含油气系统课程

含油气系统课程第1页/共100页含油气系统在油气勘探中的应用第2页/共100页含油气系统在油气勘探中的应用一含油气系统概述二含油气系统的研究内容三含油气系统的分类含油气系统的成藏作用Processes

含油气系统的识别与模拟含油气系统研究的实例对含油气系统的认识第3页/共100页一含油气系统概述1、含油气系统的由来及发展－1

（1）石油地质学研究方法、思路上的巨大进步石油地质学的理论和研究思路、方法的变化和进步表现在以下四个方面：首先，研究的整体性第二，研究的系统性第三、研究的动态性第四，研究的定量性总之，石油地质学的发展已经使人们从静态的分别研究和评价一个地区的生、储、盖、运、圈、保等油气藏形成条件，发展到把一个地区的这些成藏条件和生、运、聚的作用当作一个整体的动态演化发展的系统加以研究，并运用多种模拟手段，力求从定量的角度进行评价，因而从理论上逐渐形成了“含油气系统”和“成藏动力学系统”的概念。

OilSystem和PetroleumSystem的译名各不相同，有译为石油成矿系统、石油系统、油气系统、成油体系、含油气系统，本文采用总公司系统的习惯译法——含油气系统。

第4页/共100页1、含油气系统的由来及发展－2

（2）含油气系统概念的提出和形成-1

国内含油系统理论的发展

中国是一个有丰富陆相油源的国家。晚古生界末期以来，海水从中国华北大陆退出，中二叠世以来，海水从中国南方退出。在中新生代期间，湖相沉积在中国广泛发育，时间长、规模大、沉积厚、类型多，有机质丰度高、类型好，形成广泛分布的油气田。①含油气系统概念的提出

早在1963年，我国大庆油田石油地质工作者在总结松辽盆地陆相大油气田形成和分布规律时就提出了“成油系统”这一概念。认为“油气藏的形成和分布，是地质发展历史的综合结果”，“必须将油藏形成的静止条件，即生、储、盖层和发展过程即生、运、聚统一综合分析比较更符合实际”。他们提出的成油系统“是指某一地质时期，由统一的油气运移、聚集过程联系在一起的油源、储集层、盖层、圈闭等四个成油要素所组成的整体。每一个成油系统有自已的特征和主导成油要素，有相对的独立性，并形成一个和数个油气聚集带”。第5页/共100页1、含油气系统的由来及发展－3

（2）含油气系统概念的提出和形成

-2国内含油气系统理论的发展②源控论陆相含油气盆地成熟生油岩对油气藏形成、分布具有控制作用，油气田通常都分布于有成熟源岩的生油洼陷周围，因此在勘探布署上强调定洼（凹）的重要性。③成油组合的概念

1983年以来，陈发景、田世澄等同志在研究异常流体压力对油气分布的控制作用时注意到成熟源岩中的油气排出后沿两个异常高流体压力带间的砂层作侧向运移，因而提出排液组合和成油组合的概念，并具体讨论了其对油气运移聚集和成藏的作用。④复式油气成藏的概念中国陆相断陷盆地具有多沉积旋回、多源层、多套生储盖组合、多圈闭类型、多期成藏，因而中国的油气田、油气聚集带具有复式成藏的特点。第6页/共100页1、含油气系统的由来及发展－4

（2）含油气系统概念的提出和形成-3

国外含油气系统理论的形成和发展①1972年W.G.Dow在AAPG年会上论述海相威尼斯顿盆地油—源岩相关性在油气勘探中的应用时首先提出了“OilSystem”石油系统的概念;②1980年PerrodonA首先应用了“PetroleumSystem”含油气系统的概念;③1992，1994年，Magoon和Dow发表了“含油气系统—从源岩到圈闭”一文，对含油气系统的概念，鉴定特征，研究方法及其在勘探上的应用作了系统的总结。第7页/共100页作者名称及意义时间Dow.W.G.OilSystem–

石油系统1972，1974PerrodonPetroleumsystem–

含油气系统1980,1983,1984DemaisonGenerativebasin–

产油盆地（有效烃源岩覆盖的地区，称产油拗陷，一个或多个产油拗陷称产油盆地）1984MeinssnerHydrocarbonmachine–

石油生成器（包括烃源岩中油气生成之后的运移聚集过程中所有基本要素的层系、统称为自然地质条件下的石油生成器）1984UlmishekIndependentpetroliferoussystem————独立含油气系统1986MagoonEssentialelements——基本要素（首次使用了基本要素，保存时间）1987Magoon&DowThePetroleumsystem:fromsourcetotrap.Processes–

成藏作用（对此问题作了总结）1992国外含油气系统理论发展简况

第8页/共100页2、含油气系统的概念

定义：Magoon等人（1994年）把含油气系统定义为是“一个自然的系统，它包含活跃的烃源岩及与该源岩有关的所有已形成的油、气，并包含油气藏形成时所必不可少的一切地质要素及作用的天然系统”。（1）所谓活跃的烃源岩是指地质历史中曾经活跃的油气源岩，但现在也许已不再活跃或者说已消耗殆尽；（2）所谓“油气”一词，包括高度聚集赋存于常规储层的任何烃类物质、天然气水合物以及致密储集层、裂缝性页岩和煤层中的热成因及生物成因的天然气；储集在硅质碎屑岩、碳酸盐岩中的凝析油、原油、重油及固态沥青；（3）地质要素包括油气源岩、储集岩、盖层及上覆岩层这些静态因素；（4）地质作用包括圈闭的形成及烃类的生成、运移和聚集这一动态的发展过程。（5）所谓“系统”一词描述相互依存的各地质要素和地质作用，这些地质要素和作用组成了形成油气藏的功能单元。这些基本要素和作用必须有适当的时空配置，才能使源岩中的有机质转化为油气，进而形成油气藏。第9页/共100页3、含油气系统在油气勘探中的地位－1Magoon将沉积盆地、含油气系统、油气聚集带、勘探目标看作是石油调查中的不同阶段，也可看作是油气研究的四个等级。沉积盆地的研究是描述地层层序和沉积岩的构造样式；含油气系统研究强调源岩和油气藏之间的成因关系；油气聚集带的研究着眼于现在存在的一系列圈闭的相似性；勘探目标的研究是针对单一圈闭，是要决定其是否有经济价值和开采是否可有可利用的技术和工具。四个研究层次的研究内容不同，决定其研究方法和侧重点也有所区别。沉积盆地含油气系统油气聚集带勘探目标与经济条件无关与经济条件有关第10页/共100页研究对象内容方法侧重点圈闭指示圈闭含油气性及地质风险分析，估算资源量，优选钻探目标对地质要素的地质、地球物理分析

