石油與天然氣地質學教案第一章油氣藏中的流體-石油、天然氣和油田水第一節(jié)

石油一、石油的概念

石油（又稱原油）---crudeoil：一種存在于地下巖石孔隙介質中的由各種碳氫化合物與雜質組成的，呈液態(tài)和稠態(tài)的油脂狀天然可燃有機礦產。

組成石油的成分非常復雜，根據(jù)其不同的特性，可分為元素組成、餾分組成、組分組成和化合物組成，三者有相互關系；依據(jù)石油中各種結構類型化合物的含量，可對石油進行分類；不同環(huán)境下生成的石油，比如海陸相石油的特征有明顯的區(qū)別；石油沒有固定的成分，因此石油沒有確定的物理參數(shù)，石油的物理性質取決于它的化學組成。二、石油的組成（一）石油的元素組成：

組成石油的化學元素主要是碳、氫、氧、氮、硫。碳含量

為：84-87%，平均84.5%；氫含量為：11～14%，平均13%；兩元素在石油中一般占95～99%，平均為97.5%。剩下的硫、氮、氧及微量元素的總含量一般只有1～4%，其中，氧：0.1～4.5%，一般小于0.5%；硫：小于1%，平均0.65%；氮：小于0.1%。含硫量小于1%的為低硫原油,含硫量大于1%的為高硫原油。常以0.25%作為貧氮和高氮石油的界線。石油中還發(fā)現(xiàn)微量元素，構成了石油的灰分。

已發(fā)現(xiàn)的33種微量元素按其含量多少和常見程度列舉如下：鐵(Fe)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、硅(Si)、鋁(Al)、釩(V)、鎳(Ni)、銅(Cu)、銻(Sb)、錳(Mn)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、硼(B)、鈷(Co)、鋅(Zn)、鉬(Mo)、鉛(Pb)、錫(Sn)、鈉(Na)、鉀(K)、磷(P)、鋰(Li）、氯(Cl)、鉍(Bi)、鈹(Be)、鍺(Ge)、銀(Ag)、砷(As)、鎵(Ga)、金(Au)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鎘(Cd)。構成了石油的灰粉

在這些微量元素中，最引起石油地質學者重視的是V、Ni兩種元素，它們含量高，分布普遍并具有成因意義。近年來，石油灰分中的V、Ni含量及其比值（V/Ni）已被用來確定生油巖相、油源對比以及研究油氣運移等問題。（二）石油的餾分組成

石油的餾分：是利用組成石油的化合物具有不同沸點的特性，加熱蒸餾，將石油切割成不同沸點范圍（即餾程）的若干部分，每一部分就是一個餾分。

（三）石油的組分組成：

石油的組分：石油化合物的不同組分對有機溶劑和吸附具有選擇性溶解和吸附性能，選用不同有機溶劑和吸附劑，將石油分成若干部分，每一部分就是一個組分，分別為油質、苯膠質、灑精苯膠質及瀝青質。

油質：凡能溶解于中性有機溶劑，不被硅膠所吸附，淺黃色粘性油狀物。

苯膠質：能溶解于中性有機溶劑，被硅膠所吸附，主要溶于苯，屬暗色的油狀物。

灑精苯膠質：溶于酒精和苯，同時也被苯所吸附。

瀝青質：用石油醚分離，得到一種不溶于石油醚的物質暗黑色-黑色瀝青狀無定形的固體。

（四）石油的化合物組成

在近代實驗室中，用液相色譜可將石油劃分為烴類化合物：正構烷烴、異構烷烴、環(huán)烷烴、芳烴和非烴化合物及瀝青質。

正構烷烴

屬飽和烴，在常溫常壓下，1～4個碳原子（C1～C4）的烷烴為氣態(tài)，5～16個碳原子（C5～C16）的烷烴為液態(tài)，17個碳原子以上（C17＋）的高分子烷烴皆呈固態(tài)。

石油中已鑒定出的正烷烴有C1～C45，個別報導曾提及見到C60正烷烴，但大部分正烷烴碳數(shù)≤C35。石油中多數(shù)占15.5%（體積），輕質石油可達30%以上，而重質石油可小于15%。

