第二章 油气藏中的流体 —— 油、气、水的化学组成和物理性质

油气水在油气藏（岩石）中的分

布

一．概念石油的定义：“ 混合物”成分：以烃类为主 + 数量不等的非烃化合物及微量元素相态：以液态为主 ，可溶解大量天然气与固态物质

§1 石油 (petroleum/crude oil)

二．元素组成1 ．基本元素

石油 没有确定的元素组成，但主要由 5 种元素组成，即 C 、 H 、 O 、 S 、 N 。 石油中的 平均元素组成（ % ）为： C—84.5 ，H—13.0 ， O—0.5 ， S—1.5 ， N—0.5 。

2 ．微量元素 石油中还有几十种微量元素，主要是金属元素（其中 V 和 Ni 的含量最高），仅占石油重量的万分之几，构成了石油的灰分。

C 、 H 两元素在石油中占绝对优势 ，主要以烃类化合物的形式存在，构成了石油的主体。而 O 、 S 、N 常存在于含杂原子的化合物中，主要是重馏分。

高硫原油和低硫原油（以 S =1% 为界）

3 ．同位素原油中常见的稳定同位素有 C （ C12 、 C13 ）、

H （ H1 、 H2 ）、 Ar （ Ar40 、 Ar36 ）。衡量其大小通常用比值和 δ 值（千分数）表示。

δ 值的定义是：δ 值（‰） = （ Rs/Rr - 1 ） ×1000式中 Rs 和 Rr 分别代表样品和相应标准的同位

素比值（重 / 轻）。可看出， Rs 越小， δ 值越小。关于稳定同位素的标准值，国际上通用氢为 S

MOW ，碳用美国南卡州皮狄组美洲拟箭石（ PD

B ）。

由图可知，不同地区、不同类型原油的同位素类型曲线间有着明显差别，能有效解决成油环境、油源对比及石油演化等方面的问题。

图 2-1 原油碳同位素类型曲线 ( 据廖永胜， 1982 （实线）； Stahl ， 1977 （虚线） )Ⅰ- 福山凹陷，Ⅱ - 莺歌海西部凹陷 ,Ⅲ 和Ⅳ - 涠西南凹陷）1- 福 25 井 E ， 2- 莺 9 井 N ，3- 湾 2 井 E ， 4- 湾 9 井 Pz ，5- 莺 2 井 E ， 6- 湾 5 井 N

三．化合物组成组成石油的化合物有两类：（一）烃类化合物1．烷烃C4 以下为气态， C5~C16 为液态， C17 以上为固态。

正烷烃分布曲线

•奇碳优势•主峰碳

原

异戊间二烯型烷烃（姥鲛烷 Pr 、植烷 Ph 最丰富），一般认为由叶绿素的侧链——植醇演化而来。

2 ．环烷烃石油中 多为五员环和六员环。应用：环己烷 / 环戊烷 ~ 生油温度

3 ．芳香烃石油中有： 苯、萘（二环）、菲和蒽（三环）环烷芳烃以四环、五环最重要，多与甾、萜类

化合物有关，属生物成因标志物。

三种烃类在世界石油烃组成中 所占的比例（ % ）

烃类名称 范 围 通常范围 平均含量

烷烃 0～ 70 5～ 55 30

环烷烃 20～ 80 25～ 75 46

芳香烃 5～ 60 10～ 40 24

（二）非烃化合物 这一部分化合物在石油的重质馏分中含量 较高。

1 ．含氧化合物 有酸性和中性氧化物两类。前者称为石油 酸，其中又以环烷酸最为重要，约占总酸的 90%±，多集中于石油 250 ~ 350℃的中间馏分内，多属一元酸类，常为环戊烷的衍生物，易形成各种盐类，由此可作为地下水找油的一种标志。

2 ．含硫化合物有 H2S 、硫醇（ RSH ）、硫醚（ RSR′）、

噻吩等。

3 ．含氮化合物 可分两类： 碱性氮化物：多为砒啶、喹啉等 非碱性氮化物：主要是砒咯、卟啉等——动物血红素和植物叶绿素都属卟啉类化合物，且结构相同（见下图）

除上述已经分离和鉴定出的各种化合物外，石油中还有一定数量的、由多种元素（ C 、 H 、 O 、 S 、 N 等）组成的、结构极为复杂的高分子化合物， 因受分离技术的限制，目前对其具体的结构特征尚不清楚，统称其为沥青质。

