油气生成与烃源岩改.ppt

第二章现代油气成因理论,石油的成因是一个极为复杂的课题，至今还存在一些争论。这主要原因是1．物态上石油与天然气是流体。经过一定距离运移而聚集起来的。因此油气产地（油气藏）≠生成地2．化学组成上组份很复杂，且在运移过程中或其它条件的改变，其成份也在发生变化，其现今的组成并不代表其原貌。原始母质－油气3．涉及学科多由于分离及鉴定手段的限制，目前对石油组份的了解尚不充分。石油的成因问题，关系到油气的勘探方向，所以，多年来，它一直吸引着许多国家地质学家、生物化学家和地球化学家。,第一节油气成因理论发展概况一、石油成因有争议的原因,第二章现代油气成因理论,二、油气成因分两大学派,无机论无机物（C，H2O、Fe）－油气有机论生物有机质－油气早期说（浅成说）浅层、成岩早期、生物化学作用晚期说（深成说）一定热力＋催化剂作用,从十八世纪七十年代以来，对油气成因的认识基本上分为无机成油和有机成油学说两大学派。,第二章现代油气成因理论,１、碳化说1876年俄国化学家门捷列夫石油是地下深处的金属碳化物与下渗的水相互作用所生成。生成的石油蒸气在冲向地壳的过程中冷凝形成油气藏。３FemCn4mH2OmFe3O4C3nH3m,２、宇宙说1889年俄国索柯洛夫碳氢化合物是宇宙所固有的，在地球处于熔融阶段时即已存在于气圈之中了，以后地球冷却被吸附凝结在地壳上部形成油气藏。,（一）无机成因说,第二章现代油气成因理论,３、岩浆说苏联库德梁采夫1949,10，在纪念宇宙说六十周年时突然由有机说的观点转变为无机说，认为地球深处的岩浆中，含有C、H，还有O、N、S及石油中其他灰分元素。在6000℃12000℃下，C、H可形成甲基，到30004000℃可形成次甲基，随着温度降低，可形成甲基，最后形成甲烷，甲炔基可聚合形成各种烃，在温度、压力适合时形成石油。其证据是岩浆岩、变质岩中相继发现油气藏，基性岩浆发现了天然气。,第二章现代油气成因理论,（二）有机成因说,１、十八世纪中叶，罗蒙诺夫提出“石油是煤在地下高温蒸馏的产物蒸馏说２、二十世纪初，发现石油中有卟啉化合物，石油有旋光性有机说盛行“植物说”、“动物说”、混合说、脂肪说、碳水化合物说、蛋白质说３、“混成说”（1932年古勃金）含有各种类型的分散有机质的淤泥，在成岩早期产生分散状态的石油，在压实过程中和水一起进入储层，形成油气藏。早期有机成因说,第二章现代油气成因理论,４、早期有机论（P.V.Smith，19521954）石油是有机质在沉积（埋藏成岩）早期生成的，是许多海相生物遗传下来的天然烃的混合物。５、晚期成油说（P.H.Abelson，1963）石油是由沉积岩中占有机质７０－９０％的不溶部分（干酪根）经过一定的埋藏演化，在成岩作用晚期，经热解产生的。干酪根热解成油说６、液态窗（Pusey，1973）液态烃分布规律，主要分布66.5～148.9℃地温间，高于此温度大部分为凝析气田、气田、干气田；低于此温度则为生物成因气。液态烃存在的温度范围称为液态窗。表明石油的分布于温度有关，存在于一定深度范围，并不在地表，从而支持了晚期有机说。,第二章现代油气成因理论,,绝大多数石油地质工作者相信有机成因是油气形成的主要机理。其主要证据为1．世界上已发现的油气田99.9都分布在沉积岩中，只有极少数石油分布在岩浆岩和变质岩中，且这少数石油也被证明是从沉积岩中运移而来的，而与沉积岩无关的地盾和巨大的结晶岩突起发育区，至今未找到油气聚集。2．石油在地层时代的分布上与煤、油页岩及有机质的分布状况相吻合的，表明它们在成因上是有联系的。3．虽然世界上的石油没有成份完全相同的，但所有石油的元素组成和化合物组成是相近的或相似的，说明它们的成因可能大致相同。,第二章现代油气成因理论,4．大量油田测试结果可知，油层温度很少超过100℃，有些深部油层温度可以高达141℃，而当T超过250℃时，烃类就会发生急剧而彻底的裂解，生成石墨及H2，说明石油不可能在高温下形成。