第一章 油氣藏中的流體
(Chapter1 Liquid of hydrocarbon reservoir)
學時：6 學時
基本内容：
① 石油的概念、組成、特征、分類及物理性質。
② 天然氣的概念、産出類型、化學組成及物理性質。
③ 油田水的概念、類型和特征。
④ 油氣的碳、氫穩定同位素。
教學重點：石油的組成和特征，天然氣的産出類型，油田水的類型。
教學内容提要：
第一節 石油
一、石油的概念及組成
石油（又稱原油）：一種存在于地下岩石孔隙介質中的由各種碳氧化合物與雜質組成的，呈液态和稠态的油脂狀天然可燃有機礦産。
（一）石油的元素組成
主要是碳、氫、硫、氮、氧。尤其是碳、氫，兩元素在石油中一般占95～99%，平均為97.5%。除上述五種元素外，在石油中還發現其他微量元素，構成了石油的灰分。
（二）石油的餾分、組分與化合物組成
1．石油的餾分組成
石油的餾分：是利用組成石油的化合物具有不同沸點的特性，加熱蒸餾，将石油切割不同沸點範圍（即餾程）的若幹部分，每一部分就是一個餾分。
2．石油的組分組成
石油的組分：石油化合物的不同組分對有機溶劑和吸附具有選擇性溶解和吸附性能，選用不同有機溶劑和吸附劑，将石油分成若幹部分，每一部分就是一個組分，分别為油質、苯膠質、灑精苯膠質及瀝青質。
3．石油的化合物組成
在近代實驗室中，用液相色譜可将石油劃分為飽和烴、芳烴、非烴及瀝青質。
4．三者的關系
石油的組分、化合物和餾分的大緻對應關系如下：
組分（溶劑分離） 化合物（熱色譜鑒定） 餾分（熱分離）
油質 飽和烴 汽油
苯膠質 芳香烴 煤油
酒精苯膠質 非烴 柴油
瀝青 瀝青質 重油瀝青
二、石油的化合物及特征（本節重點）
（一）烴類化合物
1．正構烷烴
其含量主要取決于：①生成石油的原始有機質的類型；② 原油的成熟度：
在石油中，不同碳原子數正烷烴相對含量呈一條連續的分布曲線，稱為正烷烴分布曲線。
正烷烴分布曲線的應用：判斷成油原始有機質類型、有機質成熟度、油源對比。
2．異構烷烴
以異戊間二烯烷烴最重要，研究和應用最多的是植烷和姥鲛烷。主要來源于植物的葉綠素的側鍊——植醇或色素，為生物标志化合物。常用于油源對比和沉積環境研究。
3．環烷烴
石油中的環烷烴多為五員環或六員環。随着成熟度的增高，由多環向單、雙環轉化，一般，單、雙環占環烷烴的50—55%；三環占環烷烴的20%；四、五環占環烷烴的25%。
4．芳香烴
芳香烴包括苯及其同系物，有多環芳烴和稠環芳香烴。
（二）非烴化合物
1．含硫化合物：主要有硫醇（—SH）、硫化物（—S—）（包括硫醚 R—S—Rˊ、環硫醚）、二硫化物（—S—S—）以及噻吩衍生物。
2．含氮化合物：可分為堿性和中性兩大類。堿性含氮化合物主要是吡啶、喹啉、異喹啉及吡啶的同系物。中性含氮化合物有吡咯、吲哚、咔唑的同系物及酰胺等。原油中含有具有重要意義的中性含氮化合物，即卟啉化合物，它是石油有機成因的重要生物标志物。
3．含氧化合物：主要有酸性和中性兩大類。酸性含氧化合物中有環烷酸、脂肪酸及酚，總稱石油酸；中性含氧化合物有醛、酮等，其含量較少。
三、石油的分類
Tissot和Welte(1978)提出的，該方案中的原油組成數據是指沸點＞210℃的餾分分析數據。該分類采用三角圖解，以烷烴、環烷烴、芳烴＋N、S、O化合物作為三角圖解的三個端元。
分為：石蠟型、環烷型、石蠟環烷型、芳香—中間型、芳香—環烷型和芳香—瀝青型六種類型。
四、海陸相原油的基本區别
海相 |
陸相 |
以芳香—中間型和石蠟—環烷型為主，飽和烴占25—70%，芳烴占25—60%。 |
以石蠟型為主，飽和烴占60—90%，芳烴占10—20%。 |
