第四章油气生成与烃源岩

1、第一节油气成因理论第二节油气生成的物质基础第三节油气生成的地质环境与物化条件第四节有机质成烃演化模式第五节天然气的成因类型及特征第六节烃源岩的研究与油源对比 油气成因油气成因 油气藏形成油气藏形成 油气分布规律油气分布规律石油地质学的三大研究课题关系到有利的勘探区和有利层位的选择根本性问题根本性问题油气生成油气生成必须首先解决盆地的油气生成问题。必须首先解决盆地的油气生成问题。石油的成因是一个极为复杂的课题，至今还存在一些争论。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：这主要原因是：1 1物态上物态上：油气是流体。可运移。油气是流体。可运移。油气藏）油气藏）2 2化学组

2、成上：化学组成上：组份很复杂，且在运移和保存过程中或其组份很复杂，且在运移和保存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。其原貌。缺乏对石油及其原始母质过渡形式的明确认识。原始母质原始母质 油气？油气？3 3涉及学科多：涉及学科多：由于分离及鉴定手段的限制，目前对石油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。组份的了解尚不充分。石油的石油的成因问题成因问题，关系到油气的勘探方向关系到油气的勘探方向，所以，多年来，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。它一直吸引着许多国

3、家地质学家、生物化学家和地球化学家。二、油气成因分两大学派二、油气成因分两大学派无机成因论无机成因论有机成因论有机成因论第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 v焦点与学派：焦点与学派：（一）无机成因（一）无机成因石油天然气是在地下深处高温、高压条件下由无机物通过化学反映生成的。（）泛宇宙说（）泛宇宙说 （）地球深部的无机合成说（）地球深部的无机合成说泛宇宙说包括烃类在内的有机质化合物是在宇宙天体的演化过程中形成的，地球形成时就已存在。岩浆说岩浆说：库德梁采夫库德梁采夫(1949,苏联）苏联）地幔脱气说地幔脱气说:T.gold(1993) 、 宇宙说：宇宙说：1889年俄国索柯洛夫

4、：碳氢化合物年俄国索柯洛夫：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是宇宙所固有的，在地球处于熔融阶段时即已存在于气圈这中了，以后地球冷却被吸附凝结在地壳上于气圈这中了，以后地球冷却被吸附凝结在地壳上部形成油气藏。部形成油气藏。（一）油气无机成因说（一）油气无机成因说第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 地壳深处无机质合说：油气是在地下深处，在高温、高压和催化济作用下，由CO2、H2O、H2等简单无机质通过化学反映合成而成的。碳化说：门捷列夫(1876)高温生成说：切卡留克(1971)耶兰斯基：蛇纹石生油说(1971)费托合成地质说：R.Robinson(1963)

5、 、 碳化说：碳化说：1876年俄国化学家门捷列夫：石油是年俄国化学家门捷列夫：石油是地下地下深处的金属碳化物与下渗的水相互作用所生成。生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。成的石油蒸气在冲向地壳的过程中冷凝形成油气藏。FemCn+4mH2OmFe3O4+C3nH3m 、岩浆说、岩浆说：苏联库德梁采夫苏联库德梁采夫(1949,10)，在纪念宇宙，在纪念宇宙说说六十周年时突然由有机说的观点转变为无机说，认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，含有为地球深处的岩浆中，含有C、H，还有，还有O、N、S及石及石油中其他灰分

6、元素。在油中其他灰分元素。在600012000下，下，C、H可可形成甲基，形成甲基，到到30004000可形成可形成次甲基次甲基，随着温度随着温度降低，可形成甲基，最后形成降低，可形成甲基，最后形成甲烷，甲炔基可聚合形甲烷，甲炔基可聚合形成各种烃成各种烃，在温度、压力适合时，在温度、压力适合时形成石油。形成石油。其证据是：其证据是：岩桨岩、变质岩中相继发现油气藏，岩桨岩、变质岩中相继发现油气藏，基性岩桨发现了天然气。基性岩桨发现了天然气。 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 （二）有机成因说、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、二十世纪初，发现石油中

7、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、“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。 早期有机成因说第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 早期有机成因论早期有机成因论 晚期有机成因论晚期有机成因论有机成因说：在地质历史发展过程中，由保存在沉积岩中的生物有机质在一定理化条件下逐渐转化而成。生物有机质油气早期说早期说（浅成说）：浅层、成岩早期、生物化学作用晚期说晚期说:一定热力一定热力催化剂作用催化剂作用（深成说）：（深成说）：、早期

