《油气的生成》PPT课件

1、石油和天然气的成因与生油岩,石油成因概述 石油成因的现代理论 天然气的成因 生油岩 石油的地球化学对比,1 石油成因概述,1.1 无机成因说 石油是由自然界中的无机物化合而成的，与有机物质无关。 “碳化说” （门捷列夫，1876） 宇宙成因说（索科洛夫，1889） 岩浆说（库德梁采夫，1950s） 高温生油说（切卡留克，1971） 解释不了为什么世界上90%以上的石油都埋藏在沉积岩中，为什么石油具有只有生物有机质才有的旋光性、生物标志化合物等问题。实验室合成生成的仅是一些烃分子，远不能代表油、气本身的复杂混合物。,1.2 早期有机成油说 主张：石油是地质历史时期中生物有机质在还原环境中转化而成

2、的，且形成于沉积物成岩作用的早期。 依据：A实验发现，一些生物组分如类脂物、蛋白质、碳水化合物在一定条件下都可生成烃类。 B在现代或近代的沉积物中，观察到有机质向烃类的转化。 C某些细菌是有机物质加氢、去羧基转化为类石油物质的媒介，而这一过程完成于沉积物埋藏不深的阶段，说明烃类只能在成岩早期生成。 难点：a.世界上发现的原生油气藏几乎都在上新世(N2)以前； b. 现代沉积中的烃类性质与真正的石油不同：以甲烷为主，缺乏C2-8重烃；正烷烃分布曲线上具奇数碳优势，而石油中奇偶碳几乎相等。,1.3 晚期有机成因说 1960s以来，由于分析手段的提高和认识水平的飞跃，晚期有机成油学说逐渐占了上风。通

3、过对生油剖面的详细研究表明，只有当含有丰富有机质的沉积物(称为母岩/源岩)被埋藏到一定温度和深度时，有机质才会显著地产生大量石油烃。 阿贝尔松森(Abelson,1963)提出，石油是沉积物(岩)中的不溶有机质(称为干酪根)在成岩作用晚期，经过热解生成的。 这一观点目前已经成为石油生成的主流学说。 应该看到，原始有机质从沉积，埋藏到转化为石油和天然气，是一个逐渐演化的过程，在承认晚期成油起主要作用的同时，也不能一概否定早期成油的影响。 现在看来，液态石油的成因主要是晚期成因，而天然气的成因条件较为宽松，成因机制也多种多样。,2 石油成因的现代理论,2.1 成油的原始物质干酪根 晚期成油理论认为

4、，生成石油的原始物质主要是有机物质经过一系列改造以后所形成的干酪根。 2.1.1 沉积有机质的形成和分布 有机学说的核心就是石油起源于生物物质。 活的有机体死亡后，其分解过程可有三种途径：通过物理、化学作用转化成CO2、H2O等简单分子；被生物吸收或通过再循环(食物链)开始新一轮新陈代谢；很少一部分残余物质，伴随矿物混入沉积物中一起被埋藏，并保存下来称为沉积有机质。 沉积有机质由两部分组成：一部分是保留原先活的有机体化学结构的继承性物质，如地球化学化石或生物标记化合物；另一部分是非继承性物质，即原有机体分解成简单低分子，再聚合成结构复杂的高分子物质。,有机质是沉积物中的常见成分，但它的含量变化

5、很大，90%以上的沉积有机质呈分散状态存在于沉积物之中，一般含量10%，在暗色泥岩中为0.82%。沉积物中有机质的含量与生物物质的产量、原始有机质的保存条件、堆积速度以及沉积物的粒度等因素有关。因而，不同沉积环境、不同岩石性质、不同地质时代的地层，沉积有机质的含量可以有很大不同。,表 不同沉积物中的有机碳分布,2.1.2 干酪根 干酪根(kerogen) ：沉积岩中不溶于碱、非氧化型酸和有机溶剂的分散有机质。是有机物质经过一系列改造以后形成的。 沉积岩中的有机质可以分为两部分，不溶的干酪根与可溶的沥青，后者包括烃类、胶质和沥青质等。,1)干酪根的成分和结构 干酪根是一种高分子聚合物，没有固定的

