石油地質(zhì)學(xué)課件：第五部分 油氣成因、烴源巖演化與評價(jià)及油氣源對比

1、第五部分 油氣成因、烴源巖演化與評價(jià)及油氣源對比第一部分 概論第二部分 盆地流體第三部分 儲層和蓋層第四部分 圈閉和油氣藏第五部分 油氣成因第六部分 油氣運(yùn)移第七部分 油氣成藏與破壞李開開唐玄李開開唐玄唐玄目 錄 油氣成因概論 有機(jī)生烴理論 烴源巖評價(jià)與油源對比 油氣成因概論 有機(jī)生烴理論 烴源巖評價(jià)與油源對比目 錄 油氣成因概論 有機(jī)生烴理論 烴源巖評價(jià)與油源對比 油氣成因概論 有機(jī)生烴理論 烴源巖評價(jià)與油源對比1、概念 天然有機(jī)質(zhì)沉積有機(jī)質(zhì)沉積有機(jī)質(zhì)的形成沉積有機(jī)質(zhì)的形成沉積有機(jī)質(zhì)的來源沉積有機(jī)質(zhì)來源的生物種類浮游植物細(xì)菌高等植物浮游動物盆地內(nèi)水生生物來源盆地外陸源高等植物來源混合來源沉積

2、有機(jī)質(zhì)主要來源沉積有機(jī)質(zhì)的形成形成沉積有機(jī)質(zhì)影響因素？土壤和沉積物中的有機(jī)物沉積巖中有機(jī)質(zhì)、煤和干酪根等CO2光合作用植物和細(xì)菌 石油天然氣交換庫儲存庫有機(jī)圈中有機(jī)碳循環(huán)生物圈123546變質(zhì)沉積巖中的有機(jī)質(zhì)死亡的動植物細(xì)菌動物 沉積有機(jī)質(zhì)的形成有機(jī)質(zhì)演化階段的劃分 沉積物在埋藏過程中要發(fā)生成巖作用，有機(jī)質(zhì)必然要發(fā)生相應(yīng)的變化，而且比無機(jī)質(zhì)點(diǎn)要敏感得多。石油和天然氣正是有機(jī)質(zhì)成巖演化過程中形成的自然產(chǎn)物。有機(jī)質(zhì)演化進(jìn)程不同，所得到的烴類產(chǎn)物也不同。Tissot等（1984）總結(jié)了從成巖作用至有機(jī)質(zhì)的變質(zhì)作用過程中有機(jī)質(zhì)生烴演化作用的總體特征（右圖）。不難看出，圖中有機(jī)質(zhì)在不同演化階段所生成的烴

3、類產(chǎn)物的特征是明顯不同的。1、成巖作用（未成熟）階段2、深成作用（成熟）階段3、準(zhǔn)變質(zhì)作用（過成熟）階段有機(jī)質(zhì)演化階段的劃分1、成巖作用階段有機(jī)質(zhì)演化階段的劃分 微生物的活動沉積有機(jī)質(zhì)所遭受的生物化學(xué)作用主要由微生物引起。二、有機(jī)質(zhì)的成巖作用階段（一）生物化學(xué)作用 微生物引起化學(xué)變化的催化能力是非常大的。細(xì)菌個(gè)體很小，能夠進(jìn)入沉積物的孔隙空間內(nèi)部，從而迅速的改造有機(jī)質(zhì)。細(xì)菌能改造和分解有機(jī)質(zhì)，但他們的數(shù)量和活動能力隨沉積物埋藏深度增加而急劇減少有機(jī)質(zhì)的成巖作用階段微生物的酶解作用（降解作用Degradation）就是利用酶把高分子量的蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂類化合物分解成它們可以吸收的簡單分子。

