石油天然气地质学.ppt
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1、石油天然气地质学石油天然气地质学 石油与天然气地质学石油与天然气地质学是资源勘查工程专业本是资源勘查工程专业本科生的一门专业基础课,也是一门应用学科,它综合科生的一门专业基础课,也是一门应用学科,它综合性强,必须全面地运用地质学、石油地球化学、沉积性强,必须全面地运用地质学、石油地球化学、沉积岩石学、构造地质学、地史学及数学、物理等多种学岩石学、构造地质学、地史学及数学、物理等多种学科知识来阐述石油及天然气在地壳中的形成过程、产科知识来阐述石油及天然气在地壳中的形成过程、产出状态及分布规律的学科,是指导石油勘探和开发的出状态及分布规律的学科,是指导石油勘探和开发的理论基础。本教学片将让你了解地
2、壳中油气藏的形成理论基础。本教学片将让你了解地壳中油气藏的形成过程及分布规律。过程及分布规律。4/22/20231石油天然气地质学石油天然气地质学 第一章第一章 油气藏中的流体油气藏中的流体-石油、天然气和油田水石油、天然气和油田水第二章第二章 储集层和盖层储集层和盖层第三章第三章 圈闭和油气藏圈闭和油气藏第四章第四章 油气生成与烃源岩油气生成与烃源岩第五章第五章 石油和天然气的运移石油和天然气的运移第六章第六章 油气藏的形成油气藏的形成第七章第七章 含油气盆地与油气聚集单元含油气盆地与油气聚集单元第八章第八章 油气分布与控制因油气分布与控制因 4/22/20232石油天然气地质学石油天然气地
3、质学 第一章油气藏中的流体第一章油气藏中的流体-石油、天然气和油田水石油、天然气和油田水 一个油气藏中的流体一个油气藏中的流体包括油、气、水,纯气包括油、气、水,纯气藏中的流体只有气和水。藏中的流体只有气和水。这些流体存在于储集层这些流体存在于储集层的孔隙裂缝中,在圈闭的孔隙裂缝中,在圈闭范围内按重力分异,气范围内按重力分异,气居顶部,油居中,水在居顶部,油居中,水在下面。三者以一定的关下面。三者以一定的关系共存于储集层的孔隙系共存于储集层的孔隙系统中。系统中。4/22/20233石油天然气地质学石油天然气地质学 第一章油气藏中的流体第一章油气藏中的流体-石油、天然气和油田水石油、天然气和油田
4、水 第一节石油第一节石油第二节天然气第二节天然气第三节油田水第三节油田水 第四节稳定同位素第四节稳定同位素 4/22/20234石油天然气地质学石油天然气地质学 第一章油气藏中的流体第一章油气藏中的流体-石油、天然气和油田水石油、天然气和油田水 第一节石油第一节石油 一、石油的概念一、石油的概念石石油油(又又称称原原油油)-crudeoilcrudeoil:一一种种存存在在于于地地下下岩岩石石孔孔隙隙介介质质中中的的由由各各种种碳碳氢氢化化合合物物与与杂杂质质组组成成的的,呈呈液液态态和和稠稠态态的的油油脂状天然可燃有机矿产。脂状天然可燃有机矿产。组组成成石石油油的的成成分分非非常常复复杂杂,
5、根根据据其其不不同同的的特特性性,可可分分为为元元素素组组成成、馏馏分分组组成成、组组分分组组成成和和化化合合物物组组成成,三三者者有有相相互互关关系系;依依据据石石油油中中各各种种结结构构类类型型化化合合物物的的含含量量,可可对对石石油油进进行行分分类类;不不同同环环境境下下生生成成的的石石油油,比比如如海海陆陆相相石石油油的的特特征征有有明明显显的的区区别别;石石油油没没有有固固定定的的成成分分,因因此此石石油油没没有有确确定定的的物物理理参参数数,石油的物理性质取决于它的化学组成。石油的物理性质取决于它的化学组成。4/22/20235石油天然气地质学石油天然气地质学 二、石油的组成二、石
