石油与天然气地质学

石油与天然气地质学第1页，共56页，2023年，2月20日，星期一第一节石油一、石油的化学组成二、石油的分类三、海陆相石油的区别四、石油的物理性质重点：石油的分类及海陆相石油的区别。第2页，共56页，2023年，2月20日，星期一

石油：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，又称原油。第3页，共56页，2023年，2月20日，星期一1、元素组成

元素组成：碳（C）和氢（H）为主；其次为氧（O）、氮（N）、硫（S）。

C：80%-88%；H：10%-14%；N、S、O总量在0.3~7%，一般低于2~3%，个别含硫达10%。

C和H重量比5.7~7.7，平均6.5；原子比平均为0.57。一、石油的化学组成

化学成分：是一种成分十分复杂的天然有机化合物的混合物，主要成分是烃类。元素、化合物、馏分和组分。第4页，共56页，2023年，2月20日，星期一S平均为0.65%，具双峰型，1%为交叉点；大于1%为高硫原油，小于1%为低硫原油。海相石油含硫量高于陆相石油。第5页，共56页，2023年，2月20日，星期一N在0.01~1.7%之间，平均0.094%，绝对多数原油小于0.2%；大于0.25%为富氮，小于0.25%为贫氮。

O在0.1~4.5%之间，与其氧化程度有关。此外，50多种其它元素，如钒、鎳等。2、化合物组成烃类组成占97%-99%，少量非烃。

烃类组成：烷烃、环烷烃、芳香烃等。

非烃组成：含S、N、O等杂原子化合物。第6页，共56页，2023年，2月20日，星期一

（1）烃类

①饱和烃

烷烃：CnH2n+2，占石油组分50~60%，气态烃的碳1~4个，甲烷；第一种液态烃是正戊烃，液态烃的碳原子5~16；第一种固态烃是正十七烷烃，固态烃碳原子17以上。

正构烷烃：占石油体积15~20%，轻质油达30%，重质油小于15%。一般C1~C45，个别有C60，大部分小于C35。异构烷烃：以小于C10为主，常见C6~C8。第7页，共56页，2023年，2月20日，星期一第8页，共56页，2023年，2月20日，星期一

环烷烃：CnH2n，由碳的数目决定名称，三员环、四员环和五员环等，占石油比例为20~40%。以单环和双环为主，其次为三环，四环以上较少。

第9页，共56页，2023年，2月20日，星期一②不饱和烃占原油重量的20~45%，偶见有直链烯烃。芳香烃：具有苯环，含量高的石油沸点高，不易燃。

单环芳烃：苯、甲苯等；

多环芳烃：联苯、三苯甲烷等；

稠环芳烃：萘、蒽和菲等。第10页，共56页，2023年，2月20日，星期一

环烷芳香烃：包含一个或几个缩合芳环，并与饱和环及链烷基稠合。主要的是两环构成的茚满和萘满；重要的是四环和五环芳烃，包括甾族和萜族化合物。第11页，共56页，2023年，2月20日，星期一（2）非烃

①含硫化合物硫是石油中的有害物质，产生有毒气体和酸类，硫的含量是评价石油质量的一项重要指标。100多种化合物，多呈硫醇、硫醚及硫化物等，重质油较多。

高硫石油：S>2%；

低硫石油：S<0.5%；

含硫石油：S=0.5~2%。一般含硫量较高的石油多产自碳酸盐岩系和膏盐岩系含油层。大庆：低硫；胜利：含硫；辽河：高硫。第12页，共56页，2023年，2月20日，星期一②含氮化合物含量小于0.1%，30多种，主要以含氮杂环化合物存在。碱性：吡啶、喹啉、异喹啉等；非碱性：卟啉、吲哚和咔唑等。第13页，共56页，2023年，2月20日，星期一③含氧化合物

