《石油地质学》课件2. 油气组成与性质

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Clq,2024/9/12,第二章 油气组成与性质,Oil wells just offshore at Summerland, California, c.1915,石油、天然气及其固态衍生物统称为石油沥青类。与煤、油页岩、一部分硫属于自然界常见的可燃矿产。大多与古代生物遗体演变而来，因此称为可燃有机矿产。,第一节石油的组成与性质,非可燃有机岩,：种类繁多，如白垩、硅藻土、与生物作用有关的灰岩,可燃有机岩,气态：,气田气、油田气、煤层气、泥火山气、沼气、页岩气等,液态：,石油,固态：,沥青、地蜡、石沥青、煤、油页岩、硫磺,有机岩,一、石油的概念及元素组成,石油是以液态形式存在于地下岩石孔隙中的可燃有机矿产。,在地下油气藏中，石油无论在成分上和相态上都是极其复杂的混合物,成分上,:,以烃类为主，含有数量不等的非烃化合物及多种微量元素。,相态上,:,以液态为主，溶有大量烃气及少量非烃气，并溶有数量不等的烃类和非烃类的固态物质,第一节石油的组成与性质,石油中碳、氢两元素占绝对优势。次为,O、N、S。,C,含量可达838,7%,，氢含量可达1114%，二者合计可达9599%；余下的,O、N、S,总量一般不到,14%,。个别硫达,3-7%,。,除外，在石油中还含有多种微量元素，但总量仅有万分之几，其中最为石油地质学家重视的钒、镍两种元素，它们可以用于研究生油岩相、油源对比，油气运移等问题。,石油没有固定的化学成分和物理常数，,但其有一定的变化范围和共同特征。,不同化合物分子结构的差异，对吸附剂和有机溶剂具有选择性的吸附和溶解的性能。因而将石油分为,饱和烃、芳香烃、非烃和沥青质,。,有时候也会看到石油被分为,油质、胶质和沥青质,。,石油中的化合物组成归纳起来，主要可分为烃和非烃两大类，具体包括：,正构烷烃；,异构烷烃；,环烷烃；,芳香烃；,含氮、硫、氧化合物。,烃类,非烃类,二、石油的化合物类型及特征,具有重要的,石油成因意义,石油中正构烷烃含量一般为15-20%（体积）,C,C,C,C,C,C,C,C,C,正丁烷,正戊烷,多数石油不同碳原子数正烷烃相对含量分布曲线有三个共同特点：,1) 正烷烃分布曲线是连续曲线。,1. 正构烷烃（无,C,支链）,2) 根据正烷烃分布曲线的主峰碳值位置及形态，可将其分为三种基本类型：,a、,主峰小于,C,15、,且主峰区较窄。,b、,主峰大于,C,25,主峰区较宽,。,c、,主峰在,C,15-25,之间，主峰区宽。,3) 不同类型的曲线都对应有一个某碳数的极大值。,在较高分子的正构烷烃部分，奇数碳原子烃含量和偶数碳原子烃含量近等，而一般生物或现代沉积物，奇数碳原子占明显优势。,一般生油岩的主峰碳数陆相大于海相，沼泽相大于湖相。随成熟度增加，奇数碳优势消失，曲线变为一条圆滑曲线。,上述正烷烃分布特点与成油原始有机质，成油环境和成熟度有密切关系：,C,C,C,C,C,C,C,C,C,异丁烷,异戊烷,2. 异构烷烃,在石油烷烃中，异构烷烃以主链碳数0.8,石油中的非烃是指石油所含的硫、氮、氧及金属原子的化合物，其量有时达石油量的30%，它们对石油的质量有重要的影响。,目前，已发现的这类化合物有硫化氢、硫醇、吡啶、喹啉、吖啶、吡咯、卟啉、吲哚、卟唑、脂肪酸、环烷酸和酚（统称石油酸）等等。,其中，最为重要的是,卟啉,，它被认为是由植物的叶绿素和动物氯化血红素转化而来，是石油成因分析的有力证据。,5. 组成石油的非烃,在石油中卟啉常与钒、镍等金属元素组成络和物。因此，又称有机金属化合物，其基本结构与叶绿素结构极为相似。,但是，并不是所有原油中都有卟啉，因为，高温或氧化物条件下卟啉易于裂解被破坏。