石油地质学第五章石油和天然气的成因

第五章石油和天然气的性质与成因节石油、天然气与油田水的成分和性质第二节油气成因理论发展概况第三节油气生成的物质基础与动力条件第四节有机质的演化与生烃模式第五节天然气的成因类型石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第1页!节石油、天然气与油田水的成分和性质一、石油的成分和性质1．石油的组分（oilponent）组分是根据石油中的不同成分在不同溶剂中的选择性溶解对石油成分进行的分类石油的组分分为油质、胶质、沥青质石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第2页!（1）油质：能溶于石油醚而不被硅胶吸附的部分。（2）胶质：用苯和洒精－苯从硅胶上解吸（溶解）下的石油部分。又可分为苯胶质和洒精－苯胶质。（3）沥青质：能溶于氯仿，但不溶于石油醚、苯和洒精－苯的部分。常用的有机溶剂：石油醚、苯、洒精－苯、氯仿石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第3页!2.石油的化学组成59种元素：石油的元素组成（Elementalponent）（1）主要元素：氢（H）：10%～14%（2）次要元素：硫（S）、氮(N)、氧(O)（3）微量元素（灰分）：如钒（V）、镍(Ni)碳（C）：83%～88%、石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第4页!（2）环烷烃（Cycloalkanes）含有碳环结构的饱和烃

①组成环的碳原子数：三员环、四员环、五员环、六员环

②碳环的数目：单环烷烃、双环烷烃、三环烷烃多环烷烃CCCCCCCCCCCCCC③重要环烷烃：环己烷、环戊烷、甲基环己烷、二甲基环戊烷石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第5页!5.石油的非烃组成（nonhydrocarbons）（1）含硫化合物（sulfurpounds）硫醇类（-SH）：硫基化合物硫醚类（-S-）：硫醚基化合物噻吩类：含有一个硫原子和四个碳原子的不饱和五员环的化合物高硫石油：S>2%含硫石油：S=0.5%-2%低硫石油：S<0.5%石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第6页!（3）含氧化合物（oxygenpounds）酸性氧化物：环烷酸、脂肪酸（R-COOH）中性氧化合物：酚、醛（R-CO-H）和酮（R-CO-R）石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第7页!（3）粘度（viscosity）

反映石油流体内摩擦力的参数，动力粘度单位：Pa•S或mPa.S（1mPa.s=1厘泊）正常原油的粘度：<50mPa.s重质油的粘度：50-10000mPa.s（稠油）沥青粘度：＞10000mPa.s石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第8页!二、天然气的成分和性质

1.天然气的概念天然气是指一切自然界天然生成的气体

与油田或气田有关的可燃气体，其成分以烃类为主

2.天然气的成分

烃类气体为主少量非烃气体（N2、CO2或H2S）——广义——狭义石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第9页!3.天然气的性质（1）相对密度标准状况下，单位体积天然气与同体积空气质量之比（2）粘度0℃时：0.31×

10-3mPa.s:20℃时:12×10-3mPa.s

与成分、压力、温度有关石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第10页!三、油田水的成分和类型

1.油田水的概念

油田水（oilfieldwater)：2.无机组成（inorganicponents）

指油田范围内直接与油层连通的地下水无机离子：Cl-Na+Mg++Ca++HCO3-SO4-2

微量元素：碘、溴、硼、钡、锶、铵等

石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第11页!一、无机成因说（inorganictheory）3FemCn+4mH2OmFe3O4+C3nH8m1．碳化物说（门捷列夫，1876）2．宇宙说（索可洛夫，1889）

（库得梁采夫，1949）3、岩浆说第二节油气成因理论发展概况

CO+3H2H2O+CH4CO2+3H2H2O+CH4石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第12页!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)石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第13页!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

第二节油气生成的物质基础与动力条件脂肪酸去羧基加氢可以形成烃类石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第14页!1.干酪根的定义二、干酪根(kerogen)

干酪根：沉积岩中不溶于非氧化的酸、碱和非极性有机溶剂的有机质石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第15页!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%

石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第16页!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）

石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第17页!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.VanKrevelen）图解

