油气藏中的流体

关于油气藏中的流体第1页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三第一节石油第二节天然气

第三节油田水第一章油气藏中的流体第2页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三第一节石油一、石油的概念及组成二、石油的分类三、石油的物理性质四、海、陆相石油的基本区别第一章油气藏中的流体第3页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（一）石油的概念

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。地下油气藏中的石油是气态、液态及固态烃类及其衍生物的混合物，在成分上以烃类为主，含有数量不等的非烃化合物及多种微量元素。在相态上以液态为主，溶有大量烃气及少量非烃气以和数量不等的固态烃类及非烃类物质。油气藏中组成石油的各种成分和相态的比例因地而异，因此，石油没有确定的化学成分和物理常数一、石油的概念及组成第4页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（二）石油的元素组成

石油没有确定的化学成分，因而也就没有确定的元素组成。但其元素组成还是有一定的变化范围。石油主要由碳(C）、氢（H）、硫（S）、氮（N）、氧（O）等元素组成，不同产地的石油元素组成含量存在差异

。一、石油的概念及组成第5页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三石油的元素组成（重量百分比）

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)第6页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

原油中含硫量变化很大，从万分之几（克拉玛依，0.05%）到百分之几（委内瑞拉，5.48%）。根据含硫量可把原油分为高硫原油（含硫量大于1%）和低硫原油（含硫量小于1%）。原油中的硫主要来自有机物的蛋白质和围岩的含硫酸盐矿物如石膏等，故产于海相环境的石油较形成于陆相环境的石油含硫量高。

原油中含氮量在0.1-1.7%之间，平均值0.094%。90%以上的原油含氮量小于0.2%。原油的含氧量在0.1-4.5%之间，主要与其氧化变质程度有关。第7页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

除上述5种主要元素之外，还从原油灰分（石油燃烧后的残渣）中发现有铁(Fe)、钙(Ca)、镁(Mg)、硅(Si)、铝(Al)、钒（V）、镍（Ni）、铜（Cu）、锑（Sb）、锰（Mn）、锶（Sr）、钡（Ba）、硼（B）、钴（Co）、锌（Zn）、钼（Mo）、铅（Pb）、锡（Sn）、钠（Na）、钾（K）、磷（P）、锂（Li）、氯（Cl）、铋（Bi）、铍（Be）、锗（Ge）、银（Ag）、砷（As）、镓（Ga）、金（Au）、钛（Ti）铬（Cr）、镉（Cd）等30多种元素。这些元素虽然种类繁多，但总量仅占石油重量的万分之几，在石油中属微量元素，亦或称之为灰分元素。第8页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

在石油微量元素中，以钒(V)、镍(Ni)两种元素含量高、分布普遍，且鉴于其与石油成因有关联，最为石油地质学家所重视。

V/Ni比值可做为区分是来自海相环境还是陆相环境沉积物的标志之一。

一般V/Ni>1被认为是海相环境。

V/Ni<1为陆相环境。第9页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（三）石油的化合物组成

组成石油的主要元素是C、H、S、N、O，但由这5种元素构成的化合物却是庞大的。笼统地说，组成石油的化合物多是有机化合物，作为杂质混入的无机化合物不多，含量甚微，可以忽略不计。石油的化合物组成，归纳起来可以分为烃和非烃两大类，其中烃类是主要的，这与元素组成以C、H占绝对优势相一致。一、石油的概念及组成第10页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三饱和烃或烷烃或石蜡烃（链烷烃及环烷烃）不饱和烃--烯烃、芳香烃和环烷-芳香烃烃类化合物第11页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三1.烃类化合物

（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%。可细分为正构烷烃、异构烷烃(同分异构体—具有相同成分但具不同分子结构从而具不同特性的物体）和环烷烃。直链的正构烷烃平均占石油的15-20%（体积），轻质原油可达30%以上，而重质原油可小于15%。石油中已鉴定出的正烷烃自C1-C45，但石油大部分正烷烃碳数≤C35。

在常温常压下

，正烷烃C1-C4为气态，C5-C15为液态，C16以上为固态（天然石蜡）。第12页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

石油中带支链（侧链）的异构烷烃以≤C10为主，常见于C6-C8中；C11-C25较少，且以异戊二烯型烷烃最重要。石油中的异戊二烯型烷烃，一般被认为是叶绿素的侧链-植醇演化而来，因而是石油生物成因的标志化合物。这种异构烷烃的特点是每四个碳原子带有一个甲基支链。现已从石油中分离出多种异戊二烯型化合物，其总量达石油的0.5%。其中研究和应用较多的是2,6,10,14-四甲基十五烷（姥鲛烷）和2,6,10,14-四甲基十六烷（植烷）。研究表明，同一来源的石油，各种异戊二烯型化合物极为相似。因而常用之作为油源对比的标志。异戊二烯烃同系列立体化学结构图第13页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

