环—苯环的化合物，其特征是分子中含有苯环结构，属不饱和烃。由于此类烃族中许多成员具有一种强烈的芳香气味，故称芳香族(又称苯族)。→分子中含有苯环结构，属不饱和烃

能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1）石油的烃类组成2、石油的化合物组成③芳香烃根据结构，芳香烃可分为单环、多环和稠环3类。→分子中含有苯环结构，属不饱和烃

单环芳香烃是指分子中含一个苯环的芳香烃，包括苯及其同系物例如

苯甲苯对二甲苯能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1）石油的烃类组成2、石油的化合物组成③芳香烃根据结构，芳香烃可分为单环、多环和稠环3类。→分子中含有苯环结构，属不饱和烃

多环芳香烃是指分子中含两个或多个独立苯环的芳香烃。例如：联苯三笨甲烷能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分1）石油的烃类组成2、石油的化合物组成③芳香烃根据结构，芳香烃可分为单环、多环和稠环3类。→分子中含有苯环结构，属不饱和烃

稠环芳香烃是指分子中含两个或多个苯环，彼此之间通过共用两个相邻碳原子稠合而成的芳香烃。例如：萘(nai)葸(xi)菲能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分2）石油的非烃化合物2、石油的化合物组成石油中的非烃化合物主要包括含硫、含氮、含氧化合物硫在石油中可以呈元素硫(S)、硫化氢(H2S)、硫醇(RSH)、硫醚(RSR/)、二硫化物(RSSR/)、环硫醚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和硫酸等。通常将含硫量大于2％的石油称为高硫石油；低于0．5％的称为低硫石油；介于0．5—2％之间的称为含硫石油。①含硫化合物

能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分2）石油的非烃化合物2、石油的化合物组成石油中的非烃化合物主要包括含硫、含氮、含氧化合物②含氮化合物

石油中的含氮化合物包括碱性和非碱性两类。石油中的碱性氮化物多为吡啶、哇啉、异哇啉和及其同系物，非碱性氮化物主要是吡咯、卟（ji）啉、咔唑及其同系物。能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分2）石油的非烃化合物2、石油的化合物组成石油中的非烃化合物主要包括含硫、含氮、含氧化合物②含氮化合物

金属卟（ji）啉化合物的分子中包含四个吡咯环，被四个一CH＝基团相间连结而成，称为族化合物。能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分2）石油的非烃化合物2、石油的化合物组成石油中的非烃化合物主要包括含硫、含氮、含氧化合物③含氧化合物

氧在石油中均以有机化合物状态存在，可分为：酸性氧化物：如环烷酸、脂肪酸及酚，总称为石油酸；中性氧化物：如醛、酮等，含量极少。能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分2、石油的化合物组成

碳、氢、硫、氮、氧五种主要元素在石油中可以构成巨大数量的化合物。不论其数量如何多，但其化学性质都取决于这些元素构成的官能团；每一种官能团都具有特殊的化学特征，在其所连接的各种有机化合物中起着相同的作用。例如C15H3lCOOH(月桂酸)和C17H35COOH(棕榈酸)都因含有羧基(一COOH)而被命名为某种有机酸，这些羧基多以类似方式产生化学反应。能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分2、石油的化合物组成常见的官能团一览表能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分3、石油的馏分组成利用石油中各种化合物沸点不同的特点，加热蒸馏，将石油分离成不同沸点范围(即馏程)的若干部分，每一部分就是1个馏分。在实际工作中，用某个温度范围内(馏程)蒸馏出的馏分的重量或体积百分含量来表示石油的组成，称为石油的馏分组成。能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分3、石油的馏分组成石油的蒸馏过程能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分3、石油的馏分组成石油不同溜分的化合物极不相同。一般来说，低沸点的轻溜分主要是由低碳数、分子量较小的烷烃和环烷烃组成；中馏分以中分子量和较高碳数的烷烃和环烷烃为主，并含有一定数量的芳香烃和环烷芳香烃以及少量的含琉、氮、氧化合物；而重溜分则以高碳数和高分子量的环烷烃、芳香烃、环烷芳香烃和含硫、氮、氧化合物组成。能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分3、石油的馏分组成典型中性石油的馏分和化合物组成的关系

