石油與天然氣地質(zhì)學(xué)

第一節(jié)石油一、石油的化學(xué)組成二、石油的分類三、海陸相石油的區(qū)別四、石油的物理性質(zhì)重點：石油的分類及海陸相石油的區(qū)別。當(dāng)前1頁，總共55頁。石油：存在于地下巖石孔隙中的以液態(tài)烴為主體的可燃有機礦產(chǎn)，又稱原油。當(dāng)前2頁，總共55頁。1、元素組成

元素組成：碳（C）和氫（H）為主；其次為氧（O）、氮（N）、硫（S）。C：80%-88%；H：10%-14%；N、S、O總量在0.3~7%，一般低于2~3%，個別含硫達(dá)10%。C和H重量比5.7~7.7，平均6.5；原子比平均為0.57。一、石油的化學(xué)組成

化學(xué)成分：是一種成分十分復(fù)雜的天然有機化合物的混合物，主要成分是烴類。元素、化合物、餾分和組分。當(dāng)前3頁，總共55頁。S平均為0.65%，具雙峰型，1%為交叉點；大于1%為高硫原油，小于1%為低硫原油。海相石油含硫量高于陸相石油。當(dāng)前4頁，總共55頁。N在0.01~1.7%之間，平均0.094%，絕對多數(shù)原油小于0.2%；大于0.25%為富氮，小于0.25%為貧氮。O在0.1~4.5%之間，與其氧化程度有關(guān)。此外，50多種其它元素，如釩、鎳等。2、化合物組成烴類組成占97%-99%，少量非烴。

烴類組成：烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴等。

非烴組成：含S、N、O等雜原子化合物。當(dāng)前5頁，總共55頁。

（1）烴類

①飽和烴

烷烴：CnH2n+2，占石油組分50~60%，氣態(tài)烴的碳1~4個，甲烷；第一種液態(tài)烴是正戊烴，液態(tài)烴的碳原子5~16；第一種固態(tài)烴是正十七烷烴，固態(tài)烴碳原子17以上。

正構(gòu)烷烴：占石油體積15~20%，輕質(zhì)油達(dá)30%，重質(zhì)油小于15%。一般C1~C45，個別有C60，大部分小于C35。異構(gòu)烷烴：以小于C10為主，常見C6~C8。當(dāng)前6頁，總共55頁。當(dāng)前7頁，總共55頁。環(huán)烷烴：CnH2n，由碳的數(shù)目決定名稱，三員環(huán)、四員環(huán)和五員環(huán)等，占石油比例為20~40%。以單環(huán)和雙環(huán)為主，其次為三環(huán)，四環(huán)以上較少。

當(dāng)前8頁，總共55頁。②不飽和烴占原油重量的20~45%，偶見有直鏈烯烴。芳香烴：具有苯環(huán)，含量高的石油沸點高，不易燃。

單環(huán)芳烴：苯、甲苯等；

多環(huán)芳烴：聯(lián)苯、三苯甲烷等；

稠環(huán)芳烴：萘、蒽和菲等。當(dāng)前9頁，總共55頁。環(huán)烷芳香烴：包含一個或幾個縮合芳環(huán)，并與飽和環(huán)及鏈烷基稠合。主要的是兩環(huán)構(gòu)成的茚滿和萘滿；重要的是四環(huán)和五環(huán)芳烴，包括甾族和萜族化合物。當(dāng)前10頁，總共55頁。（2）非烴

①含硫化合物硫是石油中的有害物質(zhì)，產(chǎn)生有毒氣體和酸類，硫的含量是評價石油質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。100多種化合物，多呈硫醇、硫醚及硫化物等，重質(zhì)油較多。

高硫石油：S>2%；

低硫石油：S<0.5%；

含硫石油：S=0.5~2%。一般含硫量較高的石油多產(chǎn)自碳酸鹽巖系和膏鹽巖系含油層。大慶：低硫；勝利：含硫；遼河：高硫。當(dāng)前11頁，總共55頁。②含氮化合物含量小于0.1%，30多種，主要以含氮雜環(huán)化合物存在。堿性：吡啶、喹啉、異喹啉等；非堿性：卟啉、吲哚和咔唑等。當(dāng)前12頁，總共55頁。③含氧化合物50多種，包括有機酸、酚和酮類化合物。有機酸：C2-24的脂肪酸，C5-10的環(huán)烷酸，C10-15的類異戊二烯酸。有機酸和酚（酸性）統(tǒng)稱石油酸，其中以環(huán)烷酸最多，占石油酸的95％；但含量變化較大，在0.03％－1.9％之間。環(huán)烷酸易與堿金屬作用生成環(huán)烷酸鹽，環(huán)烷酸鹽又特別易溶于水。地下水中環(huán)烷酸鹽的存在是找油的標(biāo)志之一。

