石油地质学入门（一）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。

石油沥青系、煤质物质以及油页岩等物质中含有一些少量硫元素，在自然界中常见并具有易被燃烧的特性。岩石圈按照地壳演化过程可分为三部分：即基底类型为基性的火成岩石（如基性火成岩石）、由变质作用形成的不同类型的变质岩石（如交代型变质岩石）以及由沉积作用形成的各类沉积岩石（如砂stone）。其中按形成过程将沉积岩石划分为碎屑型沉积岩石（沙石灰质沉积物）、化成型沉积岩石（如化成作用形成的硅酸盐系列沉积物）以及生化型沉积岩石（如由藻类等植物遗体发育而成的有机硅酸盐系列沉积物）。进一步划分时发现生化型沉积 rocks中的有机成分具有一定的燃烧特性，在此基础上又将生化型沉积 rocks细分为具有较高燃烧特性的可燃性有机硅酸盐矿物以及不含或少含有机成分的不可燃性有机硅酸盐矿物

二、组成

主要由碳和氢两种元素组成可燃有机矿产，并含有微量的氧、硫、氮等非主要成分。在这些物质中煤中的碳含量高于石油其含有的氢量低于石油氧气含量相对较低相应的碳氢比值中石油及其衍生物对应的C/H比值最低而煤类对应的C/H比值最高

碳的单位质量放热量约为34.0MJ，而氢的质量放热量则高达142.2MJ/千克。这表明每千克氢释放的能量是碳的四倍多。此外，在某些燃料中存在氧气的情况下会降低其有效能量输出。由此可知石油具有较高的放热量

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．固态可燃矿产的种类较为丰富：主要包含煤、石油类物质以及硫磺等基础元素和石油衍生物：如地沥青、地蜡和石沥青等。

§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

构成石油的主要元素包括碳（C）、氢（H）、氧（O）、硫（S）和氮（N）。其中碳约占84%-87%，氢约占11%-14%，这两种元素合计占比高达97%-99%；氧(S)和其他轻质元素如硫(N)等仅占总量的约2%-5%,但在某些高硫地区如墨西哥等地的石油中这一比例可提升至约3%-7%.例如墨西哥地区的石油含硫量通常在约3.6%-5.3%.而氮的比例极低,一般在万分之一左右,但在某些特殊情况下氮含量异常偏高

除此之外，在石油成分中还包含其他微量元素组成了石油灰分。通过发射光谱法和中子活化分析法对石油灰分进行精确测定发现其中含有约54种未知微量元素这些元素与天然有机质的特征成分极为接近揭示了石油与原始有机质之间密切的关系尤其是钒和镍是最具代表性的两种元素它们在地球化学演化过程中扮演着关键角色通过测定钒与镍的比值(V/Ni)能够清晰区分不同类型的生油岩相并对其来源进行深入分析

（二）石油的烃类组成

石油主要由C和H两种基本元素构成，在它们之间的结合方式上则分为三种类型。

1．烷烃类（又称脂肪烃类），通式为CnH2n+2

通常情况下，在常温常压下具有1至4个碳原子（C1至C4）的烷烃会以气态形式存在；具有5至16个碳原子的正烷烃则会处于液相状态；而含有17个以上碳原子的高分子量烷烃则会呈现固相状态。其结构特征是各碳原子通过单键连接形成直链结构，并且每个碳原子都与足够的氢原子结合。无分支的称为正构烷烃（或正烷），带有分支的则被称为异构烷烃（或异烷）。有关具体结构图示请参考教材内容。

在石油中不同碳原子数目间的正烷烃相对含量呈现为一条连续分布曲线（称为正烷烃分布曲线）。这表明石油中的正烷烃同系物构成一个连续系列。因为石油中的正烷烃以低分子链为主，在其分布序列中C15以下的部分呈现出峰值特征。

在石油的各种烷烃馏分中,起关键作用的是异戊间二烯型烷烃.其结构特征是,在直链上每隔四个碳原子就有一个甲基侧链,而在结构上类似于许多异戊间二烯分子先加氢再缩合而成.这类化合物可能源于天然色素或萜烯类物质的衍生物.其中,在石油及其沉积物中的含量通常达到0.5%,而其中最常见的化合物包括植烷、姥鲛烷及其降解产物如降姥鲛烷、异十六烷以及法呢烷.由于不同源的地质构造形成的同源石油中含有相似类型的异戊间二烯型烷烃,并具有相近的比例组成特征因此这类化合物成为研究油源对比及其迁移行为的重要依据