含蠟量低 |
含蠟量高 |
含硫量高 |
含硫量低 |
V/Ni>1 |
V/Ni<1 |
碳同位素δ13C值>-27‰ |
碳同位素δ13C值<-29‰ |
五、石油的物理性質（簡介）
1．顔色：
2．比重：
液态石油的比重：是指一大氣壓下，20℃石油與4℃純水單位體積的重量比，用d420表示。
3．石油的粘度
粘度分為動力粘度、運動粘度和相對粘度。相對粘度又稱恩氏粘度， 是在恩氏粘度計中200ml 原油與20℃同體積蒸餾水流出時間的比值。常用Et表示。
4．熒光性
熒光性：石油在紫外光照射下可産生延緩時間不足10-7秒的發光現象，稱為熒光性。
5．溶解性
6、凝固和液化
7、導電性
第二節 天然氣
天然氣：廣義上指岩石圈中存在的一切天然生成的氣體。石油地質學中研究的主要是沉積圈中以烴類為主的天然氣。
一、天然氣的分類
按照天然氣的成因可分為有機成因和無機成因兩種類型。
按照天然氣存在的相态可以分為遊離氣、溶解氣、吸附氣和固态氣水化合物。
按照天然氣分布特征可以分為聚集型和分散型。
按照天然氣的成分可分為烴類氣體和非烴類氣體。
二、天然氣的産出類型 （本節重點）
依其分布特征分：聚集型、分散型
1．聚集型
（1）氣頂氣：
（2）氣藏氣：幹氣氣藏和濕氣氣藏。
（3）凝析氣：當地下溫度、壓力超過臨界條件後，由液态烴逆蒸發而形成的氣體稱為凝析氣。開采出來後，由于地表壓力、溫度較低，按照逆凝結規律而逆凝結為輕質油，稱為凝析油。
2．分散型
（1） 油内溶解氣
（2） 水内溶解氣
（3） 煤層氣：指煤層中所含的吸附和遊離狀态的天然氣。
（4）固态氣水合物：是在冰點附近的特殊溫度和壓力條件下由烴分子和一定量的水分子結合而形成的固态結晶化合物。主要分布在凍土、極地和深海沉積物分布區。
三、天然氣的化學組成
天然氣的元素組成與石油相似，以碳、氫為主，碳占65～80%。
天然氣的化合物組成以甲烷為主，其次為重烴氣，并含有數量不等的N2 、CO2、H2S 及其它惰性氣體。
四、天然氣的物理性質（簡介）
1．比重
在标準狀态下，單位體積天然氣與同體積空氣的重量比，即天然氣的比重。
2．粘度
3．蒸氣壓力
氣體液化時所需施加的壓力稱蒸氣壓力。蒸汽壓力随溫度升高而增大。
4．溶解性
在相同的條件下，天然氣在石油中的溶解度遠大于在水中的溶解度。
5．熱值
第三節 油田水
一、油田水的概念及産狀
油田水：從廣義上理解，油田水是指油田區域（含油構造）内的地下水，包括油層水和非油層水。狹義的油田水是指油田範圍内直接與油層連通的地下水，即油層水。
根據水與油、氣分布的相對位置，分為底水和邊水。
二、 油田水的來源和形成（簡介）
油田水來源于水盆地的沉積水、大氣的滲入水、粘土礦物的初生水和地球深處的深層水。
三、油田水組成及特征
1．油田水的組成
（1）無機組成
常用組分：6種陰陽離子 HCO3－、SO42－、Cl－、Ca2+、Na+、Mg2+
微量組成：碘（I）、溴（Br）、硼（B）、鋇（Ba）等幾十種。指示特殊條件，CaCl2+高Br指示封閉環境。
（2）有機組成
油田水中含有氣态烴、液态烴、苯、酚及環烷酸皂等有機組分。
（3）溶解氣
溶解有O2、N2、CO2、H2S 、CH4、He。
2．油田水的特征
油田水的總礦化度：即水中各種離子，分子和化合物的總含量，以水加熱至105℃蒸發後所剩殘渣重量或離子總量來表示，單位ml/l、g/l或ppm。
特征及分布：
①油田水具有高礦化度
①海相沉積油田水礦化度比陸相高
②碳酸鹽岩儲層油田水礦化度比碎屑岩儲層高
③保存條件好的儲層水礦化度比開啟程度高的儲層高
