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、油气成因有争议的原因二、两大成因学派三、油气无机成因说四、油气有机成因说五、两种成因学说的主要证据,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。,一、油气成因有争议的原因,二、两大成因学派,（一）泛宇宙说（二）地球深部的无机合成说,三、油气无机成因说,四、油气有机成因说,早期有机成因论晚期有机成因论,1973年，Pusey：“地温窗”和“液态窗”20世纪80年代以来：“未低成熟”石油；煤成烃理论,沉积有机质馏分的深部热演化模式,17,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,（一）生物有机质类型生物体的有机组分,（二）沉积物（岩）中的沉积有机质,我国主要大型陆相湖盆的发育特征,（三）干酪根Kerogen,1.干酪根的形成及演化,图：干酪根数量与化工燃料最大资源的比较,2.干酪根的分布,干酪根的元素含量分布(据B.Durand&J.C.Monin,1980，修改)横座标：元素含量/样品重量，%；纵座标：频率，%。N-样品数；m-平均值；a-碳；b-氢；c-氧；d-有机硫；e-氮,（2）干酪根的结构,绿河页岩干酪根结构图解(据法B.P.Tissot等，1978)A-微弱演化；B-强烈演化,黄县褐煤有机质结构模型（秦匡宗等，1990）,我国某些陆相油源层中干酪根元素组成(胡见义，黄第藩，1991),4.干酪根的显微组成,以透射光为基础的干酪根显微组分分类,各显微组分的来源及生油潜力,镜质组,藻类体（腐泥组）800,孢子体1（来自菌类），反射荧光下观察，600,角质体（壳质组）800,木栓体（壳质组）60,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）,5干酪根的分类,（2）元素组成分类,干酪根类型范氏图（据Tissot和Welte，1984简化）,I型干酪根,型干酪根,型干酪根,陆相干酪根类型演化图（胡见义和黄第藩，1991）1-大庆；2-南阳；3-泌阳4-廊固；5-辽河；6-柴达木；7-四川；8-鄂尔多斯(T)；9-鄂尔多斯(J)10-抚顺油页岩；11-茂名油页岩；12-抚顺和茂名煤；13-东营；14-绿河页岩和藻；15-下托尔阶页岩；16-演化途径,透射光有机组分的温度增加效应,我国陆相烃源岩评价标准,（3）应用岩石热解参数划分干酪根类型,应用氢指数和氧指数对生油岩有机质类型的分类,6.Kerogen演化,（四）沥青的组成和演化,沉积剖面中，随深度的增加，干酪根的数量减少，氯仿沥青“A”的族组分烃类、非烃+沥青质含量显著增加。干酪根数量的减少和沥青数量增加的互补性和成因上的联系性。,杜阿拉盆地洛格巴巴岩系可溶有机质随深度的变化（P.Albrecht，1976）,第三节油气生成的地质环境与理化条件,一、油气生成的地质环境二、促使油气生成的理化条件,长期稳定下沉大地构造背景（V沉积V沉降）；较快的沉积（堆积）速度；足够数量和一定质量的原始有机质；低能、还原性岩相古地理环境浅海封闭环境，半深深湖、前三角洲适当的受热和埋藏史。,一、地质条件,有利于有机质堆积、保存、转化的地质环境必须要有：,我国主要大型陆相湖盆的发育特征,细菌、催化剂、温度和时间放射性、压力,促使有机质转化为油气的理化条件（物理、化学、生物化学条件）主要有：,二、理化条件,1.温度和时间,1、有机质热解生油的速率随温度增加呈指数增加。只有当温度达到一定值后，干酪根才开始大量转化为油气生油门限温度；对应的深度生油门限深度。2、有机质热解生油过程中t与T间有互补性：GT高有机质成熟所需时间短；GT低有机质成熟所需时间长。,石油大量生成成熟点的确定（据P.Albrecht，1969）,我国不同盆地不同时代生油岩埋藏深度与油气生成的关系,不同盆地不同时代生油岩埋藏深度与油气生成的关系（据Tissot等，1984）,世界若干含油气盆地生油岩成熟点的温度与时间（据J.Connan，1974）,2、细菌作用,呼吸作用发酵作用,3.