第五章现代油气成因理论

1、第五章 现代油气成因理论本章重点：石油和天然气的成因学说；有机成因早期成油说和晚期成油说；现代油气成因理论新进展；未熟一低熟油形成；煤成烃机理及生烃模式；天然气成因类型及特征。 第一节 油气石油成因理论发展概况 石油、天然气成因，作为找油、找气工作的基础，具有很重要的指导意义。 石油、天然气只有生成后，才有运移、聚集、保存、破坏等石油地质事件发生，无油气源一切都无意义。 对油气成因，现已提出了多种假说，之所以出现各种假说，其复杂性在于： 1.物态上，油气都是流体，易于流动，现找到它们的地方，往往并不是它们生成的场所，2.化学上，油气通过运移，其性质、原始组分发生变化，现在组成，并不代表其原始面

2、貌；3.对油、气同原始母质之间过渡形式短乏明确认识(仪器、设备、模拟条件有的无法达到)。 实际上，油气生成不能脱离周围地质条件，争论的焦点是原始物质和转化条件等问题。油气成因基本归为无机和有机两大不同派别。 总结勘探、开采经验，结合近代物理学、化学、生物学及地质学等基础理论科学，为有机说提供了充分证据，且形成了相当完整的体系，从而被绝大多数人所接受。 有机成因理论形成后，争论油气是成岩早期或晚期形成的问题。通过大量研究，晚期成油说得到大部分人的拥护。 目前，特别是我国，基本是以有机成因晚期成油学说观点进行石油地质学研究和勘探开发的。现有人提出，成油的过程是多次的，即早期也有，晚期也有。应该说，

3、晚期是主要的。一、油气无机成因说 石油工业发展早期，从纯化学角度出发，认为石油是无机成因的。大致可归为两类：地深成因说，认为烃类形成于地球深处；宇宙成因说，认为烃类早在地球形成的宇宙阶段即已形成。 主要依据是：1.实验室中，从无机物中合成得到了烃类；2.天体光谱分析、有碳、氢和烃类；3.火山喷出气体、岩浆岩的包裹体中含烃；4.陨石中鉴定出烃类；5.石油的旋光性，可由非旋光物质合成，卟啉也可无机合成(近期有人认为)。作为石油起源假说，主要有以下几种：碳化说（门捷列夫，1876），即碳和铁形成碳化铁，与地壳深处热水相遇生成碳氢化合物；宇宙说(索科洛夫,1889) 认为碳氢化合物早期宇宙固有的，与后

4、期条件关系不大 ；岩浆说（库特梁采夫1951）认为地球深部岩浆存在碳、氢及微量元素，岩浆冷却时形成烃类； 高温高压说（切卡留克1971）认为深部生成烃类，沿断裂进入沉积岩；蛇纹岩化说(耶兰斯基,1966)，提出蛇纹石化可形成烃类； 根据这些学说，寻找油气应在地壳深处，岩浆活动、岩浆岩发育的地方。实践中，无机学说无法解释许多问题：1.远离油气地质实际(99.9%的油气与沉积岩有关)。2.难以说明实验室和深部无机合成的简单烃与石油组成复杂性之间关系。3.石油中普遍存在生物成因信息，如姥姣烷、植烷、甾烷等，石油也不能在高温下保存等。 反之，用有机成因观点来解释，则比较合反之，用有机成因观点来解释，则

5、比较合理一些。理一些。二、油气有机成因说 主张油气有机成因说的学者认为，油气是地质时期中生物选择在适当条件下生成的。干馏说(罗蒙诺索夫，1763)煤在地下受热、干镏生烃。动物说(E.Engler，1869)实验证明动物脂肪可合成烃类。混成说(波东尼，1906)动、植物先生成腐泥岩、再形成 石油，使有机成油说成为较完整的学说。 五十年代，P.V史密斯，G.T菲力普等研究取得了宝贵成果，证实为有机质生成油、气。 油气有机成因理论又分为两类：1. 富有机质层烃源岩层成烃（机理）富有机质层烃源岩层成烃（机理） 地质学新观念认为，突然沉积过程含有地质学新观念认为，突然沉积过程含有“能量能量”比比正常沉积

6、过程大几个数量级，而且瞬间发生所造成的正常沉积过程大几个数量级，而且瞬间发生所造成的沉积现象，往往用正常沉积作用无法解释，如浊积岩沉积现象，往往用正常沉积作用无法解释，如浊积岩的形成，火山爆发等（如准噶尔盆地风城组）。的形成，火山爆发等（如准噶尔盆地风城组）。即即油油气田的形成可能与多次的突发事件有关。气田的形成可能与多次的突发事件有关。2.分散分散有机质层烃源岩层成烃（机理）有机质层烃源岩层成烃（机理）三、油气有机成因证据（主要有以下几点）：1.世界99.9%以上石油都产自沉积岩，而在大片火成岩、变质岩出露地区，没有工业石油；2.石油在地壳上的出现，与地史上生物的发育和兴衰密切相关，具有一致