现在存在的圈闭的研究油气聚集带对一类有成因联系的圈闭进行含油气性、分布规律及地质风险分析以及资源量计算对地质要素的地质、地球物理分析圈闭之间的内在联系、分布规律分析沉积盆地分地类型及其形成演化，沉积岩类型及体系对地质要素的地球物理、地质及地球化学分析盆地类型、沉积岩厚度、分布范围、各地质要素的定性描述和定量半定量分析含油气系统是否有油气，有多少油气，是油还是气，油气生成运聚过程及控制因素地质、物理、化学综合分析源岩层段在时空上的分布，关键时刻的确定以及各地质要素和作用在时空上的变化规律油气研究不同等级的研究内容、方法及侧重点对比3、含油气系统在油气勘探中的地位－2第11页/共100页二含油气系统的研究内容含油气系统有其特定的区域、地层展布及时间范围；其研究内容包括：含油气系统的关键时刻、展布范围、基本要素、持续时间、保存时间、可靠性等级及命名。用来描述含油气系统的图件有四种：含油气系统的埋藏史图；含油气系统在关键时刻的平面展布图和剖面图；含油气系统事件图。第12页/共100页1、含油气系统基本要素－1

（1）基本要素

含油气系统的基本要素包括源岩、储集岩、盖层及上覆岩层。图1为Deer-Boar*含油气系统的埋藏史图，图的左边横坐标以绝对年龄表示的是所研究的各套沉积层的时代，纵坐标是埋藏深度，图内的各条曲线表示各套地层的埋藏历史以及生油窗顶底的深度和关键时刻的部位。图的中间是表示各个层位的岩性厚度名称，图的右边是表示成油要素发育的层位及相互关系。第13页/共100页

图中显示了Deer-Boar*含油气系统的地层展布及关键时刻的源岩、储集岩、盖层及上覆岩层等基本要素的空间关系。生油窗顶之下的源岩为活跃生油岩，之上为未成熟生油岩，油气赋存于储集岩中，上面有盖层起封闭作用。第14页/共100页1、含油气系统基本要素－2

（2）基本要素研究的主要内容

①烃源岩描述烃源岩发育的有利岩相带、有效分布区、生烃富集层、关键层段、烃源岩质量(TOC、干酪根类型等)及其平面变化，烃源岩热演化程度及其生排烃量，可用相关图件(如有效烃源岩平面分布图、TTI图、产烃量图等)进行表述；油—油、气—气、油(气)—源对比及物质平衡计算也是烃源岩描述的内容。

②储集岩描述储层沉积相类型及宏观展布、储层类型及空间展布、储集性能及影响因素、有利储集层段、成岩作用及储层地球化学作用，储集体预测、建模及评价等。③盖层描述区域盖层层位、岩石类型及空间展布，局部盖层的空间展布及封盖能力、过渡层(“假盖层”)厚度及展布。④上覆岩层上覆岩层研究是查明烃源岩曾经历的最大古埋深，它与地温特征的结合是确定源岩是否达到生排烃门限、何时生排烃以及生排烃状态的关键，对上覆岩层的研究包括上覆岩层的主要层位、厚度及空间展布、不整合面次数、剥蚀厚度、剥蚀时间与范围，剥蚀量的定量计算等，对上覆岩层进行描述可为研究油气的生、运、聚、保作用提供大量信息。第15页/共100页2、关键（临界）时刻、持续时间、保存时间－1（1）关键（临界）时刻

关键时刻

是指含油气系统中大部分油气生成—运移—聚集的时间。通常以源岩处于最大埋深稍晚的时刻为关键时刻。它以地层的埋藏史图为依据，通过计算时温指数(TTI值)来显示大部分烃类的生成时间，从地质角度看，油气的运移和聚集发生在短暂的时间段内。第16页/共100页（2）持续时刻

是指形成一个含油气系统所需的时间。含油气系统需要经过足够的地质时期方能具备所有的基本要素和完成形成油气藏所必要的那些地质作用。如果源岩是沉积的最初要素，且源岩成熟所需的上覆岩层是最后要素，那么最初和最后要素之间的时间差就是该含油气系统的持续时间。持续时刻持续时刻保存时刻保存时刻第17页/共100页图4为Deer-Boar*含油气系统事件图，图中显示八种不同的事件：上部四种事件记录了几个基本要素的地层沉积时间，接下两个事件记录了含油气系统形成过程的时间:圈闭的形成时间是根据地球物理资料、各种地质数据和构造地质分析来确定；油气的生成—运移—聚集或者说含油气系统的形成时间是根据地层和油气地球化学研究及埋藏史图来确定的。第18页/共100页2、关键（临界）时刻、持续时间、保存时间－2

（3）保存时间

是指烃类在该系统内被保存、改造或被破坏的时间段，它在油气生成—运移—聚集作用完成之后开始。在保存时间内发生的作用包括油气的再次运移、物理或生物降解作用及至烃类完全被破坏。在保存时间内，再次运移(三次运移)的油气可聚集在持续时间之后沉积的储集层中，若保存时间内构造活动轻微，则油气藏仍保留其原来的位置，只有在保存时间内发生褶皱、断裂、抬升或剥蚀作用才会出现油气的再次运移。如果所有的油气及其基本要素在保存时间内遭到破坏，就没有含油气系统存在过程的证据；如果含油气系统中的油气生成、运移、聚集一直延续至今，则无保存时间，可以认为大部分石油都被保存，而只有少量石油被降解或破坏。第19页/共100页3、含油气系统展布范围、可靠性等级及命名－1

