专题一 油气生成理论

石油地质学概论渠芳（地球科学与技术学院）何为石油地质学？石油地质学石油地质学是研究地壳中油气藏及其形成条件与分布规律的地质科学。石油地质学研究的主要对象是油气藏。油气藏不仅是地质工作人员从事油气勘探的直接对象，而且也是进行油气成因、运移、聚集和分布规律等油气地质理论研究的基础。石油地质学的理论和假说，均来源于实践并直接指导实践；是对已知的油气藏研究、总结出的结果，并又在勘探实践中得到检验。油气藏的研究是石油地质学的核心内容。石油地质学的研究内容1、油气藏形成的地质学原理—油气成因；2、油气藏形成的地质条件—生油层、储集层、盖层、圈闭、运移过程、保存条件等；3、油气藏形成的地质背景及各地质条件间的相互关系—油藏类型、含油气盆地与含油气系统。专题一油气的生成理论石油地质学概论专题二油气成藏基本要素专题三油气藏形成条件及油气藏类型专题四油气聚集单元专题一油气的生成理论人类最富有挑战性的思考宇宙起源的思考生命起源的思考

什么是生命?

何时形成的?

如何形成?200亿年以前，没有能量，时间、空间150亿年前，宇宙大爆炸45亿年前-太阳系形成，地球形成35亿年前-化石记录生命起源于45-35亿年之间地球进化——生命起源于何时？地球进化—生物演化过程？有机地球化学知识点补充：（1）缩聚作用：是部分或完全分解的生物聚合体的产物重新结合形成大分子的过程。（2）分解作用：是指一种化合物在特定条件下分解成二种或二种以上较简单的单质或化合物的反应；（3）氧化作用：有机物反应时把有机物引入氧或脱去氢的作用叫氧化；引入氢或失去氧的作用叫还原。专题一油气的生成理论油气成因问题，在原始物质、客观环境及转化条件等方面，长期存在争论。专题一油气的生成理论

油气来自于什么物质？它是如何形成的？大自然为人类准备了多少油气？我们为什么和怎么确定烃源岩及其生烃能力？只有追根寻源，才能在油气勘探中有的放矢！油气成因问题，在原始物质、客观环境及转化条件等方面，长期存在争论。专题一油气的生成理论第一节油气成因理论发展概况第二节生成油气的物质基础第三节油气生成的动力条件第四节有机质演化与生烃模式一、两大成因学派

根据生油气原始物质问题上观点的差异，分为：无机成因说有机成因说第一节油气成因理论发展概况无机成因说：石油及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应形成的

无机物（C、H、O、Fe）→油气

有机成因说：油气是在地球上生物起源之后，在地质历史发展过程中，由保存在沉积岩中的生物有机质逐步转化而成。

生物有机质→油气（一）无机成因说1.泛宇宙说一、两大成因学派

第一节油气成因理论发展概况包含烃类在内的有机化合物是在宇宙天体的无机演化过程中形成的，在地球形成时就包含有机物。2.地球深部的无机合成说（一）无机成因说一、两大成因学派

第一节油气成因理论发展概况油气是在地球深处，在高温、高压和催化剂的作用下，由H2O、CO2、H2等简单无机物反应形成的。1.支持石油有机成因的一些事实（1）世界上99.9%的油气都分布在沉积岩中；（2）地球中石油分布与有机质分布相吻合；（3）不同油田石油的成分相似，但并不相同；（4）石油和煤的灰分具有相似性；（5）油层温度一般不超过150℃¤（6）近代沉积物中的可溶有机质与石油类似；（7）实验室加热有机质可以生成石油；（二）有机成因说一、两大成因学派

第一节油气成因理论发展概况2.有机成因说概况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微点滴状的，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）（二）有机成因说一、两大成因学派

第一节油气成因理论发展概况2.有机成因说概况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.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”。（二）有机成因说一、两大成因学派

第一节油气成因理论发展概况2.有机成因说概况随着先进手段引进，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、偶数碳原子差不多相等；（二）有机成因说一、两大成因学派

第一节油气成因理论发展概况（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，干酪根含量显著降低、MAB抽提物也有一定降低，而烃类大量增加，说明两者有联系；2.有机成因说概况（二）有机成因说一、两大成因学派

第一节油气成因理论发展概况（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。2.有机成因说概况（二）有机成因说一、两大成因学派

第一节油气成因理论发展概况2.有机成因说概况六十年代后期，七十年代以来近二十多年发展，生油学说进一步完善。石油有机晚期成油说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（干酪根）在温度的作用下达到成熟，热解生成大量液态石油和天然气。所以又称“干酪根热降解生烃学说”。（今后讲课主要据此观点讨论油气生成及勘探）（二）有机成因说一、两大成因学派

