第二章油气成因

第二章石油和天然气的成因与烃源岩主要内容油气成因理论发展概况油气生成的物质基础

油气生成的动力条件

有机质演化与生烃模式

天然气的成因类型烃源岩第一节油气成因理论发展概况（1）油气的来源是有机成因的还是无机成因的？关于油气成因的争论焦点主要集中在以下几个方面:（2）油气的生成是高温条件还是在低温条件下生成的？（3）有机质生成油气的时间，是其演化的早期还是晚期？一、无机成因说（inorganictheory）1．碳化物说3FemCn+4mH2OmFe3O4+C3nH8m2．宇宙说（门捷列夫，1876）（索可洛夫，1889）

（库得梁采夫，1949）3、岩浆说第一节油气成因理论发展概况

二、有机成因说（organictheoryorhypothesis）

（1）世界上99.9%的油气都分布在沉积岩中

（2）地层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

1、支持石油有机成因的一些事实

墨西哥湾近代海洋沉积物所含烃类与怀俄明州中新统石油的红外光谱图

Ⅰ—庚烷抽提物；Ⅱ—苯抽提物1—石油；2—近代海洋沉积物所含烃类2、有机成因学说（1）早期成因说（2）晚期成因说（干酪根热降解成因说）原始有机质成岩作用早期石油和天然气原始有机质干酪根成岩作用早期石油和天然气成岩作用中晚期（3）有机成因说的新进展未熟-低熟油(早期成因的石油)煤成油(集中有机质生油)一、原始有机质的化学组成

原始有机质：细菌、浮游植物、浮游动物和高等植物

1.类脂化合物（Lipids）动物的皮下组织，植物的孢子、种子及果实

脂肪酸、高级脂肪酸蜡、醇类、甾类和萜类化合物

第二节油气生成的物质基础2.蛋白质(Protein)

含氮化合物

由20多种氨基酸构成

3.碳水化合物(carbohydrate)Cx（H2O）y

糖类

4.木质素(Lignin)高等植物

具有芳香结构

沉积岩中所有不溶于非氧化性的酸、碱和非极性有机溶剂的有机质。1、干酪根的定义：包括沉积岩中的分散有机质，也包括煤中的有机质。岩石中有机质的组成总有机质可溶有机质（沥青）二、干酪根(kerogen)2.干酪根的成分高分子聚合物，无固定的化学成分，主要由C、H、O和少量S、N组成

C：76.4%，O：11.1%

H：6.3%，S：3.65%

N：2.02%

3.干酪根的结构①三维网状系统②含有多个核④含脂肪族链状结构③核被桥、键和官能团连接美国绿河页岩干酪根B.P.Tissot等（1978）

芳香结构多、脂肪族链状结构少黄县褐煤干酪根结构

（秦匡宗等，1990）

4.干酪根的类型根据干酪根的C、H、O元素组成对干酪根分类：三种类型

范·克雷维伦（D.W.VanKrevelen）图解

（1）Ⅰ型干酪根①原始氢含量高，氧含量低

②以脂肪族直链结构为主，多环芳香结构及含氧官能团少

③主要来自藻类堆积物，被细菌改造有机质的类脂残留物④生油潜力很大1)元素分析方法美国绿河页岩干酪根B.P.Tissot等（1978）

4.干酪根的类型

根据干酪根C、H、O元素组成对干酪根分类：三种类型

范·克雷维伦（D.W.VanKrevelen）图解

（2）Ⅱ型干酪根①原始氢含量较高，氧含量较低

②含有脂肪族直链结构，也含有较多的芳香结构及含氧官能团③主要来自浮游生物（浮游植物为主）④生油潜力中等1)元素分析方法4.干酪根的类型

根据成分(C、H、O元素组成)对干酪根分类：三种类型

范·克雷维伦（D.W.VanKrevelen）图解

（3）Ⅲ型干酪根①原始氢含量低，氧含量高

②多环芳香结构及含氧官能团含量高，脂肪族直链结构少③主要来自高等植物④生油潜力小，以生气为主1)元素分析方法黄县褐煤干酪根结构

（秦匡宗等，1990）

2)显微组分分析方法

①干酪根的显微组成用光学方法对干酪根组分形态进行的描述

4.干酪根的类型富含氢腐泥组：壳质组富含氢镜质组富含氧惰质组富含碳

无定形体藻类体包括无定形体和藻类体，富含氢腐泥组：主要来源于藻类或藻类被改造的残余壳质组树脂体孢粉体木栓质体来源于植物的孢子、角质、表皮组织、树脂、蜡质等。包括孢子体、角质体、树脂体和木栓质体，富含氢镜质组结构镜质体无结构镜质体是植物的茎、叶和木质纤维经过凝胶化作用形成的各种凝胶体。富含氧。

