油氣的現(xiàn)代成因理論

石油工業(yè)概論

IntroductionofPetroleumindustry

——地球科學(xué)學(xué)院——第二節(jié)油氣的現(xiàn)代成因理論油氣成因概述生成油氣的原始物質(zhì)生成油氣的地質(zhì)條件及理化條件油氣生成的主要階段一、油氣成因研究現(xiàn)狀成因復(fù)雜：1.油氣為流體：在地下可運移；→發(fā)現(xiàn)地≠生成地。2.成份復(fù)雜：運移受外界影響大→難以判斷來源。3.成因涉及多學(xué)科綜合分析（需要廣泛的知識）。4.缺乏對石油及其原始母質(zhì)過渡形式的明確認(rèn)識。焦點與學(xué)派：（一）油氣的無機(jī)成因?qū)W說無機(jī)物在高溫、高壓條件下，轉(zhuǎn)化為油氣。主要依據(jù)：①在實驗室中，無機(jī)物可以合成烴類——②火山噴出氣體中有甲烷、乙烷等烴類成分。③慧星等天體上發(fā)現(xiàn)有烴類氣體；④石油的分布常常與深大斷裂有關(guān)（斷開地殼作為通道）重點1.碳化說

1876年，俄國化學(xué)家門捷列夫提出：“地下深處有重金屬碳化物（碳化鐵等）與水作用可產(chǎn)生烴類?！?.宇宙說

1889年，俄國學(xué)者索可洛夫提出：“碳?xì)浠衔锸怯钪骈g固有的。”——證據(jù)：慧星等天體上發(fā)現(xiàn)了碳?xì)浠衔铩?.巖漿說

1949年，原蘇聯(lián)學(xué)者庫德梁采夫提出：“基性巖漿中存在C、H、O等元素，隨其冷卻時可化合為碳?xì)浠衔铩！被鶐r巖漿中C、H→CH→CH2→CH3→CH4→烴類物質(zhì)證據(jù)：巖漿巖、變質(zhì)巖中相繼發(fā)現(xiàn)油氣藏，基性巖漿中發(fā)現(xiàn)天然氣。有機(jī)成因?qū)W說：沉積有機(jī)質(zhì)在特定的地質(zhì)、還原環(huán)境中，在細(xì)菌、催化劑、溫度、時間、放射性等各種作用下，經(jīng)歷生物化學(xué)、熱催化、熱裂解、高溫變質(zhì)階段陸續(xù)轉(zhuǎn)化為石油和天然氣。主要依據(jù)：（二）油氣有機(jī)成因?qū)W說①世界99%以上的石油產(chǎn)自沉積巖，少數(shù)巖漿巖、變質(zhì)巖中的石油也可能是來自相鄰近的富含有機(jī)質(zhì)的沉積巖。②含油盆地中，含油層位與富含有機(jī)質(zhì)的層位有依存關(guān)系。③石油中存在生物體特有的化合物，并具有旋光性等。④生物物質(zhì)加熱催化，可形成少量烴類。⑤碳的穩(wěn)定同位素組成與生物物質(zhì)的碳穩(wěn)定同位素組成接近。視頻有機(jī)成因重點植物生油理論動物生油理論1.海相生油理論陸相生油理論2.認(rèn)識的局限性、片面性生成油氣的原始物質(zhì)是沉積有機(jī)質(zhì)早期成油說：沉積有機(jī)質(zhì)在成巖過程中逐步轉(zhuǎn)化為油氣。晚期成油說：沉積有機(jī)質(zhì)埋藏到較大深度，到成巖晚期達(dá)到成熟，經(jīng)熱降解生成大量油氣。3.二、石油生成的物質(zhì)基礎(chǔ)（一）沉積有機(jī)質(zhì)概念：在外力地質(zhì)作用下，在還原環(huán)境中伴隨其它礦物一起沉積、保存下來的生物殘留物質(zhì)。來源：低等水生動、植物為主—細(xì)菌、藻類最佳。介形蟲0.5～1毫米