2．环烷烃

称含有碳链结构的饱和烃类物质为含 aromatics 的化合物；依据分子中含有碳链的数量不同，则可将其划分为二元 aromatics、三元 aromatics、四元 aromatics 以及多元 aromatics 等类别；其中石油类化合物中的 aromatics 主要以五元和六元为主；此外，在 aromatics 和 alkanes 中所有官能团均为饱和状态因此它们属于同一类别具有类似的物理性质和化学稳定性；然而与 alkanes 相比 aromatics 的物质状态具有较大的密度熔点和沸点值但其相对密度却小于 1

3．芳香烃

该文本描述了一种特殊的有机化合物——具有六个碳原子和六个氢原子组成的特殊碳链的化合物，并指出其实质是分子中包含苯基结构且属于不饱和烃类别。进一步分析可知，在此化合物中依据其基本特征可将其分为单环型、多循环型以及稠 ring型三种类型。

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：

CH3 CH3

苯 甲苯 对二甲苯

CH3

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

稠环芳香烃是由分子中含有至少两个苯环的芳香类化合物组成。这些苯环通过共享两个连续的碳原子连接在一起形成复杂的结构。

石油的低沸点馏分中芳香烃的比例较低，并主要以单环芳烃的形式存在；随着石油沸点的升高，在高沸点馏分中芳香烃的含量显著增加，并伴随双环芳烃的出现；重质馏分则可能包含更多的稠环芳烃。

（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。

主要包含含硫化合物：单质 S、H₂S等；常见的有甲基等简单的 RSH 类型；甲基环状等 RSR' 结构；例如多环芳烃上的环状结构；以及二氢多环芳烃 RSR' 结构；此外还有噻吩类相关化合物 （包括类似结构） 。其同系物也有相应存在

在化学工业生产中产生的二氧化硅颗粒物会与酸性气体反应生成硅酸盐颗粒物，并随烟尘一起随大气扩散到周围地区造成酸雨现象。

2．含氮化合物

口口 口口

||

该物质可划分为两大部分：一类是具有弱碱性的物质（如吡啶），另一类是非弱碱性的物质（如咯烷）。其中属于弱酸性强于水的一类主要包含喹oline系统及其它衍生物；而弱酸性低于水的一类则主要包括咯烷体系中的物质（如苯并四氢噻吩）以及其他相关有机物等。值得注意的是，在所有这些类别中，最引人注目的当属那些含有四个吡咯环的金属卟啉体系。

口口 口口

||

动物血红素和植物叶绿素均属于同一家族的化合物（即卟啉化合物），它们是石油有机成因的有效依据。

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。

容易合成多种类型的环烷酸盐。其中以碱金属盐的水溶性较好，在石油接触的地下水中通常会含有这种环烷酸盐，并具有助于探明储量的作用

（四）石油的馏份和组份组成

石油的化学组成极其复杂；为了便于研究和实际应用，通常采用蒸馏法或熔融法对其进行分离；最后将其分为若干种类。

1．馏份组成：

通过加热蒸馏的方法分离出一系列不同性质的馏分

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。

基于石油中不同组成部分对有机溶剂和吸附剂（如硅胶）具有选择性溶解与吸附特性的特点, 将石油分类为四个组成部分

原油：是石油的主要成分。它能够溶解于石油醚而不被硅胶吸附。其组成主要由饱和烃和少量芳香烃构成。

（2）胶质：能够溶解于石油醚、苯以及三氯甲烷等多种有机溶剂而不被硅橡胶吸附。具体可分为两种类型：一种是苯胶质（由苯作为解剂提取的产品），另一种是酒精-苯共存型胶质。其中前者主要包含芳香烃以及含有氧、硫或氮元素的其他芳香烃类化合物；后者则主要是含杂原子但不属于烃类的化合物。根据产品特性和质量要求，在轻型石油产品中其杂质含量通常低于5%，而在重型产品中则可能高达20%以上。

（3）沥青质：难溶于石油醚及无水酒精，并能溶解于苯和二氯甲烷中的沥青部分。其相对分子质量较大，在电子显微镜下观察到呈现出胶状的颗粒形结构。通过电子显微镜观察发现其实质是由环芳烃及其烷基侧链组成的复杂聚合体构成。

（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

色调发生了显著变化，从无色、淡黄色、黄褐色、淡红色、深褐色、黑绿色到黑色。这些色调的差异与成分密切相关。胶质与沥青质含量越高，则整体颜色越深；相反地，在油质含量越高，则整体颜色越浅。石油通常呈现黑色为主。影响石油色调的因素主要包括以下几点：

无色或轻度染色的石油品相通常会在迁移过程中遇到岩石吸附胶体和沥青体等物质后，在剩下的油质中呈现出较浅的颜色特征；此外还可能因为高温裂解而导致长链烃分子断裂从而形成一种轻质低分子烃组成的轻质组分（如塔里木地区）。主要原因是两地地质构造复杂且历史上经受过多次强烈的地震活动的影响。

