Chapter 2
Petroleum & Natural Gases and
Oilfield Waters
Section 1 石油 (Petroleum)
Section 2 天然气 (Natural Gases)
3 Section 油、气的稳定同位素
(Stable Isotopes of Petroleum,gases)
Section 4 油田水 (Oilfield Waters)
Section 1 Petroleum
1 石油的化学组成 (Chemical Composition
of Petroleum)
2 石油的分类 (Classification of Petroleum)
3 海陆相石油的基本区别 (Basic Difference
of Marine and Continental Petroleum)
4 石油的物理性质 (Physical Properties of
Petroleum)
What is petroleum?
What is a scientific definition about
petroleum?
What is the difference of petroleum and
natural gas?
What is the difference of marine and
continental petroleum?
You can find the right answer in the
chapter!
Section 1 Petroleum
What?
Petroleum is a flammable organic ore in pore space of rock
underground,whose main components is liquid hydrocarbon 。
Petroleum is mixtures of hydrocarbons。
地下油气藏中的石油是气态液态及固态烃类 (gaseous、
liquid,and solid hydrocarbon)及其衍生物的混合物 (or it is
mixtures of hydrocarbon ramification),在成分上以烃类为主,
含有数量不等的非烃化合物 (non-hydrocarbon compound)及多种微量元素 (manifold trace elements)。
在相态上以液态为主,溶有大量烃气及少量非烃气以和数量不等的固态烃类 (hydrocarbon)及非烃类物质 (non-
hydrocarbon substance)。
不同油气藏中组成石油的各种成分和相态的比例是因地而异的。
因此,石油没有确定的化学成分和物理常数 (chemical
composition and physical constant)
石油没有确定的化学成分,因而也就没有确定的元素组成 。 但其元素组成还是有一定的变化范围 (variety range)。
( 一 ),Element composition
石油主要由碳 carbon(C),氢 hydrogen( H),硫 sulfur( S),
氮 nitrogen( N),氧 oxygen( O) 等元素组成 ( 表 ) 。
一,The chemical composition of petroleum
Element compositions of crude oil(weight percent)
原 油 产 地 元 素 组 成C H S N O
中国大庆 (萨尔图混合油 ) 85.74 13.31 0.11 0.15 0.69
胜利 (101混合油 ) 86.26 12.20 0.80 0.41 -
弧岛油田 84.24 11.74 2.20 0.47 -
大港油田 (混合油 ) 85.67 13.40 0.12 0.23 -
江汉油田 (混合油 ) 83.00 12.81 2.09 0.47 1.63
克拉玛依油田 (混合油 ) 86.13 13.30 0.04 0.25 0.28
前苏联雅雷克苏 80.61 10.36 1.05 痕量 8.97
乌克兰 84.60 14.00 0.14 1.25 1.25
老格罗兹尼 86.42 12.62 0.32 - 0.68
卡拉 -布拉克 87.77 12.37 - - 0.46
美 国文图拉 (加利福尼亚州 ) 84.60 12.70 0.40 1.70 1.20
科林加 (加利福尼亚州 ) 86.40 11.70 0.60 - -
博芒特 (得克萨斯州 ) 85.70 11.00 0.70 2.61
堪萨斯州 84.20 13.00 1.90 0.45 0.45
(据石毓程,1980 补充 )
原油中含硫量 变化很大 (sulfur content changes greatly),
从万分之几 ( 克拉玛依,0.05 %) 到百分之几 ( 委内瑞拉,5.48%
) 。 根据含硫量可把原油分为 高硫原油 (high-sulfur crude)( 含硫量大于 1%) 和低硫原油 (low- sulfur crude)( 含硫量小于 1%)
。 原油中的硫 (sulfur)主要来自有机物的蛋白质 (protein in
organic substance)和围岩的含硫酸盐矿物 (sulfate mineral
containing sulfur in wall rock)如石膏 (gypsum)等,故 产于海相环境的石油较形成于陆相环境的石油含硫量高 。
原油中含氮量 (nitrogen content)在 0.1-1.7%之间,平均值
0.094%。 90%以上的原油含氮量小于 0.2%。