6、化学成分，主要由C、H、O和少量S、N组成，分子式可用C12H12ON0.16S0.43x 表示。五种元素的重量百分比平均为：C-76.4%，H-6.3%，O-11.1%，S-3.65%，N-2.02%。 研究发现，干酪根在结构上是一种复杂的三维大分子，它有很多结构单元(核)，由环状化合物组成(芳香环，杂环)，多个核通过桥键相联结，在桥和核上都可能具有官能团(如烃羟基、羧基、甲氧基等)。,2)干酪根的数量 干酪根约占总有机质的8090%，是沉积有机质的主体。根据杜朗(Durand,1980)估算，沉积岩中干酪根总量1016t，而化石燃料最大资源量分别是：石油41011t、气21011t、页岩油

7、51011t、油页岩1012t、地沥青31011t，煤和富有机页岩分别为1013t和1014t。这样，干酪根总量约比化石燃料总量大1000倍。 也就是说，作为生油原始物质的干酪根，在地球上的总量是十分充分的。,3)干酪根的类型 (1)化学分类 390个干酪根样品，按H/C和O/C原子比表示在范氏图上，可将干酪根分为三种主要类型（、型）。,三种类型干酪根的特征对比表,型干酪根：O/C原子比特高(0.25)，H/C原子比很低(0.50.6)，来源于深度氧化或再沉积的有机质，不具备生油能力。 (2)光学分类 用HCl和HF除去无机矿物质后，将有机残渣(干酪根)放在显微镜透射光下观测，可划分出藻质、无

8、定形絮质、草质、木质和煤质五种组分。随着埋深加大，地温升高，上述组分的生油潜能按藻质无定形草质木质煤质顺序依次降低(H/C原子比亦降低)。 而在显微镜下用2550倍油浸镜头，通过反射光观察煤或干酪根的显微组分，其划分方案如下： 壳质组/脂质组：孢质体、角质体、藻质体、树脂体； 镜质组：前镜质体、真镜质体及其变种；“Ro” 惰性组：碎质体、菌质体、丝质体、半丝质体。,干酪根的显微构成,1标准腐殖型干酪根(2)，抚顺长焰煤。250 2油页岩无定形干酪根(2)，扶顺。 250 3，4含腐殖的腐泥型干酪根(2)，南阳，魏134、156井。500 5藻腐泥型干酪根(2)，左侧为盘星藻，南阳，魏134井。

9、500 6藻无定型干酪根(1)，南Pg，魏134井。250 (据黄第藩等，1984),干酪根的显微组分,1藻纤维体(藻基)。南阳，魏134井。500 2丝质菌孢。辽河大民屯，沈13井。250 3结构树皮。南阳，张5井。500 4结构镜质体。南阳，张5井。500 5镜质体。南阳，张7井。800 6镜质体。南阳，张5井。800 (据黄第藩等，1984),2.2 石油形成中的生物与物理化学作用 石油的生成是一个“生物化学和物理化学作用的过程” 1.细菌 细菌按其生活习性可分为三类，即喜氧细菌、厌氧细菌和通性细菌。 厌氧细菌对油气生成的意义更大。在还原条件下，有机质经细菌分解成甲烷、氢、CO2、有机酸

10、及其它CH化合物。细菌所起的作用，是将原始有机质中的O、S、N、P等元素分离出来，使C、H特别是H富集起来。 2.温度和时间 地球是一个巨大的地热场。,(1) 由沉积有机质演化成的干酪根加热以后，才能生成石油烃类； (2)温度较低时，加热干酪根生成的液态烃和挥发组分产率较低，只有到达一定温度，才会大量生成液态烃，而温度继续上升到一定程度，液态产物(烃)又会减少，而气态烃生成量继续增加；,(3)洛杉矶盆地和文图拉盆地新近系的地层剖面表明， 烃(C15+)的含量随深度的变化在不同阶段是不一样的。在低温时烃的增长量缓幔，只有达到一定温度(115)时，才开始明显增长，这一温度在二盆地中对应的深度分别是

