石油及天然氣地質(zhì)學(xué)相關(guān)知識

石油及天然氣地質(zhì)學(xué)相關(guān)知識石油及天然氣地質(zhì)學(xué)是一門綜合性的科學(xué)，它屬于礦產(chǎn)地質(zhì)科學(xué)中的一個(gè)獨(dú)立分支學(xué)科，是資源勘查工程（油氣地質(zhì)方向）和石油工程相關(guān)本科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)理論課程，也是海洋地質(zhì)與資源、煤及煤成氣工程、油氣井工程和地球物理學(xué)等本科專業(yè)的主要課程。它是研究地殼中的油氣藏及形成原理和分布規(guī)律的地質(zhì)科學(xué)。經(jīng)典內(nèi)容包括三部分：油氣藏的基本要素、油氣藏形成原理和油氣分布規(guī)律。油氣藏的基本要素包括油氣藏中的流體（氣、油水）、儲集層、蓋層、圈閉和油氣藏；油氣藏形成機(jī)理包括烴源巖和油氣成因、油氣運(yùn)移和聚集、油氣藏形成及破壞；油氣分布規(guī)律包括含油氣盆地、盆地中的油氣聚集單元和油氣在時(shí)、空、深上的分布規(guī)律。擴(kuò)展內(nèi)容包括：含油氣系統(tǒng)和盆地模擬、非常規(guī)含油氣系統(tǒng)和非常規(guī)油氣資源以及油氣勘探基本程序和油氣資源評價(jià)方法。第一章油氣藏中的流體1.石油又稱原油，是以液態(tài)形式存在巖石孔隙中的可燃有機(jī)礦產(chǎn)。2石油的元素組成主要是碳、氫，其次是氮、硫、氧。石油中碳含量一般為81%?87%，氫含量一般為11%?16%，碳、氫兩元素在石油中一般占95%?99%。跟據(jù)含硫量可把原油分為高硫原油（含硫量大于1%）和低硫原油（含硫量小于1%）。海相環(huán)境和陸相蒸發(fā)巖環(huán)境中沉積有機(jī)質(zhì)形成的石油硫含量高，可達(dá)5%；被嚴(yán)重降解的石油含量可高達(dá)10%0石油中氧含量：一般分布在0.1%~4.5%，很少超過2%，氧主要富集在石油沸點(diǎn)餾分中，其含量與石油的次生變化程度有關(guān)。在石油中還含有幾十種微量元素，其中釩與鎳的分布最普遍并且具有成因意義，通過釩鎳比值（V/Ni）可區(qū)別海相或陸相成因的石油。石油的餾分是利用組成石油的化合物具有不同沸點(diǎn)的特性，加熱蒸餾，將原油切割成不同范圍（餾程）的若干部分，每一部分就是一個(gè)餾分。石油中不同組分的化合物由于分子結(jié)構(gòu)的差異，對吸附劑和有機(jī)溶劑具有選擇性的吸附和溶解的性能。跟據(jù)這一特性，可選用氧化鋁和硅膠（2：3質(zhì)量比）作為吸附劑以及不同有機(jī)溶劑（正己烷、二氯甲烷、乙醇和氯仿），將石油分成飽和烴、芳烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等組分。按照國家石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用正己烷（C6H14）沖洗得到的烴類為飽和烴，用二氯甲烷（CH2Cl2）+正己烷（2：1體積比）沖洗得到的烴類為芳烴，再用乙醇（C2H5OH）和氯仿（CHC13）依次沖洗得到膠質(zhì)，吸附在色層柱內(nèi)的為柱留膠質(zhì)。石油的化合物組成主要可分為烴和非烴兩大類。石油中不同組分的化合物組成如下：1.飽合烴：包括正構(gòu)烷烴、異構(gòu)烷烴（含天然石蠟，碳數(shù)分布多在C16~C70）和環(huán)烷烴；2.芳烴：包括芳烴和環(huán)芳烴；3.非烴即膠質(zhì)和瀝青質(zhì)：為含氮、硫、氧的非烴化合物。