石油天然气地层水

石油天然气地层水第1页/共70页2赋存在地壳岩石空隙中天然生成的、以液态烃为主的可燃有机矿产。油气地质上：

石油：广义：自然界存在的一切气体。狭义：地壳岩石空隙中天然生成的、以烃类为主的可燃气体。天然气：第2页/共70页3“石漆水”“石蜡水”“魔鬼的汗珠”“发光的水”“岩石油”希腊字PETROS（岩石）+罗马字OLEUM（油）↓↓↓PETROLEUM（石油）第3页/共70页4（一）元素组成

1、主要元素：碳、氢、氧、硫、氮

重量百分比C：84-87%；H：10-14%；O+N+S：1-4%

碳、氢：占绝对优势，总量达95－99%，主要以烃类形式存在，是组成石油的主体。氧、硫、氮：主要以化合物形式存在；含硫、含氮、含氧的化合物大多富集于渣油或胶质、沥青质中。一、石油的化学组成

第一节石油第4页/共70页5N、O含量：

石油中含氮量一般小于0.2％，少数样品达0.5％以上。石油中氧的含量分布在0.1～4.5％，均是以结合氧的形式存在。

S含量：平均为0.65%

半咸－咸水——S高（>1%）；内陆淡水——S低（<1%）

S>2%－高硫原油；S＜0.5%－低硫原油；S＝0.5-2%－含硫原油第5页/共70页6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，它们与自然界有机物的微量元素组成十分接近，被作为石油有机成因的证据之一。其中，钒（V）和镍（Ni）两元素分布普遍并具成因意义。

钒、镍含量低且V/Ni<1——陆相成因的原油钒和镍含量较高且V/Ni>1——海相成因的原油2.微量元素第6页/共70页7一、石油的化学组成（二）石油的化合物组成

烃类烷烃饱和烃环烷烃芳烃不饱和烃非烃类含N、含S、含O化合物目前石油中已鉴定出的烃类化合物超过425种。第7页/共70页8C1-C4（甲烷–丁烷）——气态C5-C16（戊烷–十六烷）——液态（直链烷烃）≥C17——固态（1）烷烃（Paraffinalkane，石蜡烃，脂肪族烃，CnH2n+2

）1.烃类化合物

常温常压下第8页/共70页9正烷烃分布曲线第9页/共70页《不同类型的石油的正烷烃分布曲线图》第10页/共70页异构烷烃（Isoalkane，以≤C10为主）石油中的异构烷烃以≤C10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四个碳原子有一个甲基支链。常见类异戊二烯型烷烃结构示意图

第11页/共70页Pr/Ph小于1：还原环境，Pr/Ph大于1：氧化环境酸性水介质环境有利于Pr的形成，而偏碱性水介质环境有利于Ph的形成。不同沉积相原油的Pr/Ph变化情况表类异戊二烯型烷烃：以姥鲛烷和植烷为最常用的生物标志化合物第12页/共70页13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，是重要的生物标志化合物，广泛应用于烃源岩成熟度分析和油源对比中。四环甾烷和五环萜烷结构示意图

（2）环烷烃（Cycloalkane；Naphthene）第13页/共70页14主要是含硫、氮、氧化合物，主要存在于重组分中。2.非烃化合物（1）含硫化合物：硫在石油中可以呈元素硫(S)、硫化氢(H2S)、、硫醚(RSR’)、二硫化物(RSSR′)、噻吩及其同系物等形态出现。（2）含氧化合物主要有石油酸（环烷酸、酚、脂肪酸）、醛、酮等。其中环烷酸可与金属结合形成环烷酸盐，在油田水中常见，可作为找油的一种标志。

第14页/共70页15

2.非烃化合物（3）含氮化合物中的卟啉类与生物色素有亲缘关系，被作为石油有机成因重要证据。高温（>250℃）或氧化条件下，卟啉即被破坏、分解、所以一般石油中存在卟啉，说明石油形成和经受的温度都不高于250℃，所以地层越老卟啉越少。第15页/共70页16卟啉和钒卟啉的结构式