能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分4、石油的组分组成石油中不同类型的化合物，对有机溶剂和吸附剂具有选择性溶解和吸附的性能。根据这一特性，可以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1个组分通过组分分离，即可将石油分为饱和烃、芳香烃、非烃和沥青质等组分。能源地质学课件第一节石油的成分和性质一、石油的化学成分4、石油的组分组成能源地质学课件第一节石油的成分和性质二、石油的地球化学分类鉴于研究目的的不同，人们从不同角度对石油进行分类，例如：根据油源环境，将石油分为海相油和陆相油；根据有机质成熟度，将石油分为低熟油、成熟油、高熟油。从石油地质理论角度，其代表性的分类方案是Tissot和wellte(1978)提出的地球化学分类，该分类采用三角图解，以烷烃(石蜡烃)、环烷烃、芳香烃+含硫、氮、氧化合物的相对含量作三角图解的三端元，并参考了石油中的含硫量。能源地质学课件第一节石油的成分和性质二、石油的地球化学分类能源地质学课件第一节石油的成分和性质二、石油的地球化学分类能源地质学课件第一节石油的成分和性质三、石油的物理性质1）颜色

石油的颜色变化范围很大，从白色、淡黄色、黄褐色、深褐色、黑绿色至黑色。石油的颜色与胶质—沥青质含量有关，含量越高颜色越深。

华北、大港油田有的井产白色石油，大庆、胜利、玉门石油均为黑色。

白色石油的形成，可能于运移过程中，带色的胶质和沥青质被岩石吸附有关。

能源地质学课件第一节石油的成分和性质三、石油的物理性质2）比重石油的比重一般介于0.75一1.00之间。通常将比重大于0.90的石油称为重质石油，小于0.90者称轻质石油。石油的比重与颜色有一定关系，一般淡色石油的比重小，深色石油的比重大。

能源地质学课件第一节石油的成分和性质三、石油的物理性质3）粘度

粘度：液体在外力作用下，阻止其质点相对移动的能力。流体粘度愈大，就愈难流动。石油粘度的变化受温度、压力和石油的化学成分所制约。随温度升高石油粘度则降低；压力加大，粘度也随之增加；

高分子碳氢化合物含量高的石抽，粘度也较大能源地质学课件第一节石油的成分和性质三、石油的物理性质4）溶解性

石油难溶于水，因此，石油在水中的溶解度很低。但却易溶于许多有机溶剂，例如氯仿、四氯化碳、苯、石油醚、醇等。

能源地质学课件第一节石油的成分和性质三、石油的物理性质5）荧光性

石油及其大部分产品，在紫外线照射下，均可发光，称为荧光。轻质油的荧光为浅蓝色，含胶质较多的石油呈绿和黄色，含沥青质多的石油或沥青质则为褐色荧光。

能源地质学课件第一节石油的成分和性质三、石油的物理性质5）旋光性

当偏光通过石油时，偏光面会旋转一定角度，这个角度叫偏光角。凡具有能使偏光面发生旋转的特性，称为旋光性。如偏光面向右转，是右旋物质；向左转，则为左旋物质。能源地质学课件第一节石油的成分和性质三、石油的物理性质其它如：导电性、热值、凝固点、等能源地质学课件第二节天然气的成分和性质天然气：自然界一切天然生成的气体都可称为天然气它们为各种气体化合物或气态元素的混合物索可洛夫根据存在的环境将天然气分为八大类大气；表层沉积物中的气体；沉积岩中的气体；海洋中的气体；变质岩中的气体；岩浆岩中的气体；地慢排出气；宇宙气。能源地质学课件第二节天然气的成分和性质天然气：自然界一切天然生成的气体都可称为天然气它们为各种气体化合物或气态元素的混合物天然气根据产状分为

气藏气气顶气溶解气凝析气固态气体水合物等能源地质学课件第二节天然气的成分和性质在石油及天然气地质学界所讲的是狭义的天然气，

指与油田和气田有关的可燃气体，主要成分是气态烃，其中以甲烷为主；多与生物成因有关。

非烃气常为氮气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢及微量惰性气体。能源地质学课件第二节天然气的成分和性质一、天然气的化学成分1）气藏气指基本上不与石油伴生，单独聚集成纯气藏的天然气；实质是沼气，以甲烷为主。重烃气含量极少，不超过1一4％，属于干气(贫气)。能源地质学课件第二节天然气的成分和性质一、天然气的化学成分1）气藏气2）气顶气

指与石油共存于油气藏中呈游离气顶状态的天然气。重烃气含量（乙烷以上为重烃）可达百分之几至几十，仅次于甲烷，属于湿气(富气)。能源地质学课件第二节天然气的成分和性质一、天然气的化学成分3）溶解气

溶于石油或地下水中的天然气。分为油内溶解气和水内溶解气。油内溶解气主要特点是重烃气含量高，有时可达40％；水内溶解气的主要成分是甲烷和氮，重烃气和二氧化碳含量一般不超过10—12％；

