【石油地质学】05-第四章-石油与天然气的生成与烃源岩

第四章石油与天然气的生成与烃源岩第四章石油与天然气的生成与烃源岩第一节油气成因理论发展概况第二节油气生成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五节天然气成因类型及判识第六节烃源岩第七节油源对比第一节油气成因理论发展概况无机成因说有机成因说早期学说晚期学说现代油气成因理论唯海相生油一、无机成因说（inorganictheory）1.碳化物说：地球内部水与重金属碳化物相互作用：

3FemCn+4mH2O→mFe3O4+C3nH8m2.宇宙说：由碳、氢合成碳氢化合物是出现在天体发展的早期阶段，例如在温度≤1000℃时，甲烷可按下列方式生成：CO+3H2CH4+H2OCO2+4H2CH4+2H2O3.岩浆说（门捷列夫，1876）（索可洛夫，1889）（库得梁采夫，1949）基性岩浆冷却时碳氢化合物合成4.高温生成说（切克留克，1971）H2O+CO2nC1-nC6FeO、Fe3O41500K,5000Mpa无机学说在中国《论石油的无机成因》，张景廉等，2001，石油工业出版社张景廉，西北地质研究所；发表无机成因说相关论文数十篇。中国科学院广州地球化学研究所一些学者，如：翁克难，肖万生，张惠之，汪本善等：1996：在金刚石压腔（ＤＡＣ，温度为800-1500℃，压力略大于1GPa）中进行了石墨和菱铁矿分别与超临界水反应发现其中均有大量的甲烷生成，并伴有CO2和CO；此外还有少量其它烃类。提出在地球深部高温高压条件下，含碳物质与超临界水反应可能是一种新的、重要的成烃机制全面认识无机成烃理论意义与实际价值缺陷：无法解释自然界油气分布特点无机成因气的存在二、有机成因说（organictheoryorhypothesis）1.支持石油有机成因的一些事实（1）世界上绝大部分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地质年代表＊古近纪新近纪据统计，自寒武纪以来的6亿年中，古生代拥有已知石油的11%，天然气的20%，而中新生代却有已知石油的89%，天然气的72%。(3)含油气层位总与富含有机质的层位有依存关系，而不像无机的内生矿床那样与火成岩和变质岩有关；(4)油气的元素组成包括微量元素组成都与有机物质和有机矿床相近；

物质名称C%H%S+N+O%石油淡水泥质沉积物中的有机质浮游生物84.3276.744.213.5811.38.62.102.047.2（5）石油和煤的灰分具有相似性（6）油层温度一般不超过150℃（8）近代沉积物中的可溶有机质与石油类似,,现代化的测试分析技术可从现代和古代沉积物中鉴定出各种油气中的烃类。

（9）实验室加热有机质可以生成石油（7）石油中存在很多生物标志化合物；存在旋光性

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、有机成因学说概况（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）油气有机成因的新进展未熟-低熟油(早期成因的石油)煤成油(集中有机质生油)第二节油气生成的物质基础

？干酪根生物物质油气物质名称C%H%S+N+O%石油淡水泥质沉积物中的有机质浮游生物84.3276.744.213.5811.38.62.102.047.2一、生烃原始有机物质的化学组成油气形成的原始有机质：细菌、浮游植物、浮游动物和高等植物由下列四类生物化学聚合物构成类脂化合物蛋白质碳水化合物木质素浮游植物、细菌和高等植物：数量上最重要；浮游动物(如有孔虫、放射虫、挠足类)和底栖生物：一定贡献；高等动物(如鱼类)：微不足道的原始生物的类型一、生烃原始有机物质的化学组成1.类脂化合物（Lipids）分布在动物的皮下组织，植物的孢子、种子及果实脂肪酸、高级脂肪酸蜡、醇类、甾类和萜类化合物脂肪酸去羧基加氢可以形成烃类一、生烃原始有机物质的化学组成是生物体维持生命活动不可缺少的物质之一。2.蛋白质(Protein)

