石油及天然气地质学

石油及天然气地质学
石油及天然气地质学是一门综合性的科学，它既包括了地质科学，也包括了许多相关应用科学技术。

内容包括：油气藏的基本要素、油气藏形成原理和油气分布规律。

油气藏的基本要素包括油气藏中的流体（油、气、水）、储集层、盖层、圈闭和油气藏；油气藏形成机理包括烃源岩和油气成因、油气运移和聚集、油气藏形成及破坏；油气分布规律包括含油气盆地、盆地中的油气聚集单元和油气在时、空、深上的分布规律。

扩展内容包括：含油气系统和盆地模拟、非常规含油气系统和非常规油气资源以及油气勘探基本程序和油气资源评价方法。

第一章油气藏中的流体
任意一个油气藏和油藏中都存在石油、天然气、油气田水三种流体，而纯气藏中只有天然气和油气田水。

这些流体存在于储集层的空隙裂缝中，并在圈闭范围内按重力分异，在垂向上近似层状分布。

天然气最轻居圈闭顶部，石油居中，水在下面。

但是，油气藏中的石油、天然气、油气田水三者并非截然分离，气-油、油-水和气-水之间存在过渡带，它们以一定关系共存于储集层的孔隙裂缝系统中。

第一节石油
石油又称原油，是以液态形式存在于地下岩石孔隙中的可燃有机矿产。

在地下油气藏中石油无论在成分上还是相态上都是极其复杂的混合物。

在成分上以烃类为主，含有数量不等的非烃化合物及多种微量元素；在相态上以液态为主，溶有大量烃气及少量非烃气，并溶有数量不等的烃类和非烃类的固态物质。

石油的元素组成主要是碳和氢，其次是氮、硫、氧。

碳、氢两元素主要呈烃类化合物存在，是石油组成的主体。

氮、硫、氧元素组成的化合物大多富集在渣油或胶质和沥青质中。

氧主要富集在石油高沸点馏分中，其含量与石油的次生变化程度有关。

石油的馏分是利用组成石油的化合物具有不同沸点的特性，加热蒸馏，将原油切割成不同范围（馏程）的若干部分，每一部分就是一个馏分。

石油中不同和组分的化合物由于分子结构的差异，对吸附剂和有机溶剂具有选择性的吸附和溶解的性能。

根据这一特性，可选用氧化铝和硅胶作为吸附剂以及不同有机溶剂，将石油分为饱和烃、芳烃、胶质和沥青质等组分。

石油的化合物组成主要可分为烃和非烃两大类。

石油中不同组分的化合物组成如下：饱和烃，包括正构烷烃、异构烷烃（含天然石蜡，碳数分布多在C16~C70）和环烷烃；芳烃：包括芳烃和环烷芳烃；非烃即胶质和沥青质：为含氮、硫、氧的非烃化合物。

低沸点的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组成，并含有一定数量的芳烃和环烷烃及少量的含氮、硫、氧化合物；而重馏分则以高碳数和大分子量的环烷烃、芳烃、环烷芳烃和含氮、硫、氧化合物组成。

含氮、硫、氧化合物主要富集在重馏分中。

石油的化合物类型及特征
正构异烷、异构烷烃、环烷烃、芳烃和环烷芳烃、含氮、硫、氧化合物。

含氮、硫、氧化合物：石油中普遍含有数量不等的含氮、硫、氧等非烃化合物。

低-中分子量者主要存在于轻-中馏分中；而高分子量则富集于胶质和沥青质中。

1.低—中分子量的含氮、硫、氧化合物
含硫化合物：含硫量常作为评价原油质量的一项指标。

2.高分子量含氮、硫、氧化合物：石油中高分子量的含氮、硫、氧化合物主要富集于
胶质和沥青质中，是属于芳香系列和环烷-芳香系列天然高分子量化合物末端成员，为含氮、硫、氧的衍生物。

生物标记化合物是指沉积物和石油中来自生物体的原始生化组成，其碳骨架在经历各种地质作用过程后被保存下来的有机化合物。

这类化合物也被称为“分子化石”、“地球化学化石”和“指纹化合物”，他们是石油有机成因的最有利的佐证。

沉积有机质在成岩作用和热降解作用过程中，这些生物标记化合物也将不可避免地要发生化学变化，包括失去不稳定的官能团，加氢还原，异构化合芳构化等作用，以形成热力学上稳定的异构体的基本骨架。