4、 這些簡單分子，一部分被重新合成為細(xì)菌的細(xì)胞質(zhì)；一部分則轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w。這時(shí)主要的反應(yīng)是水解，即糖類分解菌把纖維素水解成糖，蛋白質(zhì)分解菌把蛋白質(zhì)水解成氨基酸，脂類分解菌把脂肪水解成脂肪酸 。 在有機(jī)化合物各組份中，最易被分解的是蛋白質(zhì)，其次是碳水化合物，脂類物質(zhì)和木質(zhì)素通常是不易分解的。 微生物的降解作用 在有喜氧菌存在的條件下，沉積物中的有機(jī)質(zhì)被分解、改造，徹底消滅破壞；在厭氧菌活動的環(huán)境中，沉積有機(jī)質(zhì)中抵抗力弱的組分被不同程度地分解、改造，形成各種氣態(tài)和液態(tài)的產(chǎn)物排出，并造成沉積有機(jī)質(zhì)中碳、氫兩種元素的相對富集。 微生物對沉積有機(jī)質(zhì)的分解、改造，是沉積有機(jī)質(zhì)向油、氣演化漫長過程中的初步加工。因

5、此，沉積有機(jī)質(zhì)在成巖作用階段的生物化學(xué)過程，就其演化方向和產(chǎn)物看，可視為油、氣生成長鏈中最初始的一環(huán)。有機(jī)質(zhì)的成巖作用階段 隨著沉積物埋藏深度的增加、環(huán)境的改變，微生物對沉積有機(jī)質(zhì)的降解改造變得越來越不重要，或者說越來越削弱。取代它的是包括聚合作用和縮合作用為主要內(nèi)容的各種化學(xué)變化。在成巖作用階段所發(fā)生的各類化學(xué)反應(yīng)，其最高溫度為5060。 沉積有機(jī)質(zhì)的縮聚作用 （二）化學(xué)作用有機(jī)質(zhì)的成巖作用階段 當(dāng)現(xiàn)代沉積物處于較淺水的環(huán)境下，大部分游離的、可水解的組分消失了，其余的殘留物則很快重新合成為一種新聚合的不溶結(jié)構(gòu)。這就是沉積有機(jī)質(zhì)在成巖作用期間的縮聚作用。 在沉積有機(jī)質(zhì)的成巖作用階段中可能發(fā)生的

6、化學(xué)反應(yīng)是很多的，包括有：氫的重新分配，碳碳鍵的斷裂，脫羧基、氨基、羥基和脫硫作用，還原反應(yīng)，消除反應(yīng)，二聚化反應(yīng)，環(huán)化和芳構(gòu)化反應(yīng)， 變形反應(yīng)等。但仍以縮聚作用為主。在它的作用下將導(dǎo)致沉積物中縮聚產(chǎn)物的出現(xiàn)和不溶結(jié)構(gòu)的形成。 簡言之，是兩個(gè)或更多的有機(jī)分子，釋放H2O、NH3等 簡單分子而生成較大分子的反應(yīng)過程。有機(jī)質(zhì)的成巖作用階段生物體+高等植物殘?bào)w被微生物分解小分子有機(jī)化合物部分被微生物吸收部分剩余通過化學(xué)作用發(fā)生縮聚形成腐植（泥）質(zhì)酚-酚縮聚酚-含氮化合物（氨基酸）縮聚酚-脂肪酸縮聚醣-氨縮聚縮聚方式生物化學(xué)有機(jī)質(zhì)的成巖作用階段 在沉積物最上層的幾米范圍內(nèi)，沉積有機(jī)質(zhì)發(fā)生的是分散作用和

7、縮聚作用，并形成了代表著90%以上的總有機(jī)質(zhì)大分子，大部分由可溶于NaOH的腐殖組分組成。 但是隨著沉積物埋藏深度的增加，大部分表面親水官能團(tuán)消失，可溶于NaOH的腐殖組分逐漸減少，不溶組分增加，即富啡酸和腐殖酸減少，腐黑物或干酪根增加。 因此，現(xiàn)代沉積物中的腐殖質(zhì)組分被認(rèn)為是干酪根的前身物；而縮聚作用是干酪根形成與演化的主要機(jī)制（蒂索和威爾特，1984）。有機(jī)質(zhì)的成巖作用階段有機(jī)質(zhì)的成巖作用階段干酪根的地球化學(xué)一、干酪根的定義二、干酪根的性質(zhì)（物理和化學(xué)）三、干酪根的顯微組分特征四、干酪根的類型劃分五、干酪根的結(jié)構(gòu)干酪根定義干酪根是指不溶于非氧化的無機(jī)酸、堿和有機(jī)溶劑的一切有機(jī)質(zhì)。干酪根的地

