第一章石油 - 石油天然气地质与勘探

第一章 石油、天然气及油田水的基本特征

第一节 石 油

一、石油的化学组成

石油是地下岩石空隙中天然生成的、以液态烃为主要化学组分的可燃有机矿产。这种矿产成分复杂，现已鉴定出上千种有机化合物，主要为烃类，还含有数量不等的非烃化合物和多种微量元素，有时溶有一些烃类气体、非烃气体、不等量固态烃和非烃物质。所以，石油实际上是多种有机化合物的混合体。

各地的石油成分不一，无确定的化学成分和物理常数。

（一）元素组成

不同地区，不同时代的石油元素组成比较接近，但也存在一定的差异（表1-1）。组成石油的化学元素主要有碳、氢、氧、硫、氮，其中碳和氢两种元素占绝对优势。

1.碳和氢

从重量百分比来看，碳一般为84～87%，氢一般为11～14%，这两种元素总量达95～99%，平均为97.5％；碳、氢元素的重量比（C/H）平均为6.5，原子比约为0.57（或1∶1.8）。这两种元素主要以烃类形式存在，是组成石油的主体。

2.氧、硫、氮

在石油中，氧、硫、氮也主要以化合物形式存在；这三种元素及

微量元素的总含量一般只有1～4％；但有时由于硫分增多，这个比例可高达3～7％。

据Tissot和Welte（1978）对9347个样品的统计，石油中硫含量平均为0.65%（重量），其频率分布具有双峰的特点（图1-1），在1％处为最小值，以此为界，可将样品分成两部分，多数样品（约7500个）含硫量小于1％，少数样品（约1800个）含硫量大于1％。依据含硫量通常把开采至地表的石油（简称原油）分为高硫（含硫量大于1％）和低硫（含硫量小

图1-1 不同时代和成因的9347个石油样品中含硫量的分布

（据Tissot ＆ Welte，1978；转自陈荣书，1994）

于1％）两类；也有人采用三分的方式，将原油分为高硫原油（含硫量大于2％）、含硫原油（含硫量为2～0.5％）和低硫原油（含硫量小于0.5％）。石油中的硫含量有环境指示意义，通常海相、近海湖盆相、盐湖相等半咸-咸水沉积地层中生成并产出的石油含硫量较高，一般大于1%；内陆淡水湖泊相沉积地层中生成并产出的石油含硫量较低，一般小于1%。

石油中含氮量一般小于0.2％，少数样品达0.5％以上。石油中氧的含量分布在0.1～4.5％，均是以结合氧的形式存在。

表1-1 国内外某些石油的元素组成 石 油 产 地 大庆油田(萨尔图混合油) 中 国 胜利油田(101混合油) 胜利油田孤岛地区 大港油田 江汉油田(混合油) 克拉玛依油田(混合油) 前 苏 联 雅雷克苏 乌克兰 老格罗兹内 卡拉一布拉克 文图拉(加利福尼亚州) 美 国 科林加(加利福尼亚州) 博芒特(得克萨斯州) 堪萨斯州 元 素 组 成，％ C 85.74 86.26 84.24 85.67 83.00 86.13 80.61 84.60 86.42 87.77 84.00 86.40 85.70 84.20 H 13.31 12.20 11.74 13.40 12.81 13.30 10.36 14.00 12.62 12.37 12.7 11.7 11.00 13.00 S 0.11 0.80 2.20 0.12 2.09 0.04 1.05 0.14 0.32 0.4 0.60 0.70 1.60 0.45 N 0.15 0.41 0.47 0.23 0.47 0.25 1.25 1.70 2.61 0.45 O 0.69 1.63 0.28 8.97 1.25 0.68 0.46 1.20 3.微量元素

除上述5种主要元素外，通过对石油的灰分进行分析，还识别出50多种微量元素，其含量变化从十万分之几到万分之几。石油中的元素构成与自然界的有机物十分接近，被作为石油有机成因的证据之一。这些微量元素中，钒（V）和镍（Ni）两元素分布普遍并具成因意义，通过V/Ni值可区别海相或陆相成因的石油，钒、镍含量低且V/Ni小于1者一般为陆相成因的石油；钒和镍含量较高且V/Ni大于1者一般为海相成因的石油。

