石油与天然气的现代成因理论.doc

第二章 石油与天然气的现代成因理论石油的成因是一个极为复杂的课题，至今还存在一些争论。这主要原因是：1从物态上看：石油与天然气是流体，在地下一定条件下，它不断流动，现在所找到的油气藏并非其生成地方，而是经过一定距离运移而聚集起来的。2从化学组成上看：石油与天然气的组份很复杂，并非单一物质，且在地下运移过程中或其它条件的改变，其成份也在发生变化，其现今的组成并不代表其原貌。3由于分离及鉴定手段的限制，目前对石油组份的了解尚不充分。由于石油的成因问题，关系到油气的勘探方向，所以，多年来，它一直吸引着许多国家地质学家、生物化学家和地球化学家。1 油气成因研究现状从十八世纪七十年代以来，对油气成因的认识基本上分为无机成油和有机成油学说两大学派。无机成油学说认为，石油是在地壳深处形成的，后来沿着深大断裂渗透到地壳上部，或者在天体形成时形成，当地壳冷凝时以“烃雨”的形式降落下来，后聚集成油气藏。其基本观点是石油是在地下高温、高压条件下形成的而非生物成因。其依据是：（1）在实验室，用无机C、H元素合成了烃类；（2）在岩浆岩内曾发现过石油、沥青；（3）在宇宙其它星球大气层中也发现有碳氢化合物存在；（4）在陨石中也发现有碳氢化合物及氨基酸等多达100多种；（5）认为用有机观点对世界上有些大的沥青矿（如加拿大的阿萨巴斯卡沥青矿，储量达856亿吨以上）不能作出令人满意的解释。但是，随着油气勘探的不断深入，越来越多的事实用无机学说无法自圆其说，只能证明现代有机成油理论的正确性。这些实事有1世界上已发现的油气田99.9%都分布在沉积岩中，只有极少数石油分布在岩浆岩和变质岩中，且这少数石油也被证明是从沉积岩中运移而来的，而与沉积岩无关的地盾和巨大的结晶岩突起发育区，至今未找到油气聚集。2石油在地层时代的分布上与煤、油页岩及有机质的分布状况相吻合的，表明它们在成因上是有联系的。3虽然世界上的石油没有成份完全相同的，但所有石油的元素组成和化合物组成是相近的或相似的，说明它们的成因可能大致相同。4大量油田测试结果可知，油层温度很少超过100，有些深部油层温度可以高达141，而当T超过250时，烃类就会发生急剧而彻底的裂解，生成石墨及H2，说明石油不可能在高温下形成。5从目前发现的油气藏分析看，石油生成、聚集成藏不需很长的时间，大约需不到一百万年。6石油中含的卟啉化合物，异戊间二烯型化合物，甾醇类，石油的旋光性都证明石油是在低温下，由生物有机质生成的。7石油地质工作者对近代沉积的研究成果表明，在近代沉积中确实存在着油气生成过程，且至今还在进行着，生成的数量也很可观。并且，在实验条件下，用有机质进行地下条件模拟，转化出了烃类，这为有机成因学说提供了有力的科学依据。以上重要事实的存在，大大促进了石油有机生成理论的发展。特别是近代物理、化学、生物、地质学等基础理论的发展，及色谱、光谱、质谱、电子显微镜、同位素分析等先进技术手段的广泛采用，为应用有机地球化学知识来解决油气成因问题创造了条件，推动了石油生成现代科学理论的日臻完善。在油气勘探初期，石油大部分被发现于海相地层中，使得不少石油地质家认为只有海相沉积才能生成油气，特别是在我国清末、民初，国外在中国陆相盆地进行油气勘探的失败，使得“唯海相生油论”猖獗一时。对此，以潘钟祥为代表的我国老一辈地质学家，通过对陕西、四川等地进行详尽的油气地研究，于1941年提出了陆相也能生油的理论，有力地驳斥了中国贫油论，极大地丰富了石油理论。在油气有机学说中还存在着早期成因学说和晚期成因学说两种观点。前者主张沉积有机质在成岩过程中，逐步转化为石油和天然气，并运移到邻近的储层中去；后者则认为沉积物埋藏到较大深度后，到了成岩作用晚期或后生作用初期，沉积岩中的不溶有机质（干酪根）才开始发生热降解，生成大量液态石油和天然气。在油气生成理论方面贡献比较大的是法国著明地球化学家BPTissot，他在前人研究的基础上提出了干酷根热降解生烃演化模式，提出并完善了干酪根晚期生烃学说，揭示了油气生成、演化与分布的规律。我们应该看到，任何的成油理论，不管它多么完善，终归只是一种假说，不是终极真理，都有待发展和完善。我们必须用客观的、发展的观点去对待它们，即不能完全迷信流行的新理论，也不能完全否定过时的旧理论。