石油地质学--研究所版 第2章现代油气成油理论

1、第二章第二章 油气生成油气生成 现代油气生成理论认为现代油气生成理论认为: : 保存在沉积物中的有机质保存在沉积物中的有机质 在不断埋深的过程中在不断埋深的过程中, , 在细菌、温度等因素的作用在细菌、温度等因素的作用 下，经历未成熟、成熟和过成熟等阶段，陆续转化下，经历未成熟、成熟和过成熟等阶段，陆续转化 成石油和天然气。成石油和天然气。 第第1 1节节 生成油气的原始物质生成油气的原始物质 一、沉积有机质及其来源一、沉积有机质及其来源 原始来源：原始来源：活的有机体活的有机体及其在生命活动中的代谢产物（分泌物、及其在生命活动中的代谢产物（分泌物、 排泄物）。排泄物）。 水生低等生物（尤其是

2、藻类）水生低等生物（尤其是藻类） 陆生高等植物陆生高等植物 浮游动物和高等动物对沉积有机质的贡献浮游动物和高等动物对沉积有机质的贡献相对很小相对很小 沉积有机质：随无机质点一道沉积并保存下来的生物残留物质沉积有机质：随无机质点一道沉积并保存下来的生物残留物质 生物体的组成（干重生物体的组成（干重% %） 植植 物物 蛋白质蛋白质 碳水化合物碳水化合物 脂脂 类类 木质素木质素 云杉木云杉木 1 1 66 66 4 4 29 29 橡树叶橡树叶 6 6 52 52 5 5 37 37 针松叶针松叶 8 8 47 47 28 28 17 17 浮游植物浮游植物23 23 66 66 11 11 0

3、 0 硅硅 藻藻 29 29 63 63 8 8 0 0 石松孢子石松孢子8 8424250500 0 动动 物物 浮游动物浮游动物 60 60 22 22 18 18 0 0 挠足类挠足类 65 65 25 25 10 10 0 0 牡牡 蛎蛎 55 55 33 33 12 12 0 0 高等无脊椎动物高等无脊椎动物 70 70 20 20 10 10 0 0 ( 据据Hunt, 1996 ) 物质物质C CH HS SN NO O 碳水化合物碳水化合物44650 木质素木质素6350.10.331.6 蛋白质蛋白质53711722 脂类脂类761212 石油石油851310.50.5 天然

4、有机物质的平均化学组成天然有机物质的平均化学组成( (重量重量%)%) ( 据据Hunt, 1996 ) 各类有机物质的各类有机物质的 C/N+S+O 原子比原子比: 碳水化合物碳水化合物 1:1 蛋白质蛋白质 3:1 脂类脂类 10:1 保存下来的生物有机质平均保存下来的生物有机质平均 仅为其原始产量的仅为其原始产量的0.8%左右左右 氧化分解氧化分解 生化分解生化分解 生物吞食生物吞食 有机质的沉积有机质的沉积 有有 机机 体体 年产量（干重）年产量（干重）10103 3t/kmt/km2 2 里里 海海 南加州陆缘海南加州陆缘海 浮游植物浮游植物 460 460 560 560 浮游动物

5、浮游动物 34 34 44 44 底栖生物底栖生物 41 41 19 19 鱼鱼 类类 2 21.31.3 经损失后能到沉积物中的经损失后能到沉积物中的 （占总量的（占总量的0.6%0.6%） 3.23.23.83.8 海洋盆地中有机体的产量海洋盆地中有机体的产量 第第1 1节节 生成油气的原始物质生成油气的原始物质 二、影响沉积物有机质丰度的主要因素二、影响沉积物有机质丰度的主要因素 生物产率生物产率 控制因素包括控制因素包括: 营养供给营养供给、光照强度、温度、掠食生物、光照强度、温度、掠食生物、 水化学性质等。水化学性质等。 具有较高生物产率的环境：具有较高生物产率的环境： 浅海浅海 （