（二）石油的化合物组成

表1-2 石油的化合物组成

烃类 非烃类 烷烃 饱和烃 环烷烃 芳烃 不饱和烃 含硫、氮、氧化合物 1.烃类化合物

目前石油中已鉴定出的烃类化合物超过425种。不同原油中化合物的组成特征如图1-2所示。

（1）烷烃

常温常压下，含1到4个碳原子(C1～C4)的烷烃呈气态；含5个到16个碳原子(C5～C16)的直链烷烃呈液态；17个碳原子(C17)以上的高分子烷烃皆呈固态。

石油中已鉴定出C1～C45的正构烷烃。在石油中不同碳原子数正构烷烃的相对含量呈一条连续的分布曲线，称正构烷烃分布曲线。这说明石油中正构烷烃同系物是一个连续系列。不同类型石油的正构烷烃分布特点如图1-3所示，每条曲线上极大值对应

图1-3 不同类型石油的正构烷烃分布曲线图

（据Martin，1963；转自陈荣书，1994）

的碳数为该曲线的主峰碳，曲线的分布特点与成油的原始有机质类型、成油环境以及有机质的成熟度密切相关，一般陆源有机质形成的石油中高碳数（C22以上）正构烷烃含量高，海生低等浮游生物（细菌、藻类）形成石油中低碳数（C22以下）的正构烷烃居多。有机质演化成熟程度较高的、年代较老、埋深较大的石油中低碳数正构烷烃居多；相反，演化程度低的石油，正构烷烃碳数偏大。此外，受微生物强烈降解的石油中，正构烷烃常被选择性降解，一般含量较低，低碳数的正构烷烃更少。

石油中的异构烷烃以≤C10为主，高碳数者以类异戊间二烯型烷烃最受重视。其特点是在直链上每四个碳原子有一个甲基支链，其结构式如图1-4所示。

由于同源石油中所含的异戊间二烯型烷烃类型，含量相近，都直接来自生物体，可用于油源对比，故称为生物标志化合物。具体地讲，所谓生物标志化合物，是指来源于生物体，基本保持了原始组分的碳骨架，记载了原始生油母质特殊分子结构信息的有机化合物。类异戊二烯型烷烃中，以姥鲛烷和植烷为最常用的生物标志化合物。

2 6 10 14 - ( ) ， ， ， 四甲基十六烷 植烷 2 6 14 - ) ， ， 10 ， 四甲基十五烷 ( 姥鲛烷 2 6 10 - ( ) ， ， 三甲基十五烷 降姥鲛烷 2 6 10 - ( ) ： ， ， 三甲基十三烷 异十六烷 2 6 10 - ( ) ， ， 三甲基十二烷 法呢烷 胆甾烷 图1-5 四环甾烷和五环萜烷结构示意图 五环（ 图1-4 常见类异戊二烯型烷烃结构示意图 （2）环烷烃（Cycloalkane；Naphthene）

石油中的环烷烃多为五员环或六员环及其衍生物，以单环和双环为主。多环中以四环甾烷和五环萜烷较为重要（图1-5），是重要的生物标志化合物，广泛用于烃源岩成熟度分析和油源对比中。这类化合物有明显的旋光性，它们的存在被认为是石油有机成因的标志。

（3）芳香烃（Aromatic hydrocarbon）和环烷芳香烃

芳香烃又称苯族，系指具有六个碳原子和六个氢原子组成的特殊碳环－苯环的化合物，其特征是分子中含有苯环结构，属不饱和烃。根据结构，芳香烃可分为单环、多环、稠环三类芳香烃（图1-6）。

随着石油成熟度，芳烃系列向低环方向演化。

2.非烃化合物（Non-hydrocarbon chemical compound）

石油中的非烃化合物主要是含硫、氮、氧化合物，重馏分中居多。总含量不多，但种类不少。其中含氮化合物中的卟啉化合物对研究石油成因问题有重要意义，是重要的生物标志化合物（图1-7）。含氧化合物中的环烷酸很容易生成各种盐类，其中碱金属的环烷酸盐能很好地溶解于水，在与石油接触的地下水中常含这种环烷酸盐，可作为找油的一种标志。