50多种，包括有机酸、酚和酮类化合物。有机酸：C2-24的脂肪酸，C5-10的环烷酸，C10-15的类异戊二烯酸。有机酸和酚（酸性）统称石油酸，其中以环烷酸最多，占石油酸的95％；但含量变化较大，在0.03％－1.9％之间。环烷酸易与碱金属作用生成环烷酸盐，环烷酸盐又特别易溶于水。地下水中环烷酸盐的存在是找油的标志之一。

第14页，共56页，2023年，2月20日，星期一3、石油的馏分组成馏分就是利用组成石油的化合物各自具有不同沸点的特性，通过对原油加热蒸馏，将石油分割成不同沸点范围的若干部分。

温度区间（馏程）：馏分有所差异。汽油：C5－C10煤油：C11－C13柴油：C14－C17重质油：C18－C25润滑油：C26－C35第15页，共56页，2023年，2月20日，星期一4、石油的组分组成

石油组分分析：有机溶剂和吸附剂对化合物进行选择性溶解和吸附，分离出不同部分。

油质：溶于氯仿和四氯化碳。

胶质：溶于苯和酒精，能被硅胶吸附，主要是杂原子化合物。

沥青质：溶于氯仿、不溶于石油醚。第16页，共56页，2023年，2月20日，星期一第17页，共56页，2023年，2月20日，星期一二、石油的分类1、分类原则

石油化学家：侧重于各馏分含量及其化学组成和物理性质；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关系。

2、Tissot和Welte的分类

指标：烷烃（石蜡）、环烷烃、芳香烃和含硫、氮、氧化合物（胶质和沥青质）的含量。第18页，共56页，2023年，2月20日，星期一第19页，共56页，2023年，2月20日，星期一第20页，共56页，2023年，2月20日，星期一三、海陆相石油的基本区别

石油类型、含蜡量、含硫量、微量元素（钒和镍）及碳稳定同位素。第21页，共56页，2023年，2月20日，星期一第22页，共56页，2023年，2月20日，星期一四、石油的物理性质

1、颜色

淡黄色、黄褐色、棕色、深褐色、黑绿色至黑色。胶质和沥青含量越高，颜色越深。

2、相对密度和密度

（1）密度单位体积物质的质量（g/cm3）。本身的成分和体积变化相关;

温度、压力及溶解气量有关。液体石油体积，常压下随温度升高而增大。第23页，共56页，2023年，2月20日，星期一

膨胀系数：温度每增加1oF，单位体积所增加的体积数。

（2）相对密度

105Pa,20oC石油与4oC纯水的密度比值。国际上通常用API(60oF)表示。一般介于0.75~1.00之间，相对密度大于0.93为重质石油，小于0.90为轻质石油。第24页，共56页，2023年，2月20日，星期一第25页，共56页，2023年，2月20日，星期一

3、粘度反映流体流动难易程度。粘度大则流动性差，反之则流动性好。

动力粘度：即绝对粘度，u=kF△P/QL(Pa.s)；

运动粘度：动力粘度/密度，m2/s；恩氏粘度:即相对粘度，石油粘度/水的粘度。与温度、压力、组成有关。地下粘度小于地面；当粘度大于10Pa.s,则归于天然沥青类。

4、溶解性石油难溶于水，而易溶于有机溶剂，如：氯仿、四氯化碳、苯和石油醚、醇等。第26页，共56页，2023年，2月20日，星期一

若以碳数相同的分子进行比较，烷烃溶解度最小，芳香烃最大，环烷烃居中。各族烃类在水中的溶解度均随分子量增大而减小。C（碳数）影响因素：温度：降低而降低；压力：只与气态馏分相关，对其它烃类的影响甚微；含盐量：水中无机组分和含盐量增加时，烃类的溶解度会降低。第27页，共56页，2023年，2月20日，星期一5、荧光性在紫外线照射下发出荧光，是一种冷发光现象，常用于检测岩芯是否含油。饱和烃不发光，芳香烃和非烃发光。轻质油发浅兰色，含胶质多一般发绿或黄色，含沥青多一般发褐色。

