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1、第八章 油气地球化学勘查,第一节油气与油气异常 一、油气化探的基本概念 油气化探是石油天然气地球化学勘探的简称。它是利用地球化学的方法，通过研究油气在形成、运移、集中、分散及破坏过程中在天然介质中留下的痕迹（即地球化学异常）来寻找油气藏的探矿方法。,二、油气藏的一般知识 1烃的一般知识 油气田本身是烃类的工业聚集体，烃类是指只包含C、H两种元素的化合物。由于烃分子中碳原子数目和连接方式不同，已知烃类化合物在3000种以上，油气化探中只涉及最简单的几种烃类。,开链烃是碳骨架首尾不相连，但可以有支链和侧链(即分子中无环状结构且碳碳原子如链相连的一类碳氢化合物)。因为最早发现于脂肪，故又称脂肪烃。如
2、果碳与碳之间是单键相连，意味着氢结合达到最高，则称饱和烃，也称烷烃。如果碳链中包含双键，则称烯烃，如包含三键，则叫炔烃。开链烃的通式是CnH2n+2，习惯上称为“n烷”，n指分子中碳的数目，由1到10用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸表示，石油化学中，用C1、C2、C3、表示。自第11个碳原子的烷烃开始，用数字表示，如C11叫十一烷。C1-C4是气体，C5-C16是液体，C17以上是固体。气体最易扩散迁移，是最好的化探指标。,脂环烃是碳原子相连成环的碳氢化合物。环丙烷和环丁烷在常温下是气体，从环戊烷开始是液体，高级环烷烃是固体。含有5个或6个碳原子的环烷烃是石油中最普遍的分子结构，占原油
3、的50以上。 芳烃是由6个碳原子和6个氢原子组合而成的特殊碳环，即苯环化合物。它们也是原油的组成部分，但比例较小，不超过15。由于其中某些芳烃在水中有一定溶解度，可能作为油气化探的指标。,2石油天然气的形成 大多数石油学家认为，石油来自沉积岩中的有机质。沉积物形成后，从地表到深部，有机质经历了从活体-残骸-腐殖质-干酪根-高碳干酪根-石墨的转化过程。根据有机地球化学家的意见，有机质的转化可分为三个阶段，不同阶段产生的烃类如表8-1。,3油气藏的概念 各种不同类型的岩石均具有一定的孔隙和裂缝，地下石油和天然气就储存在岩层的连通孔隙、孔洞和裂缝之中。它们的储集方式就像水充满在海绵里一样。凡具有连通
4、孔隙，能使流体储存，并在其中渗滤的岩石称为储集层。储集层联合封闭而形成的能聚集并保存油气的场所称为圈闭。形象他说，圈闭就是储集层作为盛装油气容器的部分。圈闭中油气聚集到一定数量后就成为油气藏。油气藏是单一圈闭内具有独立压力系统和统一油水(或气水)界面的油气聚集，是地壳中最基本的油气聚集单位。,一个完整的油气藏存在必须有相对应的生、储、盖组合。生，即生油(或气)岩，曾经产生并排出足以形成工业性油、气聚集的烃类的细粒沉积物。储，即储集层。盖，即盖层，在储集层上方，能够阻止油气向上逸散的岩层，富含有机质的页岩是最有利的生油层，粗砂岩是有利的储集层，泥质岩是最好的盖层。 分散于生油岩中的油气能够聚集形
5、成油气藏是通过油气运移来完成的。按照时间顺序，把油气从细粒的生油岩中向外排出的过程叫做初次运移，油气脱离母岩后在储集岩内部的传输过程叫做二次运移。此外，石油聚集形成后，如果再发生运移，一般称之为三次运移。正是因为存在三次运移，才为油气地球化学勘探提供了深部油气藏的信息(图8-1)。,4油气藏的类型 由于地质作用的复杂性，在自然界存在着不同类型圈闭形成的油气藏，如构造圈闭所形成的油气藏、地层圈闭所形成的油气藏、水动力圈闭形成的油气藏等。典型的油气藏为背斜油气藏。,圈闭分类系统表,三、油气异常的形成 1扩散作用 扩散作用是由分子、原子或离子向真空、溶液或多孔介质沿着它所在系统中的各部分浓度低的方向