图1-6 芳烃的基本结构

图1-7 卟啉和钒卟啉的结构式

（三）石油的馏分组成

利用石油中各种化合物沸点不同的特点，加热蒸馏，将石油分离成不同沸点范围（即馏程）的若干部分，每一部分就是一个馏分。在实际工作中，用某个温度范围内（馏程）蒸馏出的馏分的重量或体积百分含量来表示石油的组成，称为石油的馏分组成。石油的蒸馏过程如图1-8所示。在石油炼制上，各馏分的名称及温度范围大致如表1-3所示。

石油不同馏分的化合物极不相同。一般来说，低沸点的轻馏分主要是由低碳数、分子量较小的烷烃和环烷烃组成；中馏分以中分子量和较高碳数的烷烃和环烷烃为主，并含有一定数量的芳香烃和环烷芳香烃以及少量的含硫、氮、氧化合物；而重馏分则以高碳数和高分子量的环烷烃、芳香烃、环烷芳香烃和含硫、氮、氧化合物组成。典型中性石油的馏分和化合物组成的关系，如图1-9所示。

表1-3 石油的馏分组成

馏分名称 石油气 轻馏分 汽油 煤油 中馏分 柴油 重瓦斯油 重馏分 润滑油 沸点 <35℃ 35～190℃ 190～260℃ 260～320℃ 320～360℃ 360～530℃ 14～18 19～25 碳原子数 1～4 5～12 12～14 烷烃、环烷烃 烷烃、环烷烃为主，含有芳烃和含S、N、O化合物。 高碳数大分子量环烷烃、芳烃和含S、N、O化合物。 化合物

（四）石油的组分组成

石油气 汽油 常 压 加石油 200℃ 热360℃ 炉 塔 重油 柴油 加热炉 减 压 塔 渣油 润滑油 煤油 图1-8 石油蒸馏过程示意图 图1-9 典型中性石油的馏分和化合物的关系图(据Bestougeff，1967；转自陈荣书，

原油 蒸馏 石油中不同类型的化合物，对有机溶剂

＞210℃馏分 用正己烷溶解气轻馏分 气相色谱 可溶的 和吸附剂具有选择性溶解和吸附的性能。根

不可溶的 据这一特性，可以选用不同有机溶剂和吸附剂，将石油分成若干部分，每一部分就是一个组分。组分分离的流程大致如图1-10所示。经过这一过程，即可将石油分为饱和烃、芳香烃、非烃和沥青质等组分。

烃类+胶质 柱色层法 用正己烷或 用苯冲洗 石油醚冲洗 用酒精-苯冲洗 沥青质 元素分析 红外光谱 核磁共振 饱和烃 气相色谱 色谱-质谱 芳烃 色谱 色谱-质谱 非烃 元素分析 红外光谱 核磁共振 图1-10 原油组成分析流程图(据陈荣书，1994，有改动) 二、石油的地球化学分类

Tissot和Wellte（1978）提出的地球化学分类，采用三角图解，以烷烃（石蜡烃）、环烷烃、芳香烃＋含硫、氮、氧化合物的相对含量作三角图解的三端元，并参考了石油中的含硫量；所有数据都指的是常压下，沸点大于210℃的石油馏分的分析数据；分类方案与结果参见图1-11和表1-4。

表

和Wellte的学分类方案

注： 令S＝＝烷烃（石环烷烃，

则 S＝P＋N；

令 AA＝芳烃＋含N.S.O化合物（胶质，沥青质）

S＞50% AA＜50% S≤50% AA≥50% 烃类成分含量 P＞40%，且P＞N P≤40%，且N≤40% P＜N，且N＞40% P＞10% P≤10%且N＞25% P≤10%且N≤25% ＞1% ＜1% ＞1% ＜1% 含硫量 石油类型 石蜡型 石蜡－环烷型 环烷型 芳香－中间型 芳香－环烷型 芳香－沥青型 饱和烃； P蜡烃）；N＝1-4 Tissot石油地球化

图1-11 表示六种石油类型的三角图解（据Tissot ＆ Wellte，1978）

图1-12 海陆相石油在石油分类三角图上的分布

显的区别，具体表现如下：

海陆相石油在石油分类三角图上的分布如图1-12所示，它们在化学成分上有比较明

（1）海相石油以芳香－中间型和石蜡－环烷型为主，饱和烃占石油的25～70%，芳烃占总烃的25～60%。高硫（含硫量一般大于1%）低蜡（含蜡量小于5％）。钒、镍含量高，且钒／镍比值大于1。

