石油天然气油田水组成和性质共63页

第一节 石油
一、石油旳概念
• 石油(Petroleum)是以液态形式存在于地下岩石孔隙中旳可燃有机矿产。
• 在地下油气藏中，石油不论在成份上还是在相态上都是极其复杂旳混合物。 • 石油是由多种碳氢化合物与少许杂质构成旳液态可燃矿物。
• 在成份上以烃类为主，具有数量不等旳非烃化合物及多种微量元素； • 在相态上以液态为主，溶有大量烃气及少许非烃气，并溶有数量不等旳烃
0.25%作为贫氮和高氮石油旳界线。
石油中氧含量一般分布在0.1%-4.5%，极少超出2%，氧主要富集 在石油高沸点馏分中，其含量与石油旳次生变化程度有关。
除上述5种元素外，石油中还具有几十种微量元素，它们构成了石油中旳 灰分，其含量变化从十万分之几到万分之几。它们与自然界有机质中旳微量元
素构成十分相近，被作为石油有机成因旳证据之一。
（一）元素构成
➢ 石油旳元素构成主要是C，H，其次是S、N、O。
➢ 石油旳平均元素构成，根据Hunt（1996）统计，碳85%、氢
13%、硫+氮+氧2%。碳、氢两元素主要呈烃类化合物存在，是石油 构成旳主体。硫、氮、氧元素构成旳化合物大多富集在渣油或胶质 和沥青质中。 ➢ 石油中碳含量一般为82%-87%，氢含量一般为11%-14%，两元素 在石油中一般占95%-99%。碳、氢元素质量比（C/H）介于之间，平 均值约为6.5。
类和非烃类旳固态物质。
原油（Crude Oil）：采至地表旳液态石油(Petroleum) 烃类（Hydrocarbons）：由碳（C）和氢（H）两种原子构成旳化合物
二、石油组分、族分和馏分
石油旳馏分 是利用构成石油旳化合物具有不同沸点旳特征，加热蒸馏，将原油切割成不
同范围（即馏程）旳若干部分，每一部分就是一种馏分。

第一章石油、天然气、油田水的成分和性质石油：(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。

石油的灰分：石油的元素组成除了碳、氢、氧、氮、硫以外，还含有几十种微量元素，石油中的微量元素就构成了石油的灰分。

组分组成：石油中的化合物对有机溶剂和吸附剂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。

馏分组成：是利用组成石油的化合物具有不同沸点饿特性，加热蒸馏，将石油切割成不同沸点范围的若干部分，每一部分就是一个馏分。

粘度：代表石油流动时分子之间相对运动所引起的内摩擦力的大小。

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。

天然气的比重：在标准状态下，单位体积天然气与同体积空气的重量比。

石油的荧光性：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。

旋光性：石油能将偏振光的振动面旋转一定角度的能力。

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。

气顶气：与石油共存于油气藏中呈游离气顶状态产出的天然气。

气藏气：单独聚集的天然气。

可分为干气气藏和湿气气藏。

凝析气（凝析油）：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。

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即凝析油。

固态气水合物：是在冰点附近的特殊温度和压力条件下由天然气分子和水分子结合而成油田水：是指油田范围内直接与油层连通的地下水，即油层水。

油田水矿化度：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。

简述石油的元素组成、馏分及组分。

石油的主要元素组成是C、H其次是O、S、N，此外，还有其它微量元素。

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，将石油切割成不同沸点范围（即馏程）的若干部分，每一部分就是一个馏分。

高硫石油； 低硫石油； 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，
而产自砂岩的石油则含硫较少。
海相石油一般含硫量较高，陆相石油一般含硫量较低。我国原
油多属低硫石油(如大庆、任丘0.33-0.43%、大港、克拉玛依0.05%) 和含硫石油(如胜利)。前苏联伊申巴石油含硫量高达2.25~7%，其 他如墨西哥、委内瑞拉和中东的石油含硫量也较高硫在石油中可以
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2、石油中的非烃化合物 石油中的非烃化合物主要包括 (1)含硫化合物 (2)含氮化合物 (3)含氧化合物 石油中S、N、O元素含量虽然很低，但由这些元素
组成的非烃化合物数量不少，尤其在重质馏分中含量更 高，可达30%。它们对石油的质量鉴定和炼制加工有着 重要影响。
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（1）含硫化合物 含硫量 大于2% 低于0.5% 介于0.5~2%之间
有支链者，为异构烷烃或异烷烃。 C-C-C-C
C
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（2）环烷烃 在分子中含有碳环结构的饱和烃。 按分子中所含碳环数目，可以分为单环烷烃(通式
CnH2n)、双环烷烃(通式CnH2n-2)、三环烷烃(通式CnH2n-4) 和多环烷烃。
石油中最重要的环烷烃 甾烷 萜烷－追踪母岩，油源对比指标 由于碳原子所有的价已被饱和，所以环烷烃和烷烃一样，
第2章 石油、天然气、油田水 的化学组成和物理性质
1、油气水共存：石油和天然气是储藏在岩石孔 隙中。目前世界上已发现的油气藏，几乎都有 水与油、气共存。为开发好油气藏，必须了解 油、气、水的化学组成和物理性质。 2、石油沥青类：天然气、石油及其固态衍生物， 统称为石油沥青类。
3、可燃矿产：它们同煤类、油页岩、一部分硫， 都是自然界常见的可燃矿产。它们多由古代的 动物、植物遗体演变而来，属有机成因，又具 有燃烧能力，总称为可燃有机矿产或可燃有机 岩。