石油的馏分 石油的馏分是根据组成石油的化合物具有不同沸点的特性，加热蒸馏，将原油分割成不同沸点范围（馏程）的若干部分，每一部分就是一个馏分。原油的炼制工艺即利用了这一原理。不同馏分的名称及温度范围见下表。

馏分种类

轻馏分 中馏分 重馏分

石油气 汽油 煤油 柴油 重瓦斯油 润滑油 渣油

温度（℃） ＜ 35

35-190

190-260

260-320

320-360360-500

＞ 500

石油的组分 利用不同成分化合物对有机溶剂和吸附剂具有的选择性溶解和吸附性能，通过在一定程序下选用不同有机溶剂和吸附剂，从而将石油分成饱和烃、芳烃、胶质和沥青质等 4种成分。 考虑到轻馏分具有较强的挥发性，在储存、运输过程中容易造成误差，故在对石油组分进行地球化学分析时，常先对石油进行蒸馏，一律去掉低于 210℃的馏分，仅保留大于 210℃的馏分进行分离。具体的分析流程见下图。

四．物理性质1 ．颜色：浅（淡黄色）——深（黑色）

2 ．相对密度（比重）：在 1atm （ 101325Pa ）压力下，单位体积的 20℃石油与 4℃纯水的重量比，通常以 d4

20 表示。一般介于 0.75 ~ 0.98 ，大于 0.9

的称为重油。西方： API 度

3 ．粘度：表示石油流 动分子之间相对 运动所引起的内摩擦力大小，粘度越大，流动性越差。可分为动力粘度、运动粘度和相对粘度。

在 SI制中，动力粘度的单位为 Pa·s ，定义是：当 1Pa 的切力（△ P ）作用于液体，使相距（ L ）为 1m 、面积（ F ）为 1m2 的两液层发生相对恒速流动，流量（ Q ）为 1m3/s时的动力粘度就为 1Pa·s 。公式为：

LQ

PFk

4 ．荧光性这种冷发光现象由多环芳香烃和非烃引起。

发光的颜色取决于石油性质， 强度则与石油 或沥青物质的浓度有关，一般只要 10ppm 即可发光。

5 ．旋光性当偏振光通过石油 时，偏转面将要旋转一

定角度，一般是 0.1°~ 几度，且天然石油主要是右旋的。6 ．溶解性

石油在水中的溶解 度很低。 C 数相同时，烷烃＜环烷烃＜芳香烃；除甲烷外，各族烃类在水中的溶解度都随分子量 增加而增大；外界条件的影响是：与温度正比、皂胶粒正比、水中无机盐分反比。

但石油 却极易溶于苯、 CCl4 、氯仿、石油醚、醇等有机溶剂。

五．石油的分类Tissot 和 Welte

（ 1978 ）分类方 案：用三角图解方法，将沸点＞ 210℃的馏分，以烷( 石蜡）烃、环烷烃、芳烃 +NSO 化合物作为图上的三个端元组分， 将世界上的石油分为 6 类。

根据统计出现的频数，大多数正常石油属于 芳香— 中间型、石蜡—环烷型和石蜡型；而若以石油的 产储量大小论，则芳香—沥青型最重要，其次是芳香—环烷型和芳香—中间型。

六．海、陆相石油的 基本区别内容 海相石油 陆相石油

石油类型 芳香—中间型、石蜡—环烷型为主

以石蜡型为主，部分为石蜡—环烷型

石蜡含量 低（＜ 5% ） 高（普遍＞ 5% ）

硫含量 高 低

微量元素 V 、 Ni 含量高，且V/Ni ＞ 1

V 、 Ni 含量低，且 V/Ni ＜ 1

碳同位素 δ13C＞ -27‰ δ13C ＜ -29‰ ( 第三系原油 )