（2）陆相石油以石蜡型为主，部分石蜡－环烷型，饱和烃占石油的60～90%，芳烃占总烃的10～20%。高蜡（含蜡量大于5%）低硫（含硫量一般小于1%）。钒、镍含量较低，且钒／镍比值小于1。

另外，海、陆相石油的碳稳定同位素组成亦有明显的差别。从C13/C12比值看，一般海相油的比陆相油的高。

三、石油的物理性质

1．颜色

石油的颜色变化范围很大，在反射光下，它们的颜色从褐色过渡到红色，一直到淡绿黄色。在透射光下，大多数石油是黑色的，但也有淡黄色、无色、黄褐、深褐、黑绿色等。

石油的颜色与胶质－沥青质含量有关，含量越高，颜色越深。

2．密度和相对密度

石油的密度是指单位体积石油的质量（ρo=Go/Vo）。若用单位体积石油的重量表示，即为石油的比重。

开采至地表的石油（即原油）的相对密度，在我国和前苏联是指1atm下，20℃单位体积原油与4℃单位体积纯水的重量比，用d420表示。一般为0.75～0.98，变化较大。通常将

d420大于0.92的原油称重质油，介于0.92～0.88之间的为中质油，小于0.88的为轻质油。

在美国，通常用API度（American Petroleum Institute）表示原油的相对密度。而西欧一般用波美度表示原油的相对密度。

API度＝

141.5140；波美度＝?131.5?130 ； （60°F＝15.5℃） 60F60Fd4d460Fd4即1大气压下、60°F时单位体积原油与4℃单位体积纯水的质量比。因此，API

度和波美度与d420在数值上正好相反。它们的换算关系列入表1-5。

表1-5 比重与API度、波美度的换算表（据张厚福等，1999）

15.5℃时比重 1.0000 0.9655 0.9333 0.9032 0.8750 波美度 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 API度 10.0 15.1 20.1 25.2 30.2 15.5℃时比重 0.8485 0.8325 0.8000 0.7778 波美度 35.0 40.0 45.0 50.0 API度 35.3 40.3 45.4 50.4 石油的相对密度主要取决于化学组成。同一族分中， d420随碳数增加而变大；碳数相同的烃类，烷烃d420较小，环烷烃居中，芳烃最大；与胶质、沥青质相比，烃类d420较小。因此，高分子量成分或胶质、沥青质含量高的石油，其d420较大。从实质上来说，石油的相对密度取决于其中的含氢量，两者之间有明显的相关性（图1-13）。其它条件不变时，若

151435残油体积的增加（%）30饱和压力2520151050含氢量（%）13加增的积体油残1211100.750.850.900.951.00石油的比重 图1-13 石油密度与含氢量的关系图 0.80400800120016002000240028003200压力（psi） 图1-14 有气顶气条件下，石油体积随压力的变化 （转引自A.I.Levorson，1954） 油藏中无气顶，d420随温度增高而降低，随压力增大而增大；若油藏中存在气顶，随压力增大气体溶于油内，导致石油d420降低；当石油被气体饱和达到饱和压力之后，随压力增大d420有所增大。4．粘度（Viscosity）

石油受力发生流动时，其内部分子间有一种内摩擦力阻止分子间的相对运动。石油的这种特征称作石油的粘滞性。其大小用粘度（μ）来度量。石油粘度大，即不易流动。

粘度分为动力粘度、运动粘度和相对粘度三种表示方式。

动力粘度又称绝对粘度。在国际计量单位SI制中，单位为帕斯卡秒（Pa·s）和毫斯卡秒（m Pa·s），其定义为：当压差为1Pa的切力作用于液体，使之在相距1m、面积为1m2的两液层间发生相对恒速流动，如果流动的速度恰为1m/s，则该液体的粘度为1Pa·s；1Pa·s＝1000 m Pa·s。石油动力粘度的大小取决于石油的化学成分和外界的温度、压力条件。分子小的烷烃、环烷烃含量多，动力粘度就低；而石蜡、胶质、沥青质含量高，粘度就高。随温度升高，动力粘度则降低。