8、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。、晚期成油说（P.H.Abelson，1963）：石油是由沉积岩中占有机质的不溶部分（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、液态窗（Pusey，1973）：液态烃分布规律，主要分布66.5148.9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。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的

9、形成 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。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 4大量油田测试结果可知，油层温度很少超过100100，有些深部油层温度可以高达141，而当

10、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，甾卟啉化合物，异戊间二烯型化合物，甾醇类，石油的旋光性醇类，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。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 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

11、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。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 石油有机成油理论晚期成油理论晚期成油理论广泛为国际石油界所接受，同时“未熟未熟低熟低熟”油（早期成油）不断被发现不断被发现，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，石油有机成油理论石油有机成油理论的又一进展是煤成烃理论又一进展是煤成烃理论的发

12、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。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 油气有机成因发展中值得指出的是：油气有机成因发展中值得指出的是：、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只有海相沉积才能生成油气，特别是在我国清末、民初，

13、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陆相也能生油的理论的理论，有力地驳斥了中国贫油论，极大地丰富了石油理论。、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。化与分布的规律。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 尽

14、管目前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值，特别是近年来，特别是近年来无机学派也提出了一些证据：无机学派也提出了一些证据：、实验表明，无机物可合成烃、实验表明，无机物可合成烃nCOnCO2 2+2nH+2nH2 2=(CH)n+nH=(CH)n+nH2 2O O费托反应费托反应、火山喷出的气体和熔岩流中含有烃类。、火山喷出的气体和熔岩流中含有烃类。、许多天体上存在有烃类（甚至有植烷、姥鲛烷、卟、许多天体上存在有烃类（甚至

15、有植烷、姥鲛烷、卟啉、旋光性）啉、旋光性）、石油的旋光性可由非旋光性物质合成。石油中卟啉、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。外界攫取。、生命起源于烃类，远在生物存在前，石油就已存在。、生命起源于烃类，远在生物存在前，石油就已存在。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 、石油的分布常受断达上地幔深大断裂控制。、石油的分布常受断达上地幔深大断裂控制。断裂是烃类向上运移的最好途径。断裂是烃类向上运移的最好途径。、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1

16、07109 t,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。、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。、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。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 尤其是近尤其是近20多年来，一些多年来，一些无机成无机成因天然气的发现因天然气的发现，为，为无机成烃理论提无机成烃理论提供了依据供了依据，新理论和新手段的发展也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为无机成油理论研究奠定了基础。由于有机成油理论已

17、经成熟，而无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，故本章介机成油理论尚处在探讨中，故本章介绍绍油气有机成因理论油气有机成因理论。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 一、一、生成油气的原始物质生成油气的原始物质 1. 1. 生物种类来源生物种类来源 沉积有机质的生物种类来源首先是沉积有机质的生物种类来源首先是浮游植物，浮游植物，其次是细菌、高等植物、浮游动物。其次是细菌、高等植物、浮游动物。 2. 2. 生化体有机组分生化体有机组分 对沉积有机质来源提供最多的生化组成是对沉积有机质来源提供最多的生化组成是：类脂化

18、合物类脂化合物、蛋白质、蛋白质、碳水化合物碳水化合物和木质素和木质素第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 原始来源：活的有机体及生命代谢的产物 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。 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 第四章第四章 油气生成与烃源岩油气生成与烃源岩二、原始物质的形成二、原始物质的形成 沉积有机质：沉积有机质：通过沉积作用进入沉积物中并被埋藏保存下来通过沉积作用进入沉积物中并被埋藏保存下来的那部分有机质称为沉积有机质。的那部分有机质称为沉积有

19、机质。 、形成形成： 分解分解(化学、细菌化学、细菌) 小分子水溶散失小分子水溶散失 生物生物 死亡死亡 吞食吞食 保存于沉积物中（只占保存于沉积物中（只占0.8%左右）左右）第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 、沉积有机质来源：、沉积有机质来源： （1） 原地有机质：原地有机质：主要来源的于盆地自身。主要来源的于盆地自身。（）异地有机质：（）异地有机质：经河流、风等携入盆地。经河流、风等携入盆地。（）再沉积有机质：（）再沉积有机质：已有的有机质由于岩石已有的有机质由于岩石风化等因素再次沉积。风化等因素再次沉积。第四章第四章 油气生成与烃源岩油气生成与烃源岩、沉积有机质分布和影