当石油经历氧化降解或生物降解作用时，会生成深色的沥青质与焦炭层[例如胜利油田和克拉玛依油田（采用热采法）]。

2．密度和相对密度：密度是指单位体积重量；相对密度则是指标准条件下原油密度与4℃下纯水密度之比值，并无因次量纲。原油在20℃下的密度通常位于0.75至1.0之间。一般将相对密度大于9.0的石油定义为重质石油 ，而相对密度小于9.0则被称为轻质石油**。（注：这里补充了"并无因次量纲"以增强科学性）** 大庆、大港及克拉玛依地区生产的是轻质石油** ，而胜利油田的相对密度范围在0.9至约 3 3 . 3 ，伊朗地区的相对密度约为1.016** ，美国加利福尼亚地区约为1.01** ，墨西哥地区约为1.06** 。这些地区均属于重质石油分布区域。（注：这里补充了"并无因次量纲"以增强科学性）

相对密度，它们与相对密度之间的关系参见教科书。

石油密度与其颜色之间存在一定关联。通常情况下,颜色较浅的石油具有较低的密度,而颜色较深的石油则具有较高的密度。这种差异主要取决于其化学组成:其中胶质与沥青质含量增加会导致石油密度上升;同时,高分子量物质的存在能够显著提高石油密度。此外,地下原油还受到所处环境温度、压力以及溶解气体含量的影响

3．粘度

用来描述流体质点在相对运动中所经历的内部阻力；它表示流体流动特性的一种度量方式；其数值单位为帕斯卡秒（Pa·S）。在石油研究中通常不直接测定绝对粘度而是测定相对粘度；即该液体与同温度下水分子之间的作用力之比。

石油的粘度呈现显著差异，在大庆油田不同地区的原油中测定显示：当温度达到50℃时，其粘度范围为9.3 \sim 21.8 \times 10^{-3} (Pa \cdot S)；而在孤鸟油田的馆陶组原油中，则测定出更高的数值范围为103 \sim 6451 \times 10^{-3} Pa \cdot S。

石油黏度的变化受到多种因素的影响。其中一类重要因素是分子量大小与化合物种类的关系：当分子量较小的烷烃和环烷烃在石油中的含量较高时（即含量较多），其黏度较低；相反地，在石油中高分子化合物含量增加，则其黏度会升高。温度对黏度的影响表现为温度升高会导致黏度降低（T↑→μ↓）；而温度降低则会使黏度升高（T↓→μ↑）。类似地，在压力方面表现为压力增大会使黏度假设提高（P↑→μ↑）；而压力减小则会使黏度假设降低（P↓→μ↓）。此外，在溶液中溶解气体的数量也会影响黏度假设：当溶解气体较多时（即溶解气体量大），其黏度假设较低；反之则较高。这一参数对于油田开采和集输具有重要意义。例如克拉玛依油田采用注蒸汽法进行采油操作，还有些油田采用注氮气的方法进行开采。

4．凝固点

称液体石油冷却至失去流动状态时的温度为凝固点。影响石油凝固点高低的主要因素是含蜡量以及所含烷烃类物质的数量。当含蜡量增加时,其凝固点也随之升高;反之,则会降低**.具有较高凝固值**的石油物质容易在井底形成 wax 类沉积物(结蜡),这对油田开发带来了诸多挑战.为了优化油田开发效率并减少结蜡问题,在采油和输油过程中需要监测和调整操作条件下的物质凝聚特性.

5．导电性

原油属于非异质物质的一种，在室温下呈现出极高的电阻率（范围在109至1016欧姆·米）。此特性可用于分析和确定油水层的位置和分布情况。

6．溶解性

石油在水中不易溶解而在有机溶剂中较为容易。影响石油在水中溶解程度的因素包括组成成分以及外部环境条件。随着分子量的增加,随着分子量增大,烃类在水中的溶解度通常会降低。对于具有相同碳原子数的有机化合物,当进行结构比较时,其稳定性顺序为:烷烃<环烷烃<芳香烃.

