第4章 油气成因和烃源岩

1、第四章第四章 油气成因和烃源岩油气成因和烃源岩生油理论碳化物说 宇宙说高温生成说有机成因说第一节 油气成因第一节 油气成因一、 油气无机成因说 19世纪中叶提出的碳化物说； 1889年提出了宇宙说； 1904年又提出了火山说； 20世纪初又提出了岩浆说和高温生油说； 20世纪随着板块理论的兴起又有油气深成说和深源气的提出以及在褶皱带前缘断裂带的找油活动。 解释不了为什么世界90%以上的石油都埋藏在沉积岩中，为什么石油具有只有生物有机质才有的旋光性、生物标志化合物等问题。致命要害地球形成之初温度很高碳、铁呈液态Fe+C-FemCn1碳化物说地球冷球之后，碳化铁保存在地球深处如果地表水沿地壳裂隙向

2、下渗透，与碳化铁作用，生成烃3FemCn+4mH2OmFe3O4+C3nH8m烃类不断聚集油田形成了烃类上升到地壳岩石中宇宙之中有许多烃类物质地球呈熔融状态时，烃被包含在它的气圈中2宇宙说烃被岩浆吸收，凝结于地壳中而成石油地球冷凝3高温生成说150公里的上地幔温度超过15000K、压力5000MPa，由于FeO及Fe3O4参与H2O、CO2-而成烃类还原还原 认为油气起源于活的有机体，即由地史中动植物的遗体转化而来。根据主张石油形成于沉积物成岩作用的早期或晚期又分为早期有机成因说和晚期有机成因说。 19世纪中叶以来，提出了动物说、植物说以及动植物混成说。进入20世纪，混成说得到了进一步的发展，

3、认为富含分散有机质的淤泥就是生成石油的母岩。到了50年代初，Smith提出了“石油是早期生成的烃类富集而成”。后来有人又提出了只有当母岩埋藏达到一定的深度和温度时，有机质才大量的生成液态的成熟烃。因此晚期生油说得到了更多人的拥护。 二、油气有机成因说二、油气有机成因说4有机成因说有机成因说主张油气是在地质历史上由分散在沉积岩中的动物、植物有机体转化而成。 已经证实，绝大多数油气田都分布在沉积岩中；极少数岩浆岩和变质岩中的油藏也同附近生油岩有关，是油气侧向和垂向运移聚集的结果。至于基性岩浆中只含有0.5%碳，并且至今尚未证明它们能否形成碳氢化合物。所以，指导世界油气勘探实践的，是现代石油有机生成

4、学说。（1）世界上已经发现的油气田99.9%都分布在沉积岩中。（2）石油和天然气在地质时代上的分布很不均衡，这与沉积岩中有机质的分布状况相吻合。 （3）石油的成份具有相似性，说明它们的成因可能大致相同。 （4）石油与煤具有同源性。 （5）从大量油田测试结果可知：油层温度很少超过100，有些深部油层温度最高也就141。 （6）上新世至更新世地层中发现的工业油藏，表明生成石油并聚集成油藏所需的时间，大约不到一百万年。 （7）研究成果表明，在近代沉积物中确实存在着油气生成过程，至今还在进行着，而且生成的油气数量也很可观。有机成因说的证据有机成因说的证据 石油和天然气的成因是一个非常复杂的理论问题，尽

5、管目前油气有机成因理论日臻完善，在油气勘探实践中发挥重要的作用，但并不能由此否定油气无机成因理论的科学价值。近二十多年来，随着宇宙化学和地球形成新理论的兴起，板块构造理论的发展和应用，以及同位素地球化学研究的深入，为油气无机成因理论提供了一些理论依据。 无论是油气有机成因理论还是无机成因假说，都还有许多问题尚待进一步深入研究，诸如地球深部和宇宙空间烃类的成因及分布、各种原始物质（包括有机物与无机物）转化为油气的详细机理、不同原始物质生成的石油或天然气有哪些特征。 油气成因理论小结油气成因理论小结早期有机成因说 1.实验发现，一些生物组分如类脂物、蛋白质和碳水化合物在一定条件下都可生成烃类。 2

6、.在现代或近代的沉积物中，观察有有机质向烃类的转化。 3.某些细菌是有机质加氢、去羧基转化为类石油物质的媒介，而这一过程完成于沉积物埋藏不深的阶段。 难点： a.世界上发现的原生油气藏几乎偶在上新世以前； b.现代沉积物中的烃类性质与真正的石油不同。 晚期成因说 应该看到，原始有机质从沉积、埋藏到转化为石油和天然气，是一个逐渐演化的过程。在承认晚期成油起主要作用的同时，也不能一概否定早期成油的影响，只不过在生油的量上可能多少不一，以晚期为主。 现在看来，液态石油的成因主要是晚期成因，而天然气的成因条件转化较为宽松。气与油的成因差别 1.天然气气源广阔，是多源的，相对而言，油源范围较窄，往往受到

7、有机物源的限制，是少源的。沉积层系中烃源岩类型在很大程度上决定气和油的生成比重，几乎所有有机质岩类（腐植型、腐泥型、混合型有机质），不同环境（海相、湖相、沼泽相）的有机岩类均有成气条件。 2.生气是多阶段的，而油则是在有机质达到中演化阶段生成的。 3.油、气都属于流体矿产，但其流动、扩散性质以及成藏、保存条件都有很大差别。第二节 沉积有机质u 沉积有机质的物质 u 沉积有机质的原始生化组成 u 沉积有机质的形成 u 沉积有机质的分布和丰度 u 沉积有机质中的干酪根油气生成的物质基础概念保存来源成份分类分类概念成份沉积有机质的生物物质沉积有机质的生物物质 定义：通过沉积作用进入沉积物中并被埋藏下