第一节油气成因理论发展概况2.有机成因说概况（二）有机成因说一、两大成因学派

第一节油气成因理论发展概况Tissort干酪根热降解生烃演化模式一、两大成因学派

第一节油气成因理论发展概况原始有机质从沉积、埋藏到油气生成经历了一个逐渐演化的过程，不能由于晚期生油说的卓越贡献而完全排斥早期生油的可能性。“未熟-低熟油”亦存在—非常规油气资源。虽然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作用，但不能由此否定无机成因理论的科学价值。按照现今油气成因理论，油和气主要是有机成因的，但不排除相当一部分天然气是无机成因的，有机成因论和无机成因论均有许多问题尚待进一步深入研究。油气成因问题，在原始物质、客观环境及转化条件等方面，长期存在争论。专题一油气的生成理论第一节油气成因理论发展概况第二节生成油气的物质基础第三节油气生成的动力条件第四节有机质演化与生烃模式第二节油气生成的物质基础一、沉积有机质的形成沉积有机质：指来源于活的生物的遗体及其分泌物和排泄物，直接或间接进入沉积物中，或经过生物降解作用和沉积埋藏作用被掩埋在沉积物中，或经过缩聚作用演化生成新的有机化合物及其衍生物的那部分有机质。原始来源：活的有机体及其在生命活动中的代谢产物（分泌物、排泄物）浮游动物和高等动物对沉积有机质的贡献相对很小第二节油气生成的物质基础水生低等生物（尤其是藻类）陆生高等植物一、沉积有机质的形成脂类———脂肪酸和醇蛋白质———氨基酸碳水化合物———糖木质素———芳香酸、酚等在演化过程中，有机质中C增加，O减少，芳香核的缩合程度增加，分子量增大，逐渐形成不溶于酸和碱及有机溶剂的中性有机聚合物，这个过程称为缩聚作用和非溶解作用。缩聚作用：是部分或完全分解的生物聚合体的产物重新结合形成大分子的过程非溶解作用：由于大部分表面亲水官能团随沉积物埋藏深度的增加而消失，沉积物缩聚程度增高，溶解性下降第二节油气生成的物质基础从生物有机质-干酪根形成过程示意图一、沉积有机质的形成第二节油气生成的物质基础二、沉积有机质中的干酪根1、概念Kerogen：指沉积物不溶于非氧化无机酸、碱和有机溶剂的有机质。岩石中可溶于有机溶剂的部分—沥青（bitumen）。第二节油气生成的物质基础1、概念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1,000倍和非储集岩岩石中分散天然沥青的50倍（Hunt，1972；Tissot＆Welte，1978）。二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础2、干酪根的组成（1）干酪根的显微组成以透射光为基础的干酪根显微组分分类二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础2、干酪根的组成（1）干酪根的显微组成各显微组分的来源及生油潜力二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础2、干酪根的组成（1）干酪根的显微组成二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础2、干酪根的组成（1）干酪根的显微组成二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础2、干酪根的组成（1）干酪根的显微组成二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础2、干酪根的组成（1）干酪根的显微组成二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础2、干酪根的组成（1）干酪根的显微组成二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础占沉积有机质的95%±，细软粉末，暗棕到黑色。高分子聚合物，C为主，H、O次之，少量S、N等。C：70～85％，H：3～10％，O：3～20％。（2）干酪根的元素组成2、干酪根的组成二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础3、干酪根的结构复杂，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。（1）属三维网状系统；（2）含有多个核；（3）核被桥、键和官能团连接；（4）含脂肪族链状结构；二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础4、干酪根的类型二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础——这种分类方法过于简单4、干酪根的类型（1）显微组分分类二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础（2）元素组成分类

干酪根类型范氏图（据Tissot和Welte，1984简化）

4、干酪根的类型二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础蒂索等人以干酪根的元素组成为依据，利用C、H、O三个主元素的H/C、O/C原子比，借助范氏(D.W.VanKrevelan)图解，将干酪根分为三种类型：Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型干酪根。图中红粗线代表同一干酪根随埋深增加，它的演化路径。（2）元素组成分类

干酪根类型范氏图（据Tissot和Welte，1984简化）

4、干酪根的类型二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础I型干酪根（2）元素组成分类

干酪根类型范氏图（据Tissot和Welte，1984简化）

4、干酪根的类型二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础Ⅱ型干酪根

干酪根类型范氏图（据Tissot和Welte，1984简化）

（2）元素组成分类4、干酪根的类型二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础Ⅲ型干酪根4、干酪根的类型二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础5、干酪根的形成和演化二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础5、干酪根的形成和演化二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础随埋深↑，干酪根演化成熟程度增强，它们的H/C↓，O/C↓，元素组成向富C方向收缩。同时，C12相对含量↓；C13相对含量↑。5、干酪根的形成和演化二、沉积有机质中的干酪根第二节油气生成的物质基础①O/C急剧↓,（杂原子链破裂）→CO2、H2O