催化剂作用,4.放射性,5.压力,镜质体反射率(%),第四节有机质成烃演化模式,一、有机质向油气转化的阶段二、低熟油与煤成油形成理论,有机质演化及烃类形成阶段划分表,烃类的形成与生油岩埋藏深度的关系的一般图解,有机质成烃演化模式,阶段性,连续过程,D、深部高温生气阶段,C、热裂解生凝析气阶段,B、热催化生油气阶段,A、生物化学生气阶段,（一）生物化学生气阶段,6.烃类组成的特征在有机质中所占的比重很小,（二）热催化生油气阶段,若干类型有机质成熟及生烃能力图(据D.W.Waples,1985）,（三）热裂解生凝析气阶段,（四）深部高温生气阶段,油气有机成因模式,注意：各个地区，不一定都经历了这四个演化阶段，而温度、深度界限也因地而异，与GT有关，还与有机质类型、演化时间有关。不同类型的有机质在各演化阶段Ro值也不同。,第四节有机质成烃演化模式,一、有机质向油气转化的阶段二、低熟油与煤成油形成理论,（一）低熟油及其形成机理,各种显微组分的热稳定性与生烃活化能不同，生烃时间和生烃潜力不同。源岩有机质中存在大量化学性质不稳定、活化能较低的富氢显微组分，可生成低熟油气。,2.低熟油生成的物质基础,2.低熟油形成机理,3.低熟油的地球化学特征,形成低熟油的地质模型,（二）煤成油的形成机理及生烃模式,煤中不同显微组分生烃模式,2.煤成油地球化学特征,3煤的生烃特征,煤成烃演化与腐泥型有机质的生烃演化对比图（据傅家谟等，1990）,97,一、天然气成因类型概述二、有机成因气三、无机成因气四、非烃类气体成因五、不同成因类型天然气的识别,第五节天然气的成因类型及特征,天然气：广义上，是指自然形成的、在标准状态下呈气态的单质和化合物。,一、天然气成因类型概述,天然气成因综合分类（戴金星、徐永昌等，1997）,天然气与石油形成条件比较,二、有机成因气,要生成大量生物气需具备的条件,生物成因气的特点,各种烃类的热稳定性,（2）油型气特点,主成气母质：腐泥型有机质；热演化阶段：RO=0.5-4.0%,我国若干油型气的组成特点（陈荣书，1989）,由各种产出状态的腐殖型有机质在热演化过程中形成的天然气，称为煤型气。,3.煤型气,煤层或腐殖型干酪根以含带许多烷基侧链和含氧官能团的缩合多核芳香烃为主，所以，热演化中以产气态烃为主。煤化过程不同阶段，形成的产物组成有所不同。,两种类型：,煤型热解湿气煤型裂解干气,腐植型有机质煤化过程的阶段与成气模式,1.泥炭褐煤早期阶段：Ro0.4%,地温小于75，相当于生物化学生气阶段；2.褐煤中期长焰煤阶段：形成的气主要为CO2和CH4，含少量重烃，为成岩和热解作用形成；3.气煤瘦煤阶段：主要形成煤型湿气和煤型油，有时重烃气含量超过甲烷；4.贫煤-无烟煤阶段：形成以甲烷为主的煤型干气。,煤型气的主要特点,指不涉及有机物质反应的一切作用和过程所产生的气体，主要是由岩浆活动、变质作用、无机盐类分解等产生的气体。,三、无机成因天然气,120,天然气体中的非烃气体主要指N2，CO2，H2，H2S，Hg及稀有气体He、Ne、Ar、Xe等。非烃气体既是重要的资源，又是天然气形成演化，成因类型识别的重要指标。,四、非烃气体的成因概述,五、不同成因类型天然气的识别,2煤型气和油型气的划分依据,戴金星等（1985，1987）以我国天然气研究大量资料为基础，也提出了类似相关方程式：煤成甲烷回归方程13C1（）14.12lgRo-34.39油型甲烷回归方程13C1（）15.80lgRo-42.20煤成乙烷回归方程13C2（）8.16lgRo25.71煤成丙烷回归方程13C3（）7.12lgRo24.03,3区分有机和无机成因CO2,有机与无机成因二氧化碳鉴别图（据戴金星，1989）,一、烃源岩概念二、烃源岩地质特征三、烃源岩地球化学特征四、生油量计算五、油源对比,第六节烃源岩特征与油源对比,要分析一个盆地油气生成情况，就必须对能够提供油气来源的烃源岩进行识别和评价，要研究烃源岩的类型、所含有机质的丰度指标、有机质成熟度指标，烃源岩的排烃效率，计算生油气量等。