石油地质学基础授课材料(下).ppt
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1、主讲教师:王顺玉,石 油 地 质 学 基 础,西南石油学院资源与环境学院,(下篇),第七章 石油、天然气与油田水,原油的组成及性质天然气的组成及性质地下水的性质和组成,第七章 石油、天然气与油田水,石油(Petroleum)是指从地下深处开采出来的多组分混合物,其主要组成是烃类(烷烃、环烷烃、芳香烃),其次是数量不多但很有意义的非烃组分(含氧化合物、含氮化合物、含硫化合物、胶质和沥青质)。根据石油在地下存在的相态,可以把石油分为:天然气(gas):在标准的温度和压力条件下(760mmHg,15.6)不凝结,以气态的形式存在;凝析油(condensate):在地层条件即地下一定温度和压力条件下呈
2、气态,在地面常温、常压条件下反凝析呈液态;原油(crude oil):在地层条件和地面条件下均呈液态存在。一般来讲,石油都有相似性,但石油的化学组成是不固定的,不同地区、不同层位的石油在物理、化学性质上又存在较大的差异,主要受有机母质类型、热演化程度和油气成藏后的次生变化作用的影响。,一、原油的组成1、元素组成,世界上各油田所产原油的性质虽然千差万别,但它们的元素组成是一致的,基本是由碳、氢、硫、氮、氧五种元素组成,而且主要是碳和氢。它们在原油中含量的一般范围是:碳 83.087.0氢 11.014.0硫 0.058.00氮 0.022.00氧 0.052.00 除碳、氢、硫、氮、氧外,原油中
3、还含有微量的金属和非金属元素,它们的含量一 般只是百万分之几甚至十亿分之几。微量金属元素30多种,有 Fe、Al、V、Ni。,第一节 原油的组成及性质,第一节 原油的组成及性质,2、原油的化学组成 在原油的化学组成中,按照化学结构可分为:烃类(Hydrocarbon):指全部由氢和碳原子构成的化合物(CH4,C2H6.)烷烃、环烷烃、芳香烃,第一节 原油的组成及性质,(1)烷烃:属饱和烃(CnH2n+2)C14气态,C516液态,C17+固态 A.正构烷烃 属直链烃-C-C-C-C-在原油中正构烷烃的含量是较高的,其含量一般为1520。原油中已检测出C1C40的各种正构烷烃。含量高低取决于:(
4、1)生成条件原始有机质的性质。(2)烃源岩的热演化程度。,Heptane(C7H16),Pentane(C5H12),Propane(C3H8),第一节 原油的组成及性质,B.异构烷烃 属侧链烃 在中等分子量范围内最重要的异构烷烃是异戊二烯类烷烃,它们是C9C25的异构烷烃,每隔三个碳原子有一个甲基支链,含量常占原油的1。最重要的是:异戊二烯型烷烃(植烷,姥鲛烷)称谓 指纹化合物 同源石油所含的异戊二烯型烷烃的类型和含量非常相似。,Isopentane,Isobutane(C4H10),第一节 原油的组成及性质,(2).环烷烃化合物 A.概念:具有三个碳原子以上,单链相连,呈闭合环状结构的烃类
5、称环烷烃。有:单环 双环 多环 B.分布:在碳数小于10的轻馏分中,环己烷、环戊烷及其衍生物是石油的重要组分,特别是甲基环己烷和甲基环戊烷常常是最丰富的。中等到重馏分(C10C35)的环烷烃一般由15个五员环和六员环组成。其中单环和双环烷烃占环烷烃总量的5055,三环烷烃占20。四环和五环环烷烃平均占碳数大于10的环烷烃的25,它们的结构与四环甾族化合物和五环三萜烷直接相关。,cyclohexane,第一节 原油的组成及性质,(3).芳香烃化合物 概念:具有六个碳原子和六个氢原子组成的特殊碳环苯环的化合物。类型及含量:单环型苯 甲苯 对二甲苯;多环型联苯 三苯甲烷;稠环萘 蒽 菲,含二个或多个