,所谓卟啉是以四个吡咯核为基本结构，由甲川桥联结成的含氮化合物。又称,lei,族化合物。,1、原油的馏分,原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，将原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。,馏分,温度（,O,C）,轻馏分,中馏分,重馏分,石油气,汽油,煤油,柴油,重瓦斯油,润滑油,渣油,35,35-190,190-260,260-320,320-360,360-530,530,三、,原油的馏分、组分,2、原油的组分,原油的组分是通过有机溶剂和硅胶成分的选择性溶解和吸附而取得的各总分离物。,原,油,蒸馏,轻馏分,210,0,C,馏分,用乙醚溶解,沉淀物,沥青质,烃类+胶质,可溶的,用硅胶、有机溶剂冲洗,冲洗物,烃,色层吸附物,胶质,石油不同的馏分，其化合物组成不同，一般：,轻馏分,：主要由低碳数、分子量较小的烷烃和环烷烃组成。,中馏分,：主要由中分子量和较高碳数的烷烃和环烷烃组成，并含一定数量的芳烃和环烷芳烃及少量的,N、S、O,化合物。,重馏分,：主要由高碳数、大分子量的环烷烃芳烃和环烷芳烃以及,N、S、O,化合物主要集中于重馏分中。,3、石油馏分与化合物组成的关系,四、石油的物理性质,由于石油没有固定的组成，因此，严格地讲，石油没有固定的物理常数。,但经过广泛的对比，还是能归纳出反映石油总特征的物理性质。,石油重要的物理性质有：颜色、比重、粘度、荧光性、旋光性、溶解性等特征。,石油的颜色变化很大，从白色、淡黄色、黄褐色、深褐色、黑绿直至黑色。,例如：大港油田有的井产的油即为白色，大庆油田的井产的油即为黑色。,石油的颜色与石油中胶质、沥青质含量有关，含量越高，颜色越深，观察石油的颜色一定注意将样品朝光源方向，不要在反射光下观察。,1.石油的颜色,液态石油比重是指一个大气压下20,0,C,石油与4,0,C,纯水单位体积的重量比，用,d,4,20,表示。,欧美各国则以一大气压下，60,0,F（,相当于15.60,0,C,）石油与4,0,C,纯水单位体积的重量比。,商业上用,API,度为单位：,API,度=141.5/60时比重-131.5,石油比重一般介于0.750.98之间,0.90 称为重质石油,0.90 称为轻质石油,世界平均比重的原油，1吨按7.3桶计算。,2.,石油的比重,粘度值代表石油流动时分子之间相对运动所引起的内摩擦力大小。,粘度又分为：,动力粘度,运动粘度,相对粘度,3.,石油的粘度,1）动力粘度（绝对粘度）：,单位为帕斯卡秒（,Pas,）。,它表示1牛顿力作用下，两个液层面积各为1平方米，相距1米，彼此间相对移动速度为1米/,S,时，液体流动所产生的阻力。,常用,t,表示，1,Pas,=10P（10,泊）=100厘泊；,2）运动粘度：,动力粘度与密度之比称运动粘度,单位为/,s，,二次方米/每秒，其常用,Vt,表示,3)相对粘度：,又称思氏粘度，是在思氏粘度计中200,ml,原油与20时同体积的蒸馏水流出时间的比，用,Et,表示。,实验室测定的,Et，,通过置换算表，获得运动粘度，运动粘度与密度之积即得动力粘度。,粘度大小主要取决于石油的化学组成，含轻质组分多则粘度小，含蜡、胶质、沥青质多则粘度大。不同环境下石油粘度不同,石油难溶于水，但可溶于多种有机溶剂，如苯、氯仿、二硫化碳、醚等，据此可以鉴定和分离岩石中的石油烃。,石油在水中的溶解度虽很小，但就单个化合物而言，芳烃的溶解度最大，环烷烃次之，烷烃最低。当水中饱含,CO,2,和烃气时，石油的溶解度将明显提高。,4.,石油的溶解性,石油在紫外光照射下可产生荧光的特性，称为荧光性。,石油中只有不饱和烃及其衍生物具有荧光性，饱和烃不发荧光。