第16页/共70页17（一）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，将原油分离成不同沸点范围（即馏程）的若干部分，每一部分就是一个馏分。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。二、石油的馏分和组份组成第17页/共70页18石油的分馏

第18页/共70页石油的馏分组成：第19页/共70页典型中性石油的馏分和化合物的关系图(据Bestougeff，1967；转自陈荣书，1994)

——汽油主要由低分子量的烷烃和环烷烃组成，易挥发。常用辛烷值来表示汽油在内燃机中燃烧的抗爆性，辛烷值越大，抗爆性越好，质量也越高。而正构烷烃的抗爆性最小，环烷烃和芳香烃的抗爆性较大。第20页/共70页21（二）石油的组分组成

原油化合物的不同组分，对有机溶剂和吸附剂具有选择性溶解和吸附性能。根据这一特性，可以选用不同有机溶剂和吸附剂，将原油分成若干部分，每一部分就是一个组分。

考虑到轻馏分部分具有较强的挥发性，在储存、运输过程中常因保存条件不同，造成人为的较大误差，因此对石油中的组分进行分离之前，要先对石油进行蒸馏，去掉沸点低于210℃的轻馏分，一律取沸点大于210℃的馏分（即拔顶原油）进行组分分离。

第21页/共70页原油族组成分析流程图

→将石油分为饱和烃、芳香烃、非烃和沥青质等族组分

第22页/共70页23石油的化学成分极其复杂，没有确定的物理常数，但从整体上认识石油的物理性质，对了解石油，进行石油地质研究，以及评价石油的工业品质，都是非常必要的。石油的物理性质，取决于它的化学组成。不同地区、不同层位，甚至同一层位在不同构造部位的石油，其物理性质也可能有明显的差别。三、石油的物理性质

第23页/共70页24四川黄瓜山油田、大港板桥油田产淡黄色原油。克拉玛依原油：褐－黑色为主。大庆、玉门、胜利油田原油：黑色为主。大多数石油—黑色、黑绿色；少数淡黄色、无色、黄褐、深褐芳烃＋非烃含量高，颜色深；反之，颜色浅。1.颜色第24页/共70页252．密度、比重和相对密度

（1）石油的密度：单位体积石油的质量（ρo=Go/Vo）（2）石油的比重：单位体积石油的重量。

第25页/共70页26①d420：1atm下20℃单位体积原油与4℃单位体积纯水的重量比一般：d420

=0.75-0.98，>0.92---重质油；0.92--0.88为中质油;<0.88---轻质油——API度和波美度越大，d420越小，油质越轻。API度＝（60°F＝15.5℃）（3）石油的相对密度：第26页/共70页27石油受力发生流动时，其内部分子间有一种内摩擦力阻止分子间的相对运动——石油的粘滞性。

粘滞性大小用粘度（μ）来度量。石油粘度大，即不易流动。

粘度大小是一个很重要的物理参数，直接影响到开采原油的难易程度、原油的储存、运输以及炼制。

粘度分为动力粘度、运动粘度和相对粘度三种表示方式。

3.粘度μ：Viscosity第27页/共70页28动力粘度又称绝对粘度。在国际计量单位SI制中，单位为帕斯卡秒（Pa·s）和毫斯卡秒（mPa·s），其定义为：当压差为1Pa的切力作用于液体，使之在相距1m、面积为1m2的两液层间发生相对恒速流动，如果流动的速度恰为1m/s，则该液体的粘度为1Pa·s；1Pa·s＝1000mPa·s。第28页/共70页29济阳坳陷牛庄地区沙河街组沙三中亚段地面原油密度与粘度关系图（数据点145个）