原油的含氧量 (oxygen content)在 0.1-4.5%之间,主要与其氧化变质程度 (degree of oxygenation transformation)有关 。
除上述 5种主要元素 (major element)之外,还从原油灰分 ( 石油燃烧后的残渣 ) 中发现有铁 (Fe),钙 (Ca),镁 (Mg),硅 (Si),铝
(Al),钒 ( V),镍 ( Ni),铜 ( Cu),锑 ( Sb),锰 ( Mn),锶
( Sr),钡 ( Ba),硼 ( B),钴 ( Co),锌 ( Zn),钼 ( Mo),
铅 ( Pb),锡 ( Sn),钠 ( Na),钾 ( K),磷 ( P),锂 ( Li),
氯 ( Cl),铋 ( Bi),铍 ( Be),锗 ( Ge),银 ( Ag),砷 ( As)
,镓 ( Ga),金 ( Au),钛 ( Ti) 铬 ( Cr),镉 ( Cd) 等 30多种元素 。 这些元素虽然种类繁多,但总量仅占石油重量的万分之几,在石油中属 trace element,亦或称之为灰分元素 (ash element)。
在石油微量元素 (trace element)中,以钒 (Vanadium),镍 (Nickle)
两种元素含量高、分布普遍,且鉴于其与石油成因有关联,最为石油地质学家所重视。
V/Ni比值可做为区分是来自海相环境还是陆相环境沉积物
(distinguish sea facies environment and continental facies
environment sedimentary)的标志之一。
一般 V/Ni>1被认为是海相环境 (marine facies environment) 。
V/Ni<1为陆相环境 (continental facies environment )。
( 二 ),Compound of petroleum
组成石油的主要元素是 C,H,S,N,O,但由这 5种元素构成的化合物却是一个庞大的家族 --有机化合物 (organic
compound)。 笼统地说,组成石油的化合物多是有机化合物,
作为杂质混入的无机化合物 (inorganic compound)不多,含量甚微,可以忽略不计 。 石油的化合物组成,归纳起来可以 分为烃和非烃 (hydrocarbon and non- hydrocarbon)两大类,其中烃类是主要的,这与元素组成以 C,H占绝对优势相一致 。
饱和烃或烷烃或石蜡烃(链烷烃及环烷烃)
不饱和烃 --烯烃、芳香烃和环烷 -芳香烃
Compound of
hydrocarbon
1,Compound of hydrocarbon
( 1),saturated hydrocarbon
在石油中饱和烃 ( saturated hydrocarbon)在数量上占大多数,一般占石油所有组分的 50-60%。 可细分为 正构烷烃 (n-paraffin),异构烷烃 (i-paraffin)(同分异构体 isomers—具有相同成分但具不同分子结构从而具不同特性的物体 ) 和 环烷烃 (naphthene)。
直链的正构烷烃 (n-paraffin)平均占石油的 15-20%( 体积 ),
轻质原油 (light crude oil)可达 30%以上,而重质原油 (heavy crude oil)
可小于 15%。 石油中已鉴定出的正烷烃 (n-paraffin)自 C1-C45,但石油大部分正烷烃 (n-paraffin)碳数 ≤C35。
In normal temperature and pressure,正烷烃 C1-C4为气态,C5-C15
为液态,C16以上为固态 ( 天然石蜡 ) 。
The distribution of difference types n-paraffin
as following chart:
由图可见,尽管正构烷烃的分布曲线形态各异
,但均呈一条连续的曲线
,且奇碳数与偶碳数烃的含量总数近于相等。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,因而常用于石油的成因研究和油源对比。
石油中带支链 ( 侧链 ) 的异构烷烃以 ≤ C10为主,常见于 C6-C8中; C11-C25较少,且以异戊二烯型烷烃最重要 。
石油中的异戊二烯型烷烃,
一般被认为是叶绿素的侧链 -
植醇演化而来,因而是 石油生物成因的标志化合物 。 这种异构烷烃的特点是每四个碳原子带有一个甲基支链 。
现已从石油中分离出多种异戊二烯型化合物,其总量达石油的 0.5%。 其中研究和应用较多的是 2,6,10,14-四甲基十五烷 ( 姥鲛烷 ) 和
2,6,10,14-四甲基十六烷 (
植烷 ) 。 研究表明,同一来源的石油,各种异戊二烯型化合物极为相似 。 因而常用之作为油源对比的标志 。
异戊二烯烃同系列立体化学结构图环烷烃 (naphthene)在石油中所占的比例为 20-40%,平均 30%左右 。 低分子 ( < C10) 的环烷烃 (naphthene),尤以环戊烷
(cyclopentane)( C5-五员环 ) 和环己烷 (hexanaphthene)( C6-六员环 ) 及其衍生物 (ramification)是石油的重要组成部分,且一般环巳烷 (hexanaphthene)多于环戊烷 (cyclopentane) 。 中等到大分子量 ( C10-35) 的环烷烃 (naphthene)可以是单环到六环 。 石油中环烷烃以单环和双环为主,占石油中环烷烃 (naphthene)的 50-55%,三环约占 20%,四环以上占 25%左右 。 在石油中多环环烷烃的含量随成熟度 (maturity)增加而减少,故高成熟原油中 1-2环的环烷烃显著增多 。