,石油的荧光性随饱和烃浓度及分子量的增加而加深，一般芳烃是天蓝色（芳烃主要为轻质油），胶质为黄色，沥青质为褐色。,石油的荧光性非常灵敏，据此可以鉴定各样中的含油性（或含油级别）。,5.,石油的荧光性,天然石油具有一种特殊性质旋光性，即石油能将偏振光的振动面旋转一定角度的能力。,因石油旋光性与含有结构不对称的生物成因标志化合物有关，所以,旋光性被认为是石油有机成因的重要证据。,6.,石油的旋光性,7. 导电性,石油及其产品具有极高的电阻率，可视为非导体。,8. 热值,每公斤石油烃燃烧时可产生10000-110004186.8,J,的热量，是优质燃料。,9. 蒸发与沸腾,常温常压下，石油的轻质组分就会优先逸出，使石油比重增大。,10. 凝固和液化,石油的分类常采用三角图解，以烷烃、环烷烃、芳烃,N、O、S,化合物作为三个端元,其数据是指沸点210馏分的分析数据,。,五、石油的分类,该分类一共分为六种类型：它们分别是石蜡型、环烷型、石蜡环烷型，芳烃环烷型，芳香沥青型，芳香中间型。,六、海陆相石油的基本区别,主要表现在六方面：,海相石油,陆相石油,饱和烃含量,芳烃含量,25-70%,60-90%,25-60%,10-20%,含蜡量（正,、异构烷烃）,陆相石油大于海相石油含蜡量。普遍大于5%。,含硫量,一般海相石油大于陆相石油的含硫量，,V/Ni,1,-27,1，,而非油层水相反。,3)油层水中酚含量较高，一般大于0.1,mg/l，,且以甲酚和邻甲酚为主，,而非油层水酚含量较低，且以苯酚为主。,4)油田水中常含有不等量的环烷酸，脂肪酸和氨基酸等有机酸。,其中环烷酸是石油环烷烃的衍生物，是找油的重要水化学标志。,比较流行的油田水的分类是,苏林的分类方案,：,苏林根据大陆水含盐度低,，其化学成分具有,HCO,3,-,SO,4,2-,Cl,-, Ca,2+, Na,+, Mg,2+,且,Na,+,Cl,-,，,而海水含盐度较高,，其化学成分具有,Cl,-,SO,4,2-,HCO,3,-,，Na,+, Mg,2+,Ca,2+,且,Cl,-, Na,+,，,以,Na/Cl、Na-Cl,/ SO,4,2-,和,Cl,-Na/ Mg,这三个系数为指标，将天然水划分为四种类型：,三、油田水分类,水的类型,大陆水,海水,深层水,硫酸钠型,重碳酸钠型,氯化镁型,氯化钙型,成 因 系 数,Na,+,/,Cl,-,(Na,+,-Cl,-,)/SO,4,2-,(,Cl,-,-Na,+,)/Mg,2+,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,1,0.85，,此地带保存油气藏的前景不大；,Na/,Cl,=0.850.75，,此地带对烃类的保存较差；,Na/,Cl,=0.750.65，,是保存烃类较好的环境；,Na/,Cl,=0.650. 5，,是保存烃类好的地带；,Na/,Cl,0.5，,是烃类聚集最有希望的地带。,1970年，博雅尔斯基对苏林的分类作了进一步完善。,他认为重碳酸钠型水处于沉积盆地的上层不利于油气藏的保存。另外，不是一切氯化钙型水都有利于油气藏保存，并据,Na/,Cl,比将氯化钙型水细分为五类：,实践证明，上述分类方案对油气勘探和开发有重要的作用,。,同位素,是指元素周期表中具有相同原子序数而原子量不同的元素。由于它们位于元素周期表的同一位置，所以称之为同位素。,同位素的表示方法一般用元素符号的左上角加注原子量来表示，如,12,C、,13,C、,14,C、,1,H、,2,H、,3,H,等。,第四节油、气的碳氢稳定同位素,一、同位素的概念及碳稳定同位素分馏机理,按同位素的稳定性，可将其分为：,稳定同位素、放射性同位素。,放射性同位素,是指那些能自行随意分解（即改变自己的原子量）形成具另外质子数的新原子的同位素，如铀、,14,C,等皆属于放射性同位素。