一般來說，低沸點(diǎn)的輕餾分主要是由低碳數(shù)、分子量較小的烷烴和環(huán)烷烴組成；中餾分以中分子量和較高碳數(shù)的烷烴和環(huán)烷烴組成，并含有一定數(shù)量的芳烴和環(huán)烷芳烴及少量的含氮、硫、氧化合物；而重餾分則以高碳數(shù)和大分子量的環(huán)烷烴、芳烴、環(huán)烷芳烴和含氮、硫、氧化合物組成。碳數(shù)在C16~C40的正烷烴稱顯晶蠟，碳數(shù)大于C40以上的正烴烷稱微晶蠟。不同成因的原油具有不同的正烷烴分布特點(diǎn)，可跟據(jù)圖中主峰碳位置及分布形態(tài)，將正烷烴分布曲線分為3種基本類型：1.主峰小于C12的前峰型（凝析油）；2主峰在C15~C25之間的中間的中峰型3.主峰大于C25的后峰型。石油中帶支鏈的異構(gòu)烷烴以＜=C10為主，C11?C25較少，且以類異戊間二烯型烷烴最重要，它們主要存在于低一中沸點(diǎn)的餾分之中。石油中鑒定出的環(huán)烷烴有單環(huán)和多環(huán)，低分子量（C3~7）環(huán)烷烴以環(huán)戊烷和環(huán)己烷及其衍生物是石油的重要組分，中等到大分子量（C10~35）的環(huán)烷烴可以是雙環(huán)到六環(huán)。在常溫和常壓條件下，除環(huán)丙烷（C3H6）和甲基環(huán)丙烷（C4H8）為氣態(tài)外，單環(huán)環(huán)烷烴均為液態(tài)，兩環(huán)以上（＞C11）的環(huán)烷烴為固態(tài)。環(huán)烷芳烴包含一個(gè)或幾個(gè)縮合芳環(huán)，并與飽和鏈烷基稠和一起，石油中最豐富的是兩環(huán)的（一個(gè)芳烴和一個(gè)飽和環(huán)）的茚滿和萘滿以及它們的甲基衍生物。而石油中最重要的是四環(huán)和五環(huán)的環(huán)烷芳烴，它們大多數(shù)與萜類化合物有關(guān)，是生物成因標(biāo)志化合物，其含量及分布特征是研究石油成因，進(jìn)行油源對比的重要指標(biāo)。低一中分子量者主要存在于輕一中餾分內(nèi)；而高分子量則富集于膠質(zhì)和瀝青中。石蠟烴＜=10%為重質(zhì)降解原油，環(huán)烷烴含量＞25%的稱為芳香一環(huán)烷型，而＜=25%者稱芳香一瀝青型。海、陸相石油的基本區(qū)別：1） 石油類型：海相石油是以芳香一中間型和石蠟一環(huán)烷型為主，飽和烴占石油的25%?70%，芳烴占總烴的25%?60%。陸相石油以石蠟型為主，部分為石蠟一環(huán)烴型，飽和烴占石油的60?90%，芳烴占總烴的10?20%。2） 含蠟量：高含蠟是陸相石油的基本特征之一。我國陸相石油含蠟量普遍大于5%，一般為10?30%，有的可達(dá)40%以上。而海相石油含蠟量均小于5%，一般僅為0.5~3%。3） 含硫量：海相石油一般為高硫石油，特別是海相碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖系中的石油，含硫量更高。而陸相石油一般為低硫石油。4） 釩與鎳含量與比值：海相石油中釩、鎳的含量高，且V/Ni＞1；而陸相石油中的釩、鎳的含量較低，且V/Ni＜1。5） 碳穩(wěn)定同位素組成：挽近系海相石油的C13值一般大于一千分之27,而陸相石油的C13值一般小于一千分之29。不同時(shí)代海、陸相石油的C13界線可以有有一定的幅度的變化，而兩者的差別仍是存在的。凝析油是指在地層特殊溫壓條件，液態(tài)烴逆蒸發(fā)形成的凝析氣被開采到地面后，由于溫度和壓力降低而逆凝結(jié)為液態(tài)烴即稱凝析油。凝析油的成因多樣，與有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)成熟度、油氣運(yùn)移分餾作用和混合作用等因素有關(guān)。