生物体中一切组织的基本组成部分，是生物体赖以生存的物质基础。占生物体细胞除水外的80%。含氮化合物，由20多种氨基酸构成。容易水解形成氨基酸

3.碳水化合物(carbohydrate):又称糖类，是自然界分布极广，是一切生物体中重要组成之一。Cx（H2O）y醣或糖类4.木质素(Lignin):都具有芳香结构特征。是植物细胞壁的主要成分。高等植物具有芳香结构主要出现在高等植物中成煤的重要有机组分不易水解，可被氧化为芳香酸和脂肪酸二、干酪根生物遗体在还原条件下保存于沉积物中，经过一系列生物化学分解、水解于缩聚反应形成的复杂有机物质。生物物质（脂肪、蛋白质、碳水化合物和木质素）缩聚作用高分子的腐植酸类地质聚合物缩聚作用细菌分解水解脂肪酸、氨基酸、糖，酚等生物化学单体CH4、CO2、NH3、H2S、H2O1.形成过程2.干酪根的成分和结构是一种高分子聚合物，没有固定的化学成分，主要由C、H、O和少量S、N组成，没有固定的分子式和结构。

元素组成（质量百分数）CHSNO碳水化合物446－－50木质素6350.10.331.6蛋白质53711722脂

类7612－－12干酪根796528生物有机质向地质构型有机质干酪根转化：去氧、富集碳、加硫（乏氧还原环境）①三维网状系统③链状桥交联构成核，含有多个核②脂肪族链状结构和环状结构甚多④核被桥键和官能团连接美国绿河页岩干酪根B.P.Tissot等（1978）结构复杂，没有固定的分子式和结构模型黄县褐煤干酪根结构（秦匡宗等，1990）干酪根结构属于三维网状系统，具有多个芳香结构的核，这些核被链状桥、键和各种官能团连接起来，核上连接着数量不等的具有脂肪族结构的支链。3.干酪根的定义(1)J.M.Hunt（1979）: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分散有机质不溶于一般有机溶剂的沉积有机质(2)Durand（1980）:两个定义的区别：是否包括现代沉积物中的有机质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。包括沉积岩中的分散有机质，也包括煤中的有机质。岩石中有机质的构成总有机质可溶有机质总的岩石矿物分散有机质<10%wt.总的岩石矿物富集型有机质-煤>40%wt4.干酪根类型干酪根类型划分的方法显微组分鉴定干酪根元素分析干酪根的分离重液分离除去可溶有机质除去碳酸盐矿物除去硅铝酸盐矿物除去黄铁矿等重矿岩石粉碎抽提盐酸溶解氟氢酸溶解4.干酪根的类型在显微镜透射光下观测干酪根的构成藻质无定形草质木质煤质干酪根的显微组分鉴定絮状或团块状、薄膜状4、干酪根的类型(1)按干酪根的显微组分分类惰质组：腐泥组：镜质组：壳质组：①显微组分类型无定形体藻类体包括无定形体和藻类体，富氢组分腐泥组：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，富氢组分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。是富氧组分。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，富含氧②类型划分Ⅰ型：主要由腐泥组构成Ⅱ型：主要由壳质组构成Ⅲ型：主要由惰质组、丝质组构成4、干酪根的类型(1)按干酪根的显微组分分类Ⅰ型干酪根根据干酪根的显微组成划分类型Ⅱ型干酪根Ⅱ型干酪根Ⅲ型干酪根根据干酪根的显微组成划分类型4.干酪根的类型(1)按干酪根的显微组分分类（2）划分方法（定量计算）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4.干酪根的类型(2)干酪根类型的元素组成分类根据成分(C、H、O元素组成)对干酪根分为三种类型：范·克雷维伦（D.W.VanKrevelen）图解I型干酪根Ⅱ型干酪根Ⅲ型干酪根原始H/C1.25-1.750.65-1.250.46-0.93原始O/C：0.026-0.120.04-0.130.05-0.30不同干酪根的元素组成实例4.干酪根的类型范·克雷维伦（D.W.VanKrevelen）图解（1）Ⅰ型干酪根(TypeⅠ)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很少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4.干酪根的类型范·克雷维伦（D.W.VanKrevelen）图解（2）Ⅱ型干酪根(TypeⅡ)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4.干酪根的类型范·克雷维伦（D.W.VanKrevelen）图解（3）Ⅲ型干酪根(TypeⅢ)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4.干酪根的类型干酪根类型的其他划分方案：四分法和五分法五分法：Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2四分法：Ⅰ、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅲ5.干酪根的形成和演化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）(1)干酪根的形成蛋白质碳水化合物类脂化合物木质素(2）干酪根的演化干酪根热演化实验室模拟结果干酪根的热失重和反射率的变化干酪根元素组成的变化红外光谱反映的干酪根结构变化5.干酪根的形成和演化不同干酪根热演化与演化的阶段性随温度增加，干酪根H/C和O/C降低，碳不断富集；芳烃结构不断缩合；烷烃结构减少(2)干酪根的演化①成岩作用阶段