8、球化學(xué)干酪根的地球化學(xué)黃鐵礦的處理：之前方法：對于浮選出干酪根（分層不明顯），向樣品中加入6mol/L的鹽酸及無砷鋅粒，用重液浮選去除雜質(zhì)，用蒸餾水洗至無氯離子。新開放方法：氯化鉻固體顆粒與6mol/L的鹽酸以1：1比例混合，加入無砷鋅粒，充分反應(yīng)至溶液變藍(lán)，將一定量的干酪根樣品加入該溶液中加熱充分反應(yīng)，以除去黃鐵礦。干酪根的地球化學(xué)注意事項(xiàng)：1、整個(gè)分離操作過程務(wù)必在強(qiáng)通風(fēng)條件下進(jìn)行，以保證人身安全。2、加酸操作時(shí)，一次加酸量切勿過猛，以防樣品濺出，造成結(jié)果的偏差。3、每次加酸處理后，要反復(fù)水洗至中性。4、重液浮選提取干酪根時(shí)操作要小心。干酪根的地球化學(xué)干酪根的地球化學(xué)干酪根的地球化學(xué)含有機(jī)

9、質(zhì)的沉積巖通過HCL、HF處理除去礦物質(zhì)后，分離出來的干酪根一般為細(xì)小、柔軟的無定形粉末，深褐至黑色。在顯微透射光下，干酪根呈淺黃至深褐色。大多數(shù)干酪根為多孔、非晶質(zhì)顆粒。 干酪根的物理性質(zhì)干酪根的地球化學(xué)干酪根折射率相對密度瀝青、煤折射率相對密度綠河頁巖1.51.38地蠟（綠河）1.530.851.00特拉弗斯灰?guī)r1.571.32韌瀝青（綠河）1.571.051.07綠河頁巖（赤褐色）1.61.22硬瀝青（綠河）1.611.031.10伍德福德頁巖1.61黑瀝青1.661.071.10卡奈1.64褐煤1.63特拉弗斯灰?guī)r1.731.51亞煙煤1.7弗隆蒂爾頁巖1.731.22煙煤1.751.

10、201.50切羅基頁巖1.39無煙煤1.81.401.80干酪根的地球化學(xué)元素組成：以碳、氫、氧為主，含少量的氮、硫、磷及微量金屬元素干酪根為高分子聚合物，不同于一般的純化合物，沒有一定的組成，只有一個(gè)組成范圍 干酪根的化學(xué)性質(zhì)干酪根的地球化學(xué)有機(jī)質(zhì)深成和變質(zhì)作用階段 沉積有機(jī)質(zhì)經(jīng)過成巖作用階段，除有一部分形成可溶性的烴類外，大部分都轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗艿牡刭|(zhì)聚合物干酪根。隨著沉積物埋深的增加，壓力越來越大，溫度越來越高，干酪根的結(jié)構(gòu)不再穩(wěn)定，開始重新調(diào)整，進(jìn)入深成作用階段和變質(zhì)作用階段。兩個(gè)階段有機(jī)質(zhì)的演化具有迥異的特征。1、深成作用階段有機(jī)質(zhì)深成和變質(zhì)作用階段1、深成作用階段有機(jī)質(zhì)深成和變質(zhì)作用階段

11、有機(jī)質(zhì)深成和變質(zhì)作用階段2、變質(zhì)作用階段1 溫度是影響油氣生成的主要控制因素 干酪根開始大量裂解成油只有在地殼中提供的熱能達(dá)到反應(yīng)所需的活化能時(shí)才能發(fā)生，一般開始裂解的活化能為（1115）4184J/mol。所以只有當(dāng)埋深和地溫超過門限時(shí)才會有大量石油生成。不同類型的干酪根具有不同的鍵組合，因此裂解時(shí)需要的活化能不相同 。影響油氣生成的主要因素影響油氣生成的主要因素影響油氣生成的主要因素2 時(shí)間的作用與溫度在沉積有機(jī)質(zhì)演化中所起的作用相比，時(shí)間的作用是第二位的、次要的。但是它在沉積有機(jī)質(zhì)演化生成烴類的進(jìn)程中，也是一個(gè)不可忽略的因素。這是因?yàn)?，增加時(shí)間所起的效應(yīng)可以補(bǔ)償溫度的不足。尤其對一個(gè)地溫

