第二章油氣成因

第二章石油和天然氣的成因與烴源巖主要內(nèi)容油氣成因理論發(fā)展概況油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)

油氣生成的動力條件

有機質(zhì)演化與生烴模式

天然氣的成因類型烴源巖第一節(jié)油氣成因理論發(fā)展概況（1）油氣的來源是有機成因的還是無機成因的？關(guān)于油氣成因的爭論焦點主要集中在以下幾個方面:（2）油氣的生成是高溫條件還是在低溫條件下生成的？（3）有機質(zhì)生成油氣的時間，是其演化的早期還是晚期？一、無機成因說（inorganictheory）1．碳化物說3FemCn+4mH2OmFe3O4+C3nH8m2．宇宙說（門捷列夫，1876）（索可洛夫，1889）

（庫得梁采夫，1949）3、巖漿說第一節(jié)油氣成因理論發(fā)展概況

二、有機成因說（organictheoryorhypothesis）

（1）世界上99.9%的油氣都分布在沉積巖中

（2）地層中石油分布與有機質(zhì)分布相吻合

（3）不同油田石油的成分相似，但不相同

（4）石油和煤的灰分具有相似性

（5）油層溫度一般不超過150℃

（6）近代沉積物中的可溶有機質(zhì)與石油類似

（7）實驗室加熱有機質(zhì)可以生成石油

1、支持石油有機成因的一些事實

墨西哥灣近代海洋沉積物所含烴類與懷俄明州中新統(tǒng)石油的紅外光譜圖

Ⅰ—庚烷抽提物；Ⅱ—苯抽提物1—石油；2—近代海洋沉積物所含烴類2、有機成因?qū)W說（1）早期成因說（2）晚期成因說（干酪根熱降解成因說）原始有機質(zhì)成巖作用早期石油和天然氣原始有機質(zhì)干酪根成巖作用早期石油和天然氣成巖作用中晚期（3）有機成因說的新進展未熟-低熟油(早期成因的石油)煤成油(集中有機質(zhì)生油)一、原始有機質(zhì)的化學(xué)組成

原始有機質(zhì)：細菌、浮游植物、浮游動物和高等植物

1.類脂化合物（Lipids）動物的皮下組織，植物的孢子、種子及果實

脂肪酸、高級脂肪酸蠟、醇類、甾類和萜類化合物

第二節(jié)油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)2.蛋白質(zhì)(Protein)

含氮化合物

由20多種氨基酸構(gòu)成

3.碳水化合物(carbohydrate)Cx（H2O）y

糖類

4.木質(zhì)素(Lignin)高等植物

具有芳香結(jié)構(gòu)

沉積巖中所有不溶于非氧化性的酸、堿和非極性有機溶劑的有機質(zhì)。1、干酪根的定義：包括沉積巖中的分散有機質(zhì)，也包括煤中的有機質(zhì)。巖石中有機質(zhì)的組成總有機質(zhì)可溶有機質(zhì)（瀝青）二、干酪根(kerogen)2.干酪根的成分高分子聚合物，無固定的化學(xué)成分，主要由C、H、O和少量S、N組成

C：76.4%，O：11.1%

H：6.3%，S：3.65%

N：2.02%

3.干酪根的結(jié)構(gòu)①三維網(wǎng)狀系統(tǒng)②含有多個核④含脂肪族鏈狀結(jié)構(gòu)③核被橋、鍵和官能團連接美國綠河頁巖干酪根B.P.Tissot等（1978）

芳香結(jié)構(gòu)多、脂肪族鏈狀結(jié)構(gòu)少黃縣褐煤干酪根結(jié)構(gòu)