（2）Ⅱ型干酪根(TypeⅡ)①原始氢含量较高，氧含量较低

②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③主要来自浮游生物（浮游植物为主）④生油潜力中等石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第18页!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）石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第19页!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

三、油气生成的动力学条件

石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第20页!阿伦纽斯方程：

式中：k0称为频率分子E为活化能，R为气体常数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）石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第21页!石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第22页!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）石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第23页!②温度和时间的作用是相互补偿的

石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第24页!3.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

①降低有机质的成熟温度

②加速长链分子的断裂

③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

4.放射性作用①水在α射线轰击下产生游离氢；②热源石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第25页!1.根据油气生成机理和产物类型划分①生物化学生气阶段②热催化生油气阶段③热裂解生湿气阶段④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（vitrinitereflectanceinoil）

：

镜质体反射光的能力①未成熟阶段(immature)②成熟阶段(mature)③高成熟阶段(high-mature)④过成熟阶段(over-mature)石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第26页!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）

①范围：Ro<0.5%温度：10～60℃深度：0～2000m②机理：生物化学作用③产物：生物甲烷、CO2、H2O，干酪根

少量高分子液态烃——未熟油.未熟油低熟油成熟油石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第27页!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－低熟油的特点①密度总体偏高，但也有轻质油

②富含高分子量饱和烃③正烷烃具有奇数碳优势石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第28页!二、有机质演化的基本特征3.热裂解生湿气阶段（高成熟阶段）

①范围：Ro=1.2%～2.0%温度：180℃～250℃②机理：热裂解作用，

C-C键的断裂③产物：湿气

液态石油的裂解为主干酪根的裂解次要石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第29页!二、有机质演化的基本特征石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第30页!三、有机质生烃模式Tissot模式沉积有机质演化和油气生成的Tissot模式

③“石油窗”（oilwindow）和生油窗“石油窗”：地下液态石油赋存的范围

“生油窗”：地下液态石油生成的范围石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第31页!1.无机成因气（inoganicgas）

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，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

石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第32页!2.有机成因气（oganicgas）

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

①油型气(oil-typegas)

②煤型气(coal-formedgas)

由腐泥型母质，即Ⅰ型或Ⅱ1型干酪根形成的天然气

由腐殖型母质，即Ⅲ型或Ⅱ2型干酪形成的天然气

石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第33页!③热裂解气（crackinggas）

指过成熟阶段(Ro>2.0%)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-geneticgas）：无机气与有机气的混合石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第34页!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、不同深度的地下环境、水体、地壳深部、太空石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第35页!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δ13C1>-30‰，绝大多数δ13C1>-20‰2.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，δ13C1<-55‰

石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第36页!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：δ13C1=-55‰～-45‰凝析油伴生气：δ13C1=-50‰～-40‰碳同位素：δ13C1=-55‰～-40‰（2）裂解气（过成熟阶段生成的气）

碳同位素：δ13C1=-40‰～-35‰

组成：以CH4为主（干气），重烃气<2%石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第37页!3．石油的族分（oilponent）按石油中化合物组成对石油成分的一种分类，分为饱和烃、芳香烃、非烃和沥青质四部分。4．石油的烃类组成（Hydrocarbons）（1）烷烃（Alkanes）CnH2n+2C1-C4为气态烃C5-C16的直链烷烃呈液态C17+呈固态

石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第38页!（3）芳香烃（Aromatics）

含有苯环的碳氢化合物单环芳香烃：多环芳香烃：稠环芳香烃：分子中含有一个苯环分子中含有两个或两个以上的独立苯环分子中含有两个或两个以上的相连的苯环石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第39页!（2）含氮化合物（nitrogenpounds）非碱性含氮化合物：咔唑、卟啉等碱性含氮化合物：吡啶、喹啉、异喹啉等卟啉可以用于说明石油的有机成因咔唑可以用于研究石油的运移方向石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第40页!6.石油的物理性质（1）颜色（colour）黑色、（2）密度（density）相对密度:20℃的石油与4℃同体积水的重量比值轻质油：d＜0.87中等石油（正常石油）：d＝0.87-0.93重质石油（重油）：＞0.93(0.75-1.00)