Diagenisis

氧的消耗②退化作用阶段

Catagenesis

氢的消耗③变生作用阶段（交替作用阶段）

Metagenesis

碳高度富集3）干酪根演化与干酪根数量和生成物的变化随演化程度增加，干酪根数量越来越少，形成油气的数量则越来越多。早中期主要形成油，晚期主要形成气相当于埋深增加5.干酪根的形成和演化（据D.W.Waples，1985，修改）沉积物和沉积岩中有机质的转化(4）干酪根演化程度的确定5、干酪根形成与演化演化程度：演化程度又称成熟程度，简称成熟度(maturity)指干酪根结构变化程度，反映干酪根生成油气的程度，分五种演化程度：不成熟/未成熟、低成熟、成熟、高成熟、过成熟与温度、持续受热时间有关有多种表示干酪根成熟度的方法/参数，常用2种：（1）干酪根的颜色（2）镜质组反射率(4）干酪根演化程度的确定①干酪根的颜色随干酪根演化程度的增加，其颜色会逐渐变暗；由黄色、淡褐色、褐色向暗褐色、深暗褐色、黑色改变干酪根颜色与干酪根的H/C-O/C原子比有一定的对应关系干酪根成熟度的表达方法/参数，(4）干酪根演化程度的确定①干酪根的颜色(4）干酪根演化程度的确定②镜质体反射率（vitrinitereflectance）在显微镜下用放大25-50倍的油浸物镜，在反射光下测定镜质组的反射率。记:Ro反射率：指光线垂直入射时，反射光强度与入射光强度的百分比。单位：%镜质体反射率的变化特点镜质体反射率随演化程度增加而增加Ro具不可逆性。Ro是温度和有效受热时间的函数在连续沉积剖面中，镜质体反射率的对数值与深度呈线性关系镜质体反射率的对数值与深度呈线性关系干酪根演化程度的反射率界限①未成熟(immature)②成熟(mature)③高成熟(high-mature)④过成熟(over-mature)Ro<0.5%Ro=0.5%-1.2%Ro=1.2%-2.0%Ro>2.0%干酪根的结构干酪根的结构特点：芳香结构的核、脂肪族链状结构的支链、连接核与支链的桥和键化学键的断裂主要受温度和时间的控制，可以用化学动力学的一级反应来描述干酪根生油的化学实质：桥、键断裂，支链和侧链从核上脱落的过程第三节干酪根生油气的动力学条件第三节干酪根生油气的动力学条件实验室热模拟表明，不仅温度对干酪根演化有作用，加温持续时间对干酪根生烃过程（反应）也有明显作用。干酪根生烃过程符合化学反应动力学一级反应定律随温度增加，干酪根H/C和O/C降低，碳不断富集；芳烃结构不断缩合；烷烃结构减少一、一级反应动力学及温度、时间的作用一级反应(Firstorderreaction):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：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（2）反应速度常数k可用阿伦纽斯方程描述代表单位时间单位容积内粒子碰撞的次数，它与容积内粒子的大小、浓度及运动快慢有关。代表欲使化学反应发生，必须由粒子碰撞提供的最低能量℃+273℃8.3144J/mol·kC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）式积分，得：（1）对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反应程度与温度呈指数关系，与时间呈线性关系分析（3）式可以得到两个重要结论：温度的倒数（1/T）与时间的对数（lnt）具有线性关系对两边取对数，得：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）2.生油门限和成熟点在干酪根热降解生烃反应条件中，温度是决定性的。时间的作用是有条件的，只有温度达到一定时，时间才起作用。注意：实际地质资料同样证明：温度与时间的互补性①温度的影响呈指数关系，时间的影响呈线性关系②温度和时间的作用是相互补偿的；年代较新，门限温度则较高。②时代越新，门限温度越高②时代越新，门限温度越高二、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CH3COO－+H+CH4+CO2产甲烷菌CO2和乙酸来源：细菌对有机质的分解1.乙酸发酵2.二氧化碳还原CO2+3H2CH4+H2O辅酶M第三节干酪根生油气的动力学条件三、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.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：第三节干酪根生油气的动力学条件1.有机酵母催化剂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。热源第四节有机质的演化与生烃模式一、有机质演化阶段的划分干酪根的演化①成岩作用阶段主要表现为氧的消耗②退化作用阶段主要表现为氢消耗③变生（交替）作用阶段碳高度富集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.根据有机质成熟度进划分成熟度(maturity):在温度的作用下有机质的热演化程度镜质体反射率Ro：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)未成熟阶段成熟阶段高成熟阶段过成熟阶段一、有机质演化阶段的划分生物化学生气阶段热催化生油气阶段热裂解生凝析气阶段深部高温生气阶段未成熟成熟高成熟过成熟有机质向油气转化模式未熟-低熟油成熟油凝析气甲烷二、有机质演化的基本特征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：生物甲烷气、CO2、H2O，干酪根，少量高分子液态烃——未熟油.生物降解作用（形成生物化学单体）;