运动粘度为动力粘度与相对密度之比，其单位为m2/s。

液体绝对粘度与同温条件下水的绝对粘度之比，称为该液体的相对粘度。通常用恩氏粘度计直接测之，故又称恩氏粘度。

5．溶解性

石油中不同化合物选择性溶解于多种有机溶剂。

在地下，液态烃溶于气态烃的条件是：较高温度和压力条件下，一定温度范围（如180～250℃）内，圈闭中气态烃多液态烃少，即气烃为溶剂，而液烃为溶质。

石油总体上在水中的溶解度很低，若以碳数相同的分子进行比较，各种成分在水中溶解度由大到小的顺序是：非烃→芳烃→环烷烃→烷烃。温度升高或水中溶解CO2量增多，石油在水中溶解度增大。若水中含盐度增大，烃溶解度下降。

6．荧光性

石油及其大部分产品，在紫外线照射下，其中的不饱和烃及其衍生物能吸收紫外光中波长较短，能量较高的电子，随后放出可见光，这种低能量的可见光称作荧光。石油在紫外光的照射下能产生荧光的这种特性，被称作石油的荧光性。

石油的荧光性取决于化合物组成。石油中的多环芳香烃和非烃引起发光，而饱和烃则完全不发光。轻质油的荧光为浅蓝色，含胶质较多的石油呈绿和黄色，多环芳烃、油质发天蓝色光，含沥青质多的石油或沥青质则为褐色荧光。

7．旋光性

当偏振光通过天然石油时，石油能使其振动面旋转一个角度，石油的这种特性称为旋光性。偏振光振动面的旋转角度称旋光角。石油具有旋光

图1-15 乳酸分子的两种立体异构体

性的原因是：石油中的含氮化合物，甾烷和萜烷等生物标志化合物，常具有手征性碳原子，使石油具有旋光性（图1-15）。

7．导电性

石油导电性极差，具高电阻率。石油电阻率为109－1016Ω·m，与矿化油田水（电阻率为0.02～0.1Ω·m）和沉积岩（电阻率1－104Ω·m）相比，可视为无限大，非导体。利用这一特性在视电阻率测井曲线上可确定油，水层。

8．凝固点与含蜡量

石油失去流动能力的最高温度，称凝固点。石油具有流动能力的最低温度，称液化点。 石油凝固点高低与含蜡量及烷烃碳原子数具有正相关性，富含石蜡的石油在温度下降到结蜡点时，伴随石蜡结晶析出即出现凝固现象。石油中的蜡与硫互相不容，即在产出高蜡石油的地层中含硫量低，产出高含硫石油的层系中含蜡量低。

四、重油、沥青砂与固体沥青概述 （一）重油和沥青砂

所谓重油是指在原始油层温度下，脱气石油粘度为（100－10000）×103Pa·s，或在标

－

准条件下密度为0.934－1.00g/cm3的石油。重油在储层条件下仍有流动性，但常规技术生产效率很低。

沥青砂（超重油）是指在储层条件下，粘度大于10000mPa·s，或在标准条件下密度大于1.00g/cm3的石油。这种油没有流动性。

1．重油和沥青砂的化学成分

重油和沥青砂的元素组成与常规油的组成相似，但氧、硫、氮等元素含量高，硫元素含量0.4～1.0%以上，氮元素含量在0.7～1.20%以上。与常规石油相比，重油和沥青砂更富含微量元素，高于常规石油几倍至几十倍。重油和沥青砂化合物组成中，烃类含量低（一般小于60%），非烃、沥青质含量高（10～30%）。

2．重油和沥青砂的物理性质

由于重油和沥青砂比常规油的高分子烃和杂原子化合物含量高，在物理性质上，具有相对密度大、粘度大、含蜡量低、凝固点低等特点。如表1-6。

（二）固体沥青

天然气、石油及石油的固态衍生物，统称为石油沥青类。其中，石油固态衍生物是指油气在热力和氧化、细菌的生物化学作用下，石油发生物理分异、化学分化、及变质等次生变化的产物，包括地蜡、地沥青、石沥青等，又叫固体沥青。固态沥青多为深褐色至黑色的有机矿物，一般分布于地表和浅层，可作为找油的直接标志。根据成因和物理化学特征，将固体沥青分为十余种类型，如表1-6所示。

表1-6 固体沥青的成因分类

物理分异产物 地 高氮 贫胶 软 风化产物 地 石沥青 腐殖化产物 酸性腐质变质产物 碳质沥青 碳次

蜡 沥青 沥青 沥青 沥青 硬 沥青 脆 沥青 碳质沥青 碳质沥青 黑沥青 焦性沥青 沥青 石墨 第二节 天 然 气 广义上，所谓天然气是指存在于自然界的一切天然生成的气体，即包括不同成分组成、不同成因、不同产出状态的气体。油气地质上，仅限于地壳上部存在的各种天然气体，其中最主要的研究对象是聚集成油气藏的烃类气体和非烃气体。

