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油气田开发地质基础 第1章 油气 水性质-xie

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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11、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 。第 1章 石油、天然气、油田水的化学组成和物理性质2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、 84% H: 11%二)化合物组成:烃类组成占 97%少量非烃。烃类组成: 烷烃、环烷烃、芳香烃 含 S、 N、 (一)元素组成C、 H、 S 、 O、 84% H: 11% 、 O、 ~4%石油的灰分: 微量元素, V、 成了石油的灰分。其含量从 十万分之几到万分之几 。但其意义却很明显。成因意义: 石油的灰分元素系列,与自然界有机物质所含的元素十分相似,说明石油与原始有机质存在着明显的亲缘关系。 V)和镍 ( 其中,最重要的是 钒 (V)和镍 (两种微量元素,它们含量高,且分布普遍,并具成因意义。石油灰分中的钒、镍含量及其比值 (V/原始生油物质及石油的运移等因素有关,因此不同地区的石油其含量相差悬殊,已被用来确定生油岩有机相、进行油源对比、油气运移等研究。4(二)化合物组成:1、石油中的烃类化合物 ( 1)烷烃 又名脂肪族烃,通式为 ,属饱和烃。在常温常压下:4的烷烃呈气态;16的直链烷烃呈液态;烃的比重(相对密度)、熔点及沸点均随分子量增加而上升。所有烷烃的比重都小于 1,几乎不溶于水。无支链者,为正构烷烃或正烷烃; 异构烷烃或异烷烃。 5( 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 (通式双环烷烃 (通式 三环烷烃 (通式 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,都是比较稳定的。 环烷烃的 比重、熔点和沸点 都比碳原子数相同的烷烃为高,但比重仍小于 1。甾烷6( 3)芳香烃 属不饱和烃,其特征是分子中含有苯环结构。根据其结构不同可分为 :单环芳香烃 : 是指分子中含一个苯环的芳香烃,包括苯及其同系物。例如:苯、甲苯、对二甲苯。多环芳香烃 : 是指分子中含两个或多个独立苯环的芳香烃。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、菲在石油的低沸点馏分中,芳香烃含量较少,且多为单环芳香烃,如苯、甲苯和二甲苯。随沸点升高,芳香烃含量亦增多,除单环芳香烃外,出现双环芳香烃,如联苯。在重质馏分中还可能出现稠环芳香烃,如萘和菲,蒽的含量较少。 72、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、 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。 8( 1)含硫化合物 含硫量 大于 2% 高硫石油;低于 低硫石油;介于 %之间 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 大港、克拉玛依 和 含硫石油 (如胜利 )。 前苏联伊申巴 石油含硫量 高达 %, 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呈元素硫 (S)、硫化氢 (硫醇 (硫醚 (、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。9( 2)含氮化合物 石油中的含氮量一般在 万分之几至千分之几 。我国大多数原油含氮量均低于 千分之五 。石油中的含氮化合物包括碱性和非碱性两类 。碱性含氮化物 多为吡啶、喹啉等及其同系物,非碱性含氮化物 主要是吡咯、卟啉、吲哚和咔唑及其同系物。 其中以 金属卟啉化合物 最为重要。