20、响因素 (1) 分布：总量大，分布很不均衡。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 (2) 影响有机质丰度因素：有机质来源充足保存条件好沉积物中富含有机质的地质条件是：长期稳定下沉的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有机质来源温湿、低能还原性古地理环境生物产率高，有机质来源充足。低能静水，有机质分解少，保存条件好。沉积物沉积速率大，粒度细。浅海封闭环境、半深湖深湖，前三角洲。4 4、沉积有机物演变过程、沉积有机物演变过程第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 天 然 有 机 质新 的 沉 积 有 机 质（ 生 物 聚 合 体 ）腐 殖 质部 分 稳

21、定 组 （ 如 孢 子 、 花 粉 、 树 脂 等 ） 抗 降 解 能力 较 强 ， 不 经 过 明 显 变 化 直 接 成 为 干 酪 根 组 分微 生 物 作 用缩 聚 、 不 溶干 酪 根（ 地 质 聚 合 体 ）沥 青 天 然 气石 油运 移成 藏部 分 生 物 标 记 化 合 物热 成 熟部 分 生 物 标 记 化 合 物分 解 、 聚 合微 生 物 发 酵微 生 物 发 酵天 然 有 机 质新 的 沉 积 有 机 质（ 生 物 聚 合 体 ）腐 殖 质部 分 稳 定 组 （ 如 孢 子 、 花 粉 、 树 脂 等 ） 抗 降 解 能力 较 强 ， 不 经 过 明 显 变 化 直 接

22、 成 为 干 酪 根 组 分微 生 物 作 用缩 聚 、 不 溶干 酪 根（ 地 质 聚 合 体 ）沥 青 天 然 气石 油运 移成 藏部 分 生 物 标 记 化 合 物热 成 熟部 分 生 物 标 记 化 合 物分 解 、 聚 合微 生 物 发 酵微 生 物 发 酵、古代沉积岩中分散有机质的组成：、古代沉积岩中分散有机质的组成： 烃类：烃类：岩石中可溶于有机溶剂的有机质。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。是有机体生化作用的产物。 沥青：沥青：可溶于有机溶剂，是烃类和非烃类可溶于有机溶剂，是烃类和非烃类物质的混合物。可分为油质、胶质及沥青质，物质的混合物。可分为油质、胶质及

23、沥青质，是有机质向油气转化的中间产物。是有机质向油气转化的中间产物。 干酪根：干酪根：不能溶解于有机溶剂的固体分散不能溶解于有机溶剂的固体分散有机质。有机质。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 三、生油母质三、生油母质干酪根干酪根(Kerogen)(Kerogen) 1.1.干酪根：干酪根：指指沉积岩中不溶于碱、非氧化的酸沉积岩中不溶于碱、非氧化的酸（HFHF、HCIHCI）和非极性有机溶剂（）和非极性有机溶剂（CClCCl4 4、CHC1CHC13 3、笨、笨、酒精）的分散有机质（酒精）的分散有机质（ 19791979年，亨

24、特）。年，亨特）。 沉积有机质包括：有机溶剂可抽提的沥青；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。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它分散的石油多5050倍。在古代沉积岩中，有机质的倍。在古代沉积岩中，有机质的808099%99%是干酪根。是干酪根。 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 2.2.干酪根形成干酪根形成生生 物物 体体( (藻类、细菌、浮游生物和高等植物藻类、

25、细菌、浮游生物和高等植物) )死亡死亡生物有机组分生物有机组分( (类脂化合物、蛋白质、糖类和木质素类脂化合物、蛋白质、糖类和木质素) )被其它被其它生物吞食生物吞食保存到保存到沉积物（岩）中沉积物（岩）中氧化分解氧化分解沉积有机质沉积有机质生物化学分解作用生物化学分解作用 可溶有机质可溶有机质不溶有机质不溶有机质(干酪根干酪根)干酪根的形成的以下三种途径干酪根的形成的以下三种途径(大石渡良志大石渡良志,1976) ： (1) 不饱和化合物不饱和化合物 中间产物中间产物 干酪根干酪根(2) 碳水化合物、蛋白质碳水化合物、蛋白质 腐殖酸腐殖酸 干酪根干酪根 (3) 脂肪、碳水化合物、蛋白质脂肪、

26、碳水化合物、蛋白质 腐殖酸腐殖酸 干酪根干酪根（氧化（氧化 聚合）聚合）（聚合）（聚合）（聚合）（聚合）（聚合）（聚合）微生物作用微生物作用（聚合）（聚合）第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 3.3.干酪根特征干酪根特征 从岩石中提纯出来的干酪根呈黑从岩石中提纯出来的干酪根呈黑色或褐色粉末，是色或褐色粉末，是复杂的有机高分子复杂的有机高分子聚合物聚合物。在沉积岩中干酪根呈细微。在沉积岩中干酪根呈细微分分散状态散状态，有时以，有时以局部富集的纹层局部富集的纹层存在存在于泥岩中。于泥岩中。 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 4.4.干酪根组成干酪根组成复杂高分聚合