12、梯度較低的沉積盆地來說，如果沉積有機(jī)質(zhì)被埋藏的時(shí)間足夠長，那么同樣可以促使其在較低的溫度條件下，演化生成可供工業(yè)聚集的烴類。影響油氣生成的主要因素在石油生成過程中，時(shí)間和溫度存在著補(bǔ)償關(guān)系，因此門限溫度不僅取決于古地溫，還決于烴源巖的地質(zhì)時(shí)代即該溫度下的時(shí)間間隔。當(dāng)干酪根類型相同時(shí)，烴源巖時(shí)代越新，門限溫度就越高，反之，烴源巖層越老，其門限溫度就越低3 溫度和時(shí)間的綜合效應(yīng)影響油氣生成的主要因素影響油氣生成的主要因素值得指出的是，時(shí)間和溫度的作用不完全相當(dāng)，溫度對有機(jī)質(zhì)的熱演化起主導(dǎo)作用，反應(yīng)速率與溫度成指數(shù)關(guān)系，與時(shí)間成線性關(guān)系。也就是說，溫度增加10，時(shí)間需增加一倍才是等效的。 影響油氣生

13、成的主要因素一般認(rèn)為，高壓對于使體積增大的裂解反應(yīng)是不利的。但自然界中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在異常高壓時(shí)，即使地層溫度超過200，Ro2%，仍可以存在液態(tài)烴，而在正常情況下烴類已經(jīng)轉(zhuǎn)化為氣相。如華盛頓油田（6540m），地層溫度大于200仍為油藏。這可能就是由于異常高壓阻止了液態(tài)烴的裂解 。3 壓力作用影響油氣生成的主要因素4 催化劑影響油氣生成的主要因素生烴模式深度：0-1500m生烴模式生烴模式生烴模式生烴模式生烴模式生烴模式目 錄 烴源巖評價(jià)的主要內(nèi)容 有效烴源巖 烴源巖定量評價(jià)烴源巖是指具備了生油氣條件，已經(jīng)生成并能排出具有工業(yè)價(jià)值油、氣的巖石。 從巖石學(xué)觀點(diǎn)看，烴源巖可以分為兩類，一類是粘土質(zhì)巖

14、石，另一類是碳酸鹽巖。一個(gè)地區(qū)(盆地)或?qū)酉档暮瓦h(yuǎn)景如何，首先就取決于烴源巖的生烴潛力，所以烴源巖研究的主要任務(wù)就是確定目的層系的生烴潛力。一、烴源巖評價(jià)的主要內(nèi)容 烴源巖評價(jià)是新區(qū)勘探或含油氣層系遠(yuǎn)景評價(jià)的基礎(chǔ)工作之一，有效烴源巖的確定對于含油氣盆地的勘探至關(guān)重要，它是對油氣生成物質(zhì)基礎(chǔ)的確定。主要從三個(gè)方面進(jìn)行： 有機(jī)質(zhì)數(shù)量（豐度和源巖的有效體積） 有機(jī)質(zhì)質(zhì)量（類型） 有機(jī)質(zhì)成熟度一、烴源巖評價(jià)的主要內(nèi)容 1有機(jī)碳(Organic Carbon)含量 有機(jī)碳含量是指巖石中所有有機(jī)質(zhì)含有的碳元素的總和占巖石總重量的百分比。（一）烴源巖有機(jī)質(zhì)的數(shù)量 烴源巖中的有機(jī)質(zhì)是油氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前

