油氣成因理論概述

油氣成因理論概述第一頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，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(gè)階段：

無(wú)機(jī)成因說(shuō)

早期有機(jī)成因說(shuō)

晚期有機(jī)成因說(shuō)

以晚期有機(jī)成因?yàn)橹骷骖櫰渌梢蚶碚撚捎谑凸I(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(wèn)題。但現(xiàn)代石油成因理論應(yīng)既包括油也包括氣。

第二頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二章油氣成因理論及其發(fā)展

第一節(jié)無(wú)機(jī)成因說(shuō)無(wú)機(jī)成因理論認(rèn)為：

油氣是由無(wú)機(jī)化合物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)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(shuō)”，庫(kù)德梁采夫（1951）提出的“巖漿說(shuō)”；或者是在宇宙（地球）形成初期即已經(jīng)存在，后來(lái)隨著地球冷卻被吸收并凝結(jié)在地殼的上部，由這些碳?xì)浠镅亓严兑缦虻乇磉^(guò)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(shuō)”。這一觀點(diǎn)在二十世紀(jì)三十年代之前占支配地位。第三頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二章油氣成因理論及其發(fā)展第一節(jié)無(wú)機(jī)成因說(shuō)無(wú)機(jī)成因說(shuō)的主要證據(jù)證據(jù)之一：烴類已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)無(wú)機(jī)物合成

例如，著名的俄國(guó)化學(xué)家門捷列夫很早就已在實(shí)驗(yàn)室中由無(wú)機(jī)的碳化物合成出烴類FeC2+2H2O→HC≡CH+Fe(OH)2

Szatmari（1989）、張景廉（2001）等認(rèn)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(fèi)－托合成反應(yīng)：300～400℃CO2+H2Fe,Co,Ni,V(催化）CnHm+H2O+Q

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

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第一節(jié)無(wú)機(jī)成因說(shuō)證據(jù)之二：天體的光譜中有烴類的顯示，隕石中也已檢測(cè)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(jī)質(zhì)和生命最初也是有無(wú)機(jī)過(guò)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(guó)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(chǔ)層中發(fā)現(xiàn)了油氣聚集。第五頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二章油氣成因理論及其發(fā)展

第一節(jié)無(wú)機(jī)成因說(shuō)無(wú)機(jī)成因說(shuō)主要弱點(diǎn)或不利證據(jù)（1）實(shí)驗(yàn)室或者高溫條件下合成的只能是簡(jiǎn)單的烴類化合物（高溫條件下，復(fù)雜的分子量較高的液態(tài)烴類將裂解成簡(jiǎn)單的烴氣），難以解釋地質(zhì)條件下所發(fā)現(xiàn)的由無(wú)數(shù)烴類構(gòu)成的、極其復(fù)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(jī)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(jī)質(zhì)生成的烴類的運(yùn)移有關(guān)。

（3）無(wú)機(jī)成烴說(shuō)無(wú)法指導(dǎo)油氣勘探。按無(wú)機(jī)成烴說(shuō)，油氣勘探的有利區(qū)應(yīng)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(yīng)該在變質(zhì)巖發(fā)育區(qū)。但事實(shí)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(wú)機(jī)成因說(shuō)

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

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第二節(jié)早期有機(jī)成因說(shuō)

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

早期有機(jī)成因說(shuō)的主要觀點(diǎn)第八頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，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(jī)成因說(shuō)早期有機(jī)成因說(shuō)的主要證據(jù)（1）99％以上的石油產(chǎn)自于與有機(jī)質(zhì)密切有關(guān)的沉積巖，產(chǎn)油的儲(chǔ)層巖系與富含有機(jī)質(zhì)的細(xì)粒巖石有密切的關(guān)系。（2）許多生物標(biāo)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(qiáng)烈支持其有機(jī)成因。

上述具有特征、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生物標(biāo)記化合物只可能由生命過(guò)程合成。無(wú)機(jī)過(guò)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(dāng)，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(jī)成因說(shuō)早期有機(jī)成因說(shuō)的主要證據(jù)（3）石油和動(dòng)植物殘?bào)w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(jìn)一步證據(jù)。如自然界中無(wú)機(jī)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(jī)物質(zhì)的δ13C值范圍由－10‰－30‰，在－20‰～－27‰之間有一個(gè)最大分區(qū)。石油的δ13C平均值大約為－28‰（王大銳，2001）。第十頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，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(jī)成因說(shuō)早期有機(jī)成因說(shuō)的主要證據(jù)（4）在近代沉積物（如深海鉆探計(jì)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(jìn)先進(jìn)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(jiǎng)。（5）部分油氣區(qū)的勘探實(shí)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(yùn)移、聚集、成藏。第十一頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，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(jī)成因說(shuō)早期有機(jī)成因說(shuō)主要弱點(diǎn)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(shì)，但絕大多數(shù)原油中的正構(gòu)烷烴卻沒(méi)有奇偶優(yōu)勢(shì)。（2）存在于生物體和年青沉積物中的烴類數(shù)量太少，遠(yuǎn)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(jì)，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(shí)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(shuō)所期待的哪樣產(chǎn)于較淺處。因此它也不能很好地指導(dǎo)油氣勘探實(shí)踐。

