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01油气田开发地质学

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质第一节 石油的成分和性质一、石油的化学成分石油 (又称原油 )是以液态形式存在于地下岩石孔隙中的可燃有机矿产。 在地下油气藏中,石油无论在成分上还是在相态上都是极其复杂的混合物。石油是由各种碳氢化合物与少量杂质组成的液态可燃矿物。1、石油的元素组成:C 84; H 11 O , S, N 1上述五种元素外,在石油中还发现其他微量元素,构成了石油的灰分。2、石油的烃类组成:碳和氢两种主要元素组成各种碳氢化合物存在于石油中。按本身结构的不同可分为三类烷烃、环烷烃、芳香烃。烷烃分子结构的特点是碳原子与碳原子都以单键 C— 列成直链式。无支链者,为正构烷烃或正烷烃;有支链者,为异构烷烃或异烷烃。为正烷烃分布曲线如图所示。在石油烷烃馏分中,最重要的异烷烃是 异戊间二烯型烷烃 。其特点是在直链上每四个碳原子有一个甲基支链。在沉积物和原油中,往往以植烷、姥鲛烷、降姥鲛烷、异十六烷及法呢烷 的含量最高2, 6, 10, 14— 四甲基十六烷 (植烷 )2, 6, 10, 14— 四甲基十五烷 (姥鲛烷 )同源的石油,所含异戊间二烯型烷烃的类型和含量都非常相似,因此近几年来常用作油源对比的标志或“指纹”。环烷烃这是一类性质与烷烃相似,但在分子中含有碳环结构的饱和烃。它们由许多围成环的多个次甲基 (成。组成环的碳原子数可以是 3、4„„ ,芳香烃指具有六个碳原子和六个氢原子组成的特殊碳环 特征是分子中含有苯环结构,属不饱和烃。石油中已鉴定出的芳烃的基本类型有:苯、萘、蒽和菲等。其中以苯、萘、菲三种化合物含量最多。每个类型的主要组分常常不是母体,而是烷基衍生物,如 是甲苯。3、石油中的非烃组成石油所含的非烃化合物数量不少,尤其在重质馏分中含量更高。石油中的非烃化合物主要包括含硫、含氧、含氮化合物,它们对石油的质量和炼制加工有着重要影响。( 1)含硫化合物硫是石油的重要组成元素之一。它在石油中的含量变化甚大,从万分之几到百分之几。硫在石油中可以呈元素硫、硫化氢、硫醇、硫醚、环硫醚、二硫化物、噻吩及其同系物等形态出现。石油中所含的硫是一种有害的杂质,因为它容易产生硫化氢 (硫化铁 (硫醇、亚硫酸或硫酸等化合物,对机器管道、油罐、炼塔等金属设备造成严重腐蚀,所以含硫量常作为评价石油质量的一项重要指标。( 2)含氮化合物石油中的含氮量一般在万分之几至千分之几。我国大多数原油含氮量均低于 大庆原油含氮量少( ,孤岛原油最多( 。石油中的含氮化合物包括碱性和非碱性两类。现已从石油中鉴定出的碱性氮化物多为吡啶、喹啉、异喹啉和吖啶及其同系物,非碱性氮化物主要是吡咯、卟啉及其同系物。其中以金属卟啉化合物最为重要 . 在石油中,钒、镍等重金属都与卟啉分子中的氮呈络合状态存在,形成钒卟啉和镍卟啉。( 3)含氧化合物石油中的含氧量一般只有千分之几,个别石油可高达 2%~ 3%。氧在石油中均以有机化合物状态存在,可分为酸性氧化物和中性氧化物两类。前者有环烷酸、脂肪酸及酚,总称为石油酸;后者有醛、酮等,含量极少。二、石油的物理性质颜色: 石油的颜色变化范围很大,从无色、淡黄色、黄褐色、深褐色、黑绿色至黑色。我国四川黄瓜山和华北大港油田有的井产无色石油,克拉玛依石油呈褐至黑色,大庆、胜利、玉门石油均为黑色。相对密度: 石油的密度与颜色有一定关系,淡色石油的密度小,深色石油的密度大,但是归根到底,石油的密度决定于其化学组成:胶质、沥青质的含量,石油组分的分子量、以及溶解气的数量。美国常用 欧常用波美度来表示石油的密度,它们与国际通用的密度存在下列关系: 此, 美度都与国际通用的密度在数值上相反, 际上属于密度低的轻质石油。 1 度的密度粘度: 粘度值代表石油流动时分子之间相对运动所引起的内摩擦力的大小。流体粘度愈大,就愈难流动。它可用绝对动力粘度来表示。单位为 Pa·s。