15、用于評價(jià)有機(jī)豐度的指標(biāo)和方法主要有如下三個(gè)項(xiàng)目： 測定有機(jī)碳時(shí)，常先用鹽酸除去樣品中的碳酸鹽，然后使樣品在氧氣中高溫燃燒轉(zhuǎn)化為CO2并測定其中的含碳量。一、烴源巖評價(jià)的主要內(nèi)容 現(xiàn)代運(yùn)移學(xué)說認(rèn)為烴源巖中形成的烴類必須在滿足了巖石本身吸附容量以后才能有效的排驅(qū)出去，所以烴源巖存在一個(gè)有機(jī)質(zhì)豐度的下限值。 國內(nèi)外目前對泥質(zhì)源巖看法基本一致，均認(rèn)為用有機(jī)碳表示約為0.40.6%。而對于碳酸鹽巖源巖則標(biāo)準(zhǔn)不一，但碳酸鹽巖有機(jī)碳含量的下限標(biāo)準(zhǔn)比泥質(zhì)巖低的觀點(diǎn)目前已被廣泛接受。一、烴源巖評價(jià)的主要內(nèi)容 泥質(zhì)烴源巖有機(jī)碳含量下限標(biāo)準(zhǔn)演化階段干酪根類型有機(jī)碳,%未成熟0.200.250.40成熟0.100.2

16、00.30過成熟0.050.100.20（據(jù)劉德漢等，1984)一、烴源巖評價(jià)的主要內(nèi)容 碳酸鹽巖有機(jī)碳含量下限標(biāo)準(zhǔn)一、烴源巖評價(jià)的主要內(nèi)容 一、烴源巖評價(jià)的主要內(nèi)容 一、烴源巖評價(jià)的主要內(nèi)容 一、烴源巖評價(jià)的主要內(nèi)容 2氯仿瀝青“A”一、烴源巖評價(jià)的主要內(nèi)容 我國中新生代主要含油氣盆地?zé)N源巖氯仿瀝青“A”含量頻率圖（尚慧云等，1983） 我國中、新生代烴源巖總烴含量統(tǒng)計(jì)表明，好的烴源巖一般為0.1%，較好的不低于0.05%，低于0.01%的為非烴源巖。應(yīng)該注意的是上述兩項(xiàng)指標(biāo)受烴源巖的類型和成熟度的影響也較大，尤其是成熟度，未成熟和過成熟的烴源巖其含量都是比較低的。總烴含量與有機(jī)碳含量的相關(guān)

17、圖可以將烴源巖進(jìn)行分級。一、烴源巖評價(jià)的主要內(nèi)容 3總烴一、烴源巖評價(jià)的主要內(nèi)容 （二）烴源巖有機(jī)質(zhì)的類型 烴源巖中有機(jī)質(zhì)的類型是其質(zhì)量指標(biāo)，不同類型的有機(jī)質(zhì)具有不同的生油氣潛力。烴源巖有機(jī)質(zhì)的類型研究一般分兩個(gè)方面：干酪根和不溶有機(jī)質(zhì)的類型研究。干酪根類型顯微組分元素組成熱解氫指數(shù)烴類組分生物標(biāo)志化合物碳同位素瀝青組分類型一、烴源巖評價(jià)的主要內(nèi)容 有機(jī)質(zhì)的成熟度是指烴源巖中有機(jī)質(zhì)的熱演化程度。由于油氣僅形成于有機(jī)質(zhì)的某一些演化階段，所以成熟度是判別烴源巖的又一基本參數(shù)。用來確定成熟度的指標(biāo)大致包括三個(gè)方面：（三）有機(jī)質(zhì)的成熟度 有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)干酪根的成熟度指標(biāo)鏡質(zhì)體反射率有機(jī)質(zhì)顏色及其熒光

18、強(qiáng)度干酪根熱解法干酪根自由基的變化瀝青及烴類成熟度指標(biāo)瀝青和烴類（C15）的豐度輕烴成分的變化甲基菲指數(shù)生物標(biāo)志化合物的成熟度指標(biāo)異戊二烯類烷烴甾類化合物藿烷的異構(gòu)化一、烴源巖評價(jià)的主要內(nèi)容 所謂反射率是指物質(zhì)表面反射光強(qiáng)度占入射光強(qiáng)度的百分比，研究烴源巖干酪根的鏡質(zhì)體時(shí)常用油浸物鏡下測得的反射率。 無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體是測定反射率的對象。 鏡質(zhì)體反射率不僅受古地溫的變化控制，而且還受時(shí)間的影響。鏡質(zhì)體反射率(Ro) 路易斯安那州墨西哥灣沿岸白堊系至上-更新統(tǒng)沉積物中鏡質(zhì)體反射率剖面(Dow,1977) 這種規(guī)律與干酪根成烴反應(yīng)中溫度與時(shí)間的影響一致，因而鏡質(zhì)體反射率可以用來劃分干酪根的成烴演化階段，