當(dāng)前13頁，總共55頁。3、石油的餾分組成餾分就是利用組成石油的化合物各自具有不同沸點的特性，通過對原油加熱蒸餾，將石油分割成不同沸點范圍的若干部分。

溫度區(qū)間（餾程）：餾分有所差異。汽油：C5－C10煤油：C11－C13柴油：C14－C17重質(zhì)油：C18－C25潤滑油：C26－C35當(dāng)前14頁，總共55頁。4、石油的組分組成

石油組分分析：有機溶劑和吸附劑對化合物進(jìn)行選擇性溶解和吸附，分離出不同部分。

油質(zhì)：溶于氯仿和四氯化碳。

膠質(zhì)：溶于苯和酒精，能被硅膠吸附，主要是雜原子化合物。

瀝青質(zhì)：溶于氯仿、不溶于石油醚。當(dāng)前15頁，總共55頁。當(dāng)前16頁，總共55頁。二、石油的分類1、分類原則

石油化學(xué)家：側(cè)重于各餾分含量及其化學(xué)組成和物理性質(zhì)；地球化學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家：注意原油組成與生油巖及其演化作用關(guān)系。

2、Tissot和Welte的分類

指標(biāo)：烷烴（石蠟）、環(huán)烷烴、芳香烴和含硫、氮、氧化合物（膠質(zhì)和瀝青質(zhì)）的含量。當(dāng)前17頁，總共55頁。當(dāng)前18頁，總共55頁。當(dāng)前19頁，總共55頁。三、海陸相石油的基本區(qū)別石油類型、含蠟量、含硫量、微量元素（釩和鎳）及碳穩(wěn)定同位素。當(dāng)前20頁，總共55頁。當(dāng)前21頁，總共55頁。四、石油的物理性質(zhì)

1、顏色

淡黃色、黃褐色、棕色、深褐色、黑綠色至黑色。膠質(zhì)和瀝青含量越高，顏色越深。

2、相對密度和密度

（1）密度單位體積物質(zhì)的質(zhì)量（g/cm3）。本身的成分和體積變化相關(guān);溫度、壓力及溶解氣量有關(guān)。液體石油體積，常壓下隨溫度升高而增大。當(dāng)前22頁，總共55頁。膨脹系數(shù)：溫度每增加1oF，單位體積所增加的體積數(shù)。（2）相對密度105Pa,20oC石油與4oC純水的密度比值。國際上通常用API(60oF)表示。一般介于0.75~1.00之間，相對密度大于0.93為重質(zhì)石油，小于0.90為輕質(zhì)石油。當(dāng)前23頁，總共55頁。當(dāng)前24頁，總共55頁。

3、粘度反映流體流動難易程度。粘度大則流動性差，反之則流動性好。

動力粘度：即絕對粘度，u=kF△P/QL(Pa.s)；

運動粘度：動力粘度/密度，m2/s；恩氏粘度:即相對粘度，石油粘度/水的粘度。與溫度、壓力、組成有關(guān)。地下粘度小于地面；當(dāng)粘度大于10Pa.s,則歸于天然瀝青類。4、溶解性石油難溶于水，而易溶于有機溶劑，如：氯仿、四氯化碳、苯和石油醚、醇等。當(dāng)前25頁，總共55頁。若以碳數(shù)相同的分子進(jìn)行比較，烷烴溶解度最小，芳香烴最大，環(huán)烷烴居中。各族烴類在水中的溶解度均隨分子量增大而減小。C（碳數(shù)）影響因素：溫度：降低而降低；壓力：只與氣態(tài)餾分相關(guān)，對其它烴類的影響甚微；含鹽量：水中無機組分和含鹽量增加時，烴類的溶解度會降低。當(dāng)前26頁，總共55頁。5、熒光性在紫外線照射下發(fā)出熒光，是一種冷發(fā)光現(xiàn)象，常用于檢測巖芯是否含油。飽和烴不發(fā)光，芳香烴和非烴發(fā)光。輕質(zhì)油發(fā)淺蘭色，含膠質(zhì)多一般發(fā)綠或黃色，含瀝青多一般發(fā)褐色。6、旋光性當(dāng)偏光通過石油時，偏光面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這個角叫旋光角，多數(shù)為右旋，一般隨含油地層年代的增長而減小。當(dāng)前27頁，總共55頁。第二節(jié)天然氣一、天然氣的概念及產(chǎn)狀二、天然氣的化學(xué)組成三、天然氣的物理性質(zhì)四、天然氣與石油的差別重點：天然氣的產(chǎn)狀及物理性質(zhì)。當(dāng)前28頁，總共55頁。一、天然氣的概念及產(chǎn)狀

