碳氢化合物的分类及特点

碳氢化合物储层通过产生于10⁶年前的油母岩质有机物的热分解和微生物分解而形成。当油母岩质的温度升高到353K时，石油就形成了，一般情况下，低温产生高密度石油；微生物分解适合于浅层，因此产生的石油温度较低，密度也低。油母岩质退化^[30]是一种产生碳氢化合物和成熟油母岩的反应。随着油母岩质暴露温度的升高及时间的增加，碳氢化合物的密度逐步减小，当温度高于413K时产生天然气。总体上，油母岩质在埋藏过程中经历了不同的温度，因此注入储层的碳氢化合物类型也有所不同。斯坦福思提出了油母岩质退化形成原油储层的模型^[31]。碳氢化合物的类型随它们所在地层类型不同而异，这不足为奇。

由于断层、断裂和高渗透地层的原因，碳氢化合物聚集在多孔岩、渗水岩中，按照密度降低的顺序向上迁移，直到被不可渗透的障碍层所阻止。但是，重要的前提是液体不发生混合，而且只产生于那些包含接近扩散混合临界点液体的储层中^[32]。最近，Jones等人^[33]提出，在甲烷形成过程中，地下原油发生了生物降解。

本章集中于固态、液态或气态的碳氢化合物资源，而不是温度可以达到270～500K、压力高达250MPa且地压和流体静力压力梯度大约为10kPa/m的储层。储层中的液态碳氢化合物（不包括普遍存在的水）的分类或多或少具有任意性，但可以接受，在参考文献[12]和[34]中列出根据密度、黏性和相特性进行的分类。储层中碳氢化合物的密度作为一种商业价值衡量指标，其范围从300～1300kg/m³不等；黏度某种程度上定义了流体从孔隙进入地下管道、通过分离系统和传输网络的容易程度，天然气黏度为0.05Pa·s，重油黏度为10⁴Pa·s，沥青黏度大于10⁴ Pa·s^[35]。

干气、湿气、气态冷凝物、挥发油、黑油、重油分类相特性如图1.1所示；这里的分类是针对Bolz等人命名的临界曲线和三相曲线的拓扑而言的^[36]，只考虑显示I^P级相特性。除了黑油和重油，泡点线都是在温度接近临界点下面开始，而露点线在温度接近临界点上面开始，上升达到最高点后下降，在同样温度下，压力低于相应的泡点线。对于黑油（常规油）结露温度在温度接近临界点下面。

对于干气，就是平时所说的常规气相，产品的压力-温度轨迹不进入两相区域；而对于湿气，储层温度高于临界凝析温度，在生产过程中当温度低于储层温度时压力-温度轨迹会穿过露点线形成液体。反凝析气藏的温度高于临界点温度T_C，但是低于临界凝析温度。在储层温度下，随着压力的衰减，储层中就会通过反凝析形成液体。储层中液体的相对体积及其对生产过程的影响是系统温度与临界温度之差、

图1.1 恒定组分的液态储层流体泡点线和露点线的压力-温度图，以及关于液态和

气态石油共存的临界点的温度○为临界点，为凝析气，为挥发油，为黑油，为重油。除了通常所说的黑油和重油，泡点线都是在温度接近临界点下面开始，而露点线在温度接近临界点上面开始，上升达到最高点后下降，在同样温度下，压力低于相应的泡点线。黑油的结露温度在温度接近临界点下面。沥青实际上是固体。

储层岩石特性的函数。对于反凝析气藏，当生产过程压力—温度轨迹进入两相区域时，在生产油管和地面设施里将出现液相。挥发油（也是一种常规液相）特性与反凝析气特性类似，因为储层温度T小于T_C，但是相比于黑油储层温度更接近T_C。挥发油和反凝析气间最主要的区别是，在生产过程中随着储层资源的耗尽，当压力低于泡点压力时在储层中离析形成气相。所选取的流体采样方法可以使组分发生微小变化，对于挥发油来说这一变化可能会引起气体凝析油错误的解释结果，反之亦然。在这种情况下，生产工程师设计的设备可能不适合生产液体。黑油的储层温度与T_C相差甚远。想全面了解气体凝析油的读者可以请教Fan等人^[37]。(www.xing528.com)

当压强减小到0.1MPa，温度在288K时（所谓标况），生成的气态与储层中液态体积的相对比叫做溶解气油比（Gas-Oil Ratio，GOR），溶解气油比的分类十分广泛，本章不能一一顾及^[38]。相对于其他液态形式，黑油的溶解气油比很小，这导致了在分离器和周围环境下液态的体积较大。黑油也叫常规油，在至今已开采和使用的液态石油中占很大一部分，主要是因为其经济可行性。对于所谓常规的、可开采的牛顿烃液密度通常在700～900kg/m³，而黏性在0.5～100mPa·s^[39-42]。

原油（固态+液态）相特性很大程度上取决于高摩尔质量碳氢化合物（M（C₂₅H₅₂）≈0.350kg·mol^-1）的分布，如液态油里的沥青烯、石蜡、芳族化合物和树脂。水合物的形成取决于气态成分，例如氮气、二氧化碳、甲烷到丁烯的摩尔分数以及水相的存在。蜡和水合物主要在温度降低时形成，而沥青烯主要是在储层温度下压力降低时形成。参考文献[43]给出了与（液态+气态）相界相对应的（固态+液态+气态）三相平衡点。

非常规资源包括重油、沥青和甲烷包合物。Meyer和Attanasi^[35]将全球重油和沥青的温度、深度、黏性和密度列成了表。重油呈液态，位于地下2000m以内，温度低于423K，密度在933～1021kg/m³之间，黏性如图1.2所示，从100～10⁴mPa·s不等；而沥青呈固态，位于地下500m以内，温度低于323K，密度在985～1021kg/m³之间，黏性在10⁴～10⁷mPa·s之间，如图1.2所示。石油工业引用的密度依据于美国石油学会（API）制定的相对于水密度的比重指数；API比重指数大于10时石油浮在水上，API比重指数小于10时石油沉于水下。因此，重油和沥青的密度（分别为933kg/m³、1021kg/m³）分别等同于API比重指数为20和7。

图1.2 压强为0.1MPa时碳氢化合物黏性η与温度T的函数

注：为通常所说的密度为960kg/m³的重油^[44]；为密度大约为1018kg/m³的沥青。

产于委内瑞拉奥利诺科河^[45]油田的重油黏性为1～5mPa·s不等，密度在993～1014kg/m³之间；该油田的孔隙率为36%，渗透率为1.48μm²（1.5达西），水的体积分数（饱和时）为36%，含油量64%，在温度为298K，压强为0.1MPa时气液比为0.48（或者GOR为111.5sfc/bbl³）。产出的原油往往是泡沫油^[46]，Chen对描述带有所谓蛀孔泡沫油的模型进行了讨论^[47，48]。读者想要进一步讨论重油可以向Heron和Spady求助^[49]。