In normal temperature and pressure,环丙烷 ( C3H6) 和甲基环丙烷
( C4H8) 为气态,除此之外所有其它单环环烷烃均为液态,两环以上 ( > C11) 的环烷烃为固态 。
( 2),Unsaturated hydrocarbon
石油中的不饱和烃主要是芳香烃 (aromatics)和环烷 -芳香烃
(naphthene- aromatics),平均占原油重量的 20-45%。
石油中已鉴定出的芳香烃 (aromatics),根据其结构不同可以分为单环,多环和稠环三类 。
单 环 芳 烃 包 括 苯 (benzene),甲苯 (toluene),二甲苯
(dimethylbenzene)等 。
多环芳烃有联苯 (diphenyl),三苯甲烷 (triphenymethane)等

稠环芳烃包括萘 ( naphthalene)( 二环稠合 ),蒽
(anthracene)和菲 ( 三环稠合 ) 以及苯并蒽和屈 ( 四环稠合 ) 。
芳香烃 (aromatics)在石油中以苯、萘、菲 (benzene、
naphthalene,phenanthrene)三种化合物含量最多,其主要分子也常常是以烷基 (alkyl)的衍生物 (ramification)出现。如前者通常出现的主要是甲苯 (toluene),而不是苯 (benzene)。
环烷 -芳香烃包含一个或几个缩合芳环,并与饱和环及链烷基稠合在一起。石油中最丰富的环烷 -芳香烃是两环(一个芳环和一个饱和环)构成的茚满和萘满以及它们的甲基衍生物。而最重要的是四环和五环的环烷 -芳烃,其含量及分布特征常用于石油的成因研究和油源对比。因为它们大多与甾族和萜族 (terpene)化合物有关,而甾族和萜族化合物是典型是生物成因标志化合物 (biomarkers)。
2,Non-hydrocarbon Compound 0f Petroleum
石油中的非烃化合物是指除 C,H两种主要元素外,还含有硫或氮或氧,亦或金属原子 ( 主要是钒和镍 ) 的一大类化合物 。 石油中这些元素的含量不多,
但含这些元素的化合物却不少,有时可达石油重量的
30%。 其中又主要是含硫,氮,氧的化合物 。
( 1) Sulfur compounds
硫是碳和氢之后的第三个重要元素,含硫的化合物也最为多见。目前石油中已鉴定出的含硫化合物将近 100种
,多呈硫醇、硫醚、硫化物( H2S) 和噻吩(含硫的杂环化合物的形式存在,在重质石油中含量较为丰富。
( 2) Nitrogen Compounds
石油中含氮化合物较为少见,平均含量小于 0.1%。
目前从石油中分离出来的含氮化合物有 30多种,主要是以含氮杂环化合物形式存在。 其中以含钒和镍的金属卟啉化合物最为重要。
原油中的卟啉类型与沉积环境有密切关系,海相石油富含钒卟啉,而陆相石油富含镍卟啉。
叶绿素( A) 与原油中的卟啉( B),植烷( Ph),姥鲛烷 (Pr)结构比较图
( G.D.Hobsoh etc.,1981)
( 3) Oxygen Compounds
石油中含氧化合物已鉴定出 50多种 。 包括有机酸,酚和酮类化合物 。 其中主要是与酸官能团- COOH有关的有机酸,有 C1-24
的脂肪酸,C5-10的环烷酸,C10-15的类异戊二烯酸 。 石油中的有机酸和酚 ( 酸性 ) 统称石油酸,其中以环烷酸最多,占石油酸的 95%,主要是五员酸和六员酸 。 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 (So the existence of naphthene in
groundwater is one of indication finding petroleum)。
( 三 ),Distillation of Petroleum
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 ) 。
The approximate distillation range of petroleum products
馏分轻馏分 (低沸馏分 ) 中馏分(中沸馏分) 重馏分(高沸馏分)
石油气
(醚 ) 汽油 煤油 柴油重瓦斯油 润滑油 渣油温度
(℃ )
< 35(
< 40)
35-190(
40-180)
190-260(
180-230)
260-320(
230-405)
320-
360
360-530(
405-515)
> 530(
> 515)
( 四 ),The components of petroleum
石油组分分析是过去在石油研究中曾广泛使用的一种方法
(The components analysis of petroleum was one of abroad
methods in researching petroleum in the past)。 它是利用有机溶剂和吸附剂对组成石油的化合物具有选择性溶解和吸附的性能,选用不同有机溶剂和吸附剂,将原油分成若干部分,
每一部分就是一个组分 。
一般在作组分分析之前,先对原油进行分馏,去掉低于 210℃
的轻馏分,切取> 210℃ 的馏分进行组分分析。
凡能溶于氯仿 (chloroform)和四氯化碳 (carbon
tetrachloride)的组分称为油质 (oiliness),它们是石油中极性最弱的部分,其成分主要是饱和烃和一部分低分子芳烃。
溶于苯的组分称为苯胶质 (benzene colloid),其成分主要是芳烃和一些具有芳环结构的含杂元素的化合物(主要为含 S,N,O的多环芳烃)。
用酒精和苯的混合液(或其它极性更强的如甲醇、丙酮等)作溶剂,可以得到酒精 -苯胶质(或其它相应组分),此类胶质的成分主要是含杂元素的非烃化合物。