生物聚合作用（形成地质聚合物）；厌氧细菌作用（形成气体（CH4)）。生物化学单体沉积有机质被选择性分解，转化为分子量更低的生物化学单体(如苯酚、氨基酸、单醣、脂肪酸等等)，部分有机质被完全分解成CO2、NH3和H2O等简单分子。生物CH4气；厌氧细菌还原小分子的乙酸、CO2,形成生物CH4气；未熟-低熟油。后期，在特定的生源构成和适宜环境条件下可生成一定数量的未熟-低熟油。干酪根沉积有机质大部分转化成干酪根生物化学作用阶段所形成的产物未熟油低熟油成熟油未熟-低熟油气特点未熟-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。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。Δ未熟-低熟油未熟-低熟油气特点定义:非干酪根晚期热降解生成的油形成条件：RO0.3%-0.7%,特殊的有机质,包括:树脂体、木栓质体、藻类、类脂物、富硫有机质细菌改造过的陆源有机质地球化学特征：在正烷烃C22—C34范围内有明显的奇数碳优势；富含高分子量饱和烃环烷烃中1-6环均有，但四环分子显畸峰；芳香烃亦以高分子量化合物为主，显示萘和多核芳香烃双峰。有时杂原子化合物较多。物理性质：密度有轻、有重。二、有机质演化的基本特征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：热降解作用热催化作用③产物：液态石油和伴生气（石油伴生气）生成的石油的特点：正烷烃奇碳优势消失，环烷烃和芳香烃的碳数减少生油的主要阶段巴黎盆地下托尔阶页岩II型干酪根演化的红外光谱特征温度作用为主，干酪根化学键断裂支链从核上断裂，主要为C-H、C=O键，形成烃类干酪根中脂肪链状结构减少，芳香结构相对含量增加催化剂粘土矿物对有机组分具有不同的吸附性能脂肪酸、沥青质、非烃集中在内部，烃类在外部，依次为芳香烃、环烷烃和正构烷烃随埋深增加干酪根由不成熟到成熟，石油组成的变化（实例）与热催化生油气阶段有关的几个概念1.生油门限和成熟点（前面已讲）2.生油窗“生油窗”：地下液态石油形成的深度范围干酪根生液态石油的主要时期所对应的温度范围或深度范围。从生油门限开始到基本停止形成液态石油为止

Ro=0.5%-1.2%3.石油窗地下液态石油赋存的范围，即能够保持液态的范围。二、有机质演化的基本特征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℃③机理：热裂解作用，（C-C键的断裂）②产物：凝析油和湿气液态石油的裂解干酪根的裂解包括：热裂解生湿气作用包括：

