第三次課：第二章 油氣生成（章節(jié)課程）

1、第二章 現(xiàn)代油氣成因理論 油氣生成模式 水油氣1向陽(yáng)書(shū)屋p第二章 現(xiàn)代油氣成因理論 油氣生成模式 一、油氣成因?qū)W說(shuō)2向陽(yáng)書(shū)屋p1、無(wú)機(jī)成因說(shuō)1碳化物說(shuō)：地球內(nèi)部水與重金屬碳化物相互作用： 3FemCn+4mH2OmFe3O4+C3nH8m2宇宙說(shuō)：由碳、氫合成碳?xì)浠衔锸浅霈F(xiàn)在天體發(fā)展的早期階段，例如在溫度1000時(shí)，甲烷可按下列方式生成：CO+3H2CH4+H2O CO2+4H2CH4+2H2O3巖漿說(shuō)無(wú)機(jī)成因說(shuō)主要依據(jù)實(shí)驗(yàn)室化學(xué)反應(yīng)，實(shí)際的證據(jù)缺乏3向陽(yáng)書(shū)屋p2、有機(jī)成因說(shuō)世界上90%以上油氣都產(chǎn)自沉積巖。油氣在地殼中的出現(xiàn)和富集程度與地史上 生物的發(fā)育和興衰息息相關(guān)，油氣儲(chǔ)量的時(shí)代分布與

2、地層中分散有機(jī)質(zhì)以及煤和油頁(yè)巖等有機(jī)礦產(chǎn)的時(shí)代分布具有相關(guān)性。4向陽(yáng)書(shū)屋p在油氣田剖面中，含油氣層位總與富含 有機(jī)質(zhì)的層位有依存關(guān)系，而不像無(wú)機(jī)的內(nèi)生礦床那樣與火成巖和變質(zhì)巖有關(guān)；灰?guī)r晶洞和介殼中的油氣只能源于沉積有機(jī)質(zhì);5向陽(yáng)書(shū)屋p油氣的元素組成包括微量元素組成都與有機(jī)物質(zhì)和有機(jī)礦床相近；物質(zhì)名稱(chēng)C %H %S+N+O %石油淡水泥質(zhì)沉積物中的有機(jī)質(zhì)浮游生物84.3276.744.213.5811.38.62.102.047.26向陽(yáng)書(shū)屋p 石油中檢測(cè)出的卟啉、類(lèi)異戊間二烯烷烴、甾萜類(lèi)化合物被有機(jī)地球化學(xué)家稱(chēng)為生物標(biāo)記化合物，它們的碳骨架僅為生物體所特有； 石油普遍具有旋光性，這主要與含有化

3、學(xué)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)的生物標(biāo)志化合物有關(guān)； 7向陽(yáng)書(shū)屋p 模擬實(shí)驗(yàn)表明，從多種有機(jī)質(zhì)中可得到油氣中的烴類(lèi)產(chǎn)物； 現(xiàn)代化的測(cè)試分析技術(shù)可從現(xiàn)代和古代沉積物中鑒定出各種油氣中的烴類(lèi)。墨西哥灣近代海洋沉積物所含烴類(lèi)與懷俄明州中新統(tǒng)石油的紅外光譜圖 苯抽提物1 石油； 2近代海洋沉積物所含烴類(lèi)8向陽(yáng)書(shū)屋p地 質(zhì) 年 代 表問(wèn)題？據(jù)統(tǒng)計(jì)，自寒武紀(jì)以來(lái)的6億年中，古生代占去60%，擁有已知石油的11%，天然氣的20%，而中新生代卻有已知石油的89%，天然氣的72%。9向陽(yáng)書(shū)屋p二、有機(jī)成因說(shuō)干酪根晚期 生油學(xué)說(shuō)生物物質(zhì) 油 氣 ？干酪根10向陽(yáng)書(shū)屋p（一）成烴母質(zhì)干酪根1、干酪根的形成（1）沉積有機(jī)質(zhì)的生物物質(zhì)組

