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1、石油天然气地质与勘探石油天然气地质与勘探主讲人：张传河主讲人：张传河中国石油大学胜利学院中国石油大学胜利学院1油气成因概述油气成因概述油气生成的原始物质油气生成的原始物质油气生成的地质环境与物理化学条件油气生成的地质环境与物理化学条件有机质成烃演化模式有机质成烃演化模式天然气的成因类型及特征天然气的成因类型及特征烃源岩特征与油源对比烃源岩特征与油源对比 第二章第二章 石油和天然气的成因石油和天然气的成因 石油天然气地质与勘探石油天然气地质与勘探2第二节第二节 生成油气的原始物质一、生物有机质二、沉积有机质三、干酪根3第三节第三节 油气生成的地质环境与理化条件一、油气生成的地质环境二、促使油气生
2、成的理化条件4沉积有机质转化为烃类，经历一个去氧、加氢，富集碳的过程。原始有机质的堆积、保存、转化过程必须在还原条件下进行。还原环境的形成和持续时间的长短，则受当时的地质环境和理化条件的控制。5长期稳定下沉的大地构造背景（V沉积V沉降） ； 较快的沉积（堆积）速率； 足够数量和一定质量的原始有机质； 低能、还原岩相古地理环境（浅海相，半深深湖相、前三角洲相）；适当的受热和埋藏史。 适宜的地质环境，不但为有机质的大量繁殖、堆积、保存、转化创造 了有利的地质条件，而且为促使有机质向油气转化提供了必需的理化条件 （温度、时间、细菌、催化剂、放射性等）。 有利于有机质形成和转化的地质环境：一、油气生成
3、的地质环境6 有利于有机质堆积、保存和向油气转化的地区：地质历史上形成巨厚沉积岩层的沉积盆地。1、大地构造条件板块的边缘活动带，板块内部的裂谷、坳陷，以 及造山带的前陆盆地、山间盆地等大地构造单位。7若沉降速度大大超过沉积速度(VsVd)， 水体急剧变深，不利于生物的发育和有机质 的保存；若VsVd，水体迅速变浅，盆地上升为陆， 有机质易受氧化，不利于有机质的堆积和保存。8长期持续下沉，伴随适当的升 降，沉降速度与沉积速度相近或 稍大，可长期保持适于生物大量 繁殖和有机质沉积保存的环境， 形成巨厚的生油岩系，有利于有 机质迅速向油气转化。9我国主要大型陆相湖盆的发育特征10深水-半深水湖泊是陆
4、相生油岩发育的有利区域近海地带的深水湖盆最有利早白垩世的松辽盆地、早第三纪的渤海湾盆地 等都可能属于当时的近海湖盆，成为湖相生油的 最有利区域。2、岩相古地理条件湖泊能够汇聚周围河流带来的大量陆源有机质，增加 了湖泊营养和有机质数量；湖泊有一定深度的稳定水体，提供水生生物的繁殖发 育条件。这种地区水体营养丰富，浮游生物及藻类繁盛， 往往又是河流三角洲的发育地带，河水带来大量陆源有机 质注入近海湖盆，有机质异常丰富。11在浅水湖泊和沼泽区，水体动荡，大气中的氧易于进入水体，不利于有机质的保存；这里的生 物以高等植物为主，有机质多属型干酪根，一 般生油潜能较差，多适于形成煤和生成天然气。 但在有些
5、情况下可大量生油，如澳大利亚的吉普 斯兰盆地、加拿大的斯科舍盆地、我国的吐哈盆 地都在煤系地层找到了石油。12滨海 浅海（陆鹏） 半深海（陆坡） 深海（深海平原） 高能环境海水 进退频繁 沉积物粗 不利生物繁殖， 堆积和保存水体营养丰富， 阳光充足 水体较安静 生物大量繁殖 最有利水体营养不足 生物不发育 生物遗体下沉经历巨厚水体 大部分遭到破坏， 陆源有机质很少133、 古气候条件古气候条件直接影响生物的发育 ，温暖湿润的气候有利于生物的繁 殖和发育，是油气生成的有利条件 。14第三节第三节 油气生成的地质环境与理化条件一、油气生成的地质环境二、促使油气生成的理化条件15不同深度沉积物中有机
