石油和天然气的成因与烃源岩

1、第四章石油和天然气的成因与烃源岩主要内容油气成因理论发展概况 油气生成的物质基础 油气生成的动力条件 有机质演化与生烃模式 天然气成因类型及判识 烃源岩 一、无机成因说（inorganic theory ）1碳化物说3FemCn+4mH2O mFe3O4+C3nH8m2宇宙说（门捷列夫，1876）（索可洛夫，1889） （库得梁采夫，1949 ）3、岩浆说第一节 油气成因理论发展概况 二、有机成因说（organic theory or hypothesis） （1）世界上99.9%的油气都分布在沉积岩中 （2）地层中石油分布与有机质分布相吻合 （3）不同油田石油的成分相似，但不相同 （4）石油

2、和煤的灰分具有相似性 （5）油层温度一般不超过150 （6）近代沉积物中的可溶有机质与石油类似 （7）实验室加热有机质可以生成石油 1、支持石油有机成因的一些事实2、有机成因学说（1）早期成因说（2）晚期成因说（干酪根热降解成因说） 原始有机质成岩作用早期石油和天然气原始有机质干酪根成岩作用早期石油和天然气成岩作用中晚期（3）有机成因说的新进展 未熟-低熟油(早期成因的石油) 煤成油(集中有机质生油)一、原始有机物质的化学组成 原始有机质：细菌、浮游植物、浮游动物和高等植物 1.类脂化合物（Lipids）动物的皮下组织，植物的孢子、种子及果实 脂肪酸、高级脂肪酸蜡、醇类、甾类和萜类化合物 第二

3、节 油气生成的物质基础脂肪酸去羧基加氢可以形成烃类2.蛋白质(Protein) 含氮化合物 由20多种氨基酸构成 3.碳水化合物(carbohydrate)Cx（H2O）y 醣或糖类 4.木质素(Lignin)高等植物 具有芳香结构 1.干酪根的定义(1)J. M. Hunt（1979）:沉积岩中所有不溶于非氧化性的酸 、碱和非极性有机溶剂的分散有机质二、干酪根(kerogen) 不溶于一般有机溶剂的沉积有机质(2)Durand（1980）:两个定义的区别：是否包括现代沉积物中的有机质沉积岩中所有不溶于非氧化性的酸 、 碱和非极性有机溶剂的有机质。（3）干酪根的定义：包括沉积岩中的分散有机质，

4、也包括煤中的有机质。岩石中有机质的组成总有机质可溶有机质2.干酪根的成分 高分子聚合物，无固定的化学成分， 主要由C、H、O和少量S、N组成 C：76.4%，O：11.1% H：6.3%，S：3.65% N：2.02% 3.干酪根的结构三维网状系统含有多个核含脂肪族链状结构核被桥、键和 官能团连接美国绿河页岩干酪根B.P.Tissot等（1978） 芳香结构多、脂肪族链状结构少黄县褐煤干酪根结构 （秦匡宗等，1990） 干酪根结构属于三维网状系统，具有多个芳香结构的核，核上连接着数量不等的具有脂肪族结构的支链，这些核被链状桥、键和各种官能团连接起来。4.干酪根的类型 根据成分(C、H、O元素组

5、成)对干酪根分类：三种类型 范克雷维伦（D.W.Van Krevelen）图解 （1）型干酪根(Type )原始氢含量高，氧含量低 以脂肪族直链结构为主，多环芳香结构及含氧官能团很少 主要来自藻类堆积物，被细菌改造有机质的类脂残留物生油潜力很大4.干酪根的类型 根据成分(C、H、O元素组成)对干酪根分类：三种类型 范克雷维伦（D.W.Van Krevelen）图解 （2）型干酪根(Type ) 原始氢含量较高，氧含量较低 含有脂肪族直链结构，也含有较多的芳香结构及含氧官能团主要来自浮游生物（浮游植物为主）生油潜力中等4.干酪根的类型 根据成分(C、H、O元素组成)对干酪根分类：三种类型 范克雷

6、维伦（D.W.Van Krevelen）图解 （3）型干酪根(Type )原始氢含量低，氧含量高 多环芳香结构及含氧官能团含量高，脂肪族直链结构少主要来自高等植物生油潜力小，以生气为主4.干酪根的类型 干酪根类型的其他划分方案：四分法和五分法五分法：1 、2 、1、2四分法：、1、 2 、5.干酪根的形成和演化 蛋白质碳水化合物生物化学作用氨基酸糖类类脂化合物木质素聚合作用缩合作用黄腐酸腐殖酸腐黑物聚合缩合干酪根生物聚合体（biopolymer）地质聚合体（geopolymer）5.干酪根的形成和演化 成岩作用阶段 Diagenisis 氧的消耗干酪根的演化规律：退化作用阶段 Catagene