10在石油中钒、镍等重金属都与卟啉分子中的氮呈络合状态存在,形成钒卟啉和镍卟啉指相 原油中卟啉类型与沉积环境有密切关系,海相石油富含钒卟啉,陆相石油富含镍卟啉。我国原油一般以镍卟啉为主,V/。有机成因 动物血红素和植物叶绿素都属卟啉化合物,前者为 铁的络合物 ,后者是 镁的络合物 。它们同石油中这类化合物的结构相同,所以,在石油中发现卟啉化合物,可作为石油有机成因重要证据之一 金属卟啉化合物石油低温生成 卟啉的稳定性较差,在高温( >250℃ )或氧化条件下,卟啉可以发生开环裂解反应而被破坏。说明石油是在相对低温的条件下生成。11( 3)含氧化合物 石油中的含氧量一般只有 千分之几 , 个别 石油可 高达2~3%。两类氧化物: 氧在石油中均以有机化合物状态存在,可分为酸性氧化物和中性氧化物两类。酸性氧化物: 有环烷酸、脂肪酸及酚,总称为石油酸;中性氧化物: 有醛、酮等,含量极少。 在石油酸中, 以环烷酸最重要 ,约占石油酸的 90%左右。环烷酸找油的意义: 环烷酸在水中的溶解度很小,高分子 环烷酸实际上不溶于水,但均易 溶于石油烃 中。环烷酸很容易生成各种 环烷酸盐类 。可作为找油的一种标志。环烷酸 溶于石油烃 环烷酸盐 溶解于地下水(指示油)12(三)石油的馏份、族份和组份石油的化学组成是比较复杂的,为了研究石油的化学组成首先要对这种复杂的混合物进行分离,即进行馏份、族份和组份分析。1、馏份加热蒸馏得到 馏份 。石油是多种化合物的混合物,利用组成石油的化合物具有不同沸点的特性, 加热蒸馏,则可以将石油切割成不同沸点范围的若干部分,每一部分即为一个馏份。 用各馏份的百分含量(重量或体积)表示石油的组成称为 石油的馏份组成 。馏分石油气 汽油 煤油 柴油 重瓦斯油 润滑油 渣油温度℃ 5 3 0轻馏分 中馏分 重馏分轻质石油的低沸点馏份含量相对较高,重质石油的高沸点馏份含量相对较高。132、族份用液相色谱法常将石油划分为四个族份,即( 1)饱和烃(包括烷烃和环烷烃)( 2)芳香烃( 3)非烃( 4)沥青质14不吸附硅胶石油醚3、组份石油不溶 可溶沥青质 胶质 油质吸附为了了解石油的性质曾广泛采用组分分析方法。其原理是 利用石油中化合物的不同组份对有机溶剂和吸附剂具有选择性溶解和吸附的特性 ,将石油分离成若干部分 ,每一部分就是一个组份。15( 1)油质溶于石油醚而不被硅胶吸附。油质基本由烃类组成,主要是饱和烃和一部分低分子芳香烃,浅色,是一般石油的主要组份。油质含量的高低,是评价石油质量好坏的重要标志。( 2)胶质溶于石油醚且能被硅胶吸附。胶质为粘稠状的液体或半固体,颜色为浅黄、红褐到黑色。 胶质可分为苯胶质 (用苯从硅胶解吸的产物)和 酒精 前者主要是芳香烃和一些含有杂原子( O、 S、 N)的芳香烃结构化合物,后者主要是含杂原子的非烃化合物。轻质石油中胶质 0000沥青砂224.凝固点凝固点: 液体冷却到失去流动性时的温度。石油凝固点的高低主要与含蜡量和烷烃碳数高低有关。凝固点高的石油容易使井底结蜡 ,给采油工作造成困难。石油凝固点的高低对于石油开采和运输有重要意义。石油凝固点的变化范围较大, ~ 32℃ 。235.导电性石油具有极高的电阻率,是非导体,其电阻率为 109米含油层比含水层电阻率高。用于识别油层和水层。 石油主要由各种烃类化合物组成,由于烃类难溶于水,因此,石油在水中的溶解度很低。若以碳数相同的分子进行比较, 溶解度烷烃 90%,为幔源岩浆成因气;3)玄武岩与石灰岩接触 我国 东营凹陷平方王油田下第三系所产天然气 , 63- 66%,系喜马拉雅期玄武岩与石灰岩接触后碳酸钙的热分解所致;4)富含硫酸盐成因 我国 华北冀中坳陷赵兰庄构造下第三系孔店组和沙河街组四段所产天然气 达 92%,同地层中富含硫酸盐有关。30三、物理性质变化大,无色,可有汽油味和硫化氢味。1、相对密度:相对密度:标准状态下,单位体积天然气质量与同体积空气质量之比。一般为 化学组成有关,随重烃含量增加而增大。312 溶解性:溶于水和石油。溶解度: 一定温度下,气体在单位体积石油或水中的溶解量。 m3/一定温度下,每增加一个大气压溶解在单位体积石油中的气量。影响因素: 温度、压力、化学组成、水的矿化度等。1) 气态烃在石油中比在水中溶解度大。如在标准状况下, 甲烷在油中的溶解度约等于在水中的 9倍 。