（1）含油气系统展布范围图为Deer-Boar*含油气系统在关键时刻古生代末的平面图，位于生油、气窗之内的为活跃烃源岩，其外为未成熟的烃源岩，含油气系统的区域展布范围由一条线来圈定，这条线圈定了活跃烃源岩及所有有关的已发现的油气显示。

关键时刻含油气系统区域展布范围由活跃烃源岩及所有来自该源岩的常规和非常规油、气藏、油气显示的界线所圈定。第20页/共100页3、含油气系统展布范围、可靠性等级及命名－2

（2）可靠性等级及命名

Magoon根据生油洼陷生油并形成聚集的可靠性可将含油气系统分为三个级别：已知（！）、假定（*）和推测（？）。可靠性等级实际上是一个油源可靠性问题，它指明了一个油气藏中的油气来源于某一成熟源岩的可靠程度。

已知的含油气系统（！）：油气藏中的油气与源岩之间的地球化学指标具良好的可比性；

假想的含油气系统（*）：地化资料可确定源岩，但油气藏中的油气与源岩之间不具可比性；

推测的含油气系统（？）：源岩和油气藏都是根据地球物理资料来推测的。对其命名则是以生油岩的名称、储集岩名称再加上上述定性符号。如塔里木盆地库车坳陷侏罗—第三系(!)油气系统等。第21页/共100页三含油气系统的分类1、国外分类－1

（1）以盆地动力学背景为依据的分类Perrodon(1992)根据沉积盆地的动力学背景，按含油气盆地的性质将含油气系统分为三种主要类型：①主要存在于大陆裂谷盆地中的大型裂谷型含油气系统；②主要存在于一些简单克拉通盆地或离散边缘盆地中的台地型含油气系统；③挤压区和活动边缘盆地中特别是弧前盆地和前陆盆地的前渊中的造山型含油气系统。第22页/共100页1、国外分类－2

（2）含油气系统的成因分类－1

从含油气系统成因的角度出发，它包括以下三种地质因素的作用：①充注因素：以源岩的原始丰度和成熟生油岩体积估算，考虑运移过程的散失量，可分为过充注，正常充注和欠充注三种。②运移排烃方式：受构造和地层格架控制，从盆地的区域构造及地层格架进行预测，可分为垂直排烃和侧向排烃。③捕集方式：阻止油气大量排出散失的物理阻力程度，取决于构造变形程度和封闭的有效性，可分为高阻捕集和低阻捕集两种形式。含油气系统生成子系统运移－捕集子系统①充注因素过充注正常充注欠充注②运移排烃方式垂向运移侧向运移③捕集方式高阻低阻选定限制因素对含油气系统分类第23页/共100页Demaison和Huizing(1994)应用油气充注、运移和圈闭三要素对油气系统进行分类。充注要素考虑了源岩原始丰度和成熟源岩体积，将其综合为源岩潜量指数(SPI)。SPI，是指地下1平方米面积的源岩柱内能生成油气的最大量(图3-2)，这样就可以将源岩的净厚度和丰度有效地合并成一个参数SPI。

1、国外分类－2

（2）含油气系统的成因分类－2h：源岩净厚度；：平均生油潜力；ρ：源岩密度，t/m3；S1：1岩石加热出的油气；S2：1岩石中干酪根热解产生的油气。第24页/共100页表3-1为世界上一些盆地生烃潜能指数

第25页/共100页通过对世界上诸多含油气系统的研究发现，在油气以垂向运移为主，SPI<5时，为低(或欠)充注；5<SPI<15时，为正常充注；SPI>15时，为超充注。在油气以侧向运移为主，SPI<2时，为低充注；2<SPI<7时，为正常充注；SPI>7时，为超充注。当油气运移为侧向与垂向联合时，油气系统充注情形介于上述值之间。据SPI值以半定量地描述一个含油气系统内可被捕获的油气总量，也可据此进行含油气系统的比较研究（图3-3）。（通常见于垂向排烃系统）（通常见于侧向排烃系统）图3-3初步的源岩潜力指数（SPI）分类第26页/共100页

据上述三个因素可对一个含油气系统进行分类(表3-2)，如阿拉斯加北坡超充注、侧向运移、高阻抗含油气系统，蕴含了普拉德霍湾巨型油田。

从盆地充填的构造与地层格架可确定油气运移的两种基本方式：垂向运移(常以断层和裂缝为运移通道)和侧向运移（常以不整合面和薄的运载层为运移通道），据此可推测油气富集带相对于成熟烃源岩的位置。构造格架、盖层的存在及有效性决定了圈闭样式，反映了阻止油气分散的能力，相应地有高阻抗与低阻抗捕集之分。

第27页/共100页2、国内分类－1

（1）以盆地类型为依据的分类①李德生按时代把我国含油气系统进行分类，如把渤海湾盆地分为下古生代、上古生代、中生代、第三系四个含油气系统。

②胡见义根据构造提出了我国含油气系统类型划分的意见，把我国的含油气系统分为裂陷型、拗陷型、挤压型，并提出了超系统的概念。第28页/共100页第29页/共100页2、国内分类－2

（2）含油气系统成因分类方案

赵文智提出一种含油气系统的综合分类方案，包含三方面的含义：其一是对表3-3中的基本因素进行类比，找出制约这些油气系统内油气富集程度的关键所在；其二是比较含油气系统的油气地质储量或丰度，或比较可采率、生—聚率(GAE)等指标以确定影响这些油气系统的关键要素或作用；其三是通过上述两方面的比较，对这些含油气系统的每一因素的效度(或贡献)进行评价，从而将评价结果引入圈闭组合或圈闭地质评价与油气资源评价之中。

第30页/共100页3、简单型含油气系统与复杂型含油气系统

一个油气区或盆地往往并不只有一个含油气系统，例如，中国东部就有下第三系含油气系统、中生界含油气系统、上古生界含油气系统、下古生界含油气系统等四个含油气系统叠置的情况。因此这些含油气系统(以两个含油气系统为例)在空间与时间上常具有多种组合型式：并列型、交叉型、叠置型、侧接型、