石油粘度的变化范围很大,如大庆油田白垩系原油粘度( 19 10s,克拉玛依油田原油为 50× 10力和石油的化学成分所制约。随温度升高,石油粘度降低,所以在地下深处比在地面粘度小,且易流动。压力加大,粘度也随之增加,环烷烃及芳香烃含量高、高分子碳氢化合物含量高的石油,粘度也较大;而原油中溶解气量的增加则会使粘度降低。荧光性: 石油在紫外光照射下可产生荧光的特性,即石油的荧光性。 石油中只有不饱和烃及其衍生物具有荧光性。这是因为它们能吸收紫外光中波长较短、能量较高的光子,随后放出波长较长而能量较低的可见光即荧光。饱和烃不发荧光。利用石油具有发荧光的特性,可以用紫外灯鉴定岩石中微量石油和沥青类物质的存在。在有机溶剂中只要含有 10此在石油勘探中,常用荧光分析来鉴定岩样中是否含油,并可粗略确定其组分和含量。这个方法简便快速,经济实用。旋光性: 大多数石油具有将偏振光的振动面旋转一定角度的能力即石油的旋光性。石油旋转偏光面的角度一般为几分之一度到几度之间。绝大多数石油都能使偏光面向右旋转称右旋,仅有少数为左旋。旋光角可用旋光仪测定。石油的旋光性是与其含有结构不对称的生物标志化合物,尤其是四环甾烷和五环三萜烷等有关。因此,旋光性被认为是石油有机成因的证据之一。溶解性: 石油是各种碳氢化合物的混合物。由于烃类难溶于水,因此,石油在水中的溶解度很低。若以碳数相同的分子进行比较,烷烃溶解度最小,芳香烃最大,环烷烃居中。除甲烷外,各族烃类在水中的溶解度均随分子量增大而减小。外界条件对石油在水中的溶解度有不同影响:温度由 150℃ 降低到 25℃ ,石油的溶解度会降低 78%。第二节 天然气的成分和性质1、天然气的化学成分与油田和气田有关的天然气,主要成分是气态烃,其中以甲烷为主,非烃气常为氮气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、氢气及微量惰性气体。(一)气藏气:不与石油伴生,单独聚集成藏的天然气。(二)气顶气:与石油共生于油气藏中呈游离状态的天然气。(三)凝析气:地下温度。压力超过临界条件后,液态烃逆蒸发而形成的气体。(四)溶解气:溶解于油和水中的天然气。(四)溶解气:溶解于油和水中的天然气。分散型天然气主要以油溶气、水溶气、煤层气和固态气水合物赋存。油溶气 任一油藏内总是溶有数量不等的天然气,每吨油溶气的数量少则几到几十立方米,多可达数百到上千立方米。含气量低时,采油时分离出的天然气利用价值较小;含气量高时应设法收集起来回注于油藏或作动力及化工原料。水溶气 包括低压水溶气和高压地热型水溶气。低压水溶气的含气量一般在 1—5t,个别可达 5种水溶气一般不单独采取,但可以综合利用。如日本开采浅层碘水时,回收水溶气年产量达 108975),高压 地热水中含气量较高,特别是在异常高压带以下的地下水中,含气量特别高。以前苏联刻赤半岛为例, 3000m3/t;高压水溶气在降低压力的条件下,出现强烈排气作用。因此,开发异常高压带的水溶气,特别是水溶气和热水的综合利用,是很有价值的。煤层气 指煤层中所含的吸附和游离状态的天然气。煤矿中将这种天然气称为瓦斯。它的含量因变质强度和煤层顶板的透气性不同有很大差异,一般含气量变化在 20109当世界总产气量的 但有些国家利用水平较高。如日本的煤层气量达 108占日本当年总产气量的 9%。煤层气的利用,不仅本身具有经济价值,还有利于煤矿安全生产。固态气水合物 气水合物是在冰点附近的特殊温、压条件下形成的固态的结晶化合物。在这种化合物中,水的冰晶体格架扩展为包括气分子的晶体。有两种基本的单位,较小的单位晶胞中含有 46个水分子和 8个甲烷 (包括 ;较大的单位晶胞中含有 136个水分子和 8个丙烷、异丁烷气体分子。2、天然气的物理性质一般无色,可燃,具有硫化氢味或汽油味。溶于石油和水,在石油中的溶解度远远大于在水中的溶解度。热值变化较大。第三节 油田水的成分和性质1、油田水的概念:指油田范围内直接与油层连通的地下水,即油层水。