8、来的那部分有机质。 从前寒武纪到泥盆纪，沉积有机质的唯一来源是海洋浮游植物（藻类）和细菌，泥盆纪以后，高等植物也开始变的重要起来。尤其是在成煤作用方面起特别重要的作用，但就对沉积有机质的贡献而言，则远不及海洋浮游植物和细菌。部分有机质。（1）在海洋或湖盆沉积环境中浮游生物（2）但在一些浅水地区的水底植物。（3）在上述两种情况下，对死亡植物进行再改造的细菌，可被认为是沉积有机质的主要补充来源。 有机质的来源沉积有机质的原始生化组成元素组成（质量百分数） C H S N O 碳水化合物 44 6 50 木质素 63 5 0.1 0.3 31.5 蛋白质 53 7 1 17 22 脂类 76 12

9、12 干酪根 79 6 5 2 8 沥青 84 10 3 1 2 石油 84.5 13 1.5 0.5 0.5 沉积有机质的原始生化组成沉积有机质的原始生化组成脂类脂类 狭义的理解主要是动植物的油脂。 广义的理解包括油脂、固醇类、萜类、烃类和色素,所以有人也称其为类脂。 它们的共同特性是不溶于水，但溶于极低性的有机溶剂如氯仿、四氯化碳、乙醚、苯和丙酮。 脂类的特点：一是抗腐能力强；二是化学成分和结构都最接近石油。 沉积有机质的原始生化组成沉积有机质的原始生化组成碳水化合物碳水化合物碳水化合物是单醣或单醣的聚合体的总称，碳水化合物是单醣或单醣的聚合体的总称，通式可写为通式可写为Cn（H2O）m，

10、包括葡萄糖、淀粉、，包括葡萄糖、淀粉、纤维素、几丁质等，他们是植物的主要组成，动纤维素、几丁质等，他们是植物的主要组成，动物中数量较少。但是碳水化合物大多容易被喜氧物中数量较少。但是碳水化合物大多容易被喜氧细菌消耗或被水解，难以保存下来。细菌消耗或被水解，难以保存下来。葡萄糖沉积有机质的原始生化组成沉积有机质的原始生化组成蛋白质蛋白质蛋白质是组成细胞的基础物质，在动物组织中含量最蛋白质是组成细胞的基础物质，在动物组织中含量最高，低等植物中的含量高于高等植物。蛋白质只要经过去高，低等植物中的含量高于高等植物。蛋白质只要经过去羧基和去氨基后便可形成烃类。羧基和去氨基后便可形成烃类。蛋白质构成了生物

11、体中大部分蛋白质构成了生物体中大部分含氮化合物含氮化合物。蛋白质容易受喜氧细菌破坏，不利保存。蛋白质容易受喜氧细菌破坏，不利保存。沉积有机质的原始生化组成木质素木质素仅存在高等植物中，是一种木质素仅存在高等植物中，是一种贫氢、富碳、富氧、贫氢、富碳、富氧、富含芳环结构富含芳环结构的高的高分子聚合物。分子聚合物。木质素具有比纤维素还强的抗腐能木质素具有比纤维素还强的抗腐能力，是成煤的重要母质，也可生成天然力，是成煤的重要母质，也可生成天然气，也可能是石油中芳烃的母质之一。气，也可能是石油中芳烃的母质之一。沉积有机质的形成沉积有机质的形成 沉积有机质是随无机质点一起沉积并保存下来的生物残留物质，它

12、主要是生物的遗体也包括其生命过程的排泄物和分泌物。 进入沉积物中的有机质，主要部分是新生成的复杂分子，他们在生物体中找不到对应物。 从生物物质的发源地说，沉积有机质一方面来源于水盆地本身的所谓原地有机质，另一方面来自由河流从周围陆地携带的异地有机质，其中有少量的是来自剥蚀更老的沉积层中有机质即再沉积的物质。 沉积有机质的分布和丰度 丰度用有机碳含量表示。 绝大多数沉积有机质呈分散状态与泥质沉积物相伴生。 沉积岩中有机质分布的另一特点是不同地质时代是不均衡的。 不同沉积环境或者不同岩性岩相条件下沉积物中的有机碳含量差别很大位置平均值 （质量）重量 （1016t）位置平均值 （质量）重量 （101

13、6t）大陆，陆棚，陆坡大洋粘土和页岩 0.990.82粘土和页岩 0.220.07碳酸盐岩 0.330.08碳酸盐岩 0.280.10砂 0.280.09硅质沉积 0.260.04沉积有机质分布主要的影响因素沉积有机质分布主要的影响因素 生物物质的产量：主要取决于阳光、温度、湿度、含盐度和营养。在海洋，温湿带的浅海区有良好的透光性和营养条件，在大陆以湿热带最重要。 原始有机质的保存条件：指生物死亡后的沉降、沉积和埋藏过程中的氧化还原条件。 沉降、沉积速度：有机、无机质点的绝对速度；有机、无机质点的相对速度。 沉积物的粒度：粒度越细所含有机质越多。 第一，要求有缺氧的水体，它可以使吸附在矿物颗粒

14、表面上的溶解有机质和微粒有机质被保护而免受生物的消耗； 第二，要求有机质在水体中滞留时间短，深度适中的水体中有机质的堆积条件优于很深的水体； 第三，适度的沉积颗粒的沉积速度对沉积有机质的保存有利。有机质供应量一定，则有机质在沉积物中的浓度与矿物颗粒的沉积速度成反比。 沉积有机质的保存条件 沉积有机质中的干酪根沉积岩沉积岩中不溶于中不溶于碱、非氧碱、非氧化型酸和化型酸和有机溶剂有机溶剂的分散有的分散有机质。机质。沉积岩中常温常压下不溶于有机溶剂的固体有机质称干酪根（Kerogen）。与此对应，岩石中可溶于有机溶剂的部分称为沥青。 干酪根在热解或加氢分解时产生烃类物质。干酪根是沉积有机质的主体，约

15、占总有机质的8090%， 8095%的石油烃是由干酪根转化而成。干酪根的概念干酪根分离法干酪根分离法1、将生油岩粉碎后，先用氯仿抽提，然后用MAB(甲醇丙酮-苯三元溶剂)或EAB(乙醇、丙酮、苯三元溶剂)进行抽提，除去可溶有机质。2、用盐酸溶解除去岩样中碳酸盐。氟氢酸溶解除去岩样中硅铝酸，如；4、用比重差异原理以重液、超声波除去干酪根中的黄铁矿及其它矿物。干酪根的成分和结构干酪根的元素组成中以干酪根的元素组成中以C为主，其次为为主，其次为H和和O，还有，还有N、S等。它们一般分布范围等。它们一般分布范围C：70-90%，H：3-10%，O：3-19%，N：0.4-4%，S：0.2-5%（据（据

