课件：石油天然气地质第二章.ppt

石油天然气地质与勘探,任课人：逄 雯 山东胜利职业学院,油气成因概述 生成油气的原始物质 油气生成的地质环境与物理化学条件 有机质成烃演化模式 天然气的成因类型及特征 烃源岩特征与油源对比,第二章 石油和天然气的成因,石油天然气地质与勘探,第一节 油气成因概述,一、油气无机成因说 二、油气有机成因说 三、两种成因说的主要证据?,回顾上节课内容,第二节 生成油气的原始物质,一、生物有机质 二、沉积有机质 三、干酪根,生物有机质沉积有机质油气,一、生物有机质及其化学组成,生物有机体的基本有机组分： 脂类 蛋白质 碳水化合物 木质素、丹宁,油气现代有机成因理论指出，油气起源于生物有机质，生物有机质先经水体分解，进入沉积物，形成沉积有机质，然后在适宜的温压等地质条件下向油气转化。,通过沉积作用进入沉积物中并被埋藏下来的那部分有机质,生物种类来源 沉积有机质的生物种类来源首先是浮游植物，其次是细菌、高等植物、浮游动物。,若干生物化学聚合物的结构示意图 (据A.Y.Huc,1980),（一）脂类（类脂化合物）,是生物体在维持其生命活动中不可缺少的物质之一。它包括所有生物合成有机质中，不能溶于水，但能溶于有机溶剂的物质，如：脂肪、有机酸、甾萜类化合物、蜡、色素等。 主要赋存于 低等植物（细菌、藻类）和 动物 中 蜡主要来自陆生植物。 类脂物质的特征是抗腐力较强，能在各种地质条件下保存起来。其元素组成和分子结构最接近于石油烃，是生成油气的主要原始物质。 最主要的生油母质,（一）脂类（类脂化合物）,是一切生物体的基本组成部分，在动物组织中含量最高，低等植物中含量高于高等植物。 蛋白质是一种羧酸，是由多种氨基酸组成的高度有序的聚合物，是生物体中一切组织的基本组成部分，是生物赖以生存的基础。 在生物体的细胞中，除水外，80%以上的物质为蛋白质，蛋白质约占动物干重的50%。 蛋白质是生物中N的主要载体。 蛋白质的化学性质不稳定，在脱离生物体进入水体、土壤及沉积物之后会很快分解为氨基酸，氨基酸的性质相对较稳定。氨基酸通过脱羧基和安吉可以转化为烃类，也可以通过缩合反应形成化学结构更为复杂的地质聚合物。,（二）蛋白质氨基酸聚合物,较有利于生油，是石油中低C数烃和含N化合物的主要来源。,（二）蛋白质氨基酸聚合物,化学性能不稳定，经水解、低温热解等过程可生成低C数烃和含N化合物。,多羧基醛或所算计酮及其形成的缩合产物。 又称醣类，是生物体的重要组成之一，几乎所有动植物、微生物中都含醣类，植物中含量更高。碳水化合物的元素组成为C、H、O 碳水化合物被氢还原后可以得到烃类，另一方面碳水化合物易被各种微生物分解利用而转化为微生物有机体，或被微生物利用直接转化为甲烷气体，而参与油气的生成。,（三）碳水化合物醣类,（三）碳水化合物醣类,易被水解为水溶物或被菌解，难保存。非主成油物质 纤维素可成煤，其次可能是芳烃和天然气来源之一 主要来源于植物。,（四）木质素、丹宁,木质素,木质素仅存于高等植物中，为高等植物木质部分的基本组成，是一种芳香簇高分子化合物，抗腐能力强（纤维素），是成煤的主要物质，也可生成天然气和芳烃。 性质稳定，不易水解，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，木质素分解，可与其他化合物生成腐殖质。,（四）木质素、丹宁,木质素,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，还有一系列酚类和芳香酸及其衍生物广泛分布在植物中。