油气成因理论综述

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1、第二章油气成因理论综述油气从哪里来？或者说什么是油气的先质？这些先质是如何转化为油气的？这些问题 是从油气被发现以来，就摆在油气勘探开发T作者面前的重大课题。是油气地球化学必需血 对、汕气成因理论必需冋答的问题。对这些问题的冋答，不仅具有阐明汕气成因的理论意义, 而且对指导汕气勘探具有不言而喻的现实意义。比如说，如果汕气是火山成因的，那么汕气 勘探的有利区域就应该在正在或者曾经发生过火山活动的地区；如果油气是有机成因的，那 么油气勘探就应该将主要注意力放在与有机质沉积密切有关的沉积岩发育区。概括来说，油气成因理论的发展大致经历了四个阶段，即无机成因说、早期有机成因说、 晚期有机成因说和以晚期有

2、机成因为主但兼顾其它因素贡献的成泾理论。由于石汕工业早期 找到的更多的是油，因此早期的油气成因理论更多关注的是油的成因问题。但现代的石油成 因理论应既包括油也包括气。第一节油气的无机成因说无机成怪说认为，油气是由无机化合物经化学反应形成的。它们或者是由地球深部高温 条件下原始碳或其氧化态经还原作用形成，如UH门捷列夫（1876）提出的碳化说，库 徳梁采夫（1951）提出的“岩浆说”；或者是在宇宙（地球）形成初期即已经存在，后来随 看地球冷却被吸收并凝结在地売的上部，市这些碳氢化物沿裂隙溢向地表过程中便可形成油 气藏。如索柯洛夫（B U C O K O JT 0 B , 1889）、Gold 等

3、（1982, 1984, 1993）提出 的宇宙说。这一观点在二十世纪三十年代z前占支配地位。按照这一学说，无机成因油气不仅存在，而且远景巨大，将有可能比有机成因的油气潜 力大得多，其蕴藏量几乎是取Z不尽的（陈沪生，1991。较典型的有如对中东油气富集的 认识：波斯湾地区几十个油气田分布在一条5（）0英里长的地带，占地球表面积不到2%,却 拥有世界可采储量的50%以上。这些汕气藏显示了很宽的地质年龄谱；而且坯类产在构造 和地层变化都很大的环境中，各种圈闭都是严重泄漏的，油气渗流随处可见，且由来已久; 显然是一种过度供给的情形。这里的石油组成极为相同，因而推测它们是同一来源。但这个 来源是什么呢

4、？不少地质学家认为可能是地幔来的无机成因姪源（PA切诺韦斯，1993；转 引自陈沪生,1998）o支持无机成因学说的主要证据有：（1）疑类已经在实验室内通过无机物合成。例如，著名的俄国化学家门捷列夫很早就己在实验室小由无机的碳化物合成出坯类FeC2+2H2O - HC 三 CH+Fe（OH）2Szatmari （1989）、张景廉（2001）等认为地幔脱气生成的CO2, CO,出沿破裂带上升 到超基性的蛇纹岩带，发生费一托合成反应：co2 + h2Fe,Co,Ni,V（催化） 300-400C -CnHm+H2O+Q费一托反应合成的姪类伴随着岩浆活动（如火山喷发）沿花岗岩缺失的“通道”上升,

5、并运移到储集层形成油气藏。（2）天体的光谱中有烧类的显示，陨石中也U检测到坯类化合物。如在水星、土星、天王 星、海王星等的气圈中以及慧星的头部部有发现。地球上的有机质和生命最初也是有无机过 程合成的。（3）在火山气和火成岩中有怀类存在。如东太平洋海隆、红海、冰岛，我国的五大连 池、云南腾冲等火山区均发现有这类成因的天然气 许多含油气盆地都已在火山岩储层中发 现了油气聚集。但是，这一学说的主要弱点或不利证据有：（1）实验室或者高漏条件下合成的只能是简单的烽类化合物（高温条件下，复杂的分了量 较高的液态坯类将裂解成简单的坯气），难以解释地质条件下所发现的rti无数坯类构成的、 极其复杂的汕气组成。

