第九节 油田工程Word下载.docx

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石油是一种黑褐色的油状粘稠液体、深藏于地下的可燃性矿物油和不可再生的能源，是古代海洋或湖泊中的生物经过漫长的演化所形成的混合物。

实质上，石油是多种碳氢化合物的复杂混合物，或是多种烃的混合物。

最初人们把自然界产出的油状可燃液体矿物称为石油，把可燃气称为天然气，把固态可燃油质矿物称为沥青。

随着深入的研究，认识到石油、天然气和沥青在成因上互有联系，在组成上都属于碳氢化合物，因此将其统称为“石油〞。

据科学家研究和分析：

将来可能开采的石油资源，1/3在大陆，1/3在浅海，1/3在深海和两极。

海洋将成为人们开采石油的重要基地。

1983年第11届世界石油大会对石油定义为：

石油是自然界中存在于地下的以气态、液态和固态烃类化合物为主，并含有少量杂质的复杂混合物。

原油是石油的根本类型，存在于地下储集层内，在常温、常压条件下呈液态。

天然气也是石油的主要类型，呈气相，或处于地下储集层时溶解在原油内，当采到地面，在常温、常压条件下从原油中别离出来时又呈气态。

从油井中采出来的未经加工的液态石油称为“原油〞。

工业界和日常应用中，通常“原油〞与“石油〞混用，并不加以区分，所以，石油又称原油。

目前，我国有中国石油天然气集团公司、中国石油化工集团公司和中国海洋石油总公司三大国有石油公司从事油田工程的全部业务。

包括##、胜利、辽河、##、##、华北、大港、中原、##、##、长庆、江汉、##、##、塔里木、吐哈、玉门、冀东以与滇黔桂油田等20多个主要生产基地。

而国际上有石油输出国组织，简称“欧佩克〞和石油大公司等。

国外石油开展经历了煤油时代、汽油时代、燃料和化工原料时代三个阶段。

世界原油储量大都集中在少数地区和国家。

特别是连接欧、亚、非三洲的中东地区，有“世界石油宝库〞之称，包括塞浦路斯、约旦、以色列、科威特、阿曼、巴勒斯坦、叙利亚、土耳其、沙特阿拉伯、伊朗、伊拉克、阿拉伯联合酋长国、阿拉伯也门##国、也门##人民##国、卡塔尔、巴林、黎巴嫩、埃与等国家和地区。

多为巨型油田，地质条件好，运输方便，气候条件非常有利，原油储量占世界总储量的一半以上。

原油产量位居前10名的国家是俄罗斯、沙特阿拉伯、美国、伊朗、中国、墨西哥、阿联酋、委内瑞拉、加拿大和挪威。

而天然气储量最为丰富的是俄罗斯的远东地区，其次是中东地区，拉美地区储量也非常可观。

处于第二梯队的有沙特、阿联酋、美国、尼日利亚、阿尔与利亚、委内瑞拉和伊拉克。

在亚太地区，70％分布在印度尼西亚、中国、马来西亚和印度。

天然气产量大的是俄罗斯、美国和加拿大，还有阿尔与利亚、伊朗、挪威、荷兰和英国。

而俄罗斯、伊朗、卡塔尔、澳大利亚以与中亚的哈萨克斯坦、土库曼斯坦、乌兹别克斯坦，南美的委内瑞拉、玻利维亚的产量未来还有较大增长。

西欧和北美的产量大致维持现状或下降。

近20年来，天然气探明储量和产量分别以约5%和3.5%的速度增长，世界天然气年产量已超过2.32万亿m3。

2020年前后，将超过石油成为第一能源。

远古时期，我国古人就以石油照明、药用与作润滑剂，用天然气熬盐、沥青涂船防腐和作建筑材料等。

西周时就有天然气的记载。

东周##的临邛（今邛崃市）开凿盐井时发现天然气，并把此井称“火井〞，南北朝时名为“火井镇〞，隋朝时又改名为“火井县〞。

后来在##、##、##、##、##、##、##等地也发现了天然气。

西汉时陕北##一带就用石油作燃料。

世界上最早记载有关石油文字的是东汉史学家班固所著的《汉书》。

石油曾被称为石漆、膏油、肥、石脂、脂水、可燃水等。

从晋朝起就用天然气熬盐、煮饭和照明。

南北朝时石油就被作为药物治疗脱发病。

北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》里首次提出“石油〞这个名字，并利用石油制出了黑光如漆的比汉代以来所使用的松烟墨好的油烟墨，也把石油加工成石烛来照明。