7、性；3.在油气田剖面中，含油气层位总与富含有机质层位有依存关系；4.灰岩晶洞和介壳及封闭的砂岩透镜体中油气只能源于沉积有机质；5.石油中检测出各类生物标记化合物，其碳骨架仅为生物体所特有；6.油气元素组成与有机物质相近；7.石油及大多数天然气的碳同位素组成与生物物质的碳同位素组成接近；8.石油普遍具有旋光性，只有从生物才能获得这种物质；9.模拟表明，从多种有机质中可得到油气的烃类产物；10.古代、现代沉积物中检测出类似油气中的烃类。四、有机成因早期成油说 有机成油理论形成后，进一步争论逐渐转为石油是成岩早期、还是成岩晚期生成的问题。（理由主要有）：1.在近代海洋湖泊沉积物中发现了有机物质的烃类

8、转化的过程；2.在实验室用细菌作用于有机质(脂肪、蛋白质、碳水化合物等)得到了比甲烷重的烃类；3.研究发现，微生物的活动随埋藏深度增加迅速减弱以至停止。因此，提出某些细菌是有机质加氢去羧基转变为类石油的媒介 (这一过程，只能在埋藏不深的成岩作用早期进行)。4.认为石油形成后是呈徽点滴状的，其运移是以溶解在水中的方式进行运移的(这要求岩层孔隙大、喉道粗，且生油岩大量的水尚未排出)。 （上述条件只能在成岩早期具备，且油气是在排水过程中，把石油运移到储层中去的） 前后经历了将近半个世纪的努力，早期成油说理论逐步形成。早期成油说可概括为下列几点：1.石油和天然气是由分散在沉积岩中的分散有机质形成的；2

9、.脂肪、蛋白质和碳水化合物是主要生油母质。有机质从沉积作用完结，从埋藏不深、温度不高的成岩作用早期开始向石油转化。3.有机质向石油转化中，菌解是必要媒介；4.形成环境应是还原环境(否则发生氧化)；5.石油形成是一个由微石油向成熟石油逐渐聚集的过程。 由于这些要求概括的共同之处是强调低温，成岩作用早期开始。因此，称为“石油有机成因早期成油说”。 随着先进手段引进，发现早期成油说在许多问题上解释遇到困难：(致命的弱点)1.世界上最年轻的原生油藏，几乎都不晚于上新世；2.现代沉积的烃类组分与石油组份有显著差别，相反与现代生物更为接近；3.现代沉积中正烷烃具明显奇数碳优势，而石油中正烷烃奇、偶数碳原子

10、差不多相等；4.烃类在古代沉积中的分布比同类现代沉积中丰富的多；5.环状化合物在现代沉积中多，且四、五、六环的环烷烃居多，而石油中则以单双环、环烷烃为主；6.当埋深到一定深度时，酐酪根含量显著降低、MAB抽提物也有一定降低，而烃类大量增加，说明两者是有联系的；7.同位素含量不同海相生物-12-3.3 陆生植物-24.9-25.8；海相抽提物-23.3-26.4 陆相抽提物-29.9-32.5；海相原油-27.0 -29.0 陆相原油-30.0-31.7； 由此可见，石油并非成岩早期形成，而是在成岩过程中，经过一系列改造而逐步转化形成的。 六十年代后期，七十年代以来近二十多年发展，生油学说进一步

11、完善。认为沉积物埋藏到较大深度，到成岩作用晚期或后生作用初期，沉积物的不溶有机质达到成熟，热解生成大量液态石油和天然气。所以又称“石油有机晚期成油说”。（今后讲课主要据此观点讨论油气生成及勘探）五、有机成因晚期成油说 石油有机成因晚期成油说的基本论点，概括如下：1.成油物质是酐酪根；2.沉积有机质进入到一定埋深、成岩作用达到一定程度，主要受到温度的作用，发生热降解，开始进入石油生成主要时期；3.促使酐酪根向油气转化的决定性因素是温度，时间对温度起补偿作用；压力、酵素、催化、放射性等因素也有影响；4.酐酪根具有不同的类型，而不同类型的酐酪根进入生油阶段所需的温度不一样，生成烃类的产物和数量也不一