11、2440m和3660m，说明干酪根演化中最关键的因素是温度而不是深度。,有机质开始大量转化成石油的温度叫门限(门槛)温度。,实际资料表明，这一温度通常在50120之间，如大庆50(1250m)、胜利93(2200m)。门限温度的高低首先取决于有机质的组分，并与有机质受热持续时间或地质年代有关，此外还受催化作用影响。,(4)干酪根热降解生烃的过程，符合化学动力学定律的一级反应规律。 阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程描述：,式中，C0-反应物初始浓度，C-反应物在某一时刻的浓度，t-反应时间，A频率因子，E活化能，R气体常数，T绝对温度(K)。 康南公式：,式中t的单位是Ma。,埋藏史和受热史

12、相结合，才能算出累计的总成熟度效应，目前多用TTI值(时间温度指数)来表示。TTI的积分形式是：,离散形式为:,若已知A频率因子，E活化能、沉积速度、埋藏深度、温度梯度等，则可算出TTI，但E、A往往不易得到，因此就有了各种近似方法。,3.催化剂 在有机质转化成油过程中，催化剂的参与可以降低反应所需活化能，加快成烃反应速度，并改造烃的性质。自然界中这种催化剂主要有无机盐类和有机酵母素两类。 粘土矿物是自然界分布最广，成本最低的无机盐类催化剂。催化实验发现，250时，粘土/油酸由21增加到31时，烃产率由20%升至36%。从粘土种类上看，蒙脱石催化能力最强，高岭石最弱。 4地层压力 最近的研究表

13、明，超压容易引起反应活化能的升高，抑制有机质的热成熟作用。,2.3 有机质成岩演化与油气生成的阶段性 有机质作为沉积物的一部分，在成岩过程中将发生一系列的变化。石油和天然气正是有机质成岩演化过程中附带的、自然的产物。不同的演化阶段，伴随有不同的烃类产物。 有机质的演化可分为4个阶段：即成岩作用阶段、深成热解作用阶段、后成作用(“准变质作用”)阶段和变质作用阶段。,1.成岩作用阶段 成岩作用是在浅埋条件下使(大量水、矿物、死亡的有机质和活着的微生物组成的不平衡)体系趋于平衡，并在正常条件下促使其固结的一种作用。涉及的深度较浅(几百米)，温度较低，Ro0.5%，一般称未成熟阶段。 最重要烃类是甲烷

14、。 结束标志是沉积物中可抽提腐殖酸已减少到最小量，并失去大多数羧基。 2.深成热解作用阶段 矿物的组分和结构方面，主要是粘土矿物发生某些变化(蒙脱石-伊利石) 有机质方面，干酪根开始向低分子的单体物转化，干酪根通过演化首先生成液态石油，在晚期又生成湿气和凝析油，而湿气和凝析油都伴生有大量甲烷。,石油在性质上更为成熟，不再具奇碳优势，正烷烃C原子数和分子量递减，正烷烃分布曲线由双峰变成单峰；环烷烃和芳香烃C原子数和环数减少，胶质沥青质逐渐减少甚至消失，因而引起石油比重变小、颜色变浅等。 当干酪根中脂肪族C链完全消失时，就标志着深成热解作用的结束，此时Ro=2%，干酪根结构开始了有序化发育。 3.

15、后成作用和变质作用阶段 后成作用又称浅变质/准变质作用等，此时Ro=24%，煤阶对应于无烟煤。 由于温度升高，有机质热裂解反应迅速进行，氢的过量消耗，干酪根H/C原子比已经很低，生油潜力逐渐枯竭。 有机质仅由甲烷和C质不溶残渣组成，某些结晶序列开始发育，同时，先期形成的液态烃和湿气也会被裂解成热力学上最为稳定的甲烷。 变质作用阶段，导致致绿片岩相和角闪岩相发育，Ro4%，残余的干酪根成分转变成石墨。,2.4 有利油、气生成的地质环境 生成油、气的环境需求：一是有丰富的有机质，二是有适宜的物理、化学条件，前者是生油的物质基础，后者则为生油提供保障。 1.岩相古地理环境 海洋中以浅海为最有利的生油