4、成浮游植物、細(xì)菌和高等植物：數(shù)量上最重要；浮游動(dòng)物(如有孔蟲(chóng)、放射蟲(chóng)、撓足類(lèi))和底棲生物： 一定貢獻(xiàn)； 高等動(dòng)物(如魚(yú)類(lèi))：微不足道的 11向陽(yáng)書(shū)屋p（2）原始有機(jī)物質(zhì)的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu) 類(lèi)脂化合物（Lipids）：又稱(chēng)類(lèi)脂化合物是生物體維持其生命活動(dòng)不可缺少的物質(zhì)之一。動(dòng)物的皮下組織，植物的孢子、種子及果實(shí) 脂肪酸、高級(jí)脂肪酸蠟、醇類(lèi)、甾類(lèi)和萜類(lèi)化合物 脂肪酸去羧基加氫可以形成烴類(lèi)12向陽(yáng)書(shū)屋p蛋白質(zhì)(Protein)是生物體中一切組織的基本組成部分，是生物體賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，占生物體細(xì)胞除水外的80%。含氮化合物，由20多種氨基酸構(gòu)成 。13向陽(yáng)書(shū)屋p 碳水化合物(carbohydrate

5、):又稱(chēng)糖類(lèi)，是自然界分布極廣，是一切生物體中重要組成之一。Cx（H2O）y 醣或糖類(lèi) 14向陽(yáng)書(shū)屋p木質(zhì)素(Lignin):都具有芳香結(jié)構(gòu)特征。是植物細(xì)胞壁的主要成分。高等植物 具有芳香結(jié)構(gòu) 15向陽(yáng)書(shū)屋p（3）沉積有機(jī)質(zhì)的原始生物元素組成元素組成（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）CHSNO碳水化合物44650木質(zhì)素6350.10.331.6蛋白質(zhì)53711722脂 類(lèi)761212石 油84.5131.50.50.5原始有機(jī)質(zhì)化學(xué)組成與石油還存在較大的差異脂類(lèi)較接近，是最好的生油原始物質(zhì)。16向陽(yáng)書(shū)屋p（4）原始生物物質(zhì)（生物構(gòu)型有機(jī)質(zhì)） 干酪根（地質(zhì)構(gòu)型） 生 物 物 質(zhì)（脂肪、蛋白質(zhì)、碳水化合物和木質(zhì)素）縮

6、聚作用高分子的腐植酸類(lèi)干酪根（地質(zhì)聚合物）縮聚作用細(xì)菌分解水解脂肪酸、氨基酸、糖，酚等生物化學(xué)單體CH4、 CO2、NH3、H2S、H2O17向陽(yáng)書(shū)屋p2、干酪根的定義干酪根(Kerogen)：沉積巖中所有不溶于非氧化性的酸 、堿和非極性有機(jī)溶劑的有機(jī)質(zhì)。是最重要的成烴母質(zhì)?？偟膸r石礦物分散有機(jī)質(zhì)10%wt.總的巖石礦物富集型有機(jī)質(zhì)-煤18向陽(yáng)書(shū)屋p干酪根是沉積有機(jī)質(zhì)的主體，約占總有機(jī)質(zhì)的 8090%。與其相對(duì)應(yīng)，巖石中可溶于有機(jī)溶劑的部分，稱(chēng)為瀝青(Bitumen)?？傆袡C(jī)質(zhì)可溶有機(jī)質(zhì)19向陽(yáng)書(shū)屋p3、干酪根的成分和結(jié)構(gòu) 是一種高分子聚合物，沒(méi)有固定的化學(xué)成分，主要由C、H、O和少量S、N組