,稳定同位素,是指那些原子核结构不会自发地改变的同位素。,这类同位素即使经历复杂的化学反应，同位素比率（或含量）仍保持相对的稳定。这是稳定同位素的基本属性。,但由于稳定同位素的中子数和质量有一定的差别，其取代分子或键的化学活性也有一定的差别，从而在参与生物、化学和物理作用过程中，也有一定的分馏作用，这是稳定同位素的又一属性。,油田上正是基于稳定同位素的这两个属性来进行油源对比、天然气成因分析等研究的。,下面我们以碳为例来分析一下碳稳定同位素的分馏机理：,碳稳定同位素常见的分馏作用有以下4方面：,同位素交换反应,指不发生化学反应，只在不同化学物质，不同相或单个分子之间发生的同位素重新分配所引起的分馏作用。,例如：,13,CO,2,+H,12,CO,3,-,=,12,CO,2,+ H,13,CO,3,-,反应自左向右进行，则,CO,2,中富集,13,C，,式子自右向左进行，则,CH,4,中富集,13,C。,但具体向哪一方向演化需视具体条件的影响情况而定。例如海水中,CO,2,与,HCO,3,-,反应的结果使,13,C,富集。,光合作用的动力效应,植物进行光合作用时，吸收,CO,2,和,H,2,O,繁殖本身过程中，由于分馏作用，就会使,12,C,富集，而,13,C,减少。,热力和化学反应的动力效应,同位素的质量不同，取代分子或键的化学活性不同，,12,C,12,C,键的化学活性大，而,13,C,13,C,键的化学活性差。在参与化学反应时，相同的温度及其它条件下，,12,C,12,C,参与反应的几率和速率较,13,C,13,C,大。,从而使得低温条件下形成的烃类,12,C,较富集，而高温条件下形成的烃类，相对,13,C,含量较高。,物理化学效应,对稳定同位素来说，最有意义的物化效应是蒸发和扩散作用。蒸发作用的结果，使气相富集轻同位素，而液相浓缩物则富集较重的同位素。,在扩散过程中，由,12,C,组成的分子较由,13,C,组成的分子扩散速度要快，例如,12,CH,4,比,13,CH,4,要快3.1%。,氢、碳的同位素在自然界的分布是有一定差异的，自然界中,1,H,的量占99.98%以上，,12,C,的量占98.89%以上，而,2,H,仅占0.0156%，,13,C,仅占1.108%。,同位素比值的测量和对比单位一般用千分数（%。）来表示，,同位素比值可用,D/H、,13,C/,12,C,或用,D、,13,C,表示。,是建立在标准稳定同位素和测定样品同位素比值的基础上得出的。,值=,Rs-Rr/Rr1000%。=（Rs/Rr-1）1000%。,式子中,Rs,为样品同位素比值,（对于氢、碳稳定同位素，分别为,D/H、,13,C/,12,C），,Rr,为标准的稳定同位素比值,（该标准，国内外所采用标准不同，国内也有不同标准。）,二、稳定同位素的分布、比值符号和标准,以,13,C,为例，稳定同位素在石油地质研究中的应用主要有六方面：,（1）可作油源对比指标，相同来源的石油,13,C,值接近,（2）用于天然气成因分类：生物气,13,C,为-55100；热解气,13,C,为-60-20；煤成气,13,C,为-20-30；,（3）用于生油岩鉴定：生油岩的,13,C,在-23-34；,（4）用于有机成因的证据，因,12,C/,13,C,的比值介于90-95之间，与同生生物物质的碳同位素组成相近，而与无机的碳酸盐岩碳同位素相差甚远。,（5）用于判断油气运移方向：同一油源的原油200前馏分,13,C,值随运移距离增加而增大。,（6）用于区分海陆相石油。,三、稳定同位素在石油地质研究中的应用,另外，不同地区，不同地质年代，不同成因类型的原油，其碳同位素的值也不相同。一般，年代愈老的原油，,13,C,值总体上降低。,