6、旋光性当偏光通过石油时，偏光面会发生旋转，这个角叫旋光角，多数为右旋，一般随含油地层年代的增长而减小。第28页，共56页，2023年，2月20日，星期一第二节天然气一、天然气的概念及产状二、天然气的化学组成三、天然气的物理性质四、天然气与石油的差别重点：天然气的产状及物理性质。第29页，共56页，2023年，2月20日，星期一一、天然气的概念及产状

1、天然气的概念广义：自然界所有天然形成的气体。

狭义：指气态烃和非烃气。

2、天然气的产状类型

相态：游离气、溶解气、吸附气和固体水溶气；

分布特点：聚集型和分散型；

与石油产出关系：伴生气和非伴生气。

（1）聚集型

气藏气：不与石油伴生，单独聚集成藏，为纯天然气气藏。甲烷占气藏气体成分的95%以上。第30页，共56页，2023年，2月20日，星期一

气顶气：与石油共生，位于油气藏的顶部，重烃气含量可达百分之几或几十，仅次于甲烷，属于湿气。

凝析气：当地下温度、压力超过临界条件后，液态烃逆蒸发（可逆裂解）为气体，称为凝析气。一旦采出后，由于地表压力、温度降低而凝结为轻质油，即凝析油。第31页，共56页，2023年，2月20日，星期一

（2）分散型

油溶气：油藏内溶解的天然气。一般从几立方到上千立方都存在。

水溶气：溶解在水中的天然气；包括低压水溶气和高压地热型水溶气。天然气在水中的溶解度是石油的百倍。

与温度、压力、矿化度等有关。温度不变时，溶解度与压力成正比。较高压力：温度<80℃时，随温度升高，溶解度下降；温度>80℃时，随温度升高，溶解度上升。第32页，共56页，2023年，2月20日，星期一

煤层气：煤层中所含的吸附和游离状态的天然气。与煤的变质作用和煤层顶板透气性相关。全球煤层气地质储量为68~238*1012m3，中国为30~35*1012m3。

吸附气：通过分子吸附作用而附着在岩石颗粒表面的气体。与岩性、温度、压力、热变质程度等因素有关。

游离气：煤层孔隙或裂隙中储存的气体。

致密地层气：致密砂岩和裂缝性含气页岩中的天然气。美国日产气达1.5*1012m3。第33页，共56页，2023年，2月20日，星期一

吸附能力随地层压力增高而增大；但与变质程度正相关性不明显。1－8号代表褐煤到无烟煤。第34页，共56页，2023年，2月20日，星期一

固态气体化合物：在海洋底特定压力和温度条件下，甲烷气体分子天然地被封闭在水分子的扩大晶格中，形成固态气体化合物，成为“天然气冰”，或“天然气水合物”。前苏联在西伯利亚北极永久冻土带发现气体水合物气田--“麦索亚卡气田”。第35页，共56页，2023年，2月20日，星期一

在标准温度压力下，每立方米水合物约含标准状态甲烷60－172m3；良好的盖层。气体水合物的形成同压力、温度关系密切。当温度为0OC时，形成水合物的压力约为2.6MPa;当温度为300OC时，形成水合物的压力约为100MPa。

气水化合物中甲烷总量约20*1015m3，较常规天然气大2~3个数量级。将产生大量氮气和硫化物等，引起温室效应。第36页，共56页，2023年，2月20日，星期一300-600m深的水柱静压力足以形成水合物所需的压力；主要存在于海底沉积物下部300-1000m。第37页，共56页，2023年，2月20日，星期一二、天然气的化学成分主要为烃类，以甲烷为主，含少量C2-C5类重烃气；非烃气为次要成分，以N2、CO、CO2、H2S、H2，Ar等居多。重烃气>5%称湿气，<5%称干气。气态烃：甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等；非烃气：氢、氮、二氧化碳、硫化氢等。