它们是沉积有机质中芳香结构的主要来源，也是成煤的重要有机组分。,不同生物所含的生物化学组分是不同的，因而在不同地质历史时期和不同沉积环境中，由不同生物所提供的有机质组成和特征也是不同。 植物富含碳水化合物，动物富含蛋白质，脂类这生物体中含量变化较大，一般在动植物、低等植物和高等植物的某些组织中有较高的含量。木质素是高等植物的特征组分。 不同类型生物提供生油母质的地位不同：浮游生物是地质历史中有机质的主要提供者细菌高等植物浮游动物；大型水生动物、陆生动物忽略不计。,一、生物有机质及其化学组成,生物体的有机组分对比表,据估算：每年海洋中低等浮游植物繁殖量5000亿吨，若有0.8%保存于沉积物中，即大约有40亿吨埋于沉积物中，若其中有1%转化为石油，即为4000吨油/年。那么从三叠纪至今1.7亿年中，就可生成6800亿吨。这个估算很粗略，但用它来说明成油所需的生物量是足够的。,通过沉积作用进入沉积物中并被埋藏下来的那部分有机质称为沉积有机质，称为沉积有机质，又叫地质有机质。 生物体 死亡 分解（化学，细菌） 气态的水溶成分 而散失 吞食 保存于沉积物中（只占0.8%左右）,二、沉积有机质,近2000a来黑海中有机质的估算,海洋中的微体生物,原地有机质主要来源于盆地自身。 异地有机质经河流、风等自陆携带入盆。 再沉积有机质已沉积的有机质由于岩石风 化等因素再次沉积。,（一）沉积有机质的来源,（二）沉积有机质的沉积保存条件,生物产率高，有足够数量的原始有机质 丰富的生物是沉积有机质富集的物质基础 沉积环境中生物有机质的供应，主要取决于生物的发育程度，而适宜的的温度、充足的光照、湿润的气候和丰富的营养物质的供应又是生物发育的先觉条件。 内陆沼泽、大型富营养湖泊、相对封闭的小洋盆地和浅海大陆架地区都有利于生物发育。,有利于生物生存和有机质保存的低能还原性环境，水体底部的缺氧环境和适时的埋藏掩盖是有机质保存的必要条件。 生物有机质进入沉积物的主要途径： 1.直接通过自由沉降方式沉积到水底，颗粒和密度大的有机碎屑 2.分散装的小颗粒有机质只有通过与粘土矿物吸附结合成较大颗粒才能沉降。,（二）沉积有机质的沉积保存条件,及时的埋藏保存条件 适合的沉积（堆积）速率 1、沉积速度沉降速度，水体急剧变浅，有机质不利保存 2、沉积速度沉降速度，水体急剧变深，生物有机质的下沉过程很漫长，容易被各种因素所破坏 3、沉积速度等于沉降速度，一定深度的稳定水体利于保存。 盆地持续下沉,（二）沉积有机质的沉积保存条件,油气起源于生物物质，而其主要组成要经历深刻的转化才能成为油气，这个转化就是从生物有机质进入沉积有机质开始的。生物死后其遗体将受到化学分解和细菌分解，大部分成为气态或水溶液而逸散掉，部分还遭受生物吞食，真正进入到沉积物中去的只是一些生物物质中稳定成分，如几丁质、孢粉、树脂等，以及一些新生成的复杂分子。也就是说石油天然气的原始物质仍以沉积岩中的分散有机质为主，沉积有机质经历了复杂的生物化学及化学反应，通过腐泥化及腐殖化形成干酪根（Kerogen），成为石油天然气的先驱。,三、干酪根 Kerogen,25,三、干酪根 Kerogen,可溶性有机质（可溶性沥青）：烃，含N.S.O化合物 不溶性有机质：干酪根 （占总量的7090%或更多）,生物有机质,沉积有机质,26,三、干酪根 Kerogen,干酪根：指沉积岩中不溶于非氧化性的酸、碱和常用有机溶剂的分散有机质。