其含量主要取決于：

1.生成石油的原始有機質的類型：陸相原油含量多，海相原油含量少。

2.原油的成熟度：可用正烷烴分布曲線來判斷原油的成熟度。

石油中正構烷烴的來源：

現(xiàn)代生物：如細菌、藻類。含脂類的植物或蠟質（主要在高等植物的葉、孢子花粉、果實）。有機質的演變、分解。

正烷烴分布曲線

在石油中，不同碳原子數(shù)正烷烴相對含量呈一條連續(xù)的分布曲線，稱為正烷烴分布曲線。不同類型原油的正烷烴分布特點不同：

未成熟的石油，主要含大分子量的正構烷烴；

成熟的石油中，主要含中分子量的正構烷烴；

降解的石油中，主要含中、小分子量的正構烷烴；

根據(jù)主峰碳數(shù)位置及形態(tài)，可將正烷烴分布曲線分為三種基本類型：

A、主峰小于C15，且主峰區(qū)較窄，表明低分子正烷烴高于高分子正烷烴，代表高成熟原油；

B、主峰大于C25，主峰區(qū)較寬，奇數(shù)和偶數(shù)碳原子烴的分布很有規(guī)律，二者的相對含量接近相等，代表未成熟或低成熟的原油；

C、主峰區(qū)在C15～C25之間，主峰區(qū)寬，代表成熟原油。正烷烴分布特點與成油原始有機質、成油環(huán)境和成熟度有密切關系，因此這些特征已被廣泛用于鑒別生油巖和研究石油的成熟度。

2、異構烷烴

石油中的異構烷烴以≤C10為主，且以異戊間二烯烷烴最重要。其特點是在直鏈上每4個碳原子有一個甲基支鏈。在沉積物和原油中以植烷、姥鮫烷、降姥鮫烷、異十六烷及法呢烷的含量最高。研究和應用最多的是植烷和姥鮫烷。

來源：有人認為是植物的葉綠素的側鏈—植醇或色素演變而來，為生物標志化合物。因此，同源的石油所含異戊間二烯類烷烴類型和含量都十分接近。因此，常用于油源對比標志（指紋化合物），近來也用于沉積環(huán)境研究。

3、環(huán)烷烴

由許多圍成環(huán)的多個次甲基（-CH2-）組成。組成環(huán)的碳原子數(shù)可以是大于3的任何數(shù)，相應稱為三員環(huán)、四員環(huán)、五員環(huán)等。石油中的環(huán)烷烴多為五員環(huán)或六員環(huán)。

其含量與成熟度有關：成熟度低→高，由多環(huán)→單、雙環(huán)。一般，單、雙環(huán)占環(huán)烷烴的50.5%；三環(huán)占環(huán)烷烴的20%；四、五環(huán)占環(huán)烷烴的25%。

原油中大于四環(huán)的環(huán)烷烴一般具有很高的旋光性，所以沒成熟的原油旋光性高。多環(huán)環(huán)烷烴與四環(huán)的甾族化合物和五環(huán)的三萜稀類化合物很相似，被作為有機成因的主要證據(jù)之一。

4、芳香烴

芳香烴其特征是分子中含有苯環(huán)結構，屬不飽和烴。根據(jù)其結構不同可分為單環(huán)、多環(huán)、稠環(huán)三類芳香烴。

單環(huán)芳烴是指分子中含有一個苯環(huán)的芳香烴，包括苯及其同系物；多環(huán)芳烴是指分子中含兩個或多個獨立苯環(huán)的芳香烴；稠環(huán)芳香烴是指分子中含兩個或多個苯環(huán)，彼此之間共用兩個相鄰碳原子稠合而成的芳香烴。

在石油的低沸點餾分中，芳香烴含量較少，且多為單環(huán)芳香烴，如苯、甲苯和二甲苯。隨沸點升高，芳香烴含量亦增多，除單環(huán)芳香烴外，出現(xiàn)雙環(huán)芳香烴，如聯(lián)苯。在重質餾分中還可能出現(xiàn)稠環(huán)芳香烴，如萘和菲，蒽的含量較少。