27、物，无固定化学成分复杂高分聚合物，无固定化学成分 干酪根的元素组成中以干酪根的元素组成中以 C 为主。一般分布为主。一般分布范围是范围是 C：7090%，H：310%，O：319%，N：0.44 %，S：0.25%（据（据Tissot，1984）。干酪根的元素组成跨有很大范围，它）。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的化学成分和结构会因原始物质的类型原始物质的类型和和演化演化程度程度而变化。而变化。 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 、干酪根、干酪根结构结构：干酪根是一个由很多干酪根是一个由很多“桥桥键键”交连的交连的“核核”组成，在核和桥上带有各种组成，在

28、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。的立体大分子。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 干酪根的分类：干酪根的分类：原始有机质和成矿方向不同：原始有机质和成矿方向不同：有机质有机质类型类型原始有机质原始有机质成矿方向成矿方向腐泥型有机质富含类脂的孢子和水生浮游生物石油、油页岩、腐泥煤腐殖型有机质富含木质素和纤维素的高等植物甲烷气、腐殖煤 . .干酪根干酪根类型类型 (1)化学分类化学分类 TissotTissot（19741974）根）根据干酪根的元素分据干酪根的元素分析采用析采用 H/C H/C 和和 O

29、/C O/C 原子比绘制相关图，原子比绘制相关图，即 范 氏 图 （即 范 氏 图 （ V a n V a n Krevelen Krevelen 图），将图），将其主要分为三大类其主要分为三大类 。 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 型干酪根：型干酪根：称腐泥型，称腐泥型，富含脂肪族结构富含脂肪族结构，直链烷，直链烷烃多，多环芳烃烃多，多环芳烃及含氧官能团很少及含氧官能团很少.主要来源：主要来源： 藻类、细菌类等低等生物藻类、细菌类等低等生物.富氢贫氧富氢贫氧， H/C高高: 1.251.75 O/C低低: 0.0260.12 生油潜能大生油潜能大: 生烃潜力为生烃潜力为

30、0.40.7。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 型干酪根：型干酪根：属高度饱和的多环碳骨架，含中等长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能团。来源来源：浮游生物（以浮游植物浮游生物（以浮游植物为主）和微生物的混合有为主）和微生物的混合有机质。机质。H/C 较高，约较高，约 1.31.5，O/C 较低，约较低，约 0.10.2，生油潜能中等：生油潜能中等：生烃潜力为生烃潜力为 0.30.5。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 型干酪根：型干酪根：称腐殖型。称腐殖型。以

31、含多环芳烃及含氧官以含多环芳烃及含氧官能团为主，饱和烃链很少能团为主，饱和烃链很少。来源：来源：陆地高等植物陆地高等植物 H/C 低，通常低，通常 1.0，O/C 高，可达高，可达 0.20.3 生油不利，生油不利， 利于生气。利于生气。生烃潜力为生烃潜力为 0.10.2。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 国内陆相有机质由于分异性差，不能充分国内陆相有机质由于分异性差，不能充分区分，常采用黄第藩（区分，常采用黄第藩（19861986）的三类五分法。）的三类五分法。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 0.00.10.20.30.4O/C0.00.51.01.52

32、.0H/C1221孙虎沙三段孙虎沙四段孙虎孔二段前磨头沙三段第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 （2）光学分类方法：）光学分类方法：生油气潜能按藻质生油气潜能按藻质无定形无定形草质草质木质木质煤的顺序依次减少。煤的顺序依次减少。a、孢粉学分类、孢粉学分类：方法：用盐酸和氢氟酸除去无机矿物质后，将有方法：用盐酸和氢氟酸除去无机矿物质后，将有机质残渣放在显微镜下机质残渣放在显微镜下透射光透射光观测观测.b、煤岩学家分类：、煤岩学家分类： 方法：在显微镜下放大方法：在显微镜下放大2550倍的油浸物镜，在倍的油浸物镜，在反射光下反射光下观测煤或干酪根的显微组分，观测煤或干酪根的显微组分