杂原子化合物。②H/C↓快,（C－C键破裂）→石油、湿气③O/C、H/C继续↓，→天然气（CH4、CO、CO2、H2O）→次石墨沉积有机质向油气演化的过程是有机质不断的去氧、加氢、富集碳的过程。第一节油气成因理论发展概况第二节生成油气的物质基础第三节油气生成的动力条件第四节有机质演化与生烃模式专题一油气生成理论第三节油气生成的动力条件油气生成需要的基本地质条件油气生成的岩相古地理条件油气生成的动力条件第三节油气生成的动力条件油气生成需要的基本地质条件1、必须具有足够数量和一定质量的原始有机物质--生油母质—油气生成的基础；2、必须使沉积有机质迅速埋藏、保存以勉遭受氧化，形成还原环境（reducingenvironments）。3、必须使沉积物不断得到补偿，不断增加埋藏深度，造成沉积有机质向油气转化所需要的温度。第三节油气生成的动力条件第三节油气生成的动力条件油气生成需要的岩相古地理条件形成沉积有机质的主要场所：1.浅海大陆架(continentalshelf)是浮游生物最发育的海洋环境。水体宁静，水深不超过200米，阳光充足，温度适宜,因此是生物繁衍最有利的地区，保存好。2.海湾和泻湖(lagoon)由于群岛、半岛、堤坝或生物礁的阻止，使其与海洋隔离，含氧海水不易进入，形成封闭、半封闭环境，对沉积有机质的形成、保存有利。3.三角洲地区(delta)是海洋和陆地交汇的地区。原地生长的海生生物发育，河流搬运来自陆地，陆源有机质丰富，故生油母质非常充足。4.湖泊(lacustrine)中，深水湖相—半深水湖相是陆相盆地中油气生成最有利的地区。第三节油气生成的动力条件第三节油气生成的动力条件一、温度和时间的作用地球是一个地温场，在地壳中的温度由内向外逐渐降低，因此，随着埋藏深度增加，温度增加。大量实验和野外观察表明：1）对沉积岩中的干酪根加热后，才能生成石油；2）低温下，干酪根生成液态烃和挥发组分量少，只有达到一定温度，才能大量生成，随着温度再增高，生成烃的量减少，且主要是气。3）烃含量随深度变化不同阶段不一样，低温下速度慢，到一定温度快。第三节油气生成的动力条件第三节油气生成的动力条件一、温度和时间的作用（一）从化学动力学看温度和时间的作用若时间t不变，反应进行的程度与温度T呈指数关系；若温度T不变，反应进行的程度与时间t呈线性关系。（1）在干酪跟生烃过程中，干酪跟的反应速度与温度呈指数关系，与时间呈线性关系，温度的影响是主要的，时间的影响是次要的。（2）温度和时间有互补性，高温短时与低温长时可以达到相同的反应速度。第三节油气生成的动力条件一、温度和时间的作用（二）地质条件下温度和时间的作用令：则有：如果干酪跟的生烃反应达到相同的反应速度时，温度的倒数与时间的对数具有线性关系第三节油气生成的动力条件一、温度和时间的作用（二）地质条件下温度和时间的作用不同盆地干酪跟的成熟点就是这样一个反应程度相同的点第三节油气生成的动力条件门限温度(Thresholdtemperature

)：有机质开始大量转化成石油的温度。达到门限温度的深度叫成熟点。一般地，50~120℃作为石油门限温度范围。一、温度和时间的作用（二）地质条件下温度和时间的作用不同盆地干酪跟的成熟点就是这样一个反应程度相同的点第三节油气生成的动力条件不同沉积盆地，不同层位，门限温度不同。与有机质类型、埋藏时间有关。松辽盆地3.1~4.8℃/100m加瓦尔油田（中东）5.1℃/100m（世界第一大油田）但是，不是温度越高越好。太高，石油裂解成气态烃；太低，生油速度太慢。一、温度和时间的作用第三节油气生成的动力条件我国不同盆地不同时代生油岩埋藏深度与油气生成的关系★在时间和温度综合作用下，有利于油气生成并保存的盆地应该是年轻的热盆地（地温梯度高）和古老的冷盆地。二、细菌的生物化学作用分为喜氧细菌、厌氧细菌、通性细菌三类。CO2和乙酸来源：细菌对有机质的分解第三节油气生成的动力条件在隔氧条件下，有机质的大分子被分解，ONS被分离，使CH富集—有机化合物—分解、聚合—稳定干酪根，伴有部分甲烷、CO2、H2作用：促进作用，在早期阶段显著。二、细菌的生物化学作用第三节油气生成的动力条件三、催化作用和放射性作用催化剂是一种加速化学反应速度而本身并不消耗的物质1.无机盐类催化剂