16、Tissot，1984）2*1011T干酪根的数量及最大化石燃料资料量有机质的转化示意图干酪根的成分和结构 近年来，通过对干酪根进行高温热解或低温降解，揭示出它们含有活的有机体的全套有机结构，包括萜类、卟啉、氨基酸、羧酸、酮、醇、烯烃和醚桥等，说明干酪根系由生物转变而成。通过电子衍射和X射线、红外吸收光谱、核磁共振、波谱分析等物理方法，发现干酪根在结构上是一种复杂的三维大分子，它有很多结构单元（核）。由环状化合物组成（芳香环、杂环），多个核通过桥键相连接，在桥和后上都有可能具有官能团。干酪根分类光学分类化学分类透射光分类反射光分类B 孢粉学家用HCL和HF除去无机矿物质后，将有机残渣（干酪根）

17、放在显微镜透射光下观测，划分出藻质、无定形、絮质、草质、木质和媒质五种组分。随着埋深加大，地温升高，上述组分的生油潜能按藻质无定形草质木质媒质顺序依次降低，（H/C）原子比也降低。 藻质和无定形组分：均来源于海、湖水生浮游生物 ，前者可识别出藻类形态，后者呈多孔状、非晶质、无结构、无定形的云雾状，没有清晰的轮廓； 草质组分：由孢子、花粉、角质层、叶子表皮和植物细胞构造所组成，大部分来源于陆地； 木质组分：呈易辩认的长形木质构造的纤维状物质，来源于陆地高等植物； 煤质组分是陆地天然碳化的植物物质与再沉积的碳化物质。 随着埋藏深度的加大，地温升高，上述组分的生油气潜能按藻质-无定形草质木质煤质顺序

18、依次减小。 藻质体无定形草质组份生油潜力生油潜力：藻质：藻质-无定形无定形草质草质木质木质煤质煤质 煤岩学家在显微镜在用25-50倍油浸镜头，通过反射光观察煤或干酪根的显微组分，其划分如下： 壳质组/脂质组(腐泥组)：孢质体、角质体、藻质体、树脂体 镜质组：前镜质体、真镜质体及其变种 惰性组：碎质体、菌质体、丝质体、半丝质体 目前，测镜煤的反射率已经成为判断有机质成熟度的主要标志。这三组的反射率是顺序增加的，而生油潜能却是顺序降低的。腐泥组：包括无定形体和藻质体，其中无定形体为絮状或团块状、薄膜状；壳质组：呈暗灰色，富含氢，由孢子、角质、树脂、蜡组成，包括孢粉体、角质体、树脂体、木栓质体等；镜

19、质组：呈灰白色，富含氧，具镜煤(Vitrain)特征，由同泥炭成因有关的腐殖质组成，包括结构镜质体和无结构镜质体；惰质组：呈黄白色，富含碳，包括碎质体、菌质体、丝质体、半丝质体，在碳化过程中，属不活泼成分。以上四组的反射率依次增大，生油潜能依次降低。 腐泥组镜质组壳质组干酪根类型及其演化图解根据干酪根的元素分析结果，可按HC和OC原子比区分不同类型的干酪根（3类）。随着埋藏深度加大和温度升高（成熟作用增强），每种类型有机质都沿着一定轨迹演化：浅处未成熟样品为高HC比和O/C比，向深处则逐渐降低。干酪根的类型u型是分散有机质干酪根中经细菌改造的腐泥类型。 u型是生油岩中常见的干酪根，又称混合类型

20、。 u型是由陆生植物组成的干酪根，又称腐植型。是残余型。1为藻腐泥型干酪根 2为腐植腐泥型干酪根腐植型干酪根I型干酪根氢含量高、氧含量低，H/C原子比介于1.251.75，O/C原子比介于0.0260.12 。以含类脂化合物为主，直链烷烃很多，但多环芳香烃及含氧官能团很少；来自藻类堆积物，或各种有机质被细菌强烈改造，留下原始物质的类脂化合物馏分和细菌的类脂化合物； 生油潜能大。型干酪根原始氢含量较高，但稍低于I型干酪根，H/C原子比0.651.25，O/C原子比0.040.13。属高度饱和的多环碳骨架，含中等长度直链烷烃和环烷烃甚多，也含多环芳香烃及杂原子官能团；来源于海相浮游生物(以浮游植物

21、为主)和微生物的混合有机质；生油潜能中等。型干酪根原始氢含量低和氧含量高，H/C原子比0.460.93，O/C原子比 0.050.30，以含多环芳香烃及含氧官能团为主，饱和烃链很少，被联接在多环网格结构上；来源于陆地高等植物，含可鉴别的植物碎屑甚多，可被河流带入海、湖成三角洲或大陆边缘；热解时可给出30%产物，与、型相比，对生油不利，但埋藏到足够深度时，可成为有利的生气来源。我国主要陆相含油气盆地泥质岩干酪根中，以型为主， 占48.5%，、型分别为22.9%和28.6%。1a、2a、3a分别为、型未成熟干酪根结构的概念模式油气生成的地质环境与物化条件 沉积岩中的有机质要向石油转化必须经历一个碳

22、、氢不断增加而氧不断减少的过程，即为一个去氧、加氢、富集碳的过程。 原始有机质的堆积、保存和转化过程，必须是在还原条件下进行，而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。 一、一、 古地理环境古地理环境海相环境海相环境大陆环境大陆环境二二 、大地构造环境、大地构造环境三、三、 物理化学环境物理化学环境温度与时间温度与时间细菌活动细菌活动催化作用催化作用放射性放射性海相环境海相环境u有利区域有利区域浅海、浅海、三角洲三角洲、海湾、泻湖海湾、泻湖 一般认为浅海区及三角洲区是最有利于油气生成的古地一般认为浅海区及三角洲区是最有利于油气生成的古地理区域。在三角洲发育部位，陆源有机