在油气藏的流体系统中,油田水都作为不可缺少的组成部分,它以不同的形式与油气共存于地下岩石的孔隙空间中。油田水的形成及其运动规律始终与油气的生成、运聚以及油气藏的形成、保存和破坏有着密切的联系。在油气藏形成的整个地史过程中,油田水长期与油气相伴生,通常与非油田水和地表水有着明显的差别 田水的来源:油田水的形成是十分复杂的,国内外学者提出的主要成因有: 沉积成因说 、 有机成因说 、 渗滤成因说 和 原生成因说 。油田水可以看作由沉积水、渗入水、转化水和深成水的某一种为主或它们以不同比例的混和水。一般认为油田水主要起源于沉积水和有机成因水,也有少部分来自渗入水和混合水。第三节 油田水的成分和性质3、油田水的矿化度及化学组成油田水的化学组成和矿化度取决于它的成因以及它进入地下环境中所发生的变化。油田水由于来源及形成过程中各种物理、化学作用的差异性,其化学组成和矿化度有相当大的差别。各种矿物在水中溶解度不同。常见的矿物按溶解度自低到高的次序如下;硅酸盐和二氧化硅 碳酸盐 硫酸盐 氯化物。氯化物具有最大的溶解度,在水溶液中最稳定。因此,地下深处油田水中,溶解度较低的矿物沉淀后,氯化物却不断富集 。矿化度: 矿化度是指单位体积油田水中溶解固体物质的总和。固体物质一般指大量无机组成的离子的含量。 水中各种离子、分子和化合物的总含量。 mg/l。无机组成: 油田水的无机组成包括常量组分和微量组分。在常规水分析资料中,常用 包括 K+)、 括 6个阳、阴离子,代表大量无机组成。有机组成: 油田水中常见的有机组分有烃类、酚和有机酸。第三节 油田水的成分和性质油田水分类问题,实际上应包括:①油田水化学标志及其与非油田水的区别;②不同类型的油田水的特征及区别。自 1911年美国 目前,虽然对油田水分类方案作过多次修改和补充,但实质上都是以 a+(K+)、 量及其组合关系作为分类基础。在各种分类方案中,以 1946)分类较为简明,不仅在前苏联,而且在欧、美和我国广泛应用。因此,这里着重介绍 、油田水的类型:第三节 油田水的成分和性质要是大陆水和海水两大类。大陆水含盐度低(一般小于 500mg/l),其化学成分具有 相互关系,且 >1。海水的含盐度高(一般约为 35, 000mg/l),其化学成分具有 > 相互关系,且 即 1 1 >1 l 第三节 油田水的成分和性质第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质第三节 油田水的成分和性质某某水型,即以水中某某化合物的出现趋势而定名,不在于出现的数量多少。如 水中出现的趋势化合物。它的出现,表明水中的钠离子含量很高,高到将反应能力最强的阴离子全部中和之后,还有剩余,这剩余的钠离子和弱酸性的碳酸氢根作用生成碳酸氢钠。此时的钙、镁离子也只能形成碳酸氢钙、碳酸氢镁。第一章 石油、天然气、油田水的成分和性质5、油田水与油气的关系:油田水与油气的关系主要表现在两个方面:1)根据油田水水化学特征可直接进行寻找油气工作。根据油田水水化学特征直接寻找油气的原理是:深部流体通过向上渗滤和扩散等方式,使得浅层水的化学成分发生某些改变,尤其是在油气藏构造顶部节理和裂隙比较发育的部位更是明显。通过水化学特征在整个背景值上出现的异常值分布,即可大致圈定地下油气藏的范围,这就是所谓水化学找油工作。2)根据现代水化学资料可以判断油气运移、聚集和保存条件。大量资料说明,对油气聚集和保存最为有利的环境应是渗透水交替缓慢或停滞区,即地下水不太活动的环境。从现代水化学特征来看,这样的地区是以 为主,水型以氯化钙型为主的高矿化度分布区,因此这样的区域有可能就是油气富集区。第三节 油田水的成分和性质第四节 固体沥青的成分和性质固体沥青是同石油有关的固态衍生物。多为深褐色至黑色的有机矿物,化学成分不甚稳定,也无一定晶形,彼此之间常呈过渡形式,因此鉴定比较困难。一般是根据化学成分、密度、硬度、稠度、熔点、溶解度、可燃性、燃烧火焰及地质产状等特征来研究和鉴定固体沥青。第四节 固体沥青的成分和性质特立尼达和多巴哥的露天沥青矿,世界最大的天然沥青产地。