油气的生成理论

第3章油气的生成与聚集3.1油气的生成理论与沉积盆地3.2油气的运移与聚集油气从哪里来？油气有什么样的赋存规律？油气和沉积盆地之间有什么样的联系？3.1油气的生成理论与沉积盆地3.1.1油气的生成理论3.1.2外动力地质作用与石油3.1.3内动力地质作用与石油导言一、油气有机成因说二、生成油气的物质基础三、生成油气的条件四、有机质演化成烃模式小结3.1.1油气的生成理论油气成因无机学说有机学说油气是在地下深处高温、高压条件下由无机物变成的油气是在地质历史上由分散在沉积岩中的动物、植物有机体转化而成二元论导言3.1.1油气的生成理论出现于18世纪后期至20世纪中叶，包括碳化说、宇宙说、岩浆说、变质说等。认为油气是与生命活动无关的无机物生成的，是宇宙天体中简单的碳、氢化合物或地下深处岩浆中所含的碳、氢以无机方式合成的。无机生成学说导言3.1.1油气的生成理论碳化说：1866年由法国著名化学家M·伯塞洛特提出。他经过实验后认为，在高温下，CO2与碱金属作用可生成碳化物，后者遇水即成乙炔，进而合成高级碳氢化合物；1877年，俄国化学家门捷列夫以碳化铁实验制造碳氢化合物成功，并认为石油是存在于地下碳化铁和水生成的，从此创立了此假说。无机生成学说导言3.1.1油气的生成理论宇宙说：由俄国学者索洛夫于1889年首次提出。他认为当星云凝集逐步固结演化形成地幔和地壳的过程中，星云或原始大气中甲烷、二氧化碳等气体也被保存于地幔和地壳中。之后，在深大断裂、大洋中脊、火山及地震等作用下，地球深部的无机气运移至浅部、散失在岩石圈、水圈和大气圈之中。无机生成学说导言3.1.1油气的生成理论岩浆说：俄国学者H·A·库德里亚策夫是该学说的倡导者。他认为石油的生成同基性岩浆冷却时碳氢化合物的合成有关。克拉佐夫于1979年曾用CO2和氢气，并以上地幔的主要岩类之一辉岩做催化剂，获得气态和液态烃。无机生成学说导言3.1.1油气的生成理论由于钻井深度的限制，人类目前主要开发浅层有机成因的油气，所以现在大多以有机成因为依据。一、油气有机成因说石油是生物（包括动植物、微生物等）死亡后演变而成。证据1：几乎所有的油气田，都是在沉积盆地的沉积岩中发现的。证据2：生物体中三个组成部分-蛋白质、碳水化合物、脂肪，可在一定条件下形成与石油碳氢化合物相类似的物质。证据4：从油母页岩（即生油岩）提炼石油（即人造石油）。证据3：在石油中发现了血红素和叶绿素等有机物质，前者来自动物的血液，后者来自植物的叶绿素；石油具有的旋光性，也是生物具有的特征。3.1.1油气的生成理论海相生油学说浅海之中生活着极小的动物——“浮游生物”，每年都有大量的浮游生物死去并且沉到海底。河流又把大量枯萎的植物和淤泥带到海洋，植物和浮游生物混合在一起，然后淤泥和盐分又把它们覆盖起来，于是在海底形成一种沉积物。当这些植物和动物腐烂时，沉积物中就开始生成油和气。一、油气有机成因说3.1.1油气的生成理论问题1：什么是海相生油学说？20世纪30年代，潘钟祥等首次提出了陆相生油学说陆相湖盆是陆地上相对低洼的汇水处，众多的溪流所携带的陆源、有机碎屑和营养物质源源不断注入湖内，为水生生物的生长和繁衍创造了条件，生长发育的浮游藻类和微生物死亡后便同高等植物的碎屑被埋藏，转化为石油。陆相生油学说一、油气有机成因说3.1.1油气的生成理论问题2：什么是陆相生油学说？“早期生成”论（或称浅层论）认为石油从现在起正在生成。“晚期生成”论（或称深成论）生物体中的有机质只有在一定的深度和温度条件下才能变成石油，这个深度就叫做“成熟门限深度”。一、油气有机成因说3.1.1油气的生成理论二、生成油气的物质基础按照有机成因说的观点，生成油气的原始物质是地质历史时期中的生物有机质，在生物化学、温度、催化剂等作用下，有机质逐渐向油气转化，在浅层可生成大量天然气，埋藏到一定深度大量生成石油。3.1.1油气的生成理论二、生成油气的物质基础（一）沉积有机质生物体及其分泌物和排泄物可直接或间接进入沉积物中，或经过生物降解作用和沉积埋藏作用保存在沉积物或沉积岩中，或经过缩聚作用，演化生成新的有机化合物及其衍生物，这些有机质通常被称为沉积有机质。油气是由生物死亡后转变而成的，大量有机质的存在就是油气生成的物质基础。