7．荧光性

大多数石油产品（不包括轻汽油和石蜡）在紫外线下呈现特定的蓝光特性被称为荧光。其发光特性受化学结构的影响。影响到荧光产生的是多环芳香烃与非烃类物质；而纯饱和烃类则不具备这种性质。轻质油类样品通常呈现浅蓝色；若样品中含有较多胶状物质，则呈现出绿色或黄色；而含有较多沥青状物质的样品则表现为褐色荧光。

石油具有高度灵敏的荧光特性；当溶剂中含有至少十万分之一的石油或沥青成分时即可产生 fluorescence；在油气田勘探这一领域内；荧光分析是一种在检测岩石样品时能够明确判断其是否含有油分；并且大致估算其组成成分的有效手段；通过荧光测井技术可以有效识别出含有油层的位置；并且提供相关实例作为参考

8．旋光性

当特定光线穿过石油时，在其内部会发生特定的变化。这种变化的角度被称为旋光角（Angle of Rotation），而这种特性被称为旋光性（Optical Rotation）。观察到的现象表明：如果观察到的偏振面转向是向右，则该物质属于右旋型；反之，则属于左旋型（Left-Handed）。引起这一现象的原因是分子内部存在不对称的结构（Molecular Asymmetry）。例如，在动物内脏如肝中发现较多的是胆甾醇成分，在鱼油中也含有较高的含量。此外，在植物油和脂肪中也能找到植物性甾醇的存在痕迹。因此可以看出石油的光学性质与其形成来源之间存在密切的关系

（总结石油的物性有哪些相似点和不同点，并提出一个问题：为什么石油的物性变化较大又具有许多相似性？）

（简单总结一下石油的物性有哪些相同之处以及不同的地方，并留下一个问题：为什么石油的各种物性变化这么大却仍然有很多共同特性？）

石油的定义？（先回头总结一下石油的物化性特征，而后再下定义）

石油主要由碳氢化合物及其衍生物组成，并且属于天然的液态可燃有机矿产的一种。

§2天然气性质及特征

前面讲了石油的特性，那么天然气具有哪些特征呢？

一、定义：

在广义上所述，在自然界中所有气体都被视为天然气。它涵盖了气圈、水圈、岩石圈直至地幔和地核中的各类天然气体。

狭义上通常被称为与油气田相关的烃类气体，在古代文献中则有诸多不同的称呼方式。例如，“火井”、“井火”、“煤气”、“阴气”、“毒气”、“火池”、“地火”、“圣灯”、“火龙”以及“火泉”，这些都是被用来指代天然气的不同名称。这些名称往往反映了当时人们对这种物质的不同理解和认知方式。

二、天然气分类：

（一）成因类型

天然气主要可分为三类：即有机质形成的天然气、无机质形成的天然气以及两者混合而成的混合型天然气。其中有机质形成的天然气又可分为两种类型：一种是主要由油层物质构成的油型天然气（简称油型气），另一种则由煤层物质为主构成的煤层天然气（简称煤成气）。并按有机质演化阶段可进一步细分为若干亚类，在相关文献中通常用表1-1来进行分类说明

表1-1 天然气成因分类表

无机成因气	幔源气、岩浆成因气、放射成因气、变质成因气、宇宙气、无机盐分解气

有 机 因 素 气 | 成熟程度 | 物质来源 | 类别 | 亚 mature 阶段 | 半 mature 阶段 | 成熟 阶段 | 过熟 阶段 |||
|| I | II A | 油型气 ||
|| 原油伴生气体 ||
|| II B | III | 煤型气 ||
|| 混合成因气体 ||

（二）产状分类

天然气在地下根据其所处的环境或条件以及形成原因的不同呈现出不同的形态，并且天然气的地质特征各不相同。

根据天然气形态及其空间分布特征的不同, 可以将其划分为两大类: 聚集型(游离态)和分散型.

1．聚集型：

该指标表示处于游离状态的天然气转化为集 condensate的过程。其中包含纯气藏、顶部气以及凝析气三种类型。

气藏气——指在圈闭中仅有天然气而单独聚集的气藏气。

气顶气——在油气藏中油气共存，气呈游离状态存在于气藏顶部的天然气。

凝析气（待进一步讲解）——处于特定温度和压力下呈现气态，在地面上采集后经反凝结形成轻质油。

2．分散型：在地下呈分散状态的天然气。

包括油溶气、水溶气、煤层气（吸附气）和固态气水合物

油溶气——溶解于油中的天然气

水溶气——溶解于水中的天然气

煤层气——指煤层中所含的吸附气和游离气（瓦斯）

在低温高压环境下，在冰点附近的特定温度和压力条件下，在水中自然嵌入了甲烷等气体分子，并形成了固态的甲烷水合物。这种物质广泛分布于冻土层、极地岩石以及深海沉积岩中，并且具有稳定的晶体结构。

上述分散型天然气多为低品位气体，在规模较小的情况下具有微乎其微的开采效益。将一种既为低品位又属于非常规资源的气藏统称为非常 unconventional gas reservoirs.