位于特立尼达岛西南部,距圣费尔南多约 25公里。面积 47公顷,湖心深达 87米,保有贮量 610万吨。 1870年首次开采。现用机械采挖,经轻便铁路运往附近拉布里亚的沥青工厂,平均年产沥青 13万吨,主要供出口。开采过程中曾挖出许多史前文物,有“天然历史博物馆”之称。第四节 固体沥青的成分和性质物理分异产物地蜡高氮沥青+ 贫胶地蜡风化产物软沥青地沥青石沥青 硬沥青脆沥青腐殖化产物 酸性碳质沥青腐殖碳质沥青变质产物碳质沥青黑沥青焦性沥青碳沥青次石墨固体沥青分类表固体沥青物理化学性质固体沥青名称C H S N O 相对密度 硬度 熔点, ℃ 溶解性地蜡 84~ 86 13~ 16 95 不熔化 不溶解次石墨 熔化 不溶解在固体沥青中,有些类型常与地下深处的油气藏有关,可以作为野外调查石油的标志,例如地蜡、软沥青、地沥青及石沥青等,常在地表露头中呈现为找油直接标志,是评价区域含油气远景的有力证据。我国柴达木盆地的深褐色地蜡、老君庙油田的黑色地沥青、克拉玛依油田的黑色石沥青都比较著名。南美洲特立尼达湖、亚洲死海都是闻名世界的沥青湖,蕴藏量很大。第五节 石油和天然气中的碳 、 氢同位素在化学元素周期表上占同一位置,具相同质子数和不同中子数的元素的原子,称为该元素的同位素。换言之,同位素是原子核内具相同数量的带正电质子而相对原子质量不同的原子。油气的碳、氢稳定同位素是油气地球化学的重要组成部分,多用质谱仪进行分析。一、碳、氢同位素碳有 12C、 13C、 14两者为稳定同位素,第三者为放射性同位素。自然界的碳的稳定同位素的相对丰度平均为 1935年首次确定石油和沥青中碳的同位素成分。它们的相对丰度可用 δ 1313比值表示, δ 13C 可由下式计算:     1 0 0 0///121312131213标 准标 准样 品便于对比,国际上趋于用统一的标准,即美国南卡罗莱纳州白垩系箭石的碳同位素标准,简称 中 =101213 /1、 放射性的,半衰期只有 放射性分解时, 出 β 质点,形成稳定同位素氦 然界中的氢的稳定同位素的相对丰度为 1比值为 标准,计算氢的稳定同位素的相对丰度。     1000///121212标 准标 准样 品、油气中的碳稳定同位素石油碳同位素 δ 13C( 下同)一般为 到 ,平均为 到 ,与类脂物较接近。据统计,石油的 δ 13年代愈老的石油 然气的 δ 13 直到 。一般低温浅层中形成的天然气 (甲烷 )中富集 有较低的 δ 13到 );而深层和年代较老,在较高温度下形成的天然气,具有较高的 δ 13≥ 到 )。利用 δ 130(镜质体反射率,% )和 δ 13∑ 烷系数 )关系图线,能较有效地区分不同母质和演化阶段所生成的天然气。三、油气中的氢稳定同位素石油中的 δD 值一般在 到 之间。石油不同组分的 δD 值亦不均一,通常按下列顺序递减:饱和烃、芳烃、非烃。 D 值与 δ13C 值之间未发现明显的正相关性。如加利福尼亚州第三系中的石油极富 13C(δ13C 值为一 23‰ 到一 25‰ ),但却贫氘,亦有个别石油异常富集氘, δD 值为正值,但 δ13C 值没有相应的变化。天然气 (D 值在 到 之间。与石油相比要低 到 ,平均要低 左右。天然气的 δD 与 δ 13物成因气 δ 13δD 值亦较低,热解成因气的 δD 和 δ 13二章 现代油气成因理论第一节 油气成因理论的发展概况第二节 生成油气的物质基础第三节 促使有机质演化成油气的因素第四节 有机质演化的阶段性(成烃模式)第五节 天然气的成因及特点第六节 油气生成的地质环境第七节 生油层研究与油源对比第一节 油气成因理论的发展概况两大学派:无机成因说,有机成因说第一节 油气成因理论的发展概况 无机成因说: 石油及天然气是在地下深处高温、高压条件下由无机物通过化学反应形成的 。无机物( C 、 H 、 O 、 → 油气碳化说,宇宙说,岩浆说,蛇纹石化生油学说等弱点:1)99%的油气田都在沉积岩中;2)各时代地层中均找到石油,但很不均衡,与沉积岩中有机质分布状况吻合;与煤、油页岩的分布有一定的联系;3)石油具有只有有机质才具有的旋光性、生物标记化合物。