6、 生物死亡生物死亡营养原地再循环；河流带入陆源营养）营养原地再循环；河流带入陆源营养） 海水上涌区海水上涌区 不同环境有机碳的产率不同环境有机碳的产率 海水上涌造成高的生物产率海水上涌造成高的生物产率 全球现代沉积碳的分布全球现代沉积碳的分布 第第1 1节节 生成油气的原始物质生成油气的原始物质 二、影响沉积物有机质丰度的主要因素二、影响沉积物有机质丰度的主要因素 生物产率生物产率 控制因素包括控制因素包括: 营养供给、光照强度、温度、掠食生物、营养供给、光照强度、温度、掠食生物、 水化学性质等。水化学性质等。 具有较高生物产率的环境：具有较高生物产率的环境： 浅海浅海 （ 生物死亡生物死亡营

7、养原地再循环；河流带入陆源营养）营养原地再循环；河流带入陆源营养） 海水上涌区海水上涌区 保存条件保存条件 控制因素包括控制因素包括: 氧化作用强度氧化作用强度、有机质的类型、沉积、有机质的类型、沉积 物的堆积速度物的堆积速度 第第1 1节节 生成油气的原始物质生成油气的原始物质 缺氧带（缺氧带（Anoxic zone）：溶解氧含量）：溶解氧含量 0.5 mL/L (喜氧菌喜氧菌) 密度分层密度分层 乏氧的底水乏氧的底水 滞水盆地滞水盆地 (湖泊湖泊) 黑色、还原的沉积物黑色、还原的沉积物 微还原至氧化微还原至氧化 的沉积物的沉积物 氧化的沉积物氧化的沉积物 棕褐至白色棕褐至白色 大陆架大陆架

8、 大陆坡大陆坡 大陆隆大陆隆 米米 最低含氧层最低含氧层 海水最低含氧层海水最低含氧层 大陆架大陆架 大陆坡大陆坡 大陆隆大陆隆米米 弱还原至氧化的沉积物弱还原至氧化的沉积物 黑色、还原的沉积物黑色、还原的沉积物 扩展的最低含氧层扩展的最低含氧层 O2 最低含氧层的扩展最低含氧层的扩展 （大洋乏氧事件（大洋乏氧事件,K2、J3、D3） 密度分层密度分层 表层水流入或流出表层水流入或流出 乏氧的水乏氧的水 浅障壁盆地浅障壁盆地 (水深水深200m) 富含有机质的沉积物富含有机质的沉积物 缺氧缺氧 充氧充氧 充氧充氧 缺氧或乏氧缺氧或乏氧 障壁障壁 深障壁盆地深障壁盆地 (障壁与最低含氧层交切障壁

9、与最低含氧层交切) 水中溶解水中溶解O2的含量的含量 高高 中中 低低 上涌上涌 高水流量高水流量 低水流量低水流量 深障壁盆地深障壁盆地 (障壁位于最低含氧层之下障壁位于最低含氧层之下) 沉积速度（厘米沉积速度（厘米/千年）千年） 沉积速度与有机质含量的关系沉积速度与有机质含量的关系 第第1 1节节 生成油气的原始物质生成油气的原始物质 二、影响沉积物有机质丰度的主要因素二、影响沉积物有机质丰度的主要因素 生物产率生物产率 控制因素包括控制因素包括: 营养供给、光照强度、温度、掠食生物、营养供给、光照强度、温度、掠食生物、 水化学性质等。水化学性质等。 具有较高生物产率的环境：具有较高生物产

10、率的环境： 浅海浅海 （ 生物死亡生物死亡营养原地再循环；河流带入陆源营养）营养原地再循环；河流带入陆源营养） 海水上涌区海水上涌区 保存条件保存条件 控制因素包括控制因素包括: 氧化作用强度、有机质的类型、沉积氧化作用强度、有机质的类型、沉积 物的堆积速度物的堆积速度 稀释作用稀释作用 沉积物堆积速度（米沉积物堆积速度（米/百万年）百万年） 过快速堆积造成的过快速堆积造成的“稀释作稀释作 用用” 三、沉积有机质中的三、沉积有机质中的干酪根干酪根 （一）干酪根（一）干酪根（KerogenKerogen） Kerogen：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泛指现代沉积物和古代沉

