第一章 油气藏中的流体
(Chapter1 Liquid of hydrocarbon reservoir)
学时：6 学时
基本内容：
① 石油的概念、组成、特征、分类及物理性质。
② 天然气的概念、产出类型、化学组成及物理性质。
③ 油田水的概念、类型和特征。
④ 油气的碳、氢稳定同位素。
教学重点：石油的组成和特征，天然气的产出类型，油田水的类型。
教学内容提要：
第一节 石油
一、石油的概念及组成
石油（又称原油）：一种存在于地下岩石孔隙介质中的由各种碳氧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。
（一）石油的元素组成
主要是碳、氢、硫、氮、氧。尤其是碳、氢，两元素在石油中一般占95～99%，平均为97.5%。除上述五种元素外，在石油中还发现其他微量元素，构成了石油的灰分。
（二）石油的馏分、组分与化合物组成
1．石油的馏分组成
石油的馏分：是利用组成石油的化合物具有不同沸点的特性，加热蒸馏，将石油切割不同沸点范围（即馏程）的若干部分，每一部分就是一个馏分。
2．石油的组分组成
石油的组分：石油化合物的不同组分对有机溶剂和吸附具有选择性溶解和吸附性能，选用不同有机溶剂和吸附剂，将石油分成若干部分，每一部分就是一个组分，分别为油质、苯胶质、洒精苯胶质及沥青质。
3．石油的化合物组成
在近代实验室中，用液相色谱可将石油划分为饱和烃、芳烃、非烃及沥青质。
4．三者的关系
石油的组分、化合物和馏分的大致对应关系如下：
组分（溶剂分离） 化合物（热色谱鉴定） 馏分（热分离）
油质 饱和烃 汽油
苯胶质 芳香烃 煤油
酒精苯胶质 非烃 柴油
沥青 沥青质 重油沥青
二、石油的化合物及特征（本节重点）
（一）烃类化合物
1．正构烷烃
其含量主要取决于：①生成石油的原始有机质的类型；② 原油的成熟度：
在石油中，不同碳原子数正烷烃相对含量呈一条连续的分布曲线，称为正烷烃分布曲线。
正烷烃分布曲线的应用：判断成油原始有机质类型、有机质成熟度、油源对比。
2．异构烷烃
以异戊间二烯烷烃最重要，研究和应用最多的是植烷和姥鲛烷。主要来源于植物的叶绿素的侧链——植醇或色素，为生物标志化合物。常用于油源对比和沉积环境研究。
3．环烷烃
石油中的环烷烃多为五员环或六员环。随着成熟度的增高，由多环向单、双环转化，一般，单、双环占环烷烃的50—55%；三环占环烷烃的20%；四、五环占环烷烃的25%。
4．芳香烃
芳香烃包括苯及其同系物，有多环芳烃和稠环芳香烃。
（二）非烃化合物
1．含硫化合物：主要有硫醇（—SH）、硫化物（—S—）（包括硫醚 R—S—Rˊ、环硫醚）、二硫化物（—S—S—）以及噻吩衍生物。
2．含氮化合物：可分为碱性和中性两大类。碱性含氮化合物主要是吡啶、喹啉、异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义的中性含氮化合物，即卟啉化合物，它是石油有机成因的重要生物标志物。
3．含氧化合物：主要有酸性和中性两大类。酸性含氧化合物中有环烷酸、脂肪酸及酚，总称石油酸；中性含氧化合物有醛、酮等，其含量较少。
三、石油的分类
Tissot和Welte(1978)提出的，该方案中的原油组成数据是指沸点＞210℃的馏分分析数据。该分类采用三角图解，以烷烃、环烷烃、芳烃＋N、S、O化合物作为三角图解的三个端元。
分为：石蜡型、环烷型、石蜡环烷型、芳香—中间型、芳香—环烷型和芳香—沥青型六种类型。
四、海陆相原油的基本区别
海相 |
陆相 |
以芳香—中间型和石蜡—环烷型为主，饱和烃占25—70%，芳烃占25—60%。 |