同时型、连续型、

间断型、分段型。第31页/共100页四含油气系统的成藏作用Processes

油气生成、运移和在圈闭中聚集成藏是成藏作用的全过程，也是石油天然气地质学研究的主体内容。

（一）有机质在成岩作用、后生作用、变生作用中的成烃作用和演化

有机质在成岩作用、后生作用和变生作用中的变化，是碳循环中发生的三个连续不可逆转的转换阶段，构成了有机质的热成熟演化过程，各个阶段都有其独特的地质和地球化学特点和产物，掌握这一变化及其产物，在油气勘探中具有重要意义第32页/共100页第33页/共100页1成岩作用阶段干酪根的形成成岩作用发生于沉积历史的早期，建立了生物圈与岩石圈之间的联系。成岩作用阶段是指地球表面松散的沉积物经深埋、脱水、硬结成岩的过程。对于有机质来说是指水生和（或）陆生生物残骸蚀变和（或）由生物和低温化学反应降解的蚀变过程的早期阶段。蚀变作用开始于水体环境，持续经过松散沉积物阶段，直到沉积岩压实以后（典型情况为Ro<0.5%,T<50℃）。其主要的作用是干酪根形成和继承性的生物标志化合物选择性的保存。主要的产物有生物作用的甲烷气，二氧化碳和水。第34页/共100页干酪根的形成干酪根主要是由有机质经成岩反应形成和直接由生物体包括孢子花粉细胞壁等保存下来而形成。（1）微生物作用沉积有机质沉积后首先遭受微生物的降解。微生物作用在沉积物和水体的交界面及浅埋深度上活动最为强烈，它使高含量的原始沉积有机质降解为简单分子，如CO2，N2和H2O（有氧环境）以及NH2，H2S和CH4（无氧环境）。微生物降解的主要残余物是三种化学上未明确定义的大分子物质组成，即：富里酸、腐殖酸和腐殖质，三者都可认为是干酪根的潜在母体，有机质经细菌等微生物作用形成氨基酸，糖和酚，它们经随机的再聚合和浓缩过程，形成富里酸和腐殖酸。酚也形成于蛋白质、多糖和木质素的微生物分解过程（Stevenson,1974）。这些过程均已在实验室进行过模拟(Maillard,1913;Hoering,1973;Hedges,1978;Rubinsztain等，1984)。不饱和类脂化合物（如某些藻类中发现的）可以直接聚合也可以通过硫原子以相似的方式聚合成大分子有机物。富里酸和腐殖酸既见于水体中（Stuermer和Harvey，1974），也见于沉积物中（如Rashid和King,1969;Orem等，1986），它们是所有类型的官能团化合物的地球化学“转换器”，如蜡酸和蜡醇来自于植物角质层（Larter等，1983），异戊间二烯化合物来自于叶绿素a（Larter等，1979）、原始细菌的膜成分（Michaelis和Albrecht，1979）和维生素E（Goossens等，1984）。随着成岩作用的发展，富里酸和腐殖酸的浓度不断下降，这是伴随成岩作用发生的累进混合作用的结果，同时随干酪根逐渐生成，使杂原子成分减少，如N2，H2O和CO2（Huc&Durand,1977）。干酪根的形成过程一直到成岩作用的末期才逐渐完成。腐植酸和富里酸的浓度也降至最低。第35页/共100页（2）生物体继承作用另一部分干酪根是由保存完好的稳定的细胞壁组成，而不是成岩作用过程中形成的。多见于腐殖质中，包括形态完好的和不完好的结构植物碎片、孢子、花粉、菌核等，以及一些极细的具有一定形态的细胞壁碎屑。这些均可从显微镜和电子显微镜下观测到。第36页/共100页（3）影响干酪根类型的因素影响干酪根类型的因素主要是原始有机质的成份和沉积时的环境，它们共同影响着成岩反应形成的和直接保留下来的干酪根的比例，影响干酪根的类型。气候和生物组成的差异导致原始生物群组成差异，影响了稳定的生物聚合物和其它细胞物质之间的比例，有机质生物降解能力的差异也会造成非水解成份的选择性保存。而沉积环境的差异，导致了最终保存下来的沉积有机质的差异。在强还原条件下，即使那些对降解作用抵抗力较弱的植物成分（如纤维素），只要有充足的浓度，在部分降解后也可能形成富里酸和腐殖酸，并对干酪根的形成做出较大的贡献。相反，同样的初始物质也可能在饱含氧水中的抵抗力强形成富含生物聚合物的干酪根，该过程可发生于硅质碎屑和碳酸盐烃源岩的沉积和早期成岩作用阶段。通常认为，成岩作用带相当于未成熟带，但也有例外。我国开展的未成熟油的研究已取得丰硕成果。富硫干酪根和某种类型的陆生植物有机质可在低热成熟度情况下生油。因为大多数海相干酪根含有降解藻和细菌残骸，而湖相干酪根含有孢子体、镜质体和角质体，较重的早期石油生成开始于成岩作用晚期，常见于碳酸盐岩、蒸发盐岩、磷灰岩和硅质岩（硅藻岩）中。相互交联的硫原子桥形成于早期成岩作用阶段，在碳——碳键开始裂开之前就已经破裂。这样就容易形成富沥青质和胶质的重沥青，最终形成可流动的石油。与此相似，当富含树脂体的有机质在产生凝析汪时，早期的油气生成已经开始。同样地，形成于陆生植物木栓组织的木栓质体在成岩作用中经历过较大的结构转化阶段，显然也可以生油。第37页/共100页2成岩作用中的可溶有机质与生物标志化合物成岩作用中的可溶有机质来源沉积有机质中有一小部分是可溶有机质，含有类脂化合物，这些类脂物有的是从生物母体有机物中直接继承下来的，有的是由于水解使大的细胞组织，如细胞壁或细胞膜破裂而来的。大多为官能团化的极性类脂物，在早期成岩阶段经历过脱羧基作用和脱水作用，形成凝析油产生了生饱和烃及烯烃类物质，后一种烃在成岩作用中将进一步还原（氢化）为饱和烃。第38页/共100页生物标志化合物从生物母体继承下来的烃，在粘土矿物催化作用下有一些碳格架重组，但基本上仍有与它们的官能团化前的生物母体相似的碳格架和立体构型。这些保留了它们生物起源特性的碳格架，就是生物标志物，对于油源对比极为有用，它们所经历的进一步立体化学上的变化也是确定热历史极有价值的标志。1）n——烷烃奇数碳原子的强大优势在成岩过程中从高等植物蜡中见到的高值大大减低（如碳优势指数CPI降低）(Eglisnton和Hamilton,1963)，主要是因为含偶碳原子数的醇类和脂肪酸被还原但却保留了它们的碳格架的反应(Bray和Evans,1961;Brooks和Smith,1967)。2）叶绿素a的中央镁离子在成岩作用最早期失去，形成暗色脱镁叶绿酸或被其它金属离子置换，特别是被Ni2+或VO2+置换(Baker和Louda,1986)。从绿素类到卟啉类的脱氢作用伴随有含氧官能团的损失或还原，是下一步的反应(Barwise和Roberts,1984)，并持续到成岩作用末期当Ni-或VO-的脱氧叶红素初卟啉（DPEP）占优势为止。第39页/共100页3）姥鲛烷（C19）和植烷（C20）及一些低碳数类异戊间二烯化合物为饱和烃类，形成于成岩作用早期。姥鲛烷与植烷比值常做为沉积条件（氧化——还原电位）的标志。认为碳格架是植醇（C20，来自于叶绿素a的侧链）在缺氧环境下转化过程中保存下来的，姥鲛烷形成于脱羧酸失去一个碳原子的氧化反应过程。这一方案对超咸环境不实用，因为植烷如原古细菌类脂物的替代来源也必须考虑进去。4）甾类和藿烷类，其在成岩作用过程中所发生的化学反应、中间产物和最终产物已了解很多，上百种化合物已有所研究。在成岩阶段，甾类经历了一系列脱官能团化作用、异构化作用芳构化作用。当大多数反应都包含不饱和甾烯时，它们的饱和烃同类物将在成岩作用末期的沉积物中占主导地位。而当不直接牵涉到双键异构化反应时，甾烷的奇拉尔中心仍然具有生物母体分子的立体构型。在芳香烃馏分中，单环芳香烃甾类将是主要的。同甾类一样，藿烷类含氧生物母体的脱官能团化作用可导致藿烯加氢形成饱和藿烷，藿烷类重要的主体化学反应在成岩作用阶段比甾类要早。第40页/共100页3后生作用