一、天然气的化学组分

和油田和气田有关的天然气，主要是气态烃，同时含有数量不等的多种非烃气体。 烃气：主要为C1－C4的烷烃，即甲烷到丁烷。CH4≥95%、C2＜5%的烃气，称干气，

＋

又叫贫气；CH4≤95%、C2＞5%的烃气，称湿气，又叫富气。

＋

非烃气：总量不多，但种类不少，主要有N2、CO2、CO、H2S、H2等气体。还含有微量的惰性气体，如氦气、氩气、氖气等。

二、天然气的产出状态

地壳中的天然气，依其分布特征可分为分散型和聚集型两大类，依其与石油产出的关系可分为伴生气和非伴生气。

分散型天然气：属非常规天然气，主要包括溶解气、煤层气、固态气水合物等类型。 聚集型天然气：为游离气，包括气藏气、气顶气和凝析气三类。

1．气藏气

圈闭中具有一定规模的单独天然气聚集，即纯气藏中的气体，基本上不与石油伴生。可为烃气，也可能为非烃气。绝大多数气藏气以含气态烃为主，含烃量超过80%的气藏约占气藏总数的85%以上；氮气为主的气藏不到10%；以二氧化碳或硫化氢等酸性气体为主的气藏数量更少，低于1%（图1-15）。

2．气顶气

系指与石油共存于油气藏中、呈游离气顶状态的天然气。它在成因和分布上均与石油关系密切，重烃气含量高，属于湿气（富气）。

3．凝析气

当地下温度、压力超过临界条件后，液态烃逆

出现频率（%）：1.＞50； 2.10-50； 3.1-10； 4.0.1-1； 5＜0.1 图1-15

（据A.H.Bоронов，B.B.Tихомировдидр；1976）

蒸发而形成的气体，称为凝析气。采至地面过程中，随着温度、压力下降，这部分气可凝结析离成轻质油，称凝析油（Condensates）。凝析油占到一定比例（例我国：>30g/m3）的气藏，即成为凝析气藏，如我国黄骅坳陷板桥油田的凝析气藏。

三、天然气的物理性质

天然气一般无色，可有汽油味或硫化氢味，可燃。

1．密度和相对密度

天然气的密度是指单位体积天然气体的质量。地层温压条件下的天然气密度一般可达150～250kg/m3，远大于地表温压条件下的天然气密度；凝析气的密度最大可达225～450kg/m3。

天然气的相对密度一般是指相同温度、压力下，天然气密度与空气密度的比值。随重烃及CO2、H2S含量的增加，天然气相对密度增大。

2．粘度

天然气的粘度与压力、温度和气体成分等有关。在接近常压条件下，粘度与压力无关，随温度增加而变大，随分子量增加而减小；而在较高压力下，粘度随压力增高而增大，随温度升高而降低，随分子量增加而增大。此外，随非烃气含量增加，天然气粘度增大。

3．蒸气压力

某一温度下，将气体液化时所需施加的最低压力，称为该气体的饱和蒸气压力。一般地，蒸气压力随温度升高而增大。在同一温度条件下，碳氢化合物的分子量越小，则其蒸气压力越大。

4．溶解性

天然气能不同程度地溶于石油和水中。天然气和水互溶性差，而与石油具有较强的互溶能力。

天然气在水中的溶解系数很大程度上取决于气体组分、温度、压力及含盐量。另外，烃气在水中的溶解度还与CO2含量有关，当地层水被CO2所饱和时，烃气溶解度明显增加。

天然气在石油中的溶解度是指在地层温压条件下，液态石油中所溶有的、而在地表温压条件下（温度压力均下降）可析出的气体量（m3气／m3油）。在石油中溶有天然气时，可以降低石油的比重、粘度及表面张力。