重點分布特點：沉積有機(jī)質(zhì)主要呈分散狀態(tài)分布在細(xì)粒沉積物（巖）中，總數(shù)量約為3.8×1015噸，但分布很不均衡。①不同巖性中分布不均勻。-泥質(zhì)巖多：2.1%±；-砂巖0.05%；-碳酸鹽巖0.29%。②不同地質(zhì)時代不均衡?？傏厔荨貙釉嚼?，保存的沉積有機(jī)質(zhì)越少。數(shù)量的影響因素：-生物物質(zhì)的產(chǎn)量-原始有機(jī)質(zhì)的保存條件-沉積物堆積速度-沉積物的粒度沉積物中富含有機(jī)質(zhì)的環(huán)境條件是：①生物產(chǎn)率高，有機(jī)質(zhì)來源充足；②低能靜水還原環(huán)境，有機(jī)質(zhì)分解少，保存條件好；③沉積物堆積速度較大，粒度細(xì)。（二）干酪根（Kerogen）1、干酪根的定義和形成定義：生油母質(zhì)，沉積巖中不溶于非氧化型酸、堿和非極性有機(jī)溶劑的分散沉積有機(jī)質(zhì)。形成過程：生物體(藻類、細(xì)菌、浮游生物和高等植物)死亡生物有機(jī)組分(類脂化合物、蛋白質(zhì)、糖類和木質(zhì)素)被其它生物吞食保存到沉積物（巖）中氧化分解沉積有機(jī)質(zhì)生物化學(xué)分解作用

可溶有機(jī)質(zhì)不溶有機(jī)質(zhì)(干酪根)重點2.干酪根的成分及結(jié)構(gòu)成分：黑色或褐色粉末，是一種高分子聚合物，無固定的化學(xué)成分——C（79%）H（9%）O（3%）S（5%）N（2%）微量元素。3.干酪根類型—化學(xué)分類據(jù)碳、氫、氧元素的組成，干酪根分為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型3種類型。類型Ⅰ型-腐泥型Ⅱ型-混合型Ⅲ型-腐殖型H/C1.1-1.61.1-1.350.7-1.1O/C0.06-0.160.08-0.20.1-0.25來源藻類、水生低等微體生物水生低等生物高等植物生油潛力大，主要生成石油和油頁巖等潛力中等，主要生成石油和天然氣潛力低，主要生成天然氣三、油氣生成的外在條件（一）生成油氣的地質(zhì)環(huán)境：1.大地構(gòu)造條件－長期、持續(xù)穩(wěn)定下降的沉積盆地沉積盆地——在一定特定時期，沉積物的堆積速率明顯大于其周圍區(qū)域，并具有較厚沉積物的構(gòu)造單元。松遼盆地泉三段上部沉積體系圖塔里木盆地天山山脈昆侖山脈阿爾金山帕米爾高原沉積速度＞＞沉降速度

水體迅速變淺，盆地上升為陸地，沉積物暴露于地表，不利于有機(jī)質(zhì)堆積、保存。沉積速度＜＜沉降速度

水體急劇變深，有機(jī)質(zhì)容易遭巨厚水體所含氧的破壞不利于有機(jī)質(zhì)保存。沉積速度≈沉降速度

豐富的沉積有機(jī)質(zhì)、埋藏深度大、地溫梯度大、生儲廣泛接觸迅速向油氣轉(zhuǎn)化的地質(zhì)環(huán)境。2.巖相古地理條件濱海淺海（陸棚）半深海（陸坡）深海（深海平原）高能環(huán)境、海水進(jìn)退頻繁，沉積物粗，不利于繁殖、堆積和保存。水體營養(yǎng)豐富，陽光充足、水體較安靜，最有利于生物大量繁殖。水體營養(yǎng)不足、生物不發(fā)育，生物遺體下沉經(jīng)歷巨厚水體大部分遭到氧化，而且陸源有機(jī)質(zhì)很少。有利的巖相、古地理環(huán)境：深度適當(dāng)、面積較大、有機(jī)質(zhì)豐富的水體、低能還原環(huán)境-海相：→淺海、三角洲相（波斯灣、墨西哥灣含油氣盆地）-陸相：→深湖、半深湖相（松遼、渤海灣）3.古氣候條件溫暖、潮濕的氣候有利于生物的繁殖和發(fā)育（二）油氣生成的理化條件1．溫度與時間——最主要作用溫度—最持久、最有效的作用因素時間—補(bǔ)償溫度之不足溫度和時間在一定范圍內(nèi)互補(bǔ)，即高溫短時熱力作用等效于低溫長時。—隨有機(jī)質(zhì)埋深的加大和溫度的升高，有機(jī)質(zhì)逐漸開始生成油氣。當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值有機(jī)質(zhì)開始大量生成石油，這個溫度界限稱為有機(jī)質(zhì)的成熟溫度或稱為門限溫度?！墒鞙囟人诘纳疃确Q為成熟點(門限深度)。在實際中用的較多的往往是指門限深度(生油門限)。2.細(xì)菌作用①