11、积岩中不溶于一般有机溶剂的沉积 有机质有机质。 常温常压下不溶于有机溶剂的常温常压下不溶于有机溶剂的 固体有机质，但在热解或加氢固体有机质，但在热解或加氢 分解产生烃类物质。分解产生烃类物质。 HuntHunt（19791979）：沉积岩中所有）：沉积岩中所有 不溶于非氧化性的酸、碱和非不溶于非氧化性的酸、碱和非 极性溶剂的分散有机质。极性溶剂的分散有机质。 岩石中可溶于有机溶剂的部岩石中可溶于有机溶剂的部 分分称称沥青沥青（bitumen）。）。 （二）元素组成（二）元素组成 C为主，为主，H、O次之，少量次之，少量S、N等。等。 C C：H H：O O：N77N77：7 7：1111：2

12、2 成分结构复杂的成分结构复杂的高分子聚合物高分子聚合物。 占沉积有机质的占沉积有机质的80-90%80-90%。 细软粉末，暗棕到黑色。细软粉末，暗棕到黑色。 干酪根是地球上有机质分布最广泛的形式，是干酪根是地球上有机质分布最广泛的形式，是煤和液态石油的煤和液态石油的1,0001,000倍倍和非和非 储集岩岩石中分散天然沥青的储集岩岩石中分散天然沥青的5050倍（倍（HuntHunt，19721972；Tissot Tissot WelteWelte， 19781978）。）。 干酪根是最主要的原始成烃物质，但并非原始成烃物质的全部。干酪根是最主要的原始成烃物质，但并非原始成烃物质的全部。应

13、该说应该说 形成油气的原始物质是沉积有机质，而不仅是干酪根形成油气的原始物质是沉积有机质，而不仅是干酪根。 （三）结构（三）结构 复杂，环状结构，三维网状系统，由多个核被复杂，环状结构，三维网状系统，由多个核被 桥键和官能团连接而成。桥键和官能团连接而成。 （四）类型（四）类型 1 光学分类光学分类 透射光下透射光下：藻质、无定形、草质、木质、煤质：藻质、无定形、草质、木质、煤质 反射光下反射光下：腐泥组、壳质组、镜质组、惰质组：腐泥组、壳质组、镜质组、惰质组 2 化学分类化学分类 由由C H O含量组成不同，可分为三类：含量组成不同，可分为三类： 型干酪根型干酪根：单细胞藻类（海藻）残体组成

14、，富含脂类化合物，：单细胞藻类（海藻）残体组成，富含脂类化合物，H/C高，高， O/C低低，含大量脂肪族烃结构（链式结构为主），少环芳烃和含氧官能，含大量脂肪族烃结构（链式结构为主），少环芳烃和含氧官能 团 ，团 ， 生 成 液 态 石 油 潜 力 大生 成 液 态 石 油 潜 力 大 ， 油 页 岩 属 此 类 。 典 型 腐 泥 质 类 型， 油 页 岩 属 此 类 。 典 型 腐 泥 质 类 型 （sapropelicsapropelic）。）。最大转化率最大转化率 8080。 型干酪根型干酪根：源于富木质素和碳水化合物的高等陆源植物碎屑形成的，：源于富木质素和碳水化合物的高等陆源植物碎

15、屑形成的， H/CH/C低，低，O/CO/C高，多环芳香烃结构为主，生油潜力小，天然气的主要母质。高，多环芳香烃结构为主，生油潜力小，天然气的主要母质。 典型腐殖质类型（典型腐殖质类型（humichumic）。）。最大转化率最大转化率 3030。 型干酪根型干酪根：介于：介于、之间，过渡性，来源于海洋飘浮植物及浮游动物，之间，过渡性，来源于海洋飘浮植物及浮游动物， 具多环饱和烃结构。生油气潜能介于二者之间。类脂型（具多环饱和烃结构。生油气潜能介于二者之间。类脂型（liptimiticliptimitic）。）。 我国陆相盆地统计我国陆相盆地统计 ( (王铁冠王铁冠) )： 型干酪根占型干酪根占

16、22.9%22.9%， 型干酪根占型干酪根占 48.5%48.5%，型干酪根占型干酪根占28.6%28.6%。 第二节第二节 促使有机质向油气转化的因素促使有机质向油气转化的因素 沉积有机质向油气演化的过程是有机质不断的沉积有机质向油气演化的过程是有机质不断的去氧、加氢、富集碳去氧、加氢、富集碳 的过程的过程。 细菌、细菌、温度、时间、温度、时间、催化剂、放射性。催化剂、放射性。 （一）细菌（一）细菌 包括：包括： 喜氧细菌喜氧细菌 通氧细菌通氧细菌 厌氧细菌厌氧细菌 在隔氧条件下，有机质的大分子被分解，在隔氧条件下，有机质的大分子被分解，O N SO N S被分离，使被分离，使C HC H富

