第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质 第一节 石油沥青类概述石油沥青类（Petroleum asphalts, Petroleum bitumens) 天然气、石油及其固态衍生物统称。是可燃有机矿产组成的主要部分第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质可燃有机矿产的主要元素：碳和氢，还会有少量的氧、硫、氮等杂质。从物理状态分类，可燃有机矿产可分为三类：1气态可燃矿产：即天然气。2液态可燃矿产：以石油为代表。3固态可燃矿产：种类较多，包括煤、油页岩、硫磺 及石油衍生物：地沥青、地蜡、石沥青等。第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质油气藏中的流体石油、天然气、油田水 任一个油气藏或油藏 中都存在石油、天然气 、油田水三种流体，而 纯气藏中只有天然气和 油田水。这些流体在圈 闭范围内按重力分异， 在垂向上呈层状分布， 天然气最轻居圈闭顶部 ，石油居中，水在下面 。油气藏中的石油、天然气、油田水三者并非截然分离，气-油 、油-水和气-水之间存在过渡带，它们以一定关系共存于储集层 的孔隙裂缝系统中。 第二节 石油的成分和性质存在于地下岩石孔隙介质中的由各种碳氢化合物与杂质组成的，呈液态和稠态的油脂状天然可燃有机矿产。第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质石油（Petroleum）：指气态、液态、固态的以烃类为主的混合物。 （国际标准化委员会)原油（Crude oil）：采至地表的液态石油。烃类（Hydrocarbons）由碳和氢两种元素构成的化合物。基本概念（一）元素组成 (Elemental composition)元素组成：C、H、O、 S 、N和微量元素（灰分）C、H两元素主要呈 烃类化合物存在，是石 油组成的主体。S、O、N元素组 成的化合物大多富 集在渣油或胶质和 沥青质中。 一、石油的化学成份第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质H：1114% 平均13%C：8487% 平均:84.5%S +N+O+微量 元素：14%S含量具有环境指示意义：海相、近海陆相、陆相碳酸岩和蒸发岩（半咸咸水）S高（）内陆相（淡水）S低（）。按氮组成可分为：N 0.25%： 高氮原油按硫组成可分为：S %： 高硫原油第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质利用发射光谱法和中子活化分析法在石油灰分中 已发现种微量元素，按其含量多少和常见程度列 举如下种元素：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)。特征：这些元素与自然界有机质的元素组成相似， 表明石油与原始有机质存在着明显的亲缘关系。用途：其中V、Ni含量及其比值（V/Ni）已被用来 确定生油岩相、油源对比以及研究油气运移等问题。如V、Ni高且V/Ni1-海相；V/Ni低分子烃，而形成浅色轻质组分（如塔里木）石油受到氧化或菌解而形成黑色的沥青质、炭质:如胜利、克拉玛依。(二) 比重：是指atm下，20石油与4纯水单位体 积的重量比，用d420表示（中国和前苏联）一般介于0.750.98之间，变化大。0.9重质油；1V/Ni- 27碳同位素13C值值1111第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质苏林认为，在油田剖面上部以重碳酸钠型为主， 随着埋深增加，过渡为氯化镁型，最后成为氯化钙型。 油田水的水化学类型以氯化钙型为主，重碳酸钠型次之 ，硫酸钠型和氯化镁型较为罕见。天然水成因分类第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质MgCl2CaCl2NaHCO3Na2SO4苏林分类也存在一些问题，主要是它所 划分的四种水型与天然分布的实际情况存 在很大差别，如我国地表水浅层水常见氯 化镁水型和氯化钙水型，深部地层则也见 到Na2SO4、NaHCO3水型。他的分类缺乏 区分油田水和非油田水的特征参数，而仅 仅是天然水盐类成份的分类。在成因上他 把地下水全看成是地表水渗入而成的。实 际上地下水有海相原生水及内生水（如结 晶水、幔源水等）。第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质四、油田水的物性1相对密度一般1.0，主要是油田水含盐分，且 含盐越大，密度越大。2粘度：一般比纯水高，且溶解的盐份越多，则 粘度越高；温度越高，粘度越低。3颜色及透明度：油田水因含杂质大多不透明， 常带颜色，含H2S时是淡青色；含铁质胶状体时带淡红 色、褐色或淡黄色。4嗅味：水中含石油时，具汽油或煤油味；含 H2S时，具腐蛋味；溶解NaCl时，带咸味；含氯离子 时，带苦味。5导电性：纯水不导电，但油田水导电，且离子 越多，导电性越强。第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质第五节 重质油与固体沥青重质油和固体沥青是石油烃类能源中的 重要组成部分，蕴藏着比常规原油资源数倍 的巨大潜力，广泛分布于世界各地。据统计 ，世界上已发现1046个重质油和特重质油油 藏，地质储量15500108t。我国重质油资源和固体沥青资源的分布 也较为丰富，主要分布在准噶尔盆地、塔北 、柴达木、四川、内蒙、泌阳等15个大中型 含油气盆地。第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质一、重质油的成分和性质原油按粘度、相对密度划分为轻质油、中重油 、重质油、沥青砂四类 。重质油：是指用常规原油开采技术难于开采的 具较大的粘度和密度的原油。国际现用定量指标 来定义。在原始油层温度下脱气原油粘度为（ 1001000）10-3mPaS或者在15.6（60） 及0.1Mpa下密度为9341000kg/m3的原油。第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质（一）重质油的概念：（二）重质油的成分和性质重质油与常规油相比：高分子烃和杂原子化合物含 量较高，在物理性质上具有密度大、粘度大、含胶量高 、含蜡量低、凝固点高的特点。