深綠色、黄褐色、淡黄色、无色绝对密度石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第41页!（4）荧光性（fluorescence）

在紫外光照射下发光的性质荧光由多环芳香烃和非烃所发，饱和烃不发光

当偏光通过石油时，使偏光面发生旋转的性质（5）旋光性（rotarypolarization）（6）石油的溶解性（solubility）

石油难溶于水，易溶于有机溶剂石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第42页!（1）烃类气体（hydrocarbons）

甲烷（CH4）

重烃气（C2-C4）

湿气：重烃气>5%

干气：重烃气＜5%

（2）非烃气体（nonhydrocarbons）

N2：0.4%-12.5%CO2：<4%-5%

H2S：不含或极微量

惰性气体石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第43页!（3）天然气的溶解性天然气可以溶于石油和水中

（4）天然气的扩散性（diffusion）

扩散作用是物质在浓度梯度的作用下，自发地发生的从高浓度区向低浓度区转移，以达到浓度平衡的一种物质传递过程

石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第44页!3．有机组成（organicponents）烃类：气态烃（C1-C4）、苯、甲苯

甲酚、邻甲酚、环烷酸、脂肪酸酚、有机酸：石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第45页!二、有机成因说（organictheoryorhypothesis）

（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）石油和煤的灰分具有相似性

（6）油层温度一般不超过150℃

（5）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石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第46页!第三节油气生成的物质基础与动力条件生成石油的有机物质—从原始有机质到干酪根太湖蓝藻厦门赤潮渤海湾的蓝藻原始有机质：浮游动物、浮游植物、高等植物等石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第47页!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

石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第48页!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，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石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第49页!3.干酪根的结构①三维网状系统②含有多个核④含脂肪族链状结构③核被桥、键和官能团连接美国绿河页岩干酪根B.P.Tissot等（1978）

石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第50页!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.VanKrevelen）图解

（1）Ⅰ型干酪根(TypeⅠ)①原始氢含量高，氧含量低

②以脂肪族直链结构为主，多环芳香结构及含氧官能团很少

③主要来自藻类堆积物，被细菌改造有机质的类脂残留物④生油潜力很大石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第51页!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.VanKrevelen）图解

（3）Ⅲ型干酪根(TypeⅢ)①原始氢含量低，氧含量高

②多环芳香结构及含氧官能团含量高，脂肪族直链结构少③主要来自高等植物④生油潜力小，以生气为主石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第52页!5.干酪根的形成和演化

①成岩作用阶段Diagenisis氧的消耗干酪根的演化规律：②退化作用阶段Catagenesis

氢的消耗③变生（交替）作用阶段Metagenesis

碳高度富集H/C和O/C降低，碳富集石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第53页!1.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(Firstorderreaction):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）石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第54页!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）②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。

①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石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第55页!实际地质资料同样证明：

①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②温度和时间的作用是相互补偿的

石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第56页!②温度和时间的作用是相互补偿的

石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第57页!2.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

厌氧细菌CH3COO－+H+CH4+CO2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+3H2CH4+H2O辅酶M石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第58页!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①成岩作用阶段主要表现为氧的消耗②退化作用阶段

主要表现为氢消耗③变生（交替）作用阶段

碳高度富集石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第59页!石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第60页!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。①范围：Ro<0.5%温度：10～60℃深度：0～2000m②机理：生物化学作用③产物：生物甲烷、CO2、H2O，干酪根

少量高分子液态烃——未熟油.生成阶段：Ro＝0.3%-0.7%生成机理：低温的化学反应和低温生物化学反应；原始物质：聚合度较低的特殊的有机物质。石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第61页!二、有机质演化的基本特征2.热催化生油气阶段（成熟阶段）

①范围：Ro=0.5%～1.2%温度：60℃～180℃②机理：热催化作用③产物：液态石油为主，包括一部分湿气

④正烷烃主峰碳数减小，奇碳优势消失，环烷烃和芳香烃的碳数减少石油地质学第五章石油和天然气的成因共71页，您现在浏览的是第62页!二、有机质演化的基本特征4.深部高温生气阶段（过成熟阶段）

①范围：Ro>2.0%

温度：>250℃

②机理：热裂解、热变质③