晚期成油理论虽然已广泛为国际石油界所接受，但随油气勘探的不断深入，“未熟低熟”油不断被发现，显然自然界中确实存在相当数量的各类早期生成的非常规油气资源。这样早期成油说和晚期成油说也结合起来，视为一个统一的油气演化过程，这就更拓宽了油气勘探领域。近来，石油有机成油理论的又一进展是煤成烃理论的发展与完善。二十世纪六十年代以来，在世界各地相继发现了一批与中、新生代煤系地层有关的油气田。这表明煤系地层不仅是天然气的主要来源，而且也能形成相当数量的石油聚集和大油田。到了二十世纪八十年代，人们通过有机岩石学与地球化学相结合的方法和实验模拟对煤成油问题进行了深入的理论探讨，提出了煤系地层有机质生烃机理和演化模式。尽管目前油气有机成因理论日臻完善，并在油气勘探实践中发挥了重要作用，但并不能由此否定油气无机成因理论的科学价值。尤其是近20多年来，一些无机成因天然气的发现，为无机成烃理论提供了依据，新理论和新手段的发展也为无机成油理论研究奠定了基础。目前又出现了几个假说。由于有机成油理论已经成熟，而无机成油理论尚处在探讨中，故本章只介绍前者。2 石油生成的物质基础按照现代有机成油理论，油气生成需要满足两个基本条件：即有利于石油生成的丰富的有机质及有机质向石油的转化条件。一、生油气母质及其化学组成根据油气有机成因理论，生物体是生成油气的最初来源。生物死亡之后的残体经沉积作用埋藏于水下的沉积物中，经过一定的生物化学、物理化学变化形成石油和天然气。其中细菌、浮游植物、浮游动物和高等植物是沉积物中有机质的主要供应者。在不同的沉积环境中，生物的天然组合类型不同，决定了沉积物中有机质的组合类型不同。那么生成油气的沉积有机质有那些类型呢？经前人研究主要有四大类：即类脂化合物、蛋白质、碳水化合物及木质素等。它们都有比较复杂的结构。（一）脂类又称类脂化合物，它们包括的范围很广，其中包括一些化学结构和化学成份不相同，但物态和物理性质与油脂相似的化合物，如磷脂、脂肪、蜡、甾类、萜类等化合物，它们是生物维持生命活动不可缺少的物质之一。尽管它们的化学组成不同，但它们也有共性，即不溶于水而溶于低极性的有机溶剂中（如乙醚、氯化苯等）。动植物的脂肪（油脂类）是最重要的脂类，它们分布于动物的皮下组织、植物的孢子、种子及果实中。细菌的藻类也含丰富的脂类。此外，高等植物的角质、孢粉也含脂类（结构式中含长链烃基）。脂类化合物极易水解为脂肪酸和甘油，脂肪酸化学性质稳定，所以沉积岩中脂肪酸分布相当广泛。脂肪酸在沉积物演化过程中，易发生脱羧反应，失去CO2转化为正构烷烃。（二）蛋白质它是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。在生物细胞中，除水外，80%以上的物质为蛋白质，约占动物干重的50%，同时它是生物体中含氮化合物的主要成份。蛋白质性质不稳定，在酸、碱或酶的作用下发生水解形成氨基酸。氨基酸在一定条件下脱羧、去氨基生成低分子烃类。所以，氨基酸是各种低分子石油烃类的先体。（三）碳水化合物又称糖类，是自然界分布极广的一种有机质。它是多羟基醛或多羟基酮及其衍生物，尤以植物含量最高。主要由C、H、O三种元素组成。按其水解产物可分为单糖、双糖和多糖。多糖是天然高分子化合物，在自然界分布很广，一般不溶于水，个别能在水中形成胶体溶液。植物中的纤维素、淀粉、树胶，动物体内的糖原，昆虫的甲壳等都是由多糖组成的。藻类、放射虫等低等生物中没有或很少有木质素，但有类似的藻酸、果胶等。（四）木质素和丹宁木质素和丹宁都具有芳香结构特征。木质素是植物细胞壁的主要成份，在高等植物中可由芳香醇脱水缩合而成。木质素十分稳定，不易水解，但可被氧化成芳香酸和脂肪酸。在缺氧水体中，在水和微生物的作用下，木质素可分解，与其他化合物生成腐殖质。丹宁的组织和特征介于木质素与纤维素之间，主要出现在高等植物中。此外，还有一系列醛类和芳香酸及其衍生物广泛分布在植物中。它们是有机质中芳香结构的主要来源，也是成煤的重要有机组分。生物有机质并非是生油的直接母质。生物死之后，与沉积物一起沉积下来，构成了沉积物的分散有机质。这些有机质经历了复杂的生物化学及化学变化，通过腐泥化及腐殖化过程才形成一种结构非常复杂的生油母质干酪根，成为生成油气的直接先驱，下面介绍干酪根。