23、质源源搬运而来，加理区域。在三角洲发育部位，陆源有机质源源搬运而来，加上原地繁殖的海相生物，致使沉积物中的有机质含量特别高，上原地繁殖的海相生物，致使沉积物中的有机质含量特别高，是极为有利的生油区域；在浅海大陆架范围内，水深一般不是极为有利的生油区域；在浅海大陆架范围内，水深一般不超过超过200200米，水体较宁静，阳光、温度适宜，生物繁盛，尤米，水体较宁静，阳光、温度适宜，生物繁盛，尤其各种浮游生物异常发育，死亡后不需经过太厚的水体即可其各种浮游生物异常发育，死亡后不需经过太厚的水体即可堆积下来。堆积下来。地理环境分析地理环境分析沙丘三角洲沼泽三角洲是由河流补给沉积物，受河流和海洋/湖泊营力

24、综合影响的沉积体系。是最复杂的沉积体系。三角洲 海湾及海湾及泻湖泻湖，因有半岛、群岛、沙堤或生物，因有半岛、群岛、沙堤或生物礁带与大海相隔，携带大量氧气的汹涌波涛难以侵礁带与大海相隔，携带大量氧气的汹涌波涛难以侵入，新的氧气不易补给，在这种半闭塞无底流的环入，新的氧气不易补给，在这种半闭塞无底流的环境中，也对保存有机质有利。境中，也对保存有机质有利。 这些区域，浮游生物特别发育，属于这些区域，浮游生物特别发育，属于型干酪型干酪根；若有陆源有机质加入，则可见到根；若有陆源有机质加入，则可见到型与型与型干型干酪根的混合产物。波斯湾盆地的中、新生界，西西酪根的混合产物。波斯湾盆地的中、新生界，西西伯

25、利亚的侏罗系、白垩系，墨西哥湾的中、新生界，伯利亚的侏罗系、白垩系，墨西哥湾的中、新生界，以及我国四川盆地的志留系、二叠系、三叠系都属以及我国四川盆地的志留系、二叠系、三叠系都属于浅海环境的产物。于浅海环境的产物。砂坝-泻湖体系-砂坝砂坝又称又称障壁岛、堤岛、堡岛障壁岛、堤岛、堡岛，泛指近海，泛指近海与海岸线延伸方向平行分布的一系列砂坝和砂岛。被砂坝从毗邻海与海岸线延伸方向平行分布的一系列砂坝和砂岛。被砂坝从毗邻海域隔离出来、但仍与海洋沟通或有限沟通的浅水域称域隔离出来、但仍与海洋沟通或有限沟通的浅水域称泻湖泻湖。两者互。两者互相依存而构成相依存而构成砂坝砂坝-泻湖体系泻湖体系。不利区域滨海、

26、深海区 滨海区，海水进退频繁，浪潮作用强烈，不利于生物繁殖和有机质的堆积保存； 深海区生物本来就少，死后下沉至海底需经历巨厚水体，易遭氧化破坏；加上离岸又远，陆源有机质需经长途搬运，早被淘汰氧化，都不有利于有机质的堆积和保存。 不利区不利区陆相环境u有利区域深水、半深水湖泊 尤其在近海地带的深水湖盆更是最有利的生油坳陷，因为近海区域地势低洼、沉降较快，是陆表水的汇集地带，容易长期积水而形成深水湖泊，保持安静的还原环境。湖泊能够汇聚周围河流带来的大量陆源有机质，同时提供水生生物的繁殖发育条件。有机质丰富，以型和型干酪根为主。u不利环境浅水湖泊和沼泽区油气藏呈环带状分布:内环为气藏，外环为凝析油气

27、藏或油藏库车坳陷库车期末：三叠系最大生气强度120108m3/km2库车期末最大生气强度：侏罗系165108m3/km2u不利环境不利环境浅水湖泊和沼泽区浅水湖泊和沼泽区 在浅水湖泊和沼泽区，水体动荡，大气中的氧易在浅水湖泊和沼泽区，水体动荡，大气中的氧易于进入水体，于进入水体，不利于有机质的保存不利于有机质的保存；这里的生物以高；这里的生物以高等植物为主，有机质多属等植物为主，有机质多属型干酪根型干酪根。一般认为，。一般认为，型干酪根生油潜能差，多适于造煤和生成煤系气、沼型干酪根生油潜能差，多适于造煤和生成煤系气、沼气，为天然气的生源。气，为天然气的生源。 不过，近年来油气勘探表明，煤系地层

28、有机质不不过，近年来油气勘探表明，煤系地层有机质不仅可以生气，而且其中某些显微组分也可以仅可以生气，而且其中某些显微组分也可以生油生油，如，如澳大利亚的吉普斯兰盆地、加拿大的斯科舍盆地、我澳大利亚的吉普斯兰盆地、加拿大的斯科舍盆地、我国的吐哈盆地都在煤系地层找到了石油。国的吐哈盆地都在煤系地层找到了石油。 u不利环境浅水湖泊和沼泽区 土壤层土壤层残积层残积层半风化层半风化层有机质少难于保存 全球构造格局中沉积盆地的分布全球构造格局中沉积盆地的分布大陆板块内部大陆板块内部大大洋洋板板块块碰撞山带碰撞山带大陆板块内部大陆板块内部大西洋大西洋型张裂型张裂大陆边大陆边缘缘西太平洋型大西太平洋型大陆边缘

29、弧沟体陆边缘弧沟体系系陆陆壳壳盆盆地地大大陆陆裂裂谷谷盆盆地地弧弧后后盆盆地地弧弧前前盆盆地地深深海海沟沟开开阔阔大大洋洋盆盆地地大大洋洋中中脊脊中中谷谷盆盆地地开开阔阔大大洋洋盆盆地地残残留留大大洋洋盆盆地地陆陆内内剪剪张张盆盆地地陆陆源源沉沉积积棱棱柱柱体体周周围围盆盆地地大地构造环境沉积盆地的各个沉降时期中，研究沉积盆地的各个沉降时期中，研究沉降速度沉降速度(Vs)(Vs)与沉与沉积速度积速度(Vd)(Vd)之间的关系至为重要。之间的关系至为重要。 （1 1）若沉降速度远远超过沉积速度）若沉降速度远远超过沉积速度(Vs(VsVd)Vd)，水体急剧变深，水体急剧变深，生物死亡后，在下沉过程