（秦匡宗等，1990）

4.干酪根的類型根據(jù)干酪根的C、H、O元素組成對干酪根分類：三種類型

范·克雷維倫（D.W.VanKrevelen）圖解

（1）Ⅰ型干酪根①原始氫含量高，氧含量低

②以脂肪族直鏈結(jié)構(gòu)為主，多環(huán)芳香結(jié)構(gòu)及含氧官能團少

③主要來自藻類堆積物，被細菌改造有機質(zhì)的類脂殘留物④生油潛力很大1)元素分析方法美國綠河頁巖干酪根B.P.Tissot等（1978）

4.干酪根的類型

根據(jù)干酪根C、H、O元素組成對干酪根分類：三種類型

范·克雷維倫（D.W.VanKrevelen）圖解

（2）Ⅱ型干酪根①原始氫含量較高，氧含量較低

②含有脂肪族直鏈結(jié)構(gòu)，也含有較多的芳香結(jié)構(gòu)及含氧官能團③主要來自浮游生物（浮游植物為主）④生油潛力中等1)元素分析方法4.干酪根的類型

根據(jù)成分(C、H、O元素組成)對干酪根分類：三種類型

范·克雷維倫（D.W.VanKrevelen）圖解

（3）Ⅲ型干酪根①原始氫含量低，氧含量高

②多環(huán)芳香結(jié)構(gòu)及含氧官能團含量高，脂肪族直鏈結(jié)構(gòu)少③主要來自高等植物④生油潛力小，以生氣為主1)元素分析方法黃縣褐煤干酪根結(jié)構(gòu)

（秦匡宗等，1990）

2)顯微組分分析方法

①干酪根的顯微組成用光學(xué)方法對干酪根組分形態(tài)進行的描述

4.干酪根的類型富含氫腐泥組：殼質(zhì)組富含氫鏡質(zhì)組富含氧惰質(zhì)組富含碳

無定形體藻類體包括無定形體和藻類體，富含氫腐泥組：主要來源于藻類或藻類被改造的殘余殼質(zhì)組樹脂體孢粉體木栓質(zhì)體來源于植物的孢子、角質(zhì)、表皮組織、樹脂、蠟質(zhì)等。包括孢子體、角質(zhì)體、樹脂體和木栓質(zhì)體，富含氫鏡質(zhì)組結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體是植物的莖、葉和木質(zhì)纖維經(jīng)過凝膠化作用形成的各種凝膠體。富含氧。

惰質(zhì)組絲質(zhì)體絲炭化組分。由木質(zhì)纖維素經(jīng)絲炭化作用而形成。屬穩(wěn)定組分，富含碳

Ⅰ型干酪根

②根據(jù)干酪根的顯微組成劃分類型Ⅱ1型干酪根Ⅱ2型干酪根Ⅲ型干酪根②根據(jù)干酪根的顯微組成劃分類型②根據(jù)干酪根的顯微組成劃分類型T=（100A+50B-75C-100D）/100A、B、C、D

分別為腐泥組、殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的含量

T>80Ⅰ型

T=80-40Ⅱ1型T=40-0Ⅱ2型T<0Ⅲ型IIA型干酪根，濟陽坳陷沙三段I型干酪根，松遼盆地白堊系；III型干酪根IIB型干酪根5.干酪根的形成和演化蛋白質(zhì)碳水化合物生物化學(xué)作用氨基酸糖類類脂化合物木質(zhì)素聚合作用縮合作用黃腐酸腐殖酸腐黑物聚合縮合干酪根生物聚合體（biopolymer）地質(zhì)聚合體（geopolymer）5.干酪根的形成和演化干酪根的演化規(guī)律：H/C和O/C降低，碳富集第三節(jié)油氣生成的動力條件干酪根的結(jié)構(gòu)芳香結(jié)構(gòu)的核脂肪族鏈狀結(jié)構(gòu)的支鏈連接核和支鏈的橋和鍵化學(xué)鍵的斷裂主要受溫度和時間的控制，用化學(xué)動力學(xué)的一級反應(yīng)來描述一、溫度和時間的作用1.從化學(xué)動力學(xué)看溫度和時間的作用