3.1.1油气的生成理论（一）沉积有机质地球上总的活生物重量达10万亿吨；一个海藻，在不受任何阻碍的理想条件下，一天之内就可以繁殖到和地球一般大小；有人统计了世界上18条河流的藻类的含量，有的高达河水所溶固态物质重量的59.9%，最低的也达3.25%。3.1.1油气的生成理论二、生成油气的物质基础根据亨特（HuntJ.M.，1979）的研究所有沉积物和沉积岩中总的有机碳含量约为1.2亿亿吨，其中分散于沉积岩中的有机碳为1.1亿亿吨沉积岩中只有约0.01%的有机碳以油气的形式存在于储集层中，大概1万亿吨。ParkerTrask认为，近代沉积物平均有机碳含量为2.5%，古代沉积物中约为1.5%由于地壳沉积物体积巨大（80×106km3），有机碳平均含量取1%，并且以0.l％转化为烃类计算，将会生成8000亿吨烃类。全球累计生产原油约1500亿吨（一）沉积有机质3.1.1油气的生成理论（二）干酪根3.1.1油气的生成理论大多数油气是从“干酪根”逐渐演变形成的。石油有机成因晚期成油说认为，石油及天然气是沉积有机质在沉积过程中、在缺氧的还原环境和一定的压力和温度条件下生成的不溶于有机溶剂的物质，即干酪根，在成岩过程中的晚期经过热解作用生成的。问题3：什么是干酪根？干酪根热降解生油假说生油岩中有机碳存在形式液态烃沥青干酪根0.5%0.5%2%13%84%原油3%2%O2%1%N5%4%S9%10%H79%83%C干酪根沥青（二）干酪根3.1.1油气的生成理论I型干酪根（称为腐泥型）以含类脂化合物为主，直链烷烃很多，多环芳烃及含氧官能团很少，具高氢低氧含量（H／C原子比l.25～l.75，O／C原子比0.026～0.12），它可以来自藻类沉积物，也可能是各种有机质被细菌改造而成，生油潜能大，每吨生油岩可生油约1.8kg。（二）干酪根3.1.1油气的生成理论Ⅱ型干酪根（也称混合型）氢含量较高（H／C原子比0.65～1.25，O／C原子比0.04～0.13），但较Ⅰ型干酪根略低，为高度饱和的多环碳骨架，含中等长度直链烷烃和环烷烃较多，也含多环芳烃及杂原子官能团，来源于海相浮游生物和微生物，生油潜能中等，每吨生油岩可生油约1.2kg。（二）干酪根3.1.1油气的生成理论Ⅲ型干酪根（称为腐殖型）具低氢高氧含量（H／C原子比0.46～0.93，O／C原子比0.5～0.30），以含多环芳烃及含氧官能团为主，饱和烃很少，来源于陆地高等植物，对生油不利，但可成为有利的生气来源。每吨生油岩可生油约0.6kg。（二）干酪根3.1.1油气的生成理论根据德根斯和伦特（1965）的研究分散在沉积岩中沉积有机质约为0.38亿亿吨各种方法估计 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，地壳中干酪根总量约为0.3亿亿吨，只要有约0.01%的干酪根转化为储层中的石油，其全球石油储量就可达3000亿吨。大量统计资料表明，在近代沉积物中，干酪根占沉积有机质总量的95%以上，在古代生油岩中占70%~90%左右。2100(100)400(20)340(16)碳酸盐岩20100(100)600(3)500(2.5)泥岩17500(100)781(4.5)95(0.5)现代沉积物干酪根沥青烃类沉积有机质中各组分的平均含量mg/L（二）干酪根3.1.1油气的生成理论生油气条件物质条件环境条件沉积有机质古地理环境与地质条件物理化学条件加氢、去氧富集碳油气三、生成油气的条件3.1.1油气的生成理论问题4：生成油气的条件有哪些？（一）古地理环境与地质条件（1）长期被淹没的水体。（2）离岸近地区。（3）浅海（湖）地区。（4）稳定的水体。（5）地壳长期稳定沉降，而且沉降幅度应与沉积物补偿的速度大体一致。3.1.1油气的生成理论（二）物理化学条件细菌作用温度与时间压力作用催化剂作用放射性作用3.1.1油气的生成理论（二）物理化学条件（1）细菌作用对油气生成来讲，最有意义的是厌氧细菌，在缺乏游离氧的还原条件下，有机质可被厌氧细菌分解而产生甲烷、氢气、二氧化碳以及有机酸和其他碳氢化合物。（2）温度与时间沉积有机质向油气演化的过程，同任何化学反应一样，温度是最有效和最持久的作用因素。若沉积物埋藏太浅，地温太低，有机质热解生成烃类所需反应时间很长，难以生成工业数量的石油；随着埋藏深度的增大，当温度升高到一定数值，有机质才开始大量转化为石油。