7、成，沒(méi)有固定的分子式和結(jié)構(gòu)。元素組成（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）CHSNO碳水化合物44650木質(zhì)素6350.10.331.6蛋白質(zhì)53711722脂 類(lèi)761212干酪根796528生物有機(jī)質(zhì)向地質(zhì)構(gòu)型有機(jī)質(zhì)干酪根轉(zhuǎn)化：去氧、加氫、富集碳（乏氧還原環(huán)境）20向陽(yáng)書(shū)屋p美國(guó)綠河頁(yè)巖干酪根結(jié)構(gòu)模型21向陽(yáng)書(shū)屋p 4、干酪根化學(xué)分類(lèi) 根據(jù)干酪根樣品的C、H、O圖解將干酪根劃分為三種主要類(lèi)型： I型干酪根： 型干酪根： 型干酪根： 22向陽(yáng)書(shū)屋pI型干酪根 原始?xì)浜扛吆脱鹾康?，H/C原子比介于1.251.75，O/C原子比介于0.0260.12 。以含類(lèi)脂化合物為主，直鏈烷烴很多，多環(huán)芳香烴及含氧官能團(tuán)很少；

8、 它可以來(lái)自藻類(lèi)堆積物，也可能是各種有機(jī)質(zhì)被細(xì)菌強(qiáng)烈改造，留下原始物質(zhì)的類(lèi)脂化合物餾分和細(xì)菌的類(lèi)脂化合物； 生油潛能大，相當(dāng)于干酪根重量的80%。23向陽(yáng)書(shū)屋p型干酪根 原始?xì)浜枯^高，但稍低于I型干酪根，H/C原子比0.651.25，O/C原子比0.040.13。屬高度飽和的多環(huán)碳骨架，含中等長(zhǎng)度直鏈烷烴和環(huán)烷烴甚多，也含多環(huán)芳香烴及雜原子官能團(tuán)； 來(lái)源于海相浮游生物(以浮游植物為主)和微生物的混合有機(jī)質(zhì)； 生油潛能中等。 產(chǎn)物約為有機(jī)質(zhì)原始重量的60%； 24向陽(yáng)書(shū)屋p型干酪根 原始?xì)浜康秃脱鹾扛撸琀/C原子比0.460.93，O/C原子比 0.050.30，以含多環(huán)芳香烴及含氧官能團(tuán)

9、為主，飽和烴鏈很少，被聯(lián)接在多環(huán)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上； 來(lái)源于陸地高等植物，含可鑒別的植物碎屑甚多，可被河流帶入海、湖成三角洲或大陸邊緣； 熱解時(shí)可給出30%產(chǎn)物，與、型相比，對(duì)生油不利，但埋藏到足夠深度時(shí)，可成為有利的生氣來(lái)源。25向陽(yáng)書(shū)屋p我國(guó)主要陸相含油氣盆地泥質(zhì)巖中干酪根也可劃分為上述三種類(lèi)型，但以型為主，王鐵冠根據(jù)我國(guó)6個(gè)陸相盆地統(tǒng)計(jì)，型干酪根占48.5%，、型分別為22.9%和28.6%。26向陽(yáng)書(shū)屋p5、成烴母質(zhì)-干酪根形成的有利地質(zhì)環(huán)境 (VsVd)，不利于有機(jī)物質(zhì)保存 ； (VsVd)，不利于生物的繁衍 與保存。（1）有利于有機(jī)質(zhì)迅速埋藏和保存的大地構(gòu)造環(huán)境沉降速度(Vs)與沉積速度(

