油氣成因理論概述

油氣成因理論概述第1頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日第二章油氣成因理論及其發(fā)展

油氣成因理論的發(fā)展大致經(jīng)歷了四個階段：

無機成因說

早期有機成因說

晚期有機成因說

以晚期有機成因為主兼顧其它成因理論由于石油工業(yè)早期找到的更多的是油，因此早期的油氣成因理論更多關(guān)注的是原油的成因問題。但現(xiàn)代石油成因理論應既包括油也包括氣。

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第一節(jié)無機成因說無機成因理論認為：

油氣是由無機化合物經(jīng)化學反應形成的。它們或者是由地球深部高溫條件下原始碳或其氧化態(tài)經(jīng)還原作用形成，如Д·И·門捷列夫（1876）提出的“碳化說”，庫德梁采夫（1951）提出的“巖漿說”；或者是在宇宙（地球）形成初期即已經(jīng)存在，后來隨著地球冷卻被吸收并凝結(jié)在地殼的上部，由這些碳氫化物沿裂隙溢向地表過程中便可形成油氣藏。如索柯洛夫（?！ぇァぇ肠?，1889）、Gold等（1982，1984，1993）提出的“宇宙說”。這一觀點在二十世紀三十年代之前占支配地位。第3頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日第二章油氣成因理論及其發(fā)展第一節(jié)無機成因說無機成因說的主要證據(jù)證據(jù)之一：烴類已經(jīng)在實驗室內(nèi)通過無機物合成

例如，著名的俄國化學家門捷列夫很早就已在實驗室中由無機的碳化物合成出烴類FeC2+2H2O→HC≡CH+Fe(OH)2

Szatmari（1989）、張景廉（2001）等認為地幔脫氣生成的CO2，CO，H2沿破裂帶上升到超基性的蛇紋巖帶，發(fā)生費－托合成反應：300～400℃CO2+H2Fe,Co,Ni,V(催化）CnHm+H2O+Q

費－托反應合成的烴類伴隨著巖漿活動（如火山噴發(fā)）沿花崗巖缺失的“通道”上升，并運移到儲集層形成油氣藏。

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第一節(jié)無機成因說證據(jù)之二：天體的光譜中有烴類的顯示，隕石中也已檢測到烴類化合物。如在水星、土星、天王星、海王星等的氣圈中以及慧星的頭部都有發(fā)現(xiàn)。地球上的有機質(zhì)和生命最初也是有無機過程合成的。證據(jù)之三：在火山氣和火成巖中有烴類存在。如東太平洋海隆、紅海、冰島，我國的五大連池、云南騰沖等火山區(qū)均發(fā)現(xiàn)有這類成因的天然氣，許多含油氣盆地都已在火山巖儲層中發(fā)現(xiàn)了油氣聚集。第5頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日第二章油氣成因理論及其發(fā)展

第一節(jié)無機成因說無機成因說主要弱點或不利證據(jù)（1）實驗室或者高溫條件下合成的只能是簡單的烴類化合物（高溫條件下，復雜的分子量較高的液態(tài)烴類將裂解成簡單的烴氣），難以解釋地質(zhì)條件下所發(fā)現(xiàn)的由無數(shù)烴類構(gòu)成的、極其復雜的油氣組成。（2）在火成巖中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)烴類都能被有機成因解釋。如松遼盆地火成巖中發(fā)現(xiàn)的油氣絕大多數(shù)都能夠被證明與沉積巖中有機質(zhì)生成的烴類的運移有關(guān)。

（3）無機成烴說無法指導油氣勘探。按無機成烴說，油氣勘探的有利區(qū)應該在與高溫相聯(lián)系的巖漿巖、噴出巖發(fā)育區(qū)，至少也應該在變質(zhì)巖發(fā)育區(qū)。但事實上，目前絕大多數(shù)油氣都是在沉積巖發(fā)育區(qū)的沉積巖中找到的。

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第一節(jié)無機成因說

盡管直到近期，仍然有一些學者執(zhí)著地堅持油氣的無機成因說（Gold等，1982，1984，1993；Szatmari，1989；張景廉，2001），但由于上述難以解釋的矛盾，進入上世紀三十年代以后，隨著石油有機成因證據(jù)的逐步積累，石油勘探工作者開始更多地相信，油氣是有機成因的。不過，最初提出的油氣有機成因說可以看作是早期有機成因說。

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第二節(jié)早期有機成因說

石油是由沉積物（巖）中的分散有機質(zhì)在早期的成巖作用階段經(jīng)生物化學和化學作用形成的。即這一學說認為，石油是在近現(xiàn)代形成的，由許多海相生物中遺留下來的天然烴的混合物，即它僅僅是生物體中烴類物質(zhì)的簡單分離和聚集。由于此時的有機質(zhì)還埋藏較淺，故也被稱為淺成說。這一學說在十九世紀末期（E.Orton，1888）即被提出，但在上世紀三十年代到六十年代受到更多的關(guān)注。

早期有機成因說的主要觀點第8頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日第二章油氣成因理論及其發(fā)展