环烷烃在石油中所占的比例为20-40%，平均30%左右。低分子（＜C10）的环烷烃，尤以环戊烷（C5-五员环）和环己烷（C6-六员环）及其衍生物是石油的重要组成部分，且一般环巳烷多于环戊烷。中等到大分子量（C10-35）的环烷烃可以是单环到六环。石油中环烷烃以单环和双环为主，占石油中环烷烃的50-55%，三环约占20%，四环以上占25%左右。在石油中多环环烷烃的含量随成熟度增加而减少，故高成熟原油中1-2环的环烷烃显著增多。在常温常压下，环丙烷（C3H6）和甲基环丙烷（C4H8）为气态，除此之外所有其它单环环烷烃均为液态，两环以上（＞C11）的环烷烃为固态。第14页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

（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%。石油中已鉴定出的芳香烃，根据其结构不同可以分为单环、多环和稠环三类。单环芳烃包括苯、甲苯、二甲苯等。多环芳烃有联苯、三苯甲烷等。稠环芳烃包括萘（二环稠合），蒽和菲（三环稠合）以及苯并蒽和屈（四环稠合）。第15页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

芳香烃在石油中以苯、萘、菲三种化合物含量最多，其主要分子也常常是以烷基的衍生物出现。如前者通常出现的主要是甲苯，而不是苯。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在一起。石油中最丰富的环烷-芳香烃是两环（一个芳环和一个饱和环）构成的茚满和萘满以及它们的甲基衍生物。而最重要的是四环和五环的环烷-芳烃，其含量及分布特征常用于石油的成因研究和油源对比。因为它们大多与甾族和萜族化合物有关，而甾族和萜族化合物是典型是生物成因标志化合物。第16页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三2.非烃化合物

石油中的非烃化合物是指除C、H两种主要元素外，还含有硫或氮或氧，亦或金属原子（主要是钒和镍）的一大类化合物。石油中这些元素的含量不多，但含这些元素的化合物却不少，有时可达石油重量的30%。其中又主要是含硫、氮、氧的化合物。第17页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（1）含硫化合物

硫是碳和氢之后的第三个重要元素，含硫的化合物也最为多见。目前石油中已鉴定出的含硫化合物将近100种，多呈硫醇、硫醚、硫化物（H2S）和噻吩（含硫的杂环化合物的形式存在，在重质石油中含量较为丰富。第18页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（2）含氮化合物石油中含氮化合物较为少见，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，主要是以含氮杂环化合物形式存在。其中以含钒和镍的金属卟啉化合物最为重要。原油中的卟啉类型与沉积环境有密切关系，海相石油富含钒卟啉，而陆相石油富含镍卟啉。第19页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三叶绿素（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）第20页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（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。其中主要是与酸官能团－COOH有关的有机酸，有C1-24的脂肪酸，C5-10的环烷酸，C10-15的类异戊二烯酸。石油中的有机酸和酚（酸性）统称石油酸，其中以环烷酸最多，占石油酸的95%，主要是五员酸和六员酸。几乎所有石油中都含有环烷酸，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。因此地下水中环烷酸盐的存在是找油的标志之一。第21页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（四）石油的馏分组成石油是数以百计的若干种烃类和非烃有机化合物的混合物，每种化合物都有自己的沸点和凝点。石油的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，每一部分就是一个馏分。分割所用的温度区间（馏程）不同，馏出物（馏分）有所差异（表）。一、石油的概念及组成第22页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三石油产品的大致镏程范围

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(醚)汽油煤油柴油重瓦斯油润滑油渣油温度(℃)＜35（＜40）35-190（40-180）190-260（180-230）260-320（230-405）320-360360-530（405-515）＞530（＞515）

通常石油的炼制过程可以看作就是对石油的分馏。现代炼油工业为了提高石油中轻馏分的产量和提高产品质量，除了采用直馏法外，还采用催化热裂化、加氢裂化、热裂解、石油的铂重整等一系列技术措施。例如在常压下分馏出的汽油只占原油的15-20%，在采用催化热裂化后，可使汽油的产量提高到50-80%，以满足各方面以汽油作能源燃料的需求。第23页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（五）石油的组分组成石油组分分析是过去在石油研究中曾广泛使用的一种方法。它是利用有机溶剂和吸附剂对组成石油的化合物具有选择性溶解和吸附的性能，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。一、石油的概念及组成第24页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

