石油、天然气的生成、运移基础知识

石油、天然气的生成、运移基础知识一、石油和天然气的生成油气生成的原因

石油和天然气的成因，是石油地质学界主要研究和长期争论的重大课题之一。它的研究不仅具有重要的理论意义，而且对石油和天然气的勘探起着指导作用。根据对石油原始物质截然不同的认识，石油成因理论可以分为无机成因和有机成因两大学派。

石油无机成因认为，石油是由自然界的无机物形成的。但是，油气田勘探的实践证明，世界上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气藏也同附近的沉积有机质有关，是石油侧向或垂向运移聚集的结果。并且在石油中相继发现许多具有明显生物标志的有机化合物。由于石油无机成因假说不能用来指导石油勘探，所以其支持者已经很少了，只能在实验室内作为科学理论问题进行探讨。

石油有机成因说认为，石油是由沉积物当中的有机质，在特定的地质环境中，在各种压力的综合作用下，经历生物化学、热催化、热裂解、高温变质等阶段，陆续转化为石油和天然气。有机成因说又可以分为早期成油说和晚期成油说两个分支。目前，有机晚期成油说已被石油地质学家、地球化学家所接受，能比较可靠地指导油气田勘探。因此,本节主要介绍有机晚期成油说的主要论点。

有机物质为石油的生成提供了根据，有机物质主要是指生活在地球上的生物遗体。要使有机物质保存下来并转化成石油还要有适当的外界条件。自然界中的生物种类繁多，它们在不同程度上都可以作为生油的原始物质。比较起来，低等生物作为生油的原始物质更有利、更重要。因为低等生物繁殖力极强且数量多，低等生物多为水生生物，死亡后容易被保存；另外它在历史上出现最早，其生物体中富含脂肪和蛋白质。

有机体从死亡到沉入水底的过程，不可避免地要经受游离氧的氧化和水对可溶性组分的溶解，只有幸存的一小部分有机体能够到达水底，同矿物质一起堆积起来。只有堆积埋藏下来的有机体才能在适当的环境、条件下开始向石油烃类方向转化。1.还原环境

还原环境对有机质的保存和向油气的转化都是非常重要的。原始有机体的堆积，若处于氧化环境之下将被氧化，其分解产物主要是CO2和水，原始有机质将被氧化殆尽，谈不上向石油烃类转化。所以，原始有机质的堆积环境必须是还原环境。在某些情况下，原来属于弱氧化环境，由于部分有机质被氧化而耗尽自由氧，也可以使原来不利于生油的环境变为有利的生油环境。

有机质的各种成分在向石油烃类转化的过程中，具有还原环境是重要因素。石油中碳、氢多，氧少；沉积有机质中碳、氢相对少，而氧相对多些，说明有机质向石油转化的总趋势是：去氧，加氢，富集碳。所以，在从有机质堆积到转化为石油的全过程都必须处于还原环境中。

石油生成以后，如果暴露在氧化环境里，轻组分会被氧化为以重组分为主的沥青质石油。如玉门石油沟油田，油层出露于地面，石油氧化而形成沥青塞。

2.生物化学作用

与有机质改造和转化有关的生物化学作用有两类，一是细菌对有机质的分解作用，二是酵母素的催化作用。

细菌是地壳上分布最广，繁殖最快的一种生物。按其习性可分为喜氧细菌和厌氧细菌及通性细菌三种。喜氧细菌在有氧气存在的条件下，转化有机质为CO2和H20，不产生烃类。厌氧细菌在缺氧的条件下，对有机质大分子进行分解，产生相应的有机化合物，如脂肪分解为脂肪酸与醇；蛋白质分解为氨基酸；色素分解为卟啉和异戊二烯烃类；碳氧化合物分解为醣；木质素分解为芳香酸与酚等。这一切进行得既迅速又彻底，与此同时或稍后，这些有机物又互相作用，进一步分解、聚合，形成更为稳定的分散有机质—干酪根。在这一过程中还可生成一些甲烷和氢气等气体。

酵母素是动物、植物和微生物产生的一种胶体物质(有人说是一种微生物—酵母菌)，在自然界分布很广，是一种有机催化剂,有很强的催化能力，在有机质改造的过程中可以加速有机质的分解。