用石油醚分离,溶于石油醚的部分是油质和胶质。剩下不溶于石油醚的组分(但可溶于苯、二硫化碳和三氯甲烷等中性有机溶剂
,呈胶体溶液,可被硅胶吸附)为沥青质; 后者是渣油的主要组分
,其主要成分是结构复杂的大分子非烃化合物。
The average constitutes of element in colloid and asphalt
重量百分比( %)
H/C原子比
C H S+N+O
胶质 84.0 9.2 6.8 1.30
沥青质 85.0 8.1 7.3 1.14
石油的分类常因目的 ( 用途 ) 不同而采用的参数各异 。 目前石油地质学上较为流行的是蒂索和威尔特 ( 1978) 提出的分类 。 下面对该分类作一简单介绍 。
该分类主要是依据原油中各烃类的含量比例关系,以烷 (
石蜡 ) 烃,环烷烃,芳烃 +S,N,O化合物三个参数作为三个端元,采用三角图解来划分原油类型 。 注意该方案中所用参数是原油中沸点> 210℃ 馏分的分析数据 。
该方案是考虑到饱和烃含量对于石油性质有重大影响,且饱和烃分布上在 50%处为两个众数的最小值,可以明显地将芳香型原油与石蜡型 -环烷型原油分开 ( 图 ) 。
二,Classification of petroleum
在> 210℃ 石油馏分中的浓度 石油类型 石油中硫的含量 (近似值) 每一类样品的 数目
S> 50% AA<
50%
P> N 且 P> 40% 石蜡型石油
< 1%
100
P≤40%且 N≤40% 石蜡 -环烷型石 油 217
N> P且 N≥40% 环烷型石油 21
S≤50%
AA≥50%
P> 10% 芳香 -中间型石 油
> 1%
126
P≤10% N≤25% 芳香 -沥青型石 油 41
The classification table of petroleum
S=饱和烃 AA=芳香烃 +胶质 +沥青质 P=石蜡烃 N=环烷烃样品总数 =541
海陆相石油的特征有着明显的区别,主要有如下几个方面:
石油类型 (type of petroleum)
含蜡量 (wax content)
含硫量 (sulfur content)
钒、镍含量与比值 (content and ratio
Vanadium and Nickel)
碳稳定同位素的分布 (distribution of
carbon stable isotope)
三,Basic distinguish of marine
and continental petroleum
(一),The types of petroleum
海相石油以芳香 -中间型和石蜡 -环烷型为主 (Marine
petroleum gives priority to the types of aroma-middle
and paraffin-naphthene),饱和烃占石油的 25-70%,芳烃占总烃的 25-60%。
陆相石油以石蜡型为主,部分为石蜡 -环烷型
(Continental petroleum gives priority to paraffin
type and acts paraffin-naphthene in part),饱和烃占石油的 60-90%,芳烃占总烃的 10-20%。
(二),Wax content
含蜡量高是陆相石油的基本特征之一 (The high wax
content is one of basic characters in continental
petroleum) 。 In the world,高蜡石油都产于陆相环境中
。 In our country,根据陆相石油的分析资料,含蜡量( wax
content)普遍大于 5%,一般为 10-30%,个别可达 40%以上,而海相石油含蜡量均小于 5%,一般仅 0.5-3%(It is less than
5% in marine petroleum,commonly only 0.5-3%)。
(三),Sulfur content
海相石油一般为高硫石油,而陆相石油一般为低硫石油 (Marine petroleum is common high sulfur,but
continental does in contrast)。 含硫量主要与蒸发盐或碳酸盐母岩的沉积环境(主要是盐度)有关。
(四),Content and ratio of trace element Vanadium
and Nickel
石油中钒、镍的含量和比值也是海陆相石油的区别之一
(Content and ratio of trace element Vanadium,Nickel
are one of distinctions for marine and continental
petroleum)。 海相石油中钒、镍含量高,且 V/Ni> 1; 而陆相石油中钒、镍含量较低,且 V/Ni< 1。 此外,钒、镍主要存在于卟啉类化合物中,海相石油富含钒卟啉,而陆相石油富含镍卟啉。
( 五),The Distribution of Carbon Stable Isotopes
海陆相石油的碳稳定同位素组成也有明显差别。
据廖永胜( 1982)统计,第三系海相石油的 δ13C值一般大于 -27‰,而陆相石油的 δ13C值一般小于 -29‰ 。不同时代海、陆相石油的 δ13C值可有一定幅度的变化,但两者的差别仍是基本的。
四,Physical properties of
petroleum
( 一),Colors
在透射光下石油的颜色可以呈淡黄、褐黄、深褐、淡红
、棕色、黑绿色及黑色等色。 原油颜色的深浅主要取决于胶质、沥青质的含量。其含量愈高,则颜色愈深 (Colors
of crude oils lie on the contents of colloid,pitch
