第三次課：第二章 油氣生成（章節(jié)課程）

1、第二章 現(xiàn)代油氣成因理論 油氣生成模式 水油氣1向陽書屋p第二章 現(xiàn)代油氣成因理論 油氣生成模式 一、油氣成因?qū)W說2向陽書屋p1、無機成因說1碳化物說：地球內(nèi)部水與重金屬碳化物相互作用： 3FemCn+4mH2OmFe3O4+C3nH8m2宇宙說：由碳、氫合成碳氫化合物是出現(xiàn)在天體發(fā)展的早期階段，例如在溫度1000時，甲烷可按下列方式生成：CO+3H2CH4+H2O CO2+4H2CH4+2H2O3巖漿說無機成因說主要依據(jù)實驗室化學反應(yīng)，實際的證據(jù)缺乏3向陽書屋p2、有機成因說世界上90%以上油氣都產(chǎn)自沉積巖。油氣在地殼中的出現(xiàn)和富集程度與地史上 生物的發(fā)育和興衰息息相關(guān)，油氣儲量的時代分布與

2、地層中分散有機質(zhì)以及煤和油頁巖等有機礦產(chǎn)的時代分布具有相關(guān)性。4向陽書屋p在油氣田剖面中，含油氣層位總與富含 有機質(zhì)的層位有依存關(guān)系，而不像無機的內(nèi)生礦床那樣與火成巖和變質(zhì)巖有關(guān)；灰?guī)r晶洞和介殼中的油氣只能源于沉積有機質(zhì);5向陽書屋p油氣的元素組成包括微量元素組成都與有機物質(zhì)和有機礦床相近；物質(zhì)名稱C %H %S+N+O %石油淡水泥質(zhì)沉積物中的有機質(zhì)浮游生物84.3276.744.213.5811.38.62.102.047.26向陽書屋p 石油中檢測出的卟啉、類異戊間二烯烷烴、甾萜類化合物被有機地球化學家稱為生物標記化合物，它們的碳骨架僅為生物體所特有； 石油普遍具有旋光性，這主要與含有化

3、學結(jié)構(gòu)不對稱的生物標志化合物有關(guān)； 7向陽書屋p 模擬實驗表明，從多種有機質(zhì)中可得到油氣中的烴類產(chǎn)物； 現(xiàn)代化的測試分析技術(shù)可從現(xiàn)代和古代沉積物中鑒定出各種油氣中的烴類。墨西哥灣近代海洋沉積物所含烴類與懷俄明州中新統(tǒng)石油的紅外光譜圖 苯抽提物1 石油； 2近代海洋沉積物所含烴類8向陽書屋p地 質(zhì) 年 代 表問題？據(jù)統(tǒng)計，自寒武紀以來的6億年中，古生代占去60%，擁有已知石油的11%，天然氣的20%，而中新生代卻有已知石油的89%，天然氣的72%。9向陽書屋p二、有機成因說干酪根晚期 生油學說生物物質(zhì) 油 氣 ？干酪根10向陽書屋p（一）成烴母質(zhì)干酪根1、干酪根的形成（1）沉積有機質(zhì)的生物物質(zhì)組

4、成浮游植物、細菌和高等植物：數(shù)量上最重要；浮游動物(如有孔蟲、放射蟲、撓足類)和底棲生物： 一定貢獻； 高等動物(如魚類)：微不足道的 11向陽書屋p（2）原始有機物質(zhì)的化學組成與結(jié)構(gòu) 類脂化合物（Lipids）：又稱類脂化合物是生物體維持其生命活動不可缺少的物質(zhì)之一。動物的皮下組織，植物的孢子、種子及果實 脂肪酸、高級脂肪酸蠟、醇類、甾類和萜類化合物 脂肪酸去羧基加氫可以形成烴類12向陽書屋p蛋白質(zhì)(Protein)是生物體中一切組織的基本組成部分，是生物體賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，占生物體細胞除水外的80%。含氮化合物，由20多種氨基酸構(gòu)成 。13向陽書屋p 碳水化合物(carbohydrate

