石油地质学第2章现代油气成油理论课件

第二章油气生成现代油气生成理论认为:保存在沉积物中的有机质在不断埋深的过程中,在细菌、温度等因素的作用下，经历未成熟、成熟和过成熟等阶段，陆续转化成石油和天然气。第1节生成油气的原始物质一、沉积有机质及其来源原始来源：活的有机体及其在生命活动中的代谢产物（分泌物、排泄物）。水生低等生物（尤其是藻类）陆生高等植物浮游动物和高等动物对沉积有机质的贡献相对很小沉积有机质：随无机质点一道沉积并保存下来的生物残留物质生物体的组成（干重%）植物蛋白质碳水化合物脂类木质素云杉木166429橡树叶652537针松叶8472817浮游植物2366110硅藻296380石松孢子842500动物浮游动物6022180挠足类6525100牡蛎5533120高等无脊椎动物7020100(据Hunt,1996)物质CHSNO碳水化合物44650木质素6350.10.331.6蛋白质53711722脂类761212石油851310.50.5天然有机物质的平均化学组成(重量%)(据Hunt,1996)各类有机物质的C/N+S+O原子比:碳水化合物~1:1蛋白质~3:1脂类~10:1保存下来的生物有机质平均仅为其原始产量的0.8%左右氧化分解生化分解生物吞食有机质的沉积有机体

年产量（干重）103t/km2里海南加州陆缘海浮游植物460560浮游动物3444底栖生物4119鱼类

21.3经损失后能到沉积物中的（占总量的0.6%）3.23.8海洋盆地中有机体的产量第1节生成油气的原始物质二、影响沉积物有机质丰度的主要因素

生物产率控制因素包括:营养供给、光照强度、温度、掠食生物、水化学性质等。具有较高生物产率的环境：浅海（生物死亡营养原地再循环；河流带入陆源营养）

海水上涌区不同环境有机碳的产率海水上涌造成高的生物产率全球现代沉积碳的分布第1节生成油气的原始物质二、影响沉积物有机质丰度的主要因素

生物产率控制因素包括:营养供给、光照强度、温度、掠食生物、水化学性质等。具有较高生物产率的环境：浅海（生物死亡营养原地再循环；河流带入陆源营养）

海水上涌区

保存条件控制因素包括:氧化作用强度、有机质的类型、沉积物的堆积速度第1节生成油气的原始物质缺氧带（Anoxiczone）：溶解氧含量<0.2mL/L(仅厌氧菌能存活)充氧带（Oxiczone）：

溶解氧含量>0.5mL/L(喜氧菌)密度分层乏氧的底水滞水盆地(湖泊)黑色、还原的沉积物微还原至氧化的沉积物氧化的沉积物棕褐至白色大陆架大陆坡大陆隆米最低含氧层海水最低含氧层大陆架大陆坡大陆隆米弱还原至氧化的沉积物黑色、还原的沉积物扩展的最低含氧层O2最低含氧层的扩展（大洋乏氧事件,－K2、J3、D3）密度分层表层水流入或流出乏氧的水浅障壁盆地(水深>~200m)富含有机质的沉积物缺氧充氧充氧缺氧或乏氧障壁深障壁盆地(障壁与最低含氧层交切)水中溶解O2的含量高中低上涌高水流量低水流量深障壁盆地(障壁位于最低含氧层之下)沉积速度（厘米/千年）沉积速度与有机质含量的关系第1节生成油气的原始物质二、影响沉积物有机质丰度的主要因素

生物产率控制因素包括:营养供给、光照强度、温度、掠食生物、水化学性质等。具有较高生物产率的环境：浅海（生物死亡营养原地再循环；河流带入陆源营养）

海水上涌区

保存条件控制因素包括:氧化作用强度、有机质的类型、沉积物的堆积速度

稀释作用沉积物堆积速度（米/百万年）过快速堆积造成的“稀释作用”三、沉积有机质中的干酪根（一）干酪根（Kerogen）Kerogen：泛指现代沉积物和古代沉积岩中不溶于一般有机溶剂的沉积有机质。常温常压下不溶于有机溶剂的固体有机质，但在热解或加氢分解产生烃类物质。Hunt（1979）：沉积岩中所有不溶于非氧化性的酸、碱和非极性溶剂的分散有机质。岩石中可溶于有机溶剂的部分—称沥青（bitumen）。（二）元素组成

