石油与天然气

1、石油和天然气的生成 一、 油气成因理论发展概述 二、 油气生成的原始物质 三、 油气生成的条件 四、 有机质演化与成烃模式 五 、 烃源岩研究 一油气成因理论发展概述 根据生油原始物质的不同，石油成因假说可以分为无机 生成和有机生成两大学派。 无机成因认为：石油由自然界中的无机物质形成； 有机成因认为：石油由地质时期中的生物有机质形成。 (一) 油气无机成因说 (二) 油气有机成因说 （一）无机成因说 在石油工业发展早期，人们从纯化学角度出发， 认为石油是无机成因的。 无机生成说的主要依据： 实验室中，无机物可以合成烃类： 火山喷出气体中有甲烷、乙烷等烃类成分； 石油分布常常与深大断裂有关。

2、无机生成说归纳起来可分2大类： 泛宇宙说： 宇宙说（索可洛夫，1889.10） 地幔脱气说（T. Gold，1993） 地球深部无机合成说： 碳化物说（门捷列夫，1876） 岩浆说（库得梁采夫，1949） 高温生成说（切卡留克，1971） 蛇纹石化说（耶兰斯基，1966，1971） 1、宇宙说 俄国学者索可洛夫于1889年10月3日在莫斯科自然科学 研究者协会年会上首次提出的。 主张：在地球呈熔融状态时，碳氢化合物就包含在它 的气圈中；随着地球冷凝，碳氢化合物被冷凝岩浆吸收， 最后，它们凝结于地壳中而成石油。 2、碳化物说 1876年 由俄国著 名化学家 门捷列夫 创立。 地球形成时期 高温碳

3、和铁呈液态 碳化铁(重金属碳化物) 由于密度大 保存在地球深处 C、Fe互相作用 沿裂隙上升至地壳 3FemCn + 4mH 2O mFe3O4 + C3n H 8 m 地表水 沿地壳裂隙 向下渗透 碳氢化合物 3、岩浆说-前苏联学者库得梁采夫于1949年10月3日提出 认为：石油的生成同基性岩浆(SiO2含量45%52%)冷却时碳 氢化合物的合成有关。该过程在高压条件下完成，可促 使不饱和碳氢化合物聚合而成饱和碳氢化合物。 还指出： 岩浆中形成石油的过程在不断进行，古老的油气 通过扩散作用而逸散，所有的油藏都是年青的油藏； 石油中含有生物所需要的一切化学元素，依靠石 油，地球上产生了生物。

4、4、高温生成说 切卡留克(1971)根据合成金刚石实验： 无机矿物混合物(方解石、石英等) 高压高温 分离出易挥发组分 (包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷及少量庚烷) 故认为：在深约150km， 温度超过1500K、压力5000MPa下， 由于FeO及Fe3O4的参与，H2O与CO2还原而成烃类。 早期成油说：认为石油烃类是地壳浅处，沉积物成岩作 用早期，由沉积岩中分散有机质在生物化学作用下生成。 晚期成油说：认为石油是有机物质被埋藏后，达到一定 深度和温度，在热力和催化作用下，由有机物质转化而来。 （二）、油气有机成因说 认为：石油由地质时期中的生物有机质形成； 在油气有机生成学说中，

5、存在两种观点： 地质时代分布上：从前寒武纪至第四纪各时代岩层中 都找到了石油。石油和天然气在地质时代上的分布很不均 衡，这种不均衡与沉积岩中有机质的分布状况相吻合； 成分特征：世界上既没有化学成分完全相同的两种 石油，也没有成分完全不同的石油。 岩石类型分布上：世界上已经发现的油气田99.9%都 分布于沉积岩中。岩浆岩、变质岩中的石油来自相邻近富 含有机质的沉积岩(区)； 1、油气有机成因的依据 钒2000倍镍1000倍铜50倍钴30倍 某些稀有金属特征：光谱分析证明， 中、新生代的石油灰分以氧化铁为主(低于70%)， 古生代的石油灰分主要含氧化钒和氧化镍(低于6080%)。 将石油灰分与岩石