。 The more contents are,the deeper colors are.)。
( 二 ),Specific gravities and densities
液态石油的比重,在我国和前苏联是指在 101325Pa下,
20℃ ( 或 15.5℃ ) 石油与 4℃ 纯水单位体积的重量比 。 欧,
美各国则是用 101325Pa下,60℉ ( 15.55℃ ) 石油与 4℃ 纯水单位体积的重量比,通常称之为 API度 。 在国际石油贸易中常以 API度为单位 。
石油比重一般介于 0.75-0.98之间 。 通常把比重大于 0.9的称为重质石油,小于 0.9的称为轻质石油 。 In the world,
原油大多为轻质石油;重质石油居次要地位 。 比重最大的可达 1.0以上,这种石油用一般方法难于开采 。
密度是单位体积物质的质量( density is qualities of substance
in a volume)。 密度单位形式上与比重差别不大,一般用 g/ml或
g/cm3。 密度与物质本身的成分和体积变化相关。液体石油的体积,在常压下随温度升高而增大。
地下石油的密度不仅与温度压力有关,还与溶解气量有关,
且后者才是影响石油密度的本质因素。溶解气量增加则密度降低。地表和地下温、压条件不同,不仅影响石油体积,更主要的是由于溶解气量的差异,导致石油物质组成的差异,实质上是改变了石油的质量。 地下石油含有较多的溶解气,是地下石油密度较地表石油密度低的根本原因 (fundament cause)。
The expansion coefficient of differ specific gravities petroleum
比重 API度 平均膨胀系数(体积 /单位体积 1oF)
0.67 78 0.008
0.67-0.72 78-65 0.007
0.72-0.77 64-51 0.006
0.78-0.85 50-35 0.005
0.85-0.97 34-15 0.004
0.97-1.078 14-0
(三),Viscosities
粘度是反映流体流动难易程度的一个物理参数。 粘度值实质上是反映流体流动时分子之间相对运动所引起内摩擦力的大小。粘度大则流动性差,反之则流动性好。 石油粘度是制定石油开发方案、
油井动态分析及石油储运都必须考虑的重要参数。粘度分为动力粘度、运动粘度和相对粘度。
石油地质学上通常所用的粘度多指动力粘度 。 石油粘度大小主要取决于其化学组成,小分子的烷烃,环烷烃含量高,粘度就低;
而石蜡,胶质,沥青质含量高,粘度就高 。
石油粘度随温度升高,溶解气量增加而降低 。 因此,地下石油的粘度常低于地表 。 在地下 1,500-1,700m处,石油的粘度通常仅为地表的一半 。
( 四 ),Dissolutions
石油能溶于多种有机溶剂 。 如氯仿,四氯化碳,苯,醚等 。 石油是多种有机化合物的混合物,实际上各种化合物都可以看作是有机溶剂,换言之,各成分之间具有互溶性 。 其中轻质组分对重质组分的溶解作用可能更明显些,也更容易理解 。 有可能这种溶解作用正是重质组分得以实现运移的有效途径 。
石油在水中的溶解度一般很低,通常随分子量的增加很快变小,但随不同烃类化学性质的差异而有很大的差别 。 其中芳烃的溶解度最大,可达数百到上千 PPm; 环烷烃次之,一般为 14-150PPm; 烷烃最低,仅几个到几十个 PPm。 在碳数相同时,一般芳香烃的溶解度大于链烷 。 如巳烷,环巳烷和苯分别为 9.5
,60和 1,750mg/l,差别是非常明显的 。 苯和甲苯是溶解度最大的液态烃 。
当压力不变时,烃在水中的溶解度随温度升高而变大 。 芳香烃更明显 。 但随含盐度和压力的增大而变小 ( McAULIFFE,1979) 。 当水中饱和 CO2和烃气时
,石油的溶解度将明显增加 。
( 五 ),Solidifications and liquescence
石油的凝固和液化温度没有固定的数值 。 在凝固和液化之间可以出现中间状态 。 富含沥青的石油在温度降低时无明显凝固现象 。 石油的凝固点与粘度和重质石蜡的含量有关,尤其与后者关系密切 。 富石蜡的石油在温度下降到结蜡点时,即伴随石蜡晶出而出现凝固现象;高粘度原油一般富含 石蜡,10℃ 左右便会变成粘糊状或固体状;石油凝固点的高低与含蜡量及烷烃碳原子数具有正相关性 。 凝固点高的原油容易使井底及油管结蜡,给采油增加困难 。 轻质石油凝固点很低,所以一般低凝固点的石油为优质石油 。
(六),Evaporations and volatilizations
蒸发和挥发都是指在常温常压下液体表面汽化的现象。 二者可视为同义词。蒸发侧重于汽化现象本身,而挥发则是侧重于表述这种现象的动态过程和结果。石油蒸发时轻组分优先逸出;而通常石油的挥发性即指其轻组分以气体形式离开石油散发掉的现象和事实;其结果同是使石油的比重增大。
( 七 ),Fluorescences
石油在紫外光照射下可产生发萤光的特性称为萤光性 。 石油中只有不饱和烃及其衍生物具有萤光性 。 这是因为它们能吸收紫外光中波长较短,能量较高的光子,随后放出波长较长而能量较低的光子,产生萤光 。 饱和烃不发萤光 。 萤光性可能与存在双键有关 。 萤光色随不饱和烃及含双键的非烃浓度和分子量增加而加深 。 芳烃呈天蓝色,胶质为黄色,沥青质为褐色 。
利用石油具有萤光性,可以用紫外灯鉴定岩石中微量石油和沥青类物质的存在 。 在有机溶剂中只要含有 10-5沥青类物质即可被发现 。
( 八),Rotary polarization
大多数石油都具有旋光性,即石油能使偏振光的振动面旋转一定角度的性能。石油的旋光角一般是几分之一度到几度之间。
