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1-4同位素


石油天然气地质与勘探
主讲人: 主讲人:蒋有录 中国石油大学(华东) 中国石油大学(华东)油气资源系

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第二节 天然气

一、天然气的化学组分 二、天然气的产出状态 三、天然气的物理性质? 天然气的物理性质?

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第三节

油田水

/>
一、油田水的产状和来源 二、油田水的矿化度 三、油田水的化学组成 四、油田水的类型

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第四节 油气中的稳定同位素

一、油气中的碳同位素 二、油气中的氢同位素 三、油气中的硫、氧、氮同位素 油气中的硫、

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一、油气中的碳同位素
同位素: 同位素:原子核内具相同数量的质子而中子数不同 的原子 稳定同位素: 稳定同位素:原子核结构不会自发地改变的同位素 放射性同位素:能自发蜕变形成具另外质子数的新 放射性同位素: 原子的同位素

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6个质子,6个中子

质子 中子 电子

6个质子,7个中子

《在碳稳定同位素中质子、中子和电子构型示意图》 在碳稳定同位素中质子、中子和电子构型示意图》
6

1、碳稳定同位素的分馏机理: 碳稳定同位素的分馏机理: 同位素分馏: 同位素分馏:同位素在两种同位素比值不同的物 质之间的分配 碳同位素分馏:在两种具有不同的 碳同位素分馏:在两种具有不同的C13/C12比值的 物质之间发生的同位素分配作用。 物质之间发生的同位素分配作用。

7

(1)同位素交换反应 )
不发生化学反应,只在不同化学物质, 不发生化学反应,只在不同化学物质,不同相 或单子分子之间发生的同位素重新分配作用。 或单子分子之间发生的同位素重新分配作用。
12CO 2 13CO 2

+

13CH 4

== ==

13CO 2 12CO 2

+ +

12CH 4

+ H

12CO - 3

H

13CO - 3

自左向右,第一式CO 减少, 自左向右,第一式CO2富集13C,CH4中的13C减少,而 第二式中CO 第二式中CO2富集12C, HCO3-富集13C

8

(2)光合作用的动力效应 植物在进行光合作用时,吸收CO 植物在进行光合作用时,吸收CO2 O,吸收较多的 和H2O,吸收较多的12C,自身富集 12C,而13C减少

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(3)热力和化学反应的动力效应
同位素的质量不同, 同位素的质量不同, 活动性也不同。 活动性也不同。 C-C键的稳定性:13C键的稳定性:
13C和12C取代分子或键的化学

13C > 13C-12C > 12C-12C

活动性最大, 的化学活动性最差。 即12C-12C活动性最大, 13C- 13C的化学活动性最差。 在相同条件下, 在相同条件下, 12C-12C参与反应的几率和速度较 13C- 13C大。

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12C-12C键裂解的能量较小,有机质大分子转变 键裂解的能量较小,

键优先断裂, 成烃类小分子的过程中, 成烃类小分子的过程中, 12C-12C键优先断裂,生 成的烃类比它的母质具有较轻的同位素组成。 成的烃类比它的母质具有较轻的同位素组成。 在低温条件形成的烃类, 在低温条件形成的烃类,富集12C,而后期高温 条件形成的烃类,则相对富集13C 条件形成的烃类,

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(4) 理化学效应
主要是蒸发作用和扩散作用。 主要是蒸发作用和扩散作用。 蒸发作用使气相富集轻同位素, 蒸发作用使气相富集轻同位素,液相浓缩物富集 重同位素。 重同位素。 扩散作用, 扩散作用,气体分子穿过多孔介质的速度与质量 有关
12CH 比13CH 的平动速度快3.1℅,12CH 扩散得更快 3.1℅, 4 4的平动速度快3.1℅ 4 更远, 更远,即先行扩散部分富集12C,残余部分富集13C。

12

2、碳稳定同位素丰度及分布特点 、
? 稳定同位素:C12、C13 稳定同位素: 相对丰度 :C12-98.892%,C13-1.108% ,

? 放射性同位素:C14 ,半衰期 放射性同位素: 半衰期5568年,用于考古 年 碳同位素丰度表示法: 碳同位素丰度表示法:

δ 13 C =

( C 13 / C 12 ) 样品 ? ( C 13 / C 12 ) 标准 (C
13

/C

12

) 标准

× 1000 ‰

标准:美国南卡罗莱纳州白垩系箭石的碳同位素, 标准:美国南卡罗莱纳州白垩系箭石的碳同位素,简称 PDB标准,其中 C13/C12 =1123.7×10-5? 标准, 标准 ×
13 13

原油的δ 值介于 值介于-24‰~-31‰, 原油的 13C值介于 , 海相原油较陆相原油重。 海相原油较陆相原油重。 如四川海相原油-23‰~-26.2‰ 如四川海相原油 大庆白垩系原油-26.9‰~-29.7‰ 大庆白垩系原油 时代老的石油, 富集, 时代老的石油, C12 富集, δ13C 低 饱和烃 芳烃 非烃 沥青质, 沥青质,δ13C 依次增大

原油不同组分的δ 值变化连线---碳同位素类型曲线 碳同位素类型曲线。 原油不同组分的 13C 值变化连线 碳同位素类型曲线。 不同成因的石油类型曲线不同。 不同成因的石油类型曲线不同。

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时 代 0 R 100

-20

δ C石油(‰) -25 -30

13

K

J
年 龄 ( Ma )

年代越老的原油, 年代越老的原油,12C 越富集,13C越少 越富集, 越少

200 T P 300 C D S O 500

400

600 前寒武纪

Э
德根斯(1969) 其他作者

天然气δ 变化范围大 变化范围大( )。低温浅层 天然气 13C变化范围大(-20 ‰ ~ -100‰)。低温浅层 )。 生成的天然气, 小于-55 ‰。中深层高温条件 生成的天然气,δ13C 低,小于 。 下生成的天然气, 。 下生成的天然气,δ13C 高,-55 ‰ ~ -20 ‰。同一天然 气,δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4。

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二、油气中的氢同位素 ?