由于细菌主要分布在沉积物的表层，因此生物化学作用带的深度是有限的，一般在几十米的范围之内，深度加大，地温升高，细菌活动就停止了。3.温度因素

温度升高，增加有机质分子的能量，改变有机质能量状态，促进有机质分解和转化。因此，温度升高是促进有机质向石油转化的重要因素。

从实际沉积剖面内所测得的烃类含量的变化(深度增加烃类含量增加)以及实验室内的实验数据，都证明了温度对有机质转化的影响。可以看出随温度升高，反应产物的数量明显增加。

有机质晚期成油说特别强调温度在有机质演化中的作用，认为只有温度达到一定的高度，有机质才能大量转化成石油。有机质(干酪根)开始大量转化为石油的温度称为门限温度或成熟温度。各个油田由于原始沉积有机质的不同，具体地球化学条件不同，门限温度也不一样。目前已知成熟温度最低是50℃(我国松辽盆地),最高是115℃(美国文吐拉盆地)。

4.无机催化剂

无机催化剂的存在，可加速反应速度的进行，并影响反应物的质量。如加热酸产生烃类的实验中，须以铝硅酸盐作为催化剂，催化剂与油酸比例不同，烃类的产率和组成都有差别。

在地层条件下的无机催化剂主要是黏土质点和碳酸钙质点，以及二氧化硅、硅酸盐、氧化铝、氧化铁等。黏土的催化能力与其吸附性质有关，催化剂表面吸附两种或两种以上物质的原子时，它们将互相作用形成新的化合物。

5.时间

有机质向烃类转化是一个十分缓慢的过程，包括烃类数量的积累和质量的变化两个方面。时间越长,积累的数量越大，经历长时间演化的石油成熟度高、质量好。有机质向油、气转化的条件

油气的生成作用，是在沉积盆地中进行的，盆地中的各种地质因素对油气的生成都有影响，其中主要影响因素是自然地理环境和大地构造条件。油气生成的基本条件：一是丰富的有机质，二是具备有机质转化条件，能促进这两个条件实现的地质环境，就是有利于油气生成的地质环境。

古地理环境和地质条件

现代和古代沉积岩的调查结果表明，浅海区、海湾、潟湖区及内陆湖泊的深湖一半深湖区适于生物生活和大量繁殖，特别是前三角洲地区，河流带来大量有机物，为生物提供了大量的养料，使生物更加繁盛。所以上述地理环境中的沉积物具有丰富的有机物。这样的地区水体较宁静，氧气含量低，具有还原环境，有利于有机物的保存，是生成石油的有利地理环境。

上述一些有利生油的地理环境能否出现，并长期保持，是受地壳运动所控制的。这样的地区应该具备地壳长期持续稳定下沉，而沉积速度又与地壳下降速度相适应，且沉积物来源充足的条件。下降时间长，沉积物厚度就大，包含在沉积物中的有机质总量也多。随着埋藏的深度不断加大，长期保持着还原环境，压力、温度也逐渐增高，有利于促使有机质快速向石油转化。

2.物理化学条件

1)细菌作用

细菌是地球上分布最广、繁殖最快的一种生物。在沉积物中细菌对有机物的分解作用，主要是在沉积以后的初期进行的，在还原环境里，细菌能分解沉积物中的有机质，而产生沥青质，细菌作用的实质是将有机质中的氧、硫、氮、磷等元素分离出来，而使碳、氢元素相对富集，所以说细菌的活动在有机质成油过程中起着重要的作用。

2)温度

随着沉积物埋藏深度的增加，温度也将随之增高，有机质在地热作用下形成烃类，随着温度的增高和时间的增加，烃类的产率也增高。在温度增高过程中所形成的产物成分也随着改变，在较高温度下轻烃的含量增加。如果温度不断升高，作用时间延长，热解的产物将是气态物质(主要是CH4)和碳质残渣。油气生成所需要的温度，随生油母质不同而有差异，已探明的油层多低于100℃，这也说明生油过程不需要特高的高温条件。

3)压力

沉积物埋藏的深度随着地壳下降而不断加深，上覆地层厚度不断增大，温度、压力也随着升高。压力升高可以促进有机质向石油转化，促进加氢作用，使高分子烃变成低分子烃，使不饱和烃变成饱和烃。

4)催化剂

催化剂的存在能加速有机质的转化，例如，在150~2000℃温度下，用硅酸铝作催化剂，可以使脂肪、氨基酸以及其他类脂肪化合物产生烃类化合物；当用膨润土作催化剂时加热到200℃，则会产生烃类。沉积岩中黏土矿物分布广泛，是天然的催化剂。