重质油的化学成份与常规油不同。其氧、硫、氮等元素含量高：S：0.41.0%以上， N：0.71.20%。微量元素含量也是常规原油的几倍至几十倍。S、N元素含量偏高的原因：细菌生物降解。族份组成上：重质油饱和烃和芳烃含量小于60%（常规原油60%），非烃和沥青质可达10%30%，个别可达50%。第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质固体沥青是同石油有关的 固态衍生物，多为深褐色至黑 色的有机矿物，化学成分不甚 稳定，也无一定晶形，彼此之 间常呈过渡形式，因此鉴定比 较困难。鉴定固体沥青的标志主要 依靠化学成份、密度、硬度、 稠度、熔点、溶解度、可燃性 、燃烧、火焰及地质产状特征 。固体沥青种类繁多,按成因 及物化性质可分四大类 ：物理分异产产物地蜡 高氮沥沥青 贫贫胶地蜡 风风化产产物软沥软沥 青 地沥沥青 石 沥沥 青硬沥沥青 脆沥沥青腐殖化产产物酸性碳质沥质沥 青 腐殖碳质沥质沥 青 变质产变质产 物碳质质 沥沥青黑沥沥青 焦性沥沥青 碳沥沥青 次石墨二、固体沥青的成分和性质第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质重质油一般是由于地壳抬升或断裂作用破坏了原 始油藏上覆盖层的有效性，使地表水渗入到油藏，使 油藏发生生物降解或氧化而形成。固体沥青则一般是原始油藏已出露地表或近地表 遭受较为彻底的破坏产物。但具体成因较复杂，目前 研究程度较低，尚无明确结论。有些固体沥青如地蜡、软沥青、地沥青及石沥青 等，常在地表成为找油的直接标志，是评价区域含油 气远景的强有力佐证。如柴达木油田的深褐色地蜡、 老君庙油田的黑色沥青、克拉玛依油田的黑色石沥青 。我国老一代地质学家就是依靠这些标志（油气苗） 在西北找到一批油气田。第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质第六节 石油沥青类中的碳、氢、硫、氧、氮同位素同位素：指元素周期表中原子序数相同，原子量不 同的元素（相同质子数和不同中子数）同位素可分为稳定同位素和放射性同位素。稳定同位素：指原子核的结构不会自发改变。放射性同位素：系指能自行蜕变,形成具质子数不同的新原子 同位素。稳定同位素有两个最显著的属性：（1）稳定性：经过复杂的化学反应之后，原子核结构不发生 变化。（2）分馏作用：指同位素在两种同位素比值不同的物质之间 进行分配。油气分析的同位素主要有： C、H、S、O、N。第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质（一） 稳定碳同位素丰度 丰度表示方法国际上趋于使用统一的标准，即美国南卡罗 莱纳州白垩系箭石的碳同位素标准，简称PDB ，其中：C1C12=1123.710-5第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质一、碳同位素（二） 分馏机理 1. 同位素的交换反应指不发发生化学反应应，只是化学物质间质间 ，不同相或单单个分子 发发生的同位素重新分配所引起的分馏馏作用。在温度较较高的地带带大气和水2. 光合作用的动力效应植物在光合作用过过程中，吸收CO2和H2O，致使自身富集12C ，而13C 相对对减小。13C 值值减少 6%。 第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质3. 热力和化学反应的动力效应-C-C-键的稳定性顺序：在低温条件下，形成的烃类，富集12C ；在高 温条件下形成的烃类，富集13C。4. 物理化学效应蒸发作用：气相富集轻同位素12C ，液相富集13C。扩散作用：先扩散部分富集12C ，残余富13C。第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质（三） 油气中碳同位素分布特点 A.原油 13C：-22-33；平均值：-25-26。海相： 13C值较高：-27-22；陆相： 13C值偏低：-29-33。随组分分子量的增大，急剧增大。烷烃正构烷烃；芳烃随环数增加值增大；可溶沥青干酪根。年代越老的石油，12C越富集，13C越少。第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质B.天然气 随天然气成熟度的增高而增大：高温深层富C13，低温浅层富C12生物成因气： 13C -60-95 低热解成因气： 13C：-50-20 高以上两种气的混合气13C ：-50-60同一天然气成份中（有机成因）： 13C1 13C2 13C3 13C4 分子量增加，13C增大。 第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质氢有H1、H2、H3三个同位素。H3是放射性的，半衰期只有12.46年。氢的稳定同位素的相对丰度H1：99.9844%， H2：0.0156%。(一) 丰度表示方法D 或 H2/H1 即（D/H1） D(D/H1)样品(D/H1)标准/(D/H1)标准 1000(D/H1)标准值取海水中的(D/H1)值（SMOW） 二、氢同素 第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质石油中H2含量普遍比水高约60%， 在天然气中可达79.39%。 A、原油中： D一般为：80160 ；天然气：D一般为：105270 ; B、化合物中D：饱和烃芳烃非烃 C、生物成因气： 13C、 D较低热解成因气： 13C、 D较高 D、同油气聚集伴生水中H2含量较高，由于石油与水中的 氢同位素交换，产生了富H2的石油。在古代地层水中H2含 量也增高。(二) 分布特点第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质(三) 氢同位素与碳同位素组成的关系 石油的D与 13C值没有 明显的相关 关系。 第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质天然气的 D与13C值 存在一定关 系。但不很明显 的关系 。 第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质三、硫同位素 硫含有S32、S33