一般在作组分分析之前，先对原油进行分馏，去掉低于210℃的轻馏分，切取＞210℃的馏分进行组分分析。凡能溶于氯仿和四氯化碳的组分称为油质，它们是石油中极性最弱的部分，其成分主要是饱和烃和一部分低分子芳烃。

溶于苯的组分称为苯胶质，其成分主要是芳烃和一些具有芳环结构的含杂元素的化合物（主要为含S、N、O的多环芳烃）。用酒精和苯的混合液（或其它极性更强的如甲醇、丙酮等）作溶剂，可以得到酒精-苯胶质（或其它相应组分），此类胶质的成分主要是含杂元素的非烃化合物。用石油醚分离，溶于石油醚的部分是油质和胶质。剩下不溶于石油醚的组分（但可溶于苯、二硫化碳和三氯甲烷等中性有机溶剂，呈胶体溶液，可被硅胶吸附）为沥青质；后者是渣油的主要组分，其主要成分是结构复杂的大分子非烃化合物。第25页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三第一节石油一、石油的概念及组成二、石油的分类三、石油的物理性质四、海、陆相石油的基本区别第一章油气藏中的流体第26页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三二、石油的分类石油的分类常因目的（用途）不同而采用的参数各异。目前石油地质学上较为流行的是蒂索和威尔特（1978）提出的分类。下面对该分类作一简单介绍。该分类主要是依据原油中各烃类的含量比例关系，以烷（石蜡）烃、环烷烃、芳烃+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。注意该方案中所用参数是原油中沸点＞210℃馏分的分析数据。

该方案是考虑到饱和烃含量对于石油性质有重大影响，且饱和烃分布上在50%处为两个众数的最小值，可以明显地将芳香型原油与石蜡型-环烷型原油分开（图）。第27页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

在636个正常的和重质降解石油样品中饱和烃的分布（据Ｂ.Ｐ.Tissot等，1978）

表示六种石油类型的三角图解（据Ｂ.Ｐ.Tissot等，1978）第28页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三在＞210℃石油馏分中的浓度石油类型石油中硫的含量（近似值）每一类样品的数目S＞50%AA＜50%P＞N且P＞40%石蜡型石油＜1%100P≤40%且N≤40%石蜡-环烷型石油217N＞P且N≥40%环烷型石油21S≤50%AA≥50%P＞10%芳香-中间型石油＞1%126P≤10%N≤25%芳香-沥青型石油41石油的分类表（据Ｂ.Ｐ.Tissot等，1978）

S=饱和烃AA=芳香烃+胶质+沥青质P=石蜡烃N=环烷烃

样品总数=541第29页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三第一节石油一、石油的概念及组成二、石油的分类三、石油的物理性质四、海、陆相石油的基本区别第一章油气藏中的流体第30页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三三、石油的物理性质热值导电性旋光性萤光性蒸发与挥发凝固和液化溶解性粘度比重和密度颜色第31页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（一）、颜色

在透射光下石油的颜色可以呈淡黄、褐黄、深褐、淡红、棕色、黑绿色及黑色等色。原油颜色的深浅主要取决于胶质、沥青质的含量。其含量愈高，则颜色愈深。

第32页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（二）、比重和密度

液态石油的比重，在我国和前苏联是指在101325Pa下，20℃（或15.5℃）石油与4℃纯水单位体积的重量比。欧、美各国则是用101325Pa下，60℉（15.55℃）石油与4℃纯水单位体积的重量比，通常称之为API度。在国际石油贸易中常以API度为单位。

石油比重一般介于0.75-0.98之间。通常把比重大于0.9的称为重质石油，小于0.9的称为轻质石油。Intheworld，原油大多为轻质石油；重质石油居次要地位。比重最大的可达1.0以上，这种石油用一般方法难于开采。第33页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

密度是单位体积物质的质量。密度单位形式上与比重差别不大，一般用g/ml或g/cm3。密度与物质本身的成分和体积变化相关。液体石油的体积，在常压下随温度升高而增大。

地下石油的密度不仅与温度压力有关，还与溶解气量有关，且后者才是影响石油密度的本质因素。溶解气量增加则密度降低。地表和地下温、压条件不同，不仅影响石油体积，更主要的是由于溶解气量的差异，导致石油物质组成的差异，实质上是改变了石油的质量。地下石油含有较多的溶解气，是地下石油密度较地表石油密度低的根本原因。第34页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三不同比重石油的膨胀系数

比重API度平均膨胀系数（体积/单位体积1oF）0.67780.0080.67-0.7278-650.0070.72-0.7764-510.0060.78-0.8550-350.0050.85-0.9734-150.0040.97-1.07814-0第35页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

