侯贵廷-石油地质学-2 生油

第二讲

石油天然气的成因石油天然气的成因无机成因论和有机成因论之争

无机成因论

无机成因论以前苏联学者为代表，19世纪晚期，俄国门捷列夫认为，地球深处的金属碳化物在高温下与水起反应，生成乙炔（C2H2），随后凝聚成烃认为石油来源于地壳深部和地幔，地幔内含烃类物质。认为有机论无法解释巨大的石油资源量，有些油田的石油资源量远远超过沉积物的生烃量。有些天然气确实来源于地幔。

有机成因论

有机成因论为石油地质学的主导思想，几乎所有的石油天然气田都位于沉积盆地内，烃源岩是沉积岩，烃源于有机物干酪根。理论和实践均证明了烃的有机成因。有机成因论的科学依据世界上已经发现的油气田99.9%都分布在沉积岩中。世界上25个大型含油气盆地占世界发现石油总量的86%。从前寒武纪至第四纪各个时代岩层中均发现了石油，都与沉积岩的分布，与煤和油页岩的分布密切相关。世界上没有化学成分完全相同的两种石油，也没有成分完全相同的石油。这与石油的同源性和生成环境的不同有关。石油和煤的灰分均富集V,Cu,Ni,Co,说明石油和煤具有相似的成因。石油是低温条件下生成的，很少超过100度。油气藏的聚集时间一般100百万年,而无机高温化学反应不需要这么长时间。碳循环烃类是自然界碳循环中的一个过渡阶段，碳在自然界是不稳定的，除非是石墨或无机的碳酸盐岩。地壳中总含碳量：91019kg

火成岩中：1.31019kg 水圈、生物圈：51019kg

沉积物、沉积岩中：2.71019kg,其中80%是碳酸盐岩中的C

总的有机C：1.21019kg,其中

沉积岩中：1.11019kg 煤+泥岩资源量：151015k（千分之一）

储集层中的石油资源量：11015kg（万分之一）

石油成因有机质来源：活的有机体，它们的分泌与排泄，尸体.烃类来源基础生物分子：脂类，蛋白质，碳水化合物.C要生成烃要C--H结合：如果C--O结合，则形成CO2；

H要与O结合，则形成H2O。由此可以看出，有机质要转化为烃，H要升高，O要降低，这应该在什么环境下完成？世界上所有物质的循环归根结底都是元素的循环！化石燃料就是碳循环的一个环节！石油的现代成因模式

在海相和湖相沉积盆地的发育过程中，原始有机质伴随其他物质沉积后，随着埋藏深度逐渐加大，经受地温不断升高，在乏氧的还原环境下，有机质逐步向油气转化。重要：有机质向油气转化的阶段性(油气生成演化阶段)

（1）<1500m,60°C以下：生物化学生气阶段（2）1500～4000m,60°～180°C：热催化生油气阶段（3）4000～7000m,180°～250°C:

热裂解生凝析气阶段（4）7000～10000m,250°C：已经生成的烃也要裂解，变成干气甲烷、沥青和石墨（1）生物化学生气阶段

从地表至1500米深处，与沉积物的成岩作用基本相符，温度介于10-60°C

，以细菌活动为主，相当于炭化作用的泥炭-褐煤阶段，以乏氧的生物化学降解为生气机制，类似“沼气”，以甲烷为主。大部分有机质是以干酪根形式存在于沉积岩中。（2）热催化生油气阶段

沉积物埋藏深度达到1500~4000m，有机质经受的地温达到６０～１８０°C，相当于长烟煤－焦煤阶段，促使有机质转化的最活跃因素是热催化作用。页岩等粘土岩的催化作用十分关键。粘土矿物的催化作用可以降解有机质的成熟温度，促进石油的生成。

