石油地质学教学课件ppt版+习题 第一讲石油天然气油田水的成份和性质

基本内容提要：

主要阐明石油、天然气、油田水的化学组成和物理性质，并介绍碳、氢、氧、硫氮同位素的基本知识以及海相与陆相原油的差别及原油的分类。第一章石油、天然气、油田水的产状和性质第一章石油、天然气、油田水的产状和性质第一节石油沥青类概述

一、石油沥青类与可燃有机矿产

天然气、石油及其固态衍生物，统称为石油沥青类。它们多由古代的动物、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。

第一章石油、天然气、油田水的产状和性质二、可燃有机矿产的元素组成

组成可燃有机岩的主要元素是碳和氢，还含少量的氧、硫、氮等杂质元素。三、可燃有机矿产分类

根据物理状态，可燃有机矿产分为气态、液态和固态三类。

(1)气态可燃矿产：纯气田的气体、石油伴生的油田气、煤型气、火山气、沼气等。

(2)液态可燃矿产：以石油为代表。

(3)固态可燃矿产：地沥青、地蜡、石沥青等石油衍生物，还有各种煤、油页岩、硫磺等。第二节石油的成份和性质石油（petroleum）是什么？简单地说，石油是指赋存于地下岩石孔隙中，以碳氢化合物为主的液态可燃有机矿产。石油从地下开采出来，没有经过加工提炼之前通常称之为原油（crudeoil）.成份：主要烃类、少量非烃、微量元素相态：液态为主，溶有大量烃气，少量非烃气物性：多具芳香气味、油脂状、比水轻，颜色

有黑、褐、棕、绿、浅黄直至透明。

一、石油的元素组成由C、H及少量O、S、N等元素组成。据统计：C，84-87%；H，11-14%；O+S+N，1～4%；微量元素约万分之几。显然C、H占绝对优势，也叫碳氢化合物(hydrocarbon)主要呈烃类存在。原

油

产

地元

素

组

成CHSNO中

国

大庆(萨尔图混合油)85.7413.310.110.150.69胜利(101混合油)86.2612.200.800.41-弧岛油田84.2411.742.200.47-大港油田(混合油)85.6713.400.120.23-江汉油田(混合油)83.0012.812.090.471.63克拉玛依油田(混合油)86.1313.300.040.250.28前苏联雅雷克苏80.6110.361.05痕量8.97乌克兰84.6014.000.141.251.25老格罗兹尼86.4212.620.32-0.68卡拉-布拉克87.7712.37--0.46美国

文图拉(加利福尼亚州)84.6012.700.401.701.20科林加(加利福尼亚州)86.4011.700.60--博芒特(得克萨斯州)85.7011.000.702.61堪萨斯州84.2013.001.900.450.45(据石毓程，1980补充)

S，平均为0.65%；S＞2%，高硫原油；S＞0.5%S＜2%，含硫原油；S＜0.5%，低硫原油。

碳酸盐含油层和咸水湖沉积的石油，S一般含量较高。

N平均为0.094%；通常＞0.25%，高氮原油；＜0.25%，贫氮原油。微量(灰分)元素(石油组分中发现)有：Fe,Ca,Mg,Si,Al,V(钒)，Ni(镍)，Cu(铜)，Sb(锑)，Mn,Sr(锶)，Ba(铍)，B(硼)，Co(钴)，Zn(锌)，Mo(镅)，Pb(铅)，Sn(锡)，Na(钠),K(钾),P(磷),Li(锂)，Cl(氯),Bi(铋)，Be(铍)Ge(锗)，Ag(银)，As(砷)，Ga(镓)，Au(金)，Ti(钛)，Cr(铬)，Ca(镉)等59种元素。我国原油一般Ni高（陆），V低，V/Ni比值低。二、石油的烃类组成及特征(一)烃类化合物1.烷烃（脂肪族烃）通式CnH2n+2，属饱和烃常温常压下：C1～C4(气态)；C5～C15(液态)；＞C16(固态)分子结构特点：碳与碳原子间以单键相连，排成直链，按其是否有支链存在，进一步分正构烷烃、异构烷烃。无支链的为正构烷烃，如正戊烷；有支链的为异(构)烷烃。如异戊烷异烷烃中最有意义的是具特征结构的异戊二烯型烷烃。特点是直链上每四个碳原子有一个甲基支链。如：植烷，姥鲛烷，降姥鲛烷，异十六烷及法呢烷的含量最高，主要来源于叶绿素，加之化学稳定性，可用作油源对比。2.环烷烃，通式为CnH2n，属饱和烃结构特征是碳原子以单键联结成闭合的链环。环烷烃由围成环的多个次甲基(-CnH2n-)组成。按分子所含碳环数目分：

