油气水的组成和性质
2017-07-30 12:03阅读：
油气水的组成和性质
* 目的意义
* 分析油气的生成、运移、聚集和分布的依据
例如：确定油源的成熟度、运移方向、保存条件
第1节 石油的组成与性质
* 组成
* 物理性质
一、石油的化学组成
油气为可燃有机矿产
* 元素组成 ：C、H、O、C、S
C：84%-87%；H：11%-14%
* 化合物组成：烃类组成占97%-99%，少量非烃。
* 烃类组成：烷烃、环烷烃、芳香烃
* 非烃组成：含S、N、O等杂原子化合物
原油全烃色谱
1、正构烷烃
* CnH2n 2 ：包括正构、异构
* 常温下，C1-C4为气态；
C5-C16为液态；
C17以上为固态。
* 石油中正构烷烃同系物是一个连续的系列。一般在C15以内存在一个极大值，称主峰碳。
原油饱和烃色谱
2、异构烷烃、环烷烃、芳烃
3、石油中的类异戊二烯烃、萜类和甾烷
* 在原油中的含量很少,但具有生物来源的只是意义,称生物标记化合物
* 类异戊二烯烃：具有规则甲基支链的饱和烃，每隔三个碳链（-CH2-）有一个甲基支链。
*
萜类：环状类异戊二烯化合物，每十个碳链（-CH2-）叫一萜，可分单萜（C10）、倍半萜（C15）、二萜（C20）、三萜（C30）等
* 甾烷：甾醇和甾烯类演变而成。
4、非烃化合物——含ONS化合物
1）含硫化合物
* 石油中所含的硫是一种有害的杂质，含硫量常作为评价石油质量的一项重要指标。
* 通常将含硫量大于2%的石油称为高硫石油
* 低于0.5%的称为低硫石油；
* 介于0.5~2%之间的称为含硫石油。
* 一般含硫量较高的石油多产自碳酸盐岩系和膏盐岩系含油层
* 我国原油多属低硫石油(如大庆、任丘、大港、克拉玛依)和含硫石油(如胜利)。
2）含氮化合物
* 石油中的含氮量一般在万分之几至千分之几。
* 石油中的含氮化合物包括碱性和非碱性两类。
* 碱性氮化物多为吡啶、喹啉、异喹啉和吖啶及其同系物
* 非碱性氮化物主要是吡咯、卟啉、吲哚和咔唑及其同系物。其中以金属卟啉化合物最为重要
* 卟啉化合物是石油有机成因的重要证据。
运用含氮化合物特征分析油气运移
3）含氧化合物
* 石油中的含氧量一般只有千分之几，个别石油可高达2~3%。
*
氧在石油中均以有机化合物状态存在，可分为酸性氧化物和中性氧化物两类。前者有环烷酸、脂肪酸及酚，总称为石油酸；后者有醛、酮等，含量极少。
*
在石油酸中，以环烷酸最重要，约占石油酸的90%左右。它多属一元酸类，即有一个羧基，常为环戊烷的衍生物；
*
环烷酸在水中的溶解度很小，高分子环烷酸实际上不溶于水。环烷酸很容易生成各种盐类，其中碱金属的环烷酸盐能很好地溶解于水，在与石油接触的地下水中常含这种环烷酸盐，可作为找油的一种标志。
二、石油的分馏和组成分类
* 1、按石油的馏分
* 轻馏分（－190℃）：石油气、汽油
* 中馏分（190－360℃）：煤油、柴油、重瓦斯油
* 重馏分（>360℃）：润滑油、油渣
石油的馏分与分子组成
*
汽油：C5－C10
*
煤油：C11－C13
*
柴油：C14－C17
*
轻质油：C18－C25
*
润滑油：C26－C35
2、石油按组成的分类
石蜡型：石蜡烃>50%
环烷型：环烷烃>50%
石蜡－环烷型：饱和烃>50%
芳香－沥青型：芳烃>50%, 环烷烃<25%
芳香－环烷型 : 芳烃>50%, 环烷烃>25%
海相石油和陆相石油的组成差别
3、根据有机溶剂选择性溶解分类
*
油质：溶于石油醚而不被硅胶吸附的部分，主要由烃类构成。
*
胶质：溶于苯和酒精，能被硅胶吸附，主要是杂原子化合物。
*
沥青质：溶于氯仿、不溶于石油醚的部分
4、原油组分分析流程
思考：为什么油层中的石油组成会不同？
* 成因不同
* 生油物质不同
* 生油物质的成熟度（温度条件）
* 生油环境（海陆、咸化环境等）
* 次生作用
* 运移过程
* 生物降解和水氧化
* 热蚀变
三、石油的物理性质
* 颜色
* 密度
* 粘度
* 荧光性
* 溶解性
* 导电性
1.石油的颜色
* 从无色、浅黄色、黄褐色、深褐色、黑绿色到黑色。
* 深色占绝大多数