中国原油性质（引自李克玉， 1996 ）新增：

§2 天然气 (natural gas/gas)一．概念

从广义上讲，天然生成于自然界的一切气体都可称为天然气。在石油和天然气地质学中 研究更多的是沉积圈中以烃类为主的天然气。随着天然气工业的发展，人们对一些非烃气和稀有气体如 CO2 、H2S 、 Ar 气也开始给予重视。二．产出状态

沉积圈中的天然气，依其存在的 相态可分为：游离气、溶解气、吸附气和固态气水合物。

按其分布 特征可分为分 散型和聚集型，前者包括水溶气、油溶气、煤层气、吸附气及固态水合物中的气；后者包括气藏气、气顶气和凝析气。

三．化学组成天然气主要以气态的低分子烃和非烃气体 (如 CO2 、

H2S 、 N2) 及微量惰性气体（如 He 、 Ar ）组成。

世界气藏化学组成图

由图可见，绝大多数气藏以烃气为主，其中又以甲烷气比例最高，只是在油 田伴生气（气顶气）中，才有较高的重烃（多为 C2H6 、 C3H8 ）含量。 一般认为， C2

+＞ 5%的天然气称为湿气，而 C2

+＜5% 的统称为干气。

氮

国别 气田名称 产层 CH4 重烃气 CO2 N2 H2S H2 He

中

国

圣灯山 P1 94.57

0.99 0.24 2.43

0.02

石油沟 T1 97.80

0.40 0.201.10

0.10

大庆 K1 83.82

13.0 0.112.58

大港 Es3 75.21

23.22

前苏联

乌连戈伊 K1 88.49

10.96 0.46 0.09

乌克蒂尔 P 75.1 14.0 0.1

杜依马兹 D 61.4 25.4 0.2 14.0

美

国

米尔斯兰契 S 95.8 0.6 1.2 2.3 0.1

潘汗德 -胡果顿 P 81.5 10.9 0.1 0.5

本得隆起 P 0.1 0.8 89.9

8.6

国内外某些气田的天然气化学成分（ ％）

四．物理性质 一般无色，可有汽油味或 H2S味，可燃烧。

1 ．相对密度（比重） 标准状态（ 1atm ， 20℃），单位体积天然气与空气的重量之比，一般 0.65~0.75 。2 ．粘度 远小于液态石油。 一般在 0℃时为 0.0031mPa·s ， 20℃时为 0.120mPa·s 。随气体分子量的增大而减小，随温、压的增大而增大。

3 ．溶解性 天然气能不同程度地溶解于水和油中（相似相溶原理）。 标准状态下常见天然气组分在纯水中的溶解系数

而当石油中溶有天然气 时，即可降低石油 本身的相对密度、粘度以及表面张力，使其易于运动。

组分 CH4 C2H6 C3H8 n-

C4H10 i-C4H10 CO2 H2S N2

溶解系数

0.033

0.047 0.037

0.036 0.025 0.87 2.58 0.016

*4 ．天然气的逆凝结和逆蒸发 自然界存在这样一种气藏，在地下 深处高温高压下呈气相，采到地面时，反而凝结为液态，称为凝析气藏，地面的凝析油通常为浅色、轻质油。

其相对密度通常在 55°API以上 (15.5℃(60℉)时

的相对密度小于 0.759) 。这与一般的等温加压、

减压过程恰好相反，称之为逆凝结和逆蒸发。据研

究，此种现象常发生于二组分以上的物质体 系内。

要准确理解凝析气藏的成因，需从理想气体、

单一组分真实气体、以及两组分以上混合气体的

P-V 图或相图入手，加以说明。

理想气体在不同温度下的压力-

体积关

系凝析气藏成因

真实气体在不同温度下的压力-

体积关

系

(泡点线 ) (露点线 )

混合体系的压力—

温度关系与相态分

布

气相

液相

存在条件：二组分以上体系，一定 T 、 P 范围

一．概念与来源 与油气的生成、运移、聚集、逸散有关的地下水，均可称之为油田水，与油、气组成统一的流体系统。 有时所说的油田水是指油田范围内直接与油层连通的地下水，即油层水。

§3 油田水 (oilfield water/undergroud water)