第二節(jié)早期有機成因說早期有機成因說的主要證據(jù)（1）99％以上的石油產(chǎn)自于與有機質(zhì)密切有關(guān)的沉積巖，產(chǎn)油的儲層巖系與富含有機質(zhì)的細粒巖石有密切的關(guān)系。（2）許多生物標記化合物，如卟啉、異戊二烯型烷烴、甾烷、萜烷，在原油中的普遍存在及石油的旋光性強烈支持其有機成因。

上述具有特征、復雜結(jié)構(gòu)的生物標記化合物只可能由生命過程合成。無機過程雖然也能合成具有旋光性的手性碳原子結(jié)構(gòu)，但它所合成的左旋、右旋結(jié)構(gòu)一般相當，從而表現(xiàn)不出旋光性，只有生命體中才能選擇性的合成單一的結(jié)構(gòu)，而體現(xiàn)出旋光性。

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第二節(jié)早期有機成因說早期有機成因說的主要證據(jù)（3）石油和動植物殘體之間的組成及碳同位素組成的相近性提供了兩者之間成因聯(lián)系的進一步證據(jù)。如自然界中無機碳（如大氣中CO2中的C）的同位素組成一般為δ13C=－7.0‰，而近代沉積物中有機物質(zhì)的δ13C值范圍由－10‰－30‰，在－20‰～－27‰之間有一個最大分區(qū)。石油的δ13C平均值大約為－28‰（王大銳，2001）。第10頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日第二章油氣成因理論及其發(fā)展

第二節(jié)早期有機成因說早期有機成因說的主要證據(jù)（4）在近代沉積物（如深海鉆探計劃（DSDP）的取樣中）和有關(guān)的生物體中存在烴類及有關(guān)的化合物。如Smith（1954）引進先進分析技術(shù)，首次在現(xiàn)代沉積物中發(fā)現(xiàn)了烴類。這是一次飛躍性的突破，為此獲得了諾貝爾獎。（5）部分油氣區(qū)的勘探實際顯示，形成較早的圈閉（如淺于600m）有油氣聚集，而較晚的圈閉則為空圈閉，表明了石油的早期生成和早期運移、聚集、成藏。第11頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日第二章油氣成因理論及其發(fā)展

第二節(jié)早期有機成因說早期有機成因說主要弱點或不利證據(jù)（1）于沉積物和生物體中發(fā)現(xiàn)的烴類和原油中的烴類存在非常大的差別，例如，許多現(xiàn)代沉積物中的正構(gòu)烷烴存在明顯的奇偶優(yōu)勢，但絕大多數(shù)原油中的正構(gòu)烷烴卻沒有奇偶優(yōu)勢。（2）存在于生物體和年青沉積物中的烴類數(shù)量太少，遠不足以形成勘探所發(fā)現(xiàn)的商業(yè)性的石油聚集。據(jù)保守估計，要形成商業(yè)性的石油聚集，沉積物中的烴濃度至少需要幾百ppm以上，而事實上，沉積物中烴濃度小于幾十ppm。（3）大多數(shù)原油產(chǎn)自于埋深1000m以深的產(chǎn)層中，而不是像淺成說所期待的哪樣產(chǎn)于較淺處。因此它也不能很好地指導油氣勘探實踐。

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第二節(jié)早期有機成因說盡管也有人直到上世紀九十年代還堅持認為（Willson，1990）,石油主要是有機質(zhì)在淺埋的早期階段生成并運移、聚集、成藏的，現(xiàn)今多數(shù)油藏顯示成熟的特征是它們在儲層中進一步熟化的結(jié)果，但絕大多數(shù)的證據(jù)并不支持大量石油的早期生成。

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第三節(jié)晚期有機成因說晚期有機成因說認為，進入沉積物中的生物聚合體首先在生物化學和化學的作用下，經(jīng)分解、聚合、縮聚、不溶等作用，在埋深較大的成巖作用晚期成為地質(zhì)大分子－干酪根，之后，隨著埋深的進一步增大，在不斷升高的熱應力作用下，干酪根才逐步發(fā)生催化裂解和熱裂解形成大量的原石油（或稱為瀝青，包括烴類和非烴類），在一定的條件下，這些原石油從生成它的細粒巖石中運移出來，在儲層中聚集成為油氣藏。與早期成因說相同的是，它也認為油氣源于有機質(zhì)，但不同的是，它認為石油不是生物烴類的簡單分離和聚集，而是先形成干酪根，之后在較大的埋深和較高的地溫條件下才在熱力的作用下轉(zhuǎn)化形成。它也被稱為深成說（此時有機質(zhì)的埋深已經(jīng)較大）和干酪根成烴說（有機質(zhì)先形成干酪根，干酪根再生油氣），也謂之為干酪根晚期熱降解生烴理論。晚期有機成因說的主要觀點第14頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日第二章油氣成因理論及其發(fā)展