“生油窗”——在热催化作用下，有机质能够大量转化为石油和湿气，成为主要的生油时期。

太浅的盆地油气生成的潜力不大。（３）热裂解生凝析气阶段

沉积物埋藏深度达到4000-7000米，地温达到１８０～２５０°C，超过了烃类物质的临界温度，环烷的开环和破裂，液态烃急剧减少，主要以甲烷及其他气态的低分子正烷烃，在地下呈气态，当采至地面，随温度和压力降低，反而凝结为液态轻质油，这个阶段是高成熟油气阶段，以凝析气和湿气为主要产物。（４）深部高温生气阶段

当深度超过７０００米，沉积物进入变生阶段，到了有机质转化的末期，相当于无烟煤阶段，地温超过２５０度，以高温高压为主。石油全部裂解成最稳定的甲烷，干酪根残渣释出甲烷后进一步缩聚，生成碳沥青或石墨，是变质产物。生油为主生气为主成分单一成分复杂成熟度加大生油物质——干酪根干酪根——Kerogen,最初用来描述苏格兰油页岩中的有机质，经蒸馏后能产出似蜡质的粘稠的石油，现用来泛指沉积岩或沉积物中不溶于一般有机溶剂的沉积有机质。而能溶于有机溶剂的部分，为沥青。干酪根的形成实际上在生物体衰老期间就已开始，有机组织开始发生化学和生物降解转化，大分子生物聚合物部分或全部被拆散，形成单体分子，通过腐泥化或腐植化过程形成干酪根的前身——地质聚合物，在成岩过程中，聚合物变大，变复杂，埋深至数十米或数百米，具有很大分子的干酪根才发育起来。干酪根的成分和结构

干酪根是沉积有机质的主体，约占有机质的80~90%，80~90%的石油是由干酪根转化来的。

干酪根——是一种高分子聚合物，没有固定的化学成分，主要由C、H、O、S、N组成，分子式C12H12ON0.16S0.43。

干酪根的结构——三维网状结构。由环状化合物为主体，多个核被桥键和官能团连接而成。干酪根的类型有机质的分类：

腐泥质：脂肪族有机质在乏氧条件下分解和聚合作用的产物，来自海洋或湖泊环境水下淤泥中的孢子及浮游类生物，可以形成石油、油页岩、藻煤和烛煤。

腐殖质：泥炭形成的产物，来自有氧条件下沼泽环境下的陆生植物，可以形成天然气和腐质煤。干酪根分类光学分类

藻质、无定形、草质、木质和煤质五类。藻质和无定形组分均来自海、湖水生浮游生物，前者藻类形态，后者多孔、非晶质、无结构、云雾状，没有清晰的轮廓。草质组分由孢子、花粉、角质层、叶子表皮和植物细胞组成。木质组分为长形木质纤维，来源于陆地高等植物。煤质组分是陆地天然炭化的植物物质与再沉积的炭化物质。

生油潜力依次减小：藻质>无定形>草质>木质>煤质。随深度加大，温度升高，干酪根的透明度减弱，反射率增大，颜色变深。

各种生油物质-干酪根的荧光显微照片无定形组分（浮游生物）木质组分（纤维）草质组分（草籽花粉）藻质组分干酪根分类化学分类：I型，II型和III型

I型干酪根：具原始氢高含量和氧低含量，H/C原子比介于1.25~1.75,O/C介于0.026~0.12.以含类脂化合物为主，直链烷烃很多，多环芳香烃及含氧官能团很少。氢碳比最高。

II型干酪根：原始氢含量较高，但稍低于1型干酪根，H/C原子比介于0.65~1.25,O/C介于0.01~0.13.属高度饱和的多环碳骨架，中等长度的直链烷烃和环烷烃很多，含多环芳香烃及含氧官能团。

III型干酪根：具原始氢低含量和氧高含量，H/C原子比介于0.46~0.93,O/C介于0.05~0.30.以多环芳香烃及含氧官能团为主，饱和链烃很少。氢碳比最低。

