第一章 油气藏中流体

石油及天然气地质学中国地质大学（武汉）2015年3月PetroleumandNaturalGasGeology授课老师：王芙蓉E-mail:[e-mail]油气藏中有哪些流体？第一章油气藏中的流体天然气地层水问题：为什么气居上、油居中、水在下方？石油第一节石油（原油）CrudeOil第二节天然气NaturalGas第三节油气田水OilandGasFieldWater第四节油气显示OilandGasShows第五节油气的碳、氢稳定同位素CarbonandHydrogenStableIsotopes一、石油的概念及组成（一）石油的概念石油：以液态形式存在于地下岩石孔隙中的可燃有机矿产。成分上以烃类为主，并含有非烃化合物及多种微量元素；相态上以液态为主，并溶有大量烃气和少量非烃气以及固态物质。石油没有固定的化学成分和元素含量，但元素含量有一定的范围。（二）石油的元素组成石油的元素组成主要是C、H，其次是S、N和O，并含有几十种微量元素。根据Hunt(1979)，石油元素含量如下表：第一节石油(CrudeOil)元素CHSNOTraceElements含量变化（%）83-8711-140.01-100-1.70.1-4.5几十种平均含量（%）84.5130.650.50.5n/10000备注1%高硫石油1%低硫石油0.25%高氮石油0.25%贫氮石油海相石油V/Ni1陆相石油V/Ni1原油产地井号井深（m）层位w(C)/%w(H)/%w(S)/%w(N)/%w(O)/%H/C原子比南阳凹陷魏1911335.8-1478.0Eh381.2916.040.410.232.032.37魏1251408.8-1435.6Eh283.4915.470.220.240.592.22张13031893.0-2102.0Eh283.5315.750.310.150.262.26泌阳凹陷古4705610.0-638.8Eh383.7313.990.531.270.472.01杨21218794.0-812.0Eh384.3813.170.261.181.001.87双T306L1375.6-1380.3Eh382.2715.930.240.580.982.32泌2523227.9-3421.6Eh382.8115.140.800.640.602.19江陵凹陷陵761771.6-1780.0Ex84.5214.280.450.340.412.03鄂深142544.0-2546.8Es85.0614.460.240.160.082.04鄂深72696.5-2698.5Ej83.3713.151.690.850.941.89平均值83.4514.740.510.560.742.12我国若干含油凹陷原油元素组成表石油中硫含量平均为0.65%，大多数含量小于1%，属于低硫石油；海相环境和陆相蒸发岩环境中的沉积有机质形成的石油硫含量高，可达5%，被严重降解的石油硫含量可高达10%。（三）石油的馏分组成石油的馏分：原油在一定沸点区间蒸馏产生的各烃类化合物的混合物。石油炼制上为人们所常用石油的馏分如下表（据Hunt，1979；潘钟祥，1986）馏分轻馏分中馏分重馏分石油气汽油煤油柴油重瓦斯油润滑油渣油温度（oC）3535-190190-260260-320320-360360-530（500）530（500）各馏分体积（%）（35度API）0C1-C427C5-C1013C11-C1312C14-C1810C19-C2520C26-C4018C40（四）石油的组分和化合物组成石油中不同组分的化合物由于分子结构的差异，对吸附剂和有机溶剂具有选择性吸附和溶解的性能。石油可分成饱和烃、芳烃、胶质和沥青质4种组分。石油的化合物组成主要可分为烃和非烃两大类：/正构、异构烷烃（石蜡烃）\环烷烃芳烃－芳烃和环烷芳烃/胶质\\沥青质/据Hunt（1979）对比重为35°API的环烷型石油的分析，各类化合物的质量百分比为：石蜡烃25％，环烷烃50％，芳烃17％、非烃（胶质和沥青质）8％。