单环烷烃(CnH2n)双环烷烃(CnH2n-2)三环烷烃(CnH2n-4)多环烷烃（组成环的碳原子数为大于3的数，相应为三员环、四员环、五员环、六员环…）。环烷烃在石油中分布的特点：①五员环和六员环最常见(稳定)，六员环居多；②低沸点馏份中，单环占主要，随沸点增高，出现双环、三环······多环化合物。(由于碳原子所有的价已被饱和，所以环烷烃和烷烃一样，都比较稳定)（四-五环的环烷烃结构与生物体中的甾类、萜类化合物相似，为石油有机成因主要依据之一）3.芳烃及环烷芳烃通式(CnH2n-6),属不饱和烃。特点：至少含一个苯环,具有六个碳原子和六个氢原子级成的特殊碳环-苯环。（苯环是由单键与双键相所构成的闭合环）按结构分：单环芳烃：分子中含一个苯环，包括苯及同系物；多环芳烃：分子中含两个或多个独立苯环；稠环芳烃：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。(二)石油的非烃组成

（含有O、S、N等元素的化合物）1.含硫化合物

已鉴定出100多种，多数情况下，以硫化氢(H2S)，硫醇(RSH)，硫醚(RSR)，噻吩及其同系物等形态出现。2.含氮化合物已鉴定出30多种，通常:高氮原油，N＞0.25%

贫氮原油，N＜0.25%碱性氮化合物：吡啶、喹啉、异喹啉等同系物；非碱性氮化合物：吡咯、卟啉等同系物。

其中卟啉类富有成因意义，特点是含有卟啉环，卟啉是由四个吡咯环通过四个(-CH-)基团交替联结而成的十六员环。来源于植物的叶绿素、动物氮化血红素，可提供有机成因的证据。①石油中的卟啉化合物

主要为钒卟啉、镍卟啉；②海相原油富含钒卟啉；

陆相原油富含镍卟啉；③中新生代生成的原油卟啉含量较多；

古生代地层中含量甚低或不含。叶绿素（A）与原油中的卟啉（B）、植烷（Ph）、姥鲛烷(Pr)结构比较图

（G.D.Hobsoh

etc.,1981）3.含氧化合物

目前在石油中已鉴定出50多种。分属于环烷酸、酚、脂肪酸，统称石油酸。醛、酮)含量极少。几乎所有石油中都含环烷酸，但含量变化大(0.03-1.9%)。(三)生物标志化合物

指沉积物中来自生物体的原始生化组成，其碳骨架在各种地质作用过程中被保存下来的有机化合物。其特点有：①继承生物原生烃和类脂化合物的游离分子；②保留了其原始生物母体为基本碳骨架；③判明有机质来源，确定原始沉积环境。

可用于研究油源对比、油气运移。三、石油分类（研究目的不同，原则和方法采用参数不同）

常用蒂索分类：根据①烃类、胶质、沥青质相对含量；②考虑，含硫量采用三角图解，根据烷烃、环烷烃、芳烃O、S、N化合物相对含量。共分六种类型：①石蜡型；②石蜡-环烷型；③环烷型；④芳香-中间型；⑤芳香-沥青型；⑥芳香-环烷型。四、海、陆相石油基本区别海相：芳香-中间型、石腊-环烷型为主，饱和烃25-70%，芳烃占总烃25-60%，S较高，V/Ni＞1，δ13C值，一般＞-27‰，低蜡，一般为0.5-3.0%；陆相：石蜡烃为主，部分为石蜡-环烷型，饱和烃60-90%，芳烃占总烃10-20%，S较低，V/Ni＜1，δ13C值一般＜-29‰

，高蜡，一般＞5，为10-30%。五、石油的物理性质

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，其物理性质也可明显差别。1.颜色：石油的颜色不一，有淡黄、黄褐、黑绿、黑色等。石油的颜色与石油中胶质、沥青质的含量有关。一般情况下，胶质、沥青质的含量愈高，颜色愈深。2.密度和相对密度相对密度(d420)