粘土矿物（蒙脱石）：吸附有机质

（1）降低有机质的成熟温度

（2）加速长链分子的断裂

（3）改变产物的组成2.有机酵母催化剂作用：加速有机质的分解

主要在成岩早期蒙脱石比表面大，催化能力最强；伊利石次之；高岭石最弱；第三节油气生成的动力条件放射性元素所造成的局部地温增高将有利于有机质的热演化。可产生游离氢沉积岩中：总体上放射性元素含量很低。----------非主要因素三、催化作用和放射性作用第三节油气生成的动力条件第一节油气成因理论发展概况第二节生成油气的物质基础第三节油气生成的动力条件第四节有机质演化与生烃模式专题一油气生成理论一、有机质演化阶段的划分1.根据油气生成机理和产物类型划分（1）生物化学生气阶段；（2）热催化生油气阶段（3）热裂解生湿气阶段；（4）深部高温生气阶段2.根据有机质成熟度划分成熟度：在温度的作用下有机质的热演化程度镜质体反射率Ro：镜质体反射光的能力（1）未成熟阶段immature；（2）成熟阶段mature（3）高成熟阶段high-mature；（4）过成熟阶段over-mature第四节有机质演化与生烃模式一、有机质演化阶段的划分第四节有机质演化与生烃模式二、有机质演化的基本特征（一）生物化学生气阶段第四节有机质演化与生烃模式1.埋深：0-1500米±2.温度：10~60℃3.演化阶段：Ro＜0.5%

沉积物的成岩作用阶段；

碳化作用中的泥炭-褐煤阶段；4.作用因素：以生物化学作用为主；二、有机质演化的基本特征（一）生物化学生气阶段第四节有机质演化与生烃模式

5.演化过程及产物：未熟-低熟油的特点：（1）密度总体偏高，但也有轻质油（2）富含高分子含量饱和烃（3）正烷烃具有奇数碳优势二、有机质演化的基本特征（一）生物化学生气阶段第四节有机质演化与生烃模式二、有机质演化的基本特征（一）生物化学生气阶段第四节有机质演化与生烃模式

6.烃类组成的特征——在有机质中所占的比重很小高分子量化合物为主，显示萘和四芳烃双峰

四环分子显畸峰

高分子量正烷烃C22～C34范围内有明显的奇数碳优势

（二）热催化生油气阶段二、有机质演化的基本特征第四节有机质演化与生烃模式1.深度：1500～4000m2.温度：60℃～180℃3.演化阶段：后生作用阶段前期

（长焰煤-焦煤阶段）

有机质成熟、进入生油门限4.作用因素：热力+催化剂的作用（二）热催化生油气阶段二、有机质演化的基本特征第四节有机质演化与生烃模式5.演化过程及其产物

有机质大量转化为石油和湿气

——主要生油时期：“生油窗”随深度和温度的加大，在热力和催化剂的作用下，干酪根演化达到了成熟，大量化学键开始断裂，形成大量烃类分子。沉积有机质演化达到了成熟，开始大量生成液态石油时的埋藏深度和地温被称为门限深度和门限温度。（二）热催化生油气阶段二、有机质演化的基本特征第四节有机质演化与生烃模式6.烃类组成的特征产生的烃类：正烷烃碳数及分子量递减，中、低分子量的分子是正构烷烃中的主要组分，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。（三）热裂解生湿气阶段（高成熟阶段）二、有机质演化的基本特征第四节有机质演化与生烃模式烃类组成特征液态烃急剧减少，低分子正烷烃剧增，主要产物是甲烷及其气态同系物。（三）热裂解生湿气阶段二、有机质演化的基本特征第四节有机质演化与生烃模式（四）深部高温生气阶段（过成熟阶段）二、有机质演化的基本特征第四节有机质演化与生烃模式二、有机质演化的基本特征第四节有机质演化与生烃模式二、有机质演化的基本特征第四节有机质演化与生烃模式三、有机质生烃模式（一）Tissot模式沉积有机质演化和有机质生烃的Tissot模式1.阐明了有机质演化和油气生成的阶段性R0=0.5%,未成熟阶段与成熟阶段的界限2.建立了生油门限的重要概念生油门限：有机质开始大量生油的起点，也是有机质从不成熟到成熟的转折点第四节有机质演化与生烃模式沉积有机质演化和有机质生烃的Tissot模式3.石油窗和生油窗生油窗：地下液态石油生成的范围石油窗：地下液态石油