6、散开去的作用。只要有浓度差，就会发生扩散作用，所以这是自然界最为普遍的现象。 2浮力作用 在潜水面以下，地层一般是水饱和的，当地下水静止不动或流动速度甚低时，浮力使油气从地下深部向地表发生垂向迁移。由于油气与水不相混溶，产生油珠或气泡，而油珠或气泡的密度比水小，则油珠或气泡就受到其所排开同体积水的重量的上升浮力。,3流体动力学作用 流体动力学作用是压力梯度驱动下，流体在多孔介质中做定向运动。这里的流体，包括水、油、气以及它们相互溶解的溶液。它们的流动方式多种多样，如介质很稀疏，压力差很大，可以产生喷流；如介质很致密，压力差较小，则产生渗流。烃可以单独成相或溶解在水中呈真溶液或胶体溶液被水带运。
7、在运移过程中，还可以发生过滤作用，即水与烃的分离作用。水的来源是深部盆地压实水或循环到深部的雨水。水的驱动力是水位差或构造应力。,第二节 油气化探的主要方法,一、油气地球化学指标 随着油气化探技术的发展，油气指标越来越多。根据指标在油气化探中的作用可分为直接指标和间接指标两大类。 直接指标是指直接从油气藏中分散出来的烃类，主要是轻烃。间接指标又可根据间接的程度分为两类。 第一类间接指标是直接指标的派生物，最具亲缘关系。例如轻烃的氧化产物及由于烃类氧化造成环境改变而生成的产物，如C、亚铁、细菌等。第二类间接指标则只与烃类的运移和保存条件以及其他次生变化有关，并不和烃类直接有成因关系。如某些无机气
8、体和生物地球化学异常。,地表油气化探异常影响因素综合图,油气化探指标,C：是土壤热释碳酸盐碳的简称，是土壤在500600C温度下释放的C02。它是烃类物质在表生带富氧和微生物作用下发生分解形成C02，与土壤中钙铝硅酸盐矿物反应，形成次生碳酸钙(方解石)作为胶结物在土壤中积累下来。这种次生碳酸盐与普通碳酸盐无异，加热并不能形成CO2。但在Fe3+还原为Fe2+后，Fe2+可替代Ca2+，形成铁白玉石类矿物。这种含铁方解石在500600条件下通过晶格转换，释放出CO2，即C，即 (Ca1-x,xFe)C03xFe0(1-x)CaC03xC02,甲烷菌：油气的形成和降解，微生物都起着重大的作用，烃类
9、氧化菌以烃类为食物，烃类最终被分解形成CO2、H2O及有机酸。以甲烷为食物的称为甲烷菌，以乙烷为食物的称为乙烷菌，此外还有多种其他细菌如丁烯菌、戊烷菌等。菌数繁生程度与物源成正比，因此，以烃类为食物的他养型细菌可作为油气化探的指标，其中甲烷菌应用最为广泛。 亚铁、FeS2：细菌氧化分解烃类时，可造成局部的还原性环境，使Fe3+还原为Fe2+，进而形成黄铁矿，因此，亚铁、黄铁矿成为间接指标。,无机气体：包括汞气、氦气、CO2、H2、Rn、H2S等，均可作为油气化探指标。汞是特定含碳地层中富集元素，如煤系地层富集，石油天然气的形成温度促使围岩汞活化，并富集于油田卤水中。CO2是油田上方烃分解的产物
10、。Rn是由于油气田上方还原环境造成富铀后的衰变产物。He、H2、H2S等虽与油气无联系，但迁移通道、聚集条件一致。 放射性、测量：是由于油气田上方后生富集铀衰变产生的、粒子。由于粒子射程短，故常用、测量。铀本身并不富集于油田中，铀富集是因它的变价性质所致。U6+通常呈铀酰离子U22+，易溶于水迁移，在还原条件下形成UO2，丰富的有机质正好创造这一条件。,卤族元素：因其亲生物性而聚积在有机物中，特别是海洋生物更富卤族元素，尤其是I、Br最为富集，Br、I性质相似，故常用I作指示元素。在油气田上方几乎无例外有高浓度异常。 重金属元素：与油气关系尚未认真研究，但变价元素Fe、Mn在大量烃类氧化分解形
11、成还原环境时，Fe2+容易淋失，而Mn6+还原成Mn4+则极难溶解而残留富集。因而造成MnFe比的高异常。Ni、V可能在石油中形成有机化合物如Ni卟啉(porphyrin)、V卟啉等随油气一起分散，到近地表解体，遇还原环境而被S2-沉淀。从理论上讲，可成为找油标志。 碱土金属：在沉积岩中丰度高，白云岩化会导致孔隙度升高，成为良好的储集层，Ca、Mg可作矿物学标志。Sr、Ba在沉积盆地深部因温度升高而有利于溶解，在压实过程中向沉积体外围排出，因此油田水中含很高的Sr、Ba。,二、以烃类为基础的化探方法 1壤中烃气测量 壤气烃测量技术的关键是气体样品的采集，即如何隔离大气的混入。常用的办法是，用机
