2-1油气成因概述

1 石油天然气地质与勘探 主讲人 蒋有录中国石油大学 华东 油气资源系 2 石油天然气地质与勘探 绪论第一章石油 天然气 油田水的基本特征第二章石油和天然气的成因第三章储集层和盖层第四章石油和天然气的运移第五章油气聚集与油气藏的形成第六章油气藏的类型及特征第七章油气聚集单元与油气分布第八章油气资源评价与勘探理论技术第九章油气田勘探的程序和任务 2 油气成因概述油气生成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 4 第一节油气成因概述 油气成因 油气藏形成 油气分布规律 是石油地质学的三大研究课题 而油气生成是其中的根本性问题 要进行油气勘探工作 需要选择有利的勘探区和有利层位 首先必须解决盆地的油气生成问题 油气成因问题 在原始物质 客观环境及转化条件等方面 长期存在争论 5 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 6 油气成因争议的原因 1 油气是流体 可运移 非原地矿藏 即产油气地 生油气地 2 化学成分复杂 3 原始母质 油气 4 涉及学科多 7 两大成因学派 无机成因说 石油及天然气是在地下深处高温 高压条件下由无机物通过化学反应形成的无机物 C H O Fe 油气 有机成因说 油气是在地球上生物起源之后 在地质历史发展过程中 由保存在沉积岩中的生物有机质逐步转化而成 生物有机质 油气 根据在生油气原始物质问题上观点的差异 8 自俄国著名化学家 门捷列夫于1876年提出油气成因的 碳化物说 以来 有关油气的无机成因研究 一直有研究者在不断的探索 综观不同研究者的成因说归纳起来可以分为两大类 一 泛宇宙说 二 地球深部的无机合成说 一 油气无机成因说 9 一 泛宇宙说 包含烃类在内的有机化合物是在宇宙天体的无机演化过程中形成的 在地球形成时就包含有有机物 陨石和行星中普遍发现了很多有机化合物 地球火山喷气和幔源岩浆岩中存在有机包裹体等 是这一类成因说的主要证据 一 油气无机成因说 10 二 地球深部的无机合成说 油气是在地球的深处 由于高温 高压和催化剂的作用下由H2O CO2 H2等简单无机物反应形成的 一 油气无机成因说 11 一 泛宇宙说 1 宇宙说 由俄国学者 索可洛夫于1889年10月3日在莫斯科自然科学研究者协会年会上首次提出 碳氢化合物是宇宙间固有的 在地球呈熔融状态时 碳氢化合物就包含在它的气圈中 随着地球冷凝 碳氢化合物被冷凝岩浆吸收 最后 它们凝结于地壳中而形成石油 证据 彗星等天体上发现了碳氢化合物 12 基本论点为 在天体中碳和氢的储量很大 因此同样可以假设这些元素在地球上也很丰富 由碳 氢合成碳氢化合物出现在天体发展的早期阶段 同其它天体一样 地球上形成的碳氢化合物后来为岩浆所吸收 当岩浆进一步冷却和体积收缩时 包含在其中的碳氢化合物就沿断裂或裂隙分离出来 13 基性岩浆中存在C H O等元素 随其冷却时可化合为碳氢化合物 证据 岩浆岩 变质岩中相继发现油气藏 基性岩浆中发现天然气 1949年 前苏联 库德梁采夫 岩浆说 14 T Gold 1993 地球深部存在着大量在地球形成时就已大量存在的甲烷及其它非烃气体 在地球演化过程中 这些气体从地球深部被加热而通过深大断裂等通道或伴随火山活动释放出来并向上运移 部分保存在地壳和上地幔中 形成天然气藏 部分逸散到大气圈中 目前火山岩气藏正越来越多地被发现 东太平洋海隆 红海 冰岛 中国五大连池 云南腾冲等火山岩区均有这类成因的天然气 