1、天然氣的概念廣義：自然界所有天然形成的氣體。

狹義：指氣態(tài)烴和非烴氣。

2、天然氣的產(chǎn)狀類型

相態(tài)：游離氣、溶解氣、吸附氣和固體水溶氣；

分布特點：聚集型和分散型；

與石油產(chǎn)出關(guān)系：伴生氣和非伴生氣。

（1）聚集型

氣藏氣：不與石油伴生，單獨聚集成藏，為純天然氣氣藏。甲烷占?xì)獠貧怏w成分的95%以上。當(dāng)前29頁，總共55頁。

氣頂氣：與石油共生，位于油氣藏的頂部，重?zé)N氣含量可達(dá)百分之幾或幾十，僅次于甲烷，屬于濕氣。

凝析氣：當(dāng)?shù)叵聹囟取毫Τ^臨界條件后，液態(tài)烴逆蒸發(fā)（可逆裂解）為氣體，稱為凝析氣。一旦采出后，由于地表壓力、溫度降低而凝結(jié)為輕質(zhì)油，即凝析油。當(dāng)前30頁，總共55頁。（2）分散型

油溶氣：油藏內(nèi)溶解的天然氣。一般從幾立方到上千立方都存在。

水溶氣：溶解在水中的天然氣；包括低壓水溶氣和高壓地?zé)嵝退軞狻Ｌ烊粴庠谒械娜芙舛仁鞘偷陌俦?。與溫度、壓力、礦化度等有關(guān)。溫度不變時，溶解度與壓力成正比。較高壓力：溫度<80℃時，隨溫度升高，溶解度下降；溫度>80℃時，隨溫度升高，溶解度上升。當(dāng)前31頁，總共55頁。

煤層氣：煤層中所含的吸附和游離狀態(tài)的天然氣。與煤的變質(zhì)作用和煤層頂板透氣性相關(guān)。全球煤層氣地質(zhì)儲量為68~238*1012m3，中國為30~35*1012m3。

吸附氣：通過分子吸附作用而附著在巖石顆粒表面的氣體。與巖性、溫度、壓力、熱變質(zhì)程度等因素有關(guān)。

游離氣：煤層孔隙或裂隙中儲存的氣體。致密地層氣：致密砂巖和裂縫性含氣頁巖中的天然氣。美國日產(chǎn)氣達(dá)1.5*1012m3。當(dāng)前32頁，總共55頁。吸附能力隨地層壓力增高而增大；但與變質(zhì)程度正相關(guān)性不明顯。1－8號代表褐煤到無煙煤。當(dāng)前33頁，總共55頁。固態(tài)氣體化合物：在海洋底特定壓力和溫度條件下，甲烷氣體分子天然地被封閉在水分子的擴大晶格中，形成固態(tài)氣體化合物，成為“天然氣冰”，或“天然氣水合物”。前蘇聯(lián)在西伯利亞北極永久凍土帶發(fā)現(xiàn)氣體水合物氣田--“麥索亞卡氣田”。當(dāng)前34頁，總共55頁。在標(biāo)準(zhǔn)溫度壓力下，每立方米水合物約含標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)甲烷60－172m3；良好的蓋層。氣體水合物的形成同壓力、溫度關(guān)系密切。當(dāng)溫度為0OC時，形成水合物的壓力約為2.6MPa;當(dāng)溫度為300OC時，形成水合物的壓力約為100MPa。

氣水化合物中甲烷總量約20*1015m3，較常規(guī)天然氣大2~3個數(shù)量級。將產(chǎn)生大量氮氣和硫化物等，引起溫室效應(yīng)。當(dāng)前35頁，總共55頁。300-600m深的水柱靜壓力足以形成水合物所需的壓力；主要存在于海底沉積物下部300-1000m。當(dāng)前36頁，總共55頁。二、天然氣的化學(xué)成分主要為烴類，以甲烷為主，含少量C2-C5類重?zé)N氣；非烴氣為次要成分，以N2、CO、CO2、H2S、H2，Ar等居多。重?zé)N氣>5%稱濕氣，<5%稱干氣。氣態(tài)烴：甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等；非烴氣：氫、氮、二氧化碳、硫化氫等。高溫高壓下，C5-C7烷烴和部分環(huán)烷烴、芳烴及有機硫化物也可呈氣態(tài)。當(dāng)前37頁，總共55頁。三、天然氣的物理性質(zhì)

1、密度和相對密度密度：單位體積氣體的質(zhì)量。烴類一般為0.677~3.045g/cm3，混合物為0.7~0.75g/cm3，隨重?zé)N含量增加而增加。