紧随成岩作用之后的后生作用是生油过程中的主要阶段。它的定义是镜质体反射率Ro为0.5%～2.0%，特点为干酪根热降解，伴随形成石油。生油窗Ro为0.5%<Ro<1.3%，生气窗Ro为1.3%<Ro<4.0%，湿气到干气的门限为2.0%。1、后生作用阶段干酪根的成烃演化后生作用阶段，由于温度的升高，干酪根发生热降解作用，干酪根结构中各组分逐渐丧失的先后取决于键力的大小，弱键总是先于强键断裂。不同类型的干酪根热降解开始的门限不同。后生作用阶段早期，未成熟的富硫Ⅱ型干酪根，由于弱碳——硫键的存在，它的油气潜能分布比正常Ⅱ型干酪根的平均活化能低，因此在后生作用早期，硫随着这些键的断裂从干酪根中失去。Ⅱ型、Ⅲ型干酪随着温度的升高而发生不同组份的热降解。这一点可从岩石热解峰温Tmax随着热成熟度提高而升高可以看出。Ⅰ型干酪根的油气潜力分布于一个很窄的活化能范围内，比Ⅱ型干酪根有更高的生油门限。Ⅲ型干酪根也具有相对较高的整体稳定性。在干酪根降解过程中，首先是脂族成份减少，Ⅱ型干酪根CH3/CH2比值增加，而芳香成分有所增加，其绝对值取决于干酪根的类型。随着热成熟度增加，Ro也随之增加，热解产物和低分子量芳香烃也随之增加，发生了芳构化作用。苯酚结构减少与H2O，CO2（CH2）n和CH4从镜质体中脱出有关。随着干酪根中化学键的破裂，油气的大量生成，干酪根稳定的原子基的浓度提高。第41页/共100页随着后生作用的进行，三种类型干酪根中氢含量逐渐减少，挥发组分逐渐枯竭、残渣或“死”碳比例增加。在后生作用的成烃演化过程中生成的未经蚀变的原油在总体成份上的差异，包括原油中石腊族、环烷族、芳香族和沥青族组分的巨大差异主要是来自干酪根母体结构的类型有很大的差异。石油与干酪根热解物之间存在着经验成份关系。这种关系可以用于评价源岩是生凝析油，高、低腊混合基原油（石腊族——环烷族——芳香族）以及高、低腊石腊原油的潜力。但由于地下原油的成份受地质条件的影响和相态的变化，要建立起一个确定的关系还十分困难。新的研究表明，许多藻类干酪根平均碳链长度在热成熟度较大范围内基本保持不变。而平均碳链长度的缩短在绿河页岩的干酪根中仅发生于热成熟的早期。在元古界，古生界烃源岩的热解产物中，生物有机质遗留下来的长链成份甚至可以保持到变生作用阶段，这一方面表明，长链成份是油——油对比，油——源对比的好工具，另一方面也为高成熟区认识原始生油潜力提供一个工具。同时生油窗的底界可以由长链成分的衰竭来确定，这种衰竭比通常的油相阶段(Ro=1.3%)发生得早。另一值得注意的是，关于石腊基原油中的奇偶优势，过去认为母体是蜡脂或产生于树叶角质层的自由烃。由于大多数热成熟烃源岩和“海相”原油的碳数优势接近统一，故有理由认为高蜡原油形成于低热成熟度条件。这也适用于一些煤岩。然而，植物角质薄膜的脂族生物聚合物所产生的正烷烃具有明显的奇数碳优势，甚至到热转化的很高程度亦如此，这表明高蜡油的母体并非只有一种，而且它还可以生成于后生作用晚期。第42页/共100页2、成烃演化中分子成熟度参数干酪根成烃演化的进程，也就是它的热成熟度，可以用一系列分子成熟度参数来描述，从正构烷烃的OEP，CPI到复杂的生物标志化合物的变化，总的来说，生油的早期和高峰期多用饱和烃系列的参数，而高成熟度阶段多用芳烃系列的参数。1）正构烷烃大多数情况下，随机热解所产生的正烷烃无奇偶碳优势。由于这类新生化合物的增加，它们将冲淡成岩作用阶段保存下来的生物遗传奇碳优势。干酪根裂解也有利于生成姥鲛烷，故而当热成熟度升高后，姥鲛烷与植烷比值也相应增大。与此相似，由于正烷烃的优势生成姥鲛烷/n-C17和植烷/n-C18却随成熟度提高而下降。这些参数仅适用于具有几乎完全相同的原始有机质的地层层序中，因为干酪根的类型变化对成熟度控制的变化机理具有影响。2）甾族化合物的同分异物和芳构化甾类烃的同分异构比是应用最广的生物标志热成熟参数。