绝大多数石油的旋光角是使偏振面向右旋移而成,仅有少数为左旋。石油的旋光性主要与组成石油的化合物结构上存在不对称碳原子(又称 手征碳原子或手征中心 )有关。 而通常存在 手征 碳原子的甾、萜类化合物是典型的生物成因标志化合物。因此 旋光性可以作为石油有机成因的重要证据之一( Rotary polarization acts
one of importance evidences as organic cause of petroleum)。
( 九 ),Conductions
石油及其产品具有极高的电阻率 (Petroleum and its
products are high than kite conductions),石油的电阻率为 109-1016Ω ·m,与高矿化度的油田水 ( 电阻率为 0.02-
0.1Ω ·m) 和沉积岩 ( 1-104Ω ·m) 相比,可视为无限大 。
石油及其产品都是非导体 (So petroleum and its products
are all non-conductors)。
( 十),Thermal values
石油作为重要的能源,其主要经济价值就在于它的热能
(As important energy sources,the main economic
values rest with thermal values of petroleum)。 石油的热值因石油的品质差别而有所差异,比重在 0.7-0.8kg/l的原油为 44.5-47MJ/kg; 比重为 0.8-0.9kg/l的原油为 43-
44.5MJ/kg; 比重为 0.9-0.95kg/l的原油为 42-43MJ/kg。 与煤比较(煤的热值为 22-32MJ/kg),大约 1.5吨煤的热值才相当于 1吨石油。
Section 2 Natural
Gases
天然气是一种高效,高能,低污染的特殊能源,从广义上理解,是指自然界天然存在的一切气体 ( Natural gases is
one of special energy sources having high effect、
high power,low contamination;in broad sense,it
includes wholeness gases existing in the nature)。
根据其存在的环境,索柯洛夫 ( В,А,С ΟК ΟЛ ΟВ,
1971) 将天然气分为八类 (表 ) 。
The classification of natural gases
气体类型(按存在环境分类) 基本化学成分
Ⅰ,大气 N2,O2
Ⅱ 表层沉积物中气
a.土壤及底土气 CO2,N2,O2
b.沼泽及泥炭中气 CH4,CO2,N2
c.海底沉积中的气 CO2,CH4,N2
d.气水合物 CH4( C2H6,C3H8) ·nH2O
Ⅲ 沉积岩的气
a.油田气 CH4,C2+,N2,CO2
b.气田气 CH4,N2,CO2
c.煤油气 CH4
d.分散吸附气 CO2,CH4
e.地层水中的溶解气(水溶气) CO
2,CH4Ⅳ,海洋中溶解气 CO
2,N2
Ⅴ,变质岩中气 CO2,N2,H2
Ⅵ,岩浆岩中气 CO2,H2
Ⅶ 地幔排出气
a.熔岩喷出气 CO2,H2,SO2,HCl,HF
b.大洋中脊喷出气 CO2,H2,H2S,SO4,CH4
c.深断裂气 CH4,H2
d.温泉气 CO2,CH4
Ⅷ,宇宙气 H2,H,He
实际上 (In practice),目前研究较为充分的是以沉积岩为主体的地壳上部岩石圈中的天然气,特别是以烃类为主的气藏和油气藏中的天然气(偶然发现的非烃气藏仅作为附带)。因此,在石油及天然气地质学中研究的主要对象是 地壳上部岩石圈中 (in lithosphere
of the top earth’s crust)以烃类为主的天然气 。
一,Type of natural Gases
天然气的类型分布特点游离气溶解气吸附气固体水溶气聚集型分散型伴生气非伴生气游离气气藏气气顶气凝析气油溶气水溶气煤层气致密地层气气水合物
Hydrocarbons are main components of natural gases in
natural gas (petroleum) pools)。 通常以甲烷占优势,并有数量不等的重烃气( C2+) 。 在某些石油伴生气(气顶气和油溶气)中,
重烃气含量可以超过甲烷。非烃气在绝大多数气藏气中为次要成分,常见的非烃气有 N2,CO2,H2S,CO,SO2,H2,Hg等,以及痕量到微量的惰性气体如氦( He),氖( Ne),氩( Ar),氪
( Kr),氙( Xe),氡( Rn) 等。在某些气藏中非烃气体也可以成为主要成分,如 N2气藏,CO2气藏,H2S气藏等。
二,Chemical component of natural gases
据雅库琴尼 ( В,П,Я К У Ч е Н И,1976) 对世界上不同时代,不同构造单元的 2,000个气藏,15,000个分析数据的统计结果表明,世界上绝大多数气藏的成分是以烃气为主 (In the
world,hydrocarbons are main components of natural gases in
bulk natural gas pools)。 烃含量高于 80%的气藏数占总数的 85%以上,90%以上的天然气储量集中于烃含量在 90%以上的气藏中 。
氮气为主的气藏占气藏总数的百分之几,含量在 90%以上的不到
1%。 以 CO2和 H2S为主的气藏也不足气藏总数的 1%。 世界上若干有代表性的地区和油气田中的天然气成分如表所示 。