17、集富集有机有机 化合物化合物分解、聚合分解、聚合稳定干酪根，伴有部分甲烷、稳定干酪根，伴有部分甲烷、COCO2 2、H H2 2，H H2 2S S 在早期阶段在早期阶段作用作用显著。显著。 第二节第二节 促使有机质向油气转化的因素促使有机质向油气转化的因素 （二）（二）温度与时间温度与时间 埋藏加大，地温增高，沉积有机质埋藏加大，地温增高，沉积有机质热分解热分解石油（最有效、最持久的作石油（最有效、最持久的作 用因素）用因素） 1 1 作用机理作用机理 两个实验：两个实验： （1 1）页岩中的不溶有机质（干酪根）页岩中的不溶有机质（干酪根）-加热加热烃类产物（低分子烷烃）；烃类产物（低分子烷

18、烃）； （2 2）现代海洋沉积物的干酪根现代海洋沉积物的干酪根加热加热挥发性产物，液态、固态产物挥发性产物，液态、固态产物 结论：结论： （1 1）不溶有机质不溶有机质热力作用热力作用烃类；烃类； （2 2）随温度增加，其产物有规律变化，随温度增加，其产物有规律变化，T T达一定时，气态产物首先产出；达一定时，气态产物首先产出； 一般地，相同时间，温度愈高，生成石油愈多。一般地，相同时间，温度愈高，生成石油愈多。 ConnanConnan（康南）的结论：（康南）的结论： A R E T t 1 ln 第二节第二节 促使有机质向油气转化的因素促使有机质向油气转化的因素 表明：表明：lntlnt与

19、与1/T1/T呈直线关系，呈直线关系，即反应时即反应时 间的自然对数与绝对温度成反比直线关间的自然对数与绝对温度成反比直线关 系系（图（图2-122-12，表，表2-52-5）。）。 故，故，地温梯度高的沉积盆地，油气资源较地温梯度高的沉积盆地，油气资源较 丰富丰富。 松辽盆地松辽盆地 3.13.14.8/100m4.8/100m；加瓦尔油田；加瓦尔油田 （中东）（中东） 5.1/100m5.1/100m世界第一大油田。世界第一大油田。 生油门限生油门限：随着埋藏深度的增大，当温：随着埋藏深度的增大，当温 度升高到一定数值，有机质开始大量转度升高到一定数值，有机质开始大量转 化成石油的温度，或

20、称化成石油的温度，或称成熟温度成熟温度。达到。达到 门限温度的深度叫门限温度的深度叫成熟点成熟点。( (图图2-132-13） 生油窗生油窗：主要生油期：主要生油期 一般地，一般地，5050120120作为石油门限温度范作为石油门限温度范 围。（围。（60-6560-65居多）居多） 不同沉积盆地，不同层位，生油门限温不同沉积盆地，不同层位，生油门限温 度不同度不同。与有机质类型、埋藏时间有关与有机质类型、埋藏时间有关。 时间与温度相互补偿时间与温度相互补偿。 温度是转化过程的决定作用。温度是转化过程的决定作用。 2 2 时间时间- -温度指数（温度指数（TTITTI） 假设：成熟度与时间呈线

21、性变化关系，假设：成熟度与时间呈线性变化关系， 与温度成指数变化关系。与温度成指数变化关系。则：则： max min max min )(2)( n n n n n n n n ttrTTI 应用：应用： （1 1）研究成熟度，确定特定层位的油气保）研究成熟度，确定特定层位的油气保 存状态；存状态； （2 2）确定有利生油气区范围；）确定有利生油气区范围； （3 3）确定石油生成时间，对圈闭评价；确定石油生成时间，对圈闭评价； （三）催化剂（三）催化剂（CatalystCatalyst） 催化剂催化剂: : 能能加快化学反应加快化学反应的进程而本身不参加化学反应的物质。的进程而本身不参加化学反