同温压条件下，烃气在石油的溶解度远远大于在水中的溶解度。

石油中溶解气开始析离出来时的压力，称油藏的饱和压力。若油藏饱和压力与地层压力相等，即油内溶解气刚好饱和，压力稍降，就会有气体析出，此时的油藏称为饱和油藏；若油藏饱和压力大于地层压力，则为过饱和油藏，此时通常为带气顶的油气藏；若油藏饱和压力小于地层压力，则为未饱和油藏，此时石油中的溶解气还未饱和，还可溶解更多的天然气。

第三节 油 田 水

广义上，油田水是指油气田区域（含油构造）内的地下水，包括油层水和非油层水。 石油地质勘探与开发上，油田水是指油气田范围内直接与油层连通的地下水，即油层水。油层水比重一般大于1，粘度明显高于非油层水，含盐量越高，比重、粘度越大；一般不透明，呈混浊状，含硫化氢时呈淡青绿色，含铁质胶状体时带淡红色、褐色或淡黄色；常有汽油、煤油味，含硫化氢气体时有腐卵味；若含有MgSO4，尝之有苦味。油层水中因含有较多离子成分，可导电；含离子越多，导电性越强。

一、油田水的来源

一般认为，油田水的来源主要有4种：沉积水、渗入水、深成水、转化水。

沉积水是指沉积物堆积过程中保存在其中的水，其含盐度和化学组成与古海（湖）水有密切关系。

渗入水系大气降雨时渗入地下空隙和渗透性岩层中的水，其矿化度低，可淡化高矿化度地下水。

深成水又称内生水，指来源于上地幔及地壳深部、由岩浆游离出来的初生水（即原生水）和变质作用过程的变质水。是一种高温高矿化度、饱和气体的地下水。

转化水系沉积成岩和烃类形成过程中，粘土转化脱出的层间水及有机质向烃类转化时分解出的水。

二、油田水的矿化度

矿化度是指单位体积水中所含溶解状态的固体物质总量。即单位体积水中各种离子，元素及化合物总含量。用g/l、mg/l、ppm（百万分之一）表示。

油田水以具有高矿化度为特征。由于来源及形成过程等方面的差异，各地区油田水的矿化度差异较大。

三、油田水的化学组成

1．无机组成

油田水的无机组成主要由Na+（包括K+）、Ca2+、Mg2+和Cl、SO42、HCO3（包括

—

—

—

CO32）等阳、阴离子构成，另外还含有几十种微量元素。

—

2．有机组成

油田水中常见的有机组成有烃类、酚和有机酸。

3．气体成分

水中的气体成分呈溶解状态。油田水中常见的气体有烃气和非烃气两大类，烃类气体以甲烷为主，另外还有乙烷等重烃气体；非烃气种类较多，如二氧化碳、硫化氢等气体。含重

烃气体是油田水的主要特征。 四、油田水的类型

苏林认为，水化学成分的形成主要取决于其所处的环境，不同的环境可以形成不同性质、含有不同盐类和化学组成特征的水。水中主要离子 图1-16 离子化合顺序简图（据刘方槐等，1991） 1—当rNa＞rCl时，离子化合的顺序 2—当rNa＜rCl时，离子化合的顺序 —

依据彼此化学亲和力强弱顺序而形成盐类，按化学亲和力的大小，各离子之间的化合顺序如图1-16所示。如果rNa＞rCl，则多余的Na+就会与SO42或HCO3化合，则可能出现Na2SO4水型或

—

—

NaHCO3水型；如果rNa＜rCl，则多余的Cl就会与Mg2+或Ca2+化合，则可能形成MgCl2水型或

—

CaCl2水型。故结合Mg2+和SO42，利用离子比（Na-Cl）/SO4和（Cl-Na）/Mg即可进行水型的划分，如表1-7和图1-17所示。

表1-7 苏林的天然水成因分类表（转引自张厚福等，1999） 水的类型 硫酸钠型（Na2SO4型） 重碳酸钠型（NaHCO3型） 氯化镁型（MgCl2型） 氯化钙型（CaCl2型） 成因系数（以毫克当量%表示浓度比） Na/Cl >1 >1 <1 <1 （Na-Cl）/SO4 <1 >1 <0 <0 （Cl-Na）/Mg <0 <0 <1 >1 大陆水 海 水 深层水 CaCl2

