油气水性质.docx

1、油气水性质第一章 油气水性质（4学时）1 石油沥青类的概念及组分（0.5学时）一、概念：天然气、石油及其固态衍生物，统称为石油沥青类。石油沥青类、煤类、油页岩，一部分硫，都是自然界常见的可燃矿产，因它们由古生物演变而来，故统称为可燃有机矿产。岩石圈分为岩浆岩、变质岩和沉积岩，而沉积岩又根据成因分为碎屑岩、化学岩及生物岩；而生物岩根据可燃性又可分为可燃性生物岩、非可燃生物岩。二、组成组成可燃有机矿产的主要元素为碳和氢，还会有少量的氧、硫、氮等杂质。其中煤所含碳要比石油多，氢却比石油少；氧在石油中也较少；C/H比值以石油和沥青最小，煤类最大。碳的热值约为34.0MJ/kg，氢的热值约为142.2M

2、J/kg，即一个单位的氢所放出的热量四倍于碳；氧则使可燃矿产的热值降低。因此石油的热值比煤类大。三、可燃有机矿产的分类从物理状态分类，可燃有机矿产可分为三类：1气态可燃矿产：即天然气。2液态可燃矿产：以石油为代表。3固态可燃矿产：种类较多，包括煤、油页岩、硫磺及石油衍生物：地沥青、地蜡、石沥青等。2 石油的性质和组成（1学时）一、石油的组成：（一）石油的元素组成石油的主要成分C、H、O、S、N。其中，C：8487%，H：1114%，两者占9799%；O、S、N总量仅占14%，个别情况下，高硫石油，这个比例可达37%。如墨西哥石油含硫3.65.3%。石油中氮含量很少，一般为千分之几到万分之几，个

3、别情况下N含量也很高，如美国加利福尼亚第三系石油氮含量可达1.42.2%。此外，石油中还有其它微量元素，构成了石油灰份，目前，采用发射光谱法和中子活化分析法从石油灰份中发现了其它微量元素54种。这些元素近似自然界有机物的元素组成。说明石油与原始有机质存在明显的亲缘关系。尤其是（V）（Ni）是分布普遍并且有成因意义的两种元素（钒、镍），把它们的比值（VNi）用来确定生油岩相，进行油源对比。（二）石油的烃类组成石油主要由C、H两种元素组成，按两者之间结合的化学结构的不同可分为三类：1烷烃类（又称脂肪烃类），通式为CnH2n+2一般在常温常压下14个碳原子（C1C4）的烷烃呈气态；含五到十六个碳原子

4、正烷烃呈液态；十七个以上碳原子的高分子烷烃呈固态。烷烃分子结构是碳原子与碳原子以单键相联接，排成直链式，其余碳原子键全部为氢原子所饱和的直链烃类。无支链者为正（构）烷烃，有支链者为异（构）烷烃（结构式参见教材）。在石油中不同碳原子数正烷烃相对含量呈一条连续的分布曲线，称为正烷烃分布曲线。这说明石油中正烷烃同系物是一个连续系列。由于石油中正烷烃低分子多于高分子，因而在正烷烃系列的C15以内有一个极大值。在石油的烷烃馏分中，最重要的是异戊间二烯型烷烃。其结构特点是在直链上每四个碳原子有一个甲基支链，在结构上宛如由若干个异戊间二烯分子加氢缩合而成。它们可能是天然色素或萜烯类衍生的产物。它们在石油中的

5、含量可达0.5%，在石油和沉积物中往往以植烷、姥鲛烷和降姥鲛烷、异十六烷及法呢烷含量最高。由于同源的石油，所含异戊间二烯型烷烃的类型和含量均相似，所以它们被用来研究油源对比及运移。2环烷烃即分子中含有碳环的饱和烃。根据组成碳环的碳原子数分为三员环、四员环、五员环。按分子中所含碳环数目，可以分为单环烷烃（CnH2n）、双环烷烃（CnH2n-2）、三环烷烃（CnH2n-4）及多环烷烃。石油中的环烷烃多为五员环或六员环。环烷烃和脂肪烃分子中所有化合价均被饱和，所以它们都属饱和烃，性质相似，化学稳定性高，但其物性（如密度，熔点、沸点都比碳原子数相同的烷烃高，但相对密度小于1）。3芳香烃指具有六个碳原子

6、和六个氢原子组成的物殊碳环苯环的化合物，其结构特点是分子中含有苯环结构，属不饱和烃。根据其结构，可分为单环、多环和稠环三类。单环芳烃，指分子中只含一个苯环的芳烃，包括苯及其同系物： CH3 CH3苯 甲苯 对二甲苯 CH3多环芳烃是指分子中含两个或多个独立苯环的芳香烃。 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。在石油的低沸点馏分中，芳香烃含量较少，且多为单环芳烃；随沸点升高，芳烃含量增加，并出现双环芳烃。在重质馏分中，还可出现稠环芳烃。（三）石油的非烃组成石油中非烃化合物主要包括含硫、含氮、含氧化合物。1含硫化合物它在石油中的含量变化较大，从万