高温高压下，C5-C7烷烃和部分环烷烃、芳烃及有机硫化物也可呈气态。第38页，共56页，2023年，2月20日，星期一三、天然气的物理性质

1、密度和相对密度密度：单位体积气体的质量。烃类一般为0.677~3.045g/cm3，混合物为0.7~0.75g/cm3，随重烃含量增加而增加。

相对密度：同温同压下天然气密度与空气密度比值。烃类为0.554~2.49，混合物为0.56~1.0。天然气的地下密度随温度的增加而减小，随压力的增大而加大。

2、粘度与化学组成及环境有关，在0oC时，为0.31*10-3mPa·s，在20oC时，为12*10-3mPa·s。第39页，共56页，2023年，2月20日，星期一

3、临界温度和压力

临界温度：指气相纯物质能维持液相的最高温度。

临界压力：在临界温度时，气态物质液化所需的最低压力。

逆蒸发：在地下较高温度（烃类物系的临界温度与临界凝结温度之间）的特定条件下，随着压力增加，液态烃可转化为气态。

一般随相对分子质量增加而减小，随温度和压力增加而增大。第40页，共56页，2023年，2月20日，星期一

4、溶解性天然气溶于石油和水。天然气在石油中的溶解度远远大于在水中的溶解度。

5、热值每立方米天然气燃烧时发出的热量（KJ/m3）。天然气的热值一般40000~100000KJ/m3

，石油为41840KJ/m3

，煤仅为16736KJ/m3。四、天然气与石油的区别1、成分石油复杂，天然气简单。

2、物理性质相态不同，在密度、粘度、溶解度、吸附性等方面也区别较大。第41页，共56页，2023年，2月20日，星期一第三节油田水一、油田水的概念二、油田水的产状三、油田水的来源四、油田水的化学组成五、油田水的类型六、油田水的物理性质重点：油田水的产状及化学组成。第42页，共56页，2023年，2月20日，星期一一、油田水的概念广义：油气田区域内的地下水。

狭义：油气田范围内直接与油气层连通的地下水。二、油田水的产状

状态：吸附水、毛细管水和自由水。

产状：底水、边水第43页，共56页，2023年，2月20日，星期一三、油田水的来源四、油田水的化学组成

指溶于油田水中的溶质的化学组成，包括无机组成、有机组成、溶解气等。

1、无机组成离子：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-等。来源：沉积水、渗入水、成岩水等。第44页，共56页，2023年，2月20日，星期一第45页，共56页，2023年，2月20日，星期一2、有机组成

烃类：气态烃和液态烃。

酚：邻甲酚和甲酚为主。

有机酸：环烷酸、脂肪酸和氨基酸等。

3、溶解气气体成分：O2、N2、CO2、H2S、CH4等。第46页，共56页，2023年，2月20日，星期一五、油田水的类型以离子含量及其组合关系进行划分：大陆水：Cl-<SO42-<HCO3-、Mg2+>Na+<Ca2+、Cl-

<Na+（当量），海水则相反。

Sulin分类根据Na/Cl、(Na-Cl)/SO4、(Na-Cl)/Mg分四类。第47页，共56页，2023年，2月20日，星期一六、油田水的物理性质

1、颜色和透明度颜色：淡青绿色（H2S），褐色或淡红色（Fe3+）。透明度：不透明或混浊状。

2、气味和味道气味：刺鼻的臭鸡蛋味、汽油或煤油味。味道：咸味、苦味。

3、相对密度一般大于1，随含盐度增加而增大。

4、粘度大于纯水，随盐分增加而增大。

5、导电性离子越多，导电性越强。第48页，共56页，2023年，2月20日，星期一第四节油气的碳、氢温度同位素一、同位素的概念及分馏作用二、稳定同位素在自然界的丰度、比值、标准及表示方式三、油气中的稳定碳同位素四、油气中的氢同位素重点：碳、氢同位素的应用。第49页，共56页，2023年，2月20日，星期一

稳定同位素和非稳定（放射性）同位素。

分馏作用：物质在生物、化学和物理作用下其组成元素的同位素发生变化、转移或分离。二、稳定同位素在自然界的丰度、比值、标准及表示方式

一、同位素的概念及分馏作用

同位素：具相同质子数(Z)和不同中子数(N)