5．从目前发现的油气藏分析看，石油生成、聚集成藏不需很长的时间，大约需不到一百万年。6．石油中含的卟啉化合物，异戊间二烯型化合物，甾醇类，石油的旋光性都证明石油是在低温下，由生物有机质生成的。,第二章现代油气成因理论,7．石油地质工作者对近代沉积的研究成果表明，在近代沉积中确实存在着油气生成过程，且至今还在进行着，生成的数量也很可观。并且，在实验条件下，用有机质进行地下条件模拟，转化出了烃类，这为有机成因学说提供了有力的科学依据。,以上重要事实的存在，大大促进了石油有机生成理论的发展。特别是近代物理、化学、生物、地质学等基础理论的发展，及色谱、光谱、质谱、电子显微镜、同位素分析等先进技术手段的广泛采用，为应用有机地球化学知识来解决油气成因问题创造了条件，推动了石油生成现代科学理论的日臻完善。,第二章现代油气成因理论,石油有机成油理论晚期成油理论广泛为国际石油界所接受，同时“未熟低熟”油（早期成油）不断被发现，早期成油说和晚期成油说也结合起来，形成一个统一的油气演化过程石油有机成油理论。近来，石油有机成油理论的又一进展是煤成烃理论的发展与完善。二十世纪六十年代以来，在世界各地相继发现了一批与中、新生代煤系地层有关的油气田。这表明煤系地层不仅是天然气的主要来源，而且也能形成相当数量的石油聚集和大油田。到了二十世纪八十年代，人们通过有机岩石学与地球化学相结合的方法和实验模拟对煤成油问题进行了深入的理论探讨，提出了煤系地层有机质生烃机理和演化模式。这就更拓宽了油气勘探领域。,第二章现代油气成因理论,油气有机成因发展中值得指出的是１、在油气勘探初期，石油大部分被发现于海相地层中，使得不少石油地质家认为只有海相沉积才能生成油气，特别是在我国清末、民初，国外在中国陆相盆地进行油气勘探的失败，使得“唯海相生油论”猖獗一时。对此，以潘钟祥为代表的我国老一辈地质学家，通过对陕西、四川等地进行详尽的油气地研究，于1941年提出了陆相也能生油的理论，有力地驳斥了中国贫油论，极大地丰富了石油理论。,２、在油气生成理论方面贡献比较大的是法国著明地球化学家BPTissot，他在前人研究的基础上提出了干酪根热降解生烃演化模式，提出并完善了干酪根晚期生烃学说，揭示了油气生成、演化与分布的规律。,第二章现代油气成因理论,尽管目前油气有机成因理论日臻完善，并在油气勘探实践中发挥了重要作用，但并不能由此否定油气无机成因理论的科学价值，特别是近年来无机学派也提出了一些证据１、实验表明，无机物可合成烃nCO22nH2CHnnH2O费－托反应２、火山喷出的气体和熔岩流中含有烃类。３、许多天体上存在有烃类（甚至有植烷、姥鲛烷、卟啉、旋光性）４、石油的旋光性可由非旋光性物质合成。石油中卟啉也可由无机合成，况且，这些成份还可从石油运移中从外界攫取。５、生命起源于烃类，远在生物存在前，石油就已存在。,第二章现代油气成因理论,６、石油的分布常受断达上地幔的深大断裂控制。断裂是烃类向上运移的最好途径。７、有机说难以解释储量巨大的石油聚集。如加瓦尔油田的石油储量有107109t,加拿大西部沥青砂岩中的重质油石油储量竟达一千亿吨，可是其沉积岩的有机质含量低，烃含量更低，无法满足诺大储量的需求。８、有机质生油研究中使用溶剂抽提出来的烃类是干酪根破坏产物，抽提前不存在。９、有机质方案中的生油门限温度，石油析出机制，石油聚集发生时间等方面，也都有不合逻辑之处。,第二章现代油气成因理论,尤其是近20多年来，一些无机成因天然气的发现，为无机成烃理论提供了依据，新理论和新手段的发展也为无机成油理论研究奠定了基础。由于有机成油理论已经成熟，而无机成油理论尚处在探讨中，故本章介绍油气有机成因理论。,第二章现代油气成因理论,,原始物质的形成,原始物质的来源,,二,生油母质干酪根,,,一,,三,,第二节生成油气的物质基础,第二章现代油气成因理论,一、原始物质的来源,1.