7、分之几到百分之几。含硫化合物主要有：单质硫S、H2S、硫醇（RSH）、硫醚（RSR）、环硫醚（ ， ）、二硫化物（RSSR）、噻吩（ ）及其同系物。硫是石油中的一种有害杂质，因为它易产生硫化氢、硫化铁、硫醇铁、亚硫酸或硫酸等，对机器、管道、油罐、炼塔等金属设备产生腐蚀。所以含硫量常作为评价石油质量的一项重要指标，我国的石油多为低硫石油。通常将含硫量大于2%的石油称为高硫石油，低于0.5%称为低硫石油，介于0.52%称含硫石油。一般产于砂岩层中的石油含量低，多为低硫石油，产自碳酸盐岩地层中的石油多为高硫石油。2含氮化合物口口口口分为碱性和非碱性两种，一般含量为万分之几至千分之几。碱性化合物有吡啶

8、、喹啉、异喹啉和卟啶及其同系物；非碱性包括咯、卟啉、吲哚和咔唑及其同系物。其中金属卟啉化合物最为重要，它的分子包含四个吡咯环，因此称为 族化合物。口口口口动物血红素和植物叶绿素都属 族化合物（即卟啉化合物），它们是石油有机成因的有利证据。3含氧化合物一般只有千分之几，个别石油可高达23%。可分为酸性和中性两类。前者有环烷酸、脂肪酸及酚，总称为石油酸；后者有醛、酮类。环烷酸很容易生成各种盐类，其中碱金属盐能很好地溶解于水中，在石油接触的地下水中常含这种环烷酸盐，可作为找油的标志。（四）石油的馏份和组份组成石油的化学组成是比较复杂的，为研究和使用方便常用蒸馏方法或熔解方法对其进行分离，分割成不同的

9、组份。1馏份组成：利用化合物不同沸点特征进行加热蒸馏得到不同馏份，如汽油、煤油、柴油、重瓦斯油、润滑油、渣油。2族份组成：石油的族份组成分为饱和烃、芳香烃、非烃及沥青质。3组份组成：根据石油中化合物的不同组份对有机溶剂和吸附剂（如硅胶）所具有的选择性溶解和吸附的特性，将石油划分为四个组份。（1）油质：是石油的主要组份，可溶解于石油醚而不被硅胶所吸附，成份主要为饱和烃和一部分芳香烃。（2）胶质：可溶于石油醚、苯、三氯甲烷等有机溶剂而不被硅胶所吸附。可分为苯胶质（用苯解吸的产物）和酒精苯胶质。前者多为芳香烃和一些含有杂原子（氧、硫、氮）的芳香烃化合物，后者主要为含杂原子的非烃化合物。轻质油中胶质含

10、量少于5%，重质油中胶质含量可达20%以上。（3）沥青质：不溶于石油醚和酒清，而溶于苯、三氯甲烷的沥青部分。其分子量较大，在电子显微镜下，其宏观结构呈胶状颗粒，其分子结构以稠环芳香烃和烷基侧链组成的复杂结构。（4）碳质：石油中不溶于有机溶剂的非烃化合物。二、石油的物理性质1颜色颜色变化较大，从无色、淡黄色、黄褐色、淡红色、深褐色、黑绿色到黑色。颜色的不同跟成份有关。胶质沥青质含量越高颜色越深，油质含量高，颜色浅。石油一般以黑色为多。石油颜色的不同可有以下几个原因：1）无色或浅色石油：可能在运移过程中，带色的胶质和沥青质被岩石吸附，剩下浅色油质部分。亦可能是由于高温裂解，使高分子烃碳链断裂，变成

11、低分子烃，而形成浅色轻质组分（如塔里木）。四川黄瓜山、华北大港，多数为黑色。2）如果石油受到氧化或菌解而形成黑色的沥青质、炭质如胜利、克拉玛依（热采）。2密度和相对密度：密度指单位体积重量；相对密度指标准条件下原油密度与4下纯水密度之比值，无因次量刚。原油的密度在20下，一般介于0.751.0之间。通常把相对密度9.0的石油称为重质石油，小于0.9的为轻质石油。大庆、大港、克拉玛依均为轻质油。而胜利（0.900.93）、伊朗（1.016）、美国加利福尼亚石油（1.01）、墨西哥（1.06）为重质油。美国常用API度，西欧常用波美度表示石油的相对密度，它们与相对密度之间的关系参见教科书。石油的密

12、度与颜色有一定关系，一般淡色石油密度小，反之则大。这取于其化学组成；胶质、沥青质含量，密度；高分子量含量大，密度。地下原油还跟所处的温度和压力及溶解气量有关。3粘度指流体质点相对移动时所受到的内部阻力。它是对流体流动性能的度量，单位为帕斯卡秒（PaS）。在研究石油时，通常测定的不是绝对粘度而是相对粘度，即液体的绝对粘度与同温条件下水的绝对粘度之比。石油的粘度变化很大，如大庆石油粘度在50为9.321.810-3(PaS)、孤鸟油田馆陶组原油则为103645110-3PaS。粘度的变化受化学组成、温度、压力及溶解气量影响。分子量小的烷烃、环烷烃含量多，粘度低；反之，高分子化合物含量多，则石油粘度