在有气顶气条件下石油体积随压力增大而变化的情况（转引自A.I.Levorsen,1954）第36页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（三）、

粘度

粘度是反映流体流动难易程度的一个物理参数。粘度值实质上是反映流体流动时分子之间相对运动所引起内摩擦力的大小。粘度大则流动性差，反之则流动性好。石油粘度是制定石油开发方案、油井动态分析及石油储运都必须考虑的重要参数。粘度分为动力粘度、运动粘度和相对粘度。石油地质学上通常所用的粘度多指动力粘度。石油粘度大小主要取决于其化学组成，小分子的烷烃、环烷烃含量高，粘度就低；而石蜡、胶质、沥青质含量高，粘度就高。石油粘度随温度升高、溶解气量增加而降低。因此，地下石油的粘度常低于地表。在地下1,500-1,700m处，石油的粘度通常仅为地表的一半。

第37页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（四）、溶解性

石油能溶于多种有机溶剂。如氯仿、四氯化碳、苯、醚等。石油是多种有机化合物的混合物，实际上各种化合物都可以看作是有机溶剂，换言之，各成分之间具有互溶性。其中轻质组分对重质组分的溶解作用可能更明显些，也更容易理解。有可能这种溶解作用正是重质组分得以实现运移的有效途径。石油在水中的溶解度一般很低，通常随分子量的增加很快变小，但随不同烃类化学性质的差异而有很大的差别。其中芳烃的溶解度最大，可达数百到上千PPm；环烷烃次之，一般为14-150PPm；烷烃最低，仅几个到几十个PPm。在碳数相同时，一般芳香烃的溶解度大于链烷。如巳烷、环巳烷和苯分别为9.5、60和1,750mg/l，差别是非常明显的。苯和甲苯是溶解度最大的液态烃。当压力不变时，烃在水中的溶解度随温度升高而变大。芳香烃更明显。但随含盐度和压力的增大而变小（McAULIFFE，1979）。当水中饱和CO2和烃气时，石油的溶解度将明显增加。第38页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（五）、凝固和液化

石油的凝固和液化温度没有固定的数值。在凝固和液化之间可以出现中间状态。富含沥青的石油在温度降低时无明显凝固现象。石油的凝固点与粘度和重质石蜡的含量有关，尤其与后者关系密切。富石蜡的石油在温度下降到结蜡点时，即伴随石蜡晶出而出现凝固现象；高粘度原油一般富含石蜡，10℃左右便会变成粘糊状或固体状；石油凝固点的高低与含蜡量及烷烃碳原子数具有正相关性。凝固点高的原油容易使井底及油管结蜡，给采油增加困难。轻质石油凝固点很低，所以一般低凝固点的石油为优质石油。

第39页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（六）、蒸发与挥发

蒸发和挥发都是指在常温常压下液体表面汽化的现象。二者可视为同义词。蒸发侧重于汽化现象本身，而挥发则是侧重于表述这种现象的动态过程和结果。石油蒸发时轻组分优先逸出；而通常石油的挥发性即指其轻组分以气体形式离开石油散发掉的现象和事实；其结果同是使石油的比重增大。第40页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

（七）、萤光性

石油在紫外光照射下可产生发萤光的特性称为萤光性。石油中只有不饱和烃及其衍生物具有萤光性。这是因为它们能吸收紫外光中波长较短、能量较高的光子，随后放出波长较长而能量较低的光子，产生萤光。饱和烃不发萤光。萤光性可能与存在双键有关。萤光色随不饱和烃及含双键的非烃浓度和分子量增加而加深。芳烃呈天蓝色，胶质为黄色，沥青质为褐色。利用石油具有萤光性，可以用紫外灯鉴定岩石中微量石油和沥青类物质的存在。在有机溶剂中只要含有10-5沥青类物质即可被发现。第41页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（八）、

旋光性

大多数石油都具有旋光性，即石油能使偏振光的振动面旋转一定角度的性能。石油的旋光角一般是几分之一度到几度之间。绝大多数石油的旋光角是使偏振面向右旋移而成，仅有少数为左旋。石油的旋光性主要与组成石油的化合物结构上存在不对称碳原子（又称手征碳原子或手征中心）有关。而通常存在手征碳原子的甾、萜类化合物是典型的生物成因标志化合物。因此旋光性可以作为石油有机成因的重要证据之一。第42页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（九）、导电性