生物种类来源沉积有机质的生物种类来源首先是浮游植物，其次是细菌、高等植物、浮游动物。2.生化体有机组分对沉积有机质来源提供最多的生化组成是类脂化合物、蛋白质、碳水化合物和木质素,第二章现代油气成因理论,天然有机质与石油平均元素组成,,类脂物质的特征是抗腐力较强，能在各种地质条件下保存起来。其元素组成和分子结构最接近于石油烃，是生成油气的主要原始物质。,第二章现代油气成因理论,,原始物质的形成,原始物质的来源,,二,生油母质干酪根,,,一,,三,,1生成油气的物质基础,二、原始物质的形成,沉积有机质通过沉积作用进入沉积物中并被埋藏下来的那部分有机质称为沉积有机质。１、形成分解化学、细菌小分子水溶散失生物死亡吞食保存于沉积物中（只占0.8左右）,,,,第二章现代油气成因理论,２、沉积有机质来源（1）原地有机质主要来源的于盆地自身。（２）异地有机质经河流、风等携入盆地。（３）再沉积有机质已有的有机质由于岩石风化等因素再次沉积。,３、沉积有机质分布和影响因素1分布总量大，分布很不均衡。不同岩性分布不均，不同时代分布不均。总趋势地层越老，保存的沉积有机质越少。2影响因素沉积物中富含有机质的环境条件是生物产率高，有机质来源充足。低能静水还原环境，有机质分解少，保存条件好。沉积物沉积速率大，粒度细。浅海、半深、深湖，前三角洲。,第二章现代油气成因理论,4、沉积有机质演变过程,第二章现代油气成因理论,５、古代沉积岩中分散有机质的组成烃类岩石中可溶于有机溶剂的有机质。是有机体生化作用的产物。沥青可溶于有机溶剂，是烃类和非烃类物质的混合物。可分为油质、胶质及沥青质，是有机质向油气转化的中间产物。干酪根不能溶解于有机溶剂的固体分散有机质。,第二章现代油气成因理论,,原始物质的形成,原始物质的来源,,二,生油母质干酪根,,,一,,三,,1生成油气的物质基础,第二章现代油气成因理论,三、生油母质干酪根Kerogen,1.干酪根指沉积岩中不溶于碱、非氧化的酸（HF、HCI）和非极性有机溶剂（CCl4、CHC13、笨、酒精）的分散有机质（1979年，亨特）。沉积有机质包括有机溶剂可抽提的沥青；不溶于有机溶剂的干酪根。干酪根是有机碳的最重要形式。它比煤和储集层中石油含量之和还要多上千倍，比非储集层中沥青和其它分散的石油多50倍。在古代沉积岩中，有机质的80～99是干酪根。,第二章现代油气成因理论,干酪根的形成有以下三种途径大石渡良志,19761不饱和化合物中间产物干酪根2碳水化合物、蛋白质腐殖酸干酪根3脂肪、碳水化合物、蛋白质腐殖酸干酪根,第二章现代油气成因理论,2.干酪根形成,3.干酪根性质从岩石中提纯出来的干酪根呈黑色或褐色粉末，是复杂的有机高分子聚合物。在沉积岩中干酪根呈细微分散状态，有时以局部富集的纹层存在于泥岩中。,第二章现代油气成因理论,4.干酪根组成干酪根的元素组成中以C为主。一般分布范围是C70～90，H3～10，O3～19，N0.4～4，S0.2～5（据Tissot，1984）。干酪根的元素组成跨有很大范围，它的化学成分和结构会因原始物质的类型和演化程度而变化。,第二章现代油气成因理论,５、干酪根结构干酪根是一个由很多“桥键”交连的“核”组成，在核和桥上带有各种官能团，类脂化合物可被聚集在核间的空隙中的立体大分子。,第二章现代油气成因理论,６.干酪根类型1化学分类,Tissot（1974）根据干酪根的元素分析采用H/C和O/C原子比绘制相关图，即范氏图（VanKrevelen图），将其主要分为三大类。,第二章现代油气成因理论,Ⅰ型干酪根称腐泥型，富含脂肪族结构，直链烷烃多，多环芳烃及含氧官能团很少.,主要来源藻类、细菌类等低等生物.富氢贫氧，H/C高1.251.75O/C低0.0260.12生油潜能大生烃潜力为0.4～0.7。,第二章现代油气成因理论,Ⅱ型干酪根属高度饱和的多环碳骨架，含中等长度直链烷烃和环烷烃很多，也含多环芳香烃及杂原子官能团。