元代出现加工石烛的工场。

明代医药学家李时珍指出石油可主治小儿惊风，与其它药合做丸散，可涂疮癣虫癞等，而学者曹学佺在《蜀中广记》中记载####一带开凿盐井时，发现可引燃的“油水〞，并用于夜间照明，陕北人又用石油熬制出了点灯用的油。

我国是开凿的最早油井的国家，比美国、俄国的油井早300多年，而天然气井，比世界上最早开凿天然气井的英国至少早1500年。

解放前夕，只有##延长、##玉门老君庙和##独山子等几个小油矿，年产量只有12万吨，国内市场被洋油所充满。

建国后，党和政府高度重视和开展石油工业，50年代开展重点是从西部地区##和##开场的。

1949年玉门油矿开场恢复和开展生产，50年开发##独山子油矿，55年发现克拉玛依油田，并成为第一个大油田。

59年根本建成比拟完整配套的石油工业基地，产量占全国的50％。

到50年代末，形成玉门、##、##、##等四大油气基地，石油工业已初具规模。

60年代为解决西部生产与消费重点在东部的矛盾进展战略东移，重点开发东部沿海地区。

组织了闻名中外的##、华北、##和渤海湾石油会战。

特别是##会战，从60年2月开场，在以“铁人〞为代表的广阔石油工人的艰辛创业下，几万大军云集##，仅用3年多时间，在荒原上建起了一个世界级的大油田，根本满足了国内需要，从根本上改变了石油工业的落后面貌，把贫油的帽子扔进了太平洋。

63年12月3日，全国人大二届四次大会上向全世界庄严宣告：

中国需要的石油已经根本自给，依靠“洋油〞的时代，已经一去不复返了。

##不但出了石油，而且孕育了可贵的“铁人〞精神，成为工业战线上一面旗帜，64年开场工业学##，74年##年产原油到达5000万吨，并创造了稳产高产25年的骄人业绩。