惰质组丝质体丝炭化组分。由木质纤维素经丝炭化作用而形成。属稳定组分，富含碳

Ⅰ型干酪根

②根据干酪根的显微组成划分类型Ⅱ1型干酪根Ⅱ2型干酪根Ⅲ型干酪根②根据干酪根的显微组成划分类型②根据干酪根的显微组成划分类型T=（100A+50B-75C-100D）/100A、B、C、D

分别为腐泥组、壳质组、镜质组和惰质组的含量

T>80Ⅰ型

T=80-40Ⅱ1型T=40-0Ⅱ2型T<0Ⅲ型IIA型干酪根，济阳坳陷沙三段I型干酪根，松辽盆地白垩系；III型干酪根IIB型干酪根5.干酪根的形成和演化蛋白质碳水化合物生物化学作用氨基酸糖类类脂化合物木质素聚合作用缩合作用黄腐酸腐殖酸腐黑物聚合缩合干酪根生物聚合体（biopolymer）地质聚合体（geopolymer）5.干酪根的形成和演化干酪根的演化规律：H/C和O/C降低，碳富集第三节油气生成的动力条件干酪根的结构芳香结构的核脂肪族链状结构的支链连接核和支链的桥和键化学键的断裂主要受温度和时间的控制，用化学动力学的一级反应来描述一、温度和时间的作用1.从化学动力学看温度和时间的作用

化学动力学一级反应反应的速度与反应物浓度的一次方成正比

式中：t为反应时间，s；C为反应物的浓度；k为反应速度常数。（1）阿伦纽斯方程：

（2）式中：k0称为频率因子E为活化能，R为气体常数T为绝对温度对（1）式积分，得：C为在时刻t反应物的浓度。

C0是反应开始时（t=0）反应物的浓度，（3）（1）C为在时刻t反应物的浓度。

C0是反应开始时（t=0）反应物的浓度，（3）②温度和时间具有互补性，高温短时间和低温长时间可以达到相同的反应程度。

①在干酪根生烃过程中，干酪根的反应程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；分析（3）式可以得到两个重要结论：从化学动力学看温度和时间的作用2.地质条件下温度和时间的作用

对（3）两边取对数，得：对于某一固定的反应程度，或对于相同反应程度的不同反应：温度的倒数（1/T）与时间的对数（lnt）具有线性关系对于相同反应程度的不同的干酪根生烃反应,温度的倒数（1/T）与时间的对数（lnt）具有线性关系不同盆地的干酪根的成熟点就是这样一个反应程度相同的点随着埋藏深度的增大和温度的增高，干酪根开始大量生烃的温度称为干酪根的成熟温度或生油门限，这个成熟温度所在的深度称为成熟点

生油门限（threshold）实际地质资料同样证明：

①温度的影响呈指数关系，时间的影响呈线性关系，温度的影响是主要的，时间的影响是第二位的②温度和时间的作用是相互补偿的

②温度和时间的作用是相互补偿的

GT=100（T-t）/（H-h）式中，GT——地温梯度，℃/100mT--深度为H处的地层温度，℃，H--测温点的深度t--恒温带的温度，℃，h--恒温带的深度

地温梯度的概念：在地表上层（恒温带）以下，深度每增加100米，地温的增加值。二、细菌的生物化学作用分为喜氧细菌、厌氧细菌和通性细菌三类

厌氧细菌CH3COO－+H+CH4+CO2产甲烷菌1.乙酸发酵

2.二氧化碳还原

CO2+3H2CH4+H2O辅酶M三、催化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

2.有机酵母催化剂

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改变的产物的组成有机酵母催化剂的作用：加速有机质的分解

四、放射性作用①水在α射线轰击下产生游离氢；②热源一、有机质演化阶段的划分第四节有机质的演化与生烃模式原始有机质埋深逐渐加大乏氧+油、气矿物质地温不断升高还原环境不同深度范围各种能源条件转化反应性质有机质向油气作用效果不同及主要产物不同具阶段性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深部高温生气阶段一、有机质演化阶段的划分2.根据有机质成熟度划分成熟度(maturity):在温度的作用下有机质的热演化程度

镜质体反射率Ro（

vitrinitereflectanceinoil）

：

镜质体反射光的能力①未成熟阶段Ro<0.5%②成熟阶段Ro=0.5%～1.2%③高成熟阶段Ro=1.2%～2%④过成熟阶段Ro>2%一、有机质演化阶段的划分二、有机质的生烃模式1.生物化学生气阶段（未成熟阶段）①范围：Ro<0.5%温度：10～60℃深度：0～2000m②机理：生物化学作用③产物：生物甲烷、CO2、H2O，