相對密度：同溫同壓下天然氣密度與空氣密度比值。烴類為0.554~2.49，混合物為0.56~1.0。天然氣的地下密度隨溫度的增加而減小，隨壓力的增大而加大。2、粘度與化學(xué)組成及環(huán)境有關(guān)，在0oC時，為0.31*10-3mPa·s，在20oC時，為12*10-3mPa·s。當(dāng)前38頁，總共55頁。

3、臨界溫度和壓力

臨界溫度：指氣相純物質(zhì)能維持液相的最高溫度。

臨界壓力：在臨界溫度時，氣態(tài)物質(zhì)液化所需的最低壓力。逆蒸發(fā)：在地下較高溫度（烴類物系的臨界溫度與臨界凝結(jié)溫度之間）的特定條件下，隨著壓力增加，液態(tài)烴可轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。一般隨相對分子質(zhì)量增加而減小，隨溫度和壓力增加而增大。當(dāng)前39頁，總共55頁。

4、溶解性天然氣溶于石油和水。天然氣在石油中的溶解度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在水中的溶解度。5、熱值每立方米天然氣燃燒時發(fā)出的熱量（KJ/m3）。天然氣的熱值一般40000~100000KJ/m3

，石油為41840KJ/m3

，煤僅為16736KJ/m3。四、天然氣與石油的區(qū)別1、成分石油復(fù)雜，天然氣簡單。2、物理性質(zhì)相態(tài)不同，在密度、粘度、溶解度、吸附性等方面也區(qū)別較大。當(dāng)前40頁，總共55頁。第三節(jié)油田水一、油田水的概念二、油田水的產(chǎn)狀三、油田水的來源四、油田水的化學(xué)組成五、油田水的類型六、油田水的物理性質(zhì)重點：油田水的產(chǎn)狀及化學(xué)組成。當(dāng)前41頁，總共55頁。一、油田水的概念廣義：油氣田區(qū)域內(nèi)的地下水。

狹義：油氣田范圍內(nèi)直接與油氣層連通的地下水。二、油田水的產(chǎn)狀

狀態(tài)：吸附水、毛細(xì)管水和自由水。

產(chǎn)狀：底水、邊水當(dāng)前42頁，總共55頁。三、油田水的來源四、油田水的化學(xué)組成

指溶于油田水中的溶質(zhì)的化學(xué)組成，包括無機組成、有機組成、溶解氣等。

1、無機組成離子：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-等。來源：沉積水、滲入水、成巖水等。當(dāng)前43頁，總共55頁。當(dāng)前44頁，總共55頁。2、有機組成

烴類：氣態(tài)烴和液態(tài)烴。

酚：鄰甲酚和甲酚為主。

有機酸：環(huán)烷酸、脂肪酸和氨基酸等。3、溶解氣氣體成分：O2、N2、CO2、H2S、CH4等。當(dāng)前45頁，總共55頁。五、油田水的類型以離子含量及其組合關(guān)系進(jìn)行劃分：大陸水：Cl-<SO42-<HCO3-、Mg2+>Na+<Ca2+、Cl-

<Na+（當(dāng)量），海水則相反。Sulin分類根據(jù)Na/Cl、(Na-Cl)/SO4、(Na-Cl)/Mg分四類。當(dāng)前46頁，總共55頁。六、油田水的物理性質(zhì)

1、顏色和透明度顏色：淡青綠色（H2S），褐色或淡紅色（Fe3+）。透明度：不透明或混濁狀。

2、氣味和味道氣味：刺鼻的臭雞蛋味、汽油或煤油味。味道：咸味、苦味。

3、相對密度一般大于1，隨含鹽度增加而增大。

4、粘度大于純水，隨鹽分增加而增大。

5、導(dǎo)電性離子越多，導(dǎo)電性越強。當(dāng)前47頁，總共55頁。第四節(jié)油氣的碳、氫溫度同位素一、同位素的概念及分餾作用二、穩(wěn)定同位素在自然界的豐度、比值、標(biāo)準(zhǔn)及表示方式三、油氣中的穩(wěn)定碳同位素四、油氣中的氫同位素重點：碳、氫同位素的應(yīng)用。當(dāng)前48頁，總共55頁。穩(wěn)定同位素和非穩(wěn)定（放射性）同位素。

分餾作用：物質(zhì)在生物、化學(xué)和物理作用下其組成元素的同位素發(fā)生變化、轉(zhuǎn)移或分離。二、穩(wěn)定同位素在自然界的豐度、比值、標(biāo)準(zhǔn)及表示方式

一、同位素的概念