C为主，H、O次之，少量S、N等。C：H：O：N—77：7：11：2成分结构复杂的高分子聚合物。占沉积有机质的80-90%±。细软粉末，暗棕到黑色。

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；Tissot＆Welte，1978）。

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。（三）结构复杂，环状结构，三维网状系统，由多个核被桥键和官能团连接而成。

（四）类型1光学分类透射光下：藻质、无定形、草质、木质、煤质反射光下：腐泥组、壳质组、镜质组、惰质组2化学分类由CHO含量组成不同，可分为三类：Ⅰ型干酪根：单细胞藻类（海藻）残体组成，富含脂类化合物，H/C高，O/C低，含大量脂肪族烃结构（链式结构为主），少环芳烃和含氧官能团，生成液态石油潜力大，油页岩属此类。典型腐泥质类型（sapropelic）。最大转化率80％。

Ⅲ型干酪根：源于富木质素和碳水化合物的高等陆源植物碎屑形成的，H/C低，O/C高，多环芳香烃结构为主，生油潜力小，天然气的主要母质。典型腐殖质类型（humic）。最大转化率30％。

Ⅱ型干酪根：介于Ⅰ、Ⅲ之间，过渡性，来源于海洋飘浮植物及浮游动物，具多环饱和烃结构。生油气潜能介于二者之间。类脂型（liptimitic）。我国陆相盆地统计(王铁冠)：Ⅰ型干酪根占22.9%，Ⅱ型干酪根占48.5%，Ⅲ型干酪根占28.6%。

第二节促使有机质向油气转化的因素

沉积有机质向油气演化的过程是有机质不断的去氧、加氢、富集碳的过程。细菌、温度、时间、催化剂、放射性。

（一）细菌包括：喜氧细菌通氧细菌厌氧细菌在隔氧条件下，有机质的大分子被分解，ONS被分离，使CH富集—有机化合物—分解、聚合—稳定干酪根，伴有部分甲烷、CO2、H2，H2S

在早期阶段作用显著。

第二节促使有机质向油气转化的因素（二）温度与时间埋藏加大，地温增高，沉积有机质—热分解—石油（最有效、最持久的作用因素）1作用机理两个实验：（1）页岩中的不溶有机质（干酪根）--加热—烃类产物（低分子烷烃）；（2）现代海洋沉积物的干酪根—加热—挥发性产物，液态、固态产物结论：（1）不溶有机质—热力作用—烃类；（2）随温度增加，其产物有规律变化，T达一定时，气态产物首先产出；一般地，相同时间，温度愈高，生成石油愈多。

Connan（康南）的结论：

第二节促使有机质向油气转化的因素表明：lnt与1/T呈直线关系，即反应时间的自然对数与绝对温度成反比直线关系（图2-12，表2-5）。

故，地温梯度高的沉积盆地，油气资源较丰富。松辽盆地3.1~4.8℃/100m；加瓦尔油田（中东）5.1℃/100m—世界第一大油田。

生油门限：随着埋藏深度的增大，当温度升高到一定数值，有机质开始大量转化成石油的温度，或称成熟温度。达到门限温度的深度叫成熟点。(图2-13）生油窗：主要生油期一般地，50~120℃作为石油门限温度范围。（60-65居多）

不同沉积盆地，不同层位，生油门限温度不同。与有机质类型、埋藏时间有关。时间与温度相互补偿。温度是转化过程的决定作用。

2时间-温度指数（TTI）假设：成熟度与时间呈线性变化关系，与温度成指数变化关系。则：

应用：（1）研究成熟度，确定特定层位的油气保存状态；（2）确定有利生油气区范围；（3）确定石油生成时间，对圈闭评价；

（三）催化剂（Catalyst）

催化剂:能加快化学反应的进程而本身不参加化学反应的物质。破坏反应物的原始结构，使分子重新分布，形成稳定的烃类物质

（1）粘土矿物（吸附性）：蒙脱石比表面大，催化能力最强；伊利石次之；高岭石最弱；（2）酵素：由动植物，微生物产生，在有机质分解早期有重要意义。第二节促使有机质向油气转化的因素第二节促使有机质向油气转化的因素在250℃下油酸的热催化产物催化剂:油酸烃类产率（%）各类烃所占的百分比饱和烃单核芳烃双核芳烃3∶1361853292∶120285418第二节促使有机质向油气转化的因素根据已有的实验资料外推，用高活力催化剂在100℃下裂解正十六烷只需要几个月，若用低活力催化剂则需要1000年，而不用催化剂单纯的热解所需时间已超过了地球的年龄正十六烷热裂解和催化裂解所需要的时间

