第一章 石油、天然气及油田水的基本特征
第一节 石 油
一、石油的化学组成
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。
（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（表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。
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％。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
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）
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%。
石油中含氮量一般小于0.2％，少数样品达0.5％以上。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。
表1-1 国内外某些石油的元素组成 石 油 产 地 大庆油田(萨尔图混合油) 中 国 胜利油田(101混合油) 胜利油田孤岛地区 大港油田 江汉油田(混合油) 克拉玛依油田(混合油) 前 苏 联 雅雷克苏 乌克兰 老格罗兹内 卡拉一布拉克 文图拉(加利福尼亚州) 美 国 科林加(加利福尼亚州) 博芒特(得克萨斯州) 堪萨斯州 元 素 组 成，％ C 85.74 86.26 84.24 85.67 83.00 86.13 80.61 84.60 86.42 87.77 84.00 86.40 85.70 84.20 H 13.31 12.20 11.74 13.40 12.81 13.30 10.36 14.00 12.62 12.37 12.7 11.7 11.00 13.00 S 0.11 0.80 2.20 0.12 2.09 0.04 1.05 0.14 0.32 0.4 0.60 0.70 1.60 0.45 N 0.15 0.41 0.47 0.23 0.47 0.25 1.25 1.70 2.61 0.45 O 0.69 1.63 0.28 8.97 1.25 0.68 0.46 1.20 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。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
表1-2 石油的化合物组成
烃类 非烃类 烷烃 饱和烃 环烷烃 芳烃 不饱和烃 含硫、氮、氧化合物 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。不同原油中化合物的组成特征如图1-2所示。
（1）烷烃
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。
石油中已鉴定出C1～C45的正构烷烃。在石油中不同碳原子数正构烷烃的相对含量呈一条连续的分布曲线，称正构烷烃分布曲线。这说明石油中正构烷烃同系物是一个连续系列。不同类型石油的正构烷烃分布特点如图1-3所示，每条曲线上极大值对应
图1-3 不同类型石油的正构烷烃分布曲线图
（据Martin，1963；转自陈荣书，1994）
的碳数为该曲线的主峰碳，曲线的分布特点与成油的原始有机质类型、成油环境以及有机质的成熟度密切相关，一般陆源有机质形成的石油中高碳数（C22以上）正构烷烃含量高，海生低等浮游生物（细菌、藻类）形成石油中低碳数（C22以下）的正构烷烃居多。有机质演化成熟程度较高的、年代较老、埋深较大的石油中低碳数正构烷烃居多；相反，演化程度低的石油，正构烷烃碳数偏大。此外，受微生物强烈降解的石油中，正构烷烃常被选择性降解，一般含量较低，低碳数的正构烷烃更少。
石油中的异构烷烃以≤C10为主，高碳数者以类异戊间二烯型烷烃最受重视。其特点是在直链上每四个碳原子有一个甲基支链，其结构式如图1-4所示。
由于同源石油中所含的异戊间二烯型烷烃类型，含量相近，都直接来自生物体，可用于油源对比，故称为生物标志化合物。具体地讲，所谓生物标志化合物，是指来源于生物体，基本保持了原始组分的碳骨架，记载了原始生油母质特殊分子结构信息的有机化合物。类异戊二烯型烷烃中，以姥鲛烷和植烷为最常用的生物标志化合物。
2 6 10 14 - ( ) ， ， ， 四甲基十六烷 植烷 2 6 14 - ) ， ， 10 ， 四甲基十五烷 ( 姥鲛烷 2 6 10 - ( ) ， ， 三甲基十五烷 降姥鲛烷 2 6 10 - ( ) ： ， ， 三甲基十三烷 异十六烷 2 6 10 - ( ) ， ， 三甲基十二烷 法呢烷 胆甾烷 图1-5 四环甾烷和五环萜烷结构示意图 五环（ 图1-4 常见类异戊二烯型烷烃结构示意图 （2）环烷烃（Cycloalkane；Naphthene）
石油中的环烷烃多为五员环或六员环及其衍生物，以单环和双环为主。多环中以四环甾烷和五环萜烷较为重要（图1-5），是重要的生物标志化合物，广泛用于烃源岩成熟度分析和油源对比中。这类化合物有明显的旋光性，它们的存在被认为是石油有机成因的标志。
（3）芳香烃（Aromatic hydrocarbon）和环烷芳香烃
芳香烃又称苯族，系指具有六个碳原子和六个氢原子组成的特殊碳环－苯环的化合物，其特征是分子中含有苯环结构，属不饱和烃。根据结构，芳香烃可分为单环、多环、稠环三类芳香烃（图1-6）。
随着石油成熟度，芳烃系列向低环方向演化。
2.非烃化合物（Non-hydrocarbon chemical compound）
石油中的非烃化合物主要是含硫、氮、氧化合物，重馏分中居多。总含量不多，但种类不少。其中含氮化合物中的卟啉化合物对研究石油成因问题有重要意义，是重要的生物标志化合物（图1-7）。含氧化合物中的环烷酸很容易生成各种盐类，其中碱金属的环烷酸盐能很好地溶解于水，在与石油接触的地下水中常含这种环烷酸盐，可作为找油的一种标志。
图1-6 芳烃的基本结构
图1-7 卟啉和钒卟啉的结构式
（三）石油的馏分组成
利用石油中各种化合物沸点不同的特点，加热蒸馏，将石油分离成不同沸点范围（即馏程）的若干部分，每一部分就是一个馏分。在实际工作中，用某个温度范围内（馏程）蒸馏出的馏分的重量或体积百分含量来表示石油的组成，称为石油的馏分组成。石油的蒸馏过程如图1-8所示。在石油炼制上，各馏分的名称及温度范围大致如表1-3所示。
石油不同馏分的化合物极不相同。一般来说，低沸点的轻馏分主要是由低碳数、分子量较小的烷烃和环烷烃组成；中馏分以中分子量和较高碳数的烷烃和环烷烃为主，并含有一定数量的芳香烃和环烷芳香烃以及少量的含硫、氮、氧化合物；而重馏分则以高碳数和高分子量的环烷烃、芳香烃、环烷芳香烃和含硫、氮、氧化合物组成。典型中性石油的馏分和化合物组成的关系，如图1-9所示。
表1-3 石油的馏分组成
馏分名称 石油气 轻馏分 汽油 煤油 中馏分 柴油 重瓦斯油 重馏分 润滑油 沸点 <35℃ 35～190℃ 190～260℃ 260～320℃ 320～360℃ 360～530℃ 14～18 19～25 碳原子数 1～4 5～12 12～14 烷烃、环烷烃 烷烃、环烷烃为主，含有芳烃和含S、N、O化合物。 高碳数大分子量环烷烃、芳烃和含S、N、O化合物。 化合物
（四）石油的组分组成
石油气 汽油 常 压 加石油 200℃ 热360℃ 炉 塔 重油 柴油 加热炉 减 压 塔 渣油 润滑油 煤油 图1-8 石油蒸馏过程示意图 图1-9 典型中性石油的馏分和化合物的关系图(据Bestougeff，1967；转自陈荣书，