实验及理论研究也表明 地球深部存在非生物成因的甲烷等气体 2 地幔脱气说 15 1 碳化物说 门捷列夫 1876地球内部水与重金属碳化物相互作用 可以产生碳氢化合物3FemCn 4mH2O mFe3O4 C3nH8m地球形成时期 温度很高 使碳和铁变为液态 互相作用而形成碳化铁 由于它们比重较大 保存在地球深处 后来 地表水沿地壳裂隙向下渗透 与碳化铁作用产生碳氢化合物 后者又沿着裂隙上升到地壳部分 冷凝形成石油 并在孔隙性岩层中聚集成油藏 或浸入岩石形成油页岩 藻煤及其它含沥青岩石 或在地表附近受氧化形成地沥青等产物 无法证实地球的深部存在金属碳化物 二 地球深部的无机合成说 16 2 高温生成说 切卡留克 1971 根据合成金刚石的实验 用装满矿物混合物 方解石 石英 六水泻盐等 代替石墨反应器 在高压6000 7000MPa和高温1800oK下 几分钟后由反应器中分离出易挥发组分 包括甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 戊烷 己烷及少许庚烷 在深约150公里的上地幔古顿堡层内 在温度超过1500oK 压力5000MPa下 由于有FeO及Fe3O4的参与 H2O与CO2还原而成烃类 在强烈褶皱作用时 深部石油进入地壳沉积岩 并由低分子烃转化为高分子烃及环状烃 17 耶兰斯基 1971 橄榄石的蛇纹石化作用可以产生烃类 3 Fe Mg 2 SiO4 7H2O SiO2 3CO2 2Mg3 OH 4 Si2O5 3Fe2O3 C3H6 Q 热 在埋深22 40km的地壳玄武岩层底橄榄岩发育带 若上覆地壳深坳陷发生张裂 水沿断裂渗入下部橄榄岩发育带 从而发生橄榄石蛇纹石化作用 生成烃类的又沿着断裂而进入沉积岩 证据 某些油田分布于蛇纹岩及强烈蛇纹岩化的橄榄岩中 3 蛇纹石化生油说 18 4 费 托地质合成说 化学家R Robinson 1963 1966 地球上原始的石油可能是20亿年前通过如下费 托反应生成的 证据 原油中正构烷烃的分布与费 托合成油中的相同 世界油气的一半以上与板块俯冲及其相联系的各种断裂有关 催化 费 托反应最适宜的部位 俯冲板块的接触带 蛇绿岩推覆体中 裂谷作用所薄化的地壳中 费 托反应合成的烃类伴随着断裂岩浆活动上升 并运移到储集层中形成油气藏 19 二 油气有机成因说 2 维尔纳茨二十世纪二十年代初期系统研究了有机质的地质作用 地球化学概论 和 生物圈 详细论述了石油的有机组成和石油有机成因的主要依据 提出了碳循环的模式 油气有机生成学说的建立是一个漫长的过程 许多研究者进行了探索 取得了卓有成效的成果 1 最早 十八世纪中叶 罗蒙诺索夫 石油是煤在地下高温蒸馏的产物 蒸馏说 20 3 1932年古勃金提出 混成说 含有各种类型的分散有机质的淤泥 在成岩早期产生分散状态的石油 微石油 在压实过程中和水一起进入储层 形成油气藏 早期有机成因说 21 植物说 动植物 混合说 脂肪说 碳水化合物说 蛋白质说 4 特雷布斯 Treibs1933 首次发现并证实了卟啉化合物广泛存在于不同时代 不同成因的石油 沥青等中 认为 卟啉化合物来源于植物叶绿素 石油有机成因重要依据 有机说的盛行期 22 5 20世纪50年代美国P V Smith 1952 1954年间 前苏联B B 维尔别成功地从现代海洋沉积物中分离鉴定出微量类似于原油的烃类化合物石油是有机质在沉积物 埋藏成岩 早期生成的 是许多海相生物遗留下来的天然烃的混合物 