33、，第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 目前还比较流行着岩石热解参数划分干酪根类型，目前还比较流行着岩石热解参数划分干酪根类型，用生油岩评价仪测定生油岩中的游离烃（用生油岩评价仪测定生油岩中的游离烃（S1）、热）、热解烃（解烃（S2）、）、CO2（S3）和最大热解峰温（）和最大热解峰温（Tmax），），用这些参数直接或间接划分有机质类型。用这些参数直接或间接划分有机质类型。较常用的是氢指数较常用的是氢指数IH和氧指数和氧指数IO，产率指数，产率指数IP来来划分。划分。其中其中 IH=S2有机碳含量，有机碳含量，IO=S3有机碳含量有机碳含量 （）岩石热解参数分类（）岩石热解参数分

34、类211SSSIP第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 第三节第三节 油气生成的因素油气生成的因素两大要素两大要素：生物有机质的存在及其数量的多少，是油气生成的内生物有机质的存在及其数量的多少，是油气生成的内在物质基础；在物质基础；要生成大量的油气还要靠外部条件。这主要是指地质要生成大量的油气还要靠外部条件。这主要是指地质环境和物化条件。环境和物化条件。一、油气生成的地质环境一、油气生成的地质环境有利于有机质堆积、保存、转化的地质环境必须要有：有利于有机质堆积、保存、转化的地质环境必须要有：、长期稳定下沉（、长期稳定下沉（V沉积沉积V 沉降）的大地构造背景沉降）的大地构造背景、足

35、够数量和一定质量的原始有机质、足够数量和一定质量的原始有机质、低能、还原性岩相古地理环境（浅海封闭环境，半、低能、还原性岩相古地理环境（浅海封闭环境，半深深深湖、前三角洲）深湖、前三角洲）、适当的受热和埋藏史、适当的受热和埋藏史第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 （一）大地构造环境（一）大地构造环境 三种构造环境：三种构造环境： 过补偿过补偿 水体变浅水体变浅 欠补偿欠补偿 水体变深水体变深 补偿补偿 保持一定水体深度保持一定水体深度第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 （一）生成油气的地质环境：（一）生成油气的地质环境：1.1.大地构造条件大地构造条件长期、持续

36、稳定下降的沉积盆地长期、持续稳定下降的沉积盆地沉积速度沉降速度沉积速度沉降速度 水体迅速变浅，盆地上升为陆地水体迅速变浅，盆地上升为陆地沉积物暴露于地表不利于有沉积物暴露于地表不利于有机质堆积、保存机质堆积、保存沉积速度沉降速度沉积速度沉降速度 水体急剧变深，有机质容水体急剧变深，有机质容易遭巨易遭巨 厚水体所含氧的破坏厚水体所含氧的破坏不利于有机质保存不利于有机质保存沉积速度沉积速度沉降速度沉降速度 丰富的沉积有机质、埋藏深丰富的沉积有机质、埋藏深度大、地温梯度大、生储广度大、地温梯度大、生储广泛接触迅速向油气转化的地泛接触迅速向油气转化的地质环境质环境 为了确保有机质不断堆积、长期处于为了

37、确保有机质不断堆积、长期处于还原环境，并提供足够的热能供有机质热还原环境，并提供足够的热能供有机质热解需要，地壳必须有一个长期持续下沉，解需要，地壳必须有一个长期持续下沉，以及沉积物得到相应补偿的构造环境。以及沉积物得到相应补偿的构造环境。只只有盆地的下降速度与沉积速度大致相当时有盆地的下降速度与沉积速度大致相当时有机质才有可能大量堆积和保存，才有有机质才有可能大量堆积和保存，才有利利于有机质转化为油气。于有机质转化为油气。 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 这种大地构造环境主要分布在：这种大地构造环境主要分布在： 板块的边缘活动带板块的边缘活动带 板块内部的裂谷、坳陷板块内

38、部的裂谷、坳陷 造山带的前陆盆地、山间盆地造山带的前陆盆地、山间盆地。 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 （二）岩相古地理环境（二）岩相古地理环境 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 能还原环境有利于有机质保存的低有机物丰富的水体深度适当、面积较大、滨海滨海 浅海（陆棚）浅海（陆棚） 半深海（陆坡）深海（深海平原）半深海（陆坡）深海（深海平原） 高能环境、海水高能环境、海水进退频繁，沉积进退频繁，沉积物粗不利于繁殖物粗不利于繁殖、堆积和保存。、堆积和保存。水体营养丰富，阳水体营养丰富，阳光充足、水体较安光充足、水体较安静，最有利于生物静，最有利于生物大量繁殖。