3.1.1油气的生成理论热力作用=温度+时间门限温度不同含油气盆地的生油层，其门限温度是不同的。时代较老的生油层，门限温度低些；时代较新的生油层，门限温度高些。3.1.1油气的生成理论（二）物理化学条件（3）压力作用随着沉积物埋藏深度增加，上覆地层厚度增大，沉积物的温度、压力随之升高。压力升高将促进化学反应，显然较高的压力将有利于生油过程的进行。此外，压力也可促进大分子烃类加氢转化为较小分子的烃类。（4）催化剂作用催化剂是一种化学反应加速剂。有机质成油转化是一个复杂漫长的物理化学过程，生油母质多是结构复杂的高分子物质，要使其转化为分子相对很小的石油烃类，催化剂的参与是不可或缺的。粘土就是一种很好的催化剂。3.1.1油气的生成理论（二）物理化学条件（5）放射性作用放射性作用可以促进有机质的成油转化。主要放射性元素铀、钍、钾等在粘土岩、碳酸盐岩中都有一定的富集。在实验室用α射线轰击软脂酸，可得到少量与正十一烷及正十二烷近似的液体。3.1.1油气的生成理论（二）物理化学条件在有机质向油气转化过程中，上述各种条件的作用强度不同。细菌和催化剂都是在特定阶段作用显著，加速有机质降解生油、生气；放射性作用则可不断提供游离氢的来源；只有温度与时间在油气生成全过程中都有着重要作用。所以，有机质向油气的转化，是在适宜的地质环境里，多种因素综合作用的结果。3.1.1油气的生成理论（二）物理化学条件四、有机质演化成烃模式在沉积盆地的发育过程中，原始有机质伴随其他矿物质沉积后，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。在不同深度范围内，促使有机质演化的不同的物理化学条件，致使有机质的转化反应及主要产物都有明显的区别。3.1.1油气的生成理论问题5：有机质演化成烃模式是什么？生物化学生气阶段当原始有机质堆积到盆底之后，开始了生物化学生气阶段。其深度范围是从沉积界面到数百米乃至1500m深处，温度介于10~60℃，以细菌活动为主。在还原环境下，沉积有机质被厌氧细菌选择性分解，转化为分子量更低的生物化学单体，部分有机质被完全分解成CO2、CH4、NH3、H2S和H2O等简单分子。在这个阶段，埋藏深度较浅，温度、压力较低，大部分有机质转化成干酪根保存在沉积岩中。由于细菌的生物化学降解作用，产物以甲烷为主，它们可以富集成特大型气藏，埋藏深度浅，易于勘探和开发。热催化生油气阶段沉积物埋藏深度超过1500~4000m时，地温升至60~180℃，促使有机质转化的最活跃因素是热催化作用。其中粘土矿物的催化作用可以降低有机质的成熟温度，促进石油生成。实验证明，粘土矿物有助于干酪根产生低分子液态和气态烃。因此，在有粘土矿物的催化作用下，地温不需太高，便可使干酪根发生热降解，获得大量低分子液态烃和气态烃。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，这个阶段通常称为“生油窗”。热裂解生凝析气阶段当沉积物埋藏深度超过4000~7000m，地温达到180~250℃，超过了烃类物质的临界温度，主要反应是大量C-C链断裂，包括环烷的开环和破裂，液态烃急剧减少。C25以上高分子正烷烃含量渐趋于零，只有少量低碳原子数的环烷烃和芳香烃；相反，低分子正烷烃剧增，主要是甲烷及其气态同系物，在地下深处呈气态，采至地面随温度、压力降低，反而凝结为液态轻质石油，即凝析油，并伴有湿气，此时有机质进入了高成熟时期。深部高温生气阶段当深度超过7000m，温度超过了250℃，以高温高压为特征，已形成的液态烃和重质气态烃强烈裂解，变成热力学上最稳定的甲烷；干酪根残渣释出甲烷后进一步缩聚，H/C原子比降至0.45~0.3，接近甲烷生成的最低限。所以，这个阶段出现了全部沉积有机质热演化的最终产物干气甲烷和碳沥青或石墨。小结上述有机质向油气转化的四个阶段只是一个模式，对不同的沉积盆地而言，由于其沉降史、地温史及原始有机质类型的不同，其中的有机质向油气转化的过程不一定全都经历这四个阶段，有的可能只进入了前两个阶段，尚未达到第三阶段；而且，每个阶段的深度和温度界限也可能有较大差别。另外，由于源岩有机质显微组成的非均质性、不同的显微组成的化学成分和结构的差别，决定了有机质不可能有完全统一的生烃界线，不同演化阶段，可能存在不同的生烃机制。