二、干酪根（一）概念及成因干酪根（Kerogen）一词最初是被用来描述苏格兰油页岩中的有机质，经蒸馏后产出似蜡质的粘稠石油。后来被引用泛指沉积岩中不溶于一般有机溶剂的沉积有机质。1979年，Hunt将干酪根定义为：沉积岩中所有不溶于非氧化性的酸、碱和非极性有机质溶剂的分散有机质。与其相对应的可溶部分称为沥青。干酪根的形成实际上在生物体衰老期就已经开始，直到生物死亡被埋藏下来的成岩作用早期，有机组织发生化学及生物降解和转化，结构规则的大分子生物聚合物（如蛋白质、碳水化合物）部分或完全被分解形成一些单体分子，它们或者遭破坏，或通过腐泥化或腐殖化作用发生缩合或聚合，形成结构不规则的大分子。这些地质聚合物是干酪根的先驱，但还不是真正的干酪根，在沉积成岩过程中，在还原环境下，由于厌氧细菌的作用，发生去氧加氢富碳作用，地质聚合物、变化得更大、更复杂、更不规则，这时干酪根才真正形成起来。（二）干酪根的成分和结构干酪根是沉积有机质的主体约占总有机质的80%90%。Hunt认为8095%的石油烃是干酪根转化而成的。Durand估计，沉积岩中干酪根总量约比化石燃料资源总量大1000倍。所以，人们日益认识到研究干酪根的重要性。但干酪根的成分和结构十分复杂，它们的不溶性及来源和经历的多变性给研究带来困难。国内外研究表明，干酪根无固定的成份和结构，不能用分子式来表达，主要成份为C、H、O。C：76.4%、H：6.3%、O：11.1%、三者共占93.8%。此外还包括小量S、N等其它元素。（三）干酪根的类型及演化由于在不同的沉积环境中，有机质的来源不同，形成的干酪根类型也不同，其性质和生油气潜能有很大的差别，目前主要有如下几种分类方法：1两分法：这是一种比较常用的方法，把沉积有机质分为两大类即：腐泥型、腐殖型。前者系指脂肪族有机质在缺氧条件下分解和聚合的产物，它们来自海洋和湖泊环境水下淤泥中的孢子及浮游类生物，它们主要生成石油、油页岩、藻煤和烛煤；后者系泥炭形成的产物，来自有氧条件下沼泽环境的陆生植物，主要可以形成天然气和腐殖煤，在一定条件下也可以生成液态石油。2光学分类方法：（1）孢粉学家的分类：孢粉学家用盐酸和氢氟酸除去无机矿物质后，将有机质残渣放在显微镜下透射光观测，划分出藻质、无定形、草质、木质和煤质五种组分。藻质和无定形组分均来源于海、湖水浮游生物，前者可识别出藻类形态，后者呈多孔状、无结构、非晶型、无定形的云雾状，没有清晰的轮廓；草质组分由孢子、花粉、角质层、叶子表皮和植物细胞构造所组成，大部分来源于陆地；木质组分呈易辩认的长形木质构造的纤维状物质，来源于陆地高等植物；煤质组分，是陆地天然碳化的植物物质和再沉积的碳化物质。上述组分的生油气潜能按藻质无定形草质木质煤的顺序依次减少。（2）煤岩学家分类：在显微镜下放大2550倍的油浸物镜，在反射光下观测煤或干酪根的显微组分，可划分出腐泥组、壳质组、镜质组及惰质组四组。腐泥组包括了藻质体和无定形体；壳质组呈暗灰色，由孢子、角质、树脂、蜡组成；镜质组呈灰白色，具镜煤特征，由泥炭成因的腐殖质组成。惰质组呈黄白色，包括了碎质体、菌质体、丝质体、半丝质体。3化学分类：法国石油研究院根据干酪根中的C、H、O元素分析结果划分为三种类型：型：H/C原子比介于1.251.75，O/C原子比介于0.0260.12，以含类脂化合物为主，直链烷烃很多，多环芳香烃及含氧官能团很少；主要来自于藻类、细菌类等低等生物，生油潜能大。型：H/C原子比介于0.651.25，O/C原子比介于0.040.13，属高度饱和的多环碳骨架，含中等长度直链烷烃和环烷烃很多，也含多环芳香烃及杂原子官能团；它们来源于浮游生物（以浮游植物为主）和微生物的混合有机质。生油潜能中等。型：H/C：0.460.93，O/C：0.050.30，以含多环芳烃及含氧官能团为主，饱和烃链很少，来源于陆地高等植物。它生油不利，可利于生气。目前还划出若干中间类型。目前还比较流行着岩石热解参数划分干酪根类型，用生油岩评价仪测定生油岩中的游离烃（S1）、热解烃（S2）、CO2（S3）和最大热解峰温（Tmax），用这些参数直接或间接划分有机质类型。较常用的是氢指数IH和氧指数IO，产率指数IP来划分。