6、油的组成(一)石油的元素组成:(一)石油的元素组成:组成石油的化学元素主要是碳、氢、氧、氮、硫。碳含量为:组成石油的化学元素主要是碳、氢、氧、氮、硫。碳含量为:84-87%84-87%,平均,平均84.5%84.5%;氢含量为:;氢含量为:111114%14%,平均,平均13%13%;两元素在石油中一般;两元素在石油中一般占占959599%99%,平均为,平均为97.5%97.5%。剩下的硫、氮、氧及微量元素的总含量一。剩下的硫、氮、氧及微量元素的总含量一般只有般只有1 14%4%,其中,氧:,其中,氧:0.10.14.5%4.5%,一般小于,一般小于0.5%0.5%;硫:小于;硫:小于1%1
7、%,平均,平均0.65%0.65%;氮:小于;氮:小于0.1%0.1%。含硫量小于。含硫量小于1%1%的为低硫原油的为低硫原油,含硫量大含硫量大于于1%1%的为高硫原油。常以的为高硫原油。常以0.25%0.25%作为贫氮和高氮石油的界线。石油中作为贫氮和高氮石油的界线。石油中还发现微量元素,构成了石油的灰分。还发现微量元素,构成了石油的灰分。已发现的已发现的33种微量元素按其含量多少和常见程度列举如下:铁种微量元素按其含量多少和常见程度列举如下:铁(Fe)、钙钙(Ca)、镁镁(Mg)、硅硅(Si)、铝铝(Al)、钒钒(V)、镍镍(Ni)、铜铜(Cu)、锑锑(Sb)、锰锰(Mn)、锶锶(Sr)、
8、钡钡(Ba)、硼硼(B)、钴钴(Co)、锌锌(Zn)、钼钼(Mo)、铅铅(Pb)、锡锡(Sn)、钠钠(Na)、钾钾(K)、磷磷(P)、锂锂(Li)、氯氯(Cl)、铋铋(Bi)、铍铍(Be)、锗锗(Ge)、银银(Ag)、砷砷(As)、镓镓(Ga)、金金(Au)、钛钛(Ti)、铬铬(Cr)、镉镉(Cd)。在这些微在这些微量元素中,最引起石油地质学者重视的是量元素中,最引起石油地质学者重视的是V V、NiNi两种元素,它们含量高,两种元素,它们含量高,分布普遍并具有成因意义。分布普遍并具有成因意义。在这些微量元素中,最引起石油地质学者重视的是在这些微量元素中,最引起石油地质学者重视的是V V、NiN
9、i两种元素,它两种元素,它们含量高,分布普遍并具有成因意义。们含量高,分布普遍并具有成因意义。近年来,石油灰分中的近年来,石油灰分中的V、Ni含量及其比值(含量及其比值(V/Ni)已被用来确定生已被用来确定生油岩相、油源对比以及研究油气运移等问题。油岩相、油源对比以及研究油气运移等问题。第一节石油第一节石油 4/22/20236石油天然气地质学石油天然气地质学(二)石油的馏分组成(二)石油的馏分组成 是利用组成石油的化合物具有不同沸点的特性,加热蒸馏,是利用组成石油的化合物具有不同沸点的特性,加热蒸馏,将石油切割成不同沸点范围(即馏程)的若干部分,每一部分将石油切割成不同沸点范围(即馏程)的若
10、干部分,每一部分就是一个馏分。就是一个馏分。4/22/20237石油天然气地质学石油天然气地质学(三)石油的组分组成:(三)石油的组分组成:石油的组分:石油的组分:石油化合物的不同组分对有机溶剂和吸附具有选择性溶解和石油化合物的不同组分对有机溶剂和吸附具有选择性溶解和吸附性能,选用不同有机溶剂和吸附剂,将石油分成若干部分,每一部分吸附性能,选用不同有机溶剂和吸附剂,将石油分成若干部分,每一部分就是一个组分,分别为油质、苯胶质、洒精苯胶质及沥青质。就是一个组分,分别为油质、苯胶质、洒精苯胶质及沥青质。油质:油质:凡能溶解于中性有机溶剂,不被硅胶所吸附,浅黄色粘性油状物。凡能溶解于中性有机溶剂,不