以石蜡型为主，饱和烃占60—90%，芳烃占10—20%。 |
含蜡量低 |
含蜡量高 |
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、石油的物理性质（简介）
1．颜色：
2．比重：
液态石油的比重：是指一大气压下，20℃石油与4℃纯水单位体积的重量比，用d420表示。
3．石油的粘度
粘度分为动力粘度、运动粘度和相对粘度。相对粘度又称恩氏粘度， 是在恩氏粘度计中200ml 原油与20℃同体积蒸馏水流出时间的比值。常用Et表示。
4．荧光性
荧光性：石油在紫外光照射下可产生延缓时间不足10-7秒的发光现象，称为荧光性。
5．溶解性
6、凝固和液化
7、导电性
第二节 天然气
天然气：广义上指岩石圈中存在的一切天然生成的气体。石油地质学中研究的主要是沉积圈中以烃类为主的天然气。
一、天然气的分类
按照天然气的成因可分为有机成因和无机成因两种类型。
按照天然气存在的相态可以分为游离气、溶解气、吸附气和固态气水化合物。
按照天然气分布特征可以分为聚集型和分散型。
按照天然气的成分可分为烃类气体和非烃类气体。
二、天然气的产出类型 （本节重点）
依其分布特征分：聚集型、分散型
1．聚集型
（1）气顶气：
（2）气藏气：干气气藏和湿气气藏。
（3）凝析气：当地下温度、压力超过临界条件后，由液态烃逆蒸发而形成的气体称为凝析气。开采出来后，由于地表压力、温度较低，按照逆凝结规律而逆凝结为轻质油，称为凝析油。
2．分散型
（1） 油内溶解气
（2） 水内溶解气
（3） 煤层气：指煤层中所含的吸附和游离状态的天然气。
（4）固态气水合物：是在冰点附近的特殊温度和压力条件下由烃分子和一定量的水分子结合而形成的固态结晶化合物。主要分布在冻土、极地和深海沉积物分布区。
三、天然气的化学组成
天然气的元素组成与石油相似，以碳、氢为主，碳占65～80%。
天然气的化合物组成以甲烷为主，其次为重烃气，并含有数量不等的N2 、CO2、H2S 及其它惰性气体。
四、天然气的物理性质（简介）
1．比重
在标准状态下，单位体积天然气与同体积空气的重量比，即天然气的比重。
2．粘度
3．蒸气压力
气体液化时所需施加的压力称蒸气压力。蒸汽压力随温度升高而增大。
4．溶解性
在相同的条件下，天然气在石油中的溶解度远大于在水中的溶解度。
5．热值
第三节 油田水
一、油田水的概念及产状
油田水：从广义上理解，油田水是指油田区域（含油构造）内的地下水，包括油层水和非油层水。狭义的油田水是指油田范围内直接与油层连通的地下水，即油层水。
根据水与油、气分布的相对位置，分为底水和边水。
二、 油田水的来源和形成（简介）
油田水来源于水盆地的沉积水、大气的渗入水、粘土矿物的初生水和地球深处的深层水。
三、油田水组成及特征
1．油田水的组成
（1）无机组成
常用组分：6种阴阳离子 HCO3－、SO42－、Cl－、Ca2+、Na+、Mg2+
微量组成：碘（I）、溴（Br）、硼（B）、钡（Ba）等几十种。指示特殊条件，CaCl2+高Br指示封闭环境。
（2）有机组成
油田水中含有气态烃、液态烃、苯、酚及环烷酸皂等有机组分。
（3）溶解气
溶解有O2、N2、CO2、H2S 、CH4、He。
2．油田水的特征
油田水的总矿化度：即水中各种离子，分子和化合物的总含量，以水加热至105℃蒸发后所剩残渣重量或离子总量来表示，单位ml/l、g/l或ppm。
特征及分布：
①油田水具有高矿化度
①海相沉积油田水矿化度比陆相高
②碳酸盐岩储层油田水矿化度比碎屑岩储层高
③保存条件好的储层水矿化度比开启程度高的储层高