此后，又陆续建成年产2000万吨的##胜利、年产各300多万吨的##大港、辽河和华北任丘油田，苏北、##也相继发现了油田，使全国原油产量迅猛增长。

66年自行设计的渤海湾第一口海上油井喷油，揭开了海上石油开采的新篇章。

自50年代起，石油工业平均以20％以上的速度开展，到78年我国原油产量突破1亿吨大关，成为世界产油大国。

85年又先后发现##冷湖油田和##油气田。

20世纪90年代，为扭转80年代我国石油产量徘徊不前的状况，战略重点再次转移，提出“稳定东部、开展西部、油气并举〞的方针。

石油工人再次集结大漠沙场，向沙漠要油。

中西部地区油气勘探开发取得了突破性进展，发现了塔里木和吐哈油田，初步形成了油气资源的接替区。

同时，在渤海、东海和南海海域的油气勘探开发也取得成功。

到97年，##石油产量翻了一番，到达958万吨，西部地区的石油年产量在全国所占的份额增长了一倍，到达了15％。

同时，陕京输气管线于97年国庆前夕送气到京，意味着天然气的开发利用出现了新的局面。

目前，全国有20几个省、自治区和直辖市以与近海海域共发现了700多个油气田，已建成陆上、海上油气田基地20多个。

天然气探明储量主要集中在l0个大型盆地，依次为渤海湾、##、松辽、准噶尔、莺歌海——琼东南、柴达木、吐哈、塔里木、渤海、鄂尔多斯。

形成了十大油气生产基地，包括四大油区，即：

松辽油区、渤海湾油区、西部油区和海上油区；

六大气区，即：

##气区、陕甘宁气区、##气区、南部气区、东部气区和##气区。

先后建成长距离油气输送主管线以与相应的油港码头、铁路、公路、储罐等配套设施，形成了完善的油气贮运体系。

管网遍与华北、东北、西北、华东、##和海上。

在地质勘探方面，应用二维和三维地震观测数据，发现了大量的油气田。

另外，我国的非常规油气资源也非常丰富。

煤层气资源储量巨大，仅次于俄罗斯、加拿大，排在第三位。

油页岩、油砂、致密砂岩气和沥青等也有一定的储量。

我国海域还蕴藏着丰富的天然气水合物资源，都可以作为常规油气资源的补充。

我国有42个主要含煤层气的盆地和24个陆上含油砂油地质资源的盆地。

由于油田建立的开展，原油加工也相应开展。

56年兴建了我国第一个##炼油厂。

以后陆续兴建了##、燕山、齐鲁、##高桥、##、##、##等一批大型炼油企业，各地也兴建了不少小炼油厂，使主要油品根本满足需要。

石油工业在开展中培养造就了一支科研技术队伍，形成了中国特色的石油科技开发体系。

创立了独具中国特色的陆相石油地质理论，打破了西方认为只有海相地质才有石油的神话。

从油气资源勘探、油气田的开发生产到油气加工炼制的全部生产流程与相应的石油钻井、油气井测试、油田工程建立、油气储运等方面的一大批工艺技术，均已到达或接近当代国际先进水平，不但可以开发国内任何复杂的油气田，而且可参与国际竞争。

已在苏丹、委内瑞拉、秘鲁、加拿大、泰国等国家进展了油气田开发生产作业。

二、钻井与完井工程

石油钻井是一项复杂的系统工程，涉与石油地质、油田化学、岩石力学、钻井机械与器具的现代设计技术，以与电子技术、计算机技术与人工智能等在钻井测量与自动化、智能化钻井方面的应用。

石油勘探、开发各个阶段的共同特点都是要钻井。

在地质普查时，为研究地层剖面，寻找储油构造，要钻地质井、基准井、制图井和构造井等；

在区域详探时，为寻找油气藏，详细研究其储量与性质，要钻预探井、详探井和边探井等；

在开发时，为把油气开采出来，要钻生产井、注水井和观察井等。

在世界X围内，油田在勘探阶段的总投资中钻井费用到达55%～80%，在开发阶段的总投资中钻井费用超过50%，可见钻井工作是石油勘探与开发的一个非常重要的环节和手段。

石油钻井类型按性质和用途一般分为：

地质探井〔基准参数井〕：

在了解很少的盆地和凹陷中，为了解地层的沉积年代、岩性、厚度、生储盖层组合，并为地球物理解释提供各种参数所钻的井。

预探井：

在地震详查和地质综合研究根底上所确定的有利圈闭X围内，为发现油气藏或在油气田X围内发现未知新油气藏所钻的井。

详探井〔评价井〕：

在已发现油气圈闭上，以探明含油气边界和储量，了解油气层结构变化和产能所钻的井。

地质浅井：

为配合地面地质和地球物理工作，了解区域地质构造、地层剖面和局部构造，一般使用轻便钻机所钻的剖面探井、制图井和构造井等。

检查资料井：

在已开发油气田内，为研究开发过程中地下情况变化所钻的井。

生产井：

开发油气田所钻的采油或采气井。

注水井：

为合理开发油气田，保持油气田压力所钻的井。

地质探井、预探井、详探井和地质浅井统称探井；

检查资料井、生产井、注水井统称开发井。

油田从详探到全面投入开发的一般工作顺序为：

在含油的构造带上布置探井，迅速控制含油面积。

在已控制含油面积内打资料井，了解油气层特征。

分区分层试油求得油气层产能参数。

开辟生产试验区，进一步掌握油气层特性与其变化规律。

根据岩心、测井和试油、试采等各项资料进展综合研究，做出油气层分层比照图、构造图和断层分布图，确定油藏类型。

油田开发设计。

按最可靠与最稳定的油气层钻一套根底井网，钻完后不投产，根据井的全部资料，对全部油气层的油砂体进展比照研究，然后修改和调整原方案。

在生产井和注水井投产后，收集实际的产量和压力资料进展研究，修改原来的设计指标，定出具体的各开发时期的配产和配注方案。

从以上油田开发工作顺序可知，油田开发可以说是用钻井的方法来证实油气的分布X围，并且只有通过钻井才能投入生产而形成一定生产规模。

1.钻井方法

钻井是指从地面钻一孔道直达油气层。

其实质就是破碎岩石、取出岩屑、保护井壁、继续加深钻进的问题。

有旋转钻井法〔图1-152〕和顿钻钻井法即冲击钻钻井法〔图1-153〕，目前常用的方法是旋转钻井，包括地面驱动转盘旋转钻井法、顶部驱动旋转钻井法和井下动力钻具〔涡轮或螺杆钻具〕旋转钻井法。