少量高分子液态烃——未熟油.未熟油低熟油成熟油干酪根二、有机质的生烃模式1.生物化学生气阶段（未成熟阶段）

未熟-低熟油气：指所有非干酪根晚期热降解成因的各种低温、早熟的非常规油气。①范围：Ro<0.5%温度：10～60℃深度：0～2000m②机理：生物化学作用③产物：生物甲烷、CO2、H2O，干酪根

少量高分子液态烃——未熟油.生成阶段：Ro＝0.3%-0.7%生成机理：低温的化学反应和低温生物化学反应；原始物质：聚合度较低的特殊的有机物质。二、有机质的生烃模式1.生物化学生气阶段（未成熟阶段）

未熟－低熟油的特点①密度总体偏高，但也有轻质油

②富含高分子量饱和烃③正烷烃具有奇数碳优势二、有机质的生烃模式2.热催化生油气阶段（成熟阶段）①范围：Ro=0.5%～1.2%温度：60℃～180℃②机理：热催化作用③产物：液态石油为主，包括一部分湿气④正烷烃主峰碳数减小，奇碳优势消失，环烷烃和芳香烃的碳数减少----生油窗二、有机质的生烃模式3.热裂解生湿气阶段（高成熟阶段）①范围：Ro=1.2%～2.0%温度：180℃～250℃②机理：热裂解作用，C-C键的断裂③产物：湿气

液态石油的裂解为主干酪根的裂解次要二、有机质的生烃模式4.深部高温生气阶段（过成熟阶段）①范围：Ro>2.0%

温度：>250℃

②机理：热裂解、热变质③产物：干气（甲烷）固体沥青、次石墨三、有机质生烃模式的应用1、是有机质演化的理想和完整模式，具体盆地有机质的演化更加复杂并且不一定完整。2、不同盆地由于地质演化和地温梯度的不同，达到各演化阶段的温度和深度可能有很大差异。三、有机质生烃模式的应用Ro是划分有机质演化阶段的主要标志①同一盆地不同层位的有机质经历的演化阶段是不相同的

三、有机质生烃模式的应用②同一源岩层中的有机质在地质历史上实际上经历了不同阶段3、有机质演化的四个阶段对于同一层位的有机质是一个历史的概念，但目前只能观察到它演化到现在的状态，而无法直接观察它演化的历史过程。15002500300040005000未成熟阶段成熟阶段高成熟阶段过成熟阶段

第五节天然气的成因类型一、天然气的成因类型分类原则：

②成气作用的机理①成气物质的来源(有机物\无机物?)1.无机成因气2.有机成因气3.混合成因气1.无机成因气（inoganicgas）

泛指各种环境下由无机物质形成的天然气。(1)宇宙气

宇宙空间中放散性反应、核反应及化学反应生成的天然气，以含He和H2为特征(2)岩浆岩气

岩浆喷发或侵入过程中由高温化学作用形成的天然气，以含CO2和H2为特征(3)变质岩气

变质过程中高温作用形成的天然气

1.无机成因气（inoganicgas）

(4)无机盐分解气

沉积岩中由无机盐类的化学分解形成的气体，以含CO2和H2S为特征

(5)幔源气

指地幔或从地幔通过不同方式上升到沉积圈中的天然气

包括与火山喷发有关的天然气，部分温泉气以及沿深大断裂或转换断层上升的高温气或低温气

4）渤海湾盆地冀中坳陷赵兰庄构造古近系孔店组和沙河街组四段所产天然气含H2S高达92%，同地层中富含硫酸盐有关。1）美国中部大陆本得隆起等气田，氮含量高达80%－90%，伴有7%－9%的氦，推断这种气体同深源岩浆成因有关；2）松辽盆地南部万金塔气田，CO2含量>90%，为幔源岩浆成因气；3）渤海湾盆地东营凹陷平方王油田古近系所产天然气，CO2含量达63%－66%，系喜马拉雅期玄武岩与石灰岩接触后碳酸钙的热分解所致；无机成因气实例2.有机成因气（oganicgas）

泛指沉积岩中分散或集中有机质或可燃有机矿产形成的天然气

(1)有机成因气按成气物质的来源划为分二个亚类

①油型气(oil-typegas)

②煤型气(coal-formedgas)

由腐泥型母质，即Ⅰ型或Ⅱ1型干酪根形成的天然气

由腐殖型母质，即Ⅲ型或Ⅱ2型干酪形成的天然气

（2）有机成因气按成气机理或外营力作用划分

①生物成因气（biogeneticgas）

指有机质在未成熟阶段(Ro<0.5%),在低温条件下经厌氧细菌的生物化学作用形成的天然气

油型生物气、煤型生物气

②热解气（pyrolysisgas)