干酪根裂解

液态油裂解石油裂解生湿气具重要地位凝析油的特点地面条件下为密度较小的液态油，密度小于0.8（0.78)；在地层温压下溶于气体，形成单一气态（地下为气藏）。成分相当于汽油，即35-190℃的馏分，由C6-C11构成主体在地下需要有大量小分子气态烃同时存在，地表状态气油比不小于600-800m3/m3凝析油与石油相比，其含有的杂质要少的多，可不经加工直接用于内燃机的燃料。二、有机质演化的基本特征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、固体沥青，次石墨二、有机质演化的基本特征小结：二、有机质演化的基本特征小结：湿气、凝析油三、不同有机质生烃（模式）的差异性1.不同有机质各阶段界限差异差别：生油门限生油高峰2、不同有机质生烃性质和数量的差异生液态烃的数量和油气的总量I和II型均高于III型三、不同有机质生烃（模式）的差异性3、煤的生烃问题煤是由多种类型有机质（不同显微组分）构成；生烃模式是其各组分的叠合结果，煤的类型不同，形成液态油和油气总量就不同煤具有早期生油特点生油能力取决于其脂质组和基质镜质体的含量三、不同有机质生烃（模式）的差异性四、生烃演化模式的意义预测盆地油气资源的类型未熟-低熟油资源正常成熟油资源凝析油和天然气资源干气资源上述各种或几种资源（1）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。五、应用有机质生烃模式的注意问题180Ma70Ma50Ma12Ma（2）一个盆地存在多套生油地层，其中干酪根可能分别处于不同的演化阶段五、应用有机质生烃模式的注意问题15002500300040005000未成熟阶段成熟阶段高成熟阶段过成熟阶段深度井RO（3）受盆地升降影响，可能出现不同演化阶段五、应用有机质生烃模式的注意问题基岩①对于只进入未成熟和成熟阶段的盆地可以找到生物气、未熟－低熟石油和正常的石油②在经过抬升的盆地中，可能只残留了成熟度较高的层系，寻找凝析油气和裂解干气③抬升再埋藏的盆地中，可能缺失中间的演化阶段2.01.3五、应用有机质生烃模式的注意问题（４）地层中的有机质在地质历史上可能经历了不同阶段五、应用有机质生烃模式的注意问题（５）受盆地升降历史影响，可能出现“二次生烃”过程二次生烃定义：干酪根在埋藏过程中，受到地层抬升和再沉降过程的影响，经历了地层抬升干酪根生烃过程停止，而地层再次沉降干酪根再次生烃的现象发生二次生烃过程的条件：不同埋藏史与生烃过程地质年龄埋藏深度再次沉降作用的干酪根埋深（温度）超过前期沉降时的埋深（温度）再次沉降之前，干酪根曾经达到过生烃门限前期的生烃过程干酪根没有全部转化成油气（６）在平面上，不同位置相同层位中的有机质可能处于不同演化阶段；也可能经历了不同的热演化历史

五、应用有机质生烃模式的注意问题生油门限深度a.同一构造单元内，埋藏深度/温度不同b.不同构造单元，埋藏过程不同，埋藏深度/温度经历不同小结①岩层中的有机质在地质历史上多经历了不同热演化阶段③盆地不同部位同一层位的有机质可以处于不同的演化阶段②同一盆地不同层位的有机质经历的演化阶段是不相同的④盆地有机质的演化特征决定盆地的油气资源类型第五节天然气成因类型及判识一、天然气的生成特点1.生气物质的多元性原始有机质:未成干酪根之前,细菌分解,沼气各种类型的干酪根:I、II、III

煤：煤层瓦斯可溶有机质：热解和裂解生气液态烃：高温裂解无机物质：比如CaCO3分解成CO2，

CO2细菌下还原成CH4第五节天然气成因类型及判识2.成气机理的多样性：微生物生物化学作用(有机质分解、CO2还原）热降解热裂解无机化学反应：CaCO3分解成CO2

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4.天然气和石油形成条件的对比第五节天然气成因类型及判识二、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.混合成因气无机成因气宇宙气、幔源气、岩浆岩气、变质岩气、无机盐类分解气有机成因气

热成熟度母质类型未熟阶段成熟阶段过熟阶段腐泥型天然气（油型气）生物气腐泥型生物气（油型生物气）热解气油型热解气原油伴生气裂解气腐泥型裂解气（油型裂解气）凝析油伴生气腐殖型天然气（煤型气）腐殖型生物气（煤型生物气）煤型热解气

成熟气凝析油气腐殖型裂解气（煤型裂解气）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2.有机成因气（oganicgas）泛指沉积有机质所形成的天然气，包括分散或集中有机质（煤、储层中的油）形成的天然气(1)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）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热降解气（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、油型气三、主要类型天然气的基本特征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%，重烃含量低（<2%)，干燥系数高,干气富集轻的碳同位素，δ13C1<-55‰富含有机质的开阔海沉积物微生物代谢作用的生化环境剖面图(据Rice&Claypool,1981)地区或气田储层时代深度(m)C1(%)C2+(%)CO2(%)N2(%)δ13C1(‰)中国长江三角洲第四纪8～35.590.62～94.610.11～0.891.85～4.041.47～3.35-73.6青海柴达木涩北第四纪79.4～114198.940.09/0.97-66.4吉林红岗白垩纪370～39093.630.210.442(包括H2S)5.63-56.3俄罗斯乌连戈伊白垩纪1117～112898.500.100.211.10-59.0俄罗斯麦德维热白垩纪1122～113298.600.360.220.73-58.3美国基奈上新-中新世112899.700.18//-57.0美国库克湾北上新-中新世128098.700.230.1340.9-60.7世界部分地区生物化学气的组成(据包茨,1984)3.油型气概念:指Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根进入成熟阶段以后所形成的天然气包括:生油过程形成的湿气、高成熟和过成熟阶段由干酪根和液态石油裂解形成的凝析油伴生气和裂解干气分类:原油伴生气和凝析油伴生气、裂解气（过成熟阶段生成的气）

