石油天然气及油田水的基本特征

第一章  石油、天然气及油田水的基本特征 第一节  石 油 石油是地下岩石空隙中天然生成的、以液态烃为主要化学组分的可燃有机矿产。这种矿产成分复杂，现已鉴定出上千种有机化合物，主要为烃类，还含有数量不等的非烃化合物和多种微量元素，有时溶有一些烃类气体、非烃气体、不等量固态烃和非烃物质。所以，石油实际上是多种有机化合物的混合体。 各地的石油成分不一，无确定的化学成分和物理常数。研究石油的化学组成和物理性质，对于查明油气的生成、运移、聚集和分布规律，制定开采、加工，评价油品的质量等都具有非常重要的意义。 一、石油的化学组成 （一）元素组成 不同地区，不同时代的石油元素组成比较接近，但也存在一定的差异（1-1）。组成石油的化学元素主要有碳、氢、氧、硫、氮，其中碳和氢两种元素占绝对优势。 表1-1  国内外某些石油的元素组成（据张厚福等，1999） 石 油 产 地 元 素 组 成，％ C H S N O 中 国 大庆油田(萨尔图混合油) 85.74 13.31 0.11 0.15 0.69 胜利油田(101混合油) 86.26 12.20 0.80 0.41   胜利油田孤岛地区 84.24 11.74 2.20 0.47   大港油田 85.67 13.40 0.12 0.23   江汉油田(混合油) 83.00 12.81 2.09 0.47 1.63 克拉玛依油田(混合油) 86.13 13.30 0.04 0.25 0.28 前 苏 联 雅雷克苏 80.61 10.36 1.05   8.97 乌克兰 84.60 14.00 0.14 1.25 1.25 老格罗兹内 86.42 12.62 0.32   0.68 卡拉一布拉克 87.77 12.37     0.46 美 国 文图拉(加利福尼亚州) 84.00 12.7 0.4 1.70 1.20 科林加(加利福尼亚州) 86.40 11.7 0.60     博芒特(得克萨斯州) 85.70 11.00 0.70 2.61 堪萨斯州 84.20 13.00 1.60 0.45 0.45               1.碳和氢 从重量百分比来看，碳一般为84～87%，氢一般为11～14%，这两种元素总量达95～99%，平均为97.5％；碳、氢元素的重量比（C/H）平均为6.5，原子比约为0.57（或1∶1.8）。这两种元素主要以烃类形式存在，是组成石油的主体。 2.氧、硫、氮 在石油中，氧、硫、氮也主要以化合物形式存在；这三种元素及微量元素的总含量一般只有1～4％；但有时由于硫分增多，这个比例可高达3～7％。 据Tissot和Welte（1978）对9347个样品的统计，石油中硫含量平均为0.65%（重量），其频率分布具有双峰的特点（图1-1），在1％处为最小值，以此为界，可将样品分成两部分，多数样品（约7500个）含硫量小于1％，少数样品（约1800个）含硫量大于1％。 各油田石油的含硫量差异很大，例如我国任丘油田为0.33～0.43％，克拉玛依油田平均为0.05％；但有些油田石油的含硫量却可高达4～5％，如墨西哥石油含硫量高达3.6～5.3％。依据含硫量通常把开采至地表的石油（简称原油）分为高硫（含硫量大于1％）和低硫（含硫量小于1％）两类；也有人采用三分的方式，将原油分为高硫原油（含硫量大于2％）、含硫原油（含硫量为2～0.5％）和低硫原油（含硫量小于0.5％）。 石油中的硫含量有环境指示意义，通常海相、近海湖盆相、盐湖相等半咸-咸水沉积地层中生成并产出的石油含硫量较高，一般大于1%；内陆淡水湖泊相沉积地层中生成并产出的石油含硫量较低，一般小于1%。 石油中的硫是一种有害杂质，它容易产生硫化氢（H2S）、硫化亚铁（FeS）、亚硫酸（H2SO3）、硫醇铁（[RS]2Fe）、甚至硫酸等化合物，对机器、管道、油罐、炼塔等金属设备具有强腐蚀性，因此它是评价石油质量的一项重要指标。 图1-1 不同时代和成因的9347个石油样品中含硫量的分布 （据Tissot ＆ Welte，1978；转自陈荣书，1994） （2）含氮量与含氧量 石油中氮含量一般比硫含量低得多，绝大部分石油含氮量小于0.2％，许多只有万分之几到千分之几；但少数样品含氮量达0.5％以上，如美国文图拉盆地的原油含氮量达0.7％，加利福尼亚第三系石油含氮量高达1.4～2.2％。通常以0.25％作为贫氮和高氮原油的界线。 石油中氧的含量分布在0.1～4.5％，均是以结合氧的形式存在。 3.微量元素 除上述5种主要元素外，通过对石油的灰分进行分析，还识别出50多种微量元素，其含量变化从十万分之几到万分之几。按其含量多少和常见程度列举33种微量元素如下：Fe、Ca、Mg、Si、Al、V、Ni、Cu、Sb、Mn、Sr、Ba、B、Co、Zn、Mo、Pb、Sn、Na、K、P、Li、Cl、Bi、Be、Ge、Ag、As、Gd、Au、Ti、Cr、Cd。 石油中的元素构成与自然界的有机物十分接近，被作为石油有机成因的证据之一。这些微量元素中，钒（V）和镍（Ni）两元素分布普遍并具成因意义，通过V/Ni值可区别海相或陆相成因的石油，钒、镍含量低且V/Ni小于1者一般为陆相成因的石油；钒和镍含量较高且V/Ni大于1者一般为海相成因的石油。 （二）石油的化合物组成 石油的化合物组成归纳起来，主要可分为烃类和非烃类两种。 1.烃类化合物 目前石油中已鉴定出的烃类化合物超过425种。按本身结构的不同可分为三类：烷烃、环烷烃、芳香烃和环烷芳香烃。其中烷烃与环烷烃为饱和烃，芳香烃和环烷芳香烃为不饱和烃。 （1）烷烃 烷烃又名脂肪族烃、石蜡烃，通式为CnH2n+2，化学性质不太活泼；事实上，“石蜡”这个名称本身就意味着“亲和力不大”。在常温常压下，含1到4个碳原子(C1～C4)的烷烃呈气态；含5个到16个碳原子(C5～C16)的直链烷烃呈液态；17个碳原子(C17)以上的高分子烷烃皆呈固态。烷烃的比重、熔点及沸点均随分子量增加而上升。所有烷烃的比重都小于1，几乎不溶于水（气态烃除外）。 烷烃分子结构的特点是碳与碳原子都以单键C-C相连。排列成直链式，无支链者，为正构烷烃；有支链者，为异构烷烃，如图1-2所示。 1）正构烷烃 石油中已鉴定出C1～C45的正构烷烃。据报道，美国犹它州云塔盆地阿尔塔蒙特（Altamount）和布鲁贝尔（Bluebell）油田的石油中含痕量的碳原子数超过200的石蜡烃；但大多数正构烷烃碳数≤C35。正构烷烃一般占石油质量的15％～25％，轻质石油中可达30％以上，而重质石油中可小于15％。常见的正构烷烃的物理常数见表1-2所示。