第三節(jié)晚期有機成因說晚期有機成因說不僅具有上節(jié)提到的早期成烴說的前四點依據(jù)，同時彌補了該成因理論中的三條不足之處。此外：（1）大量的實驗室內(nèi)的熱模擬實驗已經(jīng)證實，干酪根在實驗室受熱時，的確可以產(chǎn)生大量類似于油的烴類和非烴類產(chǎn)物，其為物組成與勘探實踐中發(fā)現(xiàn)的石油的化學組成特征基本一致。抽提后的源巖（或干酪根）→C1-C4(47%)＋C4＋(53%)（2）自然地質(zhì)剖面的實際資料顯示，富含有機質(zhì)的沉積巖中的烴類含量在達到一定的深度后開始大量升高。

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第三節(jié)晚期有機成因說

自Tissot等（1978，1984）人提出并證明干酪根晚期成烴說之后，這一理論在指導油氣勘探，提高油氣勘探成功率等方面發(fā)揮了巨大的作用，曾經(jīng)被認為與石油地質(zhì)學和地球物理勘探一道構(gòu)成了現(xiàn)代油氣勘探的三大理論支柱。可以說，油氣地球化學（早期為石油地球化學）作為一門單獨的學科從油氣地質(zhì)學中獨立出來正是以干酪根成油學說的提出和完善為標志的。第16頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日第二章油氣成因理論及其發(fā)展

第三節(jié)晚期有機成因說

干酪根成烴學說在有效地指導油氣勘探的同時，也存在一些尚待解決或正在完善中的問題：（1）在有些地質(zhì)條件下，在干酪根成烴理論以為的難以大量成油的淺埋條件下，的確生成并排出、聚集了與正常干酪根成熟油相比具有明顯不同特征的未熟油。生物甲烷氣可以大量生成，更是早已證實的非干酪根成烴過程，而生物氣的儲量可能已經(jīng)占到世界天然氣儲量的1/4(Rice等，1981）。我國已在柴達木盆地找到儲量超過一千億方的大型生物氣田。（2）勘探中也的確發(fā)現(xiàn)一些油氣（主要是天然氣）存在無機成因的蹤跡，如氣體碳同位素系列的倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象、幔源的伴生氣等。不過，迄今為止，尚沒有一個油氣田被確切地證明為屬于無機成因。第17頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日第二章油氣成因理論及其發(fā)展

第三節(jié)晚期有機成因說（3）近些年來的國內(nèi)外的一些學者的探索還顯示，在有機質(zhì)成烴的過程中，可能與周圍的無機體系存在物質(zhì)交換，如深部地熱流體可能為有機質(zhì)成烴提供了補充氫源，從而提高了有機質(zhì)的產(chǎn)烴率（相當于有機無機作用共同成烴，以有機作用為主）。氫同位素的分析已經(jīng)揭示，有機質(zhì)的氫同位素受環(huán)境水的氫同位素的影響，這至少表明，水體中的氫可能與有機質(zhì)中的氫存在交換反應（Schoell，1980；劉文匯等，2000）。模擬實驗也揭示，有水或加氫的條件下，有助于提高有機質(zhì)在受熱過程中的成烴量，表明無機成分也可以參與有機質(zhì)的成烴過程。第18頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日第二章油氣成因理論及其發(fā)展

第四節(jié)現(xiàn)代油氣成因理論

一個完善的油氣成因理論應該反映勘探實踐及相關(guān)研究中所揭示的事實，并能有效地指導油氣勘探實踐。前述三種成因理論的觀點是誰對誰錯問題？還是誰更具有代表性或是普遍性的問題？干酪根晚期熱降解理論較好地指導了油氣勘探實踐，但實際工作中發(fā)現(xiàn)與此不相符的問題是這一理論本身的錯誤還是其缺憾？這此都是現(xiàn)代油氣成因理論所關(guān)注并需要解決的問題。

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第四節(jié)現(xiàn)代油氣成因理論現(xiàn)代油氣成因理論認為：

石油主要是由有機質(zhì)生成的。生物有機質(zhì)沉積后首先在生物化學和化學的作用下，經(jīng)分解、聚合、縮聚、不溶等作用，在埋深較大的成巖作用晚期成為地質(zhì)大分子－干酪根，之后，隨著埋深的進一步增大，在不斷升高的熱應力的作用下，干酪根才逐步發(fā)生催化裂解和熱裂解形成大量的原石油。也有一部分有機質(zhì)（主要是生物類脂物）不經(jīng)過干酪根就直接以可溶有機質(zhì)（相當于原石油）的形式存在。在干酪根在熱力的作用下開始大量生油之前，這一部分有機質(zhì)（如樹脂體、木栓質(zhì)體等特殊類型有機質(zhì)的富集、強烈的微生物活動和改造等）可通過低溫化學反應形成未熟-低熟油（ImmatureOil）。而天然氣的生成實際上從有機質(zhì)沉積后直到其生氣潛力被徹底消耗之前一直在進行。但它的大量生成集中在兩個階段，一是由干酪根受熱生成，但它大量生成所需的熱力條件高于干酪根成油，二是淺埋的早期階段在厭氧微生物作用下可以大量生成