海相腐泥型有機(jī)母質(zhì)生成的凝析油，出現(xiàn)在高成熟階段（鏡質(zhì)體反射率R=1.35~2.0%）；陸相湖盆混合型有機(jī)母質(zhì)生成的凝析油，主要出現(xiàn)在成熟一高成熟階段（鏡質(zhì)體反射率R=0.7~2.0%）。陳踐發(fā)等把中國的凝析油按母質(zhì)類型分成三類即海相腐泥型有機(jī)質(zhì)、煤系地層腐殖質(zhì)有機(jī)質(zhì)和陸相混合型有機(jī)質(zhì)生成的凝析油。凝析油一般以飽和烴為主，芳烴含量變化較大，膠質(zhì)含量低，大部分沒有瀝青質(zhì)，不同母質(zhì)類型形成的凝析油族組成存在差異。煤系地層腐質(zhì)型有機(jī)質(zhì)生成的凝析其姥鮫烷/值烷（Pr/Ph）相對較高，在2.3~6.8之間，通常該比值都大于3；而海相腐泥型母質(zhì)生成的凝析油Pr/Ph比值則相對較低，為0.廣1.4,一般小于1;而陸相混合有機(jī)質(zhì)生成的凝析油Pr/Ph比值介于兩者之間，為1.4~3.8，而陸相咸水和鹽湖環(huán)境母質(zhì)形成的石油，Pr/Ph比值一般小于1。煤系地層形成環(huán)境為沼澤相，通常為弱氧化環(huán)境，在沉積作用過程中有利于姥鮫烷的生成；而海相烴源巖則偏還原環(huán)境，在沉積作用過程中有利于植烷的形成；陸相湖泊沉積則為弱氧化一弱還原環(huán)境；正是由于這些環(huán)境不同而造成Pr/Ph比值明顯差異。稠油：是相對于原油的粘度而言的，當(dāng)原油的粘度在100?10000Pa.s之間時(shí)稱為稠油。稠油的密度分布在0.935~1.000g/cm3之間故稠油亦稱為重質(zhì)原油。1982年2月，第二屆國際重質(zhì)原油（稠油）及瀝青砂學(xué)術(shù)會議討論制定了重質(zhì)原油和瀝青砂油（瀝青）的定義：重質(zhì)原油是指在原始油藏溫度下脫氣油粘度由100?10000mPa.s或者在15.6攝氏度及1atm（1atm=1.01325*10"5Pa）下密度為934?10000kg/m3的原油（10?20度API）；瀝青砂油是指在原始油藏溫度下脫氣油粘度超過10000mPa.s,或者在15.6攝氏度及1atm下密度大于1000kg/m3（＜10度API）的石油。我國將油層溫度條件下粘度大于10000mPa.s的原油稱為瀝青，粘度在50?10000mPa.s之間的稱為稠油或重油。稠油按其成因可分為原生稠油和次生稠油。次生成因的稠油和瀝青是稠油資源的主體，存在少量的原生未熟一低熟稠油。1） 原生稠油：原生稠油指未遭受生物降解、水洗、氧化和輕組分散失等作用的稠油。原生稠油的形成主要與生烴母質(zhì)的生源構(gòu)成、沉積環(huán)境和原油的早期生成等因素有關(guān)。我國已發(fā)現(xiàn)的原生稠油主要為膏鹽環(huán)境形成的高硫稠油，典型實(shí)例為江漢盆地潛江凹陷的高硫稠油，并基本上屬于未熟一低熟油。較咸化的環(huán)境及膏鹽沉積環(huán)境是原生稠油形成的有利環(huán)境。2） 次生稠油：石油經(jīng)初次運(yùn)移和二次運(yùn)移進(jìn)入圈閉形成油氣藏以及之后的地質(zhì)過程中，使其變稠和變重的各種地質(zhì)作用稱為稠變作用。稠變作用的因素主要是水洗、生物降解、氧化和輕組分分散等作用。次生稠油可由正常液態(tài)原油經(jīng)稠變作用形成，也可由原生稠油疊加稠變作用而加劇其稠化，所有原油經(jīng)過次生改造都可以成為次生稠油。生物降解作用是次生稠油的一種主要成因。水洗作用通過水的活動(dòng)，將原油中輕質(zhì)成分帶走，從而使原油變稠。