化學(xué)動力學(xué)一級反應(yīng)反應(yīng)的速度與反應(yīng)物濃度的一次方成正比

式中：t為反應(yīng)時間，s；C為反應(yīng)物的濃度；k為反應(yīng)速度常數(shù)。（1）阿倫紐斯方程：

（2）式中：k0稱為頻率因子E為活化能，R為氣體常數(shù)T為絕對溫度對（1）式積分，得：C為在時刻t反應(yīng)物的濃度。

C0是反應(yīng)開始時（t=0）反應(yīng)物的濃度，（3）（1）C為在時刻t反應(yīng)物的濃度。

C0是反應(yīng)開始時（t=0）反應(yīng)物的濃度，（3）②溫度和時間具有互補性，高溫短時間和低溫長時間可以達到相同的反應(yīng)程度。

①在干酪根生烴過程中，干酪根的反應(yīng)程度與溫度呈指數(shù)關(guān)系，與時間呈線性關(guān)系，溫度的影響是主要的，時間的影響是次要的；分析（3）式可以得到兩個重要結(jié)論：從化學(xué)動力學(xué)看溫度和時間的作用2.地質(zhì)條件下溫度和時間的作用

對（3）兩邊取對數(shù)，得：對于某一固定的反應(yīng)程度，或?qū)τ谙嗤磻?yīng)程度的不同反應(yīng)：溫度的倒數(shù)（1/T）與時間的對數(shù)（lnt）具有線性關(guān)系對于相同反應(yīng)程度的不同的干酪根生烴反應(yīng),溫度的倒數(shù)（1/T）與時間的對數(shù)（lnt）具有線性關(guān)系不同盆地的干酪根的成熟點就是這樣一個反應(yīng)程度相同的點隨著埋藏深度的增大和溫度的增高，干酪根開始大量生烴的溫度稱為干酪根的成熟溫度或生油門限，這個成熟溫度所在的深度稱為成熟點

生油門限（threshold）實際地質(zhì)資料同樣證明：

①溫度的影響呈指數(shù)關(guān)系，時間的影響呈線性關(guān)系，溫度的影響是主要的，時間的影響是第二位的②溫度和時間的作用是相互補償?shù)?/p>

②溫度和時間的作用是相互補償?shù)?/p>

GT=100（T-t）/（H-h）式中，GT——地溫梯度，℃/100mT--深度為H處的地層溫度，℃，H--測溫點的深度t--恒溫帶的溫度，℃，h--恒溫帶的深度

地溫梯度的概念：在地表上層（恒溫帶）以下，深度每增加100米，地溫的增加值。二、細菌的生物化學(xué)作用分為喜氧細菌、厭氧細菌和通性細菌三類

厭氧細菌CH3COO－+H+CH4+CO2產(chǎn)甲烷菌1.乙酸發(fā)酵

2.二氧化碳還原

CO2+3H2CH4+H2O輔酶M三、催化作用催化劑是一種加速化學(xué)反應(yīng)速度而本身并不消耗的物質(zhì)

2.有機酵母催化劑

1.無機鹽類催化劑粘土礦物(蒙脫石)：吸附有機質(zhì)

①降低有機質(zhì)的成熟溫度

②加速長鏈分子的斷裂

③改變的產(chǎn)物的組成有機酵母催化劑的作用：加速有機質(zhì)的分解

四、放射性作用①水在α射線轟擊下產(chǎn)生游離氫；②熱源一、有機質(zhì)演化階段的劃分第四節(jié)有機質(zhì)的演化與生烴模式原始有機質(zhì)埋深逐漸加大乏氧+油、氣礦物質(zhì)地溫不斷升高還原環(huán)境不同深度范圍各種能源條件轉(zhuǎn)化反應(yīng)性質(zhì)有機質(zhì)向油氣作用效果不同及主要產(chǎn)物不同具階段性1.根據(jù)油氣生成機理和產(chǎn)物類型劃分①生物化學(xué)生氣階段②熱催化生油氣階段③熱裂解生濕氣階段④深部高溫生氣階段一、有機質(zhì)演化階段的劃分2.根據(jù)有機質(zhì)成熟度劃分成熟度(maturity):在溫度的作用下有機質(zhì)的熱演化程度