7、sis 氢的消耗 变生（交替）作用阶段 Metagenesis 碳高度富集H/C和O/C降低，碳富集第三节 油气生成的动力条件干酪根的结构芳香结构的核脂肪族链状结构的支链连接核核支链的桥和键化学键的断裂主要受温度和时间的控制，用化学动力学的一级反应来描述 一、温度和时间的作用1.从化学动力学看温度和时间的作用 化学动力学(kinetics):一级反应(First order reaction):研究化学反应速度及其影响因素的一门科学 反应的速度与反应物浓度的一次方成正比 式中：t为反应时间，s；C为反应物的浓度；k为反应速度常数。（1）阿伦纽斯方程： 式中：k0称为频率分子E为活化能，R为气体

8、常数T为绝对温度（2）对（1）式积分，得：C为在时刻t反应物的浓度。 C0是反应开始时（t=0） 反应物的浓度，（3）C为在时刻t反应物的浓度。 C0是反应开始时（t=0） 反应物的浓度，（3）温度和时间具有互补性，高温短时间和低温长时间可以达到相同的反应程度。 在干酪根生烃过程中，干酪根的反应程度与温度呈指数关系，与时间呈线性关系，温度的影响是主要的，时间的影响是次要的；分析（3）式可以得到两个重要结论：从化学动力学看温度和时间的作用2.地质条件下温度和时间的作用 对（3）两边取对数，得：对于某一固定的反应程度， 或对于相同反应程度的不同反应：温度的倒数（1/T）与时间的对数（lnt）具有线

9、性关系对于相同反应程度的不同的干酪根生烃反应,温度的倒数（1/T）与时间的对数（lnt）具有线性关系不同盆地的干酪根的成熟点就是这样一个反应程度相同的点随着埋藏深度的增大和温度的增高，干酪根开始大量生烃的温度称为干酪根的成熟温度或生油门限，这个成熟温度所在的深度称为成熟点 生油门限（threshold）实际地质资料同样证明： 温度的影响呈指数关系，时间的影响呈线性关系，温度的影响是主要的，时间的影响是第二位的 温度和时间的作用是相互补偿的 温度和时间的作用是相互补偿的 温度和时间的作用是相互补偿的 二、细菌的生物化学作用分为喜氧细菌、厌氧细菌和通性细菌三类 CH3COO+H+ CH4+CO2

10、产 甲 烷 菌CO2和乙酸来源：细菌对有机质的分解1.乙酸发酵 2.二氧化碳还原 CO2+3H2 CH4+H2O辅 酶 M三、催化作用催化剂是一种加速化学反应速度而本身并不消耗的物质 2.有机酵母催化剂 1.无机盐类催化剂粘土矿物(蒙脱石)：吸附有机质 降低有机质的成熟温度 加速长链分子的断裂 改变的产物的组成：有机酵母催化剂的作用：加速有机质的分解 四、放射性作用水在射线轰击下产生游离氢 ； 热源一、有机质演化阶段的划分第四节 有机质的演化与生烃模式 干酪根的演化成岩作用阶段 主要表现为氧的消耗退化作用阶段 主要表现为氢消耗 变生（交替）作用阶段 碳高度富集1.根据油气生成机理和产物类型划分

11、生物化学生气阶段热催化生油气阶段热裂解生湿气阶段深部高温生气阶段2.根据有机质成熟度进划分成熟度(maturity):在温度的作用下有机质的热演化程度 镜质体反射率 Ro（ vitrinite reflectance in oil） ： 镜质体反射光的能力未成熟阶段(immature)成熟阶段(mature)高成熟阶段(high-mature)过成熟阶段(over-mature)二、有机质演化的基本特征1.生物化学生气阶段（未成熟阶段） 范围：Ro0.5% 温度：1060 深度：02000m机理：生物化学作用 产物：生物甲烷、 CO2、H2O，干酪根 少量高分子液态烃 未熟油.未熟油低熟油成熟

12、油二、有机质演化的基本特征1.生物化学生气阶段（未成熟阶段） 未熟-低熟油气：指所有非干酪根晚期热降解成因的各种低温、早熟的非常规油气。范围：Ro2.0% 温度：250 机理：热裂解、热变质 产物：干气、固体沥青，次石墨二、有机质演化的基本特征三、有机质生烃模式1.Tissot模式沉积有机质演化和油气生成的Tissot模式 阐明了有机质演化和油气生成的阶段性； 建立了生油门限重要概念 Ro=0.5%,未成熟阶段与成熟阶段的界限三、有机质生烃模式1.Tissot模式沉积有机质演化和油气生成的Tissot模式 “石油窗”（oil window） 和生油窗“石油窗”：地下液态石油赋存的范围 “生油窗