第29页/共70页304.石油的溶解性①难溶于水a.石油中各种成分在水中溶解度由大→小顺序是：非烃→芳烃→环烷烃→烷烃b.同族组分：分子量↑溶解度↓，故气态烃易溶c.T↑或水中溶解CO2量↑，石油在水中溶解度↑。d.若水中含盐度↑，烃溶解度↓。石油在有机溶剂、水和天然气中的溶解性各有特点。

第30页/共70页31②可溶于气（烃气）地下较高T、P下，部分低分子量液态烃可溶于烃气中。③选择性溶解于有机溶剂不同化合物选择性溶解于氯仿（CHCl3）、苯、CCl4，石油醚等有机溶剂中。4.石油的溶解性：Solubleness第31页/共70页32

石油在紫外光的照射下，其中的不饱和烃及其衍生物能吸收紫外光中波长较短，能量较高的电子，随后放出波长较长而能量较低的可见光，这种低能量的可见光称作荧光。5.石油的荧光性（Fluorescenceofpetroleum）石油在紫外光的照射下，由于不饱和烃及其衍生物的存在而产生荧光的这种特性，被称作石油的荧光性。第32页/共70页33石油的荧光性取决于它的化合物组成：多环芳烃、油质发天蓝色荧光;轻质油发浅蓝色荧光胶质多的石油发绿-黄色荧光;沥青质多的石油发褐色荧光。石油中的饱和烃不发光。第33页/共70页

6.石油的旋光性当偏振光通过石油时，石油能使其振动面旋转一个角度，石油的这种特性称旋光性。

偏振光振动面的旋转角度称旋光角。石油的旋光角一般几分之一度-几度，且多数右旋，顺时针方向旋转。源于生物体的某些有机化合物分子结构不对称，具有手征性（即：含有手征性碳原子）。第34页/共70页35由于温度下降，由液态石油开始凝固为固态时的温度称为凝固点。石油的凝固点变化范围很大，从-50℃～30℃。如大庆原油为25℃左右。石油凝固点的高低与石油中重质组分的含量有关，特别与石蜡的含量有关，石蜡含量多，凝固点高；相反石油中轻质组分含量高，凝固点低。采油过程中常见的结蜡现象就是原油的凝固现象。7.石油的凝固点第35页/共70页高蜡原油的奇绝造型（新疆.阿尔钦沟）黑油山低凝原油（－70℃不凝固，冰雪隆冬，仍向外渗溢）

第36页/共70页37石油导电性极差，具高电阻率。石油电阻率为109－1016Ω·m；矿化油田水的电阻率为0.02-0.1Ω·m；沉积岩电阻率1－104Ω·m。所以，石油电阻率可视为无限大，非导体。利用这一特性在视电阻率测井曲线上可确定油，水层。8.石油的导电性第37页/共70页38天然气：广义：指存在于自然界的一切天然生成的气体。包括不同成分组成、不同成因、不同产出状态的气体。狭义：指存在于地壳岩石空隙（孔、洞、缝）天然生成的以烃为主的可燃气体。多数有机成因，也有无机成因。第二节天然气第38页/共70页39CH4>95%，C2＋＜5%，贫气（干气）；CH4＜95%，C2＋＞5%，富气（湿气）烃气：

C1－4为主，CH4最多。可溶有少量C5、C6等非烃气:N2、CO2、CO、H2S、H2、惰性气体:氦、氩、氖一、天然气的化学成分第39页/共70页40二、天然气的产出类型根据气体在地下存在的状态分：聚集型：气藏气、气顶气、凝析气分散型：溶解气、煤层气、天然气水合物1、气藏气：

纯气藏中的气体。可为烃气（干气），甲烷占95%以上，属干气;也可为非烃气。第40页/共70页41世界气藏气分布图出现频率：1->50%，2-10%—50%，3-1%—10%，4-0.1%—1%，5-<0.1%绝大多数气藏气是以气态烃为主，含烃量超过80%的气藏约占气藏总数的85%以上；氮气为主的气藏不到10%；以二氧化碳或硫化氢等酸性气体为主的气藏低于1%。

