第一章石油 - 石油天然气地质与勘探(3)

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

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—

—

CO32）等阳、阴离子构成，另外还含有几十种微量元素。

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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

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—

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

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