根据C-C键有无支链，将烷烃分为正构烷烃、异构烷烃。
①正构烷烃——直链烃
在石油中不同碳原子数正构烷烃的相对含量呈一条连续的分布曲线，称正构 烷烃分布曲线。这说明石油中正构烷烃同系物是一个连续系列。
图1-3 不同类型石油的正构烷烃分布曲线图 （据Martin，1963；转自陈荣书，1994）
正烷烃分布曲线特征
第二章 油气藏中流体成分和性质
第一节 石油 第二节 天然气 第三节 油田水 第四节 油气的碳、氢稳定同位素
基本内容提要：
主要阐明了石油、天然气、油田水的化学组成和 物理性质，并介绍了碳、氢、氧、硫氮同位素的基本 知识以及海相与陆相原油的差别及原油的分类。
第二章 油气藏中流体成分和性质
图2-1 典型油气藏中油、气、水分布的结构剖面图
卟啉可以用于说明石油的有机成因 高温（﹥250℃）或氧化条件下，卟啉即被破
坏、分解、所以一般石油中存在卟啉，说明石油形
成和经受的高温不高于250 ℃ ：——地层越老卟 啉越少。 原油中的卟啉类型还与沉积环境有密切关系， 在石油中卟啉常与钒、镍等金属元素形成络合物， 海相石油富含钒卟啉，而陆相石油富含镍卟啉。
石油中的环烷烃多为五员环或六员环及其衍生物，以单环和双环为主。多环中 以四环甾烷和五环萜烷较为重要，是重要的生物标志化合物，广泛用于烃源岩成熟 度分析和油源对比中。
四环甾烷和五环萜烷结构示意图
（3）芳烃（Aromatics）
是由一个或多个苯环构成的不饱和烃。有单环（苯、甲苯）、 多环（联苯等）、稠环（萘、菲等）。
原油 蒸馏 轻馏分 气相色谱 可溶的 + 烃类 胶质 ＞210 ℃馏分 用正己烷溶解 气 相色谱
不可溶的
沥青质 元素分析 红外光谱 核磁共 振

二、油田水的来源
沉积水：沉积物堆积过程中保存于其中的水，其含盐度 和化学成分受控于原环境。
渗入水：大气降雨渗入岩层中的水。矿化度低、质淡、 可淡化地下高矿化度水。
深成水：来源于地壳深部及上地幔的高矿化度高温水。
三、油田水产状
1.按与油气藏分布位置的关系： 非油层水： a、上层水； b、夹层水； c、下层水 油层水： d、底水； e、边水
一、石油的化学成分
1.元素组成
★主要元素：碳、氢、氧、硫、氮——C、H 占绝对优势
重量百分比： C 84-87% ； H 10-14%； O+N+S 1-4% 半咸－咸水——S高（>1%）；内陆淡水：S低（<1%） S>2%－高硫原油；S＜0.5%－低硫原油；S＝0.5-2%－含硫原油
★微量元素钒（V）、镍（Ni）：
★ 2.气顶气：
油气藏中呈游离气顶产出的天然气。 ——湿气，成因、分布均与石油有关。
★ 3.凝析气：
地下高T高P（T：180－250℃）：一定T、P范围 内，若油气藏中气多油少，部分低C数液态烃可溶于 烃气或者逆蒸发成气。这种气叫凝析气。采至地面 过程中，随T、P↓，这部分气可凝结析离成轻质油 ，即凝析油。
第三节 天然气的成分和性质
一、天然气化学组分分类（成分）：
二、天然气产状类型
根据气体在地下存在的状态分： 聚集型：气藏气、气顶气、凝析气 分散型：溶解气、煤层气、固态气水合物
1.气藏气 纯气藏中的气体。可为烃气（干气），也可能 为非烃气。
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绝大多数气藏气是以 气态烃为主，含烃量 超过80%的气藏约 占气藏总数的85% 以上；氮气为主的气 藏不到10%；以二 氧化碳或硫化氢等酸 性气体为主的气藏低 于1%。