饱和烃/烃\非烃/石油\含硫、氮、氧化合物多环芳烃双环芳烃单环芳烃异构烷烃＋环烷烃正构烷烃液相色谱、氧化（或层析）胶质芳烃饱和烃元素分析红外光谱核磁共振气相色谱气相色谱、质谱色谱－质谱联机5×10-10m分子筛（或尿素络合）烃类＋胶质沥青质＞210℃馏分轻馏分原油（正庚烷冲洗）（苯冲洗）（吸附在色层柱内）液相色谱氧化铝、硅胶柱（或层析）元素分析红外光谱核磁共振用正己烷沉淀气相色谱蒸馏气相色谱气相色谱、质谱、色－质联机气相色谱、质谱、色－质联机石油组分分析流程图沉淀物可溶物（五）石油馏分组成与化合物组成关系石油不同馏分中各种化合物含量百分比不同。特点：（1）随馏分沸点增加，化合物分子量增大，化合物C数增加；（2）随馏分沸点增加，石蜡烃和芳香烃含量明显减少，胶质含量明显增加。沸点增加，C数增加，分子量增加二、石油的化合物组成（一）正构烷烃（CnH2n+2）石油中正构烷烃主要是C1-C45，可分离鉴定出C90以上的正烷烃，大部分小于C35。正烷烃一般占石油质量的15~25%，轻质石油可达到30%以上，重质油可小于15%。在常温常压下，C1-C4为气态，C5-C15为液态，C16以上为固态。不同成因石油的正构烷烃分布曲线不同，主要有三类。1.主峰小于C15的前峰型，且主峰区较窄；2.主峰在C15-C25之间的中峰型，且主峰区较宽；3.主峰大于C25的后峰型，且主峰区较宽。（二）异构烷烃（CnH2n+2）石油中的异构烷烃以≤C10的为主，C11-25较少，且以类异戊间二烯型烷烃最重要。石油中的类异戊间二烯型烷烃一般认为是由叶绿素的侧链即植醇演化而来，为生物标志化合物。其中最丰富的是姥鲛烷(Pr)和植烷（Ph）。（三）环烷烃（CnH2n）低分子量（C10）的环烷烃，其中尤以环戊烷和环己烷及其衍生物是石油的主要组分，中等到大分子量C10-35）的环烷烃可以是单环到六环。环烷烃以单环和双环最为重要，占质量的50%-55%，三环占20%，四环以上占25%左右。四-五环的环烷烃结构与生物体中的四环甾族化合物和五环三萜烯类化合物有明显的相似性，并具旋光性，是石油有机成因的重要证据之一。（四）芳烃和环烷芳烃石油中芳香烃有苯（一环CnH2n-6型）、萘（二环CnH2n-12型）、蒽和菲（三环CnH2n-18型）和苯并蒽和屈（四环CnH2n-24型）。其中以苯、萘、菲三种化合物含量最多。石油中环烷芳烃主要是茚满和萘满以及它们的甲基衍生物。最重要的是四环和五环的环烷芳烃，它们大多与甾萜化合物有关，是生物标志化合物。崫草（五）含硫、氮、氧化合物1.低-中分子量化合物：含S：硫醇、硫醚、二硫化物和噻吩类；含N：喹啉、苯并喹啉、吡啶和咔、唑及其衍生物；含O：有机酸、酚和酮。2.高分子量化合物：主要在胶质和沥青中（如卟啉），这部分化合物研究程度差。生物标志化合物：沉积物和石油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留下来的有机化合物。又称“分子化石”、“指纹化合物”或“地球化学化石”。主要有：正构烷烃、类异戊间二烯烷烃、萜类和甾类以及卟啉化合物。（六）生物标志化合物三、石油的分类（一）分类原则和方法原则：（1）石油类型与石油的成因应该有联系；（2）简明、方便。（二）石油分类与其它分类一样，石油分类有很多，我们推荐的分类是Tissot和Welte（1979；1984）分类。他们发现石油饱和烃含量在不同成因类型石油中含量有所不同。根据上述思想，1978年提出了他们的分类方案。芳烃+NSO：60%正+异构烷烃：20%环烷烃：20%问题：芳烃+NSO：20%正+异构烷烃：50%环烷烃：30%四、海相与陆相石油的基本区别1、海相石油以芳香—中间型、石蜡—环烷型为主；陆相石油以石蜡型为主，部分为石蜡—环烷型。2、海相石油以低蜡为特征（均小于5%）；陆相石油以高蜡为特征（普遍大于5%）。