11、被硅胶所吸附,浅黄色粘性油状物。苯胶质:苯胶质:能溶解于中性有机溶剂,被硅胶所吸附,主要溶于苯,属暗色的能溶解于中性有机溶剂,被硅胶所吸附,主要溶于苯,属暗色的油状物。油状物。洒精苯胶质:洒精苯胶质:溶于酒精和苯,同时也被苯所吸附。溶于酒精和苯,同时也被苯所吸附。沥青质:沥青质:用石油醚分离,得到一种不溶于石油醚的物质暗黑色用石油醚分离,得到一种不溶于石油醚的物质暗黑色-黑色沥黑色沥青状无定形的固体。青状无定形的固体。4/22/20238石油天然气地质学石油天然气地质学(四)石油的化合物组成(四)石油的化合物组成在在近近代代实实验验室室中中,用用液液相相色色谱谱可可将将石石油油划划分分为为烃烃
12、类类化化合合物物:正正构构烷烷烃烃、异异构构烷烃、环烷烃、芳烃和非烃化合物及沥青质。烷烃、环烷烃、芳烃和非烃化合物及沥青质。4/22/20239石油天然气地质学石油天然气地质学 正构烷烃正构烷烃属饱和烃,在常温常压下,属饱和烃,在常温常压下,1 14 4个碳原子(个碳原子(C1C1C4C4)的烷烃为气态,的烷烃为气态,5 51616个碳原子(个碳原子(C5C5C16C16)的烷烃为液态,的烷烃为液态,1717个碳原子以上(个碳原子以上(C17C17)的高分子的高分子烷烃皆呈固态。烷烃皆呈固态。石油中已鉴定出的正烷烃有石油中已鉴定出的正烷烃有C1C1C45C45,个别报导曾提及见到个别报导曾提及
13、见到C60C60正烷烃,但正烷烃,但大部分正烷烃碳数大部分正烷烃碳数 C35C35。石油中多数占石油中多数占15.5%15.5%(体积),轻质石油可达(体积),轻质石油可达30%30%以上,而重质石油可小于以上,而重质石油可小于15%15%。其含量主要取决于:。其含量主要取决于:1.1.生成石油的原始有机质的类型:陆相原油含量多,海相原油含量少。生成石油的原始有机质的类型:陆相原油含量多,海相原油含量少。2.2.原油的成熟度:可用正烷烃分布曲线来判断原油的成熟度。原油的成熟度:可用正烷烃分布曲线来判断原油的成熟度。石油中正构烷烃的来源:石油中正构烷烃的来源:现代生物:如细菌、藻类。含脂类的植物
14、或蜡质(主要在高等植物的叶、现代生物:如细菌、藻类。含脂类的植物或蜡质(主要在高等植物的叶、孢子花粉、果实)。有机质的演变、分解。孢子花粉、果实)。有机质的演变、分解。4/22/202310石油天然气地质学石油天然气地质学 A A、主主峰峰小小于于C15C15,且且主主峰峰区区较较窄窄,表表明明低低分分子正烷烃高于高分子正烷烃,代表高成熟原油;子正烷烃高于高分子正烷烃,代表高成熟原油;B B、主主峰峰大大于于C25C25,主主峰峰区区较较宽宽,奇奇数数和和偶偶数数碳碳原原子子烃烃的的分分布布很很有有规规律律,二二者者的的相相对对含含量量接接近相等,代表未成熟或低成熟的原油;近相等,代表未成熟或
15、低成熟的原油;C C、主主峰峰区区在在C15C15C25C25之之间间,主主峰峰区区宽宽,代代表表成成熟熟原原油油。正正烷烷烃烃分分布布特特点点与与成成油油原原始始有有机机质质、成成油油环环境境和和成成熟熟度度有有密密切切关关系系,因因此此这这些些特特征征已已被被广广泛泛用用于于鉴鉴别别生生油油岩岩和和研研究究石石油油的的成成熟度。熟度。正正烷烷烃烃分分布布曲曲线线在在石石油油中中,不不同同碳碳原原子子数数正正烷烷烃烃相相对对含含量量呈呈一一条条连连续续的的分分布布曲曲线线,称为称为正烷烃分布曲线正烷烃分布曲线。不同类型原油的正烷烃分布特点不同:。不同类型原油的正烷烃分布特点不同:未成熟的石油