显微组分干酪根类型原始有机质生油潜能藻质体I淡水藻1

壳质体I孢子、花粉0.7~1

角质体II陆地植物角质层同上树脂体II陆地植物树脂同上脂质体II陆地植物类脂化合物，海藻同上镜质体III陆地植物木质素和纤维素0.1

惰质体III木炭、任何来源的氧化或再循环物质0

不利于生油，但有利于生气。石油生成的地质条件一、地质条件

（1）大地构造条件

板块、盆地、如：板内裂谷、造山带前陆盆地、被动陆缘盆地等。

（2）岩相古地理条件海相和陆相

海相：浅海、深水陆棚。陆相：深湖-半深湖、三角洲。二、理化条件细菌活动、粘土矿物的催化、地热场。三、温度与时间

成熟点:

随着埋藏深度的加大，当温度升高到一定数值，有机质才开始大量转化为石油，这个温度界限称为有机质的成熟温度或生油门限深度，这个成熟温度所在的深度，即成熟点。

天然气的成因无机成因气

火山气、岩浆气、变质气、地幔气等2有机成因气

生物化学气（沼气，即细菌气）、湿气、凝析气、煤成气3混合成因气一、无机成因气地球深部岩浆活动、变质岩和宇宙空间分布的可燃气体，以及岩石无机盐类分解产生的气体，皆属于无机成因气或非生物成因气。它们常沿深大断裂上升至沉积岩内。无机成因气属于干气，以甲烷为主，有时含二氧化碳或氮很多，甚至以它们为主。以二氧化碳为主的可燃气，常与碳酸盐岩无机盐类热分解或岩浆成因有关。我国东营凹陷平方王油田下第三系所产与火山活动和地幔相关的CO2含量达63~66%，还有Ar气藏、He气藏，也有工业意义。这些属于无机成因的非烃气。二、生物化学气

生物化学气大量形成的条件可归纳如下：1．拥有丰富的原始有机质，这是产生大量甲烷的物质基础。2．严格的缺游离氧、缺硫酸盐环境，这是厌氧的甲烷菌群繁殖的必要条件。3．地温低于75℃，甲烷菌才能大量繁殖，且随温度升高甲烷产率增多；但当温度超过75℃时，甲烷菌大量死亡，不利于甲烷气的生成。4.最适合甲烷菌繁殖的PH值为6.5～7.5，中性为宜；否则甲烷菌难以繁殖乃至中毒，停止发酵。

生物化学气的化学成分是以甲烷为主，如：沼气（人工的）。

云南昆明盆地有天然的生物化学成因气藏。三、煤成气凡与煤系有机质（包括煤层和煤系地层中的分散有机质）热演化有关的天然气，都称为煤成气。煤系气亦属干气，以甲烷为主，有时含适量的二氧化碳和氮。四、油型气与成油有关的干酪根在热演化过程中达到成熟、高成熟及过成熟阶段所生成的天然气，统称为油型气。按热演化程度，可以划分为石油伴生气（湿气）、凝析油伴生气及腐泥型裂解气。一个方向为干酪根热降解为石油，在地温继续增加的条件下，石油可以裂解为气态烃；另一方向是干酪根热解直接生成气态烃。这两个方向都可以形成油型气。随着热演化程度的增高，干酪根降解为石油，所生成的油型气的演化方向是石油伴生气→凝析油伴生气→腐泥型裂解气（干气甲烷），另外还剩下高度碳化的石墨。五、天然气水合物固态气体水合物，是在特定的压力和温度下，气体分了天然地被封闭在水分子的扩大晶格中，呈固态的结晶化合物，也叫冰冻甲烷，“可燃冰”。最早前苏联在西伯利亚气田的冻土层中发现了“可燃冰”。在北冰洋分布，美国深海钻井船发现可燃冰。南极洲是一个冰盖极厚（2000-5000米）的新领域，其下可形成1000-2000米气体水合物，可能拥有巨大的天然气资源，尚待证实。气体水合物的结构水-水：氢键

(hydrogenbond)