油田或油区天然气组成主要参数δ13C1

(‰,PDB)CH4重烃气C1/C2+C1/∑C大庆油田(石油伴生气)53.9～95.612.64～38.511.40～36.220.58～0.975-37.72～-49.97东濮凹陷(凝析油伴生气)71.04～87.4310.63～26.913.21～20.30.75～0.96-38.9～-45.1板桥凝析气田82.8816.295.420.844川东相国寺气田(热裂解干气)98.150.89110.30.991-33.55（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%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.煤型气概念:指腐殖型有机质（Ⅱ2型、III型干酪根和煤）进入成熟阶段以后所形成的天然气煤层气：指主要以吸附状态存在于煤层中的煤型气组成：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‰气田名称

产层时代

气源层时代天然气组成(%)δ13C资料来源C1C2+N2CO2(‰,)格罗宁根拉策尔达卢姆P1P1P1C2C2C281.289.986.063.486.100.4414.40.87-36.6-29.2-22.0～-25.4Stahl，1977圣胡安KK-42.0转引自Stahl,1983库珀盆地图拉奇9号木姆巴9号P1P1P1P166.0271.760.6711.6233.2714.40-28.8-36.3Rigby,1981东濮文留22井E2C-P96.352.35-27.9朱家蔚等，1983陕甘宁刘庆1井任4井P1xP1xC-P95.092.520.646.974.130.490.01-30.47王少昌，1983

四川中坝4井四川中坝7井T3XT3XT3XT3X90.887.338.2012.230.170.410.400.03-34.8-35.9～-36.0陈文正,1982国内外若干煤型气组成特点第五节天然气成因类型及判识三、不同成因类型天然气的鉴别1.有机气与无机气的鉴别无机气的特点：富含重碳同位素13CCH4含量低，以CO2为主(2)除一些高过成熟的煤型气外，

δ13C1>-30‰的CH4均为无机甲烷(1)δ13C1>-10‰的CH4均是无机甲烷无机气的碳同位素值δ13C1最大，δ13C1>-30‰生物气的碳同位素值δ13C1最小，δ13C1<55‰油型气和煤型气的值δ13C1介于中间(2)除一些高过成熟的煤型气外，

