石油天然气地质与勘探上课讲义

石油天然气地质与勘探（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。

（二）石油的化合物组成（三）石油的馏分组成表1-3 石油的馏分组成（四）石油的组分组成石油分为饱和烃、芳香烃、非烃和沥青质等组分。

二、石油的地球化学分类注：令S ＝饱和烃； P ＝烷烃（石蜡烃）；N ＝环烷烃，则 S ＝P ＋N ； 令 AA ＝芳烃＋含N.S.O 化合物（胶质，沥青质）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显的区别，具体表现如下：（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C 13/C 12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d 420表示。

一般为0.75～0.98，变化较大。

通常将d 420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＝5.1315.141604-Fd ；波美度＝130140604-Fd ； （60°F ＝15.5℃） 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。

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。

6．荧光性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。

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7．导电性石油导电性极差，具高电阻率。

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。

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。

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。

第三节油田水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。

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。

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。

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）水的类型成因系数（以毫克当量%表示浓度比）Na/Cl （Na-Cl）/SO4（Cl-Na）/Mg大陆水硫酸钠型（Na2SO4型）>1 <1 <0 重碳酸钠型（NaHCO3型）>1 >1 <0海水氯化镁型（MgCl2型）<1 <0 <1深层水氯化钙型（CaCl2型）<1 <0 >1CaCl2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）。

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δ13C表示，δ13C可由下式计算：2．油气中的碳稳定同位素的组成和影响因素（1）石油的δ13C一般为-22‰～-33‰，其中海相石油δ13C值高，为-22‰～-27‰；陆相石油δ13C较低，一般-29‰～-33‰。

（2）石油的δ13C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，13C越少（图1-18）。

（3）石油中不同组分的碳稳定同位素组成有差异。

一般地，由饱和烃→芳烃→非烃，δ13C逐渐增大。

分子量小的δ13C小，分子量大的δ13C大。

（4）天然气各组分δ13C变化范围很大，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集C12，具有较低的δ13C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δ13C 值（-20‰～-50‰）。

二、油气中的氢稳定同位素第二章石油和天然气的成因第一节油气成因概述二、油气有机成因说（一）油气有机成因说的主要依据①90%以上的石油产于沉积岩中，而大片岩浆岩、变质岩区无石油产出。

②从前寒武到第四纪的各时代沉积岩中，都找到了石油，但在各时代地层中分布不均匀，且正比于各时代沉积岩中有机物的总量。

③在近代海湖相沉积中发现了有机质向石油、天然气转化的过程。

④各地、各时期，石油既有相似性又有区别。

⑤石油具有旋光性。

⑥石油烃类中，有一些组分结构与生物某些组分的结构具有相似性。

—生物标志化合物⑦石油主要分布于地温小于150℃的中浅层，说明其是在相对低温的条件下形成的。

现代油气成因学说（晚期有机成因说）：第二节生成油气的原始物质油气现代有机成因理论指出，油气起源于生物有机质，生物有机质先经水体分解，进入沉积物，形成沉积有机质，然后在适宜的温压等地质条件下向油气转化。

油气仅是这些被保存生物有机质在埋藏演化过程中诸多存在形式的一种。

一、生物有机质及其化学组成1．脂类是最重要的生油母质。

2．蛋白质3．碳水化合物4．木质素和丹宁二、沉积有机质沉积有机质是生物遗体及生物的分泌物和排泄物随无机质点一起沉积物之后，被直接保存下来或者进一步演化而形成的有机物。

丰富的生物有机质的供给、适宜的静水环境以及具有中等沉积速度的细碎屑物质的沉积是富有机质沉积形成的必要条件。

三、干酪根（一）干酪根的定义和分布干酪根（Kerogen）是指沉积岩中所有不溶于非氧化性的酸、碱和常用有机溶剂的分散有机质。

与其相对应，岩石中可溶于有机溶剂的部分，称为沥青（Bitumen）。

（二）干酪根的组成和分类1．干酪根的组成（1）干酪根的显微组成（2）干酪根的元素组成化学分析表明，尽管不同地区不同时代岩石中干酪根元素的相对含量不同，但主要是由C、H、O、N、S五种元素组成，其中碳和氢是干酪根的主要组成元素，其次为氧，而氮和硫的含量通常较少。