,来源浮游生物（以浮游植物为主）和微生物组成的混合有机质。H/C较高，约1.3～1.5，O/C较低，约0.1～0.2，生油潜能中等生烃潜力为0.3～0.5。,第二章现代油气成因理论,Ⅲ型干酪根称腐殖型。以含多环芳烃及含氧官能团为主，饱和烃链很少。,来源陆地高等植物H/C低，通常35004000m，T180℃250℃。有机质特征高温下，剩余的干酪根和已经形成的重烃继续热裂解。主要产物及特征大量CC链断裂及环烷烃的开环和破裂，液态烃急剧减少，C25以上趋于零，C1～C8的轻烃将迅速增加。温度超过了烃类物质的临界温度，在地下呈气态，采到地上反凝结为液态轻质油，并伴有湿气，这是进入了高成熟期。,第二章现代油气成因理论,4.深部高温生气阶段H60007000m,T250℃有机质特征石油潜力枯竭，残余的少量烷基链，已经形成的轻质液态烃和重质气态烃在高温下继续裂解形成大量的热力学上的最稳定的甲烷。干酪根的结构进一步缩聚形成富碳的残余物质碳沥青或石墨。主要产物及特征热裂解甲烷。,第二章现代油气成因理论,第二章现代油气成因理论,对不同的沉积盆地而言，由于其沉降历史、地温历史及原始有机质类型的不同，可能只进入了前二或三个阶段，并且每个阶段的深度和温度界限也可能略有差别。在一些地质发展演化史较复杂的盆地，由于某种原因历经多次大的构造运动，生油岩中的有机质可能由于在埋藏较浅尚未成熟就被抬升，后来再度沉降埋藏到相当深度后，方达到成熟温度，有机质可以大量生石油，即所谓“二次生油”。此外，由于源岩有机显微组成的非均质性，不同显微组成的化学成分和结构的差别，决定了有机质不可能有完全统一的生烃界线，不同演化阶段可能存在不同的生烃机制。,第二章现代油气成因理论,第二章现代油气成因理论,第二章现代油气成因理论,第二章现代油气成因理论,二、有机成油理论的新进展（一）未低熟油的成因机理１、未低熟油系指非干酪根晚期热降解成因的各种低温早熟的非常规油气。包括在生物甲烷生烃高峰后，在埋藏升温达到干酪根晚期热降解大量生油之前（Ro0.7），经由不同生烃机制的低温生物化学或低温化学反应生成并释放出来的液态和气态烃。低熟油生烃高峰对应的源岩镜质组反射率Ro大约为0.20.7。相当于干酪根生烃模式的未熟和低熟阶段。,第二章现代油气成因理论,二十世纪七十年代以来，许多国家和地区相继发现了低熟油气。我国东部渤海海湾、泌阳、江汉、百色、松辽、苏北、柴达木、准噶尔等盆地均发现了低熟油气资源。２、其主要成油环境及成油机理★强还原咸化环境藻类成烃★盐湖相沉积有机质在低温条件下转化成烃★含煤岩系特殊的富氢显微组分早期成烃内因有机质类型外因局部咸化环境、较高的地温梯度,第二章现代油气成因理论,1．树脂体早期生烃,2．木栓质体早期生烃,3．细菌改造陆源有机质早期生烃,4．高等植物蜡质早期生烃,5．藻类类脂物早期生烃,其中以王铁冠等人的研究结果最具代表性。他们通过研究，提出了六种不同有机质类型的生烃机理。,6．富硫大分子有机质早期降解生烃,第二章现代油气成因理论,第二章现代油气成因理论,第二章现代油气成因理论,第二章现代油气成因理论,二.煤成烃的形成★煤成烃煤系地层的有机质在不同的演化阶段，其富氢组分所生成的气态和液态烃类。,两种演化途径向煤演化称为煤化作用，向生液烃方向演化，称为沥青化作用。沥青化作用结果是产生石油和天然气，另一方面是固体残余物进行芳构化和缩聚作用。,煤成烃特点一般具有饱和烃含量高、非烃和沥青质含量低的特点。煤成烃最明显的特征是具有姥鲛烷优势。其它特征还有高碳数峰更突出，CPI值较高；富含三萜烷，具明显的藿烷类和C29甾烷优势；含丰富的各种芳香烃类；碳同位素组成以高δ13C值为特征，一般为-27.00‰-25.00‰。多数出现在-26.50‰-26.00‰之间。,第二章现代油气成因理论,生烃模式,煤的不同显微组分沥青化作用在时间上是不一致的，其生烃特征和演化模式存在差异，所以煤中液态烃的生成具多阶段性使不同演化阶段各种显微组分对生烃的贡献有别。