22、应的物质。 破坏反应物的原始结构，使分子重新分布破坏反应物的原始结构，使分子重新分布，形成，形成稳定的烃类物质稳定的烃类物质 （1）粘土矿物粘土矿物（吸附性）：蒙脱石比表面大，催化能力最强；伊利石次（吸附性）：蒙脱石比表面大，催化能力最强；伊利石次 之；高岭石最弱；之；高岭石最弱； （2）酵素酵素：由动植物，微生物产生，在有机质分解早期有重要意义。：由动植物，微生物产生，在有机质分解早期有重要意义。 第二节第二节 促使有机质向油气转化的因素促使有机质向油气转化的因素 第二节第二节 促使有机质向油气转化的因素促使有机质向油气转化的因素 在在250250下油酸的热催化产物下油酸的热催化产物 催化剂

23、催化剂: :油酸油酸 烃类产烃类产 率率 （% %） 各类烃所占的百分比各类烃所占的百分比 饱和烃饱和烃 单核芳烃单核芳烃 双核芳烃双核芳烃 31 31 36 36 18 18 53 53 29 29 21 21 20 20 28 28 54 54 18 18 第二节第二节 促使有机质向油气转化的因素促使有机质向油气转化的因素 根据已有的实验资料外推，用根据已有的实验资料外推，用 高活力催化剂在高活力催化剂在100100下裂解下裂解 正十六烷只需要几个月，若用正十六烷只需要几个月，若用 低活力催化剂则需要低活力催化剂则需要10001000年，年， 而不用催化剂单纯的热解所需而不用催化剂单纯的热

24、解所需 时间已超过了地球的年龄时间已超过了地球的年龄 正十六烷热裂解和催化裂解所需要的时间正十六烷热裂解和催化裂解所需要的时间 ( (据据Goldstein,1980)Goldstein,1980) 第三节第三节 有机质演化与成烃模式有机质演化与成烃模式 一、一、未成熟未成熟阶段阶段 温度温度：10106060。 主要作用因素主要作用因素: : 生物化学作用生物化学作用 （细菌、酵素）（细菌、酵素） 有机质演化过程有机质演化过程: : 在还原环境中，沉积有机质被在还原环境中，沉积有机质被 部分分解，产生部分分解，产生COCO2 2、CHCH4 4、NHNH3 3、 H H2 2S S、H H2

25、 2O O等等; ;同时形成更为稳定同时形成更为稳定 的干酪根。的干酪根。 从生物有机质从生物有机质-干酪根形成过程示意图干酪根形成过程示意图 主要烃类产物主要烃类产物：生物化学生物化学甲烷甲烷 正烷烃的碳原子数和分子量递减，生物烃所带来的奇碳优势被新生烃所冲淡直至消失；正烷烃的碳原子数和分子量递减，生物烃所带来的奇碳优势被新生烃所冲淡直至消失； 环烷烃和芳香烃的碳原子数和环数减少，分布曲线由双峰型变为单峰型环烷烃和芳香烃的碳原子数和环数减少，分布曲线由双峰型变为单峰型 二、二、成熟成熟阶段阶段 温度温度：60-18060-180。 主要作用因素主要作用因素：热降解：热降解作用。作用。 （催化

26、剂、温度）（催化剂、温度） 有机质演化过程有机质演化过程：干酪根在热力干酪根在热力 作用下逐步向油气转化。随温度作用下逐步向油气转化。随温度 持续增高，生油反应的速度和生持续增高，生油反应的速度和生 油量显著增大，直至达到生油高油量显著增大，直至达到生油高 峰。此后，生油量开始明显减少，峰。此后，生油量开始明显减少， 生气量相应迅速增大。至约生气量相应迅速增大。至约180180 后，干酪根的生油潜力枯竭，只后，干酪根的生油潜力枯竭，只 能生成气态烃类。能生成气态烃类。 右图说明：有机质各组成随深度的变化右图说明：有机质各组成随深度的变化 ( (据据B.Durand,1980)B.Durand,

