油气水性质

第一章油气水性质（4学时）§1 石油沥青类的概念及组分（0.5学时）一、概念：天然气、石油及其固态衍生物，统称为石油沥青类。

石油沥青类、煤类、油页岩，一部分硫，都是自然界常见的可燃矿产，因它们由古生物演变而来，故统称为可燃有机矿产。

岩石圈分为岩浆岩、变质岩和沉积岩，而沉积岩又根据成因分为碎屑岩、化学岩及生物岩；而生物岩根据可燃性又可分为可燃性生物岩、非可燃生物岩。

二、组成组成可燃有机矿产的主要元素为碳和氢，还会有少量的氧、硫、氮等杂质。

其中煤所含碳要比石油多，氢却比石油少；氧在石油中也较少；C/H比值以石油和沥青最小，煤类最大。

碳的热值约为34.0MJ/kg，氢的热值约为142.2MJ/kg，即一个单位的氢所放出的热量四倍于碳；氧则使可燃矿产的热值降低。

因此石油的热值比煤类大。

三、可燃有机矿产的分类从物理状态分类，可燃有机矿产可分为三类：1．气态可燃矿产：即天然气。

2．液态可燃矿产：以石油为代表。

3．固态可燃矿产：种类较多，包括煤、油页岩、硫磺及石油衍生物：地沥青、地蜡、石沥青等。

§2 石油的性质和组成（1学时）一、石油的组成：（一）石油的元素组成石油的主要成分C、H、O、S、N。

其中，C：84~87%，H：11~14%，两者占97~99%；O、S、N总量仅占1~4%，个别情况下，高硫石油，这个比例可达3~7%。

如墨西哥石油含硫3.6~5.3%。

石油中氮含量很少，一般为千分之几到万分之几，个别情况下N含量也很高，如美国加利福尼亚第三系石油氮含量可达1.4~2.2%。

此外，石油中还有其它微量元素，构成了石油灰份，目前，采用发射光谱法和中子活化分析法从石油灰份中发现了其它微量元素54种。

这些元素近似自然界有机物的元素组成。

说明石油与原始有机质存在明显的亲缘关系。

尤其是（V）（N i）是分布普遍并且有成因意义的两种元素（钒、镍），把它们的比值（V／N i）用来确定生油岩相，进行油源对比。

（二）石油的烃类组成石油主要由C、H两种元素组成，按两者之间结合的化学结构的不同可分为三类：1．烷烃类（又称脂肪烃类），通式为C n H2n+2一般在常温常压下1~4个碳原子（C1~C4）的烷烃呈气态；含五到十六个碳原子正烷烃呈液态；十七个以上碳原子的高分子烷烃呈固态。