⑤埋藏深的比埋藏淺的地層水礦化度高，但是，由于地質條件變化大，有些地區由于外來水的滲入或水力梯度增大，與油氣有關的地下水礦化度也很低。
四、油田水的類型（本節重點）
在各種分類方案中，以蘇林（Sulin）分類較為簡明，以Na/Cl、(Na-Cl)/SO4和(Cl-Na)/Mg這三個成因系數，把天然水劃分為四種基本類型。蘇林認為，油田水的水化學類型以氯化鈣型為主，重碳酸鈉型次之，硫酸鈉型和氯化鎂型較為罕見。
Sulin 的油田水成因分類表（據Sulin,1946)
水的類型 |
成因系數（濃度比） |
|
|
Na/Cl |
(Na-Cl)/SO4 |
(Na-Cl)/Mg |
大陸水 |
硫酸鈉型 |
>1 |
<1 |
<0 |
|
重硫酸鈉型 |
>1 |
>1 |
<0 |
海水 |
氯化鎂型 |
<1 |
<0 |
<1 |
深層水 |
氯化鎂型 |
<1 |
<0 |
>1 |
五、油田水的物理性質（簡介）
1．比重
2．粘度
3．透明度、顔色
4．氣味
5．導電性
第四節 油氣碳、氫穩定同位素
一、同位素的概念及碳穩定同位素分餾機理（簡介）
同位素：指元素周期表中原子序數相同，原子量不同的元素。
穩定同位素：指原子核的結構不是自發的發生改變。
同位素分餾機理：
1．同位素的交換反應
2．光合作用的動力效應
3．熱力和化學反應的動力效應
4．同位素的物理化學效應
二、穩定同位素在自然界的分布、比值符号和标準
自然界中碳、氫穩定同位素的符号、豐度、比值及标準見下表：
原子序數 |
同位素豐度（%） |
同位素比 |
比值 |
标準及符号 |
比值符号 |
1 |
1H 99.985 2H 0.015 |
2H/1H |
1.5×10-4 |
标準平均大洋水縮寫号SMOW |
δD（‰，SMOW） |
6 |
12C 98.892 13C 1.108 |
13C/12C |
1.12×10-2 |
南卡羅來納州白垩系皮狄組美洲拟箭石縮寫号PDB |
δ13C（‰，PDB） |
同位素比值的的計算：
Rs :為樣品的同位素比值；Rr：為标準的同位素比值。
标準之間的換算公式：
式中：
：為求取對B标準的δ值；
：為測得對A标準的δ值；
RAr、RBr：為A、B标準的
比值。
三、油氣中碳同位素的組成
1．原油
：一般：-22‰～-33‰；平均值：-25‰～-26‰。
①海相：值較高：-27‰～-22‰；陸相：值偏低：-29‰～-33‰。
②随年代變化，微變低。
③随組分分子量的增大，急劇增大。
2．天然氣
随天然氣成熟度的不同而不同：
生物成因氣：≤-60‰～-95‰ 低
熱解成因氣：：-50‰～-20‰ 高
以上兩種氣的混合氣：：-50‰～-60‰
天然氣成份中：
<
<
<
，分子量增加，增大。
3．有機質和沉積物
腐泥型有機質：值偏低；腐殖型有機質：值偏高。
植物：值一般在-24‰～-34‰；水生植物：-6‰～-19‰
海泥有機質：-20‰；淡水有機質：-25‰；湖泥有機質：-29.5‰～-34.5‰
四、氫同位素在油氣中的組成
原油：一般在-80‰～-160‰
δD:飽和烴<芳烴<非烴，
δD與值沒有明顯的相關關系。
天然氣：δD：-105‰～-270‰，
δD與存在不很明顯的關系。
主要參考書或建議閱讀的書籍:
1、柳廣弟主編．石油地質學（第四版）——第一章．石油工業出版社．2009年3月．
2、張厚福主編．石油地質學（第三版）——第一章．石油工業出版社．1999年．
3、陳榮書主編．石油及天然氣地質學——第二章．中國地質大學出版社．1994年．
4、潘鐘祥主編．石油地質學——第二章．地質出版社．1986年．