图1-152旋转钻井示意图

图1-153顿钻钻井示意图图1-154井身结构示意图

每一口井的井身结构示意〔图1-154〕，从开钻到完钻需经过多道工序，完成破碎岩石、取出岩屑并保护井壁、固井和完井，从而形成油流的通道。

钻前要做好定井口位置、修路与平整井场、打水泥根底、准备钻杆、钻铤、钻头与钻井泵配件等钻井器材的准备工作。

〔1〕钻进作业

工序：

下钻→正常钻进→接钻杆〔接单根、顶驱时为立根〕→起下钻→换钻头→下钻

全井钻进过程：

安放导管→第一次开钻→下表层套管→第二次开钻→下技术套管〔中间套管〕→第三次开钻→〔第二层技术套管〕→第四次开钻…→下油气套管→固井→完井

钻进是用力把钻头压下并使钻头牙齿吃入井底岩石中，用钻杆带动钻头旋转破碎岩石，使井眼不断加深的过程。

加在钻头上的压力叫钻压。

钻压是靠钻柱的重力产生的。

钻柱主要由钻头、钻铤、钻杆组成。

钻进中，每当井眼加深了一根钻杆的长度后，就向钻柱中接入一根钻杆，此过程叫接单根。

需要将全部钻柱从井中取出，更换新钻头后再入井内的过程叫起下钻。

钻进的快慢用钻速表示，一股称为机械钻速，即单位时间里的进尺数，单位为m/h。

也可用钻时表示，即单位进尺所需的时间，单位为min/m。

影响机械钻速的因素很多，主要有岩石的可钻性、钻头的类型、钻井液性质、钻压、转速、钻井液流量与性能、钻头水力功率的大小等。

〔2〕钻井液

有“钻井工程的血液〞之称。

具有冲洗井底、携带岩屑、保护井壁、冷却钻具、控制和平衡井内与地层压力等作用。

通常用比重、粘度和切力表示。

属于复杂的多相多级胶体化学物质，即悬浮体分散体系，有固体分散在液体中、液体分散在液体中、气体分散在液体中、液体分散在气体中等多种。

钻井液性能与各种胶体性质密切相关，如钻井液胶体的稳定性与破坏，处理剂的吸附、润湿、流变性，电解质的污染与其处理等。

〔3〕洗井作业

用钻井泵把钻井液打入中空的钻柱内，经钻头水眼流入井底，将破碎的岩屑冲离井底，并携带岩屑从钻柱与井眼之间的环形空间中返回地面，再在地面上把岩屑从钻井液中别离出来，净化了的钻井液用钻井泵注入井内重复使用，这样就能把岩屑与时从井底清洗出来。