鏡質(zhì)體反射率Ro（

vitrinitereflectanceinoil）

：

鏡質(zhì)體反射光的能力①未成熟階段Ro<0.5%②成熟階段Ro=0.5%～1.2%③高成熟階段Ro=1.2%～2%④過成熟階段Ro>2%一、有機質(zhì)演化階段的劃分二、有機質(zhì)的生烴模式1.生物化學(xué)生氣階段（未成熟階段）①范圍：Ro<0.5%溫度：10～60℃深度：0～2000m②機理：生物化學(xué)作用③產(chǎn)物：生物甲烷、CO2、H2O，

少量高分子液態(tài)烴——未熟油.未熟油低熟油成熟油干酪根二、有機質(zhì)的生烴模式1.生物化學(xué)生氣階段（未成熟階段）

未熟-低熟油氣：指所有非干酪根晚期熱降解成因的各種低溫、早熟的非常規(guī)油氣。①范圍：Ro<0.5%溫度：10～60℃深度：0～2000m②機理：生物化學(xué)作用③產(chǎn)物：生物甲烷、CO2、H2O，干酪根

少量高分子液態(tài)烴——未熟油.生成階段：Ro＝0.3%-0.7%生成機理：低溫的化學(xué)反應(yīng)和低溫生物化學(xué)反應(yīng)；原始物質(zhì)：聚合度較低的特殊的有機物質(zhì)。二、有機質(zhì)的生烴模式1.生物化學(xué)生氣階段（未成熟階段）

未熟－低熟油的特點①密度總體偏高，但也有輕質(zhì)油

②富含高分子量飽和烴③正烷烴具有奇數(shù)碳優(yōu)勢二、有機質(zhì)的生烴模式2.熱催化生油氣階段（成熟階段）①范圍：Ro=0.5%～1.2%溫度：60℃～180℃②機理：熱催化作用③產(chǎn)物：液態(tài)石油為主，包括一部分濕氣④正烷烴主峰碳數(shù)減小，奇碳優(yōu)勢消失，環(huán)烷烴和芳香烴的碳數(shù)減少----生油窗二、有機質(zhì)的生烴模式3.熱裂解生濕氣階段（高成熟階段）①范圍：Ro=1.2%～2.0%溫度：180℃～250℃②機理：熱裂解作用，C-C鍵的斷裂③產(chǎn)物：濕氣

液態(tài)石油的裂解為主干酪根的裂解次要二、有機質(zhì)的生烴模式4.深部高溫生氣階段（過成熟階段）①范圍：Ro>2.0%

溫度：>250℃

②機理：熱裂解、熱變質(zhì)③產(chǎn)物：干氣（甲烷）固體瀝青、次石墨三、有機質(zhì)生烴模式的應(yīng)用1、是有機質(zhì)演化的理想和完整模式，具體盆地有機質(zhì)的演化更加復(fù)雜并且不一定完整。2、不同盆地由于地質(zhì)演化和地溫梯度的不同，達到各演化階段的溫度和深度可能有很大差異。三、有機質(zhì)生烴模式的應(yīng)用Ro是劃分有機質(zhì)演化階段的主要標(biāo)志①同一盆地不同層位的有機質(zhì)經(jīng)歷的演化階段是不相同的

三、有機質(zhì)生烴模式的應(yīng)用②同一源巖層中的有機質(zhì)在地質(zhì)歷史上實際上經(jīng)歷了不同階段3、有機質(zhì)演化的四個階段對于同一層位的有機質(zhì)是一個歷史的概念，但目前只能觀察到它演化到現(xiàn)在的狀態(tài)，而無法直接觀察它演化的歷史過程。15002500300040005000未成熟階段成熟階段高成熟階段過成熟階段