（三）根据天然气与油藏分布的关系可分为伴生气和非伴生气。在油田区域内，与油藏分布直接相关的天然气被定义为伴生气；而没有明显关联的气藏气则被称为非伴生气。

三、天然气的化学组成

在天然气资源开发过程中，烃类物质始终占据着核心地位。以甲烷为主的轻质烃类通常占据主导地位，在少数特殊地质条件下（如气顶气或油溶气），重质烃类的占比可能超过甲烷。值得注意的是，在常规天然气资源中非烃类气体的比例较低，但在某些复杂地质构造（如N2、CO2或H2S富集型）中可能会占据主导地位。

（一）烃类气体

天然气主要由甲烷构成，在较重烃类中乙烷和丙烷占主导地位；某些气藏中可观察到丁烷与丙烷含量较高的现象；还有些气藏中发现少量C4至C7环烷烃及芳香烃的存在；通常将含C2+气体超过5%的状况称为湿气状态；而含C2+气体低于5%则被认为是干气状态

（二）非烃气体

天然气中的非烃类气体主要包括N₂、CO₂以及少量H₂S等物质，并且还包括H₂、CO等稀有气体。此外，在特定条件下还会存在SO₂和Hg蒸气等物质。通常情况下还含有微量的有机硫化物、氧化物以及含氮化合物作为伴生气体成分

四、天然气的物性

1．相对密度（RD）定义为，在标准状况下单位体积天然气与其同体积空气重量的比例值。该值与其分子量呈正相关关系，并且通常情况下湿气的RD高于干燥气体的RD值

2．粘度：随着分子量的增加而降低，在温度和压力升高的情况下则会升高。一般而言，在标准温度下（如0℃）其粘度约为 \text{ } 0.31\times 10^{-3} \ \text{mPa}\cdot\text{s} ；而在常温下（如20℃）则达到约 \text{ } 12\times 10^{-3} \ \text{mPa}\cdot\text{s} 。

3．蒸气压力：定义为气体在液化过程中所施加的压力。随着温度的上升以及分子量的降低（亦即分子量减少），蒸汽压力也会相应增加。

4．溶解性：天然气在石油中的溶解性显著高于水中。当天然气中重烃含量上升或石油中轻馏分含量增加时，则均能提高天然气在石油中的溶解性；通过降低温度或增大压力，则同样可增强其在油中的溶解性；而在水中的溶度则随着矿化程度的提高而减少。

其热量释放强度：天然气在不同条件下表现出较大的差异性；其中在湿度较高的地区其具体数值高达该数值（约相当于同体积下油产生的放热量），是同体积下煤放热量的大约四分之一。

6．压缩系数和体积系数

称为等温压缩系数K_T的是，在温度恒定时单位压力变化所引起的体积相对变化率的一种度量。

Cg代表等温压缩系数，在该值为负的情况下表明随压力增大体积会减小。当压力较低时，在实际情况下等温压缩系数会大于理想状态下的值；而当压力升高时，则会出现小于的情况。

天然气的地下空间体积系数即为按标准地面条件计算，在地下储层中开采出来的1立方米天然气所占有的空间数量

7．临界温度和临界压力

单组分气体都具有一个确定值作为其临界温度，在超过这一特定数值时无论施加多大的压力都无法使其发生液化过程；而将气体在达到其临界温度后所需施加的最小压力则被称为该物质的临界压力。

随着分子中碳原子数量的增加，天然气的临界温度有所上升；相反地，在其他情况下（除甲烷外），其临界压力会降低。

§3油田水的组成及性质

一、油田水的概念及来源：

（一）定义：**油田水是指与油气藏密切相关的（非油层水及油层水）地下水资源。可视为一个广义概念。其中狭义的油田 water 指的是油田范围内部直接与油层连通的地下水，亦即 oil layer water。

（二）油田水的来源及形成

油田水的来源是一个错综复杂的未解之谜。通常认为其可能来源于以下几种类型：沉积水、渗入水和深成水。

油田水分层现象可视为三种成分以不同比例组合的结果，在经历了多步复杂的过程后，并与油气共生并存于油层中。

沉积水在埋藏初期所经历的化学作用主要以生物化学及氧化还原作用为主。此结果并未显著影响矿化度却改变了离子组成情况。硫酸盐被还原生成H₂S和S²⁻导致硫酸根离子(SO₄²⁻)含量明显减少而碳酸氢根离子(HCO₃⁻)与二氧化碳离子(CO₃²⁻)则相应地增加此外铁离子(Fe³⁺)被还原为亚铁离子(Fe²⁺)。

氯化物在水中的溶解度最高，在水溶液中表现最佳。由此可见，在地下深处的油田水体中随着水分逐渐减少的情况下，随着水分逐渐减少的过程中会先沉淀出一些溶解度较低的矿物物质；而与此同时，则会导致氯化物浓度显著提升。