10、Vd)之間的關(guān)系對(duì)生物的繁衍與保存至關(guān)重要：27向陽(yáng)書(shū)屋p只有在長(zhǎng)期持續(xù)下沉過(guò)程中伴隨適當(dāng)?shù)纳?，沉降速度與沉積速度相近(VsVd)或前者稍大時(shí)， ，才能持久保持還原環(huán)境穩(wěn)定的欠補(bǔ)償大地構(gòu)造環(huán)境 可以長(zhǎng)期保持適于生物大量繁殖和有機(jī)質(zhì)免遭氧化的有利水體深度，保證豐富的原始有機(jī)質(zhì)沉積下來(lái)28向陽(yáng)書(shū)屋p(2)、有利于生物大量繁盛的古地理環(huán)境在海相環(huán)境 有利區(qū)域淺海、三角洲、海灣及瀉湖 淺海：水深一般不超過(guò)200米，水體較寧?kù)o，陽(yáng)光、溫度適宜，生物繁盛，尤其各種浮游生物異常發(fā)育，死亡后不需經(jīng)過(guò)太厚的水體即可堆積下來(lái)； 三角洲：陸源有機(jī)質(zhì)源源搬運(yùn)而來(lái)，加上原地繁殖的海相生物，致使沉積物中的有機(jī)質(zhì)含量特別

11、高，是極為有利的生油區(qū)域； 海灣及瀉湖，因有半島、群島、沙堤或生物礁帶與大海相隔，攜帶大量氧氣的洶涌波濤難以侵入，新的氧氣不易補(bǔ)給，在這種半閉塞無(wú)底流的環(huán)境中，也對(duì)保存有機(jī)質(zhì)有利。29向陽(yáng)書(shū)屋p不利區(qū)域?yàn)I海、深海區(qū) 濱海區(qū)，海水進(jìn)退頻繁，浪潮作用強(qiáng)烈，不利于生物繁殖和有機(jī)質(zhì)的堆積保存； 深海區(qū)生物本來(lái)就少，死后下沉至海底需經(jīng)歷巨厚水體，易遭氧化破壞；加上離岸又遠(yuǎn)，陸源有機(jī)質(zhì)需經(jīng)長(zhǎng)途搬運(yùn)，早被淘汰氧化，都不有利于有機(jī)質(zhì)的堆積和保存。 30向陽(yáng)書(shū)屋p 大陸環(huán)境 有利環(huán)境深水、半深水湖泊 大陸深水-半深水湖泊是陸相生油巖發(fā)育的區(qū)域。尤其在近海地帶的深水湖盆更是最有利的生油坳陷，因?yàn)榻^(qū)域地勢(shì)低洼、

12、沉降較快，是陸表水的匯集地帶，容易長(zhǎng)期積水而形成深水湖泊，保持安靜的還原環(huán)境。 一方面湖泊能夠匯聚周?chē)恿鲙?lái)的大量陸源有機(jī)質(zhì)，增加了湖泊營(yíng)養(yǎng)和有機(jī)質(zhì)數(shù)量；另一方面湖泊有一定深度的穩(wěn)定水體，提供水生生物的繁殖發(fā)育條件。 這種地區(qū)氣候溫暖濕潤(rùn)，浮游生物及藻類(lèi)繁盛，而且往往又是河流三角洲的發(fā)育地帶，河水帶來(lái)大量陸源有機(jī)質(zhì)注入近海湖盆，有機(jī)質(zhì)異常豐富，以型和型干酪根為主。31向陽(yáng)書(shū)屋p不利環(huán)境淺水湖泊和沼澤區(qū) 在淺水湖泊和沼澤區(qū)，水體動(dòng)蕩，大氣中的氧易于進(jìn)入水體，不利于有機(jī)質(zhì)的保存；這里的生物以高等植物為主，有機(jī)質(zhì)多屬型干酪根。一般認(rèn)為，型干酪根生油潛能差，多適于造煤和生成煤系氣、沼氣，為天然氣的生

