油层物理学

第一章油气藏流体的化学组成与性质储层流体：储存于油（气）藏中的石油、天然气和地层水。

石油中的烃类及相态石油主要由烷烃、环烷烃和芳香烃三种饱和烃类构成，原油中一般未发现非饱和烃类。

烷烃又称石蜡族烃，化学通式C n H2n+2，在常温常压（20℃，0.1MPa）下，C1~C4为气态，它们是天然气的主要成分；C5~C16是液态，它们是石油的主要成分；C17以上的烷烃为固态，即所谓石蜡。

烷烃：带有直链或支链，但没有任何环结构的饱和烃。

石油的化学组成石油中主要含碳、氢元素，也含有硫、氮、氧元素以及一些微量元素，一般碳、氢元素含量为95%~99%，硫、氮、氧总含量不超过1%~5%。

石油中的化合物可分为烃类化合物和非烃类化合物；烃类化合物主要为烷烃、环烷烃、芳香烃；非烃类化合物主要为各种含硫化合物、含氧化合物、含氮化合物以及兼含有硫、氮、氧的胶质和沥青质。

含蜡量：指在常温常压条件下原油中所含石蜡和地蜡的百分比。

胶质：指原油中分子量较大（约300~1000），含有氧、氮、硫等元素的多环芳香烃化合物，通常呈半固态分散状溶解于原油中。

胶质含量：原油中所含胶质的质量分数。

沥青质含量：原油中所含沥青质的质量分数。

含硫量：原油中所含硫（硫化物或硫单质）的百分数。

原油的物理性质及影响因素包括颜色、密度与相对密度、凝固点、粘度、闪点、荧光性、旋光性、导电率等。

原油颜色的不同，主要与原油中轻、重组分及胶质和沥青质含量有关，胶质、沥青质含量高则原油密度颜色变深。

凝固点与原油中的含蜡量、沥青胶质含量及轻质油含量等有关，轻质组分含量高，则凝固点低；重质组分含量高，尤其是石蜡含量高，则凝固点高。

原油的密度：单位体积原油的质量。

原油的相对密度：原油的密度（ρo）与某一温度和压力下的水的密度（ρw）之比。

我国和前苏联国家指1atm、20℃时原油密度与1atm、4℃纯水的密度之比，欧美国家则以1atm、60℉（15.6℃）时的原油与纯水的密度之比，γo欧美国家还使用API度凝固点：原油冷却过程中由流动态到失去流动性的临界温度点。

粘度：流体中任意一点上单位面积的剪应力与速度梯度的比值，是粘性流体流动时内部摩擦而引起的阻力大小的量度，表明流体流动的难易程度。

μ—流体粘度，又称动力粘度或绝对粘度，Pa·s，1mPa·s =1cPF/A—单位面积上的剪应力或内摩擦阻力，N/m2或Padv/dy—速度梯度，s-1运动粘度：相同状态（p、T）下绝对粘度与密度之比。

单位：m2/s闪点（闪火点）：指可燃液体的蒸气同空气的混合物在临近火焰时能短暂闪火时的温度。

荧光性：原油在紫外光照射下发出一种特殊光亮的特征。

旋光性：偏光通过原油时，偏光面对其原来的位置旋转一定角度的光学特性。

地面原油的分类（1）根据原油中硫的含量可分为：低硫原油、含硫原油、高硫原油（2）根据原油中胶质—沥青质的含量可分为：少胶原油、胶质原油、多胶原油（3）根据原油中的含蜡量可分为：少蜡原油、含蜡原油、高含蜡原油（4）按原油的关键组分可分为：凝析油、石蜡基原油、混合基原油、环烷基原油（5）根据地面脱气原油相对密度可分为：轻质油、中质油、重质油地层原油的分类按粘度分为：低粘油、中粘油、高粘油、稠油。