16、环境； 陆地上的深水一半深水湖泊最有利； 温暖、湿润的气候。 2大地构造条件 只有在长期持续下沉过程中伴随适当升降、沉降速度略大于或接近沉积速度（接近补偿）的地区，才能持久保持还原环境。,3 天然气的成因,3.1 生物成因气 3.1.1 概念和形成过程 生物成因气 它出现在埋藏浅、时代新和演化程度低的岩层中，以含甲烷气为主。 形成过程：,不溶有机质 酶的发酵作用 可溶有机质 产酸菌 菌体 挥发性酸 其它产物 产甲烷菌 菌体 CH4 + CO2 其它产物,3.1.2 形成条件 最有利的有机母质是草本腐植型腐泥腐植型； 环境：足够强的还原条件，一般Eh-300mV为宜；pH值要求接近中性，最佳值7

17、.27.6；甲烷菌生长温度O75，最佳值3742。 3.1.3 化学组成 生物成因气的化学组成几乎全是甲烷，其含量一般98%，高的可达99%以上，重烃含量很少，一般1%，其余是少量的N2和CO2。因此生物成因气的干燥系数(Cl/C2+)一般在数百数千以上，为典型的干气，甲烷的13C1值一般-85-55，最低可达-100。,3.2 油型气 天然气的形成也具明显的垂直分带性，上部(成岩阶段)是生物成因气，向下依次是石油伴生气凝析气干气，甲烷13C1值随有机质演化程度增大而增大。,3.3 煤型气 煤型气是一种多成分的混合气体，其中烃类气体以甲烷为主，重烃气含量少，一般为干气。有时可含较多Hg蒸气和N

18、2等。 成煤作用可分为泥炭化和煤化作用两个阶段。 在T、P和t作用下，堆积的植物遗体和碎片按泥炭褐煤长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤无烟煤的序列转化。 实测表明，煤的挥发分随煤化作用增强明显降低，由褐煤烟煤无烟煤，挥发分大约由50%降到5%。这些挥发分主要以CH4、CO2、H2O、N2、NH3等气态产物的形式逸出，是形成煤型气的基础。,煤化作用的反应模式,煤型气的形成及产率不仅与煤阶有关，而且还与煤的煤岩组成有关。如鄂尔多斯盆地上古生界煤中三种显微组分的最终成烃效率比约为：壳质组:镜质组:惰性组=3:1:0.71，产气能力比约为3.3:1:0.8。,3.4 无机成因气 地球深部岩浆活动、变质岩和宇宙

19、空间分布的可燃气体，以及岩石无机盐类分解产生的气体，都属于无机成因气或非生物成因气。 1) 甲烷 无机合成 地球原始大气中甲烷 板块俯冲带甲烷 2)CO2 上地幔岩浆中富含CO2气体； 碳酸盐岩受高温烘烤或深成变质可成大量CO2； 碳酸盐矿物与其它矿物相互作用也可生成CO2； 3) N2 出现在古地台边缘的含氮地层中，N2含量大于15%者 为富氮气藏。,地壳岩石热解脱气 地下卤水(硝酸盐)脱氮作用 地幔源的N2： 大气源的N2： 4H2S H2S含量1%的气藏为富H2S的气藏，具有商业意义者须5%。后者富集于含厚的碳酸盐一蒸发盐岩系的大型盆地内。 热化学成因(无机)：有热降解、热化学还原、高温

20、合成等。 5.稀有气体(He、Ar、) 用途：地球化学过程的“示踪剂” 3He/4He、40Ar/36Ar是查明天然气成因的极重要手段,3.5 各种成因气识别标志 不同成因类型天然气的综合鉴别特征(据戴金星,1993简化),4 生油岩,4.1 定义 生油(气)岩/生油母岩/烃源岩/生油(气)层: 生油岩研究目的,是要解决哪里生油、怎么生、生多少的问题 一般要从有机物丰度、有机质类型和有机物成熟作用等三个方面开展工作 4.2 生油岩的岩性岩相特征和主要类型 4.2.1 岩性特征 理想的生油岩主要为粘土岩类和碳酸盐岩类，一般是暗色的、细粒的岩石，富含有机质和微体古生物化石，常含指示还原环境的黄铁矿