烷烃分子结构是碳原子与碳原子以单键相联接，排成直链式，其余碳原子键全部为氢原子所饱和的直链烃类。

无支链者为正（构）烷烃，有支链者为异（构）烷烃（结构式参见教材）。

在石油中不同碳原子数正烷烃相对含量呈一条连续的分布曲线，称为正烷烃分布曲线。

这说明石油中正烷烃同系物是一个连续系列。

由于石油中正烷烃低分子多于高分子，因而在正烷烃系列的C15以内有一个极大值。

在石油的烷烃馏分中，最重要的是异戊间二烯型烷烃。

其结构特点是在直链上每四个碳原子有一个甲基支链，在结构上宛如由若干个异戊间二烯分子加氢缩合而成。

它们可能是天然色素或萜烯类衍生的产物。

它们在石油中的含量可达0.5%，在石油和沉积物中往往以植烷、姥鲛烷和降姥鲛烷、异十六烷及法呢烷含量最高。

由于同源的石油，所含异戊间二烯型烷烃的类型和含量均相似，所以它们被用来研究油源对比及运移。

2．环烷烃即分子中含有碳环的饱和烃。

根据组成碳环的碳原子数分为三员环、四员环、五员环……。

按分子中所含碳环数目，可以分为单环烷烃（C n H 2n ）、双环烷烃（C n H 2n-2）、三环烷烃（C n H 2n-4）及多环烷烃。

石油中的环烷烃多为五员环或六员环。

环烷烃和脂肪烃分子中所有化合价均被饱和，所以它们都属饱和烃，性质相似，化学稳定性高，但其物性（如密度，熔点、沸点都比碳原子数相同的烷烃高，但相对密度小于1）。

3．芳香烃指具有六个碳原子和六个氢原子组成的物殊碳环——苯环的化合物，其结构特点是分子中含有苯环结构，属不饱和烃。

根据其结构，可分为单环、多环和稠环三类。

单环芳烃，指分子中只含一个苯环的芳烃，包括苯及其同系物：CH 3 CH 3苯 甲苯 对二甲苯CH 3多环芳烃是指分子中含两个或多个独立苯环的芳香烃。

联苯稠环芳香烃是指分子中含两个或多个苯环，彼此之间通过共用两个相邻碳原子稠合而成的芳香烃。

萘蒽菲在石油的低沸点馏分中，芳香烃含量较少，且多为单环芳烃；随沸点升高，芳烃含量增加，并出现双环芳烃。

在重质馏分中，还可出现稠环芳烃。

（三）石油的非烃组成石油中非烃化合物主要包括含硫、含氮、含氧化合物。

1．含硫化合物它在石油中的含量变化较大，从万分之几到百分之几。

含硫化合物主要有：单质硫S 、H 2S 、硫醇（RSH ）、硫醚（RSR ′）、环硫醚（ ， ）、二硫化物（RSSR ′）、噻吩（ ）及其同系物。

硫是石油中的一种有害杂质，因为它易产生硫化氢、硫化铁、硫醇铁、亚硫酸或硫酸等，对机器、管道、油罐、炼塔等金属设备产生腐蚀。

所以含硫量常作为评价石油质量的一项重要指标，我国的石油多为低硫石油。

通常将含硫量大于2%的石油称为高硫石油，低于0.5%称为低硫石油，介于0.5~2%称含硫石油。

一般产于砂岩层中的石油含量低，多为低硫石油，产自碳酸盐岩地层中的石油多为高硫石油。

c H 三苯甲烷2．含氮化合物分为碱性和非碱性两种，一般含量为万分之几至千分之几。

碱性化合物有吡啶、喹啉、异喹啉和卟啶及其同系物；非碱性包括咯、卟啉、吲哚和咔唑及其同系物。

其中金属卟啉化合物最为重要，它的分子包含四个吡咯环，因此称为 族化合物。

动物血红素和植物叶绿素都属 族化合物（即卟啉化合物），它们是石油有机成因的有利证据。

3．含氧化合物一般只有千分之几，个别石油可高达2~3%。

可分为酸性和中性两类。

前者有环烷酸、脂肪酸及酚，总称为石油酸；后者有醛、酮类。

环烷酸很容易生成各种盐类，其中碱金属盐能很好地溶解于水中，在石油接触的地下水中常含这种环烷酸盐，可作为找油的标志。

（四）石油的馏份和组份组成石油的化学组成是比较复杂的，为研究和使用方便常用蒸馏方法或熔解方法对其进行分离，分割成不同的组份。

1．馏份组成：利用化合物不同沸点特征进行加热蒸馏得到不同馏份，如汽油、煤油、柴油、重瓦斯油、润滑油、渣油。

2．族份组成：石油的族份组成分为饱和烃、芳香烃、非烃及沥青质。

3．组份组成：根据石油中化合物的不同组份对有机溶剂和吸附剂（如硅胶）所具有的选择性溶解和吸附的特性，将石油划分为四个组份。

（1）油质：是石油的主要组份，可溶解于石油醚而不被硅胶所吸附，成份主要为饱和烃和一部分芳香烃。

（2）胶质：可溶于石油醚、苯、三氯甲烷等有机溶剂而不被硅胶所吸附。