5、):又稱糖類，是自然界分布極廣，是一切生物體中重要組成之一。Cx（H2O）y 醣或糖類 14向陽書屋p木質(zhì)素(Lignin):都具有芳香結(jié)構(gòu)特征。是植物細胞壁的主要成分。高等植物 具有芳香結(jié)構(gòu) 15向陽書屋p（3）沉積有機質(zhì)的原始生物元素組成元素組成（質(zhì)量百分數(shù)）CHSNO碳水化合物44650木質(zhì)素6350.10.331.6蛋白質(zhì)53711722脂 類761212石 油84.5131.50.50.5原始有機質(zhì)化學組成與石油還存在較大的差異脂類較接近，是最好的生油原始物質(zhì)。16向陽書屋p（4）原始生物物質(zhì)（生物構(gòu)型有機質(zhì)） 干酪根（地質(zhì)構(gòu)型） 生 物 物 質(zhì)（脂肪、蛋白質(zhì)、碳水化合物和木質(zhì)素）縮

6、聚作用高分子的腐植酸類干酪根（地質(zhì)聚合物）縮聚作用細菌分解水解脂肪酸、氨基酸、糖，酚等生物化學單體CH4、 CO2、NH3、H2S、H2O17向陽書屋p2、干酪根的定義干酪根(Kerogen)：沉積巖中所有不溶于非氧化性的酸 、堿和非極性有機溶劑的有機質(zhì)。是最重要的成烴母質(zhì)?？偟膸r石礦物分散有機質(zhì)10%wt.總的巖石礦物富集型有機質(zhì)-煤18向陽書屋p干酪根是沉積有機質(zhì)的主體，約占總有機質(zhì)的 8090%。與其相對應(yīng)，巖石中可溶于有機溶劑的部分，稱為瀝青(Bitumen)?？傆袡C質(zhì)可溶有機質(zhì)19向陽書屋p3、干酪根的成分和結(jié)構(gòu) 是一種高分子聚合物，沒有固定的化學成分，主要由C、H、O和少量S、N組

7、成，沒有固定的分子式和結(jié)構(gòu)。元素組成（質(zhì)量百分數(shù)）CHSNO碳水化合物44650木質(zhì)素6350.10.331.6蛋白質(zhì)53711722脂 類761212干酪根796528生物有機質(zhì)向地質(zhì)構(gòu)型有機質(zhì)干酪根轉(zhuǎn)化：去氧、加氫、富集碳（乏氧還原環(huán)境）20向陽書屋p美國綠河頁巖干酪根結(jié)構(gòu)模型21向陽書屋p 4、干酪根化學分類 根據(jù)干酪根樣品的C、H、O圖解將干酪根劃分為三種主要類型： I型干酪根： 型干酪根： 型干酪根： 22向陽書屋pI型干酪根 原始氫含量高和氧含量低，H/C原子比介于1.251.75，O/C原子比介于0.0260.12 。以含類脂化合物為主，直鏈烷烴很多，多環(huán)芳香烴及含氧官能團很少；

8、 它可以來自藻類堆積物，也可能是各種有機質(zhì)被細菌強烈改造，留下原始物質(zhì)的類脂化合物餾分和細菌的類脂化合物； 生油潛能大，相當于干酪根重量的80%。23向陽書屋p型干酪根 原始氫含量較高，但稍低于I型干酪根，H/C原子比0.651.25，O/C原子比0.040.13。屬高度飽和的多環(huán)碳骨架，含中等長度直鏈烷烴和環(huán)烷烴甚多，也含多環(huán)芳香烴及雜原子官能團； 來源于海相浮游生物(以浮游植物為主)和微生物的混合有機質(zhì)； 生油潛能中等。 產(chǎn)物約為有機質(zhì)原始重量的60%； 24向陽書屋p型干酪根 原始氫含量低和氧含量高，H/C原子比0.460.93，O/C原子比 0.050.30，以含多環(huán)芳香烴及含氧官能團