6、质与石油的元素组成（据C.E.ZoBell）深度 物质类质类 型碳，%氢氢，%氧，%氮，%硫，% 浅 深海洋腐殖泥52630110.8 近代沉积积5872490.6 古代沉积积739140.30.3石油石油858513130.50.50.40.40.10.1随埋深加大，氧、氮、硫逐渐减少， 而碳、氢相对富集。二、促使油气生成的理化条件16元素沉积积岩中的有机质质，%石油，% 碳52-7183-87 氢氢7-1011-15 氧15-35痕量-4 氮4-6痕量-4 硫痕量-4沉积岩中有机质与石油的元素组成对比表17细菌、催化剂、温度和时间放射性、压力促使有机质转化为油气的理化条件（物理、化学、生物
7、化学条件）主要有： 181、细菌作用在沉积末期至成岩早期：A1.作为养料，被微生物吞食、消耗2.细菌作用CO2、H2O、CH4（生物成因气）3.聚合、缩合干酪根、少量油19细菌：分布最广、繁殖最快、适应力最强三类：喜氧细菌、厌氧细菌和通性细菌。在缺游离氧条件下，有机质可被厌氧细菌分解而 产生甲烷、氢气、二氧化碳以及有机酸和其他碳氢 化合物。细菌作用实质：将有机质中的氧、硫、氮等杂元素分离出来，使碳、氢，特别是氢富集起来。2021有酵母存在时，有机质的分解比在细菌活动时快得 多。在富含有机质的岩石中，特别是在富含植物残余的 岩石中，酵母的活动性最大。2. 催化剂作用：主要中浅层 125 油气生成
8、过程中，催化剂与分散有机质作用，改 变有机质的原始结构，形成结构更稳定的烃类物质。有机酵母：催化作用强，不耐高温。主要：成岩早期22无机盐类：最主要的是粘土矿物 成岩中晚期蒙脱石型的粘土催化活力最强。粘土矿物是自然界分布最广的无机盐类催化剂。在实验室用粘土作催化剂，在150250下，可以使酒精和酮脱水或使脂肪酸去羧基，产生类似石油的物质。粘土矿物的催化作用不仅可以降低有机质的成熟温度，促进石油生成。而且对干酪根热解烃的化学组成、产率也都有很大的影响。在相同热解温度下，粘土矿物比例不同，热解烃产率也不同。23沉积有机质向油气演化的过程，是在自然条件下 ，主要受热力作用发生的复杂的化学反应过程。同
9、任何化学反应一样，温度是最有效和最持久的 作用因素；在反应过程中，温度不足可用延长反应时 间来弥补，温度与时间似乎可以互为补偿：高温短时 作用与低温长时作用可能产生近乎同样的效果。石油中卟啉化合物（180）和旋光性（330）的存在，说明形成石油的温度并不太高。3.温度和时间24 1974年，法国学者J.Connan提出：沉积有机质向石油转化的作用符合化学动力学的一级反应。即：反反 应速度只与反应物浓度的一次方成正比应速度只与反应物浓度的一次方成正比。亦就是说， 在任何一瞬间，反应速度只与该物质的浓度有关。-dCA/dt=KCA- （1）式中 CA反应物（干酪根）在t瞬间的浓度；t反应时间；K反
10、应速度常数（降解速率）；负号反应物浓度随反应进行生成物增加而减少。K值可由阿伦纽斯方程求得：25阿伦纽斯（Arrhenius，1889）： K=A e-E/RTA指数前因子（频率因子）：单位时间单位容积内粒子碰撞次数（次/S.cm3）；R气体常数（8.315J/K.mol）；E反应物活化能；T绝对温度（K）（273.15+t ）；e自然对数的底（2.71828）26若 Co反应物初始浓度（t=o），则 ：即 lnC0A/CA=Kt ；所以：K1/t lnC0/C反应时间的自然对数与绝对温度成反比直线关系lnA-E/RT=-lnt+lnlnC0A/CAA为常数；Co/C也可视为一常数27v1）、
11、有机质热解生油的速率随温度增加呈指数增加。当T太低时，有机质热解速度很慢。只有当温度达到一定值后，干酪根才开始大量转化为油气。28v2）、有机质随埋深加大，当温度达到一定数值时，开始大量向石油转化，这个温度称生油门限温度。对应的深度称生油门限深度。29v3）、有机质热解生油过程中t与T有互补性，一定温度范围内高温短时间可与低温长时间达到同样的效果。高地温有机质成熟所需时间短低地温有机质成熟所需时间长30石油大量生成成熟点的确定（据P.Albrecht，1969）31我国不同盆地不同时代生油岩埋藏深度与油气生成的关系 在时间和温度综合作用下，有利于油气生成并保存的 盆地应该是年轻的热盆地年轻的热
