A、石灰水是由水和氢氧化钙两种物质组成的，属于混合物，故A错误；

B、石油是一种复杂的混合物，含有多种烃类化合物，属于混合物，故B错误；

C、清洁的空气中含有氧气、氮气、二氧化碳等多种气体物质，属于混合物，故C错误；

D、甲烷是一种由C和H两种元素组成的物质，则属于化合物，故D正确；

故选D．