型水形成于地壳深部封闭性良好、水体交替停滞、利于油气藏保存的还原环境，油田水往往是高矿化度的

图1-17 天然水成因分类（据B.A.Щулин，1946；转自张厚福等，1999）

CaCl2

型

水，但其与油气物质间无成因

联系。高矿化度NaHCO3型水是油气物质存在的还原环境的产物，成因上与油气田有关，为油田水的基本水型之一。MgCl2型水主要为海水在泻湖中蒸发浓缩所致；大陆淡水溶滤海相沉积岩中所保留的盐分，亦可形成MgCl2型水；或为来自深层的CaCl2型水与上部的NaHCO3型或Na2SO4型低矿化度水掺和产生的。MgCl2型水环境下一般无或少有油气田。Na2SO4型水系地表水中分布最广的一类水，通常表示地壳的水文地质封闭性差，不利于油气藏的保存，其分布带一般无油气藏。

第四节 油气中的稳定同位素

所谓同位素，是化学元素周期表上占同一位置，具相同质子数（Z）和不同中子数（N）

的原子。根据其稳定性，同位素可分为稳定的和放射性的两类。稳定同位素系指原子核结构不会自发改变的同位素，同位素的质子数和原子结构相同，化学性质近似且相对稳定。放射性同位素即不稳定同位素，系指那些能自发地进行蜕变，形成质子数不同的新原子的同位素。

油气中稳定同位素众多（表1-8），最常见、最重要的稳定同位素为碳（12C、13C）、氢（1H、2H）。

表1-8 石油和天然气中主要元素的同位素特征（据张厚福等，1999）

质子数 1 元素名称 氢 元素符号 H 中子数 0 1 2 1 2 6 原子量 1 2 3 3 4 12 相对丰度，原子百分率 99.9844 0.0156 －－－－－－－ －41.3×10 99.9999 98.892 2 6 氦 碳 He C

7 氮 N 8 氧 O 7 8 7 8 8 9 10 16 17 18 20 13 14 14 15 16 17 18 32 33 34 36 1.108 －－－－－－ 99.635 0.365 99.759 0.0374 0.2039 95.1 0.74 4.2 0.016 16 硫 S 一、油气中的碳稳定同位素

1．碳稳定同位素的表示方法

样品中碳同位素的组成通常用它们的相对丰度比（13C/12C）或δ下式计算：

(13C/12C)样品?(13C/12C)标准(C/C)标准-

13

C表示，δ

13

C可由

?C?131312×1000000

（PDB标准：13C/12C =1123.7×105）

2．油气中的碳稳定同位素的组成和影响因素

（1）石油的δ陆相石油δ

13

13

C一般为-22‰～-33‰，其中海相石油δ

13

C值高，为-22‰～-27‰；

C较低，一般-29‰～-33‰。

13

（2）石油的δ

C随时代变老，显示出轻微降低趋势，即年代越老的石油，12C越富集，

13

C越少（图1-18）。

（3）石油中不同组分的碳稳定同位

0时 代Rδ-2013C石油（‰）-25-30素组成有差异。一般地，由饱和烃→芳烃→非烃，δ

13

C逐渐增大。分子量小的δ

13

100K13

C小，分子量大的δC大。

13

J200年龄（Ma）（4）天然气各组分δC变化范围很

TP300CDSO500大，CH4为-3.2‰～-100‰；乙烷为-18.5‰～-44‰；丙烷为-18‰～-38‰；丁烷为-23‰～-34‰。

（5）一般低温浅层形成的甲烷中富

400集C12，具有较低的δ

13

C值（-50‰～

-100‰）；高温深层地层较老、在较高温度下形成的天然气，具有较高的δ

13

C值

600前寒武纪图1-18 各地质时期的碳同位素分布 （据Stahl,1977；转自陈荣书，1994） Э德根斯（1969）其他作者（-20‰～-50‰）。

二、油气中的氢稳定同位素

通常用2H／1H比值（即D/H）或δD来表示某物质中两种氢稳定同位素的相对丰度大小，δD可由下式计算：

(D/1H)样品?(D/1H)标准(D/H)标准1?D?×1000000

其中D/H的标准值取自标准海水，缩写为SMOW。δD为正值，说明样品比标准富集D，为负值时，表示样品富集H。

石油中δD一般为-80‰～-160‰，天然气δD一般为-105‰～-270‰。天然气δD与δ

13

C存在一定的正相关性，一般δ

13

C高，δD也高。石油、天然气的δD与其形成的沉

积环境有一定的关系，海相比陆相环境中形成的油气具有更大的值。

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