6、（2）在火成岩中发现的人多数坯类都能被有机成因解释。如松辽盆地火成岩中发现的油气 绝大多数都能够被证明与沉积岩中有机质生成的坯类的运移有关。不过，报为重要的是：（3）无机成泾说无法指导油气勘探。按无机成坯说，油气勘探的有利区应该在与高温相联 系的岩浆岩、喷出岩发冇区，至少也应该在变质岩发冇区。但事实上，目前绝大多数汕气都 是在沉积岩发育区的沉积岩中找到的o尽管直到近期，仍然有一些学者执肴地坚持油气的无机成因说（Gold等，1982, 1984, 1993； Szatmari, 1989；张景廉,2001）,但由于上述难以解释的矛盾,进入上世纪三十年 代以后，随看石油有机成因证据的逐步积累，石油

7、勘探工作者开始更多地相信，油气是有机 成因的。不过，最初提出的汕气有机成因说可以看作是早期有机成因说。第二节油气的早期有机成因说石油有机成因的早期说认为，石油是由沉积物（岩）中的分散有机质在早期的成岩作用 阶段经生物化学和化学作川形成的。即这一学说认为，石油是在近现代形成的，市许多海相 生物中遗留卜来的人然坯的混合物，即它仅仅是生物体中坯类物质的简单分离和聚集。由于 此时的有机质还埋藏较浅，故也被称为浅成说。这一学说在十九世纪末期（Orion, 1888） 即被提出，但在上世纪三十年代到六十年代，受到更多的关注。概括起来，支持油气（早期）有机成因学说的主要证据有：（1）99%以上的冇油产自于与

8、冇机质密切冇关的沉积岩，产油的储层岩系与富含冇机 质的细粒岩石有密切的关系。（2）许多生物标记化合物，如吓咻、异戊二烯型烷总、角烷、话烷，在原油中的普遍 存在及石油的旋光性强烈支持其有机成因。上述具有特征、复杂结构的生物标记化合物只可能由生命过稈合成。无机过稈虽然也能 合成具有旋光性的手性碳原了结构，但它所合成的左旋、右旋结构一般相当，从而表现不出 旋光性，只有生命体中才能选择性的合成单一的结构，而体现出旋光性。（3）石汕和动植物残体之间的纟R成及碳同位素组成的相近性提供了两者Z间成因联系 的进一步证据。如B然界中无机碳（如大气中CO2P的C）的同位素组成般为中c=7.0%。, 而近代沉积物中

9、冇机物质的8,3C值范围由一10%。一30%。，奋一20%。一27%吐间行个最 大分区。石油的卫运平均值大约为一28%。（王大锐，2001 ）o（4）在近代沉积物（如深海钻探计划（DSDP）的取样中）和有关的生物体中存在烧类 及有关的化合物。如Smith （1954）引进先进分析技术，首次在现代沉积物中发现了烧类。 这是一次飞跃性的突破，为此获得了诺贝尔奖。（5）部分油气区的勘探实际显示，形成较早的圈闭（如浅于600m）仃油气聚集，而较 晚的圈闭则为空圈闭，表明了石油的早期生成和早期运移、聚集、成藏。如威尔逊（H.H.Wihon, 1990）列举了美国墨西哥湾岸区发冇有三个大型的圈闭：凯尔 西

10、背斜、霍金斯穹窿和东得克萨斯特大型油田，其间被一个单一向斜分隔，储层均为伍徳拜 砂岩。前者只含水，无任何油气显示；后二者油气却异常丰富。研究表明，富集油气的圈闭 是在油层之上沉积物厚度最多达600m时就己经形成了 （Adkins, 1956）：而以后形成的圈 闭为含水层。油气选择性地富集于早期圈闭Z中，这就限定了油气运移的时间，即油气是早 期运移的，当然也是早期生成的。因为油层（属下白恶统）现今埋深也仅在1000m左右。 类似的还冇科威特彼此紧邻的劳扎塔因背斜和萨布利耶背斜的祖拜尔砂岩储层，前者为特大 犁油田，示者只含水。据研究，前者也是在祖拜尔组上覆沉积物厚度不到600m时*,石油就 聚集于

11、劳扎塔因构造中了。一般认为，文石层在几个月（最早）或几力年（最晚）内就会转变为方解石。但据PU chtbauer和Goldschmidt （1964）对徳国西南部达卢姆油出的威尔登储集岩的研究，发现含 有女神觌属和腹足类体売的文石层组成的介壳灰岩储集层只存在于油藏Z中，而在穹窿侧翼 同层含水带中文石已全部方解石化。该穹窿构造为早期形成的同沉积隆起，其介壳灰岩与推 断的沥青质生油岩相邻。这一实例证实了泾类聚集对成岩作川的抑制作川，也证实了石油早 期能够生成和运移（H.H.Wilson, 1990）o再一个例证是挪威北海的埃科菲斯克汕田，其托 尔埃科菲斯克组白垩储集岩中，孔隙度从含油带的38%降低