2)碳数越小 的烃类,在水中的 溶解度越大 。3)水矿化度越高 , 溶解度越小 。324) 温度温度不变,压力升高,溶解度增加。5) 压力*压力较低时 温度升高,溶解度降低;*压力较高时 , 溶解度先随温度升高而降低, 70后,随温度升高而增大。所以地下深处压力大,水中溶解大量天然气,可形成水溶气。333 粘度天然气的粘度小定, 天然气的粘度为( 10s[石油在常压下的粘度为 (1~几百 ) × 10s 。与温度、压力、化学组成等有关。 ]低压下 (接近大气压), 粘度随温度升高而增大 。与碰撞次数有关。 0℃ =0℃ =高压下 (如在地层条件下) , 粘度随温度升高而降低 ,随压力升高而增大,随分子量的增大而增加。 这是由于在高压时气体密度加大,分子与分子间几乎紧挨着,这时气体的粘度 类似液体性质。344 临界温度与临界压力临界温度: 单组份气体都有一特定温度,高于此温度时不管加多大压力都不能使气体转化为液体,此温度即为临界温度。临界压力: 在临界温度时使气体液化所需的最低压力。液共存的情况。说明在这个温度以上 ,气体在任何压力下都不能液化。因此 ,将 该点的温度、压力即为临界温度和临界压力。3536组份 临界温度 ℃ 临界压力 烷的临界温度为 ,因此甲烷在地下除溶于油和水之外,呈气态存在,乙烷大致相似,丙烷和丁烷大多以液态存在于地下,少量与甲烷和乙烷一起呈气态或溶于水中。37在自然条件下的天然气通常是烃类及非烃化合物的混合物, 混合物的临界温度等于组成混合物的各成分的体积百分数与其临界温度乘积之和。 所以在液态烃中加入甲烷等气态烃 ,则可降低物系的临界温度,有助于液态烃类气化。T=… +a 某成分的体积百分数; 某成分的临界温度混合物的临界温度385、逆凝析和逆蒸发:在一定温度、压力范围内 ,任一物系等温加压引起凝结 ,等温减压导致蒸发 。逾此范围会出现 逆凝析、逆蒸发 现象,即逆凝析 : 在高温高压条件下, 某些气体混合物在 等温减压时产生凝析液 的现象。逆蒸发: 在高温高压条件下, 某些气体混合物在 等温加压时伴随凝析液的蒸发 现象。逆凝析和逆蒸发 现象出现在多组份或双组份物系中。石油和天然气都是成分复杂的多族分烃类混合物。391)地层埋藏较浅、地层温度低于临界温度 ( ,若等温开发 ,物系始终处于气相 ,为纯气藏。403341四、天然气的分类按产状分类:1、气藏气2、气顶气3、溶解气4、凝析气5、煤层气6、固态水合物气421. 气藏气 系指基本上不与石油伴生,单独聚集成纯气藏的天然气。组成:甲烷含量在气体成分中常占 95%以上,重烃气含量极少,不超过 1~4%,属于干气(贫气)。已发现为数不多的气藏气是以含氮气、二氧化碳或硫化氢为主,而烃气含量极少。432. 气顶气 指与石油共存于油气藏中呈游离气顶状态的天然气。组成:它在成因和分布上均与石油关系密切,重烃气含量可达百分之几至几十,仅次于甲烷,属于湿气 (富气 )。随着地层压力的增减,气顶气可溶于石油或析出。大庆长垣莎尔图油田下白垩统背斜油藏大,含油丰度高,具有明显的气顶,气顶气中重烃气含量可达 13%。大港油田油、气、水分异明显,常见气顶,其中重烃气含量可高达 23%。 443. 溶解气 天然气易溶于石油或地下水,因此,在地质条件下,可区分为 油内溶解气和水内溶解气 。 油内溶解气常见于饱和或过饱和油藏中,其主要特点是重烃气含量高,有时可达 40%。 油内溶解气含量高时,采出后可收集回注油藏内以保持油层能量。 水内溶解气包括 低压水溶气和高压地热型水溶气。水内溶解气不仅可以在国民经济上综合利用,而且可以利用其某些特性来预测含油气性。当地下温度、压力超过临界条件后,液态烃逆蒸发而形成的气体,称为凝析气。采出地面后因温度、压力降低而逆凝结为轻质油即凝析油。凝析气藏的形成条件:(1) 在烃类物系中气体数量必须胜过液体数量(气体含量 >液体含量) ,才能为液相反溶于气相创造条件。(2) 地层埋藏较深( 3000,地层温度介于烃类物系的临界温度与临界凝结温度之间 ,地层压力超过该温度时的露点压力 ,这种物系才可能发生显著的逆蒸发现象。465、煤层气存在于煤层中的游离气和吸附气。成分: 甲烷为主 ,伴生有二氧化碳、氮气、氢气,极少重烃气。476、固态水合物气在冰点附近的特定温、压下,天然气分子被封闭在水分子组成的晶格空腔中形成。