当初期建立这些参数时，还认为甾烷在C20侧链上经历了差向异构反应，因而将生物成因的20R构型转换成地质上的20S构型。该反应一直到平衡系数达到0.54才结束。与此相似，甾烷C14和C17环系的生物形态在反应中明显改变，形成了热动力极其稳定的甾烷同分异构体：5α（H），14β（H），17β（H）——甾烷（20S+20R）（Mackenzie等，1980）。后来发现，甾烷同分异构比并不是总与热成熟度相关，它们还依赖于干酪根的相态。这是因为有一些特定的母体分子形成了早期的地质差向异构体。这种现象在碳酸盐岩和蒸发盐岩烃源岩中特别重要，它们的甾烷同分异构比不能做为热成熟指标。与此相反，甾类的芳构化作用，如单环甾类芳烃向三环甾类芳烃转化似乎与干酪根相无关，这种作用已成功地用做碳酸盐岩烃源岩和成因上有联系的原油的热成熟指标。无论甾烷的同分异构化还是芳构化反应，人们对其反应机理的认识都还远不充分，有些观察到的系统变化的化学基础比先前想象的复杂得多，因而，有关的热成熟度参数应该谨慎应用，很显然它们是标定热史的一个重要方法。第43页/共100页3）藿烷的热成熟度指标讨论后生作用阶段烃源岩中藿烷的成分变化包括17α（H）——藿烷与莫烷比值的提高和22，29，30——三降新藿烷相对于它的C2717α（H）——藿烷对应物在数量上的增加。这两个参数不仅依赖于热成熟度，而且还随有机相的不同表现出极大的差异。另一方面，由于扩展藿烷（C31—C35）的差向异构化作用在后生作用开始之前就已经停止。因而它无法用做热成熟度指标。4）卟啉的热成熟度指标过去一直认为卟啉在较低温度下是稳定的，在较高温度下就会解体，五员同环丧失。现在研究认为在这个过程中DPEP卟啉逐渐转化为初卟啉，这一参数在生油窗之外是有用的。5）芳香烃成熟度参数芳香烃成熟度参数可检测甲基化联苯、萘和菲的同分异构体分布中的热感应变化。这些参数已经由煤岩或者含陆源有机物的沉积岩进行过标定。应用范围可延伸至Ro为1.5%或更高。与镜质体反射率的相关性对煤有机质最好，因而这种分子参数常用于计算镜质体反射率的相应参数。尽管在某些场合已有成功应用的实例，但这些参数用于海相有机质还有问题。第44页/共100页4变生作用阶段变生作用带，可延伸到绿片岩变质作用的开始。最终的产物是甲烷、氢和高碳化固体有机物（2.0%<Ro<4.0%）。生气窗为1.3%<Ro<4.0%，在变生作用阶段，芳香烃不断累加，芳构化作用不断增加。主要产物已是甲烷干气。H2S或N2可分别由碳酸盐岩和煤岩的杂环干酪根生成。总之，热成熟作用的研究对绝大多数油气勘探人员都是相当熟悉的，因为它是圈定成熟烃源岩的一个最重要的标准。热成熟参数，如镜质体反射率仍用于日常评价现今成熟度分区，而一些术语，如成岩作用、后生作用及变生作用，另外还有生油窗和生气窗等，已广泛用于描述热蚀变的范围。干酪根分类的重要性也应重视，至少已查明Ⅱ，Ⅲ型干酪根在油或气潜力上，整体存在一定的差异。这些基本概念在很大程度上经受了时间的考验，人们对热成熟的认识也有不断的提高，已将这些认识应用于勘探，以降低勘探风险。许多石油公司都采用动力学和物质平衡模型进行定量评价，成熟历史的研究可以不考虑现今的成熟程度，仅通过生物标志物的反应动力学特性（对热史标定起关键作用）就能确定，另外，要认清干酪根母体和产物之间的关系有助于上述研究的进行。使用固定的镜质体反射率来确定生油阶段的始末有很大的局限性。必须考虑不同干酪根类型的差别。物质平衡模型（取决于未成熟和成熟烃源岩同类物的配对）和二次运移模式（利用所生成油气的成分信息）要求有目前Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ型干酪根分类无法提供的信息，因而日益需要进行新的分子干酪根分类。另外一个基本问题是要澄清压力和矿物催化剂影响地下油气形成反应速率的程度。只有解决好这两个问题，才能使成烃演化研究更加深入。第45页/共100页（二）天然原油从源岩中的排出过程