可分为苯胶质（用苯解吸的产物）和酒精——苯胶质。

前者多为芳香烃和一些含有杂原子（氧、硫、氮）的芳香烃化合物，后者主要为含杂原子的非烃化合物。

轻质油中胶质含量少于5%，重质油中胶质含量可达20%以上。

（3）沥青质：不溶于石油醚和酒清，而溶于苯、三氯甲烷的沥青部分。

其分子量较大，在电子显微镜下，其宏观结构呈胶状颗粒，其分子结构以稠环芳香烃和烷基侧链组成的复杂结构。

（4）碳质：石油中不溶于有机溶剂的非烃化合物。

二、石油的物理性质1．颜色颜色变化较大，从无色、淡黄色、黄褐色、淡红色、深褐色、黑绿色到黑色。

颜色的不同跟成份有关。

胶质—沥青质含量越高颜色越深，油质含量高，颜色浅。

石油一般以黑色为多。

石油颜色的不同可有以下几个原因：1）无色或浅色石油：可能在运移过程中，带色的胶质和沥青质被岩石吸附，剩下浅色油质部分。

亦可能是由于高温裂解，使高分子烃碳链断裂，变成低分子烃，而形成浅色轻质组分（如塔里木）。

四川黄瓜山、华北大港，多数为黑色。

2）如果石油受到氧化或菌解而形成黑色的沥青质、炭质[如胜利、克拉玛依（热采）]。

2．密度和相对密度：密度指单位体积重量；相对密度指标准条件下原油密度与4℃下纯水密度之比值，无因次量刚。

原油的密度在20℃下，一般介于0.75~1.0之间。

通常把相对密度>9.0的石油称为重质石油，小于0.9的为轻质石油。

大庆、大港、克拉玛依均为轻质油。

而胜利（0.90~0.93）、伊朗（1.016）、美国加利福尼亚石油（1.01）、墨西哥（1.06）为重质油。

美国常用API 度，西欧常用波美度表示石油的相对密度，它们与相对密度之间的口口 口口 口口 口口关系参见教科书。

石油的密度与颜色有一定关系，一般淡色石油密度小，反之则大。

这取于其化学组成；胶质、沥青质含量↑，密度↑；高分子量含量大，密度↑。

地下原油还跟所处的温度和压力及溶解气量有关。

3．粘度指流体质点相对移动时所受到的内部阻力。

它是对流体流动性能的度量，单位为帕斯卡秒（Pa·S）。

在研究石油时，通常测定的不是绝对粘度而是相对粘度，即液体的绝对粘度与同温条件下水的绝对粘度之比。

石油的粘度变化很大，如大庆石油粘度在50℃为9.3~21.8×10-3(Pa·S)、孤鸟油田馆陶组原油则为103~6451×10-3Pa·S。

粘度的变化受化学组成、温度、压力及溶解气量影响。

分子量小的烷烃、环烷烃含量多，粘度低；反之，高分子化合物含量多，则石油粘度高。

T↑、粘度↓；T↓、粘度高。

P↑、粘度↑；P↓、粘度↓。

溶解气量高，则粘度低；反之则高。

石油的粘度是一个很重要的参数，在油田的开采和集输方面很重要。

如克拉玛依采用注蒸气法开采，还有一些油田注氮气开采。

4．凝固点将液体石油冷却到失去流动性时的温度称为凝固点。

石油凝固点的高低取决于含蜡量及烷烃碳数高低。

含蜡量高，则凝固点高，反之则低。

凝固点高的石油容易使井底结蜡，给开采工作造成困难。

在开采和集输过程中要研究其凝固点，而采取升温办法解决结蜡现象。

5．导电性原油是一种非异体，其电阻率高达109~1016Ω·m。

可利用此性质，用电阻率曲线来判断油水层。

6．溶解性石油易溶于有机溶剂而难溶于水。

石油在水中的溶解度取决于成份和外界条件。

烃类在水中的溶解度（甲烷除外）随分子量增大而减小。

碳数相同的烃类比较：烷烃<环烷烃<芳香烃。

7．荧光性石油及其大部分产品（轻汽油及石蜡除外），在紫外线照射下均发出特殊蓝光的现象，称为荧光。

石油的发光现象取决于其化学结构。

多环芳香烃和非烃引起发光，而饱和烃则完全不发光。

轻质油的荧光为浅蓝色，含胶质多的石油呈绿色和黄色，含沥青质多的石油或沥青质则为褐色荧光。

石油的荧光性现象非常灵敏，只要溶剂中含有十万分之一的石油或沥青物质就可发光。

在油气田勘探中，荧光分析可鉴定岩样中是否含油，并大致确定组分。

用荧光录井方法判断含油层（例子）。

8．旋光性当偏光通过石油时，偏光面会旋转一定角度，这个角度称为旋光角。

这种能使偏光面发生旋转的特性，称为旋光性。

如偏光面向右转，是右旋物质；向左转，则为左旋物质。

引起旋光性的原因是分子中具有不对称分子结构。