其中IH=S2有机碳含量，IO=S3有机碳含量 3 油气生成的外在条件生物有机质的存在及其数量的多少，是油气生成的内在物质基础；要生成大量的油气还要靠外部条件。这主要是指地质环境和物化条件。一、油气生成的地质环境要生成大量的油气，必须有足够的生物有机质，这就要求必须要有利于生物的大量生长和繁殖的环境。另一方面，有机质在陆地表面易被氧化，不易保存，需要有保存条件。此外，还要求有利于有机质大量向油气转化的地质条件。这种有利于有机质大量堆积、保存和转化的地质环境受区域大地构造和岩相古地理条件的控制。（一）大地构造条件首先在地质历史上只有哪些曾发生过持续下沉的沉积盆地才是有利于生物生长的环境，才有沉积物的沉积，才能为油气生成、运聚提供有利场所。盆地的形成是板块运动的结果。板块运动分为离散运动、聚敛运动及转换运动。离散板块分离处，地壳变薄下沉、弯曲，出现了张性环境的各种沉积盆地；聚敛板块接合处，伴随洋壳消亡、陆壳增厚和碰撞造山带上升，沿造山带的翼部出现许多沉积盆地。而纯转换运动不能形成垂直运动，则不形成沉积盆地。板块的边缘活动带、板块内部的裂谷、坳陷以及造山带的前陆盆地、山间盆地等大地构造单元，是地质历史上曾经发生长期持续下沉的区域，是地壳上油气资源分布的主要沉积盆地类型。在这些盆地内生物的生长及其遗体的保存与盆地沉降速度及沉积物的沉积速度有直接关系。若沉降速度Vs沉积速度（Vd），则水体不断变深，生物死亡后，在下沉过程中易遭受巨厚水体所含氧气的氧化破坏，且因阳光不足、温度低，不利于生物生存。若VdVs，则相反，沉积物会迅速填满盆地；水体快速变浅，乃至上升为陆地，沉积物暴露地表，有机质会易受空气氧化，也不利于有机质的堆积和保存。只有在长期持续下沉过程中，并伴随适当的升降，沉降速度与沉积速度相近或前者稍大时，才能持久保持还原环境。在这种条件下，不仅可以长期保持适于生物大量繁殖和有机质免遭氧化的有利水体深度，保证丰富的原始有机质沉积下来，而且可以造成沉积厚度大、埋藏深度大、地温梯度大、生、储频繁相间广泛接触、有助于原始有机质迅速向油气转化并广泛排烃的优越环境。此外，在大型沉积盆地内，由于断裂分割或沉降速度的差异，造成盆地起伏不平，出现许多次级凸起与凹陷，使有机质不必经过长距离搬运便可就近沉积下来，避免途中氧化。所以，沉积盆地的分割性对有机质的堆积与保存有利。（二）岩相古地理条件在海相环境中，浅海区及三角洲区是最有利于油气生成的古地理区域。滨海区海进、海退频繁，浪潮作用强烈，不利于生物繁殖和有机质堆积和保存。深海区生物少，生物死亡后还要下沉至海底需经历巨厚水体易遭氧化破坏；加上离岸又远，陆源有机质需经长途搬运，易被淘汰氧化，不利于有机质的堆积和保存。大陆架内，水深不超过200米，水体较宁静，阳光、温度适宜，生物繁盛，尤其各种浮游生物异常发育，死亡后不需经过太厚的水体即可堆积下来；在三角洲地区，陆源有机质源源不断地搬运而来，加上原地繁殖的海相生物，致使沉积物中的有机质含量特别高，是极为有利的生油区域；至于海湾及澙湖，属于半闭塞无底流的环境，也对保存有机质有利。在这些浅海区域，浮游生物特别发育，属于型干酪根。大陆环境的深水、半深水湖泊是陆相生油岩发育区域。因为一方面湖泊能够汇聚周围河流带来的大量陆源有机质，增加了湖泊营养和有机质数量；另一方面湖泊有一定深度的稳定水体，提供水生物的繁殖发育条件。特别是近海地带深水湖盆，更是最有利的生油坳陷，因为那儿地势低洼、沉降较快，能长期保持深水湖泊环境，保持安静的还原环境。浅水湖泊和沼泽地区，水体动荡，氧气易于进入水体，不利于有机质的保存；这里的生物以高等植物为主，有机质多属干酪根，生油潜能差，适于造煤和生气。此外，古气候条件也影响生物的发育。温暖潮湿的气候、日照时间长，能增加生物的繁殖力。三、油气生成的理化条件油气生成除需大量有机质提供物质条件外，还必须具备外部条件如温度、压力、细菌、催化剂、放射性等物化条件，只有这样，有机质才能逐步转化为油气。（一）温度与时间1温度与时间作用机理沉积有机质向油气转化的过程，温度是最有效、最持久的作用因素。在转化的过程，温度的不足可用延长反应时间来弥补。温度与时间可以互相补偿：高温短时作用与低温长时作用可能产生近乎同样的效果。