石油成分、性质及分类

11.石油和天然气在现代社会中的地位2.我国油气勘探与油气地质发展简史3.世界油气勘探与油气地质发展简史4.世界油气地质勘探动向5.石油天然气地质与勘探的任务和内容绪论2石油天然气地质与勘探•绪论•第一章石油、天然气、油田水的基本特征•第二章石油和天然气的成因•第三章储集层和盖层•第四章石油和天然气的运移•第五章油气聚集与油气藏的形成•第六章油气藏的类型及特征•第七章油气聚集单元与油气分布•第八章油气资源评价与勘探理论技术•第九章油气田勘探的程序和任务2第一节石油第二节天然气第三节油田水第四节油气中的碳氢等同位素第一章石油、天然气及油田水的基本特征《石油天然气地质与勘探》4第一节石油一、石油的化学组成二、石油的馏分和组份组成三、石油的分类四、石油的物理性质五、重质油、沥青砂和固体沥青概述5赋存在地壳岩石空隙中天然生成的、以液态烃为主的可燃有机矿产。石油是混合物油气地质上：石油：广义：自然界存在的一切气体。狭义：地壳岩石空隙中天然生成的、以烃类为主的可燃气体。天然气：6石油成分复杂，已鉴定出上千种有机化合物；主要为液态烃类，还含有数量不等的非烃化合物和多种微量元素。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，没有确定的化学成分和物理常数。一、石油的化学组成7（一）元素组成1、主要元素：碳、氢、氧、硫、氮重量百分比C：84-87%；H：10-14%；O+N+S：1-4%碳、氢：占绝对优势，总量达95－99%，主要以烃类形式存在，是组成石油的主体。氧、硫、氮：主要以化合物形式存在；含硫、含氮、含氧的化合物大多富集于渣油或胶质、沥青质中。一、石油的化学组成S含量：平均为0.65%（重量）；频率分布具有双峰的特点，在1％处为最小值半咸－咸水——S高（1%）；内陆淡水——S低（1%）S2%－高硫原油；S＜0.5%－低硫原油；S＝0.5-2%－含硫原油不同时代和成因的9347个石油样品中含硫量的分布（据Tissot＆Welte，1978；转自陈荣书，1994）元素组成，％石油产地CHSNO大庆油田(萨尔图混合油)85.7413.310.110.150.69胜利油田(101混合油)86.2612.200.800.41胜利油田孤岛地区84.2411.742.200.47大港油田85.6713.400.120.23江汉油田(混合油)83.0012.812.090.471.63中国克拉玛依油田(混合油)86.1313.300.040.250.28雅雷克苏80.6110.361.058.97乌克兰84.6014.000.141.251.25老格罗兹内86.4212.620.320.68前苏联卡拉一布拉克87.7712.370.46文图拉(加利福尼亚州)84.0012.70.41.701.20科林加(加利福尼亚州)86.4011.70.60博芒特(得克萨斯州)85.7011.000.702.61美国堪萨斯州84.2013.001.600.450.45国内外某些石油的元素组成10N、O含量：石油中含氮量一般小于0.2％，少数样品达0.5％以上。石油中的含氮量可能与石油的有机成因有关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。石油的含氧量与石油的成因及氧化有关11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，它们与自然界有机物的微量元素组成十分接近，被作为石油有机成因的证据之一。其中，钒（V）和镍（Ni）两元素分布普遍并具成因意义。钒、镍含量低且V/Ni1——陆相成因的原油钒和镍含量较高且V/Ni1——海相成因的原油2.微量元素12一、石油的化学组成（二）石油的化合物组成烃类烷烃饱和烃环烷烃芳烃不饱和烃非烃类含N、含S、含O化合物目前石油中已鉴定出的烃类化合物超过425种。13C1-C4（甲烷–丁烷）——气态C5-C16（戊烷–十六烷）——液态（直链烷烃）≥C17——固态（1）烷烃（Paraffinalkane，石蜡烃，脂肪族烃，CnH2n+2）1.烃类化合物—C—C—C—C—C—CC—C—C—C—C—C异构烷烃：；正构烷烃：—C—C—C—C—；—C—C—C—C—C—C—C—C—常温常压下①正构烷烃（N－alkane）碳数多数≤C35，个别可达C200（美国）。一般占石油质量的15％～25％，轻质石油中可达30％以上，重质石油中可小于15％。名称分子式熔点(℃)沸点(℃)相对密度(液态时)物态通常状态甲烷CH4-182.6-161.60.424气乙烷C2H6-182.10-88.60.546气丙烷C3H8-187.1-42.20.582气丁烷C4H10-138.0-0.50.579气戊烷C5H12-129.736.10.6263液已烷C5H14-95.368.80.6594液庚烷C7H16-90.398.40.6837液辛烷C8H18-56.8125.60.7028液壬烷C9H20-53.7125.60.7028液癸烷C10H22-29.7174.00.7179液十一烷C11H24-25.6195.80.7404液十二烷C12H26-9.7216.20.7498液十三烷C13H28-6.0235.50.7568液十四烷C14H305.5251.00.7638液十五烷C15H3210.0268.00.7688液十六烷C16H3418.1280.00.7749液十七烷C17H3622.03030.7767固十八烷C18H3828.03000.7776固十九烷C19H4032330固二十烷C20H4236固正构烷烃的物理常数（据张厚福等，1999）15•正烷烃分布曲线不同碳原子数的正烷烃相对含量呈一条连续的曲线，称为正烷烃分布曲线。碳数5102015253035占原油体积%2.01.51.00.501正烷烃分布曲线主峰碳•正烷烃分布曲线特征：《不同类型的石油的正烷烃分布曲线图》②异构烷烃（Isoalkane，以≤C10为主）石油中的异构烷烃以≤C10为主，高碳数者以类异戊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。