水分子“笼子(Cavity)”气体分子：CH4,C2H4,C2H6,C3H8,

Ne,Ar,Kr,Xe,N2,H2S,CO2,

外观为类冰晶体非化学计量的包合物(Clathrate)天然气水合物的主要赋存状态

天然气水合物在沉积物中的存在方式有多种（如分散状、结核状、层状、块状）。在沉积物孔隙中，水合物与颗粒可能接触，也有可能没有接触，常常表现为天然气“冰”，类似固体酒精的性状。天然气水合物浓度大约占整个沉积物体积的20%～25%，是最有成藏价值的一种赋存状态。这个比例足以造成水合物富集层与非富集层的物理性质差异。

天然气水合物的物理性质天然气水合物的密度为0.9g/cm3,类似“冰”,也称”可燃冰”；含水沉积物的密度略大于1，因此，在密度上，两者差异不大，与海底沉积物底界的地震反射相比，信号差异弱。另外受海底复杂地形的影响，地震数据质量一般较差，误差较大。

电性方面，天然气水合物是一种固体绝缘体，电阻率高，在测井曲线上表现为为高阻特征，而水体和含水沉积物表现为低阻特征，因此，从电性上可以清晰地分辨出富天然气水合物沉积物和普通的含水沉积物。

天然气水合物开采的最大难题：1、面积大但丰度低，不易开采！2、另外，开采时导致天然气水合物中的甲烷逸出，

空气污染，温室效应，很危险！有环境隐患！

3、开采可燃冰的前提条件必须是可控。生油层的研究生油层：由生油岩组成的地层。生油岩：能够生成石油和天然气的岩石。研究目的：确定生油区，预测油气远景区。生油层类型：粘土岩类、碳酸盐岩类（海相陆相均有）（1）粘土岩类生油层：泥岩、页岩。（2）碳酸盐岩类生油层：灰岩（生物灰岩）、泥灰岩。生油层的研究方法一、生油岩二、沉积环境三、有机地球化学

（1）有机质丰度指标（2）有机质成熟度指标（3）烃类转化指标四、生烃量的计算一、生油岩

生油层的岩性、岩相和厚度粘土岩类生油层包括：泥岩、页岩和粘土等，在一定深度的稳定水体中形成的。在环境安静乏氧，浮游生物和陆源有机胶体能够伴随粘土矿物大量堆积、保存并向油气转化，由于粘土岩富含有机质及低铁化合物，颜色多呈暗色。碳酸盐岩类生油层在低能环境下形成的富含有机质的石灰岩、生物灰岩和泥灰岩为主。

二、生油沉积相

最有利的生油岩相是浅海相、三角洲相和深湖相。注意并没有“深海相”！深海相是饥饿盆地，沉积物薄，生物少。

浅海相的碳酸盐岩类和粘土岩类都是具备很好的生油条件，多处于广海大陆架和潮下带的局限海，属持续低能环境，盆底长期稳定沉降，气候温暖湿润，生物繁盛，水体安静，长期的还原环境使丰富的有机质得以顺利堆积、保存并向油气转化。

三角洲相属于长期快速沉降地区，营养丰富，以富含有机质的暗色页岩沉积为主，由河流搬运来的最细粘土悬浮物质和胶体物质沉积而成，既含海相生物化石，又含陆源有机质，迅速埋藏和保存，有利生油。

陆相生油层——深湖相：我国半个世纪的石油勘探实践证明，深水-半深水湖相是陆相生油层系发育的有利环境，这里是具备有机质含量丰富，加上水流弱、波浪小、静水沉积、水底还原等良好的生油条件，尤其是在主要生油层系沉积时期处于近海地带的深水湖盆更为有利。

