【正文】 第 1章 石油、天然氣、油田水 ?第 1節(jié) 石油 (Petroleum) ?第 2節(jié) 天然氣 (Natural Gases) ?第 3節(jié) 油田水 (Oilfield Waters) 第 1節(jié) 石油 ?1 石油的化學組成 ?2 石油的分類 ?3 海陸相石油的基本區(qū)別 ?4 石油的物理性質 石油是一種天然產出的、可以燃燒的有機礦產。 石油是氣態(tài)液態(tài)及固態(tài)烴類及其衍生物的混合物 ， 在成分上以烴類為主，含有數量不等的非烴化合物及多種微量元素。 在相態(tài)上以液態(tài)為主，溶有大量烴氣及少量非烴氣以及數量不等的固態(tài)烴類、非烴類物質 。 不同油氣藏中組成石油的各種成分和相態(tài)的比例是因地而異的。 因此，石油沒有確定的化學成分和物理常數 。 石油沒有確定的化學成分 ， 因而也就沒有確定的元素組成 。 但其元素組成還是有一定的變化范圍 。 （ 一 ） 元素組成 石油主要由碳 carbon(C） 、 氫 hydrogen（ H） 、 硫sulfur（ S） 、 氮 nitrogen（ N） 、 氧 oxygen（ O） 等元素組成 （ 表 ） 。 一、 石油的化學組成 原油的元素組成（重量百分比） 原 油 產 地 元 素 組 成 C H S N O 中 國 大慶 (薩爾圖混合油 ) 勝利 (101混合油 ) 弧島油田 大港油田 (混合油 ) 江漢油田 (混合油 ) 克拉瑪依油田 (混合油 ) 前 蘇 聯 雅雷克蘇 痕量 烏克蘭 老格羅茲尼 卡拉 布拉克 美 國 文圖拉 (加利福尼亞州 ) 科林加 (加利福尼亞州 ) 博芒特 (得克薩斯州 ) 堪薩斯州 (據石毓程， 1980 補充 ) 原油中含硫量 變化很大 ， 從萬分之幾 （ 克拉瑪依 ， %） 到百分之幾 （ 委內瑞拉 ， %） 。 根據含硫量可把原油分為 高硫原油 (含硫量大于 1%） 和低硫原油 （ 含硫量小于 1%） 。 原油中的硫主要來自有機物的蛋白質和圍巖的含硫酸鹽礦物如石膏等 ， 故 產于海相環(huán)境的石油較形成于陸相環(huán)境的石油含硫量高 。 原油中含氮量 在 %之間 ， 平均值 %。 90%以上的原油含氮量小于 %。 原油的含氧量 在 %之間 ， 主要與其氧化變質程度 (degree of 有關 。 除上述 5種主要元素 (major element)之外 ， 還從原油灰分 （ 石油燃燒后的殘渣 ） 中發(fā)現有鐵 (Fe)、 鈣 (Ca)、 鎂 (Mg)、 硅 (Si)、 鋁(Al)、 釩 （ V） 、 鎳 （ Ni） 、 銅 （ Cu） 、 銻 （ Sb） 、 錳 （ Mn）、 鍶 （ Sr） 、 鋇 （ Ba） 、 硼 （ B） 、 鈷 （ Co） 、 鋅 （ Zn） 、 鉬（ Mo） 、 鉛 （ Pb） 、 錫 （ Sn） 、 鈉 （ Na） 、 鉀 （ K） 、 磷 （ P） 、 鋰 （ Li） 、 氯 （ Cl） 、 鉍 （ Bi） 、 鈹 （ Be） 、 鍺 （ Ge） 、 銀（ Ag） 、 砷 （ As） 、 鎵 （ Ga） 、 金 （ Au） 、 鈦 （ Ti） 鉻 （ Cr）、 鎘 （ Cd） 等 30多種元素 。 這些元素雖然種類繁多 ， 但總量僅占石油重量的萬分之幾 ， 在石油中屬 trace element， 亦或稱之為灰分元素 。 在石油微量元素中，以釩 、 鎳兩種元素含量高、分布普遍，且鑒于其與石油成因有關聯，最為石油地質學家所重視。 V/Ni比值可做為區(qū)分是來自海相環(huán)境還是陸相環(huán)境沉積物的標志之一。 一般 V/Ni1被認為是海相環(huán)境； V/Ni1為陸相環(huán)境。 （ 二 ). 石油的化合物組成 組成石油的主要元素是 C、 H、 S、 N、 O， 但由這 5種元素構成的化合物卻是一個龐大的家族 有機化合物 。 籠統(tǒng)地說 ， 組成石油的化合物多是有機化合物 ， 作為雜質混入的無機化合物不多 ， 含量甚微 ， 可以忽略不計 。 石油的化合物組成 ， 歸納起來可以 分為 烴和非烴 兩大類 ， 其中烴類是主要的 ， 這與元素組成以 C、 H占絕對優(yōu)勢相一致 。 