水洗作用大致有兩種類型：一是通過斷層或不整合面導(dǎo)致淺層淡水淋濾，這種類型往往與輕組分揮發(fā)作用、生物降解作用和氧化作用相伴生；二是油藏底部地層水內(nèi)部循環(huán)系統(tǒng)的活動(dòng)，可帶走油藏底部原油的輕質(zhì)成分，該種油藏具備一定的稠油墊。原生稠油與次生稠油在化學(xué)組成上最顯而易見的差別是原生稠油保持了完整的正構(gòu)烷烴系列分布（C13?C35）和類異戊二烯烷烴系列分布（iC15?iC21）。稠油與常規(guī)輕質(zhì)油相比主要有以下特點(diǎn)：1） 粘度高、密度大、流動(dòng)性差2） 稠油中的輕質(zhì)組分含量低，而膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量高。3） 稠油粘度對溫度敏感，隨著溫度的降低其粘度顯著增大，這是稠油熱采的主要機(jī)理。溫度每增高10攝氏度，其粘度降低一半。17.石油的主要物理性質(zhì)如下：1） .顏色石油顏色的深淺主要取決于膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的含量，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量越高，則顏色越深。2） .密度和相對密度單位體積石油的質(zhì)量與密度的關(guān)系可表現(xiàn)為W0=p0g，石油的質(zhì)量和4攝氏度時(shí)同體積純水的質(zhì)量比值，叫做石油的密度。地表石油的相對密度，在我國和前蘇聯(lián)是指在1atm下，20攝氏度石油和4攝氏度純水的密度比值，用D204表示。歐美各國則以1atm下，60度F石油與4攝氏度純水的密度比值。API度=（141.5/60度F時(shí)相對密度）一131.5通常把相對密度0.93~0.98（20度?12度API）的石油稱為重質(zhì)原油，0.9?0.93（25度?20度API）之間的稱中質(zhì)原油，小于0.9的稱輕質(zhì)原油，凝析油的相對密度一般介于0.7?0.8之間（45度?70度API）。相對密度大于0.98（或大于1.0）的石油稱超重油（超稠油）或天然瀝青。石油的相對密度主要取決于其化學(xué)組成。就烷烴而言，相對密度隨碳數(shù)的增加而變大。碳數(shù)相同的烴類，相對密度烷烴小，芳烴大，環(huán)烷烴居中。與膠體和瀝青質(zhì)相比，烴類的相對密度較小。相對密度與含氫量有明顯的相關(guān)性。相對密度隨溫度增加而減少，隨壓力增加而增大。3）.粘度石油粘度是指石油流動(dòng)時(shí)分子之間相對運(yùn)動(dòng)所引起的內(nèi)摩擦力。粘度大則流動(dòng)性越差，反之，則流動(dòng)性好。粘度參數(shù)對了解油氣運(yùn)移、進(jìn)行油井動(dòng)態(tài)分析以及石油儲運(yùn)都有重要的參考價(jià)值。通常講的原油粘度是指動(dòng)力粘度。動(dòng)力粘度又稱絕對粘度。單位：帕.秒（pa.s）。相對粘度又稱恩氏粘度，指在恩氏粘度計(jì)中，200ml石油與20攝氏度時(shí)的同體積蒸餾水通過直徑為2.8mm細(xì)管流出時(shí)間之比（蒸餾水流出時(shí)間51+或一1s），常用Et表示。分子小的烷烴、環(huán)烷烴含量多，粘度就低；而石蠟、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量高，粘度就高。當(dāng)粘度大于10Pa.s時(shí)的烴類資源都劃入天然瀝青類。一般來說，原油粘度大密度也大。4溶解性石油能不同程度溶解于許多溶劑中，利用不同溶劑對原油的溶解特性可開展原油和烴源巖可溶有機(jī)質(zhì)的族分和化合物的分離。