二、生油沉积相

最佳的烃源岩应该是浅海相碳酸盐岩长期位于赤道或低纬度区，气候湿热，有利于生物的繁殖。

如：中东地区的侏罗系和白垩系是非常好的烃源岩-碳酸盐岩，长期稳定地处于被动大陆边缘浅海相，位于赤道或低纬度区。为中东成为世界的“油库”奠定了生油基础。古特提斯洋关闭——印度板块向欧亚板块的碰撞中东地区阿拉伯板块在中新生代一直处于南纬30°至北纬30°之间。阿巴拉契机亚盆地西-东泥盆纪页岩剖面

（Milici,2005)紧邻烃源岩页岩的砂岩是重要的储层，这里只有初次运移，形成非常规致密砂岩或页岩油气。2160.14m1in.NaturalFractures2cm2178.95–2179.16m2160.14m露头美国Woodford页岩中的天然裂缝重要的烃源岩页岩BarnettCoreinFaultedAreaBarnettCoreShowingMinorFaultsandRegionalFracture重要的烃源岩页岩三、生油岩地球化学（有机地球化学）

1有机质的丰度指标

有机质丰度指标——剩余有机碳含量，指岩石中残留的有机碳含量，以单位重量岩石中有机碳的重量百分数表示。生油层内油气生成逸出后，岩石中残留下来的有机质中的碳含量，就是今天在实验室所测定的值，故称剩余有机碳含量。因仅有很少的一部分有机质转化为油气，大部分残留在生油层中，因此，剩余有机碳可以近似表示生油层的有机质丰度。近些年来，我国利用氨基酸总量、氨基酸总量/剩余有机碳含量的比值，作为沉积岩中有机质的丰度指标。一般，氨基酸总量越高，氨基酸总量/剩余有机碳的比值越低，属于好生油层。2有机质的成熟度指标（1）镜质体反射率（R0)

镜质体(Vitrinite)

——是一组富氧的显微组分，由同泥炭成因有关的腐殖质组成，具镜煤特征。测定镜质体反射率研究煤的碳化程度已有很长历史，但是广泛用于研究分散有机质的热演化程度只不过是20多年来的事。干酪根的光学研究结果表明，其基本成分为镜质体碎片和非晶质有机物。镜质体是以芳香环为核，带有不同的支链烷基。在热演化过程中，链烷热解析出，芳环稠合，出现微片状结构，芳香片间距渐缩小，致使反射率增大、透射率减小、颜色变暗，这是一种不可逆反应。所以，镜体反射率是一项衡量生油岩经历的时间-古地温史、有机质热成熟度的良好指标。

镜质体反射率与成岩作用关系密切，热变质作用愈深，镜质体反射率愈大。镜质体反射率用来表示有机质的演化特征，是显微镜鉴定的最简便方法。2．热变质指数

将显微镜下观察有机残体，按颜色变化确定有机质的演化变质程度。

1级——未变化，有机残渣呈黄色；

2级——轻微热变质，呈桔色；

3级——中等热变质，呈棕色或褐色；

4级——强变质，呈黑色；

5级——强烈热变质，除有机残渣呈黑色外，另有岩石变质现象。可将已知地区热变质程度制成标准变色图板。3．干酪根的颜色

根据干酪根的颜色随着热成熟作用的增进，样品颜色由黄色变为暗褐色至黑色。其中从暗褐色至深暗褐色的转变标志着最大量生成正烷烃的区间。需要指出：在地质条件不同的地区，干酷根的类型会有区别，其热成熟特征可能出现在不同范围。如：

A．热未成熟沉积物；

B．热成熟沉积物；

C．早期变质沉积物（三）烃类转化指标目前国内外常用的有下列几种：1．可溶性沥青含量及其组分组成

岩石中溶解于有机溶剂的物质，称为可溶性沥青。这些溶剂可以是氯仿、苯、丙酮等等。有机溶剂从岩样中抽提出来的沥青重量与岩样重量之比，即为可溶性沥青含量。还原性组分含量高的岩石可定为生油岩。2．烃类含量及其族组成

指可溶性沥青中的总烃含量及其中的正烷族、环烷族、芳香族烃的含量。总