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第二節(jié)早期有機(jī)成因說(shuō)盡管也有人直到上世紀(jì)九十年代還堅(jiān)持認(rèn)為（Willson，1990）,石油主要是有機(jī)質(zhì)在淺埋的早期階段生成并運(yùn)移、聚集、成藏的，現(xiàn)今多數(shù)油藏顯示成熟的特征是它們?cè)趦?chǔ)層中進(jìn)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。

第十三頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，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(jī)成因說(shuō)晚期有機(jī)成因說(shuō)認(rèn)為，進(jìn)入沉積物中的生物聚合體首先在生物化學(xué)和化學(xué)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(jìn)一步增大，在不斷升高的熱應(yīng)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(xì)粒巖石中運(yùn)移出來(lái)，在儲(chǔ)層中聚集成為油氣藏。與早期成因說(shuō)相同的是，它也認(rèn)為油氣源于有機(jī)質(zhì)，但不同的是，它認(rèn)為石油不是生物烴類的簡(jiǎn)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(shuō)（此時(shí)有機(jī)質(zhì)的埋深已經(jīng)較大）和干酪根成烴說(shuō)（有機(jī)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(jī)成因說(shuō)的主要觀點(diǎn)第十四頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，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(jī)成因說(shuō)晚期有機(jī)成因說(shuō)不僅具有上節(jié)提到的早期成烴說(shuō)的前四點(diǎn)依據(jù)，同時(shí)彌補(bǔ)了該成因理論中的三條不足之處。此外：（1）大量的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的熱模擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，干酪根在實(shí)驗(yàn)室受熱時(shí)，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(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的石油的化學(xué)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(shí)際資料顯示，富含有機(jī)質(zhì)的沉積巖中的烴類含量在達(dá)到一定的深度后開(kāi)始大量升高。

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第三節(jié)晚期有機(jī)成因說(shuō)

自Tissot等（1978，1984）人提出并證明干酪根晚期成烴說(shuō)之后，這一理論在指導(dǎo)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(rèn)為與石油地質(zhì)學(xué)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?？梢哉f(shuō)，油氣地球化學(xué)（早期為石油地球化學(xué)）作為一門單獨(dú)的學(xué)科從油氣地質(zhì)學(xué)中獨(dú)立出來(lái)正是以干酪根成油學(xué)說(shuō)的提出和完善為標(biāo)志的。第十六頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，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(jī)成因說(shuō)

干酪根成烴學(xué)說(shuō)在有效地指導(dǎo)油氣勘探的同時(shí)，也存在一些尚待解決或正在完善中的問(wèn)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(shí)的非干酪根成烴過(guò)程，而生物氣的儲(chǔ)量可能已經(jīng)占到世界天然氣儲(chǔ)量的1/4(Rice等，1981）。我國(guó)已在柴達(dá)木盆地找到儲(chǔ)量超過(guò)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(wú)機(jī)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(guò)，迄今為止，尚沒(méi)有一個(gè)油氣田被確切地證明為屬于無(wú)機(jī)成因。第十七頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，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(jī)成因說(shuō)（3）近些年來(lái)的國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者的探索還顯示，在有機(jī)質(zhì)成烴的過(guò)程中，可能與周圍的無(wú)機(jī)體系存在物質(zhì)交換，如深部地?zé)崃黧w可能為有機(jī)質(zhì)成烴提供了補(bǔ)充氫源，從而提高了有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)烴率（相當(dāng)于有機(jī)無(wú)機(jī)作用共同成烴，以有機(jī)作用為主）。氫同位素的分析已經(jīng)揭示，有機(jī)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(jī)質(zhì)中的氫存在交換反應(yīng)（Schoell，1980；劉文匯等，2000）。模擬實(shí)驗(yàn)也揭示，有水或加氫的條件下，有助于提高有機(jī)質(zhì)在受熱過(guò)程中的成烴量，表明無(wú)機(jī)成分也可以參與有機(jī)質(zhì)的成烴過(guò)程。第十八頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，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(gè)完善的油氣成因理論應(yīng)該反映勘探實(shí)踐及相關(guān)研究中所揭示的事實(shí)，并能有效地指導(dǎo)油氣勘探實(shí)踐。前述三種成因理論的觀點(diǎn)是誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)問(wèn)題？還是誰(shuí)更具有代表性或是普遍性的問(wèn)題？干酪根晚期熱降解理論較好地指導(dǎo)了油氣勘探實(shí)踐，但實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)與此不相符的問(wèn)題是這一理論本身的錯(cuò)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(wèn)題。

第十九頁(yè)，共二十二頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二章油氣成因理論及其發(fā)展

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

石油主要是由有機(jī)質(zhì)生成的。生物有機(jī)質(zhì)沉積后首先在生物化學(xué)和化學(xué)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(jìn)一步增大，在不斷升高的熱應(yīng)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(jī)質(zhì)（主要是生物類脂物）不經(jīng)過(guò)干酪根就直接以可溶有機(jī)質(zhì)（相當(dāng)于原石油）的形式存在。在干酪根在熱力的作用下開(kāi)始大量生油之前，這一部分有機(jī)質(zhì)（如樹(shù)脂體、木栓質(zhì)體等特殊類型有機(jī)質(zhì)的富集、強(qiáng)烈的微生物活動(dòng)和改造等）可通過(guò)低溫化學(xué)反應(yīng)形成未熟-低熟油（ImmatureOil）。而天然氣的生成實(shí)際上從有機(jī)質(zhì)沉積后直到其生氣潛力被徹底消耗之前一直在進(jìn)行。但它的大量生成集中在兩個(gè)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