,第二章现代油气成因理论,第二章现代油气成因理论,5天然气的成因类型及特征,天然气按成因可分为四种类型生物成因气、油型气、煤型气和无机成因。,第二章现代油气成因理论,一、生物成因气,生物成因气是指成岩作用阶段早期，在浅层生物化学作用带内，沉积有机质经微生物的群体发酵和合成作用形成的天然气，主要是甲烷气及部分CO2和少量N2。有时也混有早期低温降解形成的烃气。,1.生物成因气的形成,第二章现代油气成因理论,可归纳为沉积有机质微生物喜氧呼吸产生有机酸、二氧化碳、水硫酸盐、碳酸盐岩还原带的厌氧呼吸H2两带产氢菌的活动H2甲烷生成菌的活动甲烷腐殖质地质聚合干酪根,,,,,,,第二章现代油气成因理论,2.生物成因气的特征,（1）化学组成甲烷含量大于98，重烃含量一般小于1，少量的N2和CO2，为典型的干气。（2）δ13C值一般为–55～-90‰。生物成因气的储量估计可占世界天然气总储量的25左右,其前景不可低估.,第二章现代油气成因理论,3.生物成因气的分布,生物成因气的分布层位主要在白垩系以上，埋深在地表到2000米左右。区域上白垩系生物气主要分布在东北地区，第三系分布在渤海湾和三水盆地，第四系主要分布在柴达木盆地和长江沿海地区和现代湖泊中。,第二章现代油气成因理论,二、油型气,油型气是指成油有机质在热力作用下以及油热裂解形成的各种天然气。包括湿气（石油伴生气）、凝析气和裂解气。,1.油型气的形成,第二章现代油气成因理论,干酪根温度液态烃气态烃裂解气态烃（凝析气、甲烷气）,,,高峰期在深成作用阶段的中晚期。,第二章现代油气成因理论,第二章现代油气成因理论,与成油有机质演化有关的天然气烃和非烃随深度生成模式,2.油型气的特征,（1）化学组成重烃含量大于5，最高可达40～50（石油和凝析气阶段）；过成熟气以甲烷为主，重烃气一般小于2。（2）δ13C值随着成熟度的增高而增大，由石油伴生气的-55～-40‰到凝析油伴生气的-45～-30‰再到干气为≥-35‰。,第二章现代油气成因理论,3.油型气的分布,油型气分布普遍，东部北起松辽，南至广东三水和广西百色盆地，中部稳定区的鄂尔多斯和四川盆地，西部的塔里木、准葛尔和柴达木盆地。层位上从震旦系到第三系各层系均有分布。,第二章现代油气成因理论,三、煤型气,煤系气凡与煤系有机质热演化有关的天然气。煤成（层）气煤层在煤化过程中所生成的天然气。煤型气煤系地层中分散有机质在热演化过程中所生成的天然气。目前用煤型气来概括，即煤型气是指煤系地层中煤和分散有机质在煤化作用和再煤化作用过程中形成的天然气。,1.煤型气的形成,第二章现代油气成因理论,腐殖煤、腐殖型干酪根泥炭化作用（Ro0.4,T75泥炭、生物成因气（因缺乏保存条件难以聚集）成岩作用阶段褐煤、生物成因气（非烃含量高）变质作用阶段（热力作用）,,,,第二章现代油气成因理论,变质作用阶段（热力作用）长焰煤气煤、肥煤轻质油和C2～C4重烃气焦煤、瘦煤煤型裂解气贫煤、烟煤、无烟煤,,,第二章现代油气成因理论,煤型气,第二章现代油气成因理论,2.煤型气的特征（1）化学组成重烃含量可达10以上，甲烷一般占70～95；非烃CO2量最大，N2次之，H2S最少。（2）δ13C值一般为-41.‰～-24.9‰。3.煤型气的分布煤型气多分布在煤系地层发育区。,第二章现代油气成因理论,四、无机成因气,由地壳内部、深海大断裂、深海沉积物形成，包括氮气、二氧化碳、硫化氢、氦气等。,1.无机成因气的形成,第二章现代油气成因理论,氮气高温高压条件下，含氮化合物裂解形成。二氧化碳碳酸盐在深埋高温或岩浆活动提供的热源下分解形成。硫化氢由火山喷发形成。氦气放射性气体衰变形成，岩浆中铀和钍放射性蜕变的产物。,第二章现代油气成因理论,化学组成甲烷占优势，非烃含量较高；δ13C值大于-20‰。,2.无机成因气的特征,3.无机成因气的分布,多分布在大断裂、岩浆体。,第二章现代油气成因理论,