石油及其产品具有极高的电阻率，石油的电阻率为109-1016Ω·m，与高矿化度的油田水（电阻率为0.02-0.1Ω·m）和沉积岩（1-104Ω·m）相比，可视为无限大。石油及其产品都是非导体。第43页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（十）、热值

石油作为重要的能源，其主要经济价值就在于它的热能。石油的热值因石油的品质差别而有所差异，比重在0.7-0.8kg/l的原油为44.5-47MJ/kg；比重为0.8-0.9kg/l的原油为43-44.5MJ/kg；比重为0.9-0.95kg/l的原油为42-43MJ/kg。与煤比较（煤的热值为22-32MJ/kg），大约1.5吨煤的热值才相当于1吨石油。第44页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三第一节石油一、石油的概念及组成二、石油的分类三、石油的物理性质四、海、陆相石油的基本区别第一章油气藏中的流体第45页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三四、海、陆相石油的区别

海陆相石油的特征有着明显的区别，主要有如下几个方面：

石油类型含蜡量含硫量钒、镍含量与比值碳稳定同位素的分布第46页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（一）、石油类型

海相石油以芳香-中间型和石蜡-环烷型为主，饱和烃占石油的25-70%，芳烃占总烃的25-60%。

陆相石油以石蜡型为主，部分为石蜡-环烷型,饱和烃占石油的60-90%，芳烃占总烃的10-20%。

第47页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（二）、含蜡量

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。根据我国陆相石油的分析资料，含蜡量普遍大于5%，一般为10-30%，个别可达40%以上，而海相石油含蜡量均小于5%，一般仅0.5-3。

第48页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（三）、含硫量

海相石油一般为高硫石油，而陆相石油一般为低硫石油。含硫量主要与蒸发盐或碳酸盐母岩的沉积环境（主要是盐度）有关。第49页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（四）、微量元素钒、镍的含量和比值

石油中钒、镍的含量和比值也是海陆相石油的区别之一。海相石油中钒、镍含量高，且V/Ni＞1；而陆相石油中钒、镍含量较低，且V/Ni＜1。此外，钒、镍主要存在于卟啉类化合物中，海相石油富含钒卟啉，而陆相石油富含镍卟啉。第50页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（五）、碳稳定同位素分布

海陆相石油的碳稳定同位素组成也有明显差别。据廖永胜（1982）统计，第三系海相石油的δ13C值一般大于-27‰，而陆相石油的δ13C值一般小于-29‰。不同时代海、陆相石油的δ13C值可有一定幅度的变化，但两者的差别仍是基本的。第51页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三第一节石油第二节天然气

第三节油田水第一章油气藏中的流体第52页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三第二节天然气一、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、天然气与石油的区别第一章油气藏中的流体第53页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（一）天然气的概念

所谓天然气，广义上理解，是指自然界天然存在的一切气体。根据其存在的环境，索柯洛夫（В.А.СΟКΟЛΟВ，1971）将天然气分为八类，即大气、地表沉积物中气、沉积岩中气、海洋中溶解气、变质岩中气、岩浆岩中气、地幔排出气及宇宙气。实际上，目前研究较为充分的是以沉积岩为主体的地壳上部岩石圈中的天然气，特别是以烃类为主的气藏和油气藏中的天然气（偶然发现的非烃气藏仅作为附带）。因此，在石油及天然气地质学中研究的主要对象是地壳上部岩石圈中以烃类为主的天然气（狭义）。一、天然气的概念及产状第54页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（二）天然气的产状类型

地壳中的天然气，依其存在的相态可以分为游离气、溶解气（溶于油和水中）、吸附气和固体水溶气；依其分布特点可以分为聚集型和分散型；依其与石油产出的关系可以分为伴生气和非伴生气。一、天然气的概念及产状第55页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三天然气的类型存在的相态分布特点与石油产出的关系游离气溶解气吸附气固体水溶气聚集型分散型伴生气非伴生气游离气气藏气气顶气凝析气油溶气水溶气煤层气致密地层气

气水合物第56页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三第二节天然气一、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、天然气与石油的区别第一章油气藏中的流体第57页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

气（油）藏中天然气的主要成分是烃类。通常以甲烷占优势，并有数量不等的重烃气（C2+）。在某些石油伴生气（气顶气和油溶气）中，重烃气含量可以超过甲烷。非烃气在绝大多数气藏气中为次要成分，常见的非烃气有N2、CO2、H2S、CO、SO2、H2、Hg等，以及痕量到微量的惰性气体如氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）、氡（Rn）等。在某些气藏中非烃气体也可以成为主要成分，如N2气藏、CO2气藏、H2S气藏等。二、天然气的化学组成第58页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