(据Goldstein,1980)第三节有机质演化与成烃模式

一、未成熟阶段

温度：10~60℃。主要作用因素:生物化学作用（细菌、酵素）有机质演化过程:在还原环境中，沉积有机质被部分分解，产生CO2、CH4、NH3、H2S、H2O等;同时形成更为稳定的干酪根。

从生物有机质-干酪根形成过程示意图主要烃类产物：生物化学甲烷正烷烃的碳原子数和分子量递减，生物烃所带来的奇碳优势被新生烃所冲淡直至消失；环烷烃和芳香烃的碳原子数和环数减少，分布曲线由双峰型变为单峰型二、成熟阶段温度：60-180℃。主要作用因素：热降解作用。（催化剂、温度）有机质演化过程：干酪根在热力作用下逐步向油气转化。随温度持续增高，生油反应的速度和生油量显著增大，直至达到生油高峰。此后，生油量开始明显减少，生气量相应迅速增大。至约180℃后，干酪根的生油潜力枯竭，只能生成气态烃类。右图说明：有机质各组成随深度的变化

(据B.Durand,1980)

1-CO2+H2O;2-油;3-湿气;4-甲烷;5-胶质+沥青质;6-不溶于有机溶剂的有机质;7-可溶于碱的有机质;8-可溶于酸的有机质;虚线表示这些组成可能叠置三、过成熟阶段有机质转化末期。此阶段已生成的液态烃和重质气态烃强烈分解，转变成最稳定的甲烷，以及碳质残渣（碳沥青或石墨）。第三节有机质演化与成烃模式温度：>180-250℃。第四节烃源岩及其评价

烃源岩（sourcerock）：曾经生成并排出足以形成工业数量油气的岩石。（Hunt

1979）(有效烃源岩)张厚福：能够生成石油和天然气的岩石。

生油层：由生油岩组成的地层。生油气层系：在一定地质时期内具有相同岩性、岩相特征的若干生油层与其间非生油层的组合，称生油层系。

生油区(油/气源区)：盆地内生油层系分布的区域。

第四节烃源岩及其评价一、烃源岩的岩石类型及特征

1、粘土岩类烃源岩1）岩类：泥岩（mudstone）、页岩（shale）、粘土岩（clayrock）2）特征：-颜色较暗，以灰色、灰黑色、灰绿色为主（有机质丰富）。-生物化石丰富，沉积环境安静、缺氧，水体稳定。

-富含分散状原生黄铁矿，水平层理。

2、碳酸盐岩类烃源岩1）岩类：石灰岩（limestone），生物灰岩（biosparite），泥灰岩（micrite）。2）特征：-岩性主要为低能环境下形成的隐晶－粉晶灰岩。-颜色较深，多为灰色、深灰色、褐灰色。-含生物化石丰富，含原生黄铁矿。

（二）烃源岩的地球化学指标

1有机质丰度指标

1)总有机碳（TotalOrganicCarbon－TOC）：单位重量的干岩石中有机碳的重量百分数。（也称残余/剩余有机碳)。可作为筛选烃源岩和评价生油气能力的指标粘土岩类的有机碳含量高于碳酸盐岩类：对有机质的吸附能力不同;碳酸盐岩的晶析作用和成岩作用。第四节烃源岩及其评价

烃源岩的TOC下限:0.5%好的烃源岩TOC>1-2%2）氯仿沥青“A”和总烃含量（HC）

氯仿沥青“A”：指岩石中可抽提有机质的含量；

总烃含量：包括沥青“A”饱和烃和芳香烃组分含量的总和。

我国陆相中新生代淡水-半咸水沉积生油岩平均---0.1～0.3％；非生油岩