12、盆地（地温梯度高）和古老的冷盆地古老的冷盆地 。32不同盆地不同时代生油岩埋藏深度与油气生成的关系（据Tissot等，1984）生油岩的时代不同，生油门限温度不同。干酪根类型不同，对生油门限温度也有影响。33世界若干含油气盆地生油岩成熟点的温度与时间（据J.Connan，1974）资资料来源成熟点资资料作者地理位置样样品 来源主要岩 石类类型年龄龄 Ma现时现时温 度， 实际实际深 度，米岩石类类型1/T K-1 Albrecht （ 1969）喀麦隆 杜阿拉盆地4口井粉砂质质 粘土岩70651200粉砂质质 粘土岩0.00296Philippii （1965）加里福尼亚亚 洛杉机盆地2口井页
13、页岩121152440页页岩？0.00258加里福尼亚亚 文图图拉盆地3口井页页岩121272740页页岩？0.00250Louis、Tissot （1967） 法国 巴黎盆地17口井、 2个采石场场页页岩180601400页页岩0.00300Connan （1971、 1972）法国西南部 阿奎坦盆地1口井碳酸盐盐岩112903300泥质质、石灰岩0.00275法国西南部 阿奎坦盆地31口井碳酸盐盐岩135722500碳酸盐盐岩0.00289法国东东南部 卡马马尔果盆地1口井岩性变变化大381063250碳酸盐盐岩、砾砾岩0.00264阿尤恩区 奥若河1口井碳酸盐盐岩、 页页岩、粉砂岩105
14、852740粉砂质质、粘土岩0.00279沙巴苏苏禄海区1口井页页岩、砂岩521203050粉砂质质、粘土岩0.00254新西兰兰塔拉纳纳 基盆地（海上 ）1口井页页岩、粉砂岩 、砂岩、煤层层70802900粉砂质页质页岩、粉 砂岩、煤层层0.00283巴西 亚马逊亚马逊 盆地6口井页页岩359621750页页岩0.00298新西兰兰塔拉纳纳 基盆地（陆陆上1口井灰质质粘土岩、 粉砂岩、砂岩32953350灰质页质页岩0.00272344. 放射性富含有机质的粘土岩中富集大量放射性物质 。用射线轰击某些有机质可得到甲烷、二氧化 碳和氢，轰击水可产生大量游离氢和氧，氢可使 有机质氢化或与二氧化碳
15、化合生成甲烷，继续在 射线轰击下可生成更重的气态烃乃至液烃。放射性元素所造成的局部地温增高将有 利于有机质的热演化。沉积岩中：总体上放射性元素含量很低可产生游离氢次要因素355. 压力 高压阻碍有机质成熟和成烃作用。 短暂的降压有利于加速有机质的成熟。3610002000300040005000深 度(m)0123 00.51400430 460压力(MPa) TOC(%) S1/(S1+S2) Tmax(C) 镜质体反射率(%) 050 1000.212超压超压抑制传统模式生 烃演化趋势莺歌海盆地超压对生烃的抑制作用37镜质体反射率(%)0 0.5 1.0 1.538004200460050005400准噶尔盆地 盆4井0.2 0.5 1.0 2.0100020003000400050006000深 度(m)濮阳凹陷38在有机质向油气转化过程中，上述各条件的作用强度不同。细菌和催化剂都是在特定阶段作用显著，加速有机质降解生油、生气；放射性作用则可不断提供游离氢的来源；高压阻碍有机质成熟和成烃作用温度与时间在油气生成全过程中都有着重要作用。所以，有机质向油气的转化，是在适宜的地质环境里，多种因素综合作用的结果。39细菌、催化剂、温度和时间放射性、压力促使有机质转化为油气的理化条件（物理、化学、生物化学条件）主要有：