9、為主，飽和烴鏈很少，被聯(lián)接在多環(huán)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上； 來源于陸地高等植物，含可鑒別的植物碎屑甚多，可被河流帶入海、湖成三角洲或大陸邊緣； 熱解時可給出30%產(chǎn)物，與、型相比，對生油不利，但埋藏到足夠深度時，可成為有利的生氣來源。25向陽書屋p我國主要陸相含油氣盆地泥質(zhì)巖中干酪根也可劃分為上述三種類型，但以型為主，王鐵冠根據(jù)我國6個陸相盆地統(tǒng)計，型干酪根占48.5%，、型分別為22.9%和28.6%。26向陽書屋p5、成烴母質(zhì)-干酪根形成的有利地質(zhì)環(huán)境 (VsVd)，不利于有機物質(zhì)保存 ； (VsVd)，不利于生物的繁衍 與保存。（1）有利于有機質(zhì)迅速埋藏和保存的大地構(gòu)造環(huán)境沉降速度(Vs)與沉積速度(

10、Vd)之間的關(guān)系對生物的繁衍與保存至關(guān)重要：27向陽書屋p只有在長期持續(xù)下沉過程中伴隨適當?shù)纳?，沉降速度與沉積速度相近(VsVd)或前者稍大時， ，才能持久保持還原環(huán)境穩(wěn)定的欠補償大地構(gòu)造環(huán)境 可以長期保持適于生物大量繁殖和有機質(zhì)免遭氧化的有利水體深度，保證豐富的原始有機質(zhì)沉積下來28向陽書屋p(2)、有利于生物大量繁盛的古地理環(huán)境在海相環(huán)境 有利區(qū)域淺海、三角洲、海灣及瀉湖 淺海：水深一般不超過200米，水體較寧靜，陽光、溫度適宜，生物繁盛，尤其各種浮游生物異常發(fā)育，死亡后不需經(jīng)過太厚的水體即可堆積下來； 三角洲：陸源有機質(zhì)源源搬運而來，加上原地繁殖的海相生物，致使沉積物中的有機質(zhì)含量特別

11、高，是極為有利的生油區(qū)域； 海灣及瀉湖，因有半島、群島、沙堤或生物礁帶與大海相隔，攜帶大量氧氣的洶涌波濤難以侵入，新的氧氣不易補給，在這種半閉塞無底流的環(huán)境中，也對保存有機質(zhì)有利。29向陽書屋p不利區(qū)域濱海、深海區(qū) 濱海區(qū)，海水進退頻繁，浪潮作用強烈，不利于生物繁殖和有機質(zhì)的堆積保存； 深海區(qū)生物本來就少，死后下沉至海底需經(jīng)歷巨厚水體，易遭氧化破壞；加上離岸又遠，陸源有機質(zhì)需經(jīng)長途搬運，早被淘汰氧化，都不有利于有機質(zhì)的堆積和保存。 30向陽書屋p 大陸環(huán)境 有利環(huán)境深水、半深水湖泊 大陸深水-半深水湖泊是陸相生油巖發(fā)育的區(qū)域。尤其在近海地帶的深水湖盆更是最有利的生油坳陷，因為近海區(qū)域地勢低洼、

12、沉降較快，是陸表水的匯集地帶，容易長期積水而形成深水湖泊，保持安靜的還原環(huán)境。 一方面湖泊能夠匯聚周圍河流帶來的大量陸源有機質(zhì)，增加了湖泊營養(yǎng)和有機質(zhì)數(shù)量；另一方面湖泊有一定深度的穩(wěn)定水體，提供水生生物的繁殖發(fā)育條件。 這種地區(qū)氣候溫暖濕潤，浮游生物及藻類繁盛，而且往往又是河流三角洲的發(fā)育地帶，河水帶來大量陸源有機質(zhì)注入近海湖盆，有機質(zhì)異常豐富，以型和型干酪根為主。31向陽書屋p不利環(huán)境淺水湖泊和沼澤區(qū) 在淺水湖泊和沼澤區(qū)，水體動蕩，大氣中的氧易于進入水體，不利于有機質(zhì)的保存；這里的生物以高等植物為主，有機質(zhì)多屬型干酪根。一般認為，型干酪根生油潛能差，多適于造煤和生成煤系氣、沼氣，為天然氣的生