〔4〕钻井事故控制和处理

地层岩石的孔隙、裂缝中的石油、天然气和水等流体具有一定的压力，但因地层深度、地区等条件的不同有很大差异。

在钻井过程中，由于地质条件和人为因素等复杂情况的影响，必须采取恰当的措施进展处理。

如处置不当，常常会引起许多事故，如损害产层、钻井液性能变坏、井斜、井漏、井塌、溢流、外涌、井喷、卡钻、断钻杆、落物等。

因此，必须加强钻井过程中对高压井的压力控制与开展压力预测技术。

1〕井斜钻头上的钻铤在钻压作用下产生弯曲，是钻具在井内不居中，导致井斜产生。

井斜给钻井增加难度或引起钻井事故，如钻杆柱过度磨损或折断、键槽卡钻、下套管不畅。

井底水平位移过大等，会打乱油气层面上井眼的合理分配，降低采收率。

井斜偏大，会影响以后的分层开采与注水采油效果。

一般采用满眼钻井法可防斜钻井方法。

井斜可采用钟摆钻具纠斜、造斜工具纠斜或用水泥填死井斜严重井段，再重钻第二口井身。

2〕井漏、井塌当井眼中泥浆液柱压力大于地层压力时会引起泥浆漏失。

井漏原因有：

钻遇疏松地层、砂岩等渗透性地层、地层断裂带、石灰岩等裂缝发育地层或大溶洞、开泵过猛而蹩漏。

井漏使泥浆池液面下降，井口返出泥浆量减少，或循环失灵。

发生井漏应提高泥浆粘度和切力，降低泥浆比重和泵的排量。

严重时，应在泥浆中参加堵漏物质，封堵漏失层。

钻进时，井内泥浆的失水进入岩石颗粒之间，降低岩石的胶结力，如粘土、页岩和泥岩等岩层，经泥浆浸泡发生膨胀、剥落掉块，导致井壁不稳固和坍塌。

严重井塌可引起落石卡钻等事故。

采用优质低失水泥浆、增加井内泥浆柱的压力和防止钻头停在易塌地层时循环泥浆等，可防止井塌发生。

3〕井喷当钻遇大于钻井液柱压力的高压油、气、水层时，会造成井喷。

防止井喷可采取事前做好地质预告、钻井时采取调整钻井液性能和在井口安装井控设备等措施。

油气层一般均有一定的压力和良好的渗透性，钻开油气层时，往往会产生钻井液对油气层的损害或油气层中的油气侵入钻井液。

当钻井液柱压力大于地层压力时，钻井液中的滤液或颗粒会进入油气层，使其渗透率降低而影响产量。

反之，油、气或水会侵入钻井液中，发生井喷失控事故。

因此，钻开油气层不但要防止和减少对油气层的损害，还要防止井喷现象。

4〕卡钻是钻井经常发生的事故，可分为：

沉砂、落石、地层膨胀、泥饼、键槽、泥包和落物等卡钻。

沉砂卡钻是由于清水钻进、泥浆粘度低或切力小、悬浮岩屑能力差、稍一停泵岩屑就下沉、接单根时间过长和突然故障停泵检修等造成的。

落石卡钻是由于钻遇疏松、胶结性不好的地层或发生井塌时造成的。

地层膨胀卡钻是由于钻遇疏松、多孔隙或膨胀性地层，泥浆性能不好或失水大并浸泡地层，导致地层膨胀井径缩小而造成的。

泥饼卡钻是由于泥浆性能不好、含砂量过大而在井壁上形成一层很厚的粘附很多岩屑的泥饼，使井径变小。

钻柱贴向一侧井壁并承受很大侧向液静压力，这时紧贴泥饼，产生巨大摩擦力，导致卡钻。

键槽卡钻是在井斜角和方位角变化的井中，钻柱旋转与屡次下钻拉磨，在井壁上磨出一条略大于接头直径且小于钻头直径而类似键槽的细槽。

起钻时钻头恰落人槽内，即卡钻。

2.固井技术

一口井在形成的过程中，须穿过各种各样的具有不同特点的复杂地层。

为保护井眼使钻井工作顺利进展，必须对井眼进展加固。

当钻井到达预定深度后，在井眼内下入一层套管，并在套管与井眼的环形空间里填充水泥浆进展封固套管和地层，称为固井。

目的是封隔疏松的易塌或易漏地层、油、气、水层，防止互相窜漏。

主要设备有水泥车、下灰罐车、混合漏斗和其他附属设备等。

钻完一口井总共下多少层套管、每层套管的尺寸和下入深度、每次固井水泥浆深度和水泥环厚度以与每次固井对应的井眼尺寸统称为井身结构。

依井身结构的不同，钻井过程中有时仅需下一层套管，如油气层套管，有时那么需下多层套管，如表层套管、技术套管和油气层套管，最终形成一串轴心线重合的套管柱。

根据不同的地层情况和钻井目的，一口井从开场到完成可能要进展数次下套管固井作业。

3.完井方法

完井是钻井工作最后一道重要工序，主要包括钻开油气层，确定井底完成方法，安装井底与井口装置等。