因此，这种基本结构的稳定性使其具有判明有机质来源以及确定原始沉积环境的作用，又可作为油源对比的重要参数，也可用于油气运移的研究，生物标记物的异构体尤其是种类繁多的立体异构体，能够用于追溯有机质所经历的热演化过程，提供有机质演化程度------成熟度的信息。

石油的分类的原则与方法：石油化学侧重于个馏分含量及化学组成和物理性质。

地球化学家和地质学家则注意原油组成与生油岩及其演化作用的关系。

凝析油和稠油
凝析油：是指在地层特殊温压条件下，液态烃逆蒸发形成的凝析气被开采到地面后，由于温度和压力降低而逆凝结为液态烃即称凝析油。

凝析油的成因：与有机质类型、有机质成熟度、油气运移分馏作用和混合作用等因素有关。

海相腐泥型有机母质生成的凝析油，出现在高成熟度阶段（镜质体反射率
R0=1.35%~2.0%）;陆相湖盆混合型有机母质生成的凝析油，主要出现在成熟-高成熟阶段（镜质体反射率R0=0.7%~2.0%）；海陆过渡相及内陆沼泽相煤系地层腐殖型有机母质生成的凝析油，可出现在低成熟度阶段（镜质体反射率R0=0.5%~0.7%），也可出现在成熟-高成熟阶段。

稠油：稠油是相对于原油的黏度而言的。

稠油的成因和稠变作用：稠油按其成因可分为原生稠油和次生稠油。

次生成因的稠油和沥青是稠油资源的主体，存在少量的原生未熟-低熟稠油。

（1）原生稠油：原生稠油指未遭受过生物降解、水洗、氧化和轻组分散失等作用的稠油。

原生稠油的形成主要与生烃母质的生源构成、沉积环境和原油的早期生
成等因素有关。

生源构成是指形成原生稠油的生烃母质多以低等水生生物为主，如藻类、细菌等，这类有机质中不仅含有丰富的类脂物，具有早期生烃的特点，还含有较丰富胶质、沥青质类生物有机大分子，胶质、沥青质类化合物均为含
氮、硫、氧等杂原子的化合物，组成复杂，分子量较高。

（2）次生稠油：石油经初次运移和二次运移进入圈闭形成藏以及之后的地质的过程中，使其变稠和变重的各种地质作用称稠变作用。

稠变作用过程可分为运移阶
段和成藏后的保存阶段，有些稠油可以是两个阶段连续的稠变作用过程的结果，也可以是多期稠变作用过程的结果。

稠变作用因素主要是水洗、生物降解、氧
化和轻组分散失等作用。

这些稠变作用因素常常是同时发生。

次生稠油可由正
常液态原油经稠变作用形成，也可由原生稠油叠加稠变作用而加剧其稠化，所
有原油经过次生改造都可以成为次生稠油。

原油在储集层中，经过水洗、生物降解、轻组分损失和无机氧化作用等一种或几种过程而发生降解，造成原油中轻质端成员减少，链烷烃和低分子量的烷
烃基本损失，使稳定的氮、硫、氧化合物及其衍生物、多环芳烃富集，胶质和
沥青质的含量增加。

在有些情况下通过厌氧细菌的作用，从硫化物中分离出来
的硫和烃类反应，增加了原油中硫的含量和重组分的丰度。

生物降解作用使原
油通过与储层中的细菌发生作用从而导致正、异构烷烃以及环烷烃和芳烃依次
受到破坏和消失。

生物降解作用是次生稠油的一种主要成因。

水洗作用通过水的活动，将原油中轻质成分带走，从而使原油变稠。

水洗作用大致有两种类型：一是通过断层或不整合面导致浅层淡水淋滤，这种类型往
往与轻组分会发作用、生物降解作用和氧化作用相伴生；二是油藏底部地层水
内部循环系统的活动，可带走油藏底部原油的轻质成分，该种油藏具备一定厚
度的稠油垫。