康南（Connan,1974）在研究有机质向石油转化的机理时，认为有机质向石油的转化符合化学动力学定律的一级反应，即反应速度只同反应物浓度的一次方成正比，推导出了时间温度定量关系式： （2-1）式中：T绝对温度（K）；t时间；A频率常数；R气体常数；E活化能。上式表明，反应时间自然对数与绝对温度成反比直线关系。这说明在石油形成过程中，时间与温度存在着互相补偿的关系，即温度不足可用延长反应时间来补偿。若沉积物埋藏太浅，地温太低，有机质热解生成烃类所需反应时间很长，实际难以生成工业数量的石油。随埋藏深度的加大，当温度升高一定数值，有机质才开始大量转化为石油，这个温度界限称为有机质的成熟门限温度，其相应的深度称为门限深度。在地温梯度很高的地区，有机质不用埋藏太深就可以转化为石油和天然气。反之，在地温梯度很低的地区，有机质埋藏很深才能大量转化为油气。此外，有机质类型不同，其有机质成熟度的温度也不同。如树脂体和高硫型干酪根成熟较早。可见，有利于油气生成并保存的盆地应为年轻的热盆地和古老的冷盆地。（二）细菌活动细菌是地球上分布最广、繁殖最快，对环境适应能力最强的一种生物。按其生活习性，可分为三类：喜氧细菌、厌氧细菌、通性细菌。对油气生成来说，最有意义的是厌氧细菌。在还原条件下，厌氧细菌可将有机质中的O、S、H、P等元素分离出来，使碳、氢，特别是氢富集起来，产生CH4、H2、CO2、有机酚和其它碳氢化合物。此外，细菌还可将植物选择性分解，使其中原来合成的大最烃类分离出来，直接埋藏于沉积物中。（三）催化作用在油气生成过程中催化剂的催化作用在于催化剂与分散有机质作用，使后者的原始结构破坏，促使分子重新分布，形成结构稳定的烃类。这种催化剂主要有无机盐类和有机酵母两大类。粘土矿物是自然界分布最广、成本最低的无机盐类催化剂。在实验室用粘土矿物做催化剂在150250下，可以使酒精和酮脱去水或使脂肪酸去羧基，都可以产生类似石油的物质。粘土矿物质的催化能力同其吸附性有关，催化剂表面吸附两种或两种以上物质的原子时，它们便会互相作用而形成新的化合物。蒙脱石粘土催化能力最强，高岭石粘土最弱。有机酵母催化剂能加速有机质的分解。当有酵母存在时，有机质的分解比在细菌活动时还要快很多。实践证明，在富含植物残余的岩石中，酵母的活动性最大。它几乎不需外部能量来源。（四）放射性放射性作用可能是促使有机质向油气转化的能源之一。主要放射性元素有铀、钍和钾。在砂岩和砾岩中的重矿物组份中，这些放射性元素含量高；钾K40在化学盐类含量高；铀和钍在页岩、粘土岩、泥灰岩及其它含大量胶体团块的岩石中含量最大。索可夫认为，放射元素释放出的射线可以产生氢和氧2H2O2H2+O2，O2+CCO2，4H2+CO2CH4+2H2O。甲烷在射线轰击下发生聚合作用产生长链烃类。（五）压力一般认为，高压对于使体积增大的裂解反应是不利的，它可以阻止液态烃裂解为气态烃。如华盛顿油田、巴尔湖油田地层温度均超过200，仍为油藏。可见压力对油气的形成及转化可以起到某些作用。4 有机质演化与成烃模式一、有机质向石油转化的阶段及一般模式生物有机质随沉积物沉积后，随埋深加大，地温不断升高，在还原条件下，有机质逐步向油气转化。由于在不同深度范围内，各种能源显示不同的作用效果，致使有机质的转化反应性质及主要产物都有明显区别，表明有机质向油气的转化具明显的阶段性。主要可以概括为四个阶段：图2-1沉积物有机质镏分的深部热演化模式（一）生物化学生气阶段深度：01500m，温度：1060与沉积物成岩作用阶段相符，相当于碳化作用的泥炭褐煤阶段。主要能量以细菌活动为主。在还原环境下，厌氧细菌非常活跃，其结果是：有机质中不稳定组分被完全分解成CO2、CH4、NH3、H2S、H2O等简单分子，生物体被分解成分子量低的生物化学单体（苯酚、氨基酸、单糖、脂肪酸），而这些产物再聚合成结构复杂的干酪根。（二）热催化生油气阶段沉积物埋深H：15002500m，温度：60180时，进入后生作用阶段，相当于长焰煤焦煤阶段。这时有机质转化最活跃的因素是热催化作用，催化剂为粘土矿物。由于成岩作用增强，粘土矿物对有机质的吸附能力加大，加快了有机质向石油转化的速度，降低有机质成熟的温度。有人研究粘土矿物的催化作用可能使长链烃类裂解成小分子烃，还可造成烯烃含量相对减少，异构烷烃、环烷烃、芳香烃含量相对增多。