* 颜色与组成有关：胶质-沥青质含量越高，颜色越深
2.石油的密度
* 密度>0.9 称为重质石油
<
轻质
* 大庆：0.857-0.86
* 胜利:0.90-0.93
* 克拉玛依:0.86
* 大港:0.84-0.86
* 与组成有关。密度大小与颜色深浅具一致性。
API与波美度
* 美国使用API：
API度＝(141.5/d15.5℃)－131.5
* 欧洲使用波美度：
波美度＝(140/d15.5℃)－130
* 两者与国际单位在数值上相反
3.石油的粘度
*
动力粘度即绝对粘度:Pa.s
*
运动粘度＝动力粘度/密度:m2/s
*
恩氏粘度为相对粘度，石油粘度/水的粘度
粘度的影响因素
* 与温度、压力、组成有关；地下粘度小于地面状态的
* 当粘度大于10Pa.s, 则归于天然沥青类
*
石油粘度是一个很重要的物理特性，它直接影响石油流入井中及在输油管线中的流动速度，所以在油田开采和石油运输方面都有重要意义
4.荧光性
*
石油及其大部分产品，除轻汽油和石蜡外，无论其本身或溶于有机溶剂中，在紫外线照射下，均可发光，称为荧光。
*
石油发荧光是一种冷发光现象。发光现象可以分为“荧光”和“磷光”，前者是当激发能停止后发光时间不超过10-7秒；而后者是在激发能停止后，继续发光的时间超过10-7秒。
发荧光的原因
* 石油的发光现象取决于其化学结构。石油中的多环芳香烃和非烃引起发光，而饱和烃则完全不发光。
* 轻质油的荧光为浅蓝色，含胶质较多的石油呈绿和黄色，含沥青质多的石油或沥青质则为褐色荧光。
* 发光颜色随石油或沥青物质的性质而变，不受溶剂性质的影响。
* 发光强度，则与其浓度有关
发荧光的地质意义
* 石油的发光现象非常灵敏，只要溶剂中含有十万分之一的石油或沥青物质，即可发光。
*
在油气勘探工作中，常用荧光分析来鉴定岩样中是否含油，并可粗略确定其组分和含量。这个方法简便快速，经济实用。
5.溶解性
* 石油溶于有机溶剂
* 石油在水中的溶解度很低。
*
若以碳数相同的分子进行比较，烷烃溶解度最小，芳香烃最大，环烷烃居中。除甲烷外，各族烃类在水中的溶解度均随分子量增大而减小。
溶解性的影响因素
* 温度
* 由150℃降低到25℃，石油的溶解度会降低78~95%；
* 压力
* 除烷烃中的气态馏分外，压力对烃类的溶解度影响甚微
* 水中无机组分含量和含盐量
* 增加时，烃类的溶解度会降低；
6、导电性
* 石油是不良导体，在地下属高电阻
* 油层在电阻率测曲线上有高值反映
第2节 天然气的组成与性质
* 所谓天然气是指自然界一切天然生成的气体，它们常为各种气体化合物或气态元素的混合物 ；
*
在石油及天然气地质学界所讲的是狭义的天然气，系指与油田和气田有关的可燃气体，成分以气态烃为主，多与生物成因有关；在特定条件下，也可能遇见以非烃气为主的气藏
天然气的组成
*
以甲烷为主,含少量C2-C5烃类；非烃气常为N2、CO2、CO、H2S、H2及微量惰性气体。它们随产状不同，含量变化甚大。
* 与天然气组成有关的名词
* 湿气
* 干气
* 干燥系数（C1/C2 )
* 甲烷系数(C1/C1 )
一、天然气的物理性质
* 分子小
* 密度小
* 溶解度大
* 因此，活动性大、扩散性大，容易迁移
二、天然气的产状
* 气藏气
* 气顶气
* 溶解气
* 凝析气
* 固体水合物
* 吸附气
1、凝析气
* 定义：特殊的气藏气，在地下特定温度、压力下，因逆蒸发作用而形成气相。采出地面时产生少量凝析油。
* 逆蒸发现象：等温减压引起凝结，等温加压导致蒸发的现象
*
形成条件：地层埋藏较深，地层温度介于烃类物系的临界温度与临界凝结温度之间，地层压力超过该温度时的露点压力，这种物系才可能发生显著的逆蒸发现象。
1.1物质的相态变化
* 相关概念
* 正常蒸发与凝结
* 饱和蒸气压
* 将气体液化所需施加的压力(随温度增高而增大)
* 露点压力及露点压力曲线
* （泡点压力及泡点压力曲线）
* 气液两相共存区
* 特征：临界状态:共存的气液两相间的差别消失
* 逆蒸发与逆凝结
* 临界温度
* 液体能够维持液相的最高温度
* 临界压力
* 在临界温度时气体液化所需的压力