30、中易遭巨厚水体所含氧气的氧化破坏；生物死亡后，在下沉过程中易遭巨厚水体所含氧气的氧化破坏； （2 2）反之，若沉降速度显著低于沉积速度）反之，若沉降速度显著低于沉积速度(Vs(VsVd)Vd)，水体迅速，水体迅速变浅，乃至盆地上升为陆，沉积物暴露地表，有机质易受空气中的变浅，乃至盆地上升为陆，沉积物暴露地表，有机质易受空气中的氧所氧化，也不利于有机质的堆积和保存氧所氧化，也不利于有机质的堆积和保存。波斯湾前陆盆地构造横剖面图波斯湾前陆盆地构造横剖面图 只有在长期持续下沉过程中伴随适当的升降，沉降速度与沉积速度相近或前者稍大时，才能持久保持还原环境。 在这种条件下： （1）可以长期保持适于生物大

31、量繁殖和有机质免遭氧化的有利水体深度，保证丰富的原始有机质沉积下来； （2）可以造成沉积厚度大、埋藏深度大、地温梯度大，生、储层频繁相间广泛接触，有助于原始有机质迅速向油气转化并广泛排烃的优越环境。 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，有机质向石油及天然气演化还必须具备适当的条件，如：地质条件，有机质向石油及天然气演化还必须具备适当的条件，如：u温度温度 时间时间 细菌细菌 催化剂催化剂 放射性放射性。物理化学环境温度与时间温度与时间时间温度关系时间温度关系、TTI值值、在地质环境里，无论油气的生成、运移或破

32、坏，都离不开温度的制约。在世在地质环境里，无论油气的生成、运移或破坏，都离不开温度的制约。在世界各国的油气勘探中，成功的经验和失败的教训，追根求源，也往往是同温度作界各国的油气勘探中，成功的经验和失败的教训，追根求源，也往往是同温度作用有关；尤其是在海上开展油气勘探，钻探成本高，必须在现代数字地震勘探的用有关；尤其是在海上开展油气勘探，钻探成本高，必须在现代数字地震勘探的基础上，进行有机质的热成熟度分析，作出早期油气资源预测，圈定油气生成的基础上，进行有机质的热成熟度分析，作出早期油气资源预测，圈定油气生成的有利区块，选择钻探对象，以便提高钻探成功率。有利区块，选择钻探对象，以便提高钻探成功率

33、。 2 2时间时间- -温度指数温度指数(TTI(TTI指数指数) ) 1971 1971年，前苏联学者年，前苏联学者.首次提出时间首次提出时间- -温度指数的温度指数的概念，用来表示时间与温度两种因素同时对沉积物中有机质热成熟概念，用来表示时间与温度两种因素同时对沉积物中有机质热成熟度的影响。度的影响。 根据这一原理，根据这一原理，.假设假设成熟度与时间呈线性变化关成熟度与时间呈线性变化关系、与温度呈指数变化关系系、与温度呈指数变化关系。据此规定两个参数：温度因子。据此规定两个参数：温度因子()()反映反映成熟度对温度的指数关系，即温度每增加成熟度对温度的指数关系，即温度每增加1010，成熟

34、作用速率增加，成熟作用速率增加一倍，用增加一个因子一倍，用增加一个因子r r表示，温度因子表示，温度因子=r=rn n=2=2n n，这里，这里n n代表任意代表任意1010间隔间隔TiTTiTi+1i+1内，内，n=(Tin=(Ti100)/10100)/10，并选取，并选取100110100110作为作为基准间隔，令其指数值基准间隔，令其指数值n=0n=0，。时间因子，。时间因子(t)(t)表示沉积物在每个温度表示沉积物在每个温度间隔内经历的时间长短间隔内经历的时间长短( (以百万年为单位以百万年为单位) )。于是任意温度间隔。于是任意温度间隔i i内的内的成熟度可表达为：成熟度可表达为：

35、 成熟度成熟度i=TTIi=TTIi i=r=rn ni itti i=2=2n ni ittI Imaxminmaxmin)(2()(nnnnnnnnttrTTI 现今沉积厚 1100m现今沉积厚 600m (1)研究成熟度，确定特定层位的油气保存状态：根据地质模型，计算各生油层和储集层的现时TTI值，结合干酪根类型，即可判断生油层油气生成进入了哪个阶段，从而预测能钻遇石油、湿气或干气聚集的储集层深度，以指导钻探工作。(2)确定有利生油气区范围：通过盆地内若干点位制作地质模型，计算各生油层的现时TTI值，勾绘各层TTI等值线，圈出进入生油窗的分布范围，以便确定有利的生油区和生气区。(3)确定

36、石油生成时间对圈闭进行评价：在地质模型上对各层都计算出TTI值后，连接各层生油门限和石油的死线，在模型中画出全部地质历史上的生油窗界限，确定各生油层石油生成开始与结束的时间，再同圈闭形成时间配合分析，以推测圈闭接纳石油的可能性，对圈闭的含油远景作出正确评价。 时间时间-温度指数在勘探中的应用温度指数在勘探中的应用 按其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，有机质可被厌氧细菌分解而产生甲烷、氢气、二氧化碳以及有机酸和其他碳氢化合物。 细菌在油气生成过程中的作用实质是将有机质中的氧、硫、氮、磷等元素分离出来，使碳、氢

37、，特别是氢富集起来，并且细菌作用时间愈长，这种作用进行得愈彻底。 （1）细菌的催化：CO2+4H2CH4+2H2O （2）某些细菌使氢气将硫酸盐还原为硫化氢：SO4+5H2H2S+4H2O （3）细菌使不饱和有机化合物加氢产生饱和烃。 细菌活动细菌活动 催化作用 在自然界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。 粘土矿物是自然界分布最广的无机盐类催化剂。粘土的催化能力同其吸附性质有关。催化剂表面吸附两种或两种以上物质的原子时，它们便会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