6、苯环,共用二个相邻碳原子稠合而成。其中13环的苯、萘和菲系列含量最高,占芳香馏分的70左右,而四环以上的芳烃仅占不到10。,naphthalene,第一节 原油的组成及性质,非烃类原油中,氧、氮、硫三种元素的质量分数一般仅为2左右,但其化合物却达1020,甚至更多。主要集中在原油的高沸点馏分中。原油中非烃主要有:含氧化合物、含硫化合物、含氮化合物。(1)含硫化合物:有害物质,对机器、管道、油罐、炼塔腐蚀。所有原油中都含有一定量的硫,但不同原油的含硫量相差很大,从万分之几到百分之几。原油中有机硫化物已鉴定出250种。除元素硫以外,主要以硫醇、硫醚和噻吩类等出现评价石油质量的重要指标:含量 2%高
7、硫原油(碳酸盐岩 膏盐岩含油层)0.5 2%含硫原油 0.5%低硫原油(砂岩地层),thiophene(C4H4S),Sulphur Compounds,第一节 原油的组成及性质,(2)含氮化合物:原油中的氮含量通常在0.050.5范围内。原油中的氮含量是随馏分沸程的升高而增加的。原油中氮约有90存在于渣油中。对于原油中的含氮化合物,尤其是较重馏分中的含氮化合物,由于在分离和鉴定上的困难,迄今尚未完全弄清楚,一般按酸碱性分为碱性和非碱性两大类。对碱性含氮化合物研究较多,已鉴定出大约80多种单体化合物,主要是吡啶、喹啉、异喹啉的同系物和卟啉。卟啉化合物是石油有机成因的重要生物标志物。中性含氮化合
8、物有吡咯、吲哚、咔唑的同系物等。用途:石油有机成因证据之一。,第一节 原油的组成及性质,(3)含氧化合物:大多数原油中的含氧量在0.11.0之间,个别的达3.0。主要有:醇(ROH)、酚(ArOH)、醚(ROR)、醛(RCOH)、酮(RCOR)和酸(RCOOH)。原油中含氧化合物主要是酸性含氧化合物,其中环烷酸最多,占酸性物质90以上。地层水和原油中酸性含氧化合物对储集层次生孔隙的形成具有重要的意义。通常认为岩石次生孔隙的形成与地层水的酸性有关。研究表明低分子有机酸的酸性明显较CO2高。,Oxygen Compounds,第一节 原油的组成及性质,3、族组成饱和烃:芳香烃:胶质:胶质多为棕黄色
9、到黑色的粘稠状液体和半固体。可溶于低分子量的正构烷烃和苯、石油醚、三氯甲烷、四氯化碳等有机溶剂,分子量一般在5001200之间,其中氧占28,硫占0.55,氮占2左右。相对密度为11.1。胶质有很强的着色能力,原油的颜色主要是由胶质引起的。主要由缩合芳香烃和环烷烃组成,部分是杂环,环间由脂肪链联结。沥青质:沥青质多为脆性固体黑色粉末,不溶于低分子量的正构烷烃,但可溶于苯、石油醚、三氯甲烷、四氯化碳等有机溶剂,其分子量在100010000之间。其元素组成与胶质无多大差别,主要是O、S、N等杂原子含量更高。沥青质结构是多环的,以缩合芳香核为主,它们形成的沥青质质点,大小在50100之间。,第一节
10、原油的组成及性质,第一节 原油的组成及性质,二、石油的类型,第一节 原油的组成及性质,(一)颜色(color)浅黄色黑,但深色石油居多。黑色金子。烃类组成(轻质,重质成分含量),重质油、稠油色深,凝析油、轻质油色浅。(二)相对密度(Gravity)相对密度:20的石油与5纯水单位体积的重量比。D204d20:0.751.00,也有1.0者(伊朗、加州、墨西哥,我国孤岛馆陶组石油:0.931.026。前苏联苏拉汉石油0.71)美国:API度=141.5/d(15.5)-131.5(高者轻,低者重)(15.5时)1.0相当于API度:10度;(15.5时)0.85相当于API度:35度决定因素:1