13、”：地下液态石油生成的范围三、有机质生烃模式2.有机质生烃的综合模式 三、有机质生烃模式有机质演化的综合模式（黄第藩，1996）三、有机质生烃模式2.有机质生烃的综合模式 三、有机质生烃模式有机质演化的综合模式（黄第藩，1996）三、有机质生烃模式3.模式的应用（1）Tissot模式和黄第藩的模式都是有机质演化的理想和完整的模式，具体盆地有机质的演化更加复杂并且不一定完整（1）Tissot模式和黄第藩的模式都是有机质演化的理想和完整模式，具体盆地有机质的演化更加复杂并且不一定完整。三、有机质生烃模式3.模式的应用（2）不同盆地由于地质演化和地温梯度的不同，达到各演化阶段的温度和深度可能有很大差

14、异。 15002500300040005000三、有机质生烃模式3.模式的应用未成熟阶段： Ro2.0%镜质体反射率是划分有机质演化阶段的主要标志未成熟阶段成熟阶段高成熟阶段过成熟阶段（2）不同盆地由于地质演化和地温梯度的不同，达到各演化阶段的温度和深度可能有很大差异。 三、有机质生烃模式3.模式的应用（3）不同盆地有机质演化的差异，造成不同盆地油气远景的差异 对于只进入未成熟和成熟阶段的盆地可以找到生物气、未熟低熟石油和正常的石油在经过抬升的盆地中，可能只残留了成熟度较高的层系抬升再埋藏的盆地中，可能缺失中间的演化阶段三、有机质生烃模式3.模式的应用（4）有机质演化的四个阶段对于同一层位的有

15、机质是一个历史的概念，但目前只能观察到它演化到现在的状态，而无法直接观察它演化的历史过程。 同一盆地不同层位的有机质经历的演化阶段是不相同的 三、有机质生烃模式3.模式的应用同一源岩层中的有机质在地质历史上实际上经历了不同阶段（4）有机质演化的四个阶段对于同一层位的有机质是一个历史的概念，但目前只能观察到它演化到现在的状态，而无法直接观察它演化的历史过程。 15002500300040005000未成熟阶段成熟阶段高成熟阶段过成熟阶段三、有机质生烃模式3.模式的应用同一盆地不同层位的有机质经历的演化阶段是不相同的 盆地不同部位同一层位的有机质可以处于不同的演化阶段 对于剥蚀再埋藏的情况，可能存

16、在“二次生烃”的现象 埋藏史与生烃史（4）有机质演化的四个阶段对于同一层位的有机质是一个历史的概念，但目前只能观察到它演化到现在的状态，而无法直接观察它演化的历史过程。 同一源岩层中的有机质在地质历史上实际上经历了不同阶段第五节 天然气成因类型和鉴别一、天然气的成因类型分类原则： 成气作用的机理成气物质的来源(有机物无机物?)1.无机成因气2.有机成因气3.混合成因气1.无机成因气（inoganic gas） 泛指各种环境下由无机物质形成的天然气。(1)宇宙气 宇宙空间中放散性反应、核反应及化学反应生成的天然气，以含He和H2为特征(2)岩浆岩气 岩浆喷发或侵入过程中由高温化学作用形成的天然气

17、，以含CO2和H2为特征(3)变质岩气 变质过程中高温作用形成的天然气 1.无机成因气（inoganic gas） (4)无机盐分解气 沉积岩中由无机盐类的化学分解形成的气体，以含CO2和H2S为特征 (5)幔源气 指地幔或从地幔通过不同方式上升到沉积圈中的天然气 包括与火山喷发有关的天然气，部分温泉气以及沿深大断裂或转换断层上升的高温气或低温气 2.有机成因气（oganic gas） 泛指沉积岩中分散或集中有机质或可燃有机矿产形成的天然气 (1)按成气物质的来源划为分二个亚类 油型气(oil-type gas) 煤型气(coal-formed gas) 由腐泥型母质，即型或1型干酪根形成的天

18、然气 由腐殖型母质，即型或2型干酪形成的天然气 （2）按成气机理或外营力作用划分 生物成因气（biogenetic gas） 指有机质在未成熟阶段(Ro2.0%)由已形成的液态烃或残余干酪根经高温热裂解作用形成的天然气 油型裂解气煤型裂解气3.混合成因气（multi-genetic gas）：无机气与有机气的混合 无机成因气、生物成因气、煤型气、油型气二、天然气形成的特点1.成气物质的多源性：原始有机质、各种类型的干酪根、煤、可溶有机质、液态烃、无机物质2.成气机理的多样性：微生物生物化学作用(有机质分解、CO2还原）、热降解、热裂解、无机化学反应、核反应3.成气环境的广泛性：地表环境、不同深