指在一个大气压下，20℃石油与4℃纯水的单位体积密度之比。重质石油(d420)＞0.93中质石油0.90＜(d420)＜0.93轻质石油(d420)＜0.90相对密度主要决定于：①胶质-沥青质含量高、密度大、颜色深。②低碳数烃含量多，密度小。③石油中溶解气数量多，密度小。④温度高，密度小，压力大，密度增大。商业上：

API度=141.5/(15.5℃时密度)-131.5(我国、美国常用)

波美度=140/(15.5℃时密度)-130(西欧常用)3.粘度

指液体在外力作用下，阻止其质点相对移动的能力，就是该液体的粘度。粘度的单位为泊。

定义：当用1达因的切力作用于流体，使相距1厘米，面积1厘米2的两液层发生相对流动，如流动的速度为1厘米/秒，该流体的粘度为一泊。

在国际单位SI制中，单位为帕斯卡秒(Pa·S)影响石油粘度的主要因素①密度增高，粘度加大；②温度增高，粘度降低；③压力增高，粘度加大；④烷烃含量高，粘度降低；环烷烃高，粘度大；⑤烷烃、环烷烃含量多，粘度低；蜡、胶质、沥青质含量高，粘度大；⑥原油中溶解气增加，粘度降低。4.导电性

石油电阻率极高，与高矿化度的油田水及沉积岩相比，可视为无限大。在测井上，可将油、水因视电阻率而区分开。5.荧光性

石油在紫外线照射下可产生荧光的特性。芳烃和非烃引起发光，低碳数饱和烃不发萤光。

芳烃呈天蓝色，含胶质较多为绿色或黄色，含沥青较多为褐色。6.旋光性

当偏光通过石油时，偏光面会旋转一定角度(旋光角)。

凡具有能使偏振光的振动面发生旋转的特性，称旋光性。

引起石油旋光性产生原因，是在组成石油的某些化合物中，有些碳原子具不对称结构，使化合物产生具有旋光的性能。

人工合成的有机物或天然无机物，不具这种性质。7.溶解性石油能溶于多种有机溶剂，难溶于水。

碳数相同的分子比较，烷烃溶解度最小，环烷烃居中，芳烃最大；烷烃中(除甲烷)低分子气态烃溶解度较高，随分子量增大，溶解度减小。外界条件：温度增高，溶解度加大；水中无机组份含量增加时，溶解度降低；水中有皂胶粒存在时，(烃类)溶解度增大。第三节天然气的成分和性质一、天然气的概念和产状(一)概念广义的天然气，指存在于自然界的一切气体。狭义的天然气：(油、气地质研究的气体)①指与油田或气田有关的可燃气体。②成分以气态烃为主。③多与生物成因有关。(二)产状按相态:游离气,溶解气,吸付气,固态气水合物；按分布特征:聚集型，分散型；按与石油产出关系：伴生气，非伴生气；按成因：有机成因型(石油气、煤成气、菌解气)；无机成因型(岩浆脱气、火山喷气、变质脱气、围岩分解等)。1.聚集型天然气气藏气

指在圈闭中具一定工业价值的单独天然气聚集，可存在于油气田中，也可存在于与石油成因分布上无联系的气田(无机成因)内。气顶气：

指与油共存于油气藏，呈游离态存在于油气藏顶部的天然气。在分布、成因上与石油有密切关系。基本特点：重烃气含量大于5%，重烃气含量多少取决于石油的组成和密度。

溶解气油内溶解气：特点是重烃含量高，常见于饱和或过饱和油藏中。水内溶解气：主要成份有甲烷、氮、重烃气、二氧化碳等，不同成因盆地，成份含量不同。凝析气

一种特殊的气藏气。在地下较高温度、压力下，超过临界条件后，液态烃逆蒸发而气化或呈液态分布在气中，呈单一气相产出；采出后因地表温度、压力降低，逆凝结呈液态析出。2.分散型天然气油溶气：指油藏中的溶解气，任一油藏总溶有数量不等的天然气。水溶气：水溶气储量较大，但含气率低。煤层气：指煤层所含吸付和游离态的天然气，其含量因变质强度和煤顶板透气性差异很大。固态气水合物：冰点附近特殊温压条件下形成的固态结晶化合物。气体分子天然地被封闭在水分子的扩大晶格中，形成固态气水合物。二、天然气的化学元素组成