通常情况下，在大多数情况下而言，在油田水系统中所存在的矿化程度明显高于沉积水系统中的矿化程度。通常认为，在油田水系统中所存在的矿化程度增加与其相关的因素包括：一部分来源于蒸发岩内部水分被溶解，并且部分来自于从含有水分的蒸发岩内部排出到外部环境的过程。

二、油田水的化学组成

其中，在油田水分层构造形成的各个阶段中，两种介质即水分和天然气之间的互动关系导致油田水中包含一般地下水不具备的一类成分。

1．元素组成：油田水与天然水相同于包含几十种元素，在其中含量较高的主要是一些特定阳离子里如钠离 ions Na⁺, 钾离 ions K⁺, 钙离 ions Ca²⁺, 镁离 ions Mg²⁺；阴离子里主要包括氯离 ions Cl⁻, 硫酸根ion SO₄²⁻, 碳酸氢根ion HCO₃⁻, 碳酸根ion CO₃²⁻之外还有一些微量元素如碘 I, 溴 Br, 硼 B, 钊 Sr等。

2．有机组份：有环烷酸、环烷酸盐、酚和苯等，环烷酸可作为找油的标志。

3．溶解的气体组份：O2、N2、CO2、CH4、He等。

三、地下水产状

地下水由于存在于岩石的孔隙中，其存在状态是不同的，有三种情况：

吸附水：由于分子间作用力，在岩石颗粒表面附着并形成层状结构的水，在地壳中由于温度和压力条件限制而无法实现自由流动的状态即为束缚水。此类型的水分通常储存在地下岩石构造中无法与外界直接交换被称为储层水。

毛细管水：分布于毛细管孔隙和裂隙之中，在外力达到或超越毛细管阻力时方能在孔隙中流动。

自由水分布于超微细管孔隙、裂缝或孔洞中，在受重力影响下能够自由流动的水

四、油田水矿化度

总矿化度是指水体中多种离子、分子及化合物成分的总量。在特定条件下加热蒸发后所得到的残留物重量通常以毫克/升（mg/L）、克/升（g/L）以及千毫克/公斤（ppm）等单位进行表示。其中千毫克/公斤（ppm）具体数值等于每升水中含有多少毫克溶质除以水体溶液密度

通常情况下，在比较海洋和陆地沉积石油田时发现前者水矿化程度普遍较高。就储集层次而言，在相同的地质条件下碳酸盐岩类型的油藏往往高于碎屑岩类型的油藏。此外，在保存条件较为优良的情况下储存的油藏往往具有更高的产率与更好的采收效果；而相较于开发程度较高的资源富集区域而言，在较深 burial深度处形成的油藏往往具有更高的采收率

五、油田水分类

为了解析地下水形成的原因以及与油气资源的相关性，
众多学者对油田地下水形成了系统的分类方法：
主要包括帕勒梅尔(Palmer)方法、苏林(B·A·Cyлцn)体系及其他相关分类标准。
其中重点阐述了苏林分类体系。

苏林分类法是基于Na+和Cl-等离子最终与其他离子结合形成盐类的方式进行划分的；此类特定类型的盐类名称即被定义为此水相类型。由于水体中主要存在的一组离子按照它们相互作用的亲和力可依次排列如下：

强 弱

强 弱

Cl- Na+

SO42- Mg2+

HCO3- Ca2+

水型依据Na+和Cl-最终结合生成的盐类进行分类划分。主要通过氯和钠离子的摩尔比例来大致判断。

若：

时

当m(Na+)大于m(Cl⁻)时，则多余的Na+会与SO4²⁻或者HCO3⁻结合生成相应的硫酸钠类或者碳酸钠类化合物。反之若比值m(Na+)/m(Cl⁻)小于1时，则多余的Cl⁻会与Mg²⁺或者Ca²⁺结合生成相应的氯化镁类或者氯化钙类化合物。为了进一步细化分类标准一般采用以下公式来进一步明确：

在大陆环境下分布着Na₂SO₄和NaHCO₃两种盐类的水相，在海洋环境中则有CaCl₂-1/2H₂O（重碳酸钠）相的存在，并且分布在其中。而CaCO₃-1/2H₂O（氯化钙）相主要为地壳深处岩层中的形成物，并且认为油田水中主要的化学类型以CaCl₂-1/2H₂O（重碳酸钠）相和Na₂SO₄-1/2H₂O相为主。