,一、烃源岩概念,二、烃源岩的地质特征,2有利于烃源岩发育的地质条件,三、烃源岩的地球化学研究,通常从以下几方面对烃源岩的有机地球化学特征进行评价：有机质丰度、类型、成熟度、排烃效率,1.有机质的丰度,常用指标,有机碳、氯仿沥青“A”、总烃、氨基酸含量,从有机碳计算有机质丰度的转换系数(K),（1）有机碳（TOC）,古代页岩和碳酸盐岩的有机质总含量(据H.M.Gehmen,1962),根据有机碳含量划分泥质岩和碳酸盐岩生油岩级别（陈建平等，1996）,（2）氯仿沥青“A”,利用总烃含量与有机碳含量的相关图，对烃源岩进行分级评价:,烃源岩评价图（王启军等，1988）其中百分数1.0%为烃/有机碳值,2有机质的类型（前已述，此处略）,我国陆相烃源岩评价标准,3.有机质的成熟度,盆地中烃源岩有机质的热演化程度。,Kerogen颜色及H/C、O/C原子比,有机质演化图,唐讷盆地干酪根颜色的阿伦纽斯图,唐纳盆地干酪根热演化同H.V.比较图,未成熟甲烷,湿气和凝析气,石油,深变质甲烷,孢粉颜色和热变质指数（TAI）（TAI：ThermalalterationIndex）,（2）利用烃源岩可溶有机质的组成特征研究成熟度,不同盆地中烃类和非烃的生成与埋藏深度的关系（B.P.Tissot，1984）有机质演变的主要阶段注有“未成熟”、“PZOF”（主要生油带）、“ZGF”（裂解生气带）。相应的温度为现今的地温，在杜阿拉盆地中第一个温度是现今温度，第二个温度是据Tissot和Espitalie（1975）计算的古地温,A、正烷烃分布曲线：,正烷烃分布特征和奇偶优势,B、正烷烃奇偶优势：,正烷烃奇偶优势特征：,近代，古代沉积物和油层水中脂肪酸的分布,近代，古代沉积物和石油中正烷烃的分布,甾、萜烷异构化比值,根据加利福尼亚近海盆地油样中甾烷不对称中心的异构化作用的成熟度参数,（3）时间温度指数（TTI）,（1）洛帕廷法求取TTI基本原理：,图：地质模型上的等TTI曲线,TTI与Ro、TAI及有机质演化成烃、保存阶段的对应关系：,TTI法存在的问题：,4热解法在烃源岩评价中的应用,热解分析周期和图谱（Espitalie等，1974）,应用氢指数和氧指数对生油岩有机质类型的分类,用热解法鉴定生油岩的成熟度转化率和（或）峰温可作为热演化的指标,四、烃源岩生烃量计算,成因体积法：,计算公式：,第一节油气成因概述第二节油气有机成因基本原理第三节天然气的成因类型及特征第四节烃源岩研究第五节油源对比研究简介,第二章石油和天然气的成因,石油天然气地质与勘探,五、油源对比,1、油源对比的概念和目的,2、油源对比的依据,3、油源对比指标的选择,四种基本的作用影响石油的化学组成：,173,4、常用油源对比指标,1）正烷烃分布特征2）碳同位素13C3）生物标志化合物,三个原油的稳定碳同位素类型曲线形态和变化趋势一致，表明它们具有相关性,178,生物标志化合物（Biomarker）是沉积物中的有机质以及原油、油页岩和煤中那些来源于活的生物体，在有机质演化过程中具有一定稳定性，没有或很少发生变化，基本保存了原始生化组分的碳骨架，记载了原始生物母质特殊分子结构信息的有机化合物，也称为分子化石。,3）生物标志化合物,3）生物标志化合物对比参数,柴达木盆地原油和生油岩中不同碳数生物构型甾烷碳数分布三角图,生物标志物多因素综合对比,1.油气成因两大学派的根本分歧是什么？油气无机成因理论的主要观点有哪些？近年来有何进展？油气有机成因理论的主要观点有哪些？2.生物有机质有哪些主要类型？成烃潜力如何？3.什么是沉积有机质？沉积物（岩）中沉积有机质数量的多少取决于哪些因素？4.何为干酪根？干酪根的演化特点如何？如何对干酪根进行类型的划分？5.有利于油气生成的大地构造条件和岩相古地理、古气候环境是怎样的？6.有哪些理化条件影响有机质向油气的转化？如何影响？其中最主要的影响因素是什么？,思考题,7.有机质向油气转化的过程可