（3）稠油的化学组成特征
原生稠油与次生稠油的本质差异在于成藏后是否经过次生改造，如果原生稠油也经过了次生改造，将变得更稠。

稠油与常规轻质原油相比主要有以下特点：
（1）黏度高、密度大、流动性差。

（2）稠油中轻质组分含量低，而胶质、沥青质含量高。

（3）稠油黏度对温度敏感，随着温度的降低其黏度显著增大，这是稠油热采的主要机理。

石油的物理性质
1.颜色在投射光下石油的颜色可以是无色、淡黄、浅黄、褐黄、深褐、浅红、
棕、黑绿及黑色。

石油颜色的深浅主要取决于胶质和沥青质的含量，胶质和沥
青质含量愈高，则颜色愈深。

2.密度和相对密度石油的密度为单位体积石油的质量。

单位体积石油的质量与
密度的关系可表示为w=pg，石油的质量和4摄氏度时同体积纯水的质量比值，叫石油的密度。

石油的相对密度主要取决于其化学组成。

就烷烃而言，相对密度随碳数的增加而变大。

碳数相同的烃类，相对密度烷烃小，芳烃大，环烷烃居中。

与胶体和沥青质相比，烃类的相对密度较小。

上述各种情况，就其实质都是与含氢量有关，相对密度与含氢量有明显的相关性。

地下石油的相对密度还与油中溶解气量、压力、温度等因素有关，溶解气量多则相对密度小。

在其他条件不变时，相对密度随温度增加而减少，随压力增加而增大。

3.黏度石油黏度是指石油流动时分子之间相对运动所引起的内摩擦力。

黏度大
则流动性差，反之，则流动性好。

黏度参数对了解油气运移、进行油井动态分析以及石油储运都有重要的参考价值。

黏度分为动力黏度、运动黏度和相对黏度。

通常讲的原油黏度是指动力黏度。

黏度大小主要取决于石油的化学组成。

分子小的烷烃、环烷烃含量多，黏度就低；而石蜡、胶质、沥青质含量高，黏度就高。

黏度随温度升高、溶解气量和轻组分增加而降低，随压力增大而增大。

原油黏度变化较大，一般1~100mPa.s时原油称稠油，稠油由于流动性差而开发难度增加，在埋深1500m以下，石油的黏度值比地表小得多。

一般来说，原油黏度大密度也大。

4.溶解性石油能不同程度溶解于许多溶剂中，如正己烷、苯、乙醇、乙醚以及
氯仿、二氯化甲烷、二氯化碳、四氯化碳等。

利用不同溶剂对原油的溶解特性可开展原油和烃源岩可溶有机质的族分和化合物分离。

石油在水中的溶解度很低，就纯化合物而言，芳烃的溶解度最大，苯可以达到0.178%；环烷烃次之，一般为0.0014%0.015%；烷烃最低，仅百万分之几十。

当水中饱和二氧化碳和烃气时，石油的溶解度将明显增加。

石油在水中的溶解性对认识石油初次运移时可能存在的相态有重要意义。

5.凝固和液化石油失去流动能力的最高温度称为凝结点，而液化与此正相反。

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。

富含沥青质的石油随着温度降低逐渐变稠而无明显凝固现象，但富含石蜡的石油在温度下降到结蜡点时（低于石蜡的熔点温度37~76摄氏度），则伴随石蜡结晶析出而出现凝固现象。

石油凝固点的高低与含蜡量及烷烃碳原子数具正相关性，低凝固点的石油为优质石油，凝固点高的石油容易使井底结蜡，给采油工作带来麻烦。

在石油输送中凝固点也是必须考虑的重要指标。

根据凝固点的高低，可将石油分为高凝油（>=40摄氏度）、常规油（-10~40摄氏度）和低凝油（<-10摄氏度）三类。

6.导电性石油及其产品具有极高的电阻率。

7.荧光性石油在紫外光照射下可产生荧光的特性，即石油的荧光性。

石油中只
有不饱和烃及其衍生物具有荧光性。

这是因为他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可见光即荧光，饱和烃不发荧光。

荧光颜色随不饱和烃的浓度及分子量增加而加深。

芳烃呈天蓝色，胶质为黄色，沥青质为褐色。

8.旋光性大多数石油具有将偏振光的振动面旋转一定角度的能力，即石油的旋
光性。

绝大多数石油都能是偏光面向右旋转呈右旋，仅少数为左旋。

旋光角可用旋光仪测定。

石油的旋光性是与其含有结构不对称的生物标志化合物，尤其是四环甾烷和五环三萜烷等有关。

因此，旋光性被认为是石油有机成因的证据之一。

9.热值石油的热值即单位体积或单位质量石油的发热量。

10.界面现象石油在含水的多孔岩石中的存在状态，除受其饱和度影响外，主要
受各种流体之间及流体与固体之间的各种界面现象的制约，了解这些现象对理解许多石油地质过程的重要。