有机质在成熟和高成熟阶段经有机质的热降解作用(包括一部分石油的热裂解作用)形成的天然气

油型热解气：原油伴生气、凝析油伴生气煤型热解气③热裂解气（crackinggas）

指过成熟阶段(Ro>2.0%)由已形成的液态烃或残余干酪根经高温热裂解作用形成的天然气

油型裂解气煤型裂解气（2）有机成因气按成气机理或外营力作用划分

3.混合成因气（multi-geneticgas）：无机气与有机气的混合无机成因气、生物成因气、煤型气、油型气二、天然气和石油在形成条件上的差异1.成气物质的多源性：原始有机质、各种类型的干酪根、煤、可溶有机质、液态烃、无机物质2.成气机理的多样性：微生物生物化学作用、热降解、热裂解、无机化学反应、核反应3.成气环境的广泛性：地表环境、不同深度的地下环境、水体、地壳深部、太空天然气和石油形成条件的对比三、各类天然气的特征1.无机成因气(1)组成：CH4含量低，以非烃气体为主，CO2常见(2)同位素：富集重碳同位素δ13C1>-30‰，绝大多数δ13C1>-20‰2.生物成因气(1)组成：(2)同位素：

CH4占绝对优势，可高达98%干气富集轻的碳同位素，δ13C1<-55‰

3.油型气（1）原油伴生气和凝析油伴生气组成：重烃气含量高，一般超过5%，有时可达20%～50%湿气原油伴生气：δ13C1=-55‰～-45‰凝析油伴生气：δ13C1=-50‰～-40‰碳同位素：δ13C1=-55‰～-40‰（2）裂解气（过成熟阶段生成的气）

碳同位素：δ13C1=-40‰～-35‰

组成：以CH4为主（干气），重烃气<2%4.煤型气组成：甲烷CH4含量较高，重烃气含量较低，一般<20%碳同位素：δ13C1=-42‰～-25‰，多数大于-35‰第六节烃源岩一、烃源岩（sourcerock）的概念：①烃源岩：能够生成油气，并能排出油气的岩石称为烃源岩②烃源层或源岩层（sourcebed）：由烃源岩组成的地层称为烃源层

③源岩层系：在一定地质时期内，具有相同岩性－岩相特征的若干烃源层与其间非烃源层的组合称为源岩层系

二、烃源岩的类型和地质特征1．烃源岩的类型和岩性

一般岩性特征：常含分散状的黄铁矿富含有机质和微体古生物化石粒细、色暗、(1)粘土岩类烃源岩

的泥岩和页岩

灰黑、深灰、灰及灰绿色暗色松辽盆地白垩系青山口组、渤海湾盆地古近系沙河街组

(2)碳酸盐岩类烃源岩

灰黑色、深灰色、褐灰色、灰色

石灰岩，生物灰岩，泥灰岩，常含泥质成分

四川盆地、华南、塔里木、波斯湾盆地侏罗系

(3)煤系烃源岩

煤和煤系地层中的暗色泥岩,

特殊的煤（富含富氢显微组分的煤）也可以生油煤系可以生气

吐哈盆地侏罗系2.烃源岩的岩相特征

浅海相三角洲相深水-半深水湖相沼泽相二、烃源岩的类型和地质特征3.烃源岩形成的大地构造环境

长期稳定、持续沉降的大地构造环境欠补偿型盆地沉降速率>>沉积速率只有补偿型盆地最有利于烃源岩的形成二、烃源岩的类型和地质特征超补偿型盆地沉降速率<<沉积速率补偿型盆地沉降速率≈沉积速率4.烃源岩形成的古气候条件

温暖潮湿的气候条件二、烃源岩的类型和地质特征三、烃源岩地球化学特征

烃源岩地球化学特征：有机质丰度、类型、成熟度

1.有机质丰度（organicmatterabundance）

（1）有机碳含量（TotalOrganicCarbonContent）

(TOC)总有机碳含量：干酪根中的有机碳加上可溶有机质中的碳；剩余有机碳含量：岩石中残留的有机碳的含量单位：%，占岩石的重量百分比（2）氯仿沥青“A”含量和总烃含量氯仿沥青“A”：用氯仿从岩石中抽提（溶解）出来的有机质，即可溶有机质总烃：氯仿沥青“A”中的饱和烃和芳香烃组分的含量泥岩的有机碳平均含量高于石灰岩的有机碳的平均含量(H.M.Gehmen,1962)碳酸盐岩平均：0.24%泥岩平均：1.14%①泥质烃源岩评价标准等级TOC(%)“A”(%)总烃(ppm)非烃源岩<0.5<0.01<100差烃源岩0.5-1.00.01-0.05100-250中等烃源岩1.0-2.00.05-0.1250-500好烃源岩>2.0>0.1>500渤海