原 油 产 地 大庆(萨尔图 混合油) 胜利(101混 合油) 弧岛油田 大港油田(混 合油) 江汉油田(混 合油) 克拉玛依油 田(混合油) 雅雷克苏 前 苏 联 乌克兰 老格罗兹尼 卡拉 -布拉克 文图拉(加利 福尼亚州) 美国 科林加(加利 福尼亚州) 博芒特(得克 萨斯州) 堪萨斯州
元 素 组 成 C 85.74 86.26 84.24 85.67 83.00 86.13 80.61 84.60 86.42 87.77 84.60 86.40 H 13.31 12.20 11.74 13.40 12.81 13.30 10.36 14.00 12.62 12.37 12.70 11.70 S 0.11 0.80 2.20 0.12 2.09 0.04 1.05 0.14 0.32 0.40 0.60 N 0.15 0.41 0.47 0.23 0.47 0.25 痕量 1.25 1.70 O 0.69 1.63 0.28 8.97 1.25 0.68 0.46 1.20 -
不同沸点的特性，通过对原油加热蒸馏，将石油分割
成不同沸点范围的若干部分，每一部分就是一个馏分。 分割所用的温度区间（馏程）不同，馏出物（馏 分）有所差异（表）。
分割所用的温度区间（馏程）不同，馏出物（馏分）有所差异。
石油产品的大致馏程范围
轻馏分(低沸馏分) 馏分 石油气(醚) 汽油 煤油 柴油 重瓦斯油 润滑油 渣油 中馏分（中沸馏分） 重馏分（高沸馏分）
环烷酸最多，占石油酸的95%。几乎所有石油中都含有环烷酸， 但含量变化较大，在0.03-1.9%之间。
环烷酸易与碱金属作用生成环烷酸盐，环烷酸盐又特别易溶于水。 •因此地下水中环烷酸盐的存在是找油的标志之一。
3、石油的馏分组成
石油是数以百计的若干种烃类和非烃有机化合物的 混合物，每种化合物都有自己的沸点和凝点。 石油的馏分就是利用组成石油的化合物各自具有

正烷烃分布曲线
A、陆相有机质形成的石油： 高碳数（≥C22 ）正烷烃多。 海相浮游生物菌藻类形成的石油 ：相反。 B、有机质演化程度高的石油：低碳数正烷烃多。 C、受微生物强烈降解的原油：正烷烃一般含量较低。
石油中最重要的异烷烃是异戊间二烯型烷烃，其可能是天然色素 或萜烯类衍生的产物。以植烷、姥鲛烷、降姥鲛烷、异十六烷及法呢 烷的含量最高。其特点是：在直链上每4个C原子就有一个甲基支链。
常温、常压下：
★ 含1个到4个碳原子(C1～C4)的烷烃呈气态；
★ 含5个到16个碳原子(C5～C16)的直链烷烃呈液态； ★ 从17个碳原子(C17)以上的高分子烷烃皆呈固态。
正烷烃分布曲线：不同碳原子数的正烷烃的相对含量呈一条连续的曲线。
占原油体积% 2.0 1.5 1.0 0.5 0 1 5 10 15 20 25 30 碳数 35 主峰碳
3、可燃矿产的类型 气态可燃矿产：如纯气田的气体、煤田气、沼气、泥火山气等； 液态可燃矿产：以石油为代表；
固态可燃矿产：如沥青、地蜡、煤、油页岩、硫磺等
二、石油的化学成分
1、石油的元素组成
（1）主要元素：C、H、O、S、N
① C、H：占绝对优势，总量达95－99%，主要以烃类形式存在，是 组成石油的主体。 ② O、N、S主要以化合物形式存在。
海相石油： V、Ni含量高，且 V/Ni＞1 陆相石油： V、Ni含量低，且 V/Ni＜1
2、石油的化合物组成 烷 烃 烃类化合物
环烷烃 芳香烃
石油的化合物组成 含硫化合物
非烃类化合物
含氮化合物 含氧化合物
⑴ 烃类化合物
① 烷烃：又名脂肪族烃，通式为CnH2n+2，属饱和烃。 烷烃分子结构特点是碳与碳原子都以单键C-C相连，排列成直链式。 无支链者，为正构烷烃或正烷烃；有支链者，为异构烷烃或异烷烃。

普通稠油：100~10000mPa.s
特稠油：10000mPa.s~50000mPa.s
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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。
• 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、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% H~12--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 而减少。
四、天然气的成因类型
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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。
• 碳 83.0％～87.0％
• 氢 11.0％～14.0％
• 硫 0.05％～8.00％
• 氮 0.02％～2.00％
• 氧 0.05％～2.00％
除碳、氢、硫、氮、氧外，原油中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