6、圈比较，大大富集了几种元素： 油层温度特征：大量油田测试结果证明石油是在低 温条件下生成的(油层温度很少超过100)。 形成时间上：生成石油并聚集成油藏所需的时间， 大约不到一百万年。 近代沉积物中观察：对青海湖、墨西哥湾、里海等近 代沉积物研究的成果表明，其中确实存在着油气生成过程 ，至今还在进行着，且生成的油气数量也很可观。 代沉积物研究的成果表明，其中确实存在着油气生成过程 ，至今还在进行着，且生成的油气数量也很可观。 2、晚期有机成油说“干酪根成油说” 20世纪70年代初，著名地球化学家Tissot等认为： 大量生油时期处于成岩作用晚期或后生作用初期； 生油原始物质主要是岩石中的干酪根

7、。 在有机质改造过程中，只有当达到一定温度或埋藏 深度时，有机质才能大量转化成石油； 当超过一定温度时，石油会向气态烃和高分子聚合物 转化-液态烃的生成及存在有一定的深度和温度范围 -“液态窗” (65.6149)普西(Pusey，1973)。 （一） 沉积有机质的来源及化学组成 （二） 沉积岩(物)中的沉积有机质 （三） 干酪根 二 油气生成的原始物质 （一）沉积有机质的来源及化学组成 沉积有机质-是随无机质一起沉积并保存下来的 生物残留物质，包括：生物遗体、生物排泄物和分泌 物，又称地质有机质。 沉积有机质来自生物圈中种类繁多的动物和植物。 就生成油气而言，主要来自于低等水生动、植物， 如

8、：细菌、藻类、有孔虫、介形虫、叶肢介、珊瑚、软体动 物等，特别以细菌和藻类最佳。 沉积有机质的来源 沉积有机质-从生物物质的发源地来说 来自被 河流等从周 围陆地携来 的异地有机 质 来源于盆地 本身的所谓原地 有机质，是普遍 存在的部分，也 是最基础的部分 再沉积的 有机质，来自 经受侵蚀的古 老沉积层中的 化石有机质， 数量少。 1、生物体的基本组成 碳水化合物：可能是石油中芳烃和天然气母质之一 木质素和丹宁：木质素不易水解，在缺氧水体中， 分解，可与其它化合物生成腐殖质；丹宁的组织及特 类脂化合物(脂类)：其化学组成与石油的化学组成 很相近；类脂化合物水解后成脂肪酸，碳数大多在C12-C

9、18 之间，是形成石油的主要有机组分之一 蛋白质：可能是油气中低碳烃的来源之一 征介于木质素与纤维素之间。 元 素 组 成（ 重 量 % ） CHONS 碳水化合物 44650 木质素635310.30.1 蛋白质53722162 类脂化合物 801010 石 油8287 1215 0.12 0.15 0.15 有机质基本成分和石油的元素组成对比表 2、生物体的元素组成 大部分成为气态或水溶成分而逸散； 部分受到生物的吞食； 进入沉积物的只是一小部分(0.8%)，但总量巨大。 （二）沉积岩(物)中的沉积有机质 1、沉积有机质的保存与分布 来源于生物体的有机质在埋藏之前，多分布在沉积 生物上方的

10、水体中,在地表条件下，有机质不稳 定，动物死亡后，遗体受到化学分解和细菌分解： 沉积有机质的分布-不均衡 不同岩性中分布不均匀 享特(1963年)据世界各地1000多块岩样分析得出： 泥质岩有机质平均含量为2.1% 碳酸盐岩为0.29%； 砂岩为0.05% 约95%集中在页岩中，绝大部分呈分散状态存在。 不同地质时代分布不均衡 总趋势：年代越老，含量越少。 从世界范围看，在三叠纪和志留纪有两个低峰， -可能与气候变冷或大规模海退有关。 2、影响沉积有机质丰度的因素 -沉积物中富含有机质的地质条件： 长期稳定下沉大地构造背景； 较快的沉积(堆积)速度； 足够数量和一定质量的原始有机质； 温暖湿润