据雅库琴尼（В.П.ЯКУЧеНИ，1976）对世界上不同时代，不同构造单元的2,000个气藏、15,000个分析数据的统计结果表明，世界上绝大多数气藏的成分是以烃气为主。烃含量高于80%的气藏数占总数的85%以上，90%以上的天然气储量集中于烃含量在90%以上的气藏中。氮气为主的气藏占气藏总数的百分之几，含量在90%以上的不到1%。以CO2和H2S为主的气藏也不足气藏总数的1%。世界上若干有代表性的地区和油气田中的天然气成分如表所示。第59页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三地区及油气田名称时代成分CH4C2+CO2H2SN2其它前苏联西西北利亚气田K97.8-99.91痕量到0.8550.1-0.680-0.0040.45-1.690-.07阿塞拜疆凝析气田N91.3-97.931.58-8.660-0.5奥伦堡凝析气田P1—C381.55-91.0-3.21.3-4.52.4-7.4罗马什金油田D40.049.90.109.0美国胡果顿气田P74.311.40014.0潘汉得油气田Ar+P91.36.380.101.0中

国圣灯山气田P194.570.990.2402.430.02大庆油田K183.8213.00.110.58老君庙油田N64.935.00.1荷兰格罗宁根气田P181.33.50.3014.0北海英国赫威特气田本塔尔砂岩(T）83.198.390.080.028.4赫威特砂岩（T）92.135.490.0202.32.366法国拉克气田J3—K168.665.579.9215.520.33世界上若干地区和油气田中天然气成分简表第60页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三(一）、天然气的烃类组成

天然气的烃类组成一般以甲烷为主，重烃气次之。重烃气以C2H6和C3H8最为常见；>C4者较少见。在多数情况下

，含量随碳数增加而减少；但在有的气藏中也可见C3H8和C4H10异常高的现象。重烃气中C4-C7除正构烷烃外，有时还有少到微量环烷烃和芳烃。一般常根据重烃气的含量将天然气划分为湿气和干气。但不同学者所用的参数、量值及具体的划分方案不尽相同。在天然气地质学上常用重烃气含量5%作为划分干气和湿气的界限，C2+≥5%称为湿气，C2+＜5%称为干气。典型的湿气和干气以及欧、非、美洲若干有商业价值的天然气烃类组成如表所示。第61页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

天然气组成%（体积）资料来源CH4C2H6C3H8C4H9>C5H12非烃典型湿气84.66.45.32.61.1

Heron(964)干气96.02.00.60.31.1利曼（英，北海）94.83.00.60.20.20.2Tiratsoo(1979)非洲利比亚71.416.07.93.41.3/阿尔及利亚86.59.42.61.10.10.3尼日利亚88.16.32.10,31.12.1圣弗朗西斯科（美，加州）88.597.011.930.280.032.06洛杉矶（美，加州）86.58.01.90.30.23.1华盛顿特区95.152.840.630.240.11.04第62页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

天然气的烃类组成变化很大，如我国柴达木盆地聂中的气藏气，甲烷含量为99.5%，重烃（C2H6）含量仅0.035%，C1/C2+为2843，H/C原子比为3.999；而俄罗斯格罗兹尼的石油伴生气，甲烷含量仅30.8%，重烃（C2H6-C5H12）含量却高达69.2%，且其中C3H8-C5H12各占20%左右，相应地，C1/C2+为0.445，H/C原子比为3.02。这两个例子可作为天然气烃类组成两个极端的代表，其差别是显而易见的。第63页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（二）、天然气的非烃组成

在以烃类为主的天然气聚集中，一般将非烃气体成分视为杂质。但有的非烃气体含量达到一定的品位也具有很高的经济价值，应予以足够的重视；同时，研究非烃气体，对了解天然气的形成、运移等也有重要意义。因此我们有必要对天然气中的非烃气体有所认识。天然气（主要是气藏气）中常见的非烃气有N2、CO2、H2S、CO、SO2、H2、Hg蒸气及惰性气体，有时还有少量含硫、氮、氧的有机化合物。非烃气的含量一般小于10%，但亦有少量气藏非烃气体含量可超过10%，极少数是以非烃气体为主的气藏，如N2气藏，CO2气藏，H2S气藏。第64页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三第二节天然气一、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、天然气与石油的区别第一章油气藏中的流体第65页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

天然气是多种烃类和非烃的气态混合物。在常温常压下以气态存在的烃类有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷及新戊烷；非烃类有氢、氮、二氧化碳、硫化氢和惰性气体。在地下高温高压下，C5-C7烷烃和部分环烷烃、芳烃及有机硫化物也可以呈气态存在。三、天然气的物理性质