The simple component table of natural gases in some petroleum and gas fields all over the world
地区及油气田名称 时代 成 分
CH4 C2+ CO2 H2S N2 其它前苏联西西北利亚气田 K 97.8-99.91 痕量到 0.855 0.1-0.68 0-0.004 0.45-1.69 0-.07
阿塞拜疆凝析气田 N 91.3-97.93 1.58-8.66 0-0.5
奥伦堡凝析气田 P1— C3 81.5 5-9 1.0-3.2 1.3-4.5 2.4-7.4
罗马什金油田 D 40.0 49.9 0.1 0 9.0
美国胡果顿气田 P 74.3 11.4 0 0 14.0
潘汉得油气田 Ar+P 91.3 6.38 0.1 0 1.0
中国圣灯山气田 P1 94.57 0.99 0.24 0 2.43 0.02
大庆油田 K1 83.82 13.0 0.11 0,58
老君庙油田 N 64.9 35.0 0.1
荷兰 格罗宁根气田 P1 81.3 3.5 0.3 0 14.0
北海 英国赫威特气田本塔尔砂岩 (T) 83.19 8.39 0.08 0.02 8.4
赫威特砂岩
( T)
92.13 5.49 0.02 0 2.32.366
法国 拉克气田 J3— K1 68.66 5.57 9.92 15.52 0.33
(一 ),The hydrocarbon constituents of
natural gases
天然气的烃类组成一般以甲烷为主,重烃气次之 (methane in
first place,weight hydrocarbon in second place)。 重烃气以
C2H6和 C3H8最为常见; >C4者较少见 。 In most situation,含量随碳数增加而减少;但在有的气藏中也可见 C3H8和 C4H10异常高的现象 。
重烃气中 C4-C7除正构烷烃外,有时还有少到微量环烷烃和芳烃 。
一般常根据重烃气的含量将天然气划分为 湿气和干气 (wet
gases and dry gases)。 但不同学者所用的参数,量值及具体的划分方案不尽相同 。 在天然气地质学上常用重烃气含量 5%作为划分干气和湿气的界限,C2+≥ 5%称为湿气,C2+< 5%称为干气 。 典型的湿气和干气以及欧,非,美洲若干有商业价值的天然气烃类组成如表所示 。
天然气组成 %(体积) 资料来源CH
4 C2H6 C3H8 C4H9 >C
5H12
非烃典型 湿气
84.6 6.4 5.3 2.6 1.1 Heron
(964)
干气 96.0 2.0 0.6 0.3 1.1
利曼(英,北海) 94.8 3.0 0.6 0.2 0.2 0.2
Tiratsoo
(1979)
非洲利比亚 71.4 16.0 7.9 3.4 1.3 /
阿尔及利亚 86.5 9.4 2.6 1.1 0.1 0.3
尼日利亚 88.1 6.3 2.1 0,3 1.1 2.1
圣弗朗西斯科
(美,加州)
88.59 7.01 1.93 0.28 0.03 2.06
洛杉矶(美,加州) 86.5 8.0 1.9 0.3 0.2 3.1
华盛顿特区 95.15 2.84 0.63 0.24 0.1 1.04
The hydrocarbon constituents of type dry gas,wet gas and
natural gases in some area of Europe,Africa,America
天然气的烃类组成变化很大 ( The hydrocarbon
constitutions of natural gases change largely),如我国柴达木盆地聂中的气藏气,甲烷含量为 99.5%,重烃( C2H6) 含量仅 0.035%,C1/C2+为 2843,H/C原子比为 3.999;而俄罗斯格罗兹尼的石油伴生气,甲烷含量仅 30.8%,重烃( C2H6-C5H12) 含量却高达 69.2%,且其中 C3H8-C5H12各占 20%左右,相应地,C1/C2+为
0.445,H/C原子比为 3.02。这两个例子可作为天然气烃类组成两个极端的代表,其差别是显而易见的。
影响天然气烃类组成的因素很多,成气原始有机质类型
(the type of organic source material for gas occurs),成气演化阶段 (the evolvement phase of gas occurs),产状类型 ( the mode
of occurrence),保存条件 ( the preserve condition)以及次生变化
(the secondary change)等都能影响其烃类组成 。 但从统计的角度来看,纯气藏的重烃气含量一般较低,多数不超过 10%,石油伴生气的重烃气含量相对较高,凝析气居中。前苏联学者
А.М.МaМИДОВ( 1967) 曾对巴库及邻近地区大量天然气烃类组成作过统计:石油伴生气 C2+平均含量为 10.2%,凝析气为
5.47%,气田气为 2.25%。
( 二 ),The non-hydrocarbon constituents of
natural gases
在以烃类为主的天然气聚集中,一般将非烃气体成分视为杂质
(impurity)。 但有的非烃气体含量达到一定的品位也具有很高的经济价值,应予以足够的重视;同时,研究非烃气体,对了解天然气的形成,运移等也有重要意义 。 因此我们有必要对天然气中的非烃气体有所认识 。 天然气 ( 主要是气藏气 ) 中常见的非烃气有 N2、
CO2,H2S,CO,SO2,H2,Hg蒸气及惰性气体,有时还有少量含硫,氮,氧的有机化合物 。 非烃气的含量一般小于 10%,但亦有少量气藏非烃气体含量可超过 10%,极少数是以非烃气体为主的气藏