11、、低能还原性岩相古地理环境 -浅海封闭环境，半深深湖、前三角洲 有机溶剂的分散有机质（享特，1979）。 （三）干酪根 1、干酪根的定义 干酪根最初是用来描述苏格兰油页岩中的有机质， 经蒸馏后能产出似蜡质的粘稠石油。 后来泛指现代沉积物和古代沉积岩中不溶于一般有 机溶剂的沉积有机质。 -指沉积岩中所有不溶于非氧化型酸、碱和非极性 干酪根的前身 生物有机体-结构规 则的大分子聚合物(类 脂化合物、蛋白质等) 结构不规则的简 单大分子所构成 的地质聚合物 有机质转化 为地质聚合物 更大、更复杂、 结构欠规则的高 分子地质聚合物 -干酪根 沉积成岩作用过程中 埋藏到数十或数百米 缩合与聚合作用 生物

12、化学及化学作用 地质聚合物 转化成干酪根 2、干酪根的形成-分为两步 沉积物和沉积岩中有机质的转化 3、干酪根的数量 煤：占干酪根总量的1/600 1013t 油：占干酪根总量的1/1500 41011t 干酪根 是地壳中有机碳最重要的存在形式； 是沉积有机质中分布最普遍、最重要的一类。 约占地质体总有机质的95%。 干酪根重量：估计沉积岩中含干酪根0.3%， 推测地壳中干酪根总量约 1016t 地球上煤和石油的储量分别为： (沉积岩总重量约1018t) 4、干酪根的成分和结构 干酪根是一种高分子聚合物，没有固定的化学成 分，主要由C、H 、O和少量S、N 组分。 据分析，干酪根中 C、H、O

13、 的平均含量为： O：11.1%H：6.3%C：76.4% 三者共占 93.8% 三油气生成的条件 沉积有机质要向石油转化必须经历一个碳、氢不断增加 而氧不断减少的过程-即去氧、加氢、富集碳的过程。 原始有机质的堆积、保存和转化过程(生成烃类)， 必须处于适宜的地质环境 -沉积盆地(还原条件/环境)； 还原环境的形成及其持续时间的长短则 受当时的地质及能源条件所制约。 板块内部的裂谷、坳陷，以及造山带的前陆盆地、山间 盆地等大地构造单位，是在地质历史上曾经发生长期持续 下沉的区域，是地壳上油气资源分布的主要沉积盆地类型。 1、大地构造条件 只有在长期持续下沉过程中伴随适当上升，沉降速度与 沉积

14、速度相近或沉降速度稍大时，才能持久保持还原环境 （一） 地质条件 2、岩相古地理条件 无论海相或者陆相，均可具备油气生成的岩相古地理 条件-关键在于： 是否有利于生物繁殖，有机质埋藏、保存、转化。 海相环境中：一般认为浅海区最有利于油气生成；而 滨海区和深海区不利于有机保存和油气的生成。 滨海环境-水体动荡，氧化作用 深海环境-生物数量少，巨厚水体 浅海大陆架-水深200m，水体较宁静，阳光、温度适 宜，生物繁盛，死亡后即可堆积下来。 深水-半深水湖泊相是陆相烃源岩发育有利区域： 有一定深度、一定面积的的稳定水体， 为水生生物的大量繁殖发育提供了有利条件； 能够汇聚周围河流带来的大量陆源有机质

15、， 增加了湖泊营养和有机质数量； 深水-半深水湖区水体底部具备还原环境， 有利于有机质的保存及向油气的转化。 特别近海深水湖盆，由于地势低洼、沉降较快，是 陆表水的汇集地区，容易长期积水而形成深水湖泊， 保安静的还原环境，更是最有利的生油坳陷。 海陆过渡相区： 三角洲： 陆源有机质源源搬运而来，原地的海相生物， 致使沉积物中的有机质含量特别高； 沉积速率较高，有机质被快速埋藏； 三角洲区域是极为有利的生油区域。 海湾及泻湖： 有半岛、群岛、沙堤或生物礁与大海相隔， 该半闭塞无底流的环境对有机质保存有利。 3、古气候条件 古气候条件也直接影响生物的发育； 年平均温度高、日照时间长、空气湿度大，