底水边水上层水下层水夹层水

承托

三种存在形式 ——吸附水、毛细管水、自由水。三个主要来源——沉积水、渗入水、初生水。

地下水可分为潜水和层间水。

地下水的基本类型示意图

二．化学组成和水的矿化度 ——实质上是溶于油田水中的溶质的化学组成。1 ．无机组分：在常 规的水分析中，可用以下几种离子的含量表示油田水的无机组成：

阳离子— Na+ （ K+ ）、 Ca2+ 、 Mg2+

阴离子— Cl- 、 SO42- 、 HCO3

- （ CO32- ）

各离子在水中的含量可用 重量法（ mg/L ）、当量法（ mmol/L ）以及当量百分比 法表示，前二者表示离子的绝对含量，后者则表示各离子所占的相对含量，有利于进行对比。

2 ．有机组分：包括烃类、酚和有机酸，它们常被用来区分油 层水和非油层水。

3 ．微量元素：可用单个元素或元素组合来识别油田水。如吉林扶余油田的潜水中， F 、 Cl 、 Br 、I 的高值点绝大部分位于含油构 造上。

标志物 烃类 苯系物 酚 有机酸

油层水 气、液态烃

高，甲苯 /苯＞

1 高，＞ 0.1mg/L，（邻）甲苯酚为主

以环烷酸为主

非油层水 仅 CH4 低，

甲苯 /苯＜1

低，以苯酚为主 无

4 ．同位素：主要是 C13 、 D、 O18 等，可判断地下水的起源。 水的总矿化度：是指地下水中各种离子、分子和化合物的总含量。单位： mg/L、 g/L、 mmol/L。通常用水在 110 ℃ 下蒸干所剩残渣的量来计量。误差：挥发性物质、结晶水。

三．地下水的苏林分类 苏林（ 1946 ）的分类 基础：现代大陆水与海水的化学成分特征对比。 天然水有大陆水和海水两大类，苏林把典型成分为Na2SO4 和含 NaHCO3 的水，称之为大陆成因的水，而把典型成分为 MgCl2 的水作为海洋成因水。

然后，以 Na+ 和 Cl- 的当量比为基础，配合（ rNa+-rCl- ） /rSO4

2- 、（ rCl--rNa+ ） /rMg2+

两个成因系数，把地下水分成 四个基本类型。

苏林认为， Na2SO4 型水在近地表较发育，而 CaCl2 型水是一种处于地壳深部的水，MgCl2 型水则为典型的海洋成因水。

水型 rNa+/rCl- (rNa+-rCl-)/rSO4

2- (rCl--rNa+)/

rMg2+

Na2SO4 ＞ 1 ＜ 1 ＜ 0 NaHCO

3＞ 1 ＞ 1 ＜ 0

MgCl2 ＜ 1 ＜ 0 ＜ 1 CaCl2 ＜ 1 ＜ 0 ＞ 1

在油田剖面上，上段以 NaHCO3 型水，深部则为Mg

Cl2 和 CaCl2 型水。油田水的水化学类型以 CaCl2 型

为主， NaHCO3 型次之，而 Na2SO4 型水和MgCl2

型水则较少见。四．油田水与油气的关系可归纳为两个方面：1 、根据油田水的水化学特征可直接寻找油气原理：深部流体的微渗滤和扩散，造成浅层

水的化学成分发生某些改变，形成异常值分布区。可大致圈定地下油气藏的范围，此即水化学找油。

2 、根据水化学资料判断油气运、聚和保存条件 对油气聚集和保存最为有利的环境应是渗透水交替缓慢或停滞，即地下水不太活动的环境。水型为 CaCl2 型、高矿化度水分布区，显然最有 利。

此外，在判断油气运移方向及聚集条件时，还可采用脱硫系数（ rSO4

2-/(rCl-+rSO42-) ）、钠氯

系数（ rNa+/ rCl- ）、及碳酸盐平衡系数（ (rHCO3

-+rCO32-)/rCl- ）等当量离子的组合形式，一般

认为，越靠近油气聚集区，其值越大，而越往供水区方向，其值越小。

准噶尔盆地腹部侏罗系水化学场分布

图（王震亮等，1 9 9 8

）

科研举例——

油气水性质及其反映的流体动力

场

盆地腹部不同层系水型分布直方

图

从石油的密度和粘度的平面分

布

推测油气运移方向

石西油 田不同流体沿断裂的纵向运移方向示意图