16、,主要含大分子量的正构烷烃;未成熟的石油,主要含大分子量的正构烷烃;成熟的石油中,主要含中分子量的正构烷烃;成熟的石油中,主要含中分子量的正构烷烃;降解的石油中,主要含中、小分子量的正构烷烃;降解的石油中,主要含中、小分子量的正构烷烃;根据主峰碳数位置及形态,可将正烷烃分布曲线分为三种基本类型:根据主峰碳数位置及形态,可将正烷烃分布曲线分为三种基本类型:4/22/202311石油天然气地质学石油天然气地质学 2 2、异构烷烃、异构烷烃石油中的异构烷烃以石油中的异构烷烃以 C10C10为主,且以为主,且以异戊间二烯烷烃最重要。其特点是在直异戊间二烯烷烃最重要。其特点是在直链上每链上每4 4个碳原
17、子有一个甲基支链。在个碳原子有一个甲基支链。在沉积物和原油中以植烷、姥鲛烷、降姥沉积物和原油中以植烷、姥鲛烷、降姥鲛烷、异十六烷及法呢烷的含量最高。鲛烷、异十六烷及法呢烷的含量最高。研究和应用最多的是植烷和姥鲛烷。研究和应用最多的是植烷和姥鲛烷。来源:有人认为是植物的叶绿素的侧来源:有人认为是植物的叶绿素的侧链链植醇或色素演变而来,为生物标志植醇或色素演变而来,为生物标志化合物。因此,同源的石油所含异戊间化合物。因此,同源的石油所含异戊间二烯类烷烃类型和含量都十分接近。因二烯类烷烃类型和含量都十分接近。因此,常用于油源对比标志(指纹化合物此,常用于油源对比标志(指纹化合物),近来也用于沉积环境
18、研究。),近来也用于沉积环境研究。4/22/202312石油天然气地质学石油天然气地质学 3 3、环烷烃、环烷烃由由许许多多围围成成环环的的多多个个次次甲甲基基(-CH2-CH2-)组组成成。组组成成环环的的碳碳原原子子数数可可以以是是大大于于3 3的的任任何何数数,相相应称为三员环、四员环、五员环等。石油中的环烷烃多为五员环或六员环。应称为三员环、四员环、五员环等。石油中的环烷烃多为五员环或六员环。其其含含量量与与成成熟熟度度有有关关:成成熟熟度度低低 高高,由由多多环环 单单、双双环环。一一般般,单单、双双环环占占环环烷烷烃烃的的50.5%50.5%;三环占环烷烃的;三环占环烷烃的20%2
19、0%;四、五环占环烷烃的;四、五环占环烷烃的25%25%。原原油油中中大大于于四四环环的的环环烷烷烃烃一一般般具具有有很很高高的的旋旋光光性性,所所以以没没成成熟熟的的原原油油旋旋光光性性高高。多多环环环环烷烷烃与四环的甾族化合物和五环的三萜稀类化合物很相似,被作为有机成因的主要证据之一。烃与四环的甾族化合物和五环的三萜稀类化合物很相似,被作为有机成因的主要证据之一。4 4、芳香烃、芳香烃芳芳香香烃烃其其特特征征是是分分子子中中含含有有苯苯环环结结构构,属属不不饱饱和和烃烃。根根据据其其结结构构不不同同可可分分为为单单环环、多多环环、稠环三类芳香烃。稠环三类芳香烃。单单环环芳芳烃烃是是指指分分
20、子子中中含含有有一一个个苯苯环环的的芳芳香香烃烃,包包括括苯苯及及其其同同系系物物;多多环环芳芳烃烃是是指指分分子子中中含含两两个个或或多多个个独独立立苯苯环环的的芳芳香香烃烃;稠稠环环芳芳香香烃烃是是指指分分子子中中含含两两个个或或多多个个苯苯环环,彼彼此此之之间间共共用用两个相邻碳原子稠合而成的芳香烃。两个相邻碳原子稠合而成的芳香烃。在石油的低沸点馏分中,芳香烃含量较少,且多为单环芳香烃,如苯、甲苯和二甲苯。随在石油的低沸点馏分中,芳香烃含量较少,且多为单环芳香烃,如苯、甲苯和二甲苯。随沸点升高,芳香烃含量亦增多,除单环芳香烃外,出现双环芳香烃,如联苯。在重质馏分沸点升高,芳香烃含量亦增多