16、都能显著增强生物的繁殖能力。 因此，温暖、湿润的气候有利于生物的繁殖和发 育，是油气生成的有利外界条件之一。 适宜的地质环境为有机质的大量繁殖、堆积和保存创 造了有利的地质条件，但有机质向石油及天然气演化还 必须具备适当的物理、化学及生物化学条件，如： 温度与时间、细菌、催化剂、放射性 等 近些年来研究成果证明，温度与时间是在油气生成 全过程中至关重要的一对因素。其它因素，如细菌、 催化剂、放射性物质等也有一定的影响。 （二）理化条件-动力条件 1、细菌作用 按生活习性可将细菌分为： 喜氧细菌、厌氧细菌 和 通性细菌 三类。 对油气生成来讲，最有意义的是厌氧细菌，在缺乏 游离氧的还原条件下，有

17、机质可被厌氧细菌分解而产 生CH4、H2、CO2、以及有机酸和其它碳氢化合物。 细菌作用实质：将有机质中的氧、硫、氮、磷等元 素分离出来，使碳、氢，特别是氢富集起来；且细菌 作用时间越长，其作用进行得越彻底。 沉积有机质向油气演化的过程，同任何化学反应一 样，温度是最有效和最持久的作用因素； 在反应过程中，温度不足可用延长反应时间来弥补 ，即温度与时间似乎可以互为补偿：高温短时作用与 低温长时作用可能产生近乎同样的效果。 但是，若沉积物埋藏太浅，地温太低， 有机质热解生成烃所需反应时间过长， 实际上难以生成工业数量的石油。 2、热力作用 粘土矿物：自然界分布最广的无机盐类催化剂，催化 能力与其

18、吸附性有关。催化剂表面吸附两种或两种以上 物质的原子时，使其相互作用而形成新的化合物。 蒙脱石粘土催化能力最强，高岭石粘土最弱。 有机酵母：能加速有机质的分解。当有酵母存在时， 有机质的分解比在细菌活动时还要快得多。 3、催化作用 在有机质向油气转化的过程中，主要存在： 无机盐类 和 有机酵母 两类催化剂。 4、放射性作用 粘土岩中富集大量放射性物质，如铀、钍、钾等。 沉积物所含水在射线轰击下可产生大量游离氢， 所以这些放射性物质的作用也可能是促使有机质向油 气转化的能源之一。 有机质向油气的转化，是在适宜的地质环境里， 多种因素综合作用的结果。 有机质向油气转化过程中，各种条件作用强度不同。

19、 细菌和催化剂：都是在特定阶段作用显著， 加速有机质降解生油、生气； 放射性作用：可不断提供游离氢的来源； 温度与时间：油气生成全过程一直发挥重要作用。 注意 四 有机质演化 在沉积盆地发育过程中，原始有机质伴随其他矿物质沉 积后，随着埋藏深度逐渐加大，地温不断升高，在乏氧的 还原环境下，有机质逐步向油气转化。 在不同深度范围内，各种能源条件作用效果不同，使 有机质转化反应性质及主要产物都有明显区别，表明原始 有机质向油气的转化过程具有明显的阶段性： （一）生物化学生气阶段 （三）热裂解生凝析气阶段 （二）热催化生油气阶段 （四）深部高温生气阶段 （一）生物化学生气阶段 1、深度范围：当原始有

20、机质堆积到盆底之后，开始了生 物化学生气阶段。这个阶段的深度范围是从沉积界面到数 百乃至1500m深处；与沉积物的成岩作用阶段基本相符； 2、温度变化：温度介于1060； 3、能源条件(促使转化的因素)：以细菌活动为主； 4、转化反应的性质：生物化学降解作用，表现为： 细菌(及酵素)对有机质的分解作用； 浅层以生物化学作用为主，深层以化学作用为主。 5、主要产物及其特征 该阶段埋藏深度较浅，温度、压力较低，有机质 除形成少量烃类和挥发性气体以及低熟石油外， 大部分转化成干酪根保存在沉积岩中。 少量烃类和挥发性气体。由于厌氧细菌作用，部分有 机质被完全分解成CO2、CH4、NH3、H2S和H2O