13、源。 不過(guò)，近年來(lái)油氣勘探表明，煤系地層有機(jī)質(zhì)不僅可以生氣，而且其中某些顯微組分也可以生油，如澳大利亞的吉普斯蘭盆地、加拿大的斯科舍盆地、我國(guó)的吐哈盆地都在煤系地層找到了石油。 32向陽(yáng)書(shū)屋p（二）干酪根演化油氣生成模式 1、干酪根的化學(xué)性質(zhì) 干酪根是生物物質(zhì)在淺埋藏低溫（6070 時(shí)，干酪根就開(kāi)始裂解成烴，即生成油氣。33向陽(yáng)書(shū)屋p干酪根向石油的轉(zhuǎn)化反應(yīng)符合化學(xué)動(dòng)力學(xué)定律一級(jí)反應(yīng)，即反應(yīng)速度只同反應(yīng)物濃度的一次方成正比： -dCA/dt=KCA阿倫紐斯方程式：K=K0e-E/RTK0頻率因子，代表單位時(shí)間單位容積內(nèi)粒子的碰撞次數(shù)，K反應(yīng)速度常數(shù)E活化能，代表反應(yīng)發(fā)生必須由離子碰撞提供的最低能

14、量。干酪根成烴反應(yīng)速度主要由干酪根的活化能與地溫控制34向陽(yáng)書(shū)屋p生油門(mén)限：石油開(kāi)始大量的溫度或深度點(diǎn)。35向陽(yáng)書(shū)屋p36向陽(yáng)書(shū)屋p -dCA/dt=KCA K=K0e-E/RT ，可以推導(dǎo)出時(shí)間與溫度之間的補(bǔ)償關(guān)系： lnt=E/RTA=1/TE/R A 即lnt與1/T呈直線關(guān)系，即反應(yīng)時(shí)間的自然對(duì)數(shù)與絕對(duì)溫度成反比直線關(guān)系：干酪根的生烴意義：在有機(jī)質(zhì)向油氣的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，時(shí)間對(duì)溫度具有一定的補(bǔ)償作用 。37向陽(yáng)書(shū)屋p地質(zhì)年齡(Ma)地溫（）38向陽(yáng)書(shū)屋p 有利于油氣生成的盆地應(yīng)該是年輕的熱盆地和古老的冷盆地；否則，或未達(dá)成熟階段，或已達(dá)破壞階段，對(duì)油氣勘探均不利。例如，渤海灣盆地，為年輕的

15、熱盆地，下第三系地溫梯度為 ，塔里木盆地為古老的冷盆地，地溫梯度為 39向陽(yáng)書(shū)屋p2、干酪根的生烴演化階段（現(xiàn)代油氣成因模式）40向陽(yáng)書(shū)屋p（1）生物化學(xué)生氣階段 條件：從有機(jī)質(zhì)被埋藏開(kāi)始至生油門(mén)限深度為止。埋深95%，屬干氣。 （2）干酪根。大部分有機(jī)質(zhì)則被選擇性分解、縮合，形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的地質(zhì)聚合物“腐泥質(zhì)”和“腐殖質(zhì)”。再進(jìn)一步縮合成為干酪根。42向陽(yáng)書(shū)屋p（2）熱催化生油氣階段 條件：埋藏深度超過(guò)15002500m，進(jìn)入生油門(mén)限深度，有機(jī)質(zhì)經(jīng)受的地溫升至60 180。反應(yīng)性質(zhì)：粘土礦物催化促使有機(jī)質(zhì)干酪根發(fā)生熱降解，雜原子(O、N、S)的鍵破裂產(chǎn)生二氧化碳、水、氮、硫化氫等揮發(fā)性物質(zhì)逸散，同時(shí)獲得大量低分子液態(tài)烴和氣態(tài)烴。43向陽(yáng)書(shū)屋p主要產(chǎn)物：石油和濕氣。生油窗：oil window44向陽(yáng)書(shū)屋p（3）熱裂解生凝析氣階段 條件 ：當(dāng)沉積物埋藏深度超過(guò)35004000m，地溫達(dá)到180250，此時(shí)地溫超過(guò)了烴類(lèi)物質(zhì)的臨界溫度。反應(yīng)性質(zhì)：熱裂解。主要反應(yīng)是大量C-C鏈斷裂，包括環(huán)烷的開(kāi)環(huán)和破裂，液態(tài)烴急劇減少，C1 -C8 輕烴將迅速增加。45向陽(yáng)書(shū)屋p主