21、,除单环芳香烃外,出现双环芳香烃,如联苯。在重质馏分中还可能出现稠环芳香烃,如萘和菲,蒽的含量较少。中还可能出现稠环芳香烃,如萘和菲,蒽的含量较少。4/22/202313石油天然气地质学石油天然气地质学 5 5、非烃化合物、非烃化合物主要是含硫、氮、氧三种元素的有机化合物,主要集中在石油的高沸点馏分中。主要是含硫、氮、氧三种元素的有机化合物,主要集中在石油的高沸点馏分中。含含硫硫化化合合物物:最最重重要要的的非非烃烃化化合合物物,存存在在于于中中、重重馏馏分分中中。主主要要有有硫硫醇醇(-SH-SH)、硫硫化化物物(-S-S-)(包包括括硫硫醚醚R-S-RR-S-R、环环硫硫醚醚)、二二硫硫化
22、化物物(-S-S-S-S-)以以及及噻噻吩吩衍衍生生物物。此此外外,还还有有元素硫、硫化氢。硫来自有机物的蛋白质和围岩的含硫矿物石膏等元素硫、硫化氢。硫来自有机物的蛋白质和围岩的含硫矿物石膏等含含氮氮化化合合物物:主主要要集集中中在在胶胶质质沥沥青青质质中中。石石油油中中含含氧氧化化合合物物可可分分为为碱碱性性和和中中性性两两大大类类。碱碱性性含含氮氮化化合合物物主主要要是是吡吡咯咯、吲吲哚哚、咔咔唑唑的的同同系系物物及及酰酰胺胺等等。原原油油中中含含有有具具有有重重要要意意义义的的中性含氮化合物,即卟啉化合物,它是石油有机成因的重要生物标志物。中性含氮化合物,即卟啉化合物,它是石油有机成因的
23、重要生物标志物。卟卟啉啉是是以以4 4个个吡吡咯咯环环为为基基本本结结构构,由由4 4个个次次甲甲基基(-CH-CH)桥桥键键连连接接的的含含氮氮化化合合物物。在在石石油油中中卟卟啉啉常常与与金金属属、i i络络合合形形成成有有机机络络合合物物,它它比比较较稳稳定定,易易保保存存,具具有有极极强强的的吸吸光光性性和和荧荧光光性性。卟卟啉啉本本身身在在高高温温或或氧氧化化条条件件下下易易分分解解,说说明明石石油油是是在在温温度度不不高高、还还原原环环境境下下形形成成,卟啉还易被粘土吸附,可应用于油气运移研究。卟啉还易被粘土吸附,可应用于油气运移研究。含含氧氧化化合合物物:主主要要有有酸酸性性和和
24、中中性性两两大大类类。酸酸性性含含氧氧化化合合物物中中有有环环烷烷酸酸、脂脂肪肪酸酸及及酚酚,总总称称石石油油酸酸;中中性性含含氧氧化化合合物物有有醛醛、酮酮等等,其其含含量量较较少少。酸酸性性含含氧氧化化合合物物中中环环烷烷酸酸最最多多,占占酸酸性性物物质质90%90%以以上上,易易与与碱碱金金属属作作用用生生成成环环烷烷酸酸盐盐,极极易易溶溶于于水水,因因此此,油油田田水水中中环环烷烷酸酸可可作为一种含油气性直接曛尽。作为一种含油气性直接曛尽。4/22/202314石油天然气地质学石油天然气地质学 三、馏分、组分和化合物组成三者的关系三、馏分、组分和化合物组成三者的关系 4/22/2023
25、15石油天然气地质学石油天然气地质学 四、石油的分类四、石油的分类石油的分类方法常因目的而异,地球化学家石油的分类方法常因目的而异,地球化学家和地质学家注重原油组成及其与生油岩和演和地质学家注重原油组成及其与生油岩和演化作用的关系。代表性的分类方案是化作用的关系。代表性的分类方案是Tissot和和Welte(1978)提出的,该分类采用三角图解,提出的,该分类采用三角图解,以烷烃、环烷烃、芳烃以烷烃、环烷烃、芳烃N、S、O化合物作化合物作为三角图解的三个端元。以饱和烃含量为三角图解的三个端元。以饱和烃含量50%为界把三角图分为两大部分,在饱和烃含量为界把三角图分为两大部分,在饱和烃含量50%的
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