3、海相石油一般高硫（一般大于1%）；陆相石油以低硫为特征（一般小于1%）。4、海相石油V、Ni含量高，且V/Ni大于1；陆相石油V、Ni含量较低，且V/Ni小于1。5、海相石油一般比陆相石油的δ13C高。例如，第三纪海相石油δ13C一般大于-27‰；而第三纪陆相石油δ13C较小，一般小于–29‰。（注：δ13C=（RS/Rr—1）׉（RS（样品）=13C/12C，Rr（相对标准）=13C/12C）石蜡型石蜡-环烷型环烷型芳香-中间型芳香-沥青型芳香-环烷型陆相海相五、石油的物理性质（一）颜色在透射光下，乳白、浅黄、褐黄、褐、浅红、棕、黑绿和黑色。石油颜色与胶质和沥青的含量有关，含量愈高颜色愈深。（二）密度和相对密度1、密度：多为0.75—0.93g/cm3。2、相对密度：有两类：（1）地质上的，d420=do20C/dw4C（无量纲），或ρor=do60F/dw4C（无量纲），其中：0.9称为轻质石油，0.9—0.93称为中质石油；0.93称为重质石油。相对密度随化合物分子量和胶质、沥青含量的增大而增大。（2）商业上的，API=141.5/ρ60F—131.5（度）。API与ρ60F呈相反关系。（三）粘度（油的粘度取决于石油的化学组成、温度和压力）1、动力粘度（绝对粘度μ）：μ=K·F·P/Q·L（Pa·S)；当常温常压下石油的动力粘度大于10Pa·S时，归为天然沥青。2、运动粘度（ν）：ν=μ/ρ=(ρ为流体密度）（m2s-1)。3、相对粘度（又称恩氏粘度）（Et）：在恩氏粘度计中200ml的石油与20C的蒸馏水在直径2.8mm的细管流出时间（约50s）之比。问题：石油的颜色、成份、密度和粘度之间有什么关系？密度0.9，轻质油0.9-0.93，中等原油0.93-0.98，重质油0.98，特重油重质油及以上原油用常规方法是不能开采的。粘度：几-几十mPa.S，正常原油100-10000，普通稠油10000-50000，特稠油50000，超稠油（四）溶解性石油可溶解于多种有机溶剂，例如溶剂：苯、氯仿、二硫化碳、四氯化碳、乙醚等等。在水中溶解度很低，但随水中二氧化碳和烃气的含量增加，溶解度明显增加，有利于初次运移。（五）凝固和液化石油没有明确的凝固点，当温度降低时，常出现固态与液态之间的过渡状态。例如：富含石蜡的石油降低到一定的温度（结蜡点）时，固态蜡从油中析出，开始凝固，温度进一步降低才完全凝固；富含沥青的石油随温度逐渐降低变稠，温度进一步降低才完全凝固。凝固温度与含蜡量和烷烃化合物碳原子数成正相关。（六）导电性石油基本上是绝缘体。（七）荧光性荧光性：在紫外光照射下发出荧光的特性。石油的荧光颜色随非饱和烃含量及其化合物分子量的增加而加深。芳烃呈天蓝色，胶质呈黄色，沥青质呈褐色。（八）旋光性旋光性：旋转偏振光震动面的特性。分右旋和左旋。大多石油旋光性为右旋。旋转角小于几度。石油的旋光性与结构不对称的生物标志化合物有关，因此，石油的旋光性是石油有机成因的证据。（九）热值单位体积或质量石油的发热量（单位1kcal-4.186kJ）。石油的热值1—1.1×104×418.6J/kg。1kg碳燃烧可放出8000kJ热量，1kg氢可到34200kJ。（十）界面现象石油与其他物质一样，都有各种界面现象。燃料热值（J/kg）干木柴焦炭酒精木炭（完全燃烧成CO2）木炭（不完全燃烧成CO）12.6×10629.8×10630.2×10633.5×10610.5×106煤气高炉煤气发生炉煤气水煤气沪州天然气专用燃料油41.9×1063.7×1065.0×1061.1×10636.1×10641.3×106柴油石油煤油汽油氢气泥煤褐煤烟煤无烟煤硝棉火药硝棉（干）硝化甘油火药硝化甘油42.7×10644.0×10646.1×10646.1×106142.5×10613.8×10616.8×10629.3×10633.5×1063.8×1064.6×1065.1×1066.3×106标准燃料29.3×106（J/kg