第五章現代油氣成因理論

1、第五章 現代油氣成因理論本章重點：石油和天然氣的成因學說；有機成因早期成油說和晚期成油說；現代油氣成因理論新進展；未熟一低熟油形成；煤成烴機理及生烴模式；天然氣成因類型及特征。 第一節(jié) 油氣石油成因理論發(fā)展概況 石油、天然氣成因，作為找油、找氣工作的基礎，具有很重要的指導意義。 石油、天然氣只有生成后，才有運移、聚集、保存、破壞等石油地質事件發(fā)生，無油氣源一切都無意義。 對油氣成因，現已提出了多種假說，之所以出現各種假說，其復雜性在于： 1.物態(tài)上，油氣都是流體，易于流動，現找到它們的地方，往往并不是它們生成的場所，2.化學上，油氣通過運移，其性質、原始組分發(fā)生變化，現在組成，并不代表其原始面

2、貌；3.對油、氣同原始母質之間過渡形式短乏明確認識(儀器、設備、模擬條件有的無法達到)。 實際上，油氣生成不能脫離周圍地質條件，爭論的焦點是原始物質和轉化條件等問題。油氣成因基本歸為無機和有機兩大不同派別。 總結勘探、開采經驗，結合近代物理學、化學、生物學及地質學等基礎理論科學，為有機說提供了充分證據，且形成了相當完整的體系，從而被絕大多數人所接受。 有機成因理論形成后，爭論油氣是成巖早期或晚期形成的問題。通過大量研究，晚期成油說得到大部分人的擁護。 目前，特別是我國，基本是以有機成因晚期成油學說觀點進行石油地質學研究和勘探開發(fā)的?，F有人提出，成油的過程是多次的，即早期也有，晚期也有。應該說，

3、晚期是主要的。一、油氣無機成因說 石油工業(yè)發(fā)展早期，從純化學角度出發(fā)，認為石油是無機成因的。大致可歸為兩類：地深成因說，認為烴類形成于地球深處；宇宙成因說，認為烴類早在地球形成的宇宙階段即已形成。 主要依據是：1.實驗室中，從無機物中合成得到了烴類；2.天體光譜分析、有碳、氫和烴類；3.火山噴出氣體、巖漿巖的包裹體中含烴；4.隕石中鑒定出烴類；5.石油的旋光性，可由非旋光物質合成，卟啉也可無機合成(近期有人認為)。作為石油起源假說，主要有以下幾種：碳化說（門捷列夫，1876），即碳和鐵形成碳化鐵，與地殼深處熱水相遇生成碳氫化合物；宇宙說(索科洛夫,1889) 認為碳氫化合物早期宇宙固有的，與后

4、期條件關系不大 ；巖漿說（庫特梁采夫1951）認為地球深部巖漿存在碳、氫及微量元素，巖漿冷卻時形成烴類； 高溫高壓說（切卡留克1971）認為深部生成烴類，沿斷裂進入沉積巖；蛇紋巖化說(耶蘭斯基,1966)，提出蛇紋石化可形成烴類； 根據這些學說，尋找油氣應在地殼深處，巖漿活動、巖漿巖發(fā)育的地方。實踐中，無機學說無法解釋許多問題：1.遠離油氣地質實際(99.9%的油氣與沉積巖有關)。2.難以說明實驗室和深部無機合成的簡單烴與石油組成復雜性之間關系。3.石油中普遍存在生物成因信息，如姥姣烷、植烷、甾烷等，石油也不能在高溫下保存等。 反之，用有機成因觀點來解釋，則比較合反之，用有機成因觀點來解釋，則

5、比較合理一些。理一些。二、油氣有機成因說 主張油氣有機成因說的學者認為，油氣是地質時期中生物選擇在適當條件下生成的。干餾說(羅蒙諾索夫，1763)煤在地下受熱、干鎦生烴。動物說(E.Engler，1869)實驗證明動物脂肪可合成烴類?；斐烧f(波東尼，1906)動、植物先生成腐泥巖、再形成 石油，使有機成油說成為較完整的學說。 五十年代，P.V史密斯，G.T菲力普等研究取得了寶貴成果，證實為有機質生成油、氣。 油氣有機成因理論又分為兩類：1. 富有機質層烴源巖層成烴（機理）富有機質層烴源巖層成烴（機理） 地質學新觀念認為，突然沉積過程含有地質學新觀念認為，突然沉積過程含有“能量能量”比比正常沉積