苏林分类方法存在一定的局限性。一方面其划分的四种基本类型与实际天然分布情况差异显著；例如，在我国地表浅层区域中常见的有氯化镁和氯化钙类型的地下水；而深层地层中则常见于钠硫酸盐（Na2SO4）和碳酸氢盐（NaHCO3）类型的地下水。该分类方法未能有效区分油田水与非油田水的关键特征参数；仅仅依据地下水天然水中盐类成分进行分类。在成因分析上他将所有地下水均视为由地表径流渗透形成；但实际上地下水资源主要包括两类：一类是海相原生地下水（如基性含水中含有较多的Cl⁻），另一类是内生水分源（如结晶岩溶中的溶洞岩溶水流）。其中 notable的例子包括结晶水和幔源水流。

六、油田水的物性

1．相对密度一般>1.0，主要是油田水含盐份，且含盐越大，密度越大。

2．粘度：一般比纯水高，且溶解的盐份越多，则粘度越高；温度越高，粘度越低。

3．颜色及透明度：由于杂质的存在而多数情况下不透明，在实际应用中通常带有颜色；当含有H2S时呈现淡青色，在某些特殊情况下可能呈现其他色调；若含有铁质胶状体则可能呈现淡红色、褐色或淡黄色。

4．嗅味：当水中含有石油时，则会带有汽油或煤油的独特气味；如果水中含有H2S气体，则会带有臭鸡蛋般的腐败气味；当水分溶解了NaCl（即食盐）时，则会有咸涩的滋味；如果溶液中含有氯离子，则会产生苦涩的感觉。

5．导电性：纯水不导电，但油田水导电，且离子越多，导电性越强。

§4重质油与固体沥青

重质油与固体沥青作为石油烃类能源的重要组成部分，在全球范围内具有巨大的潜在储藏量。它们不仅蕴藏量丰富而且潜力巨大，在全球多个国家和地区均有分布。据官方统计数据显示：全球范围内已发现重质油及特重质油储层共计1046处地质储量达1.55×108吨的储层系统。就我国而言其石油烃类资源同样丰富主要分布于准噶尔盆地区带塔北地区柴达木地区四川地区内蒙古地区泌阳等地形成了较为完整的大型油气集输网。

一、重质油

（一）重质油的概念：

被称为具有较高开采难度且粘度和密度较大的常规原油。它被定义为采用国际通用标准进行衡量的对象。在原始油层温度下测得脱气原油的粘度值为(1.到至多1千)×十^{-3}帕斯卡秒，在常温(即6秩华氏度)及高压(百帕斯卡)条件下其密度达到934至千千克每立方米。

原油被按照其粘度与相对密度进行分类, 共有四个类别包括轻质油. 中重油. 重质油以及沥青砂(见教材32页表1-14)

（二）重质油的性质和成份

由于重质油相较于常规油而言，在组成成分上包含有较高的含量比例的高级烷烃以及杂环有机化合物，在物理性能特性方面则表现出较高的密度值、较高的粘度程度以及较高的胶质含量，并呈现出较低的蜡质含量和较高的凝固温度特征。

与常规石油相比，重质油的化学成分存在显著差异。其中氧、硫和氮等元素的含量较高，在S方面则达到了约S: 4\%-1\.%以上，在N方面则达到了约7\%-12\.%左右。微量元素在重质油中的含量是常规石油的大致几倍到几十倍之间。其中S和N元素含量较高的原因在于细菌生物降解的作用。从组分组成来看，在饱和烃与芳香烃的比例上仅占低于6\texttt{\textbf{成}})% ，而这一比例在常规石油中则超过六成以上。此外非芳香物以及沥青体物质所占比例也较低，在一般情况下能达到十至三十\texttt{\textbf{\text{%}}}左右，并有少数情况甚至能达到五十\texttt{\text{%}})$

二、固体沥青的成份和性质

固体沥青属于石油相关领域中的固态衍生物类物质，在岩石学研究中主要呈现从ogenic dark到blackish的有机矿物形态特征。其化学成分具有不稳定性，并不具备特定晶体结构特征，在不同矿物间通常呈现出过渡性的特征表现。因而其鉴定难度较大。

鉴定固体沥青的标准主要依据化学组成、密度分布情况以及材料性能指标等关键参数进行综合分析判断

固体沥青种类繁多，逾100种。按成因及物化性质可分四大类11个亚类（见33页）。

重质油通常是由地壳抬升或断裂作用破坏了原有覆盖层的有效性所致，在此情况下地下水渗入而使油藏发生生物降解或氧化现象形成。而固体沥青则多源于原始油藏已露于地表或近地表并遭受了较为彻底的破坏所形成的产物。然而其具体原因错综复杂研究程度偏低尚未得出明确结论。