呈元素硫(S)、硫化氢(H2S)、硫醇(RSH)、硫醚(RSR’)、环硫醚、二 硫化物、噻吩及其同系物等形态出现。
石油中所含的硫是一种有害的杂质，因为它容易产生硫化氢、
硫化铁、硫醇铁、亚硫酸或硫酸等化合物，对机器、管道、油罐、
炼塔等金属设备造成严重腐蚀，所以含硫量常作为评价石油质量的
一项重要指标。
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轻质石油中胶质<5%， 重质石油中胶质可达20%以上。 （3）沥青质
不溶于石油醚。为黑色固体粉末。为含杂原子的高分 子化合物，分子量37000—1000000，是稠环芳香烃和烷基侧 链组成的复杂结构。重质石油中沥青质含量高。
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组份 油质 苯胶质 酒精-苯胶质 沥青质
族份 饱和烃（烷烃、环烷烃） 芳香烃 非烃 沥青质
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第1节 石油的化学组成和物理性质
一、概念： 石油：是由各种碳氢化合物与少量杂质组成的、以
液态形式存在于地下岩石孔隙中的可燃有机矿产。 二、石油的化学组成
（一）元素组成 ：C、H S 、O、N
C：84%-87%；H：11%-14% （二）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。
(2)压力加大，粘度也随之增加。 (3)分子量小的烷烃、环烷烃含量高，粘度低； 高分子化合物含量高，粘度高； (4)而原油中溶解气量的增加则会使粘度降低。
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集输方面都有重要意义。
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按粘度、密度的原油分类
香烃。例如：联苯稠环芳香烃: 是指分子中含两个或多个 苯环，彼此之间通过共用两个相邻碳原子稠合而成的芳香 烃。例如萘、蒽、菲

如：在沉积物和原油中，往往以植烷、 在沉积物和原油中，往往以植烷、 植烷 姥鲛烷、降姥鲛烷、异十六烷及法尼烷的含 姥鲛烷、降姥鲛烷、异十六烷及法尼烷的含 量最高，主要来源于叶绿素， 量最高，主要来源于叶绿素，加之化学稳定 性，可用作油源对比。 可用作油源对比。 油源对比
2.环烷烃： 环烷烃： 环烷烃
2.含氮化合物 含氮化合物
一般为万分之几至千分之几， 一般为万分之几至千分之几 ， 主要集中在高沸点 馏分及渣油中。已鉴定出 多种 通常: 多种， 馏分及渣油中。已鉴定出30多种，通常 碱性氮化合物：吡啶、喹啉、异喹啉等同系物； 碱性氮化合物：吡啶、喹啉、异喹啉等同系物； 氮化合物 非碱性氮化合物：吡咯、卟啉等同系物 非碱性氮化合物：吡咯、卟啉等同系物——动物血红素 氮化合物 动物血红素 和植物叶绿素都属卟啉类化合物， 且结构相同（ 和植物叶绿素都属卟啉类化合物 ， 且结构相同 （ 见下 图）。可提供有机成因的证据。 可提供有机成因的证据。 含氮化合物在石油贮存过程中易生成胶质， 含氮化合物在石油贮存过程中易生成胶质 ， 在加 工过程中能引起催化剂中毒。 工过程中能引起催化剂中毒。
芳烃在原油中含量变化较大（ 芳烃在原油中含量变化较大（10-40%）， ） 一般具下列分布规律： 一般具下列分布规律： ①随沸点增高、芳烃含量增高，且芳烃环数 随沸点增高、芳烃含量增高， 及侧链数增多，碳链加长； 及侧链数增多，碳链加长； ②低沸点镏份中，芳烃含量较少，主要为苯、 低沸点镏份中，芳烃含量较少，主要为苯、 甲苯、二甲苯； 甲苯、二甲苯； ③石油形成时代越新，芳环上取代基越少。 石油形成时代越新，芳环上取代基越少。
第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质 第二节 石油的成份和性质
石油(petroleum/crude oil)是一种成份十分复杂 石油 是一种成份十分复杂 混合物。 的天然有机化合物的混合物 的天然有机化合物的混合物。 成份：主要烃类、 成份：主要烃类、少量非烃和微量元素 相态：液态为主，溶有大量烃气， 相态：液态为主，溶有大量烃气，少量非烃气 物性：多具芳香气味、油脂状、比水轻， 物性：多具芳香气味、油脂状、比水轻，颜色 有黑、 有黑、褐、棕、绿、浅黄直至透明。 浅黄直至透明。