第41页/共70页42

与石油共存于油气藏中、呈游离气顶产出的天然气。成因、分布均与石油关系密切，湿气，2、气顶气：第42页/共70页433、凝析气：当地下温度、压力超过临界条件后，部分液态烃逆蒸发而形成的气体，称为凝析气。采至地面过程中，随着温度、压力下降，这部分气可凝结析离成轻质油，称凝析油（Condensates）。凝析油占到一定比例（例我国：>30g/m3）的气藏，叫凝析气藏，如我国黄骅坳陷板桥油田的凝析气藏。第43页/共70页44

4.溶解气：溶解在石油或地层水中的天然气油溶气（湿气，C2＋可达40%）；水溶气（CH4、N2、C2＋气、CO2少）第44页/共70页45第45页/共70页46三、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。由于化学组成变化大，致使物理性质也变化甚大。在地下较高温度压力下，C4～C7烷烃及部分环烷烃、芳烃及有机硫化物，亦可呈气态存在。第46页/共70页471．密度和相对密度

（1）天然气的密度：单位体积气体的质量

ρg=Mg/Vg“湿气”的密度大于“干气”。第47页/共70页48在标准状态下（105Pa，15.55℃），地表天然气的各组分密度为0.6773kg/m3（甲烷）～3.0454kg/m3（戊烷）。天然气混合物的密度一般为0.7～0.75kg/m3;石油伴生气，可达1.5kg/m3。天然气的密度随重烃含量尤其是高碳数的重烃含量以及CO2和H2S含量的增加而增大。第48页/共70页491．密度和相对密度

（2）天然气的相对密度：指相同温度、压力下（如1×105Pa，15.5℃；或1×105Pa，20℃），天然气密度与空气密度的比值。γg=ρg/ρa=Mg/ρa=Mg/28.97

天然气中烃类各组分的相对密度为0.5539（甲烷）～2.4911（戊烷），烃气混合物一般在0.56～1.0之间，随重烃及CO2、H2S含量的增加，天然气相对密度增大。

第49页/共70页502.天然气粘度——反映了其分子间产生内摩擦力的大小，是度量天然气抵抗流动能力的一种参数。——很小，一般在0℃时为0.0031mPa·s，20℃时为0.120mPa·s其大小与压力、温度和气体成分等有关：接近常压条件下，随温度增加而变大，随分子量增加而减小；较高压力下，随压力增高而增大，随温度升高而降低，随分子量增加而增大。随非烃气含量增加，天然气粘度增大。第50页/共70页51某一温度下，将气体液化时所需施加的最低压力，称为该气体的饱和蒸气压力。——随温度升高，蒸气压力增大。——同一温度条件下，烃分子量越小，其蒸气压力越大。

3．蒸气压力第51页/共70页524.溶解性---溶于石油和水A、在相同条件下，天然气在石油中的溶解度远远大于在水中的溶解度。B、当天然气中重烃增多，或者石油中的轻馏分较多，都可增加天然气在石油中的溶解度。C、在石油中溶有天然气时，可以降低石油的相对密度、粘度及表面张力。D、天然气在水中的溶解系数很大程度上取决于气体组分、温度、压力及含盐量。第52页/共70页53在地层条件下，原油中溶解气开始析离出来时的压力，称油藏的饱和压力（P饱）。若P饱与P地相等，即油内溶解气刚好饱和，压力稍降，就会有气体析出，此时的油藏称为饱和油藏；P饱大于P地：过饱和油藏，此时通常为带气顶的油气藏；P饱小于P地：未饱和油藏，此时原油中溶解气还未饱和。——饱和及过饱和油藏比未饱和油气藏含更多的溶解气。油溶气第53页/共70页54广义上：指油气田区域内的地层水。（油层水、非油层水）狭义上：指油气田区域内的油层水。★油层水：带色、混浊、比重>1，有H2S味或者汽油味，导电。含MgSO4时有苦味。第三节油田水第54页/共70页55沉积水：沉积物堆积过程中保存于其中的水，其含盐度和化学成分受控于原环境。渗入水：大气降雨渗入岩层中的水。矿化度低、质淡、可淡化地下高矿化度水。深成水：来源于地壳深部及上地幔的高矿化度高温水转化水：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。一、油田水的来源第55页/共70页56油田水矿化度比地表水高，且随埋深↑而↑。河湖水：几百ppm