飽和烴或烷烴或石蠟烴（鏈烷烴及環(huán)烷烴） 不飽和烴 烯烴、芳香烴和環(huán)烷 芳香烴 烴類化合物 1. 烴類化合物 （ 1） 飽和烴 石油中飽和烴在數量上占大多數 ， 一般占石油所有組分的 5060%。 可細分為 正構烷烴 、 異構烷烴 和 環(huán)烷烴 。 直鏈的正構烷烴平均占石油的 1520%（ 體積 ） ， 輕質原油 (light 可達 30%以上 ， 而重質原油可小于 15%。 石油中已鑒定出的正烷烴自 C1C45， 但石油大部分正烷烴碳數 ≤C35。 常溫壓下 ， 正烷烴 C1C4為氣態(tài) ， C5C15為液態(tài) ， C16以上為固態(tài) （ 天然石蠟 ） 。 由圖可見，盡管正構烷烴的分布曲線形態(tài)各異，但均呈一條連續(xù)的曲線，且奇碳數與偶碳數烴的含量總數近于相等。上述正烷烴分布特點與成油原始有機質、成油環(huán)境和成熟度有密切關系，因而常用于石油的成因研究和油源對比。 石油中帶支鏈 （ 側鏈 ） 的異構烷烴以 ≤ C10為主 ， 常見于 C6C8中； C11C25較少 ， 且以異戊二烯型烷烴最重要 。石油中的異戊二烯型烷烴 ，一般被認為是葉綠素的側鏈 植醇演化而來 ， 因而是 石油生物成因的標志化合物 。 這種異構烷烴的特點是每四個碳原子帶有一個甲基支鏈 ?，F已從石油中分離出多種異戊二烯型化合物 ， 其總量達石油的 %。 其中研究和應用較多的是 2,6,10,14四甲基 十 五 烷 （ 姥 鮫 烷 ） 和2,6,10,14四甲基十六烷 （植烷 ） 。 異戊二烯烴同系列立體化學結構圖 環(huán)烷烴在石油中所占的比例為 2040%， 平均 30%左右 。 低分子 （ ＜ C10） 的環(huán)烷烴 ， 尤以環(huán)戊烷 (C5五員環(huán) ） 和環(huán)己烷 （ C6六員環(huán) ） 及其衍生物是石油的重要組成部分 ， 且一般環(huán)巳烷多于環(huán)戊烷 (。 中等到大分子量 （ C1035） 的環(huán)烷烴 (可以是單環(huán)到六環(huán) 。 石油中環(huán)烷烴以單環(huán)和雙環(huán)為主 ， 占石油中環(huán)烷烴的 5055%， 三環(huán)約占 20%， 四環(huán)以上占 25%左右 。 在石油中多環(huán)環(huán)烷烴的含量隨成熟度增加而減少 ， 故高成熟原油中 12環(huán)的環(huán)烷烴顯著增多 。 常溫壓下 ， 環(huán)丙烷 （ C3H6） 和甲基環(huán)丙烷 （ C4H8） 為氣態(tài) ， 除此之外所有其它單環(huán)環(huán)烷烴均為液態(tài) ， 兩環(huán)以上 （ ＞ C11） 的環(huán)烷烴為固態(tài) 。 （ 2） 不飽和烴 石油中的不飽和烴主要是 芳香烴和環(huán)烷 芳香烴 ， 平均占原油重量的 2045%。 石油中已鑒定出的芳香烴 ， 根據其結構不同可以分為單環(huán) 、 多環(huán)和稠環(huán)三類 。 單環(huán)芳烴包括苯 、 甲苯 、 二甲苯 等 。 多環(huán)芳烴有 聯苯 、 三苯甲烷 等 。 稠環(huán)芳烴包括 萘 （ 二環(huán)稠合 ） ， 蒽和菲 （ 三環(huán)稠合 ） 以及苯并蒽和屈 （ 四環(huán)稠合 ） 。 芳香烴在石油中以苯、萘、菲三種化合物含量最多，其主要分子也常常是以烷基的衍生物出現。如前者通常出現的主要是甲苯 ， 而不是苯 。 環(huán)烷 芳香烴包含一個或幾個縮合芳環(huán)，并與飽和環(huán)及鏈烷基稠合在一起。石油中最豐富的環(huán)烷 芳香烴是兩環(huán)構成的茚滿和萘滿以及它們的甲基衍生物。而最重要的是四環(huán)和五環(huán)的環(huán)烷 芳烴，其含量及分布特征常用于石油的成因研究和油源對比。因為它們大多與甾族和萜族化合物有關， 而甾族和萜族化合物是典型是生物成因標志化合物 。 石油中的非烴化合物 石油中的非烴化合物是指除 C、 H兩種主要元素外 ， 還含有硫或氮或氧 ， 亦或金屬原子 （ 主要是釩和鎳 ） 的一大類化合物 。 石油中這些元素的含量不多 ，但含這些元素的化合物卻不少 ， 有時可達石油重量的30%。 