,Kerogen在沉积岩中呈分散状态存在，是一种分散有机质，主要存在于粘土岩、泥晶碳酸盐岩中。 通常，用氢氟酸处理岩样，即可分离出Kerogen。棕色到黑色粉末，镜下观察可以呈球状、棒状、无定形等。,27,三、干酪根 Kerogen,干酪根：指沉积岩中不溶于非氧化性的酸、碱和常用有机溶剂的分散有机质。,形成：干酪根的形成从生物体衰老期间有机组织开始发生化学和生物降解转化，大分子聚合物部分或完全被分解，形成单体分子，它们构成新的地质聚合物，形成干酪根前驱，在成岩作用过程中，地质聚合物变得更大，更复杂形成干酪根（主要由C、H、O和少量S、N组成）。干酪根在沉积有机质中含量可介于70-90%或更高。,干酪根的形成可分为两步： 有机质转化为地质聚合物： 地质聚合物转化成干酪根：,（一）干酪根的形成,干酪根的形成可分为两步： 有机质转化为地质聚合物： 在生物体衰老期间，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部分或完全被拆散，形成一些单体分子，它们或遭破坏或通过腐殖化作用构成一些新的结构不规则的大分子，即地质聚合物。,（一）干酪根的形成,干酪根的形成可分为两步： 地质聚合物转化成干酪根： 地质聚合物变得更大、更复杂、结构欠规则；至埋藏到数十或数百米后，具很大分子量的干酪根才真正发育起来。,（一）干酪根的形成,干酪根的形成及演化,干酪根在沉积岩中分布广泛，是地球上有机碳最普遍的一种存在形式。 据测定 ：沉积岩中干酪根的平均含量为：0.3%；地球上的干酪根含量约为：1016吨 而地球上煤和石油的储量分别为： 煤：51012吨 占干酪根总量的 1/600 油：0.21012吨 占干酪根总量的 1/1500,（二）干酪根的数量和分布,干酪根是地球上有机质分布最广泛的形式，是煤和液态石油的1,000倍和非储集岩岩石中分散天然沥青的50倍（Hunt，1972；TissotWelte，1978）。应该承认，干酪根是最主要的原始成烃物质，但并非原始成烃物质的全部。应该说形成油气的原始物质是沉积有机质，而不仅是干酪根。,在古代生油岩有机质中，干酪根含量一般在90%70% 。 干酪根是沉积有机质的主体，约占总有机质的8090% 。 干酪根在地层中的数量是很充足的，足以生成大量石油和天然气。但不同沉积盆地中干酪根含量有较大的差别，而不同类型的干酪根的生油潜力也不同。,（二）干酪根的数量和分布,复杂高分子聚合物，无固定化学成分。 C12H12ON0.16S0.43X,（三）干酪根结构和化学组成,主要由C、H、O和少量S、N元素组成，平均重量百分数分别为76.4%、6.3%、11.1%、3.65%、2.02%，即C、H含量比石油低，O、S、N含量比石油高得多。,1.干酪根的化学成分,1）干酪根由核和链桥交联而成。链桥一般为脂肪链、含硫、或含氧官能键，核和链桥表面可有些官能团。 2）核由24个基本砌块组成。 3）基本砌块一般包含两层芳香族片状体。,2.干酪根结构,（三）干酪根结构和化学组成,核，可以是单环、或缩合环、芳香环或脂族环，含硫或含氮的杂环(核间由不同类型桥键连接成三维主体结构，核表面再连结各种基团)； 桥键，有脂肪族碳键-(CH)n-；含氧或含硫的官能键，-C-（酮），-C-O-（酯），-O-（醚键），-S-（硫键），-S-S-（二硫键）； 官能团，有羟基（-OH），羧基（-COOH），氧甲基（-OCH3）等； 结构间隙中，可截获的各种类型的游离分子。