海水：35000ppm

油田水：可达几十万ppm陆相比海相低，但变化大。二、油田水矿化度

—单位体积水中所含溶解状态的固体物质总量。

即单位体积水中各种离子、元素及化合物总含量。用g/l、mg/l、ppm（百万分之一）表示。第56页/共70页57三、油田水的化学组成

1.无机盐类：阳离子：Na＋(K＋)、Ca2＋、Mg2＋

阴离子：Cl-、SO42-、HCO3-（含CO32－）

2.有机组分：主要有环烷酸、酚、苯等。3.溶解气：CO2、CO、N2、CH4、C2＋4.微量元素：Sr、Ba、Fe、Al等。第57页/共70页58原苏联某些凝析气田的产层和非产层水中的苯、酚含量对比苯酚——产层的苯、酚含量比非产层高第58页/共70页59

天然水：大陆淡水、海水、地下水……

----溶解物质：盐分、气体、有机物质、微量元素……其无机盐中最多、最主要、常规水分析中常分析的几种离子：

Na+（包括K+）、Ca2+、Mg2+Cl—、SO42—、HCO3—（包括CO32—）

----水中所含上述阴、阳离子的各种比值，是对地层水进行分类的基础。四、油田水的类型第59页/共70页60根据水中主要离子(Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、Mg2+、Ca2+)彼此化学亲和力的强弱顺序而组成盐类的原则，作为划分“型”的依据。通过对rNa/rCl、（rNa-rCl）/rSO4和（rCl-rNa）/rMg三个系数的计算，将天然水划分为以下类型：（r毫克当量浓度，rNa/rCl当量之比）苏林分类：第60页/共70页61水中主要离子是依据彼此化学亲和力强弱顺序而形成盐类的。按化学亲和力的大小，各离子之间的化合顺序如图所示。如果rNa＞rCl，则多余的Na+就会与SO4—或HCO3—化合，则可能出现Na2SO4水型或NaHCO3水型；如果rNa＜rCl，则多余的Cl—就会与Mg2+或Ca2+化合，则可能形成MgCl2水型或CaCl2水型。故结合Mg2+和SO42—，利用离子比（Na-Cl）/SO4和（Cl-Na）/Mg即可进行水型的划分，第61页/共70页62水型成因系数（毫克当量%）环境Na/Cl（Na-Cl）/SO4（Cl-Na）/MgCaCl2型＜1＜0＞1深成水油田水MgCl2型＜1＜0＜1海水盐湖水NaHCO3型＞1＞1＜0油田水（高矿化度）地表淡水（低矿化度）Na2SO4型＞1＜1＜0地表淡水苏林的天然水成因分类表★

第62页/共70页63垂直水化学剖面分带埋深增大、地下水矿化度增大、水型渐变。在含油气区随埋深增加，油田垂直剖面上自上而下依次出现Na2SO4型或MgCl2型、NaHCO3型、CaCl2型。第63页/共70页64质子中子电子《在碳稳定同位素中质子、中子和电子构型示意图》6个质子，7个中子6个质子，6个中子第四节油气中的碳氢同位素第64页/共70页65‰标准：美国南卡罗莱纳州白垩系箭石的碳同位素，简称PDB标准，其中C13/C