其中又主要是含硫 、 氮 、 氧的化合物 。 （ 1） 含硫環(huán)合物 硫是碳和氫之后的第三個重要元素，含硫的化合物也最為多見。目前石油中已鑒定出的含硫化合物將近 100種，多呈硫醇、硫醚、硫化物（ H2S） 和噻吩（含硫的雜環(huán)化合物的形式存在，在重質石油中含量較為豐富。 （ 2） 含氮化合物 石油中含氮化合物較為少見，平均含量小于 %。目前從石油中分離出來的含氮化合物有 30多種，主要是以含氮雜環(huán)化合物形式存在。 其中以含釩和鎳的金屬卟啉化合物最為重要。 原油中的卟啉類型與沉積環(huán)境有密切關系，海相石油富含釩卟啉，而陸相石油富含鎳卟啉。 葉綠素（ A） 與原油中的卟啉（ B）、 植烷（ Ph）、 姥鮫烷 (Pr)結構比較圖 （ etc.,1981） （ 3） 含氧化合物 石油中含氧化合物已鑒定出 50多種 。 包括有機酸 、 酚和酮類化合物 。 其中主要是與酸官能團－ COOH有關的有機酸 ， 有 C124的脂肪酸 ， C510的環(huán)烷酸 ， C1015的類異戊二烯酸 。 石油中的有機酸和酚 （ 酸性 ） 統(tǒng)稱石油酸 ， 其中以環(huán)烷酸最多 ， 占石油酸的 95%， 主要是五員酸和六員酸 。 幾乎所有石油中都含有環(huán)烷酸， 但含量變化較大 ， 在 %之間 。 環(huán)烷酸易與堿金屬作用生成環(huán)烷酸鹽 ， 環(huán)烷酸鹽又特別易溶于水 。 因此地下水中環(huán)烷酸鹽的存在是找油的標志之一 。 （ 三 ） 、 石油的餾份 石油是數以百計的若干種烴類和非烴有機化合物的混合物 ， 每種化合物都有自己的沸點和凝點 。 石油的餾分就是利用組成石油的化合物各自具有不同沸點的特性 ， 通過對原油加熱蒸餾 ， 將石油分割成不同沸點范圍的若干部分 ， 每一部分就是一個餾分 。 分割所用的溫度區(qū)間 （ 餾程 ） 不同 ， 餾出物 （ 餾分 ） 有所差異 （ 表 ） 。 The approximate distillation range of petroleum products 餾分 輕餾分 (低沸餾分 ) 中餾分（中沸餾分） 重餾分（高沸餾分） 石油氣(醚 ) 汽油 煤油 柴油 重瓦斯油 潤滑油 渣油 溫度(℃ ) ＜ 35（＜ 40） 35190（40180） 190260（180230） 260320（230405） 320360 360530（405515） ＞ 530（＞ 515） （ 四 ） 、 石油的組份 石油組分分析是過去在石油研究中曾廣泛使用的一種方法 。 它是利用有機溶劑和吸附劑對組成石油的化合物具有選擇性溶解和吸附的性能 ， 選用不同有機溶劑和吸附劑 ， 將原油分成若干部分 ， 每一部分就是一個組分 。 一般在作組分分析之前，先對原油進行分餾，去掉低于 210℃的輕餾分，切?。?210℃ 的餾分進行組分分析。 凡能溶于氯仿和四氯化碳的組分稱為油質 ， 它們是石油中極性最弱的部分，其成分主要是飽和烴和一部分低分子芳烴。 溶于苯的組分稱為苯膠質 ， 其成分主要是芳烴和一些具有芳環(huán)結構的含雜元素的化合物（主要為含 S、 N、 O的多環(huán)芳烴）。 用酒精和苯的混合液（或其它極性更強的如甲醇、丙酮等）作溶劑，可以得到酒精 苯膠質（或其它相應組分），此類膠質的成分主要是含雜元素的非烴化合物。 用石油醚分離， 溶于石油醚的部分是油質和膠質。剩下不溶于石油醚的組分（但可溶于苯、二硫化碳和三氯甲烷等中性有機溶劑，呈膠體溶液，可被硅膠吸附）為瀝青質； 后者是渣油的主要組分，其主要成分是結構復雜的大分子非烴化合物。 組分 (溶劑分離 ) 族分 (熱色譜鑒定 ) 餾份 (熱分裂 ) ?油質 ?苯膠質 ?酒精苯膠質 ?瀝青質 ?飽和烴 ?芳香烴 ?非烴 ?瀝青質 ?汽油 ?煤油 ?柴油 ?重油瀝青 石油的分類常因目的 （ 用途 ） 不同而采用的參數各異 。 目前石油地質學上較為流行的是蒂索和威爾特 （ 1978） 提出的分類 。 下面對該分類作一簡單介紹 。 該分類主要是依據原油中各烴類的含量比例關系 ， 以烷 （石蠟 ） 烴 、 環(huán)烷烴 、 芳烴 +S、 N、 O化合物三個參數作為三個端元 ， 采用三角圖解來劃分原油類型 。 注意該方案中所用參數是