石油地质学第5章油气的生成

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1、第五章 石油和天然气的成因与生油岩 石油成因概述 石油成因的现代理论 天然气的成因 生油岩 石油的地球化学对比 1 石油成因概述 一无机成因说 主张：石油是由自然界中的无机物化合而成的 ，与有机物质无关。 “碳化说” （门捷列夫，1876） 宇宙成因说（索科洛夫，1889） 岩浆说（库德梁采夫，1950s） 高温生油说（切卡留克，1971） 致命要害：解释不了为什么世界上90%以上的 石油都埋藏在沉积岩中，为什么石油具有只有生 物有机质才有的旋光性、生物标志化合物等问题 。实验室合成生成的仅是一些烃分子，远不是代 表油、气本身的复杂混合物。 发展趋势：如根据对塔里木、准噶尔盆地干酪根、 沥青的

2、Pb、Sr、Nd（铌）同位素地化研究，认为 干酪根为壳源，沥青则为幔源。 二早期有机成油说 主张：石油是地质历史时期中生物有机质在还 原环境中转化而成的，且形成于沉积物成岩作用的 早期。 依据：A实验发现，一些生物组分如类脂物 、蛋白质、碳水化合物在一定条件下都可生成烃类 ； B在现代或近代的沉积物中，观察到有机质向烃 类的转化；C某些细菌是有机物质加氢、去羧基 转化为类石油物质的媒介，而这一过程完成于沉积 物埋藏不深的阶段，说明烃类只能在成岩早期生成 。 难点：a. 世界上发现的原生油气藏几乎都在上新 世(N2)以前；b. 现代沉积中的烃类性质与真正的石 油不同：以甲烷为主，缺乏C2-8重烃

3、；正烷烃分布 曲线上具奇数碳优势，而石油中奇偶碳几乎相等。 三晚期有机成因说 1960s以来，由于分析手段的提高和认识水平 的飞跃，晚期有机成油学说逐渐占了上风。通过 对生油剖面的详细研究表明，只有当含有丰富有 机质的沉积物(称为母岩/源岩)被埋藏到一定温度 和深度时，有机质才会显著地产生大量石油烃。 Abelson（1963)提出，石油是沉积物(岩)中的不 溶有机质(称为干酪根)在成岩作用晚期，经过热 解生成的。 这一理论目前已经成为石油生成的主流学说 。 总结： 应该看到，原始有机质从沉积，埋藏到转化为石 油和天然气，是一个逐渐演化的过程，在承认晚期成 油起主要作用的同时，也不能一概否定早

4、期成油的影 响，如未/低熟油。 现在看来，液态石油的成因主要是晚期成因，而 天然气的成因条件较为宽松，成因机制也多种多样。 2 石油成因的现代理论 一、成油的原始物质干酪根 (一)沉积有机质的形成和分布 有机学说的核心核心就是石油起源于生物物质。 其生物化学组成：类脂物、碳水化合物、蛋白质、木质素 活的有机体死亡后，其分解过程可有三种途径： 沉积有机质由两部分组成：一部分是保留原先活的有 机体化学结构的继承性物质，如地球化学化石或生物标记 化合物；另一部分是非继承性物质，即原有机体分解成简 单低分子，再聚合成结构复杂的高分子物质。 有机质是沉积物中的常见成分，但它的含量变化很大， 90%以上的

5、沉积有机质呈分散状态存在于沉积物之中，一般含 量10%，在暗色泥岩中为0.82%。 沉积物中有机质的含量与生物物质的产量、原始有机质的 保存条件、堆积速度以及沉积物的粒度等因素有关。 表51 不同沉积物中的有机碳分布 (二) 干酪根 干酪根(kerogen) ：沉积岩中不溶于碱、非氧化型 酸和有机溶剂的分散有机质。 沉积岩中的 有机质可以分为 两部分，不溶的 干酪根与可溶的 沥青，后者包括 烃类、胶质和沥 青质等。 随深度增 加，干酪根含 量的减少与可 溶烃含量增加 的对应关系密 切揭示了 二者间的内在 联系。 1干酪根的成分和结构 高分子聚合物，没有固定的化学成分，分子 式可用C12H12O