19、度的地下环境、水体、地壳深部、太空二、天然气形成的特点4.天然气和石油形成条件的对比三、各类天然气的特征 1.无机成因气(1)组成：CH4含量低，以非烃气体为主，CO2常见(2)同位素： 富集重碳同位素 13C1-30，绝大多数13C1-202.生物成因气(1)组成：(2)同位素： CH4占绝对优势，可高达98% 富集轻的碳同位素，13C1-55 3.油型气（1）原油伴生气和凝析油伴生气组成：重烃气含量高，一般超过5%，有时可达20%50% 原油伴生气：13C1=-55-45凝析油伴生气：13C1=-50-40碳同位素：13C1=-55-40（2）裂解气（过成熟阶段生成的气） 碳同位素：13C

20、1=-40-35 组成：以CH4为主（干气），重烃气2%4.煤型气组成：甲烷CH4含量较高，重烃气含量较低，一般-30 的CH4均为无机甲烷 (1)13C1-10的CH4均是无机甲烷四、各类成因天然气的鉴别 无机气的碳同位素值13C1最大，13C1-30生物气的碳同位素值13C1最小，13C1-30的CH4均为无机甲烷 (1)13C1-10的CH4均是无机甲烷13C1-30 的煤型气:如何排除这一部分13C1-30的煤型气地质分析法：煤型气与煤系伴生，无机气产于地热区13C1-CH4含量图解法：CH435%通常为煤型气CH4-30 的煤型气:排除这一部分13C1-30的煤型气地质分析法：煤型气

21、与煤系伴生，无机气产于地热区13C1-CH4含量图解法：CH435%通常为煤型气CH416%通常为无机气(3)有机气具有正碳同位素系列，无机气具有负碳同位素系列 有机烷烃气：13C113C213C313C213C3 东海天外天构造天1井无机气13C1=-17；13C2=-22：13C3=-292.生物气与油型气的鉴别（1）生物气13C1-55（2）生物气CH4含量高，干气 （3）生物气不与油共生，伴生气与油共生。3.油型气与型气的鉴别（1）13C1-Ro关系Stahl的回归公式煤型气：13C1=14lgRo-28油型气： 13C1=17lgRo-42 不论油型气，还是煤型气， 其13C1均随源

22、岩Ro值的增大而增大， 即天然气的成熟度越高，越富集重的碳同位素在相同的源岩热演化程度下， 煤型气的13C1值较油型气的13C1值大， 即煤型气较油型气更富集重碳同位素戴金星(1985)油型气：13C1=15.8lgRo-42.0煤型气：13C1=14.12lgRo-34.39 坊25-21井 延长统天然气 13C1=-42.559 交油型气线Ro=0.95% , 为油型气 楼1井 13C1=-31.54 交油型气线 Ro=5.0%；煤型气线Ro=1.75% 煤型气 （2）判别油型气和煤型气的实例 第六节 烃源岩一、烃源岩（source rock）的概念：烃源岩（source rock）：能够

23、生成油气， 并能排出油气的岩石称为烃源岩（油源岩，气源岩）烃源层或源岩层（source bed）： 由烃源岩组成的地层称为烃源层 源岩层系：在一定地质时期内，具有相同岩性岩相特征的若干烃源层与其间非烃源层的组合称为源岩层系。 二、烃源岩的类型和地质特征 1烃源岩的类型和岩性 一般岩性特征：常含分散状的黄铁矿富含有机质和微体古生物化石粒细、色暗、(1)粘土岩类烃源岩 的泥岩和页岩 灰黑、深灰、灰及灰绿色暗色松辽盆地白垩系、渤海湾盆下第三系 (2)碳酸盐岩类烃源岩 灰黑色、深灰色、褐灰色、灰色 石灰岩，生物灰岩，泥灰岩，常含泥质成分 四川盆地、华南、塔里木、波斯湾盆地侏罗系 (3)煤系烃源岩 煤和