5、非烴化合物

主要是含硫、氮、氧三種元素的有機化合物，主要集中在石油的高沸點餾分中。

含硫化合物：最重要的非烴化合物，存在于中、重餾分中。主要有硫醇（-SH）、硫化物（-S-）（包括硫醚

R-S-Rˊ、環(huán)硫醚）、二硫化物（-S-S-）以及噻吩衍生物。此外，還有元素硫、硫化氫。硫來自有機物的蛋白質和圍巖的含硫礦物石膏等

含氮化合物：主要集中在膠質—瀝青質中。石油中含氧化合物可分為堿性和中性兩大類。堿性含氮化合物主要是吡咯、吲哚、咔唑的同系物及酰胺等。原油中含有具有重要意義的中性含氮化合物，即卟啉化合物，它是石油有機成因的重要生物標志物。

卟啉是以4個吡咯環(huán)為基本結構，由4個次甲基（-CH＝）橋鍵連接的含氮化合物。在石油中卟啉常與金屬Ｖ、Ｎi絡合形成有機絡合物，它比較穩(wěn)定，易保存，具有極強的吸光性和熒光性。卟啉本身在高溫或氧化條件下易分解，說明石油是在溫度不高、還原環(huán)境下形成，卟啉還易被粘土吸附，可應用于油氣運移研究。

含氧化合物：主要有酸性和中性兩大類。酸性含氧化合物中有環(huán)烷酸、脂肪酸及酚，總稱石油酸；中性含氧化合物有醛、酮等，其含量較少。

酸性含氧化合物中環(huán)烷酸最多，占酸性物質90%以上，易與堿金屬作用生成環(huán)烷酸鹽，極易溶于水，因此，油田水中環(huán)烷酸可作為一種含油氣性直接曛盡三、餾分、組分和化合物組成三者的關

四、石油的分類

石油的分類方法常因目的而異，地球化學家和地質學家注重原油組成及其與生油巖和演化作用的關系。代表性的分類方案是Tissot和Welte(1978)提出的，該分類采用三角圖解，以烷烴、環(huán)烷烴、芳烴＋N、S、O化合物作為三角圖解的三個端元。

以飽和烴含量50%為界把三角圖分為兩大部分，在飽和烴含量＞50%的區(qū)域內，再根據(jù)石蠟烴含量50%、40%處建立次一級分類界線，將飽和烴＞50%區(qū)域分為三種基本類型：石蠟型、環(huán)烷型和石蠟環(huán)烷型。在芳烴＋N、S、O化合物大于50%的區(qū)域內，以石蠟烴含量10%建立分類界線，將石蠟烴含量＞10%的區(qū)域作為芳香-中間型原油，而石蠟烴＜10%為重質降解原油。在重質降解原油中，以環(huán)烷烴含量25%處建立分類界線，將環(huán)烷烴含量＞25%的稱芳香-環(huán)烷型，而＜25%的稱芳-香瀝青型。五、海陸相原油的基本區(qū)別六、石油的物理性質

顏色：從白色、淡黃、黃褐、深褐、墨綠色至黑色。

比重：是指一大氣壓下，20℃石油與4℃純水單位體積的重量比，用d420表示。一般介于0.75～0.98之間。通常把比重大于0.90的稱為重質石油；小于0.90的稱為輕質石油。美國通常用API度、西歐用波美度來表示石油的比重。

美國通常用API度、西歐用波美度來表示石油的比重，它們與國際通用不同的比重之間的關系如下：

API=141.5/15.5C時比重-131.5

波美度=140/15.5C時比重-130

API度和波美度高的石油，實際上屬于低比重的輕質石油。這兩種單位與國際通用單位的換算值如表。

石油的粘度：代表石油流動時分子之間相對運動所引起的內摩擦力大小。有動力粘度,又稱絕對粘度，用SI表示，單位為帕斯卡秒（Pa.s)。動力粘度/同溫下密度稱為運動粘度，其單位稱二次方米每秒(m2/s)，不同溫度下的運動粘度用Vt表示。相對粘度又稱恩氏粘度，是在恩氏粘度計中200ml原油與20℃同體積蒸餾水流出時間的比值。常用Et表示。

石油顏色深淺和比重、粘度的大小主要取決于石油的化學組成，膠質、瀝青質含量愈高，顏色愈深，比重愈大，粘度增加。

熒光性：石油在紫外光照射下可產生延緩時間不足10-7秒的發(fā)光現(xiàn)象，稱為熒光性。石油中的多環(huán)芳烴和非烴具有熒光性。熒光色隨不飽和烴的濃度及分子量