沉积物所含原始有机质在成岩过程中逐步转化为石油和天然气 并运移到邻近的储集层中去 有机成因早期生油说 23 6 20世纪60年代中期 色谱技术广泛采用 1 Bray等 1961 现代沉积物和生物体中的正烷烃碳数分布具奇偶优势 正脂肪酸碳数分布具偶奇优势 而古老沉积岩和原油 或油田水 中不具此优势 有力地批判了沉积有机质直接成油说 揭开了有机质成岩演化机理及其石油形成关系研究的序幕 25 2 阿贝尔松 P H Abelson 1963 石油是沉积岩中占有机质70 90 的不溶部分 干酪根 经过一定的埋藏演化 在成岩作用晚期 经热解产生的 干酪根热解成油说 有机成因晚期成油说 3 菲利皮 Phillippi 等 1965 沉积有机质大量转化成烃类需要一定的埋藏深度和温度 4 瓦索伊维奇 Vassoevich 1969 石油生成有一主要阶段和主要相 27 7 20世纪70年代 1 70年代初 法国著名地球化学家蒂索Tissot等建立了干酪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 总结了油气形成 演化与分布规律 石油生成的现代成因理论已基本建立起来了 它不仅符合客观地质事实 逐渐为广大的石油地质工作者所接受 而且在指导油气勘探中发挥了重大作用 28 地壳中液态烃 石油 存在的温度范围 液态窗 2 1973年 普西 Pusey 发现 液态烃主要分布于65 6 148 9 地温间 高于此温度大部分为凝析气田 气田 干气田 低于温度则为生物成因气 提出了 地温窗 和 液态窗 的概念 29 3 阿尔布莱切特 Albrecht 和杜兰德 Durand 等 1976 对喀麦隆杜阿拉盆地白垩系一个未成熟 成熟到过成熟的完整有机质演化剖面进行了研究 迄今最好的有机质演化研究实例之一 20世纪80年代以来 未 低成熟 石油 煤成烃理论 30 31 实验表明 可由无机物合成烃 nCO2 2nH2 CH n nH2O 费 托反应 火山喷出的气体和熔岩流中含有烃类 一 无机说主要证据 三 两种成因学说的主要证据 32 许多天体上存有烃类 甚至植烷 姥鲛烷 卟啉 旋光性 石油的旋光性可由非旋光物质合成 卟啉也可无机合成 况且 这些成分还可以是石油运移中从外界攫取的 一 无机说主要证据 三 两种成因学说的主要证据 33 生命起源于烃类 已知甲烷和氨可合成氨基酸 后者经热缩合又可成为蛋白质 生命的基础物质 远在生物出现之前 石油已存在 一 无机说主要证据 三 两种成因学说的主要证据 34 石油的分布常受断达上地幔的深断裂控制 深断裂正是烃类向上运移最好的途径 有机说难以解释储量巨大的石油聚集 例如 加拿大西部沥青砂岩重质油储量达一千亿吨 但沉积岩中有机质含量很低无法形成诺大的烃量 一 无机说主要证据 35 90 以上的石油产于沉积岩中 而大片岩浆岩 变质岩区无石油产出 从来没有人到没有沉积岩的地方找石油 二 有机说主要证据 36 从前寒武到第四纪的各时代沉积岩中 都找到了石油 但在各时代地层中分布不均匀 且与各时代沉积岩中有机物的总量成正比 二 有机说主要证据 37 在近代海湖相沉积中发现了有机质向石油 天然气转化的过程 二 有机说主要证据 38 各地 各时期 石油既有相似性又有区别 石油具有旋光性 二 有机说主要证据 39 石油烃类中 有一些组分的结构与生物某些组分的结构具有相似性 生物标志化合物 二 有机说主要证据 40 石油主要分布于地温小于150 的中浅层 说明其是在相对低温的条件下形成的 二 有机说主要证据 41 油气的成因是