,2.干酪根结构,（三）干酪根结构和化学组成,(据法B.P.Tissot等，1978) A-微弱演化；B-强烈演化,干酪根的结构呈三维网状系统，由多个核被桥键和各种官能团联接而成。,（三）干酪根结构和化学组成,2019/8/5,39,可编辑,（四）干酪根的显微组成,在各种显微镜下观察干酪根可以发现，干酪根是由颜色、形态和结构各异的显微组分组成的。,以透射光为基础的干酪根显微组分分类,1、显微组分的来源及生油潜力,主要存在于、型干酪根中，其反射率（Ro）可以反映成岩作用强度，烃源岩经历的时间温度史及有机质演化成熟程度。最初煤岩学家将Ro用于煤的研究，以确定煤演化阶段： 泥炭褐煤烟煤无烟煤 Ro：0.5%0.5%1.0-1.5%2.5% 后来将Ro引入烃源岩研究中，用以反映有机质向油气转化程度。例如：型干酪根 Ro：0.5%0.5-1.3%1.3-2.0%2.5% 有机质未熟成熟高熟过熟, 镜质组,藻质体(Alginite)： 具有一定结构的藻类遗体。有较完整的形态，轮廓清晰。透射光下黄色、黄褐色、淡绿黄色。在反射光下呈深灰色，有微突起。有强烈荧光性。,2、各显微亚组分的特征,无定形体(Amorphous)： 水生生物(如藻类)彻底分解的产物，在镜下无一定形状，多呈不规则的团块、絮状或云雾状结构，透射光下颜色为鲜黄、褐黄、褐色，透明至不透明。 成因 有多种解释,藻类体1（腐泥组） 800 ,藻类体2（腐泥组） 80 ,孢粉体(Sporo-pollinite)：草本、木本、水生和陆生的孢子花粉体。常呈圆形、椭圆形、三角形、多角形等单体，有时呈结合体，表面具有各种纹饰或突起，颜色从黄绿色至棕褐色。 角质体(Gutinite)：来源于植物表皮组织，通常由一层细胞构成，包裹着叶、草木茎、芽和幼根。镜下多呈细长带状，外缘平滑，内缘呈锯齿状、波纹状。,2、各显微亚组分的特征,树脂体(Resinite)：形状很多，常呈椭圆形、纺锤状，轮廓清晰，没有结构，镜下多呈柠檬色。 木栓质体(Suberinite)：具有明显的细胞壁和细胞腔结构。细胞似板状、大网格状，排列规则，细胞之间无间隙。轮廓线一般较平直。颜色为黄色、褐黄色。 壳质组的显微组分虽多，但在干酪根总量中仅占2-10%。,2、各显微亚组分的特征,孢子体1（来自菌类）， 反射荧光下观察，600,小孢子体1，160,角质体（壳质组） 800,木栓体（壳质组） 60,结构镜质体(Telinite)： 具较清晰的木质结构，即使经强烈分解后仍可用颜色区分出细胞痕迹的凝胶化组分。,2、各显微亚组分的特征,无结构镜质体(Colinite)：经强烈分解后，细胞结构完全消失的凝胶化组分通称无结构镜质体。在透射光下常呈均匀长条板块状、小块段、不规则或规则的条带状，颜色大多为橙红色至褐红色，透明至半透明。因这种显微组分是典型的腐殖质，结构比较均一，故常用来测定反射率值。,丝质体(Fusinite)：高等植物木质部分经强烈炭化而成。形状有断块状、碎片状、条带状、卵圆状。在透射光下为黑色，不透明。,2、各显微亚组分的特征,结构镜质体1 （多无荧光）,胶质镜质体,丝质体（惰质组） （亮点：无机矿物）,由于干酪根的组成受形成环境和原始有机质来源的控制，所以在客观上存在着不同的类型。干酪根的类型问题是生油母质的质量问题，它既控制了干酪根的演化方向，又控制了烃类的生成速度和数量。