12、样；5.从酐酪根转化为石油的过程中，可溶性抽提物MAB是中间产物；6.随埋深加大，有机质(酐酪根)由成熟过渡到过成熟阶段，已生成的石油发生裂解；7.由于地壳运动等影响，埋藏深度变浅，达不到油气生成所需温度，成油作用可中断；当埋深再度加大，只要原始酐酪根尚未“枯竭”，仍可多次生成大量石油。第二节 现代油气成因理论新进展一、未熟一低熟油形成机理一、未熟一低熟油形成机理 按照晚期成油模式，以RO= 0.5%为一般“生油门限”，把RO0.5%视为未成 熟的烃源岩。低熟油气：指非晚期成油说热降解成因的各类低温、早期的非常规油(气)或指那些成熟门限深度以上的沉积有机质生成的油(气)。(国外文献称“imma

13、ture oils”，国内统称为“低熟油”。)1.熟低油生成的物质基础(1)显微组分“分期生烃”壳质组，由较为富氢的植物物质、蛋白质、纤维素和其它碳水化合物的细菌降解产物组成。主要有：孢子体，来源于高等植物孢子和花粉的外细胞壁，其生物先质是孢粉素。由类胡罗卜素、类胡罗卜酯的氧化共聚物组成，有较高的氢含量；角质体，来源于高等植物角质化层和角质层，由陆生植物的叶、茎和其它部分的表皮外壁原生质组成，是一种不溶饱和羟基酸的聚酯，具有高聚合特征，角质层表面含有相当数量的可溶烃类和蜡质，为早期生烃的物质来源；树脂体，原始母质是高等植物树脂、蜡、香精油、胶浆、油脂等，多数树脂的主要成分是环状萜类组成的树脂酚

14、；木栓质体，起源于高等植物的木栓组织，主要生物化学先质为软木酯，部分呈油脂的形式存在，生成活化能较低。腐泥组，以藻类体为主的腐泥组代表菌藻类低等生物生源物质，是典型的富氢显微组分。研究认为：树脂体、木栓质体、高等植物蜡、藻类、类脂物及含硫化大分子等为低温早熟生油的母质（化学性质不稳定，活化能较低）。(2)可溶有机质贡献生烃的可能性沉积物中的可溶有机质，从埋藏开始，在还原条件下存在着以脱羧为特征的成烃转化作用，这一过程不需要很高的热力条件。因此，可以认为所谓低温早熟的显微组分，实质上都是结构松散、交联度低、分子量较小及富氢，且可溶有机质高的组分。 从化学角度看，分子量与交联度低的非烃和沥青质，更

15、有利于低熟油的生成。2.低熟源岩的“二段式”热演化特征(1)有机质演化具明显阶段性“两段式”变化，界线大致以Ro , 0.55-0.65%为界。研究认为：它反映由低熟油生烃机制向常规成熟油气生烃机制的转折。(2)有机质演化的不均一性，每种指标反映的是有机质演化的一个侧面，有机质演化具有不均一性，表明生成有机质的物质基础具多样性。3.低熟油气物理化学性质(1)低熟天然气物理化学性质 (与生物气相比)低熟气甲烷含量略偏低，C+2重烃稍偏高；13C1值偏高，-48-65；相对密度较大(0.57g/cm3)；(2)低熟油一般物理化学性质(变化多样,与来源有关)高密度、高粘度、高含硫；高密度、低蜡、低硫

16、；高蜡、低硫、中-高密度；低密度、低粘度、低凝点；(3)低熟油的族组成特征饱和烃含量较低，非烃、沥青质含量较高；饱芳比低，非沥比高。(4)低熟油化合物分布特征饱和烃含有相当数量的热稳定性差的化合物；芳烃镏分组成格外复杂；非烃镏分占有十分重要地位 。4.低熟油气成因机理及地质模式树脂体早期生烃机理木栓质体早期生烃机理细菌改造陆源有机质早期生烃机理生物类脂物早期生烃机理富硫大分子早期降解生烃机理 5种低熟油成因机理中，木栓质体和树脂体生烃机理和模式主要对成熟度较低的煤系地层具有实际意义其余三种早期生烃机理和模式，分别适用于淡水、咸水和盐湖相湖盆沉积环境；富硫大分子早期生烃机理可能不限于陆相盐湖沉积

17、，海相泻湖条件下也可适用。无论是碳酸盐岩还是泥岩，只要条件具备都可形成低熟油气。对低成熟油成因的看法：1.J.connan等认为型酐酪根，当富含树脂体时在低温下可以热解成烃；2.认为未成熟油来源于分散沥青的直接汇聚，一些富含类脂物的有机质在微生物作用下，可以不经过干酪根阶段而直接转化为烃类；应该说：早期也可生油，但晚期生成的量是主要的，即从成岩作用早期-晚期都可生成油气。 二、煤成烃机理及生烃模式煤成烃(油)，指煤和含煤岩系中分散的陆生高等植物来源的有机质在煤化作用过程中生成的液态烃。1.煤烃源岩类型和特征(1)煤烃源岩类型腐殖煤（腐殖煤，残殖煤） 高等植物中壳质组富集而成，含量50-60%以