6、N0.16S0.43x表示。 五种元素的重量百分比平均为：C76.4%， H6.3%，O11.1%，S3.65%，N2.02%。 干酪根在结构上是一种复杂的三维大分子， 它有很多结构单元(核)，多个核通过桥键相联结 ，在桥和核上都可能具有官能团。 2.干酪根的数量 干酪根约占总有机质的8090%，是沉积有 机质的主体。 根据杜朗(1980)估算，沉积岩中干酪根总 量1016t，而化石燃料最大资源量分别是：石油 41011t、气21011t、页岩油51011t、油页 岩1012t、地沥青31011t，煤和富有机页岩分 别为1013t和1014t。 干酪根总量约比化石燃料总量大1000倍， 非常充

7、足。 3.干酪根的类型 (1)化学分类 根据390个干酪根 样品，按H/C和O/C原 子比表示在范氏图上 ，可将干酪根分为三 种主要类型（、 、型）。 三种类型干酪根的特征对比表 反映三种类型干酪根结构的概念性模型 （均处于未成熟阶段） 型 型 型 “型干酪根”：O/C原子比特高(0.25)， H/C原子比很低(0.50.6)，不具备生油能力。 (2)光学分类 用HCl和HF除去无机矿物质后，将有机残渣( 干酪根)放在显微镜透射光下观测，可划分出藻 质、无定形絮质、草质、木质和煤质五种组分。 而在显微镜下用2550倍油浸镜头，通过反射光 观察煤或干酪根的显微组分，其划分方案如下： 壳质组/脂质

8、组：(孢质体、角质体、藻质体、树 脂体；) 镜质组：(前镜质体、真镜质体及其变种； )“Ro” 惰性组：(碎质体、菌质体、丝质体、半丝质体 。) 干酪根的宏观分类：腐泥型和腐殖型 干酪根的显微构成 1标准腐殖型干酪根(2) ，抚顺长焰煤。250 2油页岩无定形干酪根 (2)，扶顺。 250 3，4含腐殖的腐泥型干酪 根(2)，南阳，魏134、 156井。500 5藻腐泥型干酪根(2)， 左侧为盘星藻，南阳，魏 134井。500 6藻无定型干酪根(1)， 南阳，魏134井。250 (据黄第藩等，1984) 干酪根的显微组分 1藻纤维体(藻基)。南阳 ，魏134井。500 2丝质菌孢。辽河大民屯

9、，沈13井。250 3结构树皮。南阳，张5井 。500 4结构镜质体。南阳，张5 井。500 5镜质体。南阳，张7井。 800 6镜质体。南阳，张5井。 800 (据黄第藩等，1984) 二、石油形成中的生物与物理化学作用 石油的生成是一个“生物化学和物理化学作用的过 程”。 1.细菌 细菌按其生活习性可分为三类，即喜氧细菌、厌氧 细菌和通性细菌。 厌氧细菌对油气生成的意义更大。在还原条件下， 有机质经细菌分解成甲烷、氢、CO2、有机酸及其它碳 氢化合物。细菌所起的作用，是将原始有机质中的O、S 、N、P等元素分离出来，使C、H特别是H富集起来。 2.温度和时间 地球是一个巨大的地热场。地温梯

10、度（/100m ） 通过大量研究，得出如下结论： (1)并非对一般有机质，而是对由沉积有机质演 化成的干酪根加热以后，才能生成石油烃类； (2)温度较低时，加热干酪根生成的液态烃和挥 发组分产率较低，只有到达一定温度，才会大量生 成液态烃，而温度继续上升到一定程度，液态产物( 烃)又会减少，而气态烃生成量继续增加； (3)洛杉矶盆地和 文图拉盆地新近系 的地层剖面表明， 烃(C15+)的含量随 深度的变化在不同 阶段是不一样的。 说明干酪根演化中 最关键的因素是温 度而不是深度。 有机质开始大量转化成石油的温度叫门限温度。它的 高低首先取决于有机质的组分，并与有机质受热持续时 间或地质年代有关

11、，此外还受催化作用影响。 (4)干酪根热降解生烃的过程，符合化学动力 学定律的一级反应规律。 反应速度只同反应物浓度的一次方成正比，反 应速度系数K可用阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程描 述，从而可推导出： 式中，C0-反应物初始浓度，C-反应物在某一时刻的浓 度，t-反应时间，A频率因子(指前因子)，E活化 能，R气体常数，T绝对温度(K)。 康南公式： 式中t的单位是Ma。 埋藏史和受热史相结合，才能算出累计的总成熟度 效应，目前多用TTI值(时间温度指数)来表示。 TTI的积分形式是： 离散形式为: 若已知E、A、沉积速度、埋藏深度、温度梯度等， 则可算出TTI，但E、A往往不易得到