主要由气态的低分子烃(C1-C4)和非烃气体(N2、CO2、H2S)及痕量到微量惰性气体组成。据统计：C，42-78%，H，14-24%；化合物以甲烷为主，其次为重烃气(＞C2+)；含有少量的C2-C6的烷烃。

一般碳数越大，含量越少。实际勘探中，根据重烃气含量分湿气和干气。干气(贫气)：C2+＜5%，常不与油伴生，可形成纯气藏，燃烧时呈兰色火焰，通入带冰的水中，无油膜出现。湿气(富气)：

C2+

≥5%，常与油伴生，有微弱汽油味，燃烧时呈黄色火焰，通入带冰的水中，水面常出现彩色油膜。非烃气体：有CO2，N2，H2S及He、Ar等惰性气体含量不等。高者可成为以CO2，N2为主的气藏。三、天然气的物理性质(一)基本物理性质1.分子大小

分子长度和有效直径均比液态烃类、非烃杂环化合物分子要小得多。2.表观分子量

其化学组成为不确定的多组分混合气，因此，天然气的分子量称表观分子量。3.密度和相对密度

在标准状况下，单位体积天然气的质量。一般与它的分子量成正比。即密度随重烃含量尤其是高碳数的重烃含量及CO2和H2S含量的增加而增大，一般：气体越多，密度越大；湿气比干气密度大；氮气、硫化氢、二氧化碳含量高，密度大。

4.粘度常压下：一般随分子量增加，粘度减小，随温度增加，粘度加大。(温度升高，气体分子运动加速，增加分子间碰撞，粘度加大)较高压力下：随压力、分子量增加，粘度加大；随温度升高，粘度减小。

5.溶解性相同条件下气在石油中的解度大于在水中的溶解度。①天然气中重烃增多或油中轻组分增加都可增大气体在油中溶解。②降低温度或增大压力，可使气体在油中溶解度增加。6.蒸气压力气体液化时所需施加的压力。随温度升高，蒸气压力增大；同一温度条件下，碳氢化合物的分子量越小，蒸气压力越大。7.热值

单位体积天然气燃烧发出的热量,称热值。（天然气的油当量，指石油与天然气燃烧时产量的热量折算，每吨石油的发热量相当于1000m3天然气。）第四节油田水一、油田水的概念与产状油田水:指油田区域内与油气藏有密切联系的地下水，与油、气组成一个统一的流体系统。水与油、气分布相对位置分:边水,底水；水与油相对位置分：上层水，夹层水，下层水；水在储层存在状态分：气态水，吸附水，毛细管水，自由水二、来源及形成(一)四种来源①沉积水，②渗入水，③转化水，④深成水(二)形成①以沉积水、渗入水、转化水与深成水的某一种为主或它们以不同比例混合形成，经过一系列复杂的物理、化学作用与油气伴生而形成。②由于形成中和油气相互作用，油田水具有一般地下水不常见的组份-烃类及其衍生物。三、油田水的矿化度及化学组成包括：1、无机组成：(已测定60多种，常见30种)，含量较多的。Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-；2、有机组成：烃类、酚、有机酸；3、溶解气：O2、N2、CO2、CH4、He等；4、微量元素：约几十种。矿化度：水的矿化度，即水中各种离子、分子和化合物的总含量。四、油田水的类型

根据水中所含离子，把地层水分成不同类型。根据大陆水和海水化学成分特征，把天然气水中的Na+和Cl-的当量比作为水的分类基础。并据水中离子(Cl-,SO42-,HCO3-,Mg2+,Ca2+)

彼此化学亲合力的强弱顺序而组成盐类的原则，作划分依据。油田水以氯化钙型为主，重碳酸钠型为次）水的类型成因系数Na+/Cl-（Na+-Cl-）/SO42+（Cl--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<1五、油田水的物理性质1.密度因溶有数量不等的盐类，密度变化大，一般大于1,一般情况是含盐量越高，密度越大。2.粘度由于含盐，粘度比纯水高，一般是溶解盐份越多，粘度越大。3.导电性因含离子能导电，含离子越多，导电性越强。4.透明度一般不透明，呈混浊状。5.颜色常带有颜色。含H2S时呈淡青绿色，含铁质胶状体时，带淡红色，褐色或淡黄色。6.嗅味水中混有少量石油时，具汽油或煤油味，含H2S气体时，常带臭鸡蛋味，溶有NaCl时带咸味，含硫酸镁时带苦味。第五节重质油的成分和性质一、重质油的概念