δ13C1>-30‰的CH4均为无机甲烷(1)δ13C1>-10‰的CH4均是无机甲烷1.有机气与无机气的鉴别δ13C1>-30‰的煤型气:如何排除这一部分δ13C1>-30‰的煤型气①地质分析法：煤型气与煤系伴生，无机气产于地热区②δ13C1-CH4含量图解法：CH4>35%通常为煤型气CH4<16%通常为无机气(3)有机气的烷烃碳同位素系列随碳数增加而变重，无机气则相反有机烷烃气：δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4无机烷烃气：δ13C1>δ13C2>δ13C3东海天外天构造天1井无机气δ13C1=-17‰；δ13C2=-22‰：δ13C3=-29‰（4）无机成因气的δ13CCO2〉-10‰我国有机与无机成因天然气的二氧化碳碳同位素我国有机与无机成因天然气的二氧化碳碳同位素2.生物气与油型气的鉴别（1）生物气δ13C1<-55‰（2）生物气CH4含量高，干气（3）生物气不与油共生，伴生气与油共生。3.油型气与煤型气的鉴别（1）δ13C1-Ro关系Stahl的回归公式煤型气：δ13C1=14lgRo-28油型气：δ13C1=17lgRo-42①不论油型气，还是煤型气，其δ13C1均随源岩Ro值的增大而增大，即天然气的成熟度越高，越富集重的碳同位素②在相同的源岩热演化程度下，煤型气的δ13C1值较油型气的δ13C1值大，即煤型气较油型气更富集重碳同位素戴金星(1985)油型气：δ13C1=15.8lgRo-42.0煤型气：δ13C1=14.12lgRo-34.39主要类型天然气的组成和碳同位素特征4.天然气成因类型鉴别图版(1)δ13C1-δ13Cco2分类图版（据ГуцаΛо，1981）第Ｉ区:无机成因气区第II区:生物化学气区第III区:有机质热裂解气区4.天然气成因类型鉴别图版(2)δ13C1-RO分类图版Stahl的回归公式煤型气：δ13C1=14lgRo-28油型气：δ13C1=17lgRo-42戴金星(1985)油型气：δ13C1=15.8lgRo-42.0煤型气：δ13C1=14.12lgRo-34.394.天然气成因类型鉴别图版(3)δ13C1-C1/C2+3分类图版生物气原油伴生气油型裂解气无机气无机气和煤成气煤成气凝析油伴生气和煤成气油型裂解气和生物气δ13C1,‰C1/C2+3第六节烃源岩一、烃源岩（sourcerock）的概念：①烃源岩（sourcerock）：富含有机质,在地质历史时期或正在生成油气，并能排出油气的岩石称为烃源岩。（油源岩，气源岩）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。第六节烃源岩二、烃源岩类型和地质特征1．烃源岩的类型和岩性一般岩性特征：粒细、色暗、富含有机质和微体古生物化石、常含分散状的黄铁矿(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、渤海湾盆下第三系(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3.烃源岩形成的大地构造背景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≈沉积速率只有补偿型盆地有利于烃源岩的形成三、烃源岩的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）常用于表示丰度的参数：有机碳含量氯仿沥青“A”含量，抽提物中总烃含量岩石的生烃潜力（1）有机碳含量(TOC)(TotalOrganicCarbonContent）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有机碳含量与有机质含量之间的关系:1.22倍单位：%，占岩石的重量百分比(H.M.Gehmen,1962)不同岩性中的有机碳含量不同泥岩平均：1.14%（Gehmen，1962)；1.2％(Hunt,1961)碳酸盐岩：0.24%（Gehmen，1962)；0.17％(Hunt,1961)为什么泥岩的有机碳含量高于石灰岩的有机碳的含量？①泥质烃源岩评价标准等级TOC(%)非烃源岩<0.5差烃源岩0.5-1.0中等烃源岩1.0-2.0好烃源岩>2.0渤海湾盆地的沙三段(下第三系渐新统)：1-3%松辽盆地青山口组，嫩江组(下白垩系)：2.2%-2.4%苏北盆地阜宁组四段，二段(第三系渐新统)：1.2%-1.6%泌阳凹陷核桃园组(下第三系)1.66%②碳酸盐岩烃源岩评价标准碳酸盐岩的有机碳平均含量比泥岩低得多一般，碳酸盐岩作为油源岩：TOC>0.5%

碳酸盐岩作为气源岩：(TOC>0.2%)有机碳含量评价标准咸湖-半咸化环境可降低评价标准注意：烃源岩中的有机碳分布（纵向、横向）存在非均质性②碳酸盐层系中，泥灰岩、泥质灰岩、灰岩中的泥质条带，缝合线中有机碳丰度相对较高③有机碳含量平面上有变化①页岩韵律层(季节变化、水提深度变化）影响有机质丰度满东1英南2（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等级“A”(%)总烃(ppm)非烃源岩<0.01<100差烃源岩0.01-0.05100-200中等烃源岩0.05-0.1200-500好烃源岩>0.1>500烃源岩评价标准(3)岩石热解生烃潜量P1峰：热解温度小于300℃时出现的峰，S1。岩石中的残留烃。单位：kg（烃）/t（岩石）P2峰：热解温度在300-500℃时出现的峰，S2。岩石中的干酪根在热解过程中生成的烃。单位：kg（烃）/t（岩石）P3峰：S3，热解过程中生成的CO2生烃潜量：Pg=S1+S2等级TOC(%)“A”(%)总烃(ppm)Pg(kg/t)非烃源岩<0.5<0.01<100<0.5差烃源岩0.5-1.00.01-0.05100-2000.5-2.0中等烃源岩1.0-2.00.05-0.1200-5002.0-6.0好烃源岩>2.0>0.1>500>6.0泥岩源岩的岩石热解评价标准生烃潜量？渤海湾盆地的沙三段(下第三系渐新统)：1-3%松辽盆地青山口组，嫩江组(下白垩系)：2.2%-2.4%苏北盆地阜宁组四段，二段(第三系渐新统)：1.2%-1.6%泌阳凹陷核桃园组(下第三系)1.66%三、烃源岩的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2.有机质类型(1)干酪根方面①元素分析方法（已讲）②显微组分分析方法（已讲）可从干酪根、烃源岩两个方面③岩石热解方法（2）源岩方面(3)岩石热解方法烃指数：IHC=S1/TOC氢指数：IH=S2/TOC氧指数：IO=S3/TOC3.有机质的成熟度（maturityoforganicmatter）（1）运用镜质体反射率研究源岩成熟度研究途径：不溶有机质（干酪根）可溶有机质（抽提物）烃源岩（2）依据可溶有机质的组成研究源岩成熟度可抽提有机质的数量“A”/TOC、“HC”/TOC正构烷烃分布OEP、CPI、主峰碳、C21-/C22+生物标志化合物主要包括三个方面的参数①可抽提有机质的数量