18、上。腐殖-腐泥煤腐泥煤(2)有机质丰度、类型及可溶有机质地化特征有机质丰度煤中有机质高度富集，有机碳含量较高，可溶有机质和总烃含量高，但它们的转化率较低；有机质类型型有机质为主，型有机质也可出现；可溶有机质地球化学特征可溶有机质的芳构化程度普遍较高，除腐泥煤外，饱/芳一般小于1。 (3)有机质热演化特征热演化总体上表现为增碳过程。Ro0.70%时，有机碳平均54.59%，R。为0.70-0.82%时，有机碳65.80%，R。为1.06-1.83%，有机碳76.80%；煤中氯仿沥青的绝对含量大于一般湖相泥岩，但沥青转化率低，平均2.33%；族组成以非烃+沥青质高于总烃及芳烃高于饱和烃为特征。2.

19、煤成烃形成机理与成烃模式(1)压实排驱机理 主要发生在成岩作用后期和沥青化作用初期，R。在0.40-0.70%，煤中大孔(30nm)仍相当发育，占总孔隙体积40%以上，有利于烃类排出；(2)受压力驱动的连续沥青网络运移机理 大孔隙与微孔结合构成运移通道网络，并形成连续沥青网络，进而排出石油；(3)气溶方式运移机理有机质成烃演化作用达到高成熟的主要成气时期，产生大量天然气和部分轻质液态烃，气溶为主要的运移方式；(4)煤成油的成烃模式含煤岩系有机质组成及显微组分复杂， 煤中不同显微组分沥青化作用不一致，发生沥青化作用的时期不同，各种显微组分对生烃的贡献有别，可归为“早生早排”、“分期生油”两种生烃

20、模式。第三节 天然气成因类型及特征一、天然气成因类型按成分分 烃气 非烃气(CO2，N2，H2S，He，H2等)按成因分 无机 有机生物降解(细菌气) 热降解 热裂解(热解)概括起来，天然气的成因类可分为4种：生物成因气油型气煤型气无机成因二、生物化学气形成因特点 在成岩早期还原环境中生物化学作用带内，有机质因微生物发酵和降解作用形成的富含甲烷气体称为生物成因气。1、生物成因气大量生成最佳条件：(1)拥有丰富的有机质；(2)缺氧、缺硫酸盐的环境；(3)温度低于75(最佳35-42)；(4) pH值6.2-7.2之间。2、主要化学组成：CH4一般98%；重烃含量低，一般0.2%；干气，不与油拌生

21、；干燥系数（C1 /C2+ ）；含痕量不饱和烃及少量N2 和CO2；13C1一般为-80-60；13C一般为-55-90。三、油型气 有机质在热力作用下及石油裂解形成的各种天然气，包括石油伴生气，凝析油，拌生气和热裂解干气。1、基本特点重烃气含量大于5%，最高可达40-50%(湿气)；过成熟干气以甲烷为主，重烃气一般小于2%；烃气中链烷烃通常含量较高；碳同位素组成：石油伴生气，13C1-55-45；凝析油伴生气，13C1 -50-40；过成熟干气，13Cl -40 -35；含汞量小于600ng/m3；(1ng=10-9g)甲苯/苯一般小于1。2、形成过程 正烷烃歧化、芳香烃缩合稠化，最终产物为

22、甲烷、乙烷和丙烷。四、煤型气热成因气，指煤系有机质(腐殖型干酪根和腐殖煤)在变质过程中形成的天然气(热演化)；煤成气，煤层在煤化过程中所生成的天然气，是一种特殊赋存状态的煤型气；煤层气，是以吸附状态存在于煤层的煤成气；煤系又称含煤岩系，它是指以含有煤层和煤线为特征的沉积岩系；腐植有机质高度聚积时形成腐殖煤，分散存在时形成暗色泥岩和碳质泥岩。划分如下：暗色泥岩 有机碳15% ；高碳泥岩 有机碳5%；碳质泥岩 有机碳15%-30%；煤 有机碳30%；1、干酪根显微组分基本特点(1)壳质组：富含氢、腊质(相对)，是形成石油烃类，天然气的重要因素。主要来自植物孢子、花粉、角质、树脂、木拴质体等。(2)镜质组：富含氧(1.5-20%)，挥发产率中等，不生油或少量生油，主要生天然气。主要由树干、树皮、梗茎、根等含木质素、纤维素成分高，组织经凝胶化形成。(3)惰质组：富含碳(90%以上)，氢含量低(3%)，氧、挥发分产率低，生烃能力很小是木质纤维被焚烧或经脱水强氧化后形成 2、煤化作用过程 随埋深加大，受压力、温度、催化剂作用，泥岩变干。有机质表现为侧键脱落，逐渐缩合、变