38、活动时还要快得多。实验证明，在过氧化物的破坏过程中，如以酵母代替胶体氢氧化铁，将使催化作用的活动性急剧增加很多倍。从苏联格罗兹尼油田井下剖面的酵母研究发现：酵母的作用不决定于岩石的埋藏深度，而决定于岩石的成分。在富含有机质的岩石中，特别是在富含植物残余的岩石中，酵母的活动性最大。 放射性 在粘土岩中富集大量放射性物质，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。小 结 1、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； 2、放射性作用则可不断提供游离氢的来源； 3、只有温度与时间在油气生成全过程中都有着重要作用。 所

39、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。 第三节第三节 沉积有机质的成烃演化沉积有机质的成烃演化 有机质的成烃演化阶段与油气生成 干酪根热演化成烃与热模拟实验 促使沉积有机质演化成烃的因素有机质成岩演化与成烃作用（据Tissot&Welte，1984）成烃演化阶段 1）成岩作用阶段即未成熟阶段 2）生成作用阶段即成熟阶段 3）准变质作用阶段即过成熟阶段 （一）生物化学生气阶段 1、环境：当原始有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，温度介于1060，以细菌活动为主， 2、产物：在这个阶段，埋藏深

40、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早期低熟石油外，大部分转化成干酪根保存在沉积岩中。由于细菌的生物化学降解作用，产物以甲烷为主，缺乏轻质(C4C8)正烷烃和芳香烃。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。在特定的生源构成和适宜环境条件下可生成相当数量的未熟-低熟油。 3、意义：值得强调指出：在这个阶段生成的生物化学气，或称细菌气，甲烷含量在95%以上，属干气；甲烷稳定碳同位素值异常低，介于-55-85。它们可以富集成特大型气藏，埋藏深度浅，易于勘探和开发，是经济效益高的研究对象。 （二）热催化生油气阶段 1、环境：随着沉积物埋藏深度超过1500

41、2500m，进入后生作用阶段前期，有机质经受的地温升至60 180，促使有机质转化的最活跃因素是热催化作用。在有粘土矿物的催化作用下，地温不需太高，便可达到成熟门限，干酪根发生热降解，杂原子(O、N、S)的键破裂产生二氧化碳、水、氮、硫化氢等挥发性物质逸散，同时获得大量低分子液态烃和气态烃 2、产物：这个阶段产生的烃类已经成熟，在化学结构上显示出同原始有机质有了明显区别，而与石油却非常相似，正烷烃碳原子数及分子量递减，奇数碳优势消失；环烷烃及芳香烃碳原子数也递减，多环及多芳核化合物显著减少。 3、意义：在热催化作用下，有机质能够大量转化为石油和湿气，成为主要的生油时期，在国外常称为“生油窗”。

42、（三）热裂解生凝析气阶段 1、环境：当沉积物埋藏深度超过35004000m，地温达到180250。在这个阶段烃类反应的性质，可分为石油热裂解(Cracking)与石油热焦化(Coking)两种作用 ：石油热裂解是指在高温下脂肪族结构破裂为较小分子，变为甲烷及其气态同系物，并使石油所含芳香烃浓缩集中；石油热焦化是指在高温下贫氢石油(一般以含杂元素-芳香烃为主)产生缩合反应，主要形成固态残渣，并使石油中脂肪族相对增加而杂原子减少。 2、产物：此时地温超过了烃类物质的临界温度，除继续断开杂原子官能团和侧链，生成少量水、二氧化碳和氮外，主要反应是大量C-C链断裂，包括环烷的开环和破裂，液态烃急剧减少。

43、相反，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，采至地面随温度、压力降低，反而凝结为液态轻质石油，即凝析油并伴有湿气，进入了高成熟时期。 3、意义：在深度较大的部位可以寻找优质的凝析油气藏。（四）深部高温生气阶段 1、环境：当深度超过60007000m，沉积物已进入变生作用阶段，达到有机质转化的末期，温度超过了250，以高温高压为特征。 2、产物：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；这个阶段出现了全部沉积有机质热演化的最终产物干气甲烷和碳沥青或石墨。 3、意义：埋藏很深的生油岩，有机质演化程度高，主要以产气为主，寻找液态石油的希望不大。图4-12

44、干酪根从成岩作用阶段到准变质作用阶段的演化图 （据Tissot等，1978）成 岩演 化阶段 烃类 产物 煤阶 固 定碳（%） 镜 煤反 射率（%） H / C原 子比 地 温（0C） 深度（m） 孢 粉颜色 主 要反应 成 熟程度 成 岩阶段 生物甲烷 泥炭 褐煤 55 0.5 0.84 50 1000 浅 黄橙黄 生 物化学 未 成熟 深 成 阶 段 重质油、干气、中质油、湿气 长 焰煤 气煤 肥煤 55-75 0 . 5 -1.3 0 . 8 4 0.69 5 0 -150 1000 -4000 橙-褐 热 降解 成熟 轻质油、湿气 焦煤 瘦煤 75-85 1 . 3 -2.0 0 .

45、6 9 0.62 1 5 0 -200 4000 -6000 棕 热 裂解 准 变质 阶段 高温甲烷 贫煤 无 烟煤 85 2.0 0.62 200 6000 黑 热 裂解 过 成熟 以上是有机质向油气转化的整个过程大致划分为四个阶段，这反映油气演化的一般模式。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，其中的有机质向油气转化的过程不一定全都经历这四个阶段，有的可能只进入了前两个阶段，尚未达到第三阶段； 而且，每个阶段的深度和温度界限也可能略有差别。 在地质发展史较复杂的沉积盆地，例如经历过数次升降作用，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，直到再度沉降