39、大量繁殖。水体营养不足、生物不发育，水体营养不足、生物不发育，生物遗体下沉经历巨厚水体生物遗体下沉经历巨厚水体大部分遭到氧化，而且陆源大部分遭到氧化，而且陆源有机质很少。有机质很少。 水体较深，水体表层处于水体较深，水体表层处于动荡回流状态，其底部水流停动荡回流状态，其底部水流停滞，由于水底有机质的分解，滞，由于水底有机质的分解，氧气又得不到及时补充，便形氧气又得不到及时补充，便形成稳定的还原环境，是有利的成稳定的还原环境，是有利的生油区。生油区。 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 （三）古气侯环境大地构造条件是根本的，它控制着大地构造条件是根本的，它控制着岩相古地理及古气候

40、特征岩相古地理及古气候特征二、油气生成的理化条件二、油气生成的理化条件（一）细菌活动特点分布广，浅层。喜氧、厌氧、通性细菌。厌氧细菌在还原条件下，可将有机质中的O、S、N、P等元素分离出来，使碳、氢，特别是氢富集起来，产生CH4、H2、CO2、有机酚和其它碳氢化合物 。主要发生在沉积末期至成岩早期。、作为养料，被微生物菌解、氧化、作为养料，被微生物菌解、氧化CO2、H2O;、细菌作用、细菌作用CO2、H2O、CH4（生物成因气生物成因气）、聚合、缩合、聚合、缩合干酪根干酪根、少量油少量油（二）催化作用催化作用在于催化剂与分散有机质作用，使后者的原始结构破坏，促使分子重新分布，形成结构稳定的烃类

41、。主要发生在中浅层125催化剂主要有：无机盐类和有机酵母无机盐类催化剂 :分布粘土矿物中，蒙脱石粘土催化能力最强，高岭石粘土最弱。作用：可以使酒精和酮脱去水或使脂肪酸去羧基，都可以产生类似石油的物质。成岩中晚期。有机酵母催化剂：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很多。但不耐高温。成岩早期第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 无机最主要的是粘土矿物：蒙脱石、伊利石等蒙脱石、伊利石等有机酵母：动植物与微生物产生的一种胶体物质， 催化作用强，但不耐高温。有机质有机质 脂肪酸脱去羧基脂肪酸脱去羧基 类似石油的物质类似石油的物质150250粘土粘土蛋白质蛋

42、白质 酵酵 母母 氨基酸氨基酸碳水化合物碳水化合物 单糖单糖催化作用催化作用主要发生在主要发生在中浅层中浅层，地温，地温125。（三）放射性（非主要因素）（三）放射性（非主要因素）放射性作用可能是促使有机质向油气转化的能源之一。主要放射性元素有铀、钍和钾。在砂岩和砾岩中的重矿物组份中，这些放射性元素含量高；钾K40在化学盐类含量高；铀和钍在页岩、粘土岩、泥灰岩及其它含大量胶体团块的岩石中含量最大。索可夫认为，放射元素释放出的射线可以产生氢和氧2H2O2H2+O2，O2+CCO2，4H2+CO2CH4+2H2O。甲烷在射线轰击下发生聚合作用产生长链烃类。（四）压力（四）压力一般认为，高压对于裂解

43、反应是不利的，它可以阻止液态烃裂解为气态烃。如华盛顿油田、巴尔湖油田地层温度均超过200，仍为油藏。可见压力对油气的形成及转化可以起到某些作用。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 （五）温度（五）温度和时间最主要作用和时间最主要作用、温度、温度 化学动力学定律的一级反应方程：化学动力学定律的一级反应方程： 阿氏方程求得：阿氏方程求得：速度常数速度常数k k由由 E E：为活化能，与键强度成正比，同温下，：为活化能，与键强度成正比，同温下，E E越大，反应越越大，反应越慢；只有超过慢；只有超过E E值，才能反应，相应的温度为门限温度，与有机值，才能反应，相应的温度为门限温度，与有

44、机质类型有关。质类型有关。 T T：为绝对温度，决定其活化分子数和碰撞几率，同活化能：为绝对温度，决定其活化分子数和碰撞几率，同活化能条件下，温度增高，速度增加。条件下，温度增高，速度增加。 A A：为频率因子。：为频率因子。 R R：气体常数。：气体常数。 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 、时间、时间 一级反应方程积分一级反应方程积分： 阿氏方程取对数：阿氏方程取对数： 上式代入下式整理得：上式代入下式整理得： 反应时间的对数与反应温度成反比，表明反应时间的对数与反应温度成反比，表明反应温度和时间可互补。反应温度和时间可互补。 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气