12、动麻花钻打一深孔，用充气橡皮袋使孔底与大气隔离，将土壤气从伸入孔底的探管抽出，然后直接注入分析仪器进行测定。这一过程一般在野外现场完成。美国埃克森石油公司20世80年代研制了一套快速化探仪，使壤气烃的测量技术更趋成熟。它由导向车、取样车、分析车三部分构成。,2水溶烃测量 水溶烃测量与壤气烃测量相同。 其中，芳香族化合物在油气中的含量低于烷烃，但低环化合物较烷烃更加稳定，有较高的蒸气压和较大的溶解度。在地下以气态形式通过微渗漏方式或以溶解与悬浮状态通过水动力运移至地表形成地球化学异常。 测量芳香族化合物的常用方法是紫外吸收光谱法与荧光光谱法。,3土壤烃测量 各种形式的土壤烃类测量是目前应用得最广
13、的地表油气化探方法。其原因是土壤作为地表的分散介质不但分布广，到处都可以采到，而且能最大限度地保护深部来的油气信息。土壤中烃类存在形式有多种：土壤孔隙中的游离烃，壤中气烃测量即是这种；范德华力吸附烃；静电吸附烃，土壤胶体带负电荷，C3以上的分子极化后被吸附；以溶解或微泡形式存在于土壤薄膜水中；以包体形式存在于次生矿物中，特别是次生碳酸盐；存在于粘土矿物层间；存在于釉土矿物层间；原生矿物或岩屑中的包裹气泡。,酸解烃测量法 ： 用酸(一般用1：6的盐酸)溶解土壤中的碳酸岩矿物并将土壤中各种形式的轻烃释放出来，同时让CO2作为载气与夹裹的轻烃一起通过碱溶液(40的NaOH或KOH)。CO2被碱溶液吸
14、收，将剩下的气体收集起来，注入气相色谱仪测定。 该测定方法的最大优点是操作可以标准化，所得结果在不同实验室之间可以对比，且没有随时间变化的现象，适用于区域性工作。,三、非烃类指标的测量方法 以烃类为主的指标一般皆为油气化探中的直接指标，非烃类指标一般皆为间接指标，在这些指标中，目前应用最广，最为成熟的是土壤热释碳酸盐测量、汞气测量、无机元素测量。我们重点介绍土壤热释碳酸盐测量（C法）、卤素测量及汞气测量。,1土壤热释碳酸盐测量（C法） 土壤热释碳酸盐测量(以下简称C法)是20世纪30年代由DeGo1yer等人开发的一项地表油气化探方法。基本原理：储集层中的低分子烃类，从深部的还原环境向上渗透或
15、扩散到达近地表的氧化环境时，一部分被土壤颗粒吸附，而另一部分由于氧化而生成CO2 ，CO2将分解沉积物中的硅酸盐和铝硅酸盐，生成碳酸盐、AlO2和Al2O3；此外，CO2可直接与某些金属离子结合而形成某种稳定的特殊碳酸盐。在特定的温度区间(500600)内热解这些特殊类型的碳酸盐，能重新释放出轻烃成因的CO2，测定其含量，研究其分布规律，可以预测区域含油气远景，判断油气藏的存在。,C的测定包括两个步骤。第一步，在500温度下，通氧气烧灼样品，目的是彻底除去有机物及分解低温碳酸盐。第二步，在600温度下惰性气氛中烧灼样品，收集并测定这一期间释放的CO2，并换算到原样品的CO2百分含量，CO2的收
16、集办法有冷阱收集法、溶液吸收法、恒压密封法等几种。CO2的最终测定方式有气相色谱法、滴定法、红外吸收法、质谱法、热失重法等。保证C测定质量的关键是炉温的均匀性与控制的精确性。 该方法的主要干扰因素是碳酸盐的含量。C与碳酸盐总时不时有密切的正相关关系。有时C异常仅仅反映了总碳酸盐的升高而不是油气聚集。此外，土壤性质、景观条件、油气藏类型等都会影响到C的异常形态，在解释时必须综合考虑才能少犯错误。,2卤素测量 常用的Br、I 测量。 I 原存在于生油的有机物中，在有机酸及腐殖质分解的早期生烃阶段，I 就可以从有机分子中分离出来进入地下水中，在后期生油阶段（65100），由于沥青大分子或干酪根的解体，也能使 I 进一步分离出来，它们在地下水中迁移，遇到良好的通道就会在地表引起异常。 I 的背景含量在（115）l0-6之间，有的油气田的异常值可达40l0-6。 I 的测定有多种方法，如离子色谱法、比色法、化学荧光法等。 由于碘化物沸点较低，所以利用热释法可将其蒸发出来，