石油在水中的溶解性對認(rèn)識石油初次運(yùn)移時(shí)可能存在的相態(tài)有重要意義。凝固和液化石油失去流動(dòng)能力的最高溫度稱凝固點(diǎn)，而液化與此正相反。低凝固點(diǎn)的石油為優(yōu)質(zhì)石油，凝固點(diǎn)高的石油容易使井低結(jié)蠟，給采油工作帶來麻煩。導(dǎo)電性石油及其產(chǎn)品具有極高的電阻率。熒光性石油在紫外光照射下可產(chǎn)生熒光的特性。石油中只有不飽和烴及其衍生物具有熒光性。這是因?yàn)樗鼈兡芪兆贤夤獠ㄩL較短、能量較高的光子，隨后放出波長較長而能量較低的可見光即熒光，飽和烴不發(fā)熒光。熒光顏色隨不飽和烴的濃度及分子量增加而加深。芳烴呈天藍(lán)色，膠質(zhì)為黃色，瀝青質(zhì)為褐色。利用石油具有發(fā)熒光的特性，可以用紫外燈鑒定巖石中微量石油和瀝青類物質(zhì)的存在。在有機(jī)溶劑中只要含有10'5單位瀝青物質(zhì)即可被發(fā)現(xiàn)。旋光性大多數(shù)石油具有將偏振光的振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)一定角度的能力，即石油的旋光性。石油的旋轉(zhuǎn)偏光面的角度一般為幾分之一到幾度之間。絕大多數(shù)石油都能使偏光面向右旋轉(zhuǎn)稱右旋，僅有少數(shù)為左旋。旋光角可用旋光儀測定。石油的旋光性與其含有結(jié)構(gòu)不對稱的生物標(biāo)志化合物有關(guān)。因此，旋光性被認(rèn)為是石油有機(jī)成因的證據(jù)之一。熱值石油的熱值即單位體積或單位質(zhì)量石油的發(fā)熱量（單位：1kcal=4.1868kj）。1kg石油燃燒時(shí)可產(chǎn)生10000?11000kj熱量。界面現(xiàn)象石油在含水的多孔巖石中的存在狀態(tài)，除受其飽和度影響外，主要受各種流體之間及流體與固體之間的各種界面現(xiàn)象的制約，了解這些界面現(xiàn)象對理解石油地質(zhì)過程非常重要。界面現(xiàn)象主要包括：表面自由能、表面張力、界面張力、粘附力、內(nèi)聚力、濕潤性、濕潤角和毛細(xì)管半徑。而且流體與巖層的關(guān)系可用毛細(xì)現(xiàn)象加以解釋。18.油氣田水1） .油氣田水，從廣義上理解，是指油氣田區(qū)域內(nèi)的地下水，包括油氣層水和非油氣層水。狹義的油氣田水是指油氣田范圍內(nèi)直接與油氣層連通的地下水，即油氣層水。2） .狹義的油氣田水即油氣層水的產(chǎn)狀可跟據(jù)水與油、氣分布的相對位置，分為底水和邊水。底水是指含油（氣）外邊界范圍以內(nèi)直接與油（氣）相接觸，并從底下托著油、氣的油氣層水。邊水是指含油氣外邊界以外的油氣層水，實(shí)際上是底水的外延。3） 油氣田水的來源，一般認(rèn)為有以下四種：沉積水、滲化水、轉(zhuǎn)化水、深成水。沉積水：指沉積物堆積過程中保存在其中的水。滲入水：來源于大氣降雨時(shí)滲入到地下孔隙、滲透性巖層中的水。轉(zhuǎn)化水：指在沉積物成巖作用和烴類生成過程中，粘土礦物轉(zhuǎn)化脫出的層間水，有機(jī)質(zhì)向烴類轉(zhuǎn)化分解出的水。深成水：又稱內(nèi)生水，指巖漿游離出來的初生水（原生水）和巖石變質(zhì)過程伴生脫出的變質(zhì)水。一般認(rèn)為油氣田水主要來源于沉積水和轉(zhuǎn)化水，也有少部分來自滲入水和深成水。由于地下溫度、壓力的增加，孔隙水除了經(jīng)歷封閉和濃縮作用外，巖石中的可溶物質(zhì)在水中的溶解度增加，并發(fā)生離子交換作用，使水中的礦化度升高，離子組成發(fā)生改變。因此，在大多