45、的形成 从以上化学定律的原理可以得出：从以上化学定律的原理可以得出： 有机质在反应过程中，温度起决定作用，有机质在反应过程中，温度起决定作用，时间有补偿作用；时间有补偿作用； 时间的补偿是有限的，温度所产生的热时间的补偿是有限的，温度所产生的热量应超过活化能量应超过活化能E E。 压力大阻碍有机质转化，但影响不大。压力大阻碍有机质转化，但影响不大。 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 生成油气的物理化学条件生成油气的物理化学条件 在有机质向油气转化的过程中，不同物化条件在有机质向油气转化的过程中，不同物化条件的作用强度不同。细菌和催化剂都是在特定阶段作的作用强度不同。细菌和催化

46、剂都是在特定阶段作用显著，加速有机质降解生油、生气；用显著，加速有机质降解生油、生气；放射性作用放射性作用则可不断提供游离氢的来源；则可不断提供游离氢的来源；只有温度与时间在油只有温度与时间在油气生成全过程中都有着重要作用。气生成全过程中都有着重要作用。 所以，有机质向油气的转化，是在适宜的地质所以，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。环境里，多种因素综合作用的结果。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 沉积有机质沉积有机质的成烃演化的成烃演化 热模拟实验中型干酪根元素组成的变化 (据Tissot等，1974) 埋藏过程中型干酪根元素组成的演化 （据

47、Tissot & Welte,1984）干酪根演化过程干酪根演化过程通常随埋深通常随埋深，Kerogen演演化程度增强，其化程度增强，其H/O，O/C，元素向富元素向富C方向收缩。其演化方向收缩。其演化过程可分为三个阶段：过程可分为三个阶段：a、O/C急剧急剧（杂原子链（杂原子链破裂）破裂）CO2、H2O杂原子化杂原子化合物。合物。b、H/C快，（快，（C-C）破）破裂裂石油、湿气。石油、湿气。c、O/C、H/C继续继续 天天然气（然气（CH4、CO、CO2、H2O） 次石墨次石墨氯仿沥青氯仿沥青“A”和总烃的演化和总烃的演化第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 沉积有机

48、质：可溶有机质与干酪根演化第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 一、生物有机质随沉积物沉积后，随生物有机质随沉积物沉积后，随埋深加大，地温不断升高，在还原埋深加大，地温不断升高，在还原条件下，有机质逐步向油气转化。条件下，有机质逐步向油气转化。由于在不同深度范围内，各种能源由于在不同深度范围内，各种能源显示不同的作用效果，致使有机质显示不同的作用效果，致使有机质的转化反应性质及主要产物都有明的转化反应性质及主要产物都有明显区别

49、，表明有机质向油气的转化显区别，表明有机质向油气的转化具明显的阶段性。具明显的阶段性。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 二、油气生成的阶段性及特征 随着埋随着埋藏深度的增加，当温度藏深度的增加，当温度升高到一定的数值，有升高到一定的数值，有机质才开始大量转化为机质才开始大量转化为石油，这个温度界限称石油，这个温度界限称为门限温度。为门限温度。与门限与门限温度相对应的深度称为温度相对应的深度称为门限深度。门限深度。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 有机成烃是个连续过程有机成烃是个连续过程分四个阶段：分四个阶段：A A、生物化学生气阶段、生物化学生气阶段B B、

50、热催化生油气阶段、热催化生油气阶段C C、热裂解生凝析气阶段、热裂解生凝析气阶段D D、深部高温生气阶段、深部高温生气阶段 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 1.1. 生物化学生气阶段生物化学生气阶段A成岩作用阶段成岩作用阶段深度深度15001500米，米，TT1500-25003500m， 温度：50-60180 有机质转化最活跃的因素是热催化作用：粘土矿物作为催化剂，对有机质的吸附能力加大，加快了有机质向石油转化的速度，降低有机质成熟的温度。 热催化作用结果：热催化作用结果： 长链烃类裂解成小分子烃长链烃类裂解成小分子烃烯烃含量相对减少，烯烃含量相对减少，异构烷烃、环烷烃

51、、芳香烃含量相对增多异构烷烃、环烷烃、芳香烃含量相对增多 其中蒙脱石对干酪根热解烃组成和产率的影响最大，其中蒙脱石对干酪根热解烃组成和产率的影响最大，伊利石、高岭石的影响较弱。伊利石、高岭石的影响较弱。 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 热催化作用使热催化作用使干酪根热降解：杂原子（O、H、S）键破裂产生CO2、H2O、NH3、H2S等挥发性物质逸散，同时获得大量低分子液态烃和气烃，是主要生油时期。国外称为“生油窗生油窗”或“液态窗口液态窗口”。有机质进入油气大量生成的最低的温度界限，称为生烃门限生烃门限或成熟门限成熟门限，所对应的深度称为门限深度门限深度。干酪根热力催化剂进