第五節(jié)天然氣的成因類型一、天然氣的成因類型分類原則：

②成氣作用的機理①成氣物質(zhì)的來源(有機物\無機物?)1.無機成因氣2.有機成因氣3.混合成因氣1.無機成因氣（inoganicgas）

泛指各種環(huán)境下由無機物質(zhì)形成的天然氣。(1)宇宙氣

宇宙空間中放散性反應(yīng)、核反應(yīng)及化學(xué)反應(yīng)生成的天然氣，以含He和H2為特征(2)巖漿巖氣

巖漿噴發(fā)或侵入過程中由高溫化學(xué)作用形成的天然氣，以含CO2和H2為特征(3)變質(zhì)巖氣

變質(zhì)過程中高溫作用形成的天然氣

1.無機成因氣（inoganicgas）

(4)無機鹽分解氣

沉積巖中由無機鹽類的化學(xué)分解形成的氣體，以含CO2和H2S為特征

(5)幔源氣

指地?；驈牡蒯Ｍㄟ^不同方式上升到沉積圈中的天然氣

包括與火山噴發(fā)有關(guān)的天然氣，部分溫泉氣以及沿深大斷裂或轉(zhuǎn)換斷層上升的高溫氣或低溫氣

4）渤海灣盆地冀中坳陷趙蘭莊構(gòu)造古近系孔店組和沙河街組四段所產(chǎn)天然氣含H2S高達92%，同地層中富含硫酸鹽有關(guān)。1）美國中部大陸本得隆起等氣田，氮含量高達80%－90%，伴有7%－9%的氦，推斷這種氣體同深源巖漿成因有關(guān)；2）松遼盆地南部萬金塔氣田，CO2含量>90%，為幔源巖漿成因氣；3）渤海灣盆地東營凹陷平方王油田古近系所產(chǎn)天然氣，CO2含量達63%－66%，系喜馬拉雅期玄武巖與石灰?guī)r接觸后碳酸鈣的熱分解所致；無機成因氣實例2.有機成因氣（oganicgas）

泛指沉積巖中分散或集中有機質(zhì)或可燃有機礦產(chǎn)形成的天然氣

(1)有機成因氣按成氣物質(zhì)的來源劃為分二個亞類

①油型氣(oil-typegas)

②煤型氣(coal-formedgas)

由腐泥型母質(zhì)，即Ⅰ型或Ⅱ1型干酪根形成的天然氣

由腐殖型母質(zhì)，即Ⅲ型或Ⅱ2型干酪形成的天然氣

（2）有機成因氣按成氣機理或外營力作用劃分

①生物成因氣（biogeneticgas）

指有機質(zhì)在未成熟階段(Ro<0.5%),在低溫條件下經(jīng)厭氧細菌的生物化學(xué)作用形成的天然氣

油型生物氣、煤型生物氣

②熱解氣（pyrolysisgas)

有機質(zhì)在成熟和高成熟階段經(jīng)有機質(zhì)的熱降解作用(包括一部分石油的熱裂解作用)形成的天然氣

油型熱解氣：原油伴生氣、凝析油伴生氣煤型熱解氣③熱裂解氣（crackinggas）

指過成熟階段(Ro>2.0%)由已形成的液態(tài)烴或殘余干酪根經(jīng)高溫?zé)崃呀庾饔眯纬傻奶烊粴?/p>

油型裂解氣煤型裂解氣（2）有機成因氣按成氣機理或外營力作用劃分

3.混合成因氣（multi-geneticgas）：無機氣與有機氣的混合無機成因氣、生物成因氣、煤型氣、油型氣二、天然氣和石油在形成條件上的差異1.成氣物質(zhì)的多源性：原始有機質(zhì)、各種類型的干酪根、煤、可溶有機質(zhì)、液態(tài)烴、無機物質(zhì)2.成氣機理的多樣性：微生物生物化學(xué)作用、熱降解、熱裂解、無機化學(xué)反應(yīng)、核反應(yīng)3.成氣環(huán)境的廣泛性：地表環(huán)境、不同深度的地下環(huán)境、水體、地殼深部、太空天然氣和石油形成條件的對比三、各類天然氣的特征1.無機成因氣(1)組成：CH4含量低，以非烴氣體為主，CO2常見(2)同位素：富集重碳同位素δ13C1>-30‰，絕大多數(shù)δ13C1>-20‰2.生物成因氣(1)組成：(2)同位素：