6、過程大幾個數量級，而且瞬間發(fā)生所造成的正常沉積過程大幾個數量級，而且瞬間發(fā)生所造成的沉積現象，往往用正常沉積作用無法解釋，如濁積巖沉積現象，往往用正常沉積作用無法解釋，如濁積巖的形成，火山爆發(fā)等（如準噶爾盆地風城組）。的形成，火山爆發(fā)等（如準噶爾盆地風城組）。即即油油氣田的形成可能與多次的突發(fā)事件有關。氣田的形成可能與多次的突發(fā)事件有關。2.分散分散有機質層烴源巖層成烴（機理）有機質層烴源巖層成烴（機理）三、油氣有機成因證據（主要有以下幾點）：1.世界99.9%以上石油都產自沉積巖，而在大片火成巖、變質巖出露地區(qū)，沒有工業(yè)石油；2.石油在地殼上的出現，與地史上生物的發(fā)育和興衰密切相關，具有一致

7、性；3.在油氣田剖面中，含油氣層位總與富含有機質層位有依存關系；4.灰?guī)r晶洞和介殼及封閉的砂巖透鏡體中油氣只能源于沉積有機質；5.石油中檢測出各類生物標記化合物，其碳骨架僅為生物體所特有；6.油氣元素組成與有機物質相近；7.石油及大多數天然氣的碳同位素組成與生物物質的碳同位素組成接近；8.石油普遍具有旋光性，只有從生物才能獲得這種物質；9.模擬表明，從多種有機質中可得到油氣的烴類產物；10.古代、現代沉積物中檢測出類似油氣中的烴類。四、有機成因早期成油說 有機成油理論形成后，進一步爭論逐漸轉為石油是成巖早期、還是成巖晚期生成的問題。（理由主要有）：1.在近代海洋湖泊沉積物中發(fā)現了有機物質的烴類

8、轉化的過程；2.在實驗室用細菌作用于有機質(脂肪、蛋白質、碳水化合物等)得到了比甲烷重的烴類；3.研究發(fā)現，微生物的活動隨埋藏深度增加迅速減弱以至停止。因此，提出某些細菌是有機質加氫去羧基轉變?yōu)轭愂偷拿浇?(這一過程，只能在埋藏不深的成巖作用早期進行)。4.認為石油形成后是呈徽點滴狀的，其運移是以溶解在水中的方式進行運移的(這要求巖層孔隙大、喉道粗，且生油巖大量的水尚未排出)。 （上述條件只能在成巖早期具備，且油氣是在排水過程中，把石油運移到儲層中去的） 前后經歷了將近半個世紀的努力，早期成油說理論逐步形成。早期成油說可概括為下列幾點：1.石油和天然氣是由分散在沉積巖中的分散有機質形成的；2

9、.脂肪、蛋白質和碳水化合物是主要生油母質。有機質從沉積作用完結，從埋藏不深、溫度不高的成巖作用早期開始向石油轉化。3.有機質向石油轉化中，菌解是必要媒介；4.形成環(huán)境應是還原環(huán)境(否則發(fā)生氧化)；5.石油形成是一個由微石油向成熟石油逐漸聚集的過程。 由于這些要求概括的共同之處是強調低溫，成巖作用早期開始。因此，稱為“石油有機成因早期成油說”。 隨著先進手段引進，發(fā)現早期成油說在許多問題上解釋遇到困難：(致命的弱點)1.世界上最年輕的原生油藏，幾乎都不晚于上新世；2.現代沉積的烴類組分與石油組份有顯著差別，相反與現代生物更為接近；3.現代沉積中正烷烴具明顯奇數碳優(yōu)勢，而石油中正烷烴奇、偶數碳原子