1含水封闭裂解研究排烃

9个温度点的实验结果列于图4-2上，由图上可以看出明显的四个阶段：（1）生油气以前，为原始样品，该样品中含有约15%的干酪根，有超过0.5%的沥青质可溶有机质。（2）生沥青阶段，通过加热300℃/72小时，320℃/72小时，330℃/72小时，三个点，可以看到，岩石加热后干酪根部分分解成沥青，随着温度的增加，干酪根迅速降低，而沥青的产出量迅速增加，这一反应中产出的沥青主要为焦油物质，由高分子量组成，这一反应所须的低活化能（10—20kcal/mol）表明，干酷根降解为沥青主要是由弱的非共价键（包括氢键，电子给体—受体键等）断裂所造成。（3）初期生油阶段，继续增加温度、干酪根总量变化很小，沥青质初期变化不大，后迅速减少，而油的产量迅速增加，表明此阶段的变化主要是沥青转化为相当量的可排出的油，这一反应的活化能为34—67kcal/mol，是由共价键断裂所须的能量。（4）焦沥青—气生成阶段，再继续增加温度，干酪根的呈基本不发生变化沥青质的含量迅速降低，排出的油量也迅速降低，沥青质转化为不溶的有机质焦沥青，减少的原油转化为同当量的气的过程。第46页/共100页图4-3a反应开始时，假定沥青分子是众多不同分子结构的一种，均产生于干酪根热分解时非共价键的断裂作用。这些高分子量的分子组成了沥青的可溶部分，它们在含水裂解条件下饱含来自于原始孔隙、岩石缝隙和裂缝中的溶解水。随热成熟度提高，与来自于分解的干酪根或其它沥青分子的外来自由基团相遇后可在沥青分子中形成自由基团的位置。当达到这一点时，Lewan(1991)认为沥青中来自于溶解水的氢常常使这些自由基团位置中断产生开发环（图4-3b），使β位置上的C—C共价键裂纹与中断了的自由基团位置（如β—剪裂）隔开。那些在后来仍未中断的自由基位驱使沥青分子发生β—剪裂（图4-3c）。断开的自由基碎片此时由水驱氢中断或至中断发生前继续β—剪裂。由β—剪裂形成的高含脂肪酸的碎片在特征上是亲油的，并与水饱和沥青分离形成非混油相即图4-3c带点区域。第47页/共100页2与无水封闭裂解实验的对比

首先，无水裂解实验自始至终均无油排出。在岩样的表面既无油粒，也无油膜。而含水裂解实验产油从300℃的0.65%增长到350℃时的4.15%，其产油率与前面实验相似。第二，对此实验的第一温度段，产物均为沥青，其量相差不大，含水裂解同时有0.65的油产出，这是因为这一温度段主要是干酪根热降解生沥青的阶段，有水、无水似乎影响不大，而在330℃和350℃的对比实验中，有水实验沥青含量逐渐减少，而产油量大大增加，而无水实验中沥青含量逐渐减少，而无石油产生，表明，在封闭无水条件下沥青随温度的增加，沥青分子最终成为不溶的焦沥青和气。Lewan（1991）认为，由于封闭沥青中缺乏溶解水，通过自由基重组和歧化作用，分别导致交联聚合反应和芳构化反应。第48页/共100页由表4-1可以看到两种实验结果最终压力有很大差别，于是专门进行了一次压力对产物影响的实验。其办法是在实验容器中预先加入氦气，加入岩块，以减少实验容器的体积，使生成的气体达到一定的压力，其对比实验的结果如表4-2。第49页/共100页图4-4封闭系统中无水裂解条件下沥青热成熟的一般反应路径(a)干酪根通过弱非共价键破裂导致的部分分解形成的沥青分子；(b)沥青分子中自由基位形成于沥青分子与外来自由基相遇时，外来自由基来自于其它沥青分子和分解的干酪根；(c)缺乏自由基终止的水驱氢由β—剪裂导致频繁的共价键破裂。最终的自由基碎片由于缺乏水饱和沥青而保持混溶，而且没有油相；(d)自由基碎片（空环）的终止由再混合作用形成，导致C—C键互联和不溶焦沥青形成第50页/共100页3与开放无水实验的对比表4-3比较了在生油高峰时的岩石热解和含水裂解产物，两种方法的总裂解产物相似，岩石热解没有将沥青，油气分开，无水裂解生成的烃要比含水裂解排出的油要多大约2倍。第51页/共100页一个值得深思的现象是，加热速率不同，产出的烃的量也不同，在相同源岩的条件，加热速率越快，产出的烃越多，反之则越少，如图4-5所示。第52页/共100页图4-6无水裂解条件下开放体系沥青成熟的一般反应路径（据MichaelD.Lewan,1994）干酪根中弱非共价键破裂使其部分分解形成的沥青分子；通过与来自于其它沥青分子和分解干酪根的外来自由基相遇而形成于沥青分子中的自由基位（实圆）；由于缺乏自由基终止的水驱氢使共价键发生β—剪裂而断开。如果裂解条件促使自由基碎片被歧化作用终止，形成烯烃，或者被获得的氢受体（空圆）终止，则形成烷烃。如果裂解条件促使自由基碎片慢速蒸发或从热成熟沥青中逸出，那么，更多的沥青将由于再混合终止而分解成非按发性的焦沥青。