分布:气温低的极地和冻土地带。特别是在气温低而水深大的高压低温的洋底沉积中。组成:甲烷。意义:可作为下部气藏的盖层;也可形成水合物气气田。48位 置 证 据海洋秘鲁、智利海沟秘鲁、智利海沟 (秘鲁海域 )太平洋巴拿马海域中美洲海沟哥斯达黎加 )中美洲海沟 (尼加拉瓜海 )中美洲海沟 (危地马拉海 )中美洲海沟 (墨西哥海 )圭马斯海盆 (墨西哥、加州湾 )加利福尼亚海盆伊尔河海盆俄勒冈海 )温哥华岛海域 )阿留申海沟东部 (阿拉斯加海 )阿留申海沟中部 (阿拉斯加海 )阿留申海盆 (白令海、俄罗斯海域 )白令海陆坡 (白令海、阿拉斯加海域 )谢尔绍夫海山 (白令海、俄罗斯海域 )鄂霍茨克海 (幌筵岛、俄罗斯海域 )鄂霍茨克海 (库页岛东北海域 )鄂霍茨克海 (纲走海-千岛海盆西缘 )塔塔路海槽 (日本海北部 )日本海东缘 (奥尻海山 )日本海东缘 (西津轻海盆、奥尻海盆后志海槽 )千岛海沟 (十胜-日高海域 )房总半岛东部 (铫子海脚 )南海海槽 (日向海盆-东海海域 )南海诸岛海沟 (冲绳、宫古深海平原 )韩国郁龙盆地中国南海中国东海中国台湾省南部印度海域布克兰海槽 (新西兰海域 )阿根廷海陆阿根廷中央海盆 (阿根廷海域 )样样样样样样隙水低盐度浓度地震波振幅异常样取样样样隙水低盐度浓度井9洋中国台湾省南部印度海域布克兰海槽 (新西兰海域 )阿根廷海陆阿根廷中央海盆 (阿根廷海域 )亚马逊海底扇区 (巴西海域 )巴巴多斯海山 (巴巴多斯海域 )加勒比海南部 (哥伦比亚、危内瑞拉海域 )哥伦比亚海盆 (巴拿马、哥伦比亚海域 )墨西哥湾西部 (墨西哥海域 )墨西哥湾西部 (美国南部海域 )布莱克岛海域 (美国南部海域 )卡罗来纳海槽 (美国东部海域 )新泽西海陆隆区拉布拉多陆架 (加拿大纽芬兰海区 )挪威西部海域大陆架里海 (乌克兰乌里米亚 )里海 (俄罗斯高加索海 )阿曼湾 (阿曼莫克兰海 )帝汶海槽 (澳大利亚海域 )波弗特海 (阿拉斯加北部海域 )波弗特海 (加拿大北部海域 )波弗特海 (加拿大北极海诸岛周围 )巴伦支海 (挪威海北部海域 )弗拉姆海峡 (挪威斯威尔诸岛西部海域 )东西伯利亚海贝内特岛海域威尔克斯地海 (南极周边海域 )罗斯海西部威得尔海布里茨湾样样、孔隙水低盐度浓度体分析、孔隙水低盐度浓度取样体分析井测井状气流体分析、孔隙水低盐度浓度陆阿拉斯加北部陆坡加拿大马更些三角洲加拿大西北部北极诸岛俄罗斯季曼-伯朝拉地区西西伯利亚麦索雅哈气田东西伯利亚贝略依气田勘察加测井、取样测井、取样测井气体分析取样气体分析、测井气体分析50全球天然气水合物分布图51第 3节 油田水的成分和性质一、油田水的概念广义的油田水: 是指油气田区域内的地下水 ,包括油层水和非油层水。狭义的油田水: 是指油气田范围内直接与油气层连通的地下水 ,即油层水。油田水的分布十分广泛,石油的生成、运移、聚集以至逸散都是在有地下水存在的情况下发生的,油气的开采也必然受到地下水驱动的影响,因此,油田水的研究在油气田勘探和开发中具有十分重要的意义。52二、油田水的化学组成油田水的化学组成 ,实质上是指溶于油田水的溶质的化学组成。它 包括无机组成、有机组成、溶解气及微量元素 等。1、无机组成油田水包括大量的无机组成和有机组成。在常规水分析资料中 ,常用包括 K+) 括 表大量无机组成。532、有机组成油田水中常见的有机组成有 :烃类、苯、酚和有机酸。油层水 非油层水烃类 有气态烃 (和液态烃 含少量甲烷苯 苯系化合物含量高 ,一般可达 l,最高可达 5~ 6mg/l,且甲苯 /苯 >1;苯系化合物含量低 ,且甲苯 /苯 水的含盐度较高 (一般约为 35,000mg/l), 且 1 1 > 1 1苏林的天然水成因分类表油田水的水化学类型以氯化钙型为主 ,重碳酸钠型为次 ,硫酸钠型和氯化镁型较为少见。55思考题1、概念:天然气,干气,湿气。2、临界温度,临界压力,油田水。3、石油中的元素组成?4、石油中有哪些烃类?非烃化合物主要有哪几种?5、石油、天然气、油田水的物理性质和化学特征有哪些?6、按产状天然气分哪几类?7、苏林分类中油田水的主要类型?双 3止
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