細(xì)菌本身為生油原始物質(zhì)②

細(xì)菌對有機(jī)質(zhì)分解，產(chǎn)生相應(yīng)的有機(jī)化合物和甲烷氣。——由于細(xì)菌怕熱，只能在<100℃的淺層中起作用：在油氣生成的早期階段作用顯著。喜氧細(xì)菌：在游離氧存在的條件下都能生存。厭氧細(xì)菌：在無游離氧，而存化合氧的條件下才能生存。通性細(xì)菌：在有無游離氧的條件下都能生存。3.催化作用無機(jī)催化劑—最主要的是粘土礦物：蒙脫石、伊利石等有機(jī)催化劑—酵母：動植物與微生物產(chǎn)生的一種膠體物質(zhì)，催化作用強(qiáng)，但不耐高溫。有機(jī)質(zhì)脂肪酸脫去羧基類似石油的物質(zhì)150—250℃粘土蛋白質(zhì)酵母氨基酸碳水化合物單糖催化作用主要發(fā)生在中淺層，地溫＜125℃。蒙脫石伊利石4.放射性作用許多沉積巖中都含有少量的放射性元素：鉀、鈾、釷——粘土巖、頁巖中多見放射性元素所造成的局部地溫增高有利于有機(jī)質(zhì)的熱演化，但沉積巖中的放射性元素含量很低——非主要因素。鉀鈾釷四、有機(jī)質(zhì)演化與成烴模式→生物化學(xué)生氣階段→熱催化生油氣階段→熱裂解生凝析氣階段→深部高溫生氣階段重點①腐泥組（sapropelite）：

主要包括無定形體和藻類體，是富氫組分。②殼質(zhì)組（exinite）：

主要來源于植物的孢子、角質(zhì)、植物的表皮組織、樹脂、蠟質(zhì)等。包括孢子體、角質(zhì)體、樹脂體和木栓質(zhì)體。是富氫組分。③鏡質(zhì)組（vitrinite）：

是植物的莖、葉和木質(zhì)纖維經(jīng)過凝膠化作用形成的各種凝膠體。鏡質(zhì)體是富氧組分。

④惰質(zhì)組（inertinite）：

是一種絲炭化組分。由木質(zhì)纖維素經(jīng)絲炭化作用而形成。屬穩(wěn)定的不活潑組分，富含氧。目前，測鏡質(zhì)組的反射率已經(jīng)成為判斷有機(jī)質(zhì)成熟度的主要標(biāo)志。反射光下觀察有機(jī)質(zhì)可以劃分為四種——鏡質(zhì)體反射率Ro鏡質(zhì)體（在綠光中）的反射光強(qiáng)度對垂直入射光強(qiáng)度的百分比。范圍：Ro<0.5%；溫度：10～60℃(下限溫度不定高可到100℃左右)；深度：沉積界面～數(shù)百米到2000余米；作用：以細(xì)菌的生物化學(xué)作用為主，對有機(jī)質(zhì)的分解。產(chǎn)物：CH4（生物化學(xué)氣）、CO2、H2O，干酪根、少量低熟油。1．生物化學(xué)生氣階段(未成熟階段)2．熱催化生油氣階段（成熟階段）范圍：Ro=0.5%～1.2%；溫度：60℃～180℃；深度：（1500-2500m）～（3500-4500m）；作用：熱催化作用——地溫的升高對有機(jī)質(zhì)熱降解：溫度作用使干酪根所含的側(cè)鏈和支鏈發(fā)生斷裂，形成大量低分子量液態(tài)烴和氣態(tài)烴。粘土礦物催化作用促進(jìn)發(fā)生；產(chǎn)物：以低分子量液態(tài)烴為主，包括部分濕氣，是液態(tài)石油形成的主要階段。生油窗/生油高峰范圍：Ro=1.2%～2.0%；溫度：180℃～250℃；深度：（3500-4500m）～（6000-7000m）；作用：熱裂解反應(yīng)，主要是C-C鍵的斷裂，高分子量烴類裂解為低分子量的烴類(液態(tài)烴的大量裂解)；產(chǎn)物：甲烷及其同系物，低分子量正烷烴為主，濕氣為主。3．熱裂解生濕氣階段（高成熟階段）范圍：Ro>2.0%；溫度：>250℃；深度：>（6000-7000m）；作用：高溫?zé)崃呀猓?/p>

前一階段濕氣，液態(tài)烴的進(jìn)步裂解，干酪根殘渣的裂解和縮聚；產(chǎn)物：甲烷（干氣），固體瀝青，次石墨。4．深部高溫生干氣階段（過成熟階段）五、生油（氣）巖烴源巖（sourceroc