“A”/TOC、“HC”/TOC②正烷烃分布特征（低演化程度）奇数碳优势锯齿状主峰碳偏大碳数（高演化程度）奇偶碳均势平滑状分布主峰碳偏轻碳数奇偶优势比（Odd-EvenPredominance）③正烷烃奇偶优势参数碳优势指数（CarbonPreferenceIndex）C24到C34的奇数碳烃类与偶数碳烃类的含量进行比值计算主峰碳前后（连同主峰碳）相邻的5个正烷烃奇数碳与偶数碳烃含量的比值CPIOEP近代沉积物5.5-2.45.5-2.5古代沉积岩2.4-0.92.5-1.0原油1.2-0.9<1.2烃源岩成熟的CPI和OEP标准烃源岩可溶有机质的CPI或OEP值小于1.2不同演化程度烃源岩抽提物与原油的比较④甾烷、萜烷异构化比值甾族化合物是由三个六员环和一个五员环组成的四个环的化合物萜烷是有环异戊间二烯型的化合物最常见的是三萜烷和五萜烷C29甾烷：20S构型20R构型C31藿烷：22R构型22S构型异构体：构型构型三萜环烷烃(C31藿烷）C29甾烷（生物构型）（地质构型）随演化程度增加向地质构型改变只能用于区分未熟、低熟到成熟，不能用于判别高成熟或过成熟情况C29甾烷：C31藿烷：00.70(Ro=1.0%)00.55(Ro=0.8%)00.6(Ro=0.65%)甾、萜烷异构化成熟度指标加利福尼亚SantaMaria近海盆地油样中C29甾烷不对称中心的异构化作用的成熟度参数（K.E.Peters和J.M.Moldowan，1993）(3)岩石热解最高峰温(Tmax)（℃）岩石热解谱温度（4）TTI指数（Time-TemperatureIndex）油气生成阶段的TTI值与镜质体反射率对比（据D.W.Waples，1985）TTIRo%

阶段10.40树脂体生成凝析油30.50高硫干酪根生烃门651.001.302.00生油早期生油高峰生油晚期凝析气-湿气干气第七节油源对比油气源对比:通过原油及天然气与可能源岩之间有机母源输入成分的亲缘关系进行对比分析，判识和追溯石油和天然气的可能来源,搞清油气的来龙去脉.同源:

同一层位、同一洼陷同源不同期:

同一层位、同一洼陷、不同时期形成不同源:

不同位置同一层位同一位置不同层位不同位置不同层位一、油源对比1.油气源对比原理（相似性原则）①来自同一源岩的油气在化学组成上具有相似性②烃源岩所形成的油气无论运移或储存在哪里，其化学组成具有可比性；油气存在与其母质有成生联系的生物标志分子。油源岩油“A”油油油气2．油源对比参数的选择(1)油源对比指标选择的原则：①在烃源岩与石油中并存；②受运移、热变质作用影响较小或有规律可寻(2)常用的油源对比指标正构烷烃分布异戊间二稀烷烃甾、萜烷化合物碳同位素正构烷烃分布C18C16C14C12C10C8C20C22C24PhPr饱和烃气相色谱图4883.7~5128.8mP1-P2气相色谱将正构烷烃分离正烷烃分布曲线：将相对含量顶点连成一条曲线。time

◆气相色谱可对混合物进行多组分分离和定性、定量分析。◆色谱图是样品在检测器上产生的信号对时间所