10、差不多相等；4.烴類在古代沉積中的分布比同類現代沉積中豐富的多；5.環(huán)狀化合物在現代沉積中多，且四、五、六環(huán)的環(huán)烷烴居多，而石油中則以單雙環(huán)、環(huán)烷烴為主；6.當埋深到一定深度時，酐酪根含量顯著降低、MAB抽提物也有一定降低，而烴類大量增加，說明兩者是有聯系的；7.同位素含量不同海相生物-12-3.3 陸生植物-24.9-25.8；海相抽提物-23.3-26.4 陸相抽提物-29.9-32.5；海相原油-27.0 -29.0 陸相原油-30.0-31.7； 由此可見，石油并非成巖早期形成，而是在成巖過程中，經過一系列改造而逐步轉化形成的。 六十年代后期，七十年代以來近二十多年發(fā)展，生油學說進一步

11、完善。認為沉積物埋藏到較大深度，到成巖作用晚期或后生作用初期，沉積物的不溶有機質達到成熟，熱解生成大量液態(tài)石油和天然氣。所以又稱“石油有機晚期成油說”。（今后講課主要據此觀點討論油氣生成及勘探）五、有機成因晚期成油說 石油有機成因晚期成油說的基本論點，概括如下：1.成油物質是酐酪根；2.沉積有機質進入到一定埋深、成巖作用達到一定程度，主要受到溫度的作用，發(fā)生熱降解，開始進入石油生成主要時期；3.促使酐酪根向油氣轉化的決定性因素是溫度，時間對溫度起補償作用；壓力、酵素、催化、放射性等因素也有影響；4.酐酪根具有不同的類型，而不同類型的酐酪根進入生油階段所需的溫度不一樣，生成烴類的產物和數量也不一

12、樣；5.從酐酪根轉化為石油的過程中，可溶性抽提物MAB是中間產物；6.隨埋深加大，有機質(酐酪根)由成熟過渡到過成熟階段，已生成的石油發(fā)生裂解；7.由于地殼運動等影響，埋藏深度變淺，達不到油氣生成所需溫度，成油作用可中斷；當埋深再度加大，只要原始酐酪根尚未“枯竭”，仍可多次生成大量石油。第二節(jié) 現代油氣成因理論新進展一、未熟一低熟油形成機理一、未熟一低熟油形成機理 按照晚期成油模式，以RO= 0.5%為一般“生油門限”，把RO0.5%視為未成 熟的烴源巖。低熟油氣：指非晚期成油說熱降解成因的各類低溫、早期的非常規(guī)油(氣)或指那些成熟門限深度以上的沉積有機質生成的油(氣)。(國外文獻稱“imma

13、ture oils”，國內統(tǒng)稱為“低熟油”。)1.熟低油生成的物質基礎(1)顯微組分“分期生烴”殼質組，由較為富氫的植物物質、蛋白質、纖維素和其它碳水化合物的細菌降解產物組成。主要有：孢子體，來源于高等植物孢子和花粉的外細胞壁，其生物先質是孢粉素。由類胡羅卜素、類胡羅卜酯的氧化共聚物組成，有較高的氫含量；角質體，來源于高等植物角質化層和角質層，由陸生植物的葉、莖和其它部分的表皮外壁原生質組成，是一種不溶飽和羥基酸的聚酯，具有高聚合特征，角質層表面含有相當數量的可溶烴類和蠟質，為早期生烴的物質來源；樹脂體，原始母質是高等植物樹脂、蠟、香精油、膠漿、油脂等，多數樹脂的主要成分是環(huán)狀萜類組成的樹脂酚

14、；木栓質體，起源于高等植物的木栓組織，主要生物化學先質為軟木酯，部分呈油脂的形式存在，生成活化能較低。腐泥組，以藻類體為主的腐泥組代表菌藻類低等生物生源物質，是典型的富氫顯微組分。研究認為：樹脂體、木栓質體、高等植物蠟、藻類、類脂物及含硫化大分子等為低溫早熟生油的母質（化學性質不穩(wěn)定，活化能較低）。(2)可溶有機質貢獻生烴的可能性沉積物中的可溶有機質，從埋藏開始，在還原條件下存在著以脫羧為特征的成烴轉化作用，這一過程不需要很高的熱力條件。因此，可以認為所謂低溫早熟的顯微組分，實質上都是結構松散、交聯度低、分子量較小及富氫，且可溶有機質高的組分。 從化學角度看，分子量與交聯度低的非烴和瀝青質，更