21、等。产物以甲 烷为主(干气)，缺乏轻质(C4C8)正烷烃和芳香烃。 干酪根：有机质大部分转化成干酪根保存在沉积岩中 少量液态石油：到本阶段后期，埋藏深度加大，温 度接近60，开始生成少量液态石油(未熟-低熟油)。 （二）热催化生油气阶段 1、深度范围：随着沉积物埋深超过15002500m， 进入后生作用阶段前期； 2、温度变化：有机质经受的地温升至60180； 3、能源条件：最活跃的因素是热力、催化作用。 4、转化反应的性质：热降解。 5、主要产物及其特征： 大量石油和湿气； CO2、H2O、N2、H2S 等挥发性物质； 残留干酪根； 1、深度范围：当沉积物埋藏深度超过35004000m， 进

22、入后生作用阶段后期； 2、温度变化：地温达到180250； 该阶段地温超过烃类物质的临界温度。 3、转化反应性质：石油热裂解与热焦化两种作用 脂肪族成分-热裂解破裂为较小分子(CH4等气体)； 贫氢石油-热焦化主要形成固态残渣。 （三）热裂解生凝析气阶段 4、主要产物及其特征： 生成少量水、二氧化碳和氮； C25以上高分子烷烃含量趋于零， 只有少量低碳原子数的环烷烃和芳香烃； 低分子正烷烃剧增，主要是甲烷及其气态同系物， 在地下深处呈气态，采至地面后凝结为轻质油。 1、深度范围：超过60007000m，沉积物进入变生作用 2、温度变化：以高温、高压为特征，温度超过250； 3、主要产物及其特征

23、： 已形成的液态烃和重质气态烃强烈裂解， 变成热力学上最稳定的甲烷； 干酪根残渣释出甲烷后进一步缩聚碳沥青或石墨。 有机质热演化最终产物：干气(甲烷)和碳沥青或石墨。 （四）深部高温生气阶段 阶段，达到有机质转化的末期。 不同沉积盆地，由于其沉降史、地温史等差异， 有机质向油气转化的过程不一定均经历该4个阶 段；而且，每个阶段的深度和温度界限也可能 有所差别。 需要注意 对于地质发展史较复杂的沉积盆地(如经历数次升降作 用)，生油岩中的有机质可能由于埋藏较浅尚未成熟就 遭遇抬升，到再度沉降埋藏到相当深度、达到成熟温度 后，有机质仍然可以生成大量石油，即所谓“二次生油”。 五 烃源岩研究 （一）

24、烃源岩层的基本概念 （二）烃源岩的地质研究 （三）烃源岩的地球化学特征 （四）油源对比 （一）烃源岩层的基本概念 烃源岩(生油气母岩)-能够生成石油和天然气的岩石。 烃源岩层(生油层)-由能够生成石油和天然气的岩石 组成的岩层。 烃源岩层系(生油层系)：指在一定地质时期内， 具有相同岩性-岩相特征的若干烃源岩层与其间 非烃源岩层的组合。 含油层系：如果在烃源岩层系中有储集层存在， 那么该生油层系即为含油层系。 （二）烃源岩的地质研究 研究包括：烃源岩的岩性、岩相 及 厚度研究。 1、岩性特征 宏观特征 岩性特征是研究烃源岩(层)的最直观标志。 颗粒细、颜色暗、富含有机质和微体生物化石、 常含原生分散状黄铁矿、偶见原生油苗。 烃源岩的类型 常见类型主要包括：粘土岩类 和 碳酸盐岩类。 烃源岩 类型 岩石类型颜色结构层理自生 矿物 化 石 油气 显示 粘土 岩类 泥岩、页岩 为主，次为 砂质泥岩, 泥质粉砂岩 灰黑色 深灰色 灰 色 灰绿色 泥级 - 粉砂 级 页状, 厚层- 块