,（五）干酪根的分类,根据原始生物和成矿方向的不同，有机质分：,这种分类方法过于简单, 1、显微组分分类 根据干酪根中各显微组分的相对含量来划分干酪根的类型, 1、显微组分分类 根据干酪根中各显微组分的相对含量来划分干酪根的类型,2、元素组成分类,蒂索等人以干酪根的元素组成为依据，利用C、H、O三个主元素的H/C、O/C原子比，借助范氏(D.W.Van Krevelan)图解，将干酪根分为三种类型：型、型、型干酪根。 图中红粗线代表同一干酪根随埋深增加，它的演化路径。,干酪根类型范氏图 （据Tissot和 Welte，1984简化）,蒂索（1974）用Van Krevalen图解，根据干酪根中碳、氢、氧元素分析可分为三类： I型（也称腐泥型）：原始氢含量高，氧含量低，H/C介于1.25-1.75，O/C介于0.026-0.12，含类脂化合物为主，直链烷烃含量多，多环芳烃及含氧官能团很少，可以来自藻类堆积，也可来自细菌强烈改造的有机质，生油潜能大，相当于藻质体； II型：原始氢含量较高，但低于I型，H/C介于0.65-1.25，O/C介于0.04-0.13，以高度饱和的多环碳骨架为主，中等长度直链烷烃和环烷烃居多，源于海相浮植物和微生物的混合有机质，生油潜能中等，相当于壳质体、角质体、树脂体、脂质体。 III型（也称腐殖型）：原始氢含量低和氧含量高，H/C介于0.46-0.93，O/C介于0.05-0.30，以多环芳烃及含氧官能团为主，主要源于高等植物，生油不利但利于生气，相当于镜质体、惰质体。,2、元素组成分类,I型干酪根：,原始H/C原子比高1.251.75，O/C低0.0260.12 链状结构多，富含类脂和蛋白质分解产物。芳香结构和杂原子键含量低。 主要来源于藻类等水生低等生物和细菌遗体，富C12；显微组分主要是腐泥组。 。 生油潜能大，最主要生油母质。 通常形成于静而少氧的浅水环境中沉积的富有机质淤泥中如泌阳凹陷核桃园组（第三系）；松辽青山口组一段（白垩系）,I型干酪根,型干酪根：,原始H/C原子比0.651.25，O/C原子比0.040.13 含大量中等长度直链烷烃和环烷烃，也含多环芳香烃及杂原子官能团。 主要来自海相浮游生物、植物和微生物 混合有机质 生油潜能中等。 例：东营凹陷ES3烃源岩,型干酪根,型干酪根,原始H/C原子比低0.460.93，O/C高 0.050.30 芳香结构及含氧官能团多；饱和烃很少，只含有少数的脂族结构，且主要为甲基和短链，常被结合在含氧基团上。 主要来源于陆地高等植物，富C13 。 生烃潜力低，主要可形成煤、芳烃、天然气。 如陕甘宁侏罗系延安组烃源岩,型干酪根,一般将有机质分为四种类型: 腐泥型（） 腐殖腐泥型（1 ） 腐泥腐殖型（ 2） 腐殖型（）,在实际应用中真对不同的研究对象有过一些变通处理。如有的将型再细分为两个亚类，将更接近型者划为A型，而更接近型者为B型；也有的将、型范围扩大，再细分为A、B型和A、B型，同时也就将型局限在较小的范围。,根据氢指数IH和氧指数IO的关系确定有机质类型参数。,4、应用岩石热解参数划分干酪根类型,游离烃（S1）、热解烃（S2）、CO2（S3）、 最大热解峰温（Tmax）,氢指数IH ：IH=S2/有机碳含量,氧指数IO ：IO=S3/有机碳含量,岩样加热分解： S1：吸附烃，自然条件下干酪根热解产生 S2：干酪根热解烃 S3：二氧化碳及其它含氧化合物 Tmax：最高热解峰温 氢指数IH ： S2 /有机碳 氧指数Io ： S3 /有