第66页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三(一)、密度与相对密度

天然气的密度定义为单位体积气体的质量。在标准状况下，天然气中主要烃类成分的密度为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，其中石油伴生气特别是油溶气的密度最高可达1.5kg/m3甚至更大些。天然气的密度随重烃含量尤其是高碳数的重烃气含量增加而增大，亦随CO2和H2S的含量增加而增大。天然气的相对密度是指在相同温度、压力条件下天然气密度与空气密度的比值，或者说在相同温度、压力下同体积天然气与空气质量之比。天然气烃类主要成分的相对密度为0.5539（甲烷）-2.4911（戊烷），天然气混合物一般在0.56-1.0之间，亦随重烃及CO2和H2S的含量增加而增大。第67页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三化合物分子式分子量密度相对密度甲烷CH416.0430.67730.5539乙烷C2H630.0701.26931.0382丙烷C3H844.0971.86141.5225丁烷C4H1058.1242.45352.0068异丁烷C4H1058.1242.45352.0068戊烷C5H1272.1513.04542.4911异戊烷C5H1272.1513.04542.4911新戊烷C5H1272.1513.04542.4911巳烷C6H1486.1783.63742.9753庚烷C7H16100.2054.22993.4596环戊烷C5H1070.1352.96042.4215环巳烷C6H1284.1623.55262.9057苯C6H678.1143.29742.6969甲苯C7H892.1413.88913.1812二氧化碳CO244.0101.85771.5195硫化氢H2S34.0761.43801.7165氮N228.0131.1822

1.9672天然气中常见组分的密度和相对密度（101325Pa，15.55℃）

第68页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

天然气在地下的密度随温度的增加而减小，随压力的增加而加大。但鉴于天然气的压缩性极强，在气藏中，天然气的体积可缩小到地表体积的1/200-1/300，压力效应远大于温度效应，因此地下天然气的密度远大于地表温压下的密度，一般可达150-250kg/m3；凝析气的密度最大可达225-450kg/m3。第69页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（二）、临界温度和临界压力

在自然（地面或地下）条件下，气体是否以气态存在取决于温度和压力。这就涉及到临界温度和临界压力的概念。纯物质的临界温度系指气相物质能（通过加压）维持液相的最高温度。高于临界温度时，无论加多大压力，都不能使气态物质变为液态。在临界温度时，气态物质液化所需要的最低压力称为临界压力。高于临界压力时，无论多少温度，气、液两相不可能共存。天然气常见组分的临界温度和临界压力如表所示。第70页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三化合物沸点（℃）(101325Pa）凝固点（℃）(101325Pa）蒸气压力(101325Pa，℃）临界温度（℃）临界压力(101325pa)甲烷-161.49-182.48(340.228)-82.5745.44乙烷-86.60-183.23(54.436)32.27

48.16丙烷-42.04-187.6912.92996.6741.94丁烷-0.50-138.363.511152.0337.47异丁烷-11.72-159.614.913134.9436.00戊烷36.07-129.731.059196.5033.25异戊烷27.88-159.911.390187.2833.37新戊烷9.50-16.572.433160.6331.57巳烷68.73-95.320.337234.2829.73庚烷98.43-90.580.110267.1127.00环戊烷49.25-93.840.675238.6044.49环巳烷80.726.540.222286.3940.22苯80.095.530.219289.0148.34甲苯110.63-94.970.0702318.6440.55二氧化碳-78.50--31.0672.88硫化氢-60.33-82.8926.810100.3988.87氮-195.78-210.00--146.8933.55天然气中常见组分的临界温度和临界压力

第71页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三对于各烃类组分来说，甲烷的临界温度为-82.57℃，乙烷为32.37℃。因此它们在地下除溶于石油和水或形成气水合物之外，均以气相存在。丙烷临界温度为96.67℃，在低于该温度时，在适当的压力下即可液化。因此丙烷及碳数更高的烷烃，在地下大多以液相存在，仅有少量与甲烷、乙烷呈气态或溶于石油或溶于水（数量更少）存在。第72页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（三）、溶解性