二元物质的临界轨迹
* 临界温度
* 最大临界凝结温度
* 露点压力曲线
* 泡点压力曲线
不同物质混合,
临界轨迹不同
地层条件下混合烃类的相图
1.2 利用气体成分确定地下相态
2 溶解气
*
天然气在水中的溶解度是石油的上百倍。
* 溶解度与温度、压力、水的矿化度、二氧化碳含量等因素有关。
* 温度不变时：Q＝C·P：溶解度与压力成正比。
* 较高压力下，温度<80℃时，随温度升高，溶解度下降；
* 温度>80℃时，随温度升高，溶解度上升。
* 地层升降会产生天然气的溶解和脱出现象
3、天然气水合物
* 定义
* 气体分子被天然封存在水的冰晶结构中；是低温高压环境条件下形成的固态产物
气体水合物中气体分子/水分子比率
Gas Hydrates have a global
distribution and occur in both
terrestrial and marine
environments
甲烷水合物是一种含气丰富极大的非常规天然气资源
在标准温度压力下,每立方米水合物约含标准状态甲烷60—172m3,比游离态能储集更多气体,所以,固态气体水合物是一种含气丰度极大的天然气资源。
另，气体水合物在特殊环境下，可成为很好的盖层的；
在钻井过程会出现钻速异常和井喷。
固体水合物的形成条件
* 气体水合物的形成同压力、温度有密切关系 。
* 当温度为0OC时，形成水合物的压力约为2.6MPa;当温度为30
0OC时，形成水合物的压力约为100MPa。
固体水合物分布
* 固体水合物主要分布于极地、永冻带、大洋海底。
* 可用相图来预测
海洋型水合物
* 300-600m深的水柱静压力足以形成水合物所需的压力；
* 主要存在于海底沉积物上部300-1000m
* 更深沉积物地温升高。
固体水合物形成深度与厚度的预测实例
4 吸附气
* 通过分子吸附作用而附着在岩石颗粒表明。
* 例如煤层吸附气。
* 与岩性、温度、压力、热变质程度等因素有关。
* 煤层气有着巨大的潜在资源
煤层甲烷的产出机理
第3节 油田水的组成与性质
* 一、油田水概念及其产状
* 二、油田水的化学组成与矿化度
一、油田水概念及其产状
* 油田区域内的地下水，包括油层水和非油层水。
* 产状：底水、边水
二、油田水的化学组成与矿化度
* 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。
* 1、化学组成（ 指溶质组成）
*
无机离子：Na 、K 、Ca2 、Mg2 、Cl-、SO42-、HCO3-
*
微量元素：I、Br、B、Ba、Sr、F等
*
有机组分：烃类、酚、有机酸、溶解气
油田水与非油田水中有机组分的差异
* 油层水的烃类有气态烃(C1-4烃类)和液态烃。而非油层水中常只含少量甲烷。
*
油层水中苯系化合物含量高,一般可达0.01～1.58mg/l,最高可达5～6mg/l,且甲苯/苯大于1;非油层水中苯系化合物含量低,且甲苯/苯小于1。
*
酚在油层水中含量较高,一般大于0.1mg/l,最高可达10～15mg/l,且以邻甲酚和甲酚为主;非油层水的含量低,且以苯酚为主。
* 油田水中常含数量不等的环烷酸、脂肪酸和氨基酸等。
2、矿化度
* 单位体积油田水中溶解固体物质的总和 ：g/L
* 我国陆相油田水 矿化度较低, 一般低于50g/L
三、油田水的类型
* 以离子含量及其组合关系进行划分：
* 大陆水：Cl-< Na （当量）
* 海水则相反。
* Sulin分类根据 Na/Cl、
(Na-Cl)/SO4、 (Na-Cl)/Mg
分四类。
第4节 碳同位素及其应用
* 具相同质子数(Z)和不同中子数(N)的元素的原子，称为该元素的同位素。
* 碳有C12、C13、C14三个同位素，前两者为稳定同位素，第三者是放射性同位素
一、碳同位素丰度的影响因素
* 碳来源
* 无机碳中的含量高于有机碳中的含量
* 有机分子的大小：越大，含量越高
* 热动力条件：高温形成的含量高
二、碳同位素在石油地质中的应用
* 确定油气来源
* 海相与陆相
* 确定天然气的成因
* 生物成因、热化学成因、无机成因