46、埋藏到相当深度后，方才达到了成熟温度，有机质仍然可以生成大量石油，即所谓“二次生油”。 促使沉积有机质演化成烃的因素u 细菌 u 温度和时间 u 催化剂 u 放射性 u 压力细菌 按其生活习性可分为3类：喜氧细菌、厌氧细菌和通性细菌。 细菌所起的作用是将原始的有机质中的O、S、N、P等元素分离出来，使C、H特别是H富集起来。细菌一般作用于有机质改造早期。 温度和时间 1. 只有对沉积有机质演化而成的干酪根加热以后才能生成石油烃类； 2. 温度较低时，加热干酪根生成的液态烃和挥发组分产率较低。只有达到一定温度，才会大量生成液态烃。而温度继续上升到一定程度，液态烃又会减少，气态烃生成量继续增加。第

47、四节 天然气成因天然气：烃气与非烃气 l 烃气：有机与无机 l 天然气分为：生物成因气、油型气、煤型气和无机成因气。生物成因气不溶有机质可溶有机质菌体挥发性酸其他酶的发酵作用产酸菌 产甲烷菌菌体CH4+O2其他 定义：在成岩作用早期还原环境中生物化学作用带内，沉积有机质因微生物群体发酵和合成作用形成的甲烷气和部分CO2和少量的N2，有时混有早期低温降解作用形成的甲烷气及重烃气。 形成条件：丰富的有机质和强还原环境是前提条件，最有机的生气母质是草本腐植型-腐泥腐植型。 化学组成：甲烷98%，重烃1%，还含有少量的N2和CO2。油型气 定义：指成油有机质（腐泥型和混合型干酪根）在热力作用下以及石油

48、热裂解形成的各种天然气，主要包括石油伴生气、凝析油伴生气和热裂解伴生气。 化学组成：石油和凝析油伴生气在化学组成上的进本特点是重烃气含量一般大于5%，最高可达40-50%，甚至可超过甲烷含量。过成熟干气则以甲烷为主，重烃气一般小于2%。在碳稳定同位素上，由石油伴生气-凝析油伴生气-过成熟干气，13C逐步富集，13C1增大，大致分别为-55-40、-45-30、 -35。 与成油有机质演化有关的天然气随深度 生成模式 成油有机质成熟演化过程中产生的天然气以烃气为主，但仍有数量不等的非烃气。CO2主要形成于深成作用阶段的早中期；N2主要形成于深成阶段的中期；H2S主要形成于深成阶段中期到准变质阶段

49、。产气高峰在深成作用的中晚期 。煤型气 定义：指煤系有机质（腐植型干酪根和腐植煤）在变质作用过程中形成的热成因气。煤系又称含煤岩系，是以含有煤层和煤线为特征的沉积岩系。当腐植有机质高度聚集时便形成腐植煤。 成煤作用与煤型气的形成：成煤作用阶段分为泥炭化阶段和煤化作用阶段。当埋藏逐步加深，在温度、压力和时间等因素的作用下，堆积的植物遗体和碎片按泥炭褐煤长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤无烟煤的序列转化。 化学组成：重烃气有时达到10%以上，甲烷气一般占70-95%。非烃气含N2和Hg蒸汽，也含CO2，贫H2S。 计算煤型气的储量常用煤气发生率，视煤气发生率，阶煤气发生率，煤系泥岩产气率，泥岩视产气率和泥

50、岩阶产气率。 实测表明，煤的挥发分随煤化作用增强明显减低，由褐煤烟煤无烟煤，挥发分大约由50%降低到5%。这些挥发分主要以CH4、CO2、H2O、N2、NH3等气态产物的形式逸出，是形成煤型气的基础。 从形成煤型气的角度出发，应注意在煤化作用过程成煤物质的四次较为明显的变化（煤化跃变）： 第一次跃变发生于长焰煤开始阶段， 第二次跃变发生于肥煤阶段， 第三次跃变发生于烟煤无烟煤阶段， 第四次跃变发生于无烟煤变质无烟煤阶段。 在这四次跃变中，媒质变化最明显的是第一次和第二次。 煤型气的形成及产率不仅与煤阶有关，还与煤岩组成有关。无机成因气 定义：地球深部岩浆岩活动、变质岩和宇宙空间分布的可燃气体以

51、及岩石无机盐类分解产生的气体，都属于无机成因气或非生物成因气。它属于干气。 化学组成：一般以甲烷为主，C2+含量很少，一般1%，常可见微量烯烃，并含有较高的H2、N2、CO2、CO和He。 一般将13C1-20作为无机成因起的可靠证据。 各种气体的判别方式第四节 天然气成因天然气：烃气与非烃气 l 烃气：有机与无机 l 天然气分为：生物成因气、油型气、煤型气和无机成因气。生物成因气不溶有机质可溶有机质菌体挥发性酸其他酶的发酵作用产酸菌 产甲烷菌菌体CH4+O2其他 定义：在成岩作用早期还原环境中生物化学作用带内，沉积有机质因微生物群体发酵和合成作用形成的甲烷气和部分CO2和少量的N2，有时混有

52、早期低温降解作用形成的甲烷气及重烃气。 形成条件：丰富的有机质和强还原环境是前提条件，最有机的生气母质是草本腐植型-腐泥腐植型。 化学组成：甲烷98%，重烃1%，还含有少量的N2和CO2。油型气 定义：指成油有机质（腐泥型和混合型干酪根）在热力作用下以及石油热裂解形成的各种天然气，主要包括石油伴生气、凝析油伴生气和热裂解伴生气。 化学组成：石油和凝析油伴生气在化学组成上的进本特点是重烃气含量一般大于5%，最高可达40-50%，甚至可超过甲烷含量。过成熟干气则以甲烷为主，重烃气一般小于2%。在碳稳定同位素上，由石油伴生气-凝析油伴生气-过成熟干气，13C逐步富集，13C1增大，大致分别为-55-

53、40、-45-30、 -35。 与成油有机质演化有关的天然气随深度 生成模式 成油有机质成熟演化过程中产生的天然气以烃气为主，但仍有数量不等的非烃气。CO2主要形成于深成作用阶段的早中期；N2主要形成于深成阶段的中期；H2S主要形成于深成阶段中期到准变质阶段。产气高峰在深成作用的中晚期 。煤型气 定义：指煤系有机质（腐植型干酪根和腐植煤）在变质作用过程中形成的热成因气。煤系又称含煤岩系，是以含有煤层和煤线为特征的沉积岩系。当腐植有机质高度聚集时便形成腐植煤。 成煤作用与煤型气的形成：成煤作用阶段分为泥炭化阶段和煤化作用阶段。当埋藏逐步加深，在温度、压力和时间等因素的作用下，堆积的植物遗体和碎片