13、高。T、粘度；T、粘度高。P、粘度；P、粘度。溶解气量高，则粘度低；反之则高。石油的粘度是一个很重要的参数，在油田的开采和集输方面很重要。如克拉玛依采用注蒸气法开采，还有一些油田注氮气开采。4凝固点将液体石油冷却到失去流动性时的温度称为凝固点。石油凝固点的高低取决于含蜡量及烷烃碳数高低。含蜡量高，则凝固点高，反之则低。凝固点高的石油容易使井底结蜡，给开采工作造成困难。在开采和集输过程中要研究其凝固点，而采取升温办法解决结蜡现象。5导电性原油是一种非异体，其电阻率高达1091016m。可利用此性质，用电阻率曲线来判断油水层。6溶解性石油易溶于有机溶剂而难溶于水。石油在水中的溶解度取决于成份和外界

14、条件。烃类在水中的溶解度（甲烷除外）随分子量增大而减小。碳数相同的烃类比较：烷烃环烷烃C7一般为液态（常温下）。一般将C2+含量大于5%称为湿气，因为这些天然气在地表能析出液态烃。C2+含量mCl-，则多余的Na+就与SO42-或HCO3-化合而形成硫酸钠型或碳酸钠型。若mNa+mCl-1.0，主要是油田水含盐份，且含盐越大，密度越大。2粘度：一般比纯水高，且溶解的盐份越多，则粘度越高；温度越高，粘度越低。3颜色及透明度：油田水因含杂质大多不透明，常带颜色，含H2S时是淡青色；含铁质胶状体时带淡红色、褐色或淡黄色。4嗅味：水中含石油时，具汽油或煤油味；含H2S时，具腐蛋味；溶解NaCl时，带咸

15、味；含氯离子时，带苦味。5导电性：纯水不导电，但油田水导电，且离子越多，导电性越强。4 重质油与固体沥青重质油和固体沥青是石油烃类能源中的重要组成部分，蕴藏着比常规原油资源数倍的巨大潜力，广泛分布于世界各地。据统计，世界上已发现1046个重质油和特重质油油藏，地质储量15500108t。我国重质油资源和固体沥青资源的分布也较为丰富，主要分布在准噶尔盆地、塔北、柴达木、四川、内蒙、泌阳等15个大中型含油气盆地。一、重质油（一）重质油的概念：是指用常规原油开采技术难于开采的具较大的粘度和密度的原油。国际现用定量指标来定义。在原始油层温度下脱气原油粘度为（1001000）10-3mPaS或者在15.

16、6（60）及0.1Mpa下密度为9341000kg/m3的原油。原油按粘度、相对密度划分为轻质油、中重油、重质油、沥青砂四类（见教材32页表1-14）（二）重质油的性质和成份由于重质油与常规油相比包含了数量较多的高分子烃和杂原子化合物，在物理性质上具有密度大、粘度大、含胶量高、含蜡量低、凝固点高的特点。重质油的化学成份比常规油不同。其氧、硫、氮等元素含量高，S：0.41.0%以上，N：0.71.20%。微量元素含量也是常规原油的几倍至几十倍。其中S、N元素含量偏高的原因是细菌生物降解的结果。从族份组成上看，重质油饱和烃和芳烃含量小于60%（常规原油60%），非烃和沥青质可达10%30%，个别可

17、达50%。二、固体沥青的成份和性质固体沥青是同石油有关的固态衍生物，多为深褐色至黑色的有机矿物，化学成份不甚稳定，也无一定晶形，彼此之间常呈过渡形式，因此鉴定比较困难。鉴定固体沥青的标志主要依靠化学成份、密度、硬度、稠度、熔点、溶解度、可燃性、燃烧、火焰及地质产状特征。固体沥青种类繁多，逾100种。按成因及物化性质可分四大类11个亚类（见33页）。重质油一般是由于地壳抬升或断裂作用破坏了原始油藏上覆盖层的有效性，使地表水渗入到油藏，使油藏发生生物降解或氧化而形成。固体沥青则一般是原始油藏已出露地表或近地表遭受较为彻底的破坏产物。但具体成因较复杂，目前研究程度较低，尚无明确结论。有些固体沥青如地

18、蜡、软沥青、地沥青及石沥青等，常在地表成为找油的直接标志，是评价区域含油气远景的强有力佐证。如柴达木油田的深褐色地蜡、老君庙油田的黑色沥青、克拉玛依油田的黑色石沥青。我国老一代地质学家就是依靠这些标志（油气苗）在西北找到一批油气田。5 石油沥青类的同位素同位素系指在化学元素周期表上占同一位置，具相同质子数和不同中子数的元素原子或者说是原子核内具相同数量的带正电荷质子而相对原子质量不同的原子。一般表示为：元素符号同位素可分为稳定同位素和放射性同位素两类。自然界仅稳定的同位素就有274个。放射性同位素系指能自行随意分解（即改变自己的相对原子质量）形成具有另外质子数的新原子的同位素，这个过程称为元素的放射