13、源。 不過，近年來油氣勘探表明，煤系地層有機質(zhì)不僅可以生氣，而且其中某些顯微組分也可以生油，如澳大利亞的吉普斯蘭盆地、加拿大的斯科舍盆地、我國的吐哈盆地都在煤系地層找到了石油。 32向陽書屋p（二）干酪根演化油氣生成模式 1、干酪根的化學性質(zhì) 干酪根是生物物質(zhì)在淺埋藏低溫（6070 時，干酪根就開始裂解成烴，即生成油氣。33向陽書屋p干酪根向石油的轉(zhuǎn)化反應(yīng)符合化學動力學定律一級反應(yīng)，即反應(yīng)速度只同反應(yīng)物濃度的一次方成正比： -dCA/dt=KCA阿倫紐斯方程式：K=K0e-E/RTK0頻率因子，代表單位時間單位容積內(nèi)粒子的碰撞次數(shù)，K反應(yīng)速度常數(shù)E活化能，代表反應(yīng)發(fā)生必須由離子碰撞提供的最低能

14、量。干酪根成烴反應(yīng)速度主要由干酪根的活化能與地溫控制34向陽書屋p生油門限：石油開始大量的溫度或深度點。35向陽書屋p36向陽書屋p -dCA/dt=KCA K=K0e-E/RT ，可以推導出時間與溫度之間的補償關(guān)系： lnt=E/RTA=1/TE/R A 即lnt與1/T呈直線關(guān)系，即反應(yīng)時間的自然對數(shù)與絕對溫度成反比直線關(guān)系：干酪根的生烴意義：在有機質(zhì)向油氣的轉(zhuǎn)化過程中，時間對溫度具有一定的補償作用 。37向陽書屋p地質(zhì)年齡(Ma)地溫（）38向陽書屋p 有利于油氣生成的盆地應(yīng)該是年輕的熱盆地和古老的冷盆地；否則，或未達成熟階段，或已達破壞階段，對油氣勘探均不利。例如，渤海灣盆地，為年輕的

15、熱盆地，下第三系地溫梯度為 ，塔里木盆地為古老的冷盆地，地溫梯度為 39向陽書屋p2、干酪根的生烴演化階段（現(xiàn)代油氣成因模式）40向陽書屋p（1）生物化學生氣階段 條件：從有機質(zhì)被埋藏開始至生油門限深度為止。埋深95%，屬干氣。 （2）干酪根。大部分有機質(zhì)則被選擇性分解、縮合，形成復雜結(jié)構(gòu)的地質(zhì)聚合物“腐泥質(zhì)”和“腐殖質(zhì)”。再進一步縮合成為干酪根。42向陽書屋p（2）熱催化生油氣階段 條件：埋藏深度超過15002500m，進入生油門限深度，有機質(zhì)經(jīng)受的地溫升至60 180。反應(yīng)性質(zhì)：粘土礦物催化促使有機質(zhì)干酪根發(fā)生熱降解，雜原子(O、N、S)的鍵破裂產(chǎn)生二氧化碳、水、氮、硫化氫等揮發(fā)性物質(zhì)逸散，同時獲得大量低分子液態(tài)烴和氣態(tài)烴。43向陽書屋p主要產(chǎn)物：石油和濕氣。生油窗：oil window44向陽書屋p（3）熱裂解生凝析氣階段 條件 ：當沉積物埋藏深度超過35004000m，地溫達到180250，此時地溫超過了烴類物質(zhì)的臨界溫度。反應(yīng)性質(zhì)：熱裂解。主要反應(yīng)是大量C-C鏈斷裂，包括環(huán)烷的開環(huán)和破裂，液態(tài)烴急劇減少，C1 -C8 輕烴將迅速增加。45向陽書屋p主