第53页/共100页（三）油气的二次运移与聚集二次运移是油气从有效烃源岩的成油区向圈闭的运移过程，石油以离散的不混溶相穿过饱和地层水的岩石进行运移。1运移的相态和动力图4-7树枝状运移途径（据WilliamA.England,1994）石油总体上沿上倾方向运移，但运移路径不同部位的毛管排替压力差值会导致石油倾向于沿最粗的层位运移。在均质岩体中，毛管力影响很小，石油倾向于沿运载层较上的部位运移第54页/共100页2二次运移的方式辨认出油气二次运移的方式，有助于寻找到大的油气汇聚区，油气聚集带和油气藏，含油气系统可以分为：侧向运移的含油气系统垂向运移的含油气系统。第55页/共100页垂向运移的含油气系统第56页/共100页垂向运移的含油气系统第57页/共100页3二次运移的效率一个含油气系统的二次运移效率，指的是这一含油气系统中生成的油气，经过二次运移聚集在可识别的圈闭中工业聚集的数量，它占整个系统中总油气生成量之比。运移效率，无论对评价一个含油气盆地的含油气远景，还是对估计到达任一个圈闭中的油量都是一项重要的未知参数，甚至是至关重要的参数，同时又是一个难以准确度量的参数。设一个含油气系统运移的总效率是：PSEFF%，HCG为它的总生烃量，HCA为它的在可识别的圈闭中的工业聚集，则：PSEFF%=HCA/HCG×100%第58页/共100页（1）初次运移的损失，即未能从烃源岩中排出的烃，包括进入烃源岩死孔隙中的烃，被烃源岩中粘土矿物吸附的烃，溶解在烃源中未排出的流体中的烃，被干酪根网络滞留的烃等等，都是初次运移过程中损失的烃。（2）排出后直接运移至地表而损失的烃。（3）二次运移过程中损失的烃，包括被输导系统吸附的烃，滞留在输导系统中死孔隙中的烃，经输导系统中的流体溶解带走的烃等等。（4）已经聚集在圈闭中，但达不到工业开采规模的油气。因此生成的烃中，只有一小部分可能成为工业油气聚集。二次运移中油气损失的因素分析图4-16是一个含油气系统从有效烃源排出后经二次运移过程的烃类损失分析，可以看到在整个过程中都有一系列的损失因素。第59页/共100页估算二次运移效率的方法与思路（1）类比法（2）统计法类比法的深化和发展（3）门限法1987年England等提出一个二次运移模型，认为烃类在圈闭中聚集之前必须达到一个特定的严格的成熟度标准，Mackenzie和Quigley（1988）将这个概念引入快速地化远景评价中。实际上人们将二次运移的路径设想为石油管线，认为在管线体积占满之前，没有油从出口端流出。VE等于烃源岩排道运移通道的体积；Vc为供应到圈闭中的体积；VL等于（损失体积）管线体积；（4）计算机模拟法第60页/共100页油气的捕集，需要有良好的封闭条件油气的充注，是一个波状式的推进过程，油气在推进中混合第61页/共100页（四）油气圈闭圈闭的要素圈闭的条件第62页/共100页构造圈闭的主要类型与褶皱有关的圈闭第63页/共100页褶皱和断层复合圈闭第64页/共100页断层作用控储集层盖层层段的圈闭类型第65页/共100页原生或沉积地层圈闭第66页/共100页与不整合有关的地层圈闭第67页/共100页次生成岩地层圈闭沉积构造复合圈闭第68页/共100页水流量和方向以及烃类的密度对烃类圈闭的影响水动力圈闭第69页/共100页（五）油气藏的保存与破坏1、概述2、影响原油组成变化的主要因素（1）热成熟作用（2）后果力分异作用（3）差异动移作用（4）脱沥青作用（5）水洗—生物降解作用和氧化—蒸发作用第70页/共100页五含油气系统的识别与模拟（一）含油气系统的描述1、成藏要素的描述2、成藏作用描述（1）油气运移描述（2）油气聚集与保存描述（3）油气调整与再分配描述3、用四图一表描述整个系统的特征，四图：埋藏史演化图、成藏要素剖面图；含油气系统平面图、成藏事件图以及油气田油气显示表第71页/共100页（二）含油气系统的识别1、油源对比（1）油源对比的意义及地球化学对比的发展历史（2）油源对比的基础和指标常规的语法；分子对比法；（3）油源对比方法的发展方向第72页/共100页2、天然气气—源岩对比（1）天然气的类型和来源第73页/共100页（2）区分天然气特征的地球化学指标天然气的类型有机气：生物成因气；生物热催化气；石油伴生气；石油热裂解气；煤型气；无机气：壳源气；幔源气；第74页/共100页天然气的浓度；天然气的分子组成和比值；第75页/共100页非烃气体非烃气体有硫化物（HS,H2S)N2,H2,CO2和惰性气体。硫化物气体主要是细菌对硫酸盐的还原作用。高温裂解反应可形成化不还原的含硫气体；二氧化碳气体，来源多样，有生物质成因、壳源成因和幔源成因；氮是天然气气中常见的组分，可占3%或78%，一是有机质含氮释放；二是粘土矿物释放；三是地幔释放；四是大气溶解渗入。稳定同位素成分

是相对于已知村准同位素比值的样品同位素比值的百分之几（ppm）的额定值量级；能常用δ符号。第76页/共100页碳同位素比值甲烷碳同位素比值是天然气分类的最常见的同位素比值。通常用甲烷碳同位素比值与轻烃成份比值区分类型。天然气的特性采用天然气成分比值与同位素组分进行天然气分类，Bernard将气的分子%

进行比较，区分出湿凝析热成因气、干细菌气、晚熟气或煤（腐殖）气，进行混合和氧化产物。

第77页/共100页热成熟度评价（I和II型干酪根）Faber(1987)认为，对I和II型干酪根而言，碳同位素比与镜质体反射率R0%之间的关系如下：‰‰12图2示，碳同位素和热成熟度比较图，适用于R0等于1.0~1.5。第78页/共100页热成熟度评价（III型干酪根）甲烷碳同位素比值和III型干酪根烃源成熟之间的经验关系，多条曲线是不同作者先后提出。可以看到趋势相同但有较大差异。原因是（1）干酪根中仅有很少一部分参与反应形成烃；（2）生成的C2—C4气有限；（3）KLEs相对较小；（4）腐殖或煤质源岩由于吸附作用能保持住烃，而吸附作用促使气混合（细菌气和煤气）并且导致烃的分子和同位素发生分镏；（5）煤类型在各大陆的差异，如冈瓦纳、北美或北欧煤的差异。此外，同与油伴生的天然气相比，对III型干酪根生成的轻气所做研究较少。第79页/共100页同生天然气利用天然气中除甲烷，同生或共生气如乙烷、丙烷、二氧化碳和氮气中常能获得一些辅助信息。下列方程是甲烷—乙烷、甲烷—丙烷和乙烷—丙烷关系式。‰‰‰‰‰‰123图3为细菌天然气中共生甲烷和二氧化碳间的碳同位素差异第80页/共100页氮是识别深埋腐殖（煤）源岩或其它过成熟烃源岩的一个重要指标。氮15同位素与氮气的体积百分含量区分天然气的成因类型甲烷的碳13同位素与氮气体积区分天然气的成因类型第81页/共100页氢同位素甲烷氢同位素是区分天然气类型和其有机烃源岩的一个判别指标。不同区域表示不同的成因类型。（图1）天然气的次生作用天然气的次生作用包括：不