12、到含水带的18% （DBeur, 1984）；同时还有白垩储集层在构造的翼部变薄,反Z油藏的储集层变”厚啲莠异压实现象。 说明石油的早期聚集抑制了化学胶结作用和压实作用。还有卡塔尔和阿布扎比近海的埃尔班 多奇油田，从埃尔班多奇背斜顶部到翼部，阿拉伯组D段白云岩储集层厚度tl95m减薄到 75m,也是坯类聚集对用实作用的抑制。但这一学说也存在明显的弱点和不足，主要体现在：（1）于沉积物和生物体中发现的坯类和原油中的坯类存在非常大的菲别，例如，许多 现代沉积物中的正构烷坯存在明显的奇偶优势，但绝大多数原油中的正构烷坯却没冇奇偶优 势。（2）存在于生物体和年青沉积物中的泾类数暈太少，远不足以形成勘探

13、所发现的商业 性的石油聚集。据保守估计，要形成商业性的石油聚集，沉积物中的坯浓度至少需要儿白 ppm以上，而事实上，沉积物中坯浓度小于几I ppmo（3）大多数原油产自于埋深10（X）m以深的产层中，而不是像浅成说所期待的哪样产于 较浅处。因此它也不能很好地指导油气勘探实践。因此，尽管也有人肓到上世纪九十年代还坚持认为（Willson, 1990）,石汕主要是有机 质在浅埋的早期阶段生成并运移、聚集、成藏的，现今多数油藏显示成熟的特征是它们在储 层中进一步熟化的结果，但绝大多数的证据并不支持大量石油的早期生成。第三节油气的晚期有机成因说晚期有机成因说认为，并入沉积物中的生物聚合体首先在生物化学

14、和化学的作用下，经 分解、聚合、缩聚、不溶等作用，在埋深较人的成岩作用晚期成为地质大分了一干酪根，Z 后，随着埋深的进步增大，在不断升高的热应力的作用下，干酪根才逐步发/|催化裂解和 热裂解形成大景的原石油（或称为沥青，包括坯类和非坯类），在一定的条件下，这些原冇 汕从生成它的细粒岩石中运移出来，在储层中聚集成为汕气藏。与早期成因说相同的是，它 也认为汕气源于有机质，但不同的是，它认为石油不是生物矩类的简单分离和聚集，而是 先形成干酪根，之后在较大的埋深和较高的地温条件下才在热力的作用下转化形成。它也 被称为深成说（此时有机质的埋深己经较大）和干酪根成婭说（有机质先形成干酪根，干酪 根再生油气

15、）。这一学说的主要立论依据除了上节提到的早期成坯说的前4点依据和和3条不足之处 外，还有：（1）人量的实验室内的热模拟实验已经证实，T酪根在实验室受热时，的确可以产生人量 类似于油的坯类和非坯类产物。抽提后的源岩（含干酪根）-*CrC4（47%）+C4+（53%）（2）自然地质剖面的实际资料显不，富含冇机质的沉积岩中的坯类含最在达到一定的深度 后开始大量升高（详见第八章）。a Tissot等人提岀并证明干酪根晚期成坯说之后，这一理论在指导油气勘探，提高油气 勘探成功率方血发挥了巨大的作用（Tissot等，1978, 1984）,曾经被认为与石油地质学和 地球物理勘探一道构成了现代油气勘探的二大

16、理论支柱。可以说，油气地球化学（早期为石 汕地球化学）作为一门单独的学科从汕气地质学中独立出来正是以干酪根成汕学说的提出和 完善为标志的。但是，干酪根成坯沖说在有效地指导油气勘探的同时，也存在一些尚待解决的问题：|（1）在有些地质条件下，奋干酪根成坯理论以为的难以大量成油的浅埋条件下，的确 生成并排出、聚集了与正常干酪根成熟油相比具冇明显不同特征的未熟油一生物甲烷气可以 大量生成，更是早已证实的非干酪根成坯过稈，而生物气的储暈可能U经占到世界人然气储 量的l/4（Rice等，1981）。我国已在柴达木盆地找到储量超过一千亿方的人型生物气出。（2）勘探中也的确发现一些油气（主要是天然气）存在无机成因的踪迹，如气体碳同 位素系列的倒转现象、幔源的伴生气等。不过，迄今为止，尚没冇一个油气田被确切地证 明为屈于无机成因。（3