24、煤系地层中的暗色泥岩, 特殊的煤（富含富氢显微组分的煤）也可以生油煤系可以生气 吐哈盆地侏罗系2.烃源岩的岩相特征 浅海相三角洲相深水-半深水湖相沼泽相三、烃源岩地球化学特征 烃源岩地球化学特征：有机质丰度、类型、成熟度 1.有机质丰度（organic matter abundance） （1）有机碳含量（Total Organic Carbon Content） (TOC)总有机碳含量：干酪根中的有机碳加上可溶有机质中的碳；剩余有机碳含量：岩石中残留的有机碳的含量有机碳含量与有机质含量之间的关系:1.22倍泥岩的有机碳含量高于石灰岩的有机碳的含量泥岩平均：1.14%（Gehmen，1962)

25、；1.2(Hunt,1961)单位：%，占岩石的重量百分比碳酸盐岩：0.24%（Gehmen，1962)；0.17(Hunt,1961)(H.M. Gehmen,1962)泥质烃源岩评价标准等级TOC(%)“A”(%)总烃(ppm)Pg(kg/t)非烃源岩0.50.011002.00.15006.0渤海湾盆地的沙三段(下第三系渐新统)：1-3%松辽盆地青山口组，嫩江组 (下白垩系)：2.2%-2.4%苏北盆地阜宁组四段，二段(第三系渐新统)：1.2%-1.6%泌阳凹陷核桃园组(下第三系) 1.66% 碳酸盐岩烃源岩评价标准碳酸盐岩的有机碳平均含量比泥岩低得多 碳酸盐岩作为油源岩：TOC0.5%

26、： 泥灰岩，泥质灰岩，灰岩中的泥质条带，缝合线碳酸盐岩作为气源岩：(TOC0.2%)（2）氯仿沥青“A”含量和总烃含量氯仿沥青“A”：用氯仿从岩石中抽提（溶解） 出来的有机质，即可溶有机质总烃：氯仿沥青“A”中的饱和烃和芳香烃组分等级TOC(%)“A”(%)总烃(ppm)Pg(kg/t)非烃源岩0.50.011002.00.15006.0(3)岩石热解生烃潜量 P1峰：热解温度小于300时出现的峰，S1。岩石中的残留 烃。单位：kg（烃）/t（岩石）P2峰：热解温度在300-500时出现的峰，S2。岩石中的干酪根在热解过程中生成的烃。单位：kg（烃）/t（岩石）P3峰：S3，热解过程中生成的C

27、O2生烃潜量：Pg=S1+S2等级TOC(%)“A”(%)总烃(ppm)Pg(kg/t)非烃源岩0.50.011002.00.15006.0(3)岩石热解生烃潜量 P1峰：热解温度小于300时出现的峰，S1。岩石中的残留 烃。单位：kg（烃）/t（岩石）P2峰：热解温度在300-500时出现的峰，S2。岩石中的干酪根在热解过程中生成的烃。单位：kg（烃）/t（岩石）P3峰：S3，热解过程中生成的CO2生烃潜量：Pg=S1+S22有机质的类型(1)元素分析方法根据干酪根的H/C和O/C在范氏上确定其类型；范克雷维伦（D.W.Van Krevelen）图解 (2)显微组分分析方法 干酪根的显微组成

28、用光学方法对干酪根组分形态进行的描述 无定形体藻类体包括无定形体和藻类体，富氢组分 腐泥组：主要来源于藻类或藻类被改造的残余壳质组树脂体孢粉体木栓质体来源于植物的孢子、角质、表皮组织、树脂、蜡质等。包括孢子体、角质体、树脂体和木栓质体，富氢组分 镜质组结构镜质体无结构镜质体是植物的茎、叶和木质纤维经过凝胶化作用形成的各种凝胶体。是富氧组分。 惰质组丝质体丝炭化组分。由木质纤维素经丝炭化作用而形成。属稳定组分，富含氧 型干酪根 根据干酪根的显微组成划分类型1型干酪根2型干酪根 型干酪根根据干酪根的显微组成划分类型根据干酪根的显微组成划分类型T=（100A+50B-75C-100D）/100A、B

29、、C、D 分别为腐泥组、壳质组、镜质组和惰质组的含量 T 80 型 T =80-40 1型T=40-0 2型 T 0 型(3)岩石热解方法烃指数 ：IHC=S1/TOC氢指数： IH=S2/TOC氧指数： IO=S3/TOC3.有机质的成熟度（maturity of organic matter） （1）镜质体反射率（vitrinite reflectance） 未成熟阶段： Ro2.0%15002500300040005000未成熟阶段成熟阶段高成熟阶段过成熟阶段(2)正烷烃分布和奇偶优势比 正烷烃分布特征埋深： 浅处 深处奇偶优势：奇数碳优势 奇偶均势曲线形态：尖峰状 平滑状主峰碳位置：靠后 靠前成熟度：低 高(2)正烷烃分布和奇偶优势比