12、，因此就有了各种近 似方法（实习中使用Waples模型）。 3.催化剂 催化剂的参与可以降低反应所需活化能，加 快成烃反应速度，并改造烃的性质。自然界中这 种催化剂主要有无机盐类和有机酵母素两类。 催化实验发现，250时，粘土/油酸由21 增加到31时，烃产率由20%升至36%。而从粘土 种类看，蒙脱石催化能力最强，高岭石最弱。 4地层压力 超压容易引起反应活化能的升高，抑制有机 质的热成熟作用。 三有机质成岩演化与 油气生成的阶段性 石油和天然气是有 机质成岩演化过程中附 带的、自然的产物。不 同的演化阶段，伴随有 不同的烃类产物。 有机质的演化可分4 个阶段：即成岩作用、 深成热解作用、后

13、成作 用和变质作用阶段。 1.成岩作用阶段 成岩作用是在浅埋条件下使(大量水、矿物、 死亡的有机质和活着的微生物组成的不平衡)体系 趋于平衡，并在正常条件下促使其固结的一种作 用。涉及的深度较浅(几百米)，温度较低，一般 Ro0.50.7%，称未成熟阶段。 “生物聚合物” “地质聚合物” 最重要烃类：甲烷。 结束标志：沉积物中可抽提腐殖酸已减小到最 小量，并失去大多数羧基。 2.深成热解作用阶段 矿物的组分和结构方面，主要是粘土矿物发生 某些变化(如：蒙脱石-伊利石)。 有机质方面，原来作为地质聚合物的干酪根开始 向低分子的地质单体物转化，干酪根通过演化首先生 成液态石油，在晚期又生成湿气和凝

14、析油。 石油在性质上更为成熟。 当干酪根中脂肪族C链完全消失时，就标志着深 成热解作用的结束，此时Ro=2%。 3.后成作用和变质作用阶段 后成作用阶段：Ro=24%，煤阶对应于无烟煤。 由于温度升高，有机质热裂解反应迅速进行，氢的 过量消耗，干酪根H/C原子比已经很低，生油潜力逐渐 枯竭。 有机质仅由甲烷和C质不溶残渣组成，某些结晶序 列开始发育，同时，先期形成的液态烃和湿气也会被 裂解成热力学上最为稳定的甲烷。 变质作用阶段：Ro4%，残余的干酪根成分转变成 石墨。 四有利油、气生成的地质环境 两点要求：一是有丰富的有机质（物质基础）， 二是有适宜的物理、化学条件（外部保障）。 1.岩相古

15、地理环境 海洋中以浅海为最有利的生油环境； 陆地上的深水一半深水湖泊最有利； 温暖、湿润的气候。 2大地构造条件 只有在长期持续下沉过程中伴随适当升降、沉降 速度略大于或接近沉积速度（接近补偿）的地区， 才能持久保持还原环境。 附：两种重要的有机岩石 1、煤 一种常见的可燃岩石，有机质含量占重量的50%以上 、体积的70%以上。由各种蚀变植物经压实或固结作用形 成。其中，腐殖煤由植物细胞和表皮物质在喜氧条件下形 成，而腐泥煤则由厌氧环境中沉积的孢子、花粉和藻类形 成。 2、油页岩 一种沉积成因的致密岩石，灰分含量超过33% ，其 中所含的有机质被破坏性蒸馏（“干馏”）时可生成石油 ，但当用有机

16、溶剂抽提时，却很难见到石油。 3 天然气的成因 一、生物成因气 1.概念和形成过程 生物成因气 “群体发酵和合成作用” 它出现在埋藏浅、时代新和演化程度低的岩层中 ，以含甲烷气为主。 形成过程： 不溶有机质 酶的发酵作用 可溶有机质 产酸菌 菌体 挥发性酸 其它产物 产甲烷菌 菌体 CH4 + CO2 其它产物 2.形成条件 最有利的有机母质是草本腐植型腐泥腐植型 ； 环境：足够强的还原条件，一般Eh-300 mV为宜；pH值要求接近中性，最佳值7.27.6； 甲烷菌生长温度O75，最佳值3742。 3.化学组成 几乎全是甲烷，其含量一般98%，因此干燥 系数(Cl/C2+)一般在数百数千以上，为典型的 干气，甲烷的13C1值一般-85-