⑤埋藏深的比埋藏浅的地层水矿化度高，但是，由于地质条件变化大，有些地区由于外来水的渗入或水力梯度增大，与油气有关的地下水矿化度也很低。
四、油田水的类型（本节重点）
在各种分类方案中，以苏林（Sulin）分类较为简明，以Na/Cl、(Na-Cl)/SO4和(Cl-Na)/Mg这三个成因系数，把天然水划分为四种基本类型。苏林认为，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。
Sulin 的油田水成因分类表（据Sulin,1946)
水的类型 |
成因系数（浓度比） |
|
|
Na/Cl |
(Na-Cl)/SO4 |
(Na-Cl)/Mg |
大陆水 |
硫酸钠型 |
>1 |
<1 |
<0 |
|
重硫酸钠型 |
>1 |
>1 |
<0 |
海水 |
氯化镁型 |
<1 |
<0 |
<1 |
深层水 |
氯化镁型 |
<1 |
<0 |
>1 |
五、油田水的物理性质（简介）
1．比重
2．粘度
3．透明度、颜色
4．气味
5．导电性
第四节 油气碳、氢稳定同位素
一、同位素的概念及碳稳定同位素分馏机理（简介）
同位素：指元素周期表中原子序数相同，原子量不同的元素。
稳定同位素：指原子核的结构不是自发的发生改变。
同位素分馏机理：
1．同位素的交换反应
2．光合作用的动力效应
3．热力和化学反应的动力效应
4．同位素的物理化学效应
二、稳定同位素在自然界的分布、比值符号和标准
自然界中碳、氢稳定同位素的符号、丰度、比值及标准见下表：
原子序数 |
同位素丰度（%） |
同位素比 |
比值 |
标准及符号 |
比值符号 |
1 |
1H 99.985 2H 0.015 |
2H/1H |
1.5×10-4 |
标准平均大洋水缩写号SMOW |
δD（‰，SMOW） |
6 |
12C 98.892 13C 1.108 |
13C/12C |
1.12×10-2 |
南卡罗来纳州白垩系皮狄组美洲拟箭石缩写号PDB |
δ13C（‰，PDB） |
同位素比值的的计算：
Rs :为样品的同位素比值；Rr：为标准的同位素比值。
标准之间的换算公式：
式中：
：为求取对B标准的δ值；
：为测得对A标准的δ值；
RAr、RBr：为A、B标准的
比值。
三、油气中碳同位素的组成
1．原油
：一般：-22‰～-33‰；平均值：-25‰～-26‰。
①海相：值较高：-27‰～-22‰；陆相：值偏低：-29‰～-33‰。
②随年代变化，微变低。
③随组分分子量的增大，急剧增大。
2．天然气
随天然气成熟度的不同而不同：
生物成因气：≤-60‰～-95‰ 低
热解成因气：：-50‰～-20‰ 高
以上两种气的混合气：：-50‰～-60‰
天然气成份中：
<
<
<
，分子量增加，增大。
3．有机质和沉积物
腐泥型有机质：值偏低；腐殖型有机质：值偏高。
植物：值一般在-24‰～-34‰；水生植物：-6‰～-19‰
海泥有机质：-20‰；淡水有机质：-25‰；湖泥有机质：-29.5‰～-34.5‰
四、氢同位素在油气中的组成
原油：一般在-80‰～-160‰
δD:饱和烃<芳烃<非烃，
δD与值没有明显的相关关系。
天然气：δD：-105‰～-270‰，
δD与存在不很明显的关系。
主要参考书或建议阅读的书籍:
1、柳广弟主编．石油地质学（第四版）——第一章．石油工业出版社．2009年3月．
2、张厚福主编．石油地质学（第三版）——第一章．石油工业出版社．1999年．
3、陈荣书主编．石油及天然气地质学——第二章．中国地质大学出版社．1994年．
4、潘钟祥主编．石油地质学——第二章．地质出版社．1986年．