19、且不同地區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)大致相同。(表5)。腐泥(富氫)鏡質(zhì)體反射率與正常鏡質(zhì)體反射率及油氣生成關(guān)系 一、烴源巖評價(jià)的主要內(nèi)容 鏡質(zhì)組反射率的測定 從巖石中分離的干酪根固定在環(huán)氧樹脂中，磨光后，在油浸狀態(tài)下測定鏡質(zhì)體反射出的給定波長（546nm）的入射光的百分率。所報(bào)道的Ro值通常表示從一個(gè)樣品中測量大約50100個(gè)點(diǎn)的平均值。頻率 0.5 1.0 1.5 2.0 Ro（%）樣品數(shù)=60平均值=1.0標(biāo)準(zhǔn)差=0.05一、烴源巖評價(jià)的主要內(nèi)容 （一）油氣源對比的概念和原理 1油氣源對比的概念 油氣源對比是依靠地質(zhì)和地球化學(xué)證據(jù)，確定油氣和源巖間成因聯(lián)系的工作。目的：通過對比研究確定含油氣盆地中石油、

20、天然氣、源巖之間的成因聯(lián)系，油氣運(yùn)移的方向和距離以及油氣的次生變化。從而進(jìn)一步圈定可靠的油源區(qū)，確定勘探目標(biāo)，有效地指導(dǎo)油氣的勘探和開發(fā)工作。二、油氣源對比二、油氣源對比油-油對比油-巖對比氣-氣對比氣-巖對比油-氣-巖對比含義：油氣源對比實(shí)際上包括了油(氣)與源巖之間以及不同儲層中油氣之間的對比兩個(gè)方面。 源巖中的干酪根，瀝青與來自該層系的油氣有著親緣關(guān)系，在化學(xué)組成上也必然有著某種程度的相似性。 2油源對比的原理 干酪根石油天然氣圈閉中的油氣源巖中的瀝青運(yùn)移殘留二、油氣源對比換一種說法：性質(zhì)相同的兩種油氣應(yīng)源于同一母巖；母巖排出的石油應(yīng)與母巖中殘留的石油相同，因此，相似即同源。威林斯頓盆地

21、石油分類1.溫尼伯頁巖 2.巴肯頁巖 3.泰勒頁巖 族組分法二、油氣源對比常用的油源對比參數(shù) 總組成對比法包括：物理特性（顏色、比重、粘度）、烴類組成、元素濃度（硫、氮、釩、鎳）和比值（V/(V+Ni）、全油同位素、族組成同位素等。它們反映的是油和烴源巖中有機(jī)物分子的綜合特征。2C15+正構(gòu)烷烴常根據(jù)正構(gòu)烷烴氣相色譜圖計(jì)算單個(gè)組分的百分含量，以碳數(shù)為橫坐標(biāo)，百分含量為縱坐標(biāo)，繪出碳數(shù)分布曲線圖。二、油氣源對比二、油氣源對比二、油氣源對比威利斯頓盆地石油和烴源巖抽提物C15+正構(gòu)烷烴對比圖二、油氣源對比大王北地區(qū)同源原油的正構(gòu)烷烴碳數(shù)分布曲線圖再一次強(qiáng)調(diào)，由于正構(gòu)烷烴對細(xì)菌降解和熱力作用最為敏感，并在一定程度上受運(yùn)移影響，所以正構(gòu)烷烴指標(biāo)一般只對低中等成熟度，生物降解不明顯的原油才有較好的效果。二、油氣源對比二、油氣源對比3類異戊二烯烷烴二、油氣源對比西德北部盆地石油中類異二烯烷烴“指紋”對比圖A法呢烷； B