52、入生油门限大量石油Ro ：0.51.3%原油伴生气：湿气残余干酪根：H/C，O/C第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 产生的烃类产生的烃类：正烷烃碳原子数及分子正烷烃碳原子数及分子量递减，奇数碳优势消失；环烷烃及量递减，奇数碳优势消失；环烷烃及芳香烃碳原子数递减，多环及多芳核芳香烃碳原子数递减，多环及多芳核化合物显著减少。化合物显著减少。需要指出的是：需要指出的是：有机质成熟的早晚跟有有机质成熟的早晚跟有机质的类型有关，相同条件下，机质的类型有关，相同条件下，树脂体树脂体和高含硫的海相有机质成熟早和高含硫的海相有机质成熟早，腐殖质腐殖质成熟晚，且以生气为主。成熟晚，且以生气为主

53、。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 3、热裂解生凝析气阶段、热裂解生凝析气阶段 H：35004000m，T：180250。有机质特征：有机质特征： 高温下，剩余的干酪根和高温下，剩余的干酪根和已经形成的重烃继续热裂解已经形成的重烃继续热裂解。主要产物及特征：主要产物及特征：大量大量CC链断裂及环烷链断裂及环烷烃的开环和破裂，烃的开环和破裂，液态烃急剧减少，液态烃急剧减少， C25以上以上趋于零，趋于零， C1C8的轻烃将迅速增加的轻烃将迅速增加。温度超过了烃类物质的临界温度，在温度超过了烃类物质的临界温度，在地下地下呈气态呈气态，采到地上反凝结为，采到地上反凝结为液态轻质油，

54、并伴液态轻质油，并伴有湿气有湿气，这是进入了高成熟期。，这是进入了高成熟期。 、深部高温生气阶段、深部高温生气阶段 H60007000m, T250 有机质特征：有机质特征： 石油潜力枯竭，残余的少石油潜力枯竭，残余的少量烷基链，量烷基链，已经形成的轻质液态烃已经形成的轻质液态烃和重质气和重质气态烃在高温下继续裂解形成大量的热力学上态烃在高温下继续裂解形成大量的热力学上的最稳定的的最稳定的甲烷甲烷。 干酪根的结构进一步缩聚干酪根的结构进一步缩聚形成富碳的残余物质形成富碳的残余物质碳沥青或石墨碳沥青或石墨 。 主要产物及特征：主要产物及特征： 热裂解甲烷。热裂解甲烷。 第四章第四章 石油和天然气

55、的形成石油和天然气的形成 湿气凝析气深部高温高压下热变质干气（CH4）石墨干酪根残渣第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 对对不同的沉积盆地不同的沉积盆地而言，由于其沉降历史、地温历史而言，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，并且每个阶段的深度和温度界限也可能略有差阶段的深度和温度界限也可能略有差别别。在一些地质发展演化史较复杂的盆地，由于某种。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原因历经多次大的构造运动，生油岩中的有机质可能由于

56、在埋藏较浅尚未成熟就被抬升，后来再度沉降埋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，即所谓生石油，即所谓“二次生油二次生油”。此外，由于源岩有机此外，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。线，不同演化阶段可能存在不同的生烃机制。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 第四章第四章 石油

57、和天然气的形成石油和天然气的形成 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 三、有机成油理论的新进展三、有机成油理论的新进展（一）（一）未未低熟油的成因机理低熟油的成因机理未未低熟油：低熟油：系指系指非干酪根非干酪根晚期热降解成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（热降解大量生油之前（Ro0.7%），经由不同），经由不同生烃机制的低温生物化学或低温化学反应生成生烃机制的低温生物化学

58、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对应的源岩镜质组反射率Ro大约为大约为0.20.7%。相当于干酪根生烃模式的未熟和低熟阶段。相当于干酪根生烃模式的未熟和低熟阶段。第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 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、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。柴达木、准噶尔等盆地均发现了低熟油气资源。 、其

59、主要成油环境及成油机理、其主要成油环境及成油机理 强还原咸化环境藻类成烃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含煤岩系特殊的富氢显微组分早期成烃 内因：有机质类型内因：有机质类型 外因：局部咸化环境、较高的地温梯度外因：局部咸化环境、较高的地温梯度第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 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其中以王铁冠王铁冠等人的研究结果最具代表性。他们通等人的研究结果最具代表性。他们通过研究，提出了

60、六种不同有机质类型的生烃机理。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四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 第四章第四章 石油和天然气的形成石油和天然气的形成 2. 2.煤成烃的形成煤成烃的形成 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。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