对低渗透率的油气层或受泥浆严重污染时，还需进展酸化处理、水力压裂等增产措施，才能算完井。

井底装置是在井底建立油气层与油气井筒之间的连通渠道，渠道不同，那么完井方法不同。

合理的井底结构是油气层具有最大的渗透面，油气藏与油气井有最好的流通性，防止油、气和水互窜，多层油气井的各油气层互不窜通，便于分层开采。

只有根据油气藏类型和油气层的特性并考虑开发开采的技术要求去选择最适宜的完井方法，才能有效地开发油气田、延长油气井寿命、提高采收率和油气田开发的总体经济效益。

井口装置包括套管头、油管头和采油树。

其作用是悬挂井下油管柱、套管柱，密封油管、套管和多层套管之间的环形空间，控制油气井生产以与注蒸汽、注气、注水、酸化、压裂、注化学剂等回注和平安生产。

完井方法很多，当下油气层套管固井后，油气层被水泥和套管封固，必须设法使油气层与井筒沟通，一般采用射孔法完井。

比照拟坚硬的岩石和稳定的油气层，没有油、气、水的相互干扰，油气层可不用水泥封固，而是采用裸眼、贯眼和衬管等完井法来完井。

〔1〕射孔完井法钻穿整个油气层，下油气层套管注水泥固井后，再用射孔枪对油气层射孔，即在底部发射子弹射穿套管、水泥环和油气层，使油气层与油气井通过这些弹孔孔道相连通，油气能从油气层流入井内，此法采用最为广泛。

〔2〕裸眼完井法即套管下至油气层顶部进展固井，油气层段裸露的完井方法。

此完井渗透面积大，油气流阻力小，但井底易坍塌，不适于有不同性质、不同压力的多油气层。

多用于碳酸盐岩、硬砂岩和胶结比拟好、层位比拟简单的油气层。

〔3〕割缝衬管完井法在裸眼完成的井中下人割缝衬管的完井方法。

可以防砂和保护井壁，无法进展分层开采。

工艺简单、操作方便、本钱低，多用于出砂不严重的中粗砂岩油气层，可在直井、定向井以与水平井中采用。

〔4〕贯眼完井法钻完油气层后，在油气层部位下入带眼的筛管，只用水泥将油气层以上的套管封固起来，防止筛管处进水泥。

此法油气流阻力小，但不能防止油气层坍塌，不能任意选择油气层层位。

〔5〕衬管完井法套管下到油气层顶部进展固井，再钻开油气层，下入带孔眼的衬管，此完井法具有防砂作用。

衬管长度根据油气层厚度决定，衬管上部装有一个堵塞器和悬挂器，前者用以隔开油气层和井眼上部，后者将衬管悬挂于套管尾部。

其优缺点类似贯眼完井法。

〔6〕砾石充填完井法在衬管和井壁之间充填一定尺寸和数量的砾石。

能够有效保护井壁、解决防砂问题，但施工工序复杂。

分为裸眼和套管两种砾石充填完井法。

三、油藏工程

油藏工程是以油气藏或油气田〔油气藏组合〕为研究对象，以油气层渗流力学、油气层和岩石物理学、石油流体性质、石油地质学、油气井试井、油藏数值模拟与物理化学等学科为理论根底，以数学、计算机科学和经济学等学科为研究工具，用流体渗流规律认识和研究油气藏，用工程手段开发和改造油气藏或油气田，获取油气资源为目的的一门综合性应用技术边缘学科。

油藏工程形成于20世纪初期，开展于20世纪中叶，定型于20世纪末期。

油藏工程是研究整个油气藏，以石油勘探为起点，通过地质研究，对油气的储量规模和产能做出评价和经济分析，对开发方案做出设计、实施与监测。

油藏工程突出地质研究特点，强化渗流力学根底，聚焦经济效益目标，紧紧围绕储量、产能和效益三大主题展开工作。

1.石油和天然气的生成

石油的生成，长期以来存在有机和无机两种成因学说。

但大局部专家赞同有机成因学说。

无机成因说认为，在地壳深处高温、高压下，石油由无机碳和氢经化学作用而形成。

实验室通过无机合成可将简单的碳和氢的化合物合成石油。

火山喷出的气体和熔岩流中也含有烃类，许多无机体上也有烃类存在。

该学说主要是以在特殊实验条件下可以合成石油的化学反响现象和对地球内部物质的假定为依据的，因而不被大多数学者承受。

无机成因说大致包括乙炔说、碳化物说、宇宙说和岩浆说等。

有机成因说认为，现埋藏于地下的油气是在一定条件下由沉积岩中的有机物质转化而来的。

古代生物遗骸，其中以水生的鱼类、藻类等浮游生物和各种孔虫、介形虫微生物等富含脂肪、蛋白质、