11、 胶质 沥青质含量;2 大分子烃类含量;3 溶解气含量重油、轻质油界线:国际0.934;我国0.92;(三)粘度(Viscosity)以下数十万mPa.s。受温度影响极大,压力加大亦有增加。决定因素:组成,溶解气含量稀油:100mPa.s普通稠油:10010000mPa.s特稠油:10000mPa.s50000mPa.s超稠油:50000mPa.s,三、石油的物理性质,第一节 原油的组成及性质,(四)荧光性(Fluorescence)紫外线照射下发光荧光。多环芳烃及非烃引起发光,饱和烃则不发光。荧光分析(十分灵敏)轻质油:浅兰色;胶质多者:绿黄;沥青质多者:褐色。(五)旋光性 当偏光通过石油时
12、,偏光面会旋转一定角度,这种特性称为旋光性。左旋物质,右旋物质,天然石油多为右旋。0.1度几十分。(五)溶解性 烃类难溶于水,易溶于氯仿,四氯化碳,苯,石油醚等有机溶剂。(六)导电性(Conductivity)高电阻率电阻率测井,第二节 天然气的组成及性质,一、天然气的组成1.元素组成 C、H 为主,少量 N、O、S。含量:C 65-80%H12-20%2.化合物组成烃类:通常甲烷占绝对优势,并有数量不等的重烃气(C2+),但在某些原油伴生气(气顶气和油溶气)中,重烃气含量可以超过甲烷。重烃气(C2+)中以乙烷和丙烷最为常见,含量亦高,碳数大于4的重烃气含量较低,在多数情况下含量随碳数的增加而
13、减少。干气(dry gas):CH4 95%蓝色火焰,少含汽油蒸汽。湿气(wet gas):含重烃气,黄色火焰。,第二节 天然气的组成及性质,非烃:CO2、N2、H2S、H2、CO、SO2、Hg等以及微量的惰性气体(氦、氖、氩、氪、氙等),有时还含有少量的有机硫、氧、氮化合物。一般含量少,少数例外,如:美国:本得隆起 二迭系砂岩气藏 N2 达8.6%(Nitrogen)中国:广东 三水盆地 砂头峪气田 CO2达99.5%(Carbon dioxide)河北 赵兰庄油气田 孔一段 H2S 达92%(Hydrogen sulfide),第二节 天然气的组成及性质,1气藏气(干气,贫气):烃类气体单
14、独聚集成藏,不与石油伴生。C1一般大于95%,重烃气含量极少(14%)。N2为主的气藏数量10%,CO2或H2S为主的气藏1%我国天然气储量规范:H2S0.5%,CO25%,He0.1%,都要计算其储量2气顶气(湿气,富气):与石油共存于油气藏中,呈游离气顶状态的天然气。重烃含量可达百分之几几十(仅次于甲烷)(gas cap)3溶解气(dissolved gas):地层条件下溶解在石油和水中的气体。-湿气重烃含量变化大:2080%原始溶解气油比变化大:几上千m3/m3水中溶解气应注意:0.0几5m3/m3 压力 溶解度,矿化度 溶解度。4凝析气(condensate gas):当地下温度压力超
15、过临界条件后,液态烃逆蒸发形成凝析气。-湿气,采出过程中反凝析出凝析油。5天然气水合物甲烷水合物,高压、一定温度下:甲烷分子封闭在水分子所形成的固体晶格中(油藏物理P123124页)-冰冻甲烷6水溶气,二、天然气的赋存形态,第二节 天然气的组成及性质,三、天然气的物理性质1密度:标准状况下,单位体积天然气与同体积空气的重量比值。0.50.7g/cm3。2粘度:与化学组成及所处的温度、压力有关,0.012mPa.s。分子量增加粘度减小;温度、压力增高,粘度增大。3蒸气压力:气体液化时所施加的最低压力称蒸气压力。分子量越小,蒸汽压越大。4溶解性:易溶于石油和水,与温度、压力有关。5热值:每立方米天