天然气能不同程度溶于水和石油两类溶剂中。

天然气能不同程度地溶解于水和油两类溶剂中，具体数量取决于天然气和溶剂的成分以及气体的压力、温度。不同成分的气体其溶解系数有相当大的差别。根据相似相溶原理，烃气在石油中的溶解度要比水中大许多倍。在标准状况下甲烷在在石油中的溶解系数为0.3，是在水中溶解系数的近10倍（0.033）。溶解性随压力增高溶解度增大，随温度升高反而降低。另外，当石油中溶有天然气时，即可降低石油本身的相对密度、粘度以及表面张力。第73页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三●天然气的组分上，重烃气特别是碳数较高的重烃气含量愈高，溶解度愈大。●原油组分方面，在相同温度、压力条件下，天然气在低碳数烃类含量高的轻质原油中比重质原油中的溶解度要高得多。●温度对天然气溶解度的影响是随油层温度的升高溶解度降低，但其影响效应远低于压力的效应。第74页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三无论是溶于地层水还是原油中的天然气，在条件发生改变时，其中的溶解气都有可能脱离地层水或原油成为游离气，并在适当的条件下聚集成为气藏。特别是在油（气）藏中，当压力降低时，天然气会自石油中析出，且各组分的析出与其溶解度相对应，甲烷最先开始析出，然后是乙烷、丙烷、丁烷等同系物依次析出。第75页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（四）、粘度

前已述及，粘度是指流体分子间相对运动所产生的内摩擦力的大小。天然气的粘度就是天然气分子间内部摩擦力的一种量度

天然气粘度是研究天然气运移、开发和集输的一个重要参数。天然气的粘度很小，在地表常温常压下，只有n×10-2-10-3MPa.s。远比水（1MPa.s）和油（1-n×10MPa.s）粘度为低。天然气粘度与气体组成、温度、压力等因素有关。在接近大气压的低压条件下，压力对粘度的影响很小（可忽略），粘度随温度增加而变大，随分子量增大而减小；而在较高压力下，天然气的粘度随压力增加而增大，随温度升高而减小，随分子量增加而增大。此外，天然气粘度还随非烃气体增加而增加。第76页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（五）、吸着作用

气体与固体表面接触所发生的关系，可以有吸收作用，也可以只有吸附作用，亦或兼而有之。吸附作用与吸收作用是有区别的，气体与固体表面接触并渗入固体物质内部（直至饱和）的现象叫做吸收作用；而气体被固体吸收的初步过程是气体分子被固体表面分子所吸引，这一现象叫做吸附作用。由于常常不能确定是吸附作用还是吸收作用，故把气体（或液体）在固体表面发生的作用笼统称之为吸着作用。第77页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（六）、扩散

气体扩散是自然界常见的一种物理化学现象。按引起扩散的主导因素可分为浓度扩散和温度扩散。按扩散介质可分为气体在气体中扩散（自由扩散）、气体在液体中扩散和气体在固体（岩石）中扩散。第78页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

浓度扩散是由物质的浓度差而引起，气体由高浓度处向低浓度方向流动，分子的相互运动趋向于拉平相互接触的容器内物质的浓度。随着温度升高，分子的热运动加速，扩散加快。第79页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

扩散系数是浓度梯度等于1时1秒钟内通过截面积为1厘米2的扩散气体量。扩散系数反比于气体压力，因为随着压力增加，分子自由行程的长度减小，相应地压缩气体的扩散进行得比稀薄气体慢。一般气体的自由扩散系数（气体在气体中扩散）大部分在0.08-0.23厘米2/秒之间。氢具有最大的扩散系数，如氢通过氮或氦气的扩散系数为0.7厘米2/秒。第80页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三

气体在液体中的扩散，从气体在液体表层溶解（吸收作用）开始，然后由于在各液体层中存在气体浓度差而进一步扩散。气体在水中的扩散系数一般随分子量和分子大小的增加而减小，随压力和温度的升高而增大。气体在岩石中的扩散比在自由空间进行得慢，也比在水中进行得慢。因为在岩石中气体是沿充满流体、结构复杂的孔道进行扩散。与自由空间扩散相比，在砂中较之慢2-3倍，在砂岩中慢9-14倍，在致密砂岩中要慢100倍。第81页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三气体通过没有孔隙的岩石（矿物质）的扩散比通过孔隙岩石小10-100倍，但随着气体的温度和压力升高，扩散速度将大大加快。热扩散（温度扩散）是由于存在温度差而产生，热扩散使轻分子或小分子气体趋向于在高温区集中，而重分子或大分子气体在低温区聚集。

天然气的扩散不可小视，扩散可使气田中的气大量散失。在漫长的地质历史中，甚至可使整个气藏消失。第82页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三（七）、热值

热能是天然气主要经济价值所在。天然气的热值与组成天然气的成分有关，含烃气比例越高，热值越高；含非烃气，特别是含CO2、N2等气体比例越高，热值越低。天然气中主要烃气成分的热值如表所列。第83页，讲稿共93页，2023年5月2日，星期三天然气中主要烃类气体的热值（据美国天然气工程手册，1959