还有凝析油、挥发油、高凝油天然气的化学组成天然气是以甲烷为主的烷烃，甲烷含量可高达70%~98%，乙烷含量约为10%，仅含少量的丙烷、丁烷、戊烷等。

非烃类气体有二氧化碳、氮气、硫化氢（一般不超过5%~6%）、水汽，偶尔含稀有气体如氦（He）、氖（Ar）等，还含有毒的有机硫化物，如硫醇RSH、硫醚RSR等。

油气藏的分类及特点（根据流体特性）（1）气藏以甲烷为主，含少量乙烷、丙烷和丁烷。

（2）凝析气藏含有甲烷到辛烷（C8）的烃类，它们在地下原始条件是气态，随着流体压力下降，会凝析出液态烃。

液态烃（地面）相对密度0.72~0.80，颜色浅，称为凝析油。

（3）挥发性油藏（临界油气藏）特点是含有比C8重的烃类，构造上部接近于气，下部接近于油，但油气无明显分界面，原油具挥发性，相对密度0.7~0.8。

（4）油藏油藏流体以液态烃为主，油中都溶解有一定量天然气，地面相对密度0.8~0.94。

（5）重质油藏（稠油油藏）原油粘度高、相对密度大，地面脱气原油相对密度0.934~1.0，地层温度条件下脱气原油粘度为100~10000mPa·s。

地层水的特点（1）地层水在地层中长期与岩石和原油接触，常含有相当多的金属盐类，故称为盐水。

地层水含盐是它有别于地面水的最大特点，总矿化度高。

常见的阳离子为Na+、K+、Ca2+、Mg2+，偶尔含Ba2+、Fe2+、Sr2+、Li+；常见的阴离子为Cl-、SO42-、HCO3-及CO32-、NO3-、Br-、I-。

（2）地层水中还常存在多种微生物，其中最常见的是非常顽固的厌氧硫酸还原菌，它们助长了油井套管的腐蚀，在注水过程中导致地层堵塞。

（3）地层水中还溶解有某些微量有机物，如环烷酸、脂肪酸、胺酸、腐植酸和其他比较复杂的有机化合物，这些有机酸对注入水洗油能力有直接影响。

矿化度：水中矿物盐的总浓度，地层水的总矿化度表示水中正、负离子含量之总和。

离子毫克当量浓度：等于某离子的浓度除以该离子的当量。

硬度：地层水中钙、镁等二价阳离子含量的大小。

苏林分类法离子毫克当量溶度[Na++ K+]=23.00，[Mg2+]=12.15，[Cl-]=35.45，[SO42-]=48.03（1）硫酸钠（Na2SO4）水型：代表大陆冲刷环境条件下形成的水。

一般此水型是环境封闭性差的反映，该环境不利于油气聚集和保存。

地面水多为该水型。

（2）重碳酸钠（NaHCO3）水型：代表陆相沉积环境下形成的水型。

该水型在油田中分布很广，它的出现可作为含油良好的标志。

（3）氯化镁（MgCl2）水型：代表海相沉积环境下形成的水。

该水型一般存在于油、气田内部。

（4）氯化钙（CaCl2）水型：代表深层封闭构造环境下形成的水。

环境封闭性好，有利于油、气聚集和保存，是含油良好的标志。

水型分类的意义水型是以水中某种化合物的出现趋势而定名的。

苏林分类将地下水的化学成分与其所处的自然环境条件联系起来，用不同的水型来代表不同的地质环境，用以判断沉积环境。

第二章天然气的高压物理性质天然气：从地下采出的、在常温常压下呈气态的可燃与不可燃气体的统称，是以烃类为主并含少量非烃气体的混合物。

天然气的组成表示方法摩尔组成体积组成质量组成天然气的视分子量：在0℃、760mmHg下，体积为22.4L的天然气所具有的质量。

天然气的密度：单位体积天然气的质量。

天然气的相对密度：在石油行业标准状况下（293K、0.101MPa），天然气的密度与干空气密度之比。

干空气的分子量为28.96≈29，所以，一般天然气的相对密度0.55~0.8 理想气体：气体无分子体积、气体分子之间无相互作用力的假想气体。

R=8.314 J/(mol·K)压缩因子（偏差因子，偏差系数）：一定压力和温度下，一定量真实气体所占的体积与相同温度、压力下等量理想气体所占有的体积之比。

由于真实气体分子本身具有体积，故较理想气体难于压缩；另一方面分子间的相互引力又使真实气体较理想气体易于压缩。

压缩因子Z的大小恰恰反映了这两个相反作用的综合效果：当Z=1时，真实气体则相当于理想气体；当Z>1时，表明真实气体较理想气体难以压缩；当Z<1时，表明真实气体较理想气体更易于压缩，体积比理想气体小。