16、然气燃烧时所发出的热量。与重烃含量有关。热值排序:煤 干气 石油 湿气 氢气,四、天然气的成因类型,第二节 天然气的组成及性质,第三节 油田水的组成及性质,一、油田水的概念及来源(一)油田水的概念广义的油田水是指油田内的地下水,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。(二)油田水的来源 油田水的来源是一个极为复杂而尚未取得统一认识的问题。一般认为可以有以下三种来源:(1)沉积水;(2)渗入水;(3)深成水。,第三节 油田水的组成及性质,二、油田水的矿化度及化学组成(一)无机组成 大量组成:在常规水分析资料中,常用Na+(包括K+)、Ca2+、Mg2+和
17、C1-、SO42-、HCO3-(CO32-)等6个阳、阴离子,代表大量无机组成。微量组成:有几十种元素,其中有些组合特征、异常值或比值,能反映油田水的起源、沉积环境、水的浓缩程度及水文地质的封闭性。水的总矿化度:地下水中各种离子、分子和化合物的总含量。单位:mg/L。,第三节 油田水的组成及性质,(二)有机组成 油田水中常见的有机组成有:烃类、酚和有机酸。,第三节 油田水的组成及性质,三、油田水的类型,第八章 油气的生成,油气成因理论研究概况生成油气的原始物质 油气生成的地质环境 有机质向油气转化的能源条件 油气生成的热演化模式,第一节 油气成因理论研究概况,一、无机成因论 石油工业发展早期,
18、从纯化学角度出发,认为石油是无机成因的。无机成同说大致可归纳为两类:一类是地深成因说,认为轻类形成于地球深处;另一类是宇宙成因说,认为烃类早在地球形成的宇宙阶段即已形成。其主要依据:实验室中,从无机物制得了烃类。如门捷列夫用盐酸加在含锰生铁上获得烃类;天体光谱分析,有碳、氢和烃类;火山喷出气体、岩浆岩的包裹体中含烃;陨石中鉴定出烃类。尽管这些依据都是事实,但无机成因论者的致命点是脱离了地质条件来讨论油气的成因,而且将宇宙中发现的简单烃与地球上组成复杂的石油等同起来。,第一节 油气成因理论研究概况,二、有机成因论 随着油气勘探和生油研究不断深入,无机成因论逐步为有机成因论所代替。有机成因论的主要
19、论据:世界上90%以上的石油产于沉积岩区;而与沉积岩无关的大片岩浆岩、变质岩区没有产出石油;少量工业油流的岩浆岩、变质岩都与沉积岩毗邻;介壳灰岩及其晶洞和泥岩中的砂岩透镜体这些封闭空间中所含的油气,只能来源于沉积岩中有机质;油气中先后鉴定出很多与活生物体有关的生物标志化合物;油气中烃类与生物体中类脂物、沉积有机质在元素组成、化学成分及结构上都存在着相似性和连续性。实验室中模拟地下条件,从多种有机质中获得了烃类。总之,油气的有机成因说,由于充分考虑了油气的生成和产出的地质、地球化学条件。深入对比了油气及有机质的组成特征,因此,更能说明油气的成因。为绝大多数石油地质,地球化学工作者所接受。现代研究
20、证明,部分天然气则很可能是无机成因的。在油气生成的机理和时间上,亦有早期生成论和晚期生成论之争。,第一节 油气成因理论研究概况,晚期成油论的主要依据:世界油气的分布有一定的深度范围,太浅、太深都很少。,第一节 油气成因理论研究概况,据哈尔布蒂(1970)统计,全世界266个“巨型”油田(可采储量5亿桶),其产层深度为:产层深度(米)占“巨型”油田总储量的 2400 13根据兰迪斯(1967)统计,在19491965年期间发现的产层深度4570米的油气田,其中4/5是凝析气田和干气田。世界油气分布与地温的关系更加密切。据统计,世界上99的油田,油藏温度148.9,其中 油藏温度 121 湿气、凝