其中蒙脱石对干酪根热解烃组成和产率的影响最大，伊利石、高岭石的影响较弱。在进入此阶段，干酪根发生热降解，杂原子（O、H、S）键破裂产生二氧化碳、水、氨、硫化氢等挥发性物质逸散，同时获得大量低分子液态烃和气烃，是主要生油时期。国外称为“生油窗”或“液态窗口”。有机质进入油气大量生成的最低的温度界限，称为生烃门限或成熟门限，所对应的深度称为门限深度。需要指出的是，有机质成熟的早晚跟有机质的类型有关，相同条件下，树脂体和高含硫的海相有机质成熟早，腐殖质成熟晚，且以生气为主。（三）热裂解生凝析气阶段H：35004000m，T：180250，进入后生成岩阶段后期，相当于碳化作用的瘦煤贫煤阶段。此时温度超过了烃类物质的临界温度，除继续断开杂原子官能团和侧链生烃外，主要反应是大量CC链断裂及环烷烃的开环和破裂，长链烃急剧减少，C25以上趋于零，低分子的正烷烃剧增，加少量低碳原子数的环烷烃和芳烃。在地下呈气态，采到地上反凝结为液态轻质油，并伴有湿气，这是进入了高成熟期。（四）深部高温生气阶段当深度超过60007000m时，沉积物已进入变生作用阶段，相当于半无烟无烟煤的高度碳化阶段，温度超过了250，已形成的液态烃和重质气态烃强烈裂解，变成最稳定的甲烷，干酪根残渣释出甲烷后，进一步缩聚形成碳沥青或石墨。对不同的沉积盆地而言，由于其沉降历史、地温历史及原始有机质类型的不同，可能只进入了前二或三个阶段，并且每个阶段的深度和温度界限也可能略有差别。在一些地质发展演化史较复杂的盆地，由于某种原因历经多次大的构造运动，生油岩中的有机质可能由于在埋藏较浅尚未成熟就被抬升，后来再度沉降埋藏到相当深度后，方达到成熟温度，有机质可以大量生石油，即所谓“二次生油”。此外，由于源岩有机显微组成的非均质性，不同显微组成的化学成分和结构的差别，决定了有机质不可能有完全统一的生烃界线，不同演化阶段可能存在不同的生烃机制。二、现代油气成因理论新进展（一）未熟低熟油形成机理系指非干酪根晚期热降解成因的各种低温早熟的非常规油气。包括在生物甲烷生烃高峰后，在埋藏升温达到干酪根晚期热降解大量生油之前（Ro0.7%），经由不同生烃机制的低温生物化学或低温化学反应生成并释放出来的液态和气态烃。低熟油生烃高峰对应的源岩镜质组反射率Ro大约为0.20.7%。相当于干酪根生烃模式的未熟和低熟阶段。二十世纪七十年代以来，许多国家和地区相继发现了低熟油气。我国东部渤海海湾、泌阳、江汉、百色、松辽、苏北、柴达木、准噶尔等盆地均发现了低熟油气资源。随后，国外学者对低熟油气的成因机理进行了较多的研究，提出了一些假说和模式。我国对其认识和研究始于二十世纪八十年代初，到目前取得了可喜的进展。其中以王铁冠等人的研究结果最具代表性。他们通过研究，提出了五种不同有机质类型的生烃机理。1树脂体早期生烃在化学组成和分子结构上，树脂体由挥发性和非挥发性萜类馏分组成。挥发性馏分包括单萜、倍半萜和某些二萜烯类，均不易保留在树脂中；非挥发性馏分主要为二萜烯酸类和三萜类，此外还有醇类、醛类、酯类和树脂素等。树脂酸作为含羧基的非烃生物类脂物，其化学成分、分子结构及聚合程度均比干酪根简单的多，树脂酸脱羧基、加氢转化成环烷烃的化学反应所必须的活化能和热力学条件，也较一般干酪根热降解生烃的条件低的多。因此，当干酪根处于未熟低熟阶段时，树脂体可能在低温度条件下率先早期生烃。这已被试验和实际资料证明。2木栓质体早期生烃木栓质体来源于高等植物的木栓质组织。在木栓质组织中，栓化层由木栓脂和蜡质交替叠合而成。木栓脂作为本栓质体的前生物具低聚合度和多长链类脂物的特点，决定了木栓质体可在低的热力条件下，发生低活化能的化学反应，生成并释放以链状结构为主的烃类。3细菌改造陆源有机质早期生烃沉积物在沉积成岩过程中，在适宜的介质环境条件下，大量陆源有机质的存在可以为细菌繁衍提供充足的碳源和能源，而细菌作用的结果又对有机质进行降解改造，细菌类脂物代谢产物的加入，改造了有机质的结构，增加其H/C原子比，提高了富氢程度和“腐泥化”程度，并使有机质热裂解或热降解脱官能团与加氢生烃反应所需要的活化能降低，从而有利于生成低熟油。4高等植物蜡质早期生烃高等植物蜡质是指覆盖于植物茎、叶、花和果实表面的蜡状薄层。其化学组成是一元长链脂肪酸和一元长链脂肪醇所形成的脂类。