包含数量较多的高分子烃和杂原子化合物，在物理性质上，具有密度大、粘度大、含胶量高、含蜡量低、凝固点低的特点。二、重质油的成分和性质(一)重质油元素组成特征

氧、硫、氮等元素含量高，重质油中硫和氮元素含量高是细菌生物降解作用的结果。(二)重质油微量元素

与常规原油相比，一般均富含微量元素，高于常规原油几倍至几十倍。(三)重质油的族组成特征

重质油烃的组成一般小于60％，非烃和沥青质含量可高达10％～30％，个别特重质油可达50％。第六节固体沥青的成分和性质

固体沥青是同石油有关的固态衍生物。多为深褐色至黑色的有机矿物，化学成分不甚稳定，也无一定晶形，彼此之间常呈过渡形式。

一般是根据化学成分、密度、硬度、粘度、熔点、溶解度、可燃性、燃烧火焰及地质状等特征来研究和鉴定固体沥青。固体沥青据成因和物、化特征，分为下列类型。第七节石油沥青类的稳定同位素

同位素指的是原子序数相同而中子数不同的那些质子(或元素周期表中具有相同原子序数而原子量不同的元素)，因为它们在周期表占有同一位置，故称同位素。

一、同位素的定义

δ值(‰)=(Rs-Rr）/Rr×1000

或δ值(‰)=(Rs/Rr-1)×1000

Rs，样品的比值

Rr，为标样的比值国际常用标准δ13C(PDB)，D/H为SMOW。元素

原子序数

同位素

丰度同位素比

比值

标准及符号表示方式

氢(H)11H2H99.9850.0152H/1H1.5×10-4

标准平均大洋水，缩写代号SMOW

δD(‰,SMOW)碳(C)612C13C98.8921.10813C/12C1.12×10-2

南卡罗来纳州白垩系皮狄组美洲拟箭石，缩写代号PDB

δ13C(‰,PDB)

氮(N)714N15N99.6350.36515N/14N3.66×10-3

大气氮δ15N(‰)氧(O)816O17O18O99.7630.0370.20018O/16O

2.0×10-3

标准平均大洋水，缩写代号SMOWδ18O(‰,SMOW)

硫(S)1632S33S34S36S95.0180.7504.2150.01734S/32S4.4×10-2

迪亚希洛狭谷铁陨石之陨硫铁（FeS），缩写代号CD

δ34S(‰,CD)

氦(He)23He4He

0.0001399.999873He/4He1.37×10-6

大气氦以下大多直接用比值，而不用δ值氖(Ne)1020Ne21Ne22Ne90.920.268.8221Ne/20Ne22Ne/20Ne2.83×10-39.7×10-2

大气氖氩(Ar)1836Ar38Ar40Ar

0.3370.06399.6040Ar/36Ar40Ar/38Ar

295.51580.95大气氩氪(Kr)36

78Kr80Kr82Kr83Kr84Kr86Kr0.3502.2711.5611.5556.9017.3778Kr/84Kr80Kr/84Kr82Kr/84Kr83Kr/84Kr

86Kr/84Kr6.22×10-33.99×10-22.032×10-12.030×10-1

5.053×10-1

大气氪氙(Xe)54

124Xe126Xe128Xe129Xe130Xe131Xe132Xe134Xe136Xe0.0950.0881.9226.444.0821.1826.8910.448.87124Xe/132Xe126Xe/132Xe128Xe/132Xe129Xe/132Xe130Xe/132Xe131xE/132Xe

134Xe/132Xe136Xe/132Xe0.00350.00330.07140.98330.15170.7877

0.38830.3299大气氙二、碳稳定同位素(一)常见的分馏作用1.同位素置换反应反应结果，使不同物质中有的δ13C富集，另一些则12C富集。海水比大气中的CO2富集13C。2.光合作用的动力效应植物光合作用时，会富集12C而使13C减少。海洋生物13C含量与HCO3中的13C含量相比会减少，δ13C值就会降低。海洋植物利用海水碳酸盐产生CO2光合作用，δ13C值增高。3.温度效应高温区相对富集13C，而低温区则贫13C。4.热力和化学反应动力效应低温条件形成的烃类12C较富集，δ13C值变