21、析油藏温度 121149 干气藏温度 149177 工业性气藏很少 177204 无工业性气藏 204世界油气分布的温度,又随生油层的年代而变化。,第一节 油气成因理论研究概况,晚期成油论的意义 提出了生油岩“成熟度”的概念;指出石油的生成需要一定的温度;生油过程有阶段性;从而区分出未成熟生油层与成熟生油层、过成熟生气层;并且提出了一套划分成熟度的指标;预测一个盆地能找到油还是能找到气,如是根本没有成熟生油层,找油希望甚小;根据不同演化阶段的生油率,更精确地计算生油量。,第一节 油气成因理论研究概况,干酪根热降解成油论 依据:现代沉积物中干酪根多;古代岩石中干酪根少,因为消耗于生成石油。据测定
22、:55个现代沉积物的干酪根含量为9597;烃类含量65ppm;791个古代页岩的干酪根含量为 90;烃类含量300ppm;289个古代碳酸盐岩的干酪根含量为65;烃类含量340ppm;,第一节 油气成因理论研究概况,从干酪根到可溶沥青到原油,元素组成有规律地递变,说明它们之间有成因联系。,第一节 油气成因理论研究概况,在自然剖面上可观察到;随理深增大、温度压力增高,干酪根逐渐因消耗于生油而减少,MAB抽提物也减少,含O、N、S化合物略有增多,特别是到了一定深度,烃类明显增多,这是干酪根生油的自然实例。,第一节 油气成因理论研究概况,实验室同样模拟出干酪根生成石油的过程。干酪根在人工加温热降解过
23、程中,先是生成液态烃,然后液态烃裂解,生成气态烃。,法国石油研究院人工加热现代沉积物中的干酪根实验结果(以产物占干酪根质量分数表示),第一节 油气成因理论研究概况,干酪根热降解成油理论在生物化学作用阶段,各种有机碎片结合成不同类型的不溶“干酪根”;在成岩作用阶段和深成作用阶段早期,随着温度升高,干酪根核与核之间或核外的桥键,先沿“薄弱环节”即ON一S等极性键断开,然后是脂链发生断裂;沥青和烃类脱离干酪根核的束缚,从不溶转入可溶状态,“游离”在生油岩中成为“原始”的石油烃和“游离”沥青组份;深成作用阶段后期和变质阶段的更高温度下,游离沥青继续脱去ONS等杂原子,烃类则从长链断裂成短键,最终变成C
24、H4气体;与此同时,干酪根的核则不断缩合,最后只剩下碳原子,变成石墨两极分化。干酪根热降解成油论在油气勘探中的应用不同类型干酪根的热降解产物不同。例如本质素单体,一般热降解最易生成 C1C3的气态烃;不同类型干酪根生成的油化学组成也不同;不同类型干酪根的成熟门限及成油带厚薄、成气带深浅部不同;不同类型干酪根的生油潜力不同。因此,在油气资源评价中必须区分生油岩的干酪根和母质类型,以使预测找油找气潜力,分别计算生油量和生气量。,第二节 生成油气的原始物质,一、沉积有机质的形成和分布 脂类脂肪酸和醇 蛋白质氨基酸 碳水化合物糖 木质素芳香酸、酚等 有机物质分解中的产物富含活泼官能团,如:OH、COO
25、H等,因此分解产物相互作用合成新的物质是必然的结果。在演化过程中,有机质中C增加,O减少,芳香核的缩合程度增加,分子量增大,逐渐形成不溶于酸、和碱及有机溶剂的中性有机聚合物,这个过程称为非溶解作用。脂类 生物当作能源利用,从而参加了生物圈有机碳的再循环 生物有机质 蛋白质 经过物理一化学作用而变为简单的分子,如CO2、H2O等的化学组成 碳水化合物 进入沉积物中形成沉积有机质,没有经历完全的再循环和 木质素 物理一化学分解,占生物原始数量的极小部分,第二节 生成油气的原始物质,沉积有机质:指来源于活的生物的遗体及其分泌物和排泄物,直接或间接进人沉积物中,或经过生物降解作用和沉积埋藏作用被掩埋在
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