能源地质学课件第二节天然气的成分和性质一、天然气的化学成分4）凝析气凝析气：当地下温度、压力超过临界条件后，液态烃逆蒸发而形成的气体。一旦采出后，由于地表压力、温度降低而逆凝结为轻质油。能源地质学课件第二节天然气的成分和性质二、天然气的物理性质天然气一般无色，可有汽油味或硫化氢味，可燃。天然气的物理性质有比重、粘度、蒸气压力（将气体液化时所需施加的压力，称为该气体的饱和蒸气压力）、溶解性（天然气溶于石油和水）、热值(每立方米天然气燃烧时所发出的热量，称为热值)。能源地质学课件第三节油田水

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。

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）外边界范围以内直接与油（气）相接触，并从底下托着油气的油层水。一、油田水的产状能源地质学课件第三节油田水一、油田水的产状根据水与油、气分布的相对位置，分为底水和边水。

边水：是指含油（气）外边界以外从侧面流动的油层水，实际是底水的外延。在油田范围内非油层水，根据它们与油层的相对位置，分别称之为是上层水、夹层水和下层水。油田水存在于储集层的孔隙—裂缝中。能源地质学课件第三节油田水二、油田水的来源和形成

一般认为，油田水的来源主要有4种：沉积水、渗入水、深成水、转化水。沉积水是指沉积物堆积过程中保存在其中的水。这种水的含盐度和化学组成与古诲(湖)水有密切关系。因此，不同环境下形成的油层水矿化度有着明显差别。渗入水指大气降雨时渗入地下空隙和渗透性岩层中的水。其矿化度低，可淡化高矿化度地下水。在靠近不整合面的油田水中，这种淡化作用特别明显。能源地质学课件第三节油田水二、油田水的来源和形成

一般认为，油田水的来源主要有4种：沉积水、渗入水、深成水、转化水。深成水又称内生水，指来源于上地幔及地壳深部、由岩浆游离出来的初生水（即原生水）和变质作用过程中产生的变质水。这是一种高温高矿化度、饱和气体的地下水，在金属矿床的形成中起重要作用。转化水是沉积成岩和烃类形成过程中，粘土转化脱出的层间水及有机质向烃类转化时分解出的水。造成这种转化的主要因素是温度和压力，并伴随着离子交换等反应。实际上，油田水可以看做是沉积水、渗入水和深成水以不同比例的混合水，经过一系列复杂的物理化学作用，并与油气相伴生的油层水。能源地质学课件第三节油田水三、油田水的化学组成

油田水的化学组成，包括无机组成、有机组成和溶解气。

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。能源地质学课件第三节油田水四、油田水的矿化度

油田水的矿化度：即水中各种离子、分子和化合物的总含量，以水加热至105℃蒸发后所剩残渣重量或离子总量来表示，单位m/L、mg/L或ppm。油田水一般具有较高的矿化度，这是由于油田水埋藏地下深处，长期处于停滞状态，缺乏循环所致。由于来源及形成过程等方面的不同，各地区油田水的矿化度差异较大。陆相油田水矿化度一般比海相低，但变化大。根据我国陆相油田水的资料，矿化度一般低于50g/L，以低于10g／L的占优势。能源地质学课件第三节油田水五、油田水的类型苏林（Sulin）分类:

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。分为硫酸钠型(Na2SO4型)、重碳酸钠型(NaHCO3型)、氯化镁型(MgCl2型)及氯化钙型(CaCl2型)4种水型。能源地质学课件第三节油田水五、油田水的类型苏林认为，裸露的地质构造中的地下水可能属于硫酸钠型，而与地表大气降水隔绝的封闭水则多属于氯化钙型，两者之间的过渡带有氯化镁型。在油田剖面上部地段以重碳酸钠型为主，随着埋深增加，过渡为氯化镁型，最后成为氯化钙型。苏林认为，油田水的水化学类型以氯化钙型为主，重碳酸钠型次之，硫酸钠型和氯化镁型较为罕见。能源地质学课件第四节油气中的

稳定同位素

同位素：指元素周期表中原子序数相同，原子量不同的元素。稳定同位素：指原子核的结构不会自发的发生改变的同位素。放射性同位素（即不稳定同位素）：指那些能自发的进行衰变，形成质子数不同的新原子的同位素。如铀变为铅。稳定同位素有两个最显著的属性：1.稳定性：即经过复杂的化学反应之后，原子核结构不发生变化。2.分馏作用：指同位素在两种同位素比值不同的物质之间进行分配。能源地质学课件第四节油气中的

稳定同位素一、稳定同位素在自然界的分布、比值符号和标准能源地质学课件第四节油气中的

稳定同位素一、稳定同位素在自然界的分布、比值符号和标准同位素比值的测量和