上述各种因素在有机物质分解和烃类的生成作用中，都在不同程度地起作用。总之，油气生成的过程，就是有机质逐渐演化的过程，也是一个极其复杂的过程，是漫长地质时期综合作用的结果。有机质向油、气转化的过程

有机质向油气转化的过程，是在地壳不断下沉，上覆沉积物不断加厚的地质背景下发生的。由于这个过程非常复杂，因此对有机质转化为石油的某些机理还不十分清楚。因此，对生油的整个过程只能有一个最基本的了解。据目前国内外研究，可把有机质转化过程大致分为三个阶段，即初期生油阶段、主要生油阶段、热裂解生气阶段。

初期生油阶段

初期生油阶段也称为生物化学改造阶段，有机质被上覆沉积物覆盖后就开始发生生物化学变化。由于沉积物埋藏不深时，细菌比较发育，有机质主要是在厌氧细菌的作用下发生分解，生成大量气态物质，如气态烃、二氧化碳(CO2)、氮气(N2)等。有机质经过生物化学分解作用后，在氧、硫、氮等元素不稳定成分大量脱除的同时，氢和脂肪酸、蜡质和树脂等稳定组分相对富集并缩合在一起形成复杂的高分子固态化合物，称为干酪根。这种干酪根具备了一定的组成和结构特征，自然成为成熟的干酪根。从生物遗体的堆积到成熟干酪根的形成是在还原环境中，随着深度不断增加的情况下进行的。后期由于温度、压力和催化剂等因素开始产生影响，可生成一定数量的液态烃类，其中包括少量从有机质继承下来的液态烃类。

主要生油阶段

主要生油阶段也称为有机质热催化阶段。在生物化学改造阶段之后，随着埋藏深度的增加，温度和压力不断增高，细菌活动逐渐减弱，进入地热主导作用阶段，主要是干酪根在温度、压力作用下发生热催化降解和聚合加氢等作用生成烃类，不仅有气态烃，而且有大量的液态烃，因此称为主要生油阶段。干酪根转化为石油的反应,主要是通过断键来完成的，首先断开的是C一杂原子键，接着是C—C键，随着地温的增高，反应速度明显加快，生成的石油烃类轻质成分逐渐增加。此阶段的生油作用开始是逐渐的，后来比较迅速，随着演化的发展，氧、硫、氮等元素减少，原油的密度或相对密度、黏度降低，胶质、沥青质不断减少，轻质馏分增加，原油的性质变好。

3.热裂解生气阶段

随着沉积物埋藏深度的进一步加深，有机质经受着更高的温度和压力的作用，发生深度裂解，液态烃类大量减少，而气态烃类急剧增加，因此称为热裂解生气阶段。若深度和温度继续增加，最终的产物将是气态烃的甲烷和碳质残余—固态石墨，使液态石油完全消失。

有机质转化为石油是一个连续的过程，各阶段之间并没有绝对的界限。

在不同地区，由于地温梯度等条件的不同，三个阶段对应的深度和温度也有差别。目前认为：第一阶段的深度范围大致在1500m以内，温度低于生油门限温度；第二阶段深度范围大致在1500~3500m之间，温度60~150℃；第三阶段深度更大,温度更高。课后测试（16题）一、选择题：1.原始有机质的堆积环境必须是（

）环境。A.生油

B.氧化

C.储油

D.还原

2.细菌按其习性可分为喜氧细菌、厌氧细菌及（

）细菌。A.氧化

B.通性

C.有机

D.无机3.有机质开始大量转化为（

）的温度称为门限温度或成熟温度。A.石油

B.油水

C.油气水

D.油气4.压力升高可以促进（

）向石油的转化。A.有机质

B.无机质

C.有机物

D.无机物5.油气生成所需要的（

），随生油母质不同而有差异。A.湿度

B.温度

C.细菌

D.压力6.在还原环境里，（

）能分解沉积物中的有机质，而产生沥青质。A.蛋白质

B.氨基酸

C.温度

D.细菌

7.主要生油阶段是（

）在温度、压力作用下发生热催化降解和聚合加氢等作用生成烃类。A.干酪根

B.细菌

C.轻质烃

D.重质烃8.有机质向油气转化的过程可分为初期生油阶段、（

）阶段和热裂解生气阶段。A.主要生油

B.主要生气

C.中期生气

D.