某些固体烃类物质如石油蜡、松脆石油状物、石油焦及石英砂类物质等，在地表层普遍作为找油的重要标志，并可作为评价区域藏油潜力的重要依据。例如：柴达木油田的地蜡呈深褐色特征；老君庙油田所使用的石油状沥青呈现黑色特征；克拉玛依油田所使用的石质沥青同样呈现黑色特征。我国资深地质工作者正是基于这些 findable 油气特征，在西北地区系统性地发现了大量油气储集单元。

§5石油沥青类的同位素

同位素即为化学元素周期表上同一位置元素族中的元素，在这种情况下具有相同的质子数目但不同的中子数目。其内部包含相同数量的质子但重量不同的原子。通常用符号表示。

按照不同的性质分类标准，在自然界中已知存在的稳定同位素共有274种类型。而被定义为具有放射活性并能够自发地发生转变从而导致原子质量发生变化的元素及其对应的核形式统称为放射性同位素。这种现象被称为元素的放射性变化现象。在油气分析领域中常用的几种主要含有13C14C16O18O等典型示踪剂以及其特征元素的情况可参考相关文献资料。

一、碳同位素

碳元素包含三种同位素：C-12、C-13和C-14。其中前两种是稳定的非放射性同位素，而第三种是放射性同位素。具有较短的半衰期（约5,568年），即第三种是放射性同位素。该放射性特征在考古学中被用来测定样品的确切年代。然而由于其短的半衰期（仅约5,568年），这种方法仅适用于测定近现代样品。该方法能够测定样品的最大年代可达约3万至4.5万年的时间跨度，在石油地质学领域内这一技术主要通过比较样本中的稳定同位素丰度来进行油气成因类型的研究分析

（1-1）

为了便于对比时，国际间普遍采用了统一的标准——美国南卡罗莱纳州白垩系箭石的碳同位素标准，并简称为PDB。其中包含的内容是：C13／C12=1123.7×10-5

全球范围内原油样本δ13C值普遍介于-314‰左右。其中陆相原油样品显示δ13C值主要集中在-25.8‰至-30.4‰范围内；海相原油样本则呈现出δ13C值在-26.2至-23‰之间的特征；而大庆油田采集的原油样本显示出δ13C值主要集中在-26.9‰至-29.7‰区间内。相比无机碳类物质而言，石油中的碳同位素丰度较高，并与大多数生物体内的有机物具有相似特征；这在石油有机质形成机制研究中具有重要的参考价值。

二、氢同素

氢拥有三个稳定的同位素形式：H1、H2和H3。其中H3表现出放射性特征，并具有较短的半衰期（仅为12.46年）。在自然界中稳定的氢同位素丰度显示：H1占99.9844%，而H2仅占比0.0156%。与一般水相比，在石油中含有显著更高的H2含量（约高出60%），而在天然气中其含量可高达79.39%。伴随石油聚集而来的水中也呈现出较高的H2水平（约为正常水体的60%以上），这种现象源于石油与水之间的氢同位素交换作用产生了富集效应；同时在古代地层中的地下水系统中也观察到类似趋势——即随着地质年代的推移水中H2含量有所上升

三、硫同位素

该元素包括四个主要的同位素：S-32、S-33、S-34和 S-36。它们的相对丰度分别为 S³²：95.1%， S³³：0.74%， S³⁴：4.2%，以及 S³⁶仅占0.016%。其中 S-³³ 和 S-³⁶ 的含量极低，在实际测量中通常忽略不计；因此，在测定样品中的硫同位素含量时，默认只考虑它们与标准物质（即以坎冈-迪阿布洛陨石中含有的硫酸铁作为基准）之间的比值关系——即测量结果是基于此标准进行计算的。

用下式求出δ34S

（1-2）

沉积岩样本中δ³⁴S含量范围在-4.14‰至+4.55‰之间。通过调查发现，在同一地质时期内岩石中的石油与天然气均呈现出稳定的特征；而对不同地质时期的石油资源而言，则其δ³⁴S含量数值显著波动。这一特点可为不同地质时期下的烃源类型划分提供新的分析思路

四、氧同位素

氧拥有三种天然同位素：O16、O17和O18；其中由于其丰度特性，在研究过程中通常只关注二者的比值关系（即 O₁⁶/O₁⁸ 比值）。值得注意的是，在油气地质学领域该领域的研究极为有限；一般情况下主要应用于古生代地壳温度的研究。然而从水体与二氧化碳之间的氧气来源存在严格平衡关系这一原理出发；由此可知，在古沉积盆地温度分析中；特别是通过碳酸盐样品中的这一指标具有重要价值。

N14、N15同位素由于其丰度变化显著而受到了一定的限制。然而，在含氮天然气迁移过程中砂岩的作用会导致氮同位素发生分馏现象这一现象值得特别关注。