2，6，10，14-四甲基十六烷(植烷)2，6，10，14-四甲基十五烷(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)常见类异戊二烯型烷烃结构示意图19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。——石油有机成因重要证据例：类异戊间二烯型烷烃（异构烷烃）：姥鲛烷（Pr）、植烷（Ph）四环甾烷和五环萜烷（环烷烃）Pr/Ph小于1：还原环境，Pr/Ph大于1：氧化环境酸性水介质环境有利于Pr的形成，而偏碱性水介质环境有利于Ph的形成。不同沉积相原油的Pr/Ph变化情况表类异戊二烯型烷烃：以姥鲛烷和植烷为最常用的生物标志化合物沉积相水介质Pr/Ph原油类型咸水深湖相强还原0.2～0.8植烷优势淡水－微咸水深湖相还原0.8～2.8植烷均势淡水湖沼相弱氧化-弱还原2.8～4.0姥鲛烷优势21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，是重要的生物标志化合物，广泛应用于烃源岩成熟度分析和油源对比中。四环甾烷和五环萜烷结构示意图（2）环烷烃（Cycloalkane；Naphthene）22名称结构式比重(20℃)熔点(℃)沸点(℃)环丙烷0.720(-79℃)-127.6-32.9环丁烷0.703(0℃)-8012环戊烷0.745-9349.3甲基环戊烷CH30.779-142.472环已烷0.7796.580.8甲基环已烷CH30.769-126.5100.8环庚烷0.810-12118环辛烷0.83611.5148环烷烃的物理常数（据张厚福等，1999）——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。23（3）芳香烃（Aromatichydrocarbon）分子中含有苯环结构，属不饱和烃。石油中的芳烃以苯、萘、菲三种化合物含量最多。石油轻组分中，芳烃少，主要单环芳烃。多环稠环芳烃主要出现于重组分中。24主要是含硫、氮、氧化合物，主要存在于重组分中。2.非烃化合物（1）含硫化合物：硫在石油中可以呈元素硫(S)、硫化氢(H2S)、、硫醚(RSR’)、二硫化物(RSSR′)、噻吩及其同系物等形态出现。（2）含氧化合物主要有石油酸（环烷酸、酚、脂肪酸）、醛、酮等。其中环烷酸可与金属结合形成环烷酸盐，在油田水中常见，可作为找油的一种标志。252.非烃化合物（3）含氮化合物中的卟啉类与生物色素有亲缘关系，被作为石油有机成因重要证据。高温（250℃）或氧化条件下，卟啉即被破坏、分解、所以一般石油中存在卟啉，说明石油形成和经受的温度都不高于250℃，所以地层越老卟啉越少。26卟啉和钒卟啉的结构式27（一）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，将原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。二、石油的馏分和组份组成28石油的分馏石油石油气汽油煤油柴油减压塔重油润滑油渣油200℃常压塔加热炉加热炉360℃石油沥青类的馏分组成石油沥青类的馏分组成C25530℃渣油高碳数大分子量环烷烃、芳烃和含S、N、O化合物。C19-C25360-530℃润滑油重馏分320-360℃重瓦斯油C14-C18260-320℃柴油烷烃、环烷烃为主，含有芳烃和含S、N、O化合物。C12-C14190-260℃煤油中馏分C5-C1235-190℃汽油烷烃、环烷烃C1-C435℃石油气轻馏分化合物碳原子数沸点馏分名称C25530℃渣油高碳数大分子量环烷烃、芳烃和含S、N、O化合物。C19-C25360-530℃润滑油重馏分320-360℃重瓦斯油C14-C18260-320℃柴油烷烃、环烷烃为主，含有芳烃和含S、N、O化合物。C12-C14190-260℃煤油中馏分C5-C1235-190℃汽油烷烃、环烷烃C1-C435℃石油气轻馏分化合物碳原子数沸点馏分名称石油的馏分组成：轻馏分：主要由低碳数、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；重馏分：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。石油不同馏分的化合物极不相同：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，1994)——汽油主要由低分子量的烷烃和环烷烃组成，易挥发。常用辛烷值来表示汽油在内燃机中燃烧的抗爆性，辛烷值越大，抗爆性越好，质量也越高。而正构烷烃的抗爆性最小，环烷烃和芳香烃的抗爆性较大。32（二）石油的组分组成原油化合物的不同组分，对有机溶剂和吸附剂具有选择性溶解和吸附性能。根据这一特性，可以选用不同有机溶剂和吸附剂，将原油分成若干部分，每一部分就是一个组分。考虑到轻馏分部分具有较强的挥发性，在储存、运输过程中常因保存条件不同，造成人为的较大误差，因此对石油中的组分进行分离之前，要先对石油进行蒸馏，去掉沸点低于210℃的轻馏分，一律取沸点大于210℃的馏分（即拔顶原油）进行组分分离。蒸馏＞210℃馏分原油烃类＋胶质轻馏分沥青质可溶的沉淀的气相色谱用正己烷溶解非烃芳烃饱和烃用正庚烷或石油醚冲洗用苯冲洗吸附中色层柱内，用酒精—苯解析液相色谱色层柱（硅胶/氧化铝）（或层析）元素分析红外光谱核磁共振元素分析红外光谱核磁共振多环芳烃双环芳烃单环芳烃异构烷烃＋环烷烃正构烷烃气相色谱、质谱色谱－质谱联机液相色谱、氧化（或层析）气相色谱气相色谱、质谱色谱－质谱联机气相色谱、质谱；色谱－质谱联机原油族组成分析流程图→将石油分为饱和烃、芳香烃、非烃和沥青质等