54、按泥炭褐煤长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤无烟煤的序列转化。 化学组成：重烃气有时达到10%以上，甲烷气一般占70-95%。非烃气含N2和Hg蒸汽，也含CO2，贫H2S。 计算煤型气的储量常用煤气发生率，视煤气发生率，阶煤气发生率，煤系泥岩产气率，泥岩视产气率和泥岩阶产气率。 实测表明，煤的挥发分随煤化作用增强明显减低，由褐煤烟煤无烟煤，挥发分大约由50%降低到5%。这些挥发分主要以CH4、CO2、H2O、N2、NH3等气态产物的形式逸出，是形成煤型气的基础。 从形成煤型气的角度出发，应注意在煤化作用过程成煤物质的四次较为明显的变化（煤化跃变）： 第一次跃变发生于长焰煤开始阶段， 第二次跃变发生于肥

55、煤阶段， 第三次跃变发生于烟煤无烟煤阶段， 第四次跃变发生于无烟煤变质无烟煤阶段。 在这四次跃变中，媒质变化最明显的是第一次和第二次。 煤型气的形成及产率不仅与煤阶有关，还与煤岩组成有关。无机成因气 定义：地球深部岩浆岩活动、变质岩和宇宙空间分布的可燃气体以及岩石无机盐类分解产生的气体，都属于无机成因气或非生物成因气。它属于干气。 化学组成：一般以甲烷为主，C2+含量很少，一般1%，常可见微量烯烃，并含有较高的H2、N2、CO2、CO和He。 一般将13C1-20作为无机成因起的可靠证据。 各种气体的判别方式第五节 烃源岩一、 定义 二、 描述 三、 理想的烃源岩一、定义： 也叫母岩或生油岩。

56、 在天然条件下曾经产生并排出过烃类且足以形成工业性油气聚集的细粒沉积。 主要是低能带富含有机质的暗色泥质岩和碳酸岩盐沉积。有机质的数量 包括有机质的丰度和烃源岩的体积。 有机质丰度的主要指标为有机碳、氯仿沥青“A”和总烃的百分含量。 沉积岩中的碳以碳酸盐岩和有机碳两种形式存在，在组成生物体的主要元素中，碳含量最高、最稳定，因此是最主要的丰度指标。 氯仿沥青“A”是对岩石进行氯仿抽提再进行色层分离可得到总烃含量，也能反映有机质的丰度。我国陆相生油层评价标准好生油层 中等生油层 差生油层 非生油层 岩相 深 湖 - 半深湖相 半 深 湖 -浅湖相 浅 湖 - 滨海相 河流相 干酪根类型 腐泥型 中

57、间型 腐植型 腐植型 H/C 1.7-1.3 1.3-1.0 1.0-0.5 1.0-0.5 有机碳含量（%） 3.5-1.0 1.0-0.6 0.6-0.4 0.4 氯仿沥青“A”含量（%） 0.12 0.12-0.06 0.06-0.01 0.01 总烃含量 （10-6） 500 500-250 250-100 100 总烃/有机碳（%） 6 6-3 3-1 1 有机质的类型 有机质的类型常从不溶有机质（干酪根）和可溶有机质（沥青）进行分析。 干酪根类型的确定是有机质类型研究的主体，常用的研究方法有元素分析、光学分析、红外线光谱分析以及岩石热解分析等。 元素分析 元素分析：是从化学性质和本

58、质上来把握其类型的。 从全球来看，石油主要产生于腐泥型或腐植形过渡的有机质；腐植型主要生成天然气。 陆相烃源岩中干酪根类型和划分：型为腐泥型，型为腐植形，型为混合型中的中间型 ，1型为腐植腐泥型，2型为腐泥腐植型。 还有型为媒质型或残余型。 干酪根的类型光学分析 光学分析方法包括孢粉学法和煤岩学法。 孢粉学法是按干酪根在透射光下的微观结构，将其分为藻质、絮质、草质、木质和媒质，前3种为腐泥型有机质，后2种为腐植型和残余型有机质。 煤岩学法是将干酪根的显微组成分为壳质组、镜质组和惰性组，其中壳质组为腐泥型有机质，多数镜质组为腐植型有机质，惰性组为媒质型有机质。 岩石热解分析 烃源岩评价仪：用岩石

59、热解分析仪直接从岩样中测出所含的吸附烃（S1）、干酪根热解烃（S2）和二氧化碳（S3）与水等含氧挥发物以及相应的温度。氢指数（ S2 /有机碳，IH）和氧指数（ S3 /有机碳， IO）与干酪根元素组成分析能很好对比。可利用这两个指数绘制范氏图确定烃源岩中有机质的类型。烃源岩中的干酪根分类 孢粉学分类 藻质 絮质 草质 木质 媒质 煤岩学分类 显微组分 壳 质 组 镜质组 惰性组 显微组分细分 藻质体 无定形 孢粉、角质体、树脂体、木栓体 结构镜质体无结构镜质体 丝质体、微粒体、巩膜体 元素分析 Tissot分类 藻质型（） 腐泥型（） 腐植型（）残余型（） 中国分类 腐泥型（） 腐植型（）

60、媒质型（） 原始H/C原子比 1.70-1.50 1.50-1.30 1.0-0.70 0.60-0.50 原始O/C原子比 0.1 0.2-0.1 0.3-0.2 0.3-0.25 岩石 热解 分析 生烃潜力 6 6-4 2 2 降解率（%） 50 10-50 10 IH（mg/g有机碳） 800 800-500 150 IO（mg/g有机碳） 40 60-40 150-50 红外 光谱 分析 2930（cm-1）/1600（cm-1） 3.0 3.0 0.4 1460（cm-1）/1600（cm-1） 1.20 1.20-0.45 0.25 有机质来源 海生、湖生 陆生 陆生 陆生强氧化或再循环