对比状态原理：如果以临界状态作为描述气体状态的基准点，则在相同的对比压力p r、对比温度T r下，所有纯烃气体具有相同的压缩因子。

当两种气体处于相同对比状态时，气体的许多内涵性质如压缩因子Z、粘度μ也近似相同。

对比压力对比温度视对比压力视对比温度天然气的体积系数：一定量的天然气在油气层条件（某一p、T）下的体积V R与其在地面标准状态下（20℃，0.1MPa）所占体积V sc之比。

单位：m3/m3地面标准状况下，天然气近似理想气体，Z=1，则在油气藏条件下，天然气等温压缩率（弹性系数）：在等温条件下，天然气随压力变化的体积变化率。

由（Z为p的函数），得代入得对理想气体，Z=1.0，所以，则低压时，压缩因子Z随压力的增加而减小，故为负，所以C g比理想气体的C g大；高压时，Z随p的增加而增大，故为正，所以C g比理想气体的C g小。

影响天然气粘度的因素及其特点气体的粘度取决于气体的组成、压力和温度。

在高压和低压下，其变化规律不同。

（1）在接近大气压时，气体的粘度几乎与压力无关。

烃类气体的粘度随分子量的增加而减小；随温度增加而增大。

（2）气体在高压下的粘度随压力的增加而增大，随温度的增加而减小，随分子量的增加而增大，即具有类似于液体粘度的特性。

在高压下，气体分子间的相互作用力成为主导作用，气体层间产生单位速度梯度所需的层面剪切应力大，因而粘度增加。

影响天然气含水量的因素及其特点（1）含水蒸气量随体系压力增加而降低；随温度增加而增加。

（2）与地层水中盐溶解度有关，随含盐量的增加，天然气含水量降低。

（3）天然气的相对密度越大，含水量越少。

绝对湿度：单位体积湿天然气所含水蒸气的质量。

相对湿度：在同样的温度下，绝对湿度与饱和绝对湿度之比。

天然气水合物：由水和低分子量烃或非烃组分所形成的结晶状笼形化合物，其中水分子借助氢键形成主体结晶网络，晶格中孔穴内充满轻烃或非烃气体分子。

石油工业中研究水合物的工程意义（1）水合物作为一种资源，可能储存在一定条件的地层中；（2）天然气开采过程中，井筒和气嘴后出现的水合物，对天然气流动有重要影响；（3）在地面上，气态的天然气可转化为水合物状态，从而实现高效的储运。

天然气水和物的形成条件除甲烷、氮和惰性气体以外的所有其他气体，都具有高于某一温度就不在形成水合物的临界温度。

形成气体水合物，必须具备一定的温度、压力，在低温、高压条件下易形成天然气水合物。

在地层条件下，大陆冻结层或海洋底部沉积岩层具有生成气体水合物的热力学条件。

第三章油气藏烃类的相态和汽液平衡体系：是人为划分出来、用于研究的对象，体系可以看作是由边界包围起来的空间。

边界可以是客观存在的固体表面，也可以是假设的概念界面。

边界可以是运动的，也可以是静止的。

相：体系中某一均质的部分。

组分：每一个相中可以含有多种成分，每一种成分称为一种组分。

拟组分：一般情况下每一种组分由一种分子组成，有时也可将性质相近、含量较少的若干化学成分人为合并为一种拟组分。

组成：体系中所含组分以及各组分在总体系中所占的比例。

泡点压力：温度一定时、压力降低过程中开始从液相中分离出第一批气泡时的压力。

露点压力：温度一定时、压力升高过程中从汽相中凝结出第一批液滴时的压力。