界面现象主要包括：表面自由能、表面张力、界面张力、黏附力、内聚力、润湿性、润湿角和毛细管半径。

而且流体与岩层的关系可用毛细现象加以解释。

各种界面现象和毛细现象都是由分子间的吸引力所引起。

界面现象的有关问题，将在油层物理学中作进一步讲述。

第二节天然气
天然气的概念和产状
天然气的概念：广义的天然气是指存在于自然界的一切气体。

根据其存在
环境，将天然气分为8类：大气、地表沉积物中气、沉积岩中的气、海洋
中的溶解气、变质岩中气、岩浆岩中气、地幔排出气、宇宙气。

狭义的天然气即石油天然气地质学主要研究的天然气，仅限于地壳上部存
在的各种天然气，重点研究有工业价值的聚集型、分散型和非常规烃类气
体和非烃类气体。

天然气的产状
地壳中的天然气，依其存在的相态可以分为游离态、溶解态和天然气-水合
物；依其形成的地质条件和成藏要素可分为常规气和非常规气；常规气主
要指聚集型气包括气藏气、气顶气和凝析气；分散型气主要包括油溶气、
水溶气和天然气-水合物；非常规气依其成因和分布特征可分为盆地中心气
（深盆气、致密储层气）、煤层气、页岩裂缝气和浅层生物气；依其与石
油产出的关系可分为伴生气和非伴生气。

1.聚集型天然气
游离气是常规气藏中天然气存在的基本形式，大规模的游离烃气或非烃气的聚集可被有效地开发和利用。

聚集型的以烃类为主的气体可以
是气藏气、气顶气和凝析气。

气藏气：是指圈闭中具有一定工业价值的单独天然气聚集，特别是巨大的非伴生气藏（田）气，是研究的重点。

有些气藏气也可以存在于
油气田中，在垂向与横向上与油藏或油气藏保持一定的联系。

气顶气：是指与油共存于油气藏呈游离态存在于油气藏顶部的天然气。

这种天然气不仅在分布上，而且在成因上与石油都有密切联系。

它
的基本特点是：重烃气含量多数大于5%，个别可高于甲烷，但也有重
烃气小于5%的。

重烃气含量多少在很大程度上取决于石油的组成和密
度。

凝析气：是一种特殊的气藏气。

在地下较高温度、压力条件下，凝析油因逆蒸发作用而气化，呈单一气相存在，故称凝析气。

采出后因地
表温度、压力降低，因逆凝结作用呈液态产出，与凝析气藏中的天然气分离。

这种含有凝析油的气藏，称为凝析油气藏，或称为凝析气藏。

2.分散型天然气
分散型天然气主要以油溶气、水溶气和天然气水合物赋存。

油溶气：任一油藏内总会溶有数量不等的天然气，每吨油溶气的数量少则几到几十立方米，多则可达数百到上千立方米。

采油时分离出的天然气应可收集起来回注于油藏或作燃料和化工染料。

水溶气：水溶气富集程度受地下温度、压力、水的矿化度、二氧化碳含量和储层水数量等因素控制；水溶气的主要成分为甲烷，含有少量的二氧化碳、氮气，有时还含有乙烷和丙烷等重烃组分以及稀有气体。

天然气-水合物：天然气-水合物是固态的结晶化合物。

在这种化合物中，水的冰晶体格架扩展为包括天然气分子的晶体。

主要有两种基本单位：较小的单位晶体中含有46个水分子和8个甲烷分子，这种较小的晶格可也可含有C2H6、H2S、CO2等气体分子；较大的单位晶胞中含有136个水分子和8个丙烷或丁烷气体分子，甚至更大的异丁烷和戊烷也可进入冰的晶格格架形成天然气-水合物。

在标准温度、压力条件下，每立方米天然气-水合物会含有近60~164立方米甲烷。

在同样的储集空间，天然气-水合物能储集更多的烃类气体。

天然气-水合物是在特殊温度和压力条件下形成的，其形成时要求压力的增加要比温度的增加加快得多。

在大多数沉积盆地中，随着深埋的增加和地层压力的增加远不能在地层温度条件下形成和保持天然气-水合物。

目前天然气-水合物仍不具经济开发价值。

3.非常规天然气
非常规天然气目前主要指盆地中心气（深盆气这类天然气、致密储层气）、煤层气、页岩裂缝气和浅层生物气。

除浅层生物气外，类天然气实际上是介于分散型和聚集型之间的过渡类型气。

这类天然气系统的成藏机理、条件和过程往往有别于常规天然气系统，储集层为低孔低渗致密砂岩、煤层和裂缝性泥岩。

盆地中心气：指聚集在盆地翼部和深部低孔低渗致密储层中的热成因气，也称深盆气或致密储层气。

盆地中心气（系统）常常与构造圈闭无关，储集体为低孔渗致密储层，大面积连续分布，天然气运聚与浮力驱动无关，储气体可由气-水两相界面的毛细管压力封闭或物性和岩性封闭，无偿规意义上的溢出点，缺少底水，气藏压力往往为高压或者低压。