,如 N2气藏,CO2气藏,H2S气藏 。
1.Carbon dioxide( CO2)
CO2是一种无色,无臭,略带酸味,有一定毒性的气体 。 大多数气藏几乎总含有 CO2,我们总希望 CO2含量越低越好 。 但 CO2可以为主形成气藏 。 聚集起来的 CO2也有其经济意义 。 世界上已发现的 CO2
气藏,大部分在地史上或近代为火山活动地带 。 在美国,俄罗斯,
保加利亚,匈牙利,罗马尼亚,巴基斯坦等国,都有 CO2含量很高的天然气藏 。 我国松辽盆地,华北盆地,苏北盆地,三水盆地都碰到有以 CO2为主的气井,其中以三水盆地沙头圩气藏 ( 水深 9井 ) CO2含量最高,达 99.55%。 此外,在云南滕冲,禄丰县青豆冲和利乌场以及楚雄盆地还发现多处 CO2气苗,CO2含量在 76-98%之间 。
2,Nitrogen( N2)
N2是一种无色、无臭、无味、不活泼的气体,是地球大气圈的主要成分,占大气圈的 75.51%(重量)。 N2在地壳中只有 0.002%,
在以烃气为主的天然气中 N2含量一般在少量到 20%。
在地下也存在以 N2为主的气藏。在美国、加拿大、俄罗斯都有这样的气藏,其中以加拿大西加拿大盆地巴伊尔德克特 -希尔斯气田
N2含量最高,达 96.6%。我国主要见于鄂尔多斯盆地、汾渭盆地以及鄂西、江汉等地区,其中以鄂尔多斯盆地保 1井 N2含量最高,达
95.6%。云南也发现有 N2气苗,其中滕冲县大塞子水池和罗汉冲刘家寨气苗,N2含量分别为 98.906%和 99.35%。
3,Sulfureted hydrogen( H2S)
H2S是一种具有腐蛋臭味的有毒可燃气体 。 常与烃类气体伴生,
是一种在开采烃类气体中有较高经济价值的副产品 。 一般油,气藏中含量很低 。 国外 H2S含量较高的有如法国的拉克气田 H2S含量为 17%;西加拿大盆地的某些气田 ( 克罗斯非尔德气田,瓦捷尔顿气田,
哈尔马坦气田 ),H2S含量高达 20-53%;还有土库曼,乌兹别克,
墨西哥,伊朗等国的某些气田中,也发现有 H2S含量较高的天然气 。
国内外研究均较为一致地认为,含 H2S高的气藏多出现在碳酸盐岩储层中,且多与硫酸盐 -碳酸盐岩组合的地层有关 。 我国 H2S含量大于
1%的天然气全产在碳酸盐岩储层中,如卧龙河气田,中坝气田等 。
4,Hydrogen( H2)
H2是一种具有很高热值 ( 23,000-33,900千卡 /kg),也是所有已知气体中最轻的 ( 8.5g/m3) 气体 。 在地下天然气中 H2含量很少超过 3%。 自然界纯 H2气藏罕见,高浓度的 H2气藏主要见于俄罗斯,如俄罗斯地台西部耶尔斯克和克列斯捷茨井,产出气体全由氢气组成;还有勒拿河中游一口钻至寒武纪灰岩的井中,溶解气含 98%的 H2;
其它还有一些地点含 H2量在 15%-87.4%之间 。
5,Carbon monoxide( CO)
CO是一种无色、无臭的可燃气体(热值不超过 2418千卡 /kg) 。 CO一般与高温析出气伴生,
含 CO的气藏多与火山或泥火山爆发喷出的气体加入有关。在自然界未遇到过单独或为主存在的 CO
气藏。
6,Sulfur dioxide( SO2)
SO2也存在于与火山活动有关的气体中。若天然气中含 SO2,也当与火山活动有关 。 如埃特纳火山(为一硫质喷气孔),在 1956年析出气体中含 SO2高达 94.1%(还有 5.9%为 N2)。
7,Hydrargyrum smoke汞蒸气 ( Hg)
汞是常温下唯一的液态金属,俗称 "水银 "。 内聚力很强,比重大 ( 20℃ 时为 13.546g/cm3) 。 由于其特有的高挥发性,因而有很高的蒸气压,在自然界绝大部分 ( 高达 99.98%) 呈分散状态,仅有 0.02%聚集成为矿藏;加之腐殖质对汞有很强的吸聚力
,所以天然气中普遍含有汞蒸气 。
我 国 天 然气 中 含 汞量 在 0.004-39.2μ g/m3,平均为
0.47μ g/m3。 高含汞的天然气主要为煤成气 。
8,Inert gases
惰性气体在空气 ( 大气 ) 中含量很低,在地下没有形成游离气聚集 。 它们通常以掺和物形式存在于气藏中,其含量很少超过 1%。 氦气例外,某些气藏 He含量可高达百分之几 。
天然气是多种烃类和非烃的气态混合物 。 在常温常压下以气态存在的烃类有甲烷,乙烷,丙烷,丁烷,异丁烷及新戊烷;非烃类有氢,氮,二氧化碳,硫化氢和惰性气体 ( Natural gases
are manifold gaseity mixtures of hydrocarbons and non-
hydrocarbons。 In normal temperature and pressure,
gaseity hydrocarbons have methane,hexane,propane、
butane,isobutane and neopentane; non-hydrocarbons have
H2,N2,CO2,H2S and inert gases.)。 在地下高温高压下,C5-
C7烷烃和部分环烷烃,芳烃及有机硫化物也可以呈气态存在 。
三,Physical properties of natural gases
(一 ),Specific gravities and densities of natural gases
天然气的密度定义为单位体积气体的质量 。 在标准状况 (
101325Pa,15.55℃ ) 下,天然气中主要烃类成分的密度为
0.6773kg/m3( 甲烷 ) -3.0454kg/m3 ( 戊烷 ) 。 天然气混合物的密度一般为 0.7-0.75kg/m3,其中