15、有利于低熟油的生成。2.低熟源巖的“二段式”熱演化特征(1)有機質演化具明顯階段性“兩段式”變化，界線大致以Ro , 0.55-0.65%為界。研究認為：它反映由低熟油生烴機制向常規(guī)成熟油氣生烴機制的轉折。(2)有機質演化的不均一性，每種指標反映的是有機質演化的一個側面，有機質演化具有不均一性，表明生成有機質的物質基礎具多樣性。3.低熟油氣物理化學性質(1)低熟天然氣物理化學性質 (與生物氣相比)低熟氣甲烷含量略偏低，C+2重烴稍偏高；13C1值偏高，-48-65；相對密度較大(0.57g/cm3)；(2)低熟油一般物理化學性質(變化多樣,與來源有關)高密度、高粘度、高含硫；高密度、低蠟、低硫

16、；高蠟、低硫、中-高密度；低密度、低粘度、低凝點；(3)低熟油的族組成特征飽和烴含量較低，非烴、瀝青質含量較高；飽芳比低，非瀝比高。(4)低熟油化合物分布特征飽和烴含有相當數量的熱穩(wěn)定性差的化合物；芳烴鎦分組成格外復雜；非烴鎦分占有十分重要地位 。4.低熟油氣成因機理及地質模式樹脂體早期生烴機理木栓質體早期生烴機理細菌改造陸源有機質早期生烴機理生物類脂物早期生烴機理富硫大分子早期降解生烴機理 5種低熟油成因機理中，木栓質體和樹脂體生烴機理和模式主要對成熟度較低的煤系地層具有實際意義其余三種早期生烴機理和模式，分別適用于淡水、咸水和鹽湖相湖盆沉積環(huán)境；富硫大分子早期生烴機理可能不限于陸相鹽湖沉積

17、，海相瀉湖條件下也可適用。無論是碳酸鹽巖還是泥巖，只要條件具備都可形成低熟油氣。對低成熟油成因的看法：1.J.connan等認為型酐酪根，當富含樹脂體時在低溫下可以熱解成烴；2.認為未成熟油來源于分散瀝青的直接匯聚，一些富含類脂物的有機質在微生物作用下，可以不經過干酪根階段而直接轉化為烴類；應該說：早期也可生油，但晚期生成的量是主要的，即從成巖作用早期-晚期都可生成油氣。 二、煤成烴機理及生烴模式煤成烴(油)，指煤和含煤巖系中分散的陸生高等植物來源的有機質在煤化作用過程中生成的液態(tài)烴。1.煤烴源巖類型和特征(1)煤烴源巖類型腐殖煤（腐殖煤，殘殖煤） 高等植物中殼質組富集而成，含量50-60%以

18、上。腐殖-腐泥煤腐泥煤(2)有機質豐度、類型及可溶有機質地化特征有機質豐度煤中有機質高度富集，有機碳含量較高，可溶有機質和總烴含量高，但它們的轉化率較低；有機質類型型有機質為主，型有機質也可出現；可溶有機質地球化學特征可溶有機質的芳構化程度普遍較高，除腐泥煤外，飽/芳一般小于1。 (3)有機質熱演化特征熱演化總體上表現為增碳過程。Ro0.70%時，有機碳平均54.59%，R。為0.70-0.82%時，有機碳65.80%，R。為1.06-1.83%，有機碳76.80%；煤中氯仿瀝青的絕對含量大于一般湖相泥巖，但瀝青轉化率低，平均2.33%；族組成以非烴+瀝青質高于總烴及芳烴高于飽和烴為特征。2.