煤层气：指煤层中储集的以吸附甲烷为主的天然气，煤矿中将该天然气俗称瓦斯。

煤层气系统与常规天然气系统在气源岩、储集层、气体储存、运移聚集机理等方面均有差别。

页岩裂缝气：指页岩裂缝和孔隙系统中的生物气与热解气，它可以是有机和无机颗粒表面的吸附气，也可以是裂缝和孔隙中的游离气，有时与油相相伴生。

页岩裂缝系统天然气富集条件有其明显的特殊性，如
存在富集有机质的页岩，并发育有大量天然裂缝，页岩本身就是烃源岩
又是储集层，气层属裂缝-岩性型储集系统。

浅层生物气：一般指埋深小于1000m的沉积物或烃源岩中的有机质在未成熟阶段由厌氧细菌作用形成的以生物甲烷为主的天然气。

4.伴生气和非伴生气
天然气产出依其与油藏分布的关系，可分为伴生气和非伴生气。

凡是在油藏范围内与油藏分布有密切关系的气顶气、油溶气以及油藏之
间或油藏上、下方的气藏气，都成为伴气。

天然气的化学组成
气（油）藏中天然气的主要成分是烃类，通常是甲烷占优势，并有数量不等的重烃气。

但在某些石油伴生气（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组成，但在某些气藏中可以成为主要组成，形成N2
气藏、CO2气藏、H2S气藏等。

常见的非烃气除上述的N2、CO2、H2、Hg等以及痕量的惰性气体包括氦（He）、氖（Ne）、氪（Kr）、氙（Xe）、氡（Rn）。

烃类组成
天然气的烃类组成一般以甲烷为主，重烃气为次。

非烃组成
气藏气中常见的非烃气有N2、CO2、H2S、H2、CO、SO2、Hg蒸汽及惰性气体，有时还含有少量氮、磷、氧化合物。

天然气的物理性质
在常温、常压下以气态存在的烃类有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及异丁烷，非烃类有氢气、氮气、二氧化碳、硫化氢和惰性气体。

1.分子大小
天然气分子近似的有效直径一般比长度要小，有效直径相当于最小
长度。

2.表观分子量
天然气是多组分混合气体，因此天然气的分子量称表观分子量。

3.密度和相对密度
天然气密度定义为单位体积的质量。

天然气的相对密度一般是指相同压力、温度条件下，天然气密度与
空气密度的比值。

4.溶解度
天然气能不同程度地溶于水和石油两类不同溶剂中，天然气和水是
属于不易互溶的气-液系统，一般常用亨利定律表示。

而天然气和石
油具较强的互溶能力，用亨利定律表示偏差较大。

（1）在水中的溶解度：天然气在水中的溶解度常用亨利公式表示：
Q=C.p 式中：Q为溶解度，表示单位容积中溶解的气体体积，
m3/m3；C为溶解系数或亨利系数，10-5m3/m3.Pa；p为气
体压力（对混合气体计算各组分的溶解度时，为该组分的分
压）。

天然气在水中的溶解系数很大程度上还取决于气体组分和
水互溶能力以及温度和含盐量，而同一组分分则取决于温度
和含盐量。

（2）在石油中的溶解度：天然气在石油的溶解度指在地层温、压条件下液态原油中所溶解的，并在温、压降低后析出的气体
数量，常用V气/V油表示。

天然气与石油具有互溶关系，
溶解系数比在水中打得多。

天然气在石油中溶解度的影响因素很多，其中主要是地层温
度、压力、天然气的组成和原油轻组分含量。

当温度一定时，
压力上升，气体溶解度增加，直到饱和点压力为止。

在高压
下，石油可溶解数百倍自身体积的天然气。

天然气的溶解度
随地层温度升高而降低，随烃气碳数增加而增大，重烃气含
量越高则溶解度越大。

在相同温压条件下，低碳数烃含量高
的轻质原油比重质原油溶解天然气的能力强得多。

黏度
天然气的黏度是测量天然气抵抗流动能力的一种量度，常用
的是动力黏度（u），即绝对黏度。

吸附作用
分子引力使岩石颗粒对天然气有一定的吸附能力，但吸附的
数值不大。

热值
每立方米天然气或每千克天然气燃烧时释放出的热量称热
值，单位是每立方米一千焦。

烃类气、液的相态。