CH4占絕對優(yōu)勢，可高達98%干氣富集輕的碳同位素，δ13C1<-55‰

3.油型氣（1）原油伴生氣和凝析油伴生氣組成：重?zé)N氣含量高，一般超過5%，有時可達20%～50%濕氣原油伴生氣：δ13C1=-55‰～-45‰凝析油伴生氣：δ13C1=-50‰～-40‰碳同位素：δ13C1=-55‰～-40‰（2）裂解氣（過成熟階段生成的氣）

碳同位素：δ13C1=-40‰～-35‰

組成：以CH4為主（干氣），重?zé)N氣<2%4.煤型氣組成：甲烷CH4含量較高，重?zé)N氣含量較低，一般<20%碳同位素：δ13C1=-42‰～-25‰，多數(shù)大于-35‰第六節(jié)烴源巖一、烴源巖（sourcerock）的概念：①烴源巖：能夠生成油氣，并能排出油氣的巖石稱為烴源巖②烴源層或源巖層（sourcebed）：由烴源巖組成的地層稱為烴源層

③源巖層系：在一定地質(zhì)時期內(nèi)，具有相同巖性－巖相特征的若干烴源層與其間非烴源層的組合稱為源巖層系

二、烴源巖的類型和地質(zhì)特征1．烴源巖的類型和巖性

一般巖性特征：常含分散狀的黃鐵礦富含有機質(zhì)和微體古生物化石粒細、色暗、(1)粘土巖類烴源巖

的泥巖和頁巖

灰黑、深灰、灰及灰綠色暗色松遼盆地白堊系青山口組、渤海灣盆地古近系沙河街組

(2)碳酸鹽巖類烴源巖

灰黑色、深灰色、褐灰色、灰色

石灰?guī)r，生物灰?guī)r，泥灰?guī)r，常含泥質(zhì)成分

四川盆地、華南、塔里木、波斯灣盆地侏羅系

(3)煤系烴源巖

煤和煤系地層中的暗色泥巖,

特殊的煤（富含富氫顯微組分的煤）也可以生油煤系可以生氣

吐哈盆地侏羅系2.烴源巖的巖相特征

淺海相三角洲相深水-半深水湖相沼澤相二、烴源巖的類型和地質(zhì)特征3.烴源巖形成的大地構(gòu)造環(huán)境

長期穩(wěn)定、持續(xù)沉降的大地構(gòu)造環(huán)境欠補償型盆地沉降速率>>沉積速率只有補償型盆地最有利于烴源巖的形成二、烴源巖的類型和地質(zhì)特征超補償型盆地沉降速率<<沉積速率補償型盆地沉降速率≈沉積速率4.烴源巖形成的古氣候條件

溫暖潮濕的氣候條件二、烴源巖的類型和地質(zhì)特征三、烴源巖地球化學(xué)特征

烴源巖地球化學(xué)特征：有機質(zhì)豐度、類型、成熟度

1.有機質(zhì)豐度（organicmatterabundance）

（1）有機碳含量（TotalOrganicCarbonContent）

(TOC)總有機碳含量：干酪根中的有機碳加上可溶有機質(zhì)中的碳；剩余有機碳含量：巖石中殘留的有機碳的含量單位：%，占巖石的重量百分比（2）氯仿瀝青“A”含量和總烴含量氯仿瀝青“A”：用氯仿從巖石中抽提（溶解）出來的有機質(zhì)，即可溶有機質(zhì)總烴：氯仿瀝青“A”中的飽和烴和芳香烴組分的含量泥巖的有機碳平均含量高于石灰?guī)r的有機碳的平均含量(H.M.Gehmen,1962)碳酸鹽巖平均：0.24%泥巖平均：1.14%①泥質(zhì)烴源巖評價標(biāo)準(zhǔn)等級TOC(%)“A”(%)總烴(ppm)非烴源巖<0.5<0.01<100差烴源巖0.5-1.00.01-0.05100-250中等烴源巖1.0-2.00.05-0.1250-500好烴源巖>2.0>0.1>500渤海