19、煤成烴形成機理與成烴模式(1)壓實排驅機理 主要發(fā)生在成巖作用后期和瀝青化作用初期，R。在0.40-0.70%，煤中大孔(30nm)仍相當發(fā)育，占總孔隙體積40%以上，有利于烴類排出；(2)受壓力驅動的連續(xù)瀝青網絡運移機理 大孔隙與微孔結合構成運移通道網絡，并形成連續(xù)瀝青網絡，進而排出石油；(3)氣溶方式運移機理有機質成烴演化作用達到高成熟的主要成氣時期，產生大量天然氣和部分輕質液態(tài)烴，氣溶為主要的運移方式；(4)煤成油的成烴模式含煤巖系有機質組成及顯微組分復雜， 煤中不同顯微組分瀝青化作用不一致，發(fā)生瀝青化作用的時期不同，各種顯微組分對生烴的貢獻有別，可歸為“早生早排”、“分期生油”兩種生烴

20、模式。第三節(jié) 天然氣成因類型及特征一、天然氣成因類型按成分分 烴氣 非烴氣(CO2，N2，H2S，He，H2等)按成因分 無機 有機生物降解(細菌氣) 熱降解 熱裂解(熱解)概括起來，天然氣的成因類可分為4種：生物成因氣油型氣煤型氣無機成因二、生物化學氣形成因特點 在成巖早期還原環(huán)境中生物化學作用帶內，有機質因微生物發(fā)酵和降解作用形成的富含甲烷氣體稱為生物成因氣。1、生物成因氣大量生成最佳條件：(1)擁有豐富的有機質；(2)缺氧、缺硫酸鹽的環(huán)境；(3)溫度低于75(最佳35-42)；(4) pH值6.2-7.2之間。2、主要化學組成：CH4一般98%；重烴含量低，一般0.2%；干氣，不與油拌生

21、；干燥系數（C1 /C2+ ）；含痕量不飽和烴及少量N2 和CO2；13C1一般為-80-60；13C一般為-55-90。三、油型氣 有機質在熱力作用下及石油裂解形成的各種天然氣，包括石油伴生氣，凝析油，拌生氣和熱裂解干氣。1、基本特點重烴氣含量大于5%，最高可達40-50%(濕氣)；過成熟干氣以甲烷為主，重烴氣一般小于2%；烴氣中鏈烷烴通常含量較高；碳同位素組成：石油伴生氣，13C1-55-45；凝析油伴生氣，13C1 -50-40；過成熟干氣，13Cl -40 -35；含汞量小于600ng/m3；(1ng=10-9g)甲苯/苯一般小于1。2、形成過程 正烷烴歧化、芳香烴縮合稠化，最終產物為

22、甲烷、乙烷和丙烷。四、煤型氣熱成因氣，指煤系有機質(腐殖型干酪根和腐殖煤)在變質過程中形成的天然氣(熱演化)；煤成氣，煤層在煤化過程中所生成的天然氣，是一種特殊賦存狀態(tài)的煤型氣；煤層氣，是以吸附狀態(tài)存在于煤層的煤成氣；煤系又稱含煤巖系，它是指以含有煤層和煤線為特征的沉積巖系；腐植有機質高度聚積時形成腐殖煤，分散存在時形成暗色泥巖和碳質泥巖。劃分如下：暗色泥巖 有機碳15% ；高碳泥巖 有機碳5%；碳質泥巖 有機碳15%-30%；煤 有機碳30%；1、干酪根顯微組分基本特點(1)殼質組：富含氫、臘質(相對)，是形成石油烴類，天然氣的重要因素。主要來自植物孢子、花粉、角質、樹脂、木拴質體等。(2)鏡質組：富含氧(1.5-20%)，揮發(fā)產率中等，不生油或少量生油，主要生天然氣。主要由樹干、樹皮、梗莖、根等含木質素、纖維素成分高，組織經凝膠化形成。(3)惰質組：富含碳(90%以上)，氫含量低(3%)，氧、揮發(fā)分產率低，生烴能力很小是木質纖維被焚燒或經脫水強氧化后形成 2、煤化作用過程 隨埋深加大，受壓力、溫度、催化劑作用，泥巖變干。有機質表現為側鍵脫落，逐漸縮合、變