21、，偶见原生油苗，均为低能环境产物。,4.2.2 岩相特征 一般说来，最有利的生油岩相是浅海相、三角洲相和深 水半深水湖相。 4.2.3 我国陆相生油层系的主要类型,（据北京石油勘探开发研究院，1977，转引自张厚福、张万选主编，石油地质学，1989）,4.3 生油岩的地球化学特征 4.3.1 有机质的丰度(数量) 国内外普遍采用的指标是残余有机碳含量 地矿部石油地质中心实验室(1980)将有机C的下限值定0.5%。,4.3.2 有机质的类型（质量） 1)光学研究和元素分析 生油岩的有机质类型，可用可溶有机质(沥青)和不溶有机质(干酪根)的结构和组成来区分。 藻质、无定形絮质、草质、木质、煤质；

22、 含植物碎片的多少：,2)全岩样品的热解方法 岩石生油潜力评价 热解测定法(RackEval) 检测结果：,S1：已有烃类(游离/吸附)在中等温度下的挥发量； S2：更高温时热解生成的烃和似烃化合物； S3：CO2和水这些含氧挥发物； Tmax：烃类最大生成量时的温度(峰温)。,干酪根的类型可由氢指数(IH=S2/有机C)和氧指数(Io=S3/有机C)来鉴定，用IH和IO作范氏图可以很清楚地辨认出、类干酪根及其演化途径。,还可进行生烃潜力的半定量评价 S1+S22Kg/t(2000ppm)为非生油岩，只其一定生气能力； S1+S2 = 26Kg/t(20006000ppm)属中等生油岩； S1

23、+S26Kg/t(6000ppm)为好的生油岩。,4.3.3 有机质的成熟度 1)光学鉴定 (1)孢粉和干酪根的颜色 在透射光下，孢子、花粉和其它超微化石： 黄-桔黄/褐黄-褐色-黑色 (成岩阶段) (深成阶段) （准变质阶段） 同样，根据干酪根的颜色也可估测其成熟度。 (2)镜煤反射率(Ro) Ro的测定： Ro0.50.7% 成岩作用阶段，生油岩未成熟； 0.50.7%Ro1.3% 深成作用阶段，成油主带(生油窗)； 1.3%Ro2.0% 湿气和凝析油带； Ro2.0% 准变质干气带，只有甲烷生成。 成熟期限并不完全一致，型最早(0.5%)，型次之（0.6%），型最晚（0.7%）。,2)干

24、酪根元素组成和红外光谱 通过元素分析，得到H/C、O/C比值，将其投到范氏图上，即可知处于哪一个演化阶段。 根据一个烃源岩的红外光谱图，也可反推岩石的成熟程度。,3)岩石热解法 S1/(S1+S2)和Tmax随埋深增加不断增加 不同深度的S1/(S1+S2)值和Tmax综合作图，即可确定未成熟带、生油带、湿气带等的分布位置。 4)可抽提沥青化学组分 (1) 碳数优势指数 用正烷烃判别生油岩成熟度的依据是：石油中的正烷烃，主要是新生的，并且随有机质成熟度增加，正烷烃分布曲线的主峰移至低C数范围(C29C21)；奇C优势逐渐消失，在原油中奇、偶数C原子含量几乎相等。,常使用的参数有： CPI,OEP（主峰碳 Ci+2）,CPI、OEP1.2时，未成熟，CPI、OEP1.2时成熟。 (2)类异戌(间)二烯化合物的分布 Pr/nC17、Ph/nC18、C31藿烷/nC31随着深度而减小； 甾烷、藿烷的立体异构化也可有效反映成熟度，如Tm/Ts 随深度减小。 (3)甲基菲指数(MPI) 西德：MPIRo成正比关系,4.3.4 有机质的转化指标 目前研究较广泛的转化指标主要有两类：一是氯仿抽提物，又叫氯仿沥青“A”，二是烃类总量及不同烃类的相对比例。,表5-4 我国不同类型生油岩有机质组成的热演化,5 石油的地球化学对比,5.1 对比的意义和依据 对比有两个主要目