此外，还含有C21C27奇碳数正烷烃、C24C34偶碳数游离脂肪酸、长链单酮，伯醇和仲醇以及羟酮等。这类化合物生烃反应无须高活化能，可在低温阶段完成。5藻类类脂物早期生烃藻类活体细胞内壁包裹的细胞中具有一些油珠，外壁内镶嵌大小不等的油珠，并不断分泌油状物质。这些油状物质构成藻类的储备类油脂，其主要成分为脂肪酸和烃类，它们在低温化学反应阶段，即可转化成链状烷烃和环烷烃，成为低熟油的主要成分。6富硫大分子有机质早期降解生烃干酪根中不同原子间的键能差别较明显，SS键能最低，其次为SC键，CC键高，干酪根早期低温降解作用只能使SS、SC键断裂。沉积盆地水体咸化至硫酸盐阶段，有硫酸盐沉积，细菌还原硫酸盐可提供一定数量的无机硫与具两个双键的链烯烃有机分子加成反应，形成大量硫化物进入大分子有机质。所以硫酸盐相沉积环境有利于形成富硫大分子有机质，SS：SC键的优先断裂利于低熟油形成。（二）腐殖煤的成烃机理及生烃模式过去人们只认识到煤可产气，不能产油。但自20世纪60年代在澳大利亚、印度尼西亚、加拿大及北海发现了与煤系地层有关的油田后，引起了人们对煤成油的研究兴趣。80年代，我国在吐哈盆地也发现了与侏罗系煤系地层有关的大油田，这引起了国内学者的研究热情。现在人们已普遍承认煤系地层不仅可生气而且可生油。由煤和煤系地层中的有机质，在煤化作用的同时所形成的液态烃，称为煤成油。1褐煤的有机组成及其生烃潜力目前研究认为煤究竟生气还是生油取决于其显微组分，富含富氢显微组分的无定形体、藻质体及其它壳质体的煤均有生成液态烃的潜力。一般认为壳质组生烃潜力最大，镜质组次之，惰质组最差。但深入研究表明，镜质组本身极不均匀的组成，决定了其中某些显微组分可能成为煤成油的主要贡献者。2煤的成烃地球化学特征煤成烃一般具有饱和烃含量高、非烃和沥青质含量低的特点。煤成烃最明显的特征是具有姥鲛烷优势。其它特征还有高碳数峰更突出，CPI值较高；富含三萜烷，具明显的藿烷类和C29甾烷优势；含丰富的各种芳香烃类；碳同位素组成以高13C值为特征，一般为-27.00-25.00。多数出现在-26.50-26.00之间。3生烃模式煤及煤系地层中陆源有机质有两种演化途径，向煤演化称为煤化作用，向生液烃方向演化，称为沥青化作用。沥青化作用结果是产生石油和天然气，另一方面是固体残余物进行芳构化和缩聚作用。煤的不同显微组分沥青化作用在时间上是不一致的，其生烃特征和演化模式存在差异，所以煤中液态烃的生成具多阶段性（见图2-2），使不同演化阶段各种显微组分对生烃的贡献有别。图2-2煤中不同显微组分生烃模式（据程克明等，1995）5 生油层研究与油源对比一、生油层研究能够生成石油和天然气的岩石，称为生油气岩（或烃源岩、生油气母岩），由该类岩石组成的地层，即为生油（气）层。对一个盆地的含油气远景的评价，关键是看生烃层的生烃潜力大小。主要从两个方面进行研究。即地质研究和地球化学研究。（一）生油层的地质研究生油层的地质研究包括岩性、岩相、厚度及分布范围。岩性和岩相决定有机质的含量即丰富程度及其类型和生烃潜能；厚度及分布范围决定有机质的总量决定了烃量，也决定排烃效率。从岩性上看，能够作为生油层的岩性主要有二大类即泥质岩和碳酸盐岩。泥质岩类主要为暗色的富含有机质的泥岩、页岩、粘土岩；碳酸盐类生油层的岩类以灰色、深灰色的沥青灰岩、隐晶质灰岩、豹斑灰岩、生物灰岩、泥灰岩为主。从沉积环境或岩相看，一般在利于生物大量繁殖、保存，且利于生油岩发育的环境最有利。这样的环境只有深水和半深水湖相及浅海相，沼泽相则主要为成煤环境。从生油层的厚度及分布看，分布面积越大，厚度越大，有机质的总量越大，则生烃量越大。但单层厚度很大的块状泥岩因往往欠压实，产生超压，会抑制生烃能力，不利于排烃。研究认为，粘土岩层厚3040m，砂层单层厚1015m，二者显略等厚互层的地区，生储岩接触面积大，最利于石油的生成与聚集。可见，生油层厚度太小了不好，太小了也不好。（二）生油层的地球化学研究主要利用各种地球化学指标，评价生烃潜力。主要包括丰度指标、成熟度指标、类型指标等。1有机质的丰度指标岩石中有足够数量的有机质是形成油气的物质基础，是决定岩石生烃潜力的主要因素。有机质丰度指标主要有有机碳含量（TOC）、岩石热解参数、氯仿沥青“A”和总烃（CH）含量等。