27、1980) 1-CO1-CO2 2+H+H2 2O; 2-O; 2-油油; 3-; 3-湿气湿气; 4-; 4-甲烷甲烷; 5-; 5-胶质胶质+ +沥沥 青质青质; 6-; 6-不溶于有机溶剂的有机质不溶于有机溶剂的有机质; 7-; 7-可溶于碱可溶于碱 的有机质的有机质; 8-; 8-可溶于酸的有机质可溶于酸的有机质; ; 虚线表示这些虚线表示这些 组成可能叠置组成可能叠置 三、三、过成熟过成熟阶段阶段 有机质转化末期。此阶段已生成的液态烃和重质气态烃强烈分解，转变成有机质转化末期。此阶段已生成的液态烃和重质气态烃强烈分解，转变成 最稳定的甲烷，以及碳质残渣（碳沥青或石墨）。最稳定的甲烷，

28、以及碳质残渣（碳沥青或石墨）。 第三节第三节 有机质演化与成烃模式有机质演化与成烃模式 温度温度：180-250180-250。 第四节第四节 烃源岩及其评价烃源岩及其评价 烃源岩烃源岩（source rocksource rock）：）： 曾经生成并排出足以形成工业数量油气的岩石。曾经生成并排出足以形成工业数量油气的岩石。 （Hunt 19791979 ） (有效烃源岩有效烃源岩) 张厚福：能够生成石油和天然气的岩石。张厚福：能够生成石油和天然气的岩石。 生油层生油层：由生油岩组成的地层。：由生油岩组成的地层。 生油气层系生油气层系：在一定地质时期内具有相同岩性、岩相特征的若干生油层：在一定

29、地质时期内具有相同岩性、岩相特征的若干生油层 与其间非生油层的组合，称生油层系。与其间非生油层的组合，称生油层系。 生油区生油区( (油油/ /气源区气源区) )：盆地内生油层系分布的区域。：盆地内生油层系分布的区域。 第四节第四节 烃源岩及其评价烃源岩及其评价 一、烃源岩一、烃源岩的岩石类型及特征的岩石类型及特征 1 1、 粘土岩类烃源岩粘土岩类烃源岩 1 1）岩类：泥岩（）岩类：泥岩（mudstonemudstone）、页岩（）、页岩（shaleshale）、粘土岩（）、粘土岩（clay rockclay rock） 2 2）特征：）特征： - 颜色较暗，以灰色、灰黑色、灰绿色为主（有机质

30、丰富）。颜色较暗，以灰色、灰黑色、灰绿色为主（有机质丰富）。 - 生物化石丰富，沉积环境安静、缺氧，水体稳定。生物化石丰富，沉积环境安静、缺氧，水体稳定。 - 富含分散状原生富含分散状原生黄铁矿黄铁矿，水平层理。，水平层理。 2 2、 碳酸盐岩类烃源岩碳酸盐岩类烃源岩 1 1）岩类：石灰岩（）岩类：石灰岩（limestonelimestone），生物灰岩（），生物灰岩（biosparitebiosparite），泥灰岩），泥灰岩 （micritemicrite）。）。 2 2）特征：）特征：- 岩性主要为低能环境下形成的隐晶粉晶灰岩。岩性主要为低能环境下形成的隐晶粉晶灰岩。 - - 颜色较深，

31、多为灰色、深灰色、褐灰色。颜色较深，多为灰色、深灰色、褐灰色。 - - 含生物化石丰富，含原生黄铁矿。含生物化石丰富，含原生黄铁矿。 （二二）烃源岩烃源岩的地球化学指标的地球化学指标 1 1 有机质丰度指标有机质丰度指标 1)1) 总有机碳总有机碳（Total Organic Carbon Total Organic Carbon TOCTOC）：单位重量的干岩石中单位重量的干岩石中 有机碳的重量百分数。有机碳的重量百分数。（也称残余（也称残余/剩余有机碳剩余有机碳)。 可作为筛选烃源岩和评价生油气能力的指标可作为筛选烃源岩和评价生油气能力的指标 粘土岩类的有机碳含量高于碳酸盐岩类粘土岩类的有机碳含量高于碳酸盐岩类： 对有机质的吸附能力不同对有机质的吸附能力不同; 碳酸盐岩的晶析作用和成岩作用。碳酸盐岩的晶析作用和成岩作用。 第四节第四节 烃源岩及其评价烃源岩及其评价 烃源岩的烃源岩的