稳定同位素: 稳定同位素:H1 (氕)、 H2 (氘) 相对丰度 : H1-99.9844%,H2 -0.0156% , 放射性同位素:H3 (氚),半衰期 ),半衰期 半衰期12.46年 放射性同位素: 年
δD=[( [(D/H1)样品-(D/H1)标准]/(D/H1)标准]×1000‰ [( ( 标准值取标准海水中的( 缩写为SMOW。 (D/H1)标准值取标准海水中的(D/H1)值,缩写为 。

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? 氢同位素分布特点: 氢同位素分布特点: A、原油中δD一般为-80~-160‰。 、原油中 一般为- - 。 一般为 天然气δD一般为- 天然气 一般为-105~-270‰;与δ13C存在一定的 一般为 - ; 存在一定的 也高。 正相关性, 正相关性,即δ13C高,δD也高。 高 也高 B、饱和烃δD<芳烃δD<非烃δD。 、饱和烃 <芳烃 <非烃 。 C、 δ13C、δD:生物成因气较低,热解成因气都较高。 、 、 :生物成因气较低,热解成因气都较高。 D、同油气聚集伴生的水中H2含量增高,由于石油与水的 、同油气聚集伴生的水中 含量增高, 氢同位素交换,产生了富 的石油。 氢同位素交换,产生了富H2的石油。 古老地层水中H 含量较多。 古老地层水中 2含量较多。

三、油气中的硫、氧、氮氢同位素 ? 油气中的硫、
1、硫同位素? 、硫同位素?

四个同位素:S32、S33 、 S34、S36 一般测定S32和 S34

δ S=
34

(S

34

/S

32

) 样品 ? ( S

34

/S

32

) 标准

( S 34 / S 32 ) 标准

× 1000 ‰

标准:以坎冈-迪阿布洛陨石陨硫铁的硫作为标准, S34/S32=0.045
同时代地层中石油或天然气的δ34S具有稳定值 , 可用于油源对比
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2、氧碳同位素? 、氧碳同位素?

稳定同位素:O16、O17、O18 相对丰度 :O16-99.579%,C18-0.2039%

一般研究O16/O18比值。? 利用碳酸盐中的O16/O18比值测定古地温。

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3、氮同位素? 、氮同位素?

稳定同位素:N14、N15 相对丰度 :N14-99.635%,N16-0.365%

含氮天然气通过砂岩运移时,氮同位素存在分馏 现象,可用于研究油气运移。

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《石油天然气地质与勘探》 石油天然气地质与勘探》
第一章 石油、 石油、天然气及油田水的基本特征

第一节 石油 第二节 天然气 第三节 油田水 第四节 油气中的稳定同位素

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第一章 思考题

.什么是石油和天然气?石油的元素组成和化合物组成有哪些特征? 什么是石油和天然气?石油的元素组成和化合物组成有哪些特征? 什么是石油和天然气 2.什么是正烷烃分布曲线?正烷烃分布曲线的特征取决于哪些因素? 什么是正烷烃分布曲线? 什么是正烷烃分布曲线 正烷烃分布曲线的特征取决于哪些因素? 3.什么是石油的组分组成和馏分组成? 什么是石油的组分组成和馏分组成? 什么是石油的组分组成和馏分组成 4.什么是生物标志化合物?你所了解的常见生物标志化合物有哪些? 什么是生物标志化合物? 什么是生物标志化合物 你所了解的常见生物标志化合物有哪些? 5.如何对石油进行分类?试述石油的地球化学分类方案及各类的成分 如何对石油进行分类? 如何对石油进行分类 特点。 特点。 6.海相油和陆相油在化学组成上有何区别? 海相油和陆相油在化学组成上有何区别? 海相油和陆相油在化学组成上有何区别 7.化学成分、温度、压力等对石油的颜色、比重、粘度等有何影响? 化学成分、 化学成分 温度、压力等对石油的颜色、比重、粘度等有何影响? 8.石油、天然气的溶解性各有何特点? 石油、 石油 天然气的溶解性各有何特点? 9.什么是石油的荧光性?为什么石油具有荧光性? 什么是石油的荧光性? 什么是石油的荧光性 为什么石油具有荧光性? 10.什么是石油的旋光性?为什么石油具有旋光性? 什么是石油的旋光性? 什么是石油的旋光性 为什么石油具有旋光性? 11.与常规油相比,重质油和沥青砂在物理性质和化学特征上有何特别 与常规油相比, 与常规油相比 之处? 之处? 12.天然气有哪些产状类型?什么是气藏气、气顶气、凝析气? 天然气有哪些产状类型? 天然气有哪些产状类型 什么是气藏气、气顶气、凝析气? 13.什么是油田水?油田水的赋存状态和来源有哪些?什么是矿化度? 什么是油田水? 什么是油田水 油田水的赋存状态和来源有哪些?什么是矿化度? 14.油田水的主要化学组成有哪些?如何对油田水进行水型划分?水型 油田水的主要化学组成有哪些? 油田水的主要化学组成有哪些 如何对油田水进行水型划分? 与环境有何关系? 与环境有何关系? 12.碳、氢同位素丰度表示方法如何?石油、天然气的碳氢同位素组成 碳 氢同位素丰度表示方法如何?石油、 有何特征? 有何特征?
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