（1）有机碳含量（TOC）系指岩石中残留的有机碳含量，以单位重量岩石中有机质的重量百分数表示。由于生油层内只有很少一部分有机质转化成油气，大部分仍残留在生油层中，且碳又是有机质中所占比例最大、最稳定的元素，因此剩余有机碳含量能够近似地表示生油岩内的有机质丰度。岩石中剩余有机碳与剩余有机质含量之间存在一定的比例关系，一般将剩余有机质碳乘以1.22（或1.33）即为剩余有机质的含量。我国东部中新生代陆相淡水一半咸水沉积盆地，主力生油岩的有机碳含量均为1.0%以上，平均为1.2%2.3%，最高达2.6%。尚慧芸研究认为，我国中新生代主要含油气盆地暗色生油岩的有机碳含量的下限为0.4%，较好生油岩为1%左右。一般碳酸盐岩比泥质岩低。Humt测定的结果碳酸盐岩的平均值仅为0.17%。所以两者的评价标准不同。阵建平的评价标准生油岩级别泥岩（%）碳酸盐岩（%）差0.58.01.002.00（2）氯仿沥青“A”和总烃（HC）含量氯仿沥青“A”是指岩石中可抽提的有机质含量；总烃为沥青“A”中的饱和烃和芳香烃含量。我国陆相生油层的氯仿沥青“A”均0.1%，一般在0.10.3%，较好的生油岩为0.10.2%；总烃41010-6，平均为550180010-6，好的为100010-6，较好50010-6。此外，不少学者还利用热解参数、氨基酸含量作为评价有机质丰度指标，不再此详述。2有机质的类型有机质的类型不同，其生烃潜力及产物是有差异的。一般认为型干酪根生烃潜力最大，且生油为主，型生烃潜力最差，且以生气为主，型介于两者之间。3有机质的成熟度是指有机质向石油和天然气的热演化程度。它显然是评价生油岩生烃能力的重要指标。常用的指标有TTI、镜质组反射率、热变指数、孢粉碳化程度、热解参数、可溶抽提物化学组成。此外，还有饱和烃组成、自由基含量、干酪根颜色、H/CO/C原子比关系、生物标志物等。这里主要介绍常用的几个指标。（1）镜质组反射率（R0）镜质组是一组富氧的显微组份，由泥炭成因有关的腐殖质组成，具镜煤（或煤素质）特征，其结构为以芳香烃为核，常有不同的支链烷基。在热演化过程中，链烷热解析出，芳环稠合，出现微片状结构，芳环片间距逐渐缩小，致使反射率增大，透射率减小，颜色变暗，这是一种不可逆反应。镜质组反射率与成岩作用关系密切相关，热变质作用愈深，镜质组反射率愈大。R02.0%，无油气生成（2）热变质指数（TAI）它是一种在显微镜下通过透射光观测到的由热引起的孢粉、藻类等颜色变化的标度，按颜色变化确定有机质的演化程度，共分5个级别：1级黄色，未变化2级桔色，轻微热变化3级棕色或褐色，中等热变质4级黑色，强变质5级黑色，强烈热变质，伴有岩石变质现象油气生成的热变质指数介于2.53.7之间。（3）干酪根颜色及H/CO/C原子比关系。主要根据干酪根的颜色，结合H/CO/C原子比关系图（图2-1、2-2），来判断其转化程度，一般其颜色从暗褐色至深褐色标志着最大量生成正烷烃的区间，残渣H/C原子比约为0.80。（4）正烷烃分布特征和奇偶优势比由于有机质成熟转化是一个加氢裂解的过程，随着热演化作用的加强，氧、硫、氮等杂质元素含量显著减少，碳链破裂，正烷烃的低碳组份含量增高，正烷烃分布曲线显示主峰碳数小，曲线平滑，尖峰特征明显，代表成熟度高。岩石抽提物中奇、偶碳原子正烷烃的相对丰度，称为正烷烃奇偶优势比，有两种表示方法：CPI值以C29H60为中心，将C24H50到C34H70的百分含量Ci代入下式计算： （2-2）在近代沉积物中，奇数正烷烃有明显优势，CPI均匀分布在2.45.5之间。在岩石有机质抽提物中，CPI值2.1，表示奇数正烷烃略占优势，说明岩石中有机质向石油转化程度高。OEP是取主峰碳前后5个相邻之正烷烃的重量百分数。 （2-3）二者计算结果差不多。（5）TTI以后再讲二、油源对比油气生成后要运移，确定其来源和运动轨迹是油气远景评价的主要方面之一。油源对比包括了油气来源与源岩的对比及不同油层之间的对比。目的是追踪油气，确定油气与源岩的成因联系、油气运移方向、距离和次生变化，从而圈定可靠的油、气源区，确定勘探目标，有效地指导油气勘探开发。油源对比是基于同一源岩的油气在化学组成上具相似性，而不同源岩的油气则表现出较大