4)油层的温度较低;现代湖、海湾的考察证明沉积物中确实存在油气生成的过程。第一节 油气成因理论的发展概况 有机成因说 : 油气是在地球上生物起源之后,在地质历史发展过程中,由保存在沉积岩中的生物有机质逐步转化而成。生物有机质→油气唯海相生油说 :油气勘探的初期,石油大多发现于海相沉积岩中,所以有不少人认为只有海相沉积才能生成油气,因此在石油有机生成学说中,曾长期受唯海相生油的控制。直到上世纪 30年代,各国油气勘探事业的发展,才使得陆相生油得以认可。在有机生成学说中,存在着 早期和晚期生油说 两种观点。1. 十八世纪中叶, 罗蒙诺索夫 :蒸馏说“ 石油是煤在地下高温蒸馏的产物。2. 二十世纪 二十年代初期, 维尔纳茨《地球化学概论》和《生物圈》—— 详细论述了 石油的有机组成 和 石油有机成因的主要依据 ,提出了碳循环的模式。3. 1933 ) : 卟啉化合物 的发现和证实 —— 石油有机成因重要依据 。4. 1932 年 古勃金 提出 “ 混成说 ” :—— 早期有机成因说5. 20 世纪 50 年代, 美国 前苏联 维 尔 别: 现代海洋沉积物中类原油烃类化合物的分离鉴定 — 有机成因早期生油说 —6. B (1961) : 正烷烃的奇偶优势研究—— 批判了沉积有机质直接成油说7. 阿贝尔松( P. H. Ab (1963) :干酪根热解成油说(有机成因晚期成油说)8. Ph ip (1965) : 生油门限8. 70 年代初,法国著名地球化学家 t 等建立了 干酪根热降解生烃演化模式 ,提出并完善了 干酪根晚期生烃学说 ,总结了油气形成、演化与分布规律。1963年, 石油是沉积物中的不溶有机质(干酪根)在成岩作用晚期,经过热解生成的 。该理论认为,随埋藏深度加大,地温不断上升,有机质向油气的转化显示出明显的阶段性,这一观点目前成为石油生成的主流学说。腐能力强,来自高等植物。—— 主成煤。另:天然气、芳烃。萄糖、麦芽糖、淀粉、纤维素 … )。—— 易水解难保存,非主成油物质。可成煤、气、芳烃。//50644碳水化合物氨基酸聚合物,较利于生油。—— 低 C 数烃和含 N 化合物主要来源。17122753蛋白质包括:脂肪、有机酸、甾萜类、蜡、色素等。主要来自:低等植物(菌藻)、动物中。—— 主生油母质。//21276类脂化合物…低主要特征第二节 生成油气的物质基础一、生油的原始物质脂类、碳水化合物、蛋白质、木质素二、干酪根生物物质是产生石油的原始材料,但生物物质与石油在化学成分上具有显而易见的不同,它必然要经历极其深刻的变化,在这个过程中,生物有机质 沉积有机质,这一部分经过腐泥或腐殖化,形成干酪根。成为形成石油的先驱。(二)沉积物(岩)中的沉积有机质随无机质点一起沉积并保存下来的那部分 生物有机质 ,称 沉积有机质 ,又叫 地质有机质 。沉积有机质的来源:原地有机质 、 异地有机质 、 再沉积有机质—— 总量很大,分布很不均衡 。沉积有机质的沉积有机质的 分布分布 特点特点①不同岩性中分布不均匀。泥质岩多: ±;砂岩 ;碳酸盐岩 。②不同地质时代不均衡。总趋势: 地层越老 ,保存的沉积有机质 越少 。2 、 影响沉积有机质丰度的因素沉积物中富含有机质的地质条件:①长期稳定下沉大地构造背景;②较快的沉积(堆积)速度;③足够数量和一定质量的原始有机质;④温暖湿润、低能还原性岩相古地理环境—— 浅海封闭环境,半深-深湖、前三角洲滨海 浅海(陆棚) 半深海(陆坡) 深海(深海平原)高能环境海水进退频繁沉积物粗不利于繁殖、堆积和保存水体营养丰富,阳光充足水体较安静生物大量繁殖最有利水体营养不足生物不发育生物遗体下沉经历巨厚水体大部分遭到破坏,陆源有机质很少(三)干酪根 于成岩过程中埋藏,并经一系列改造可溶性有机质 (可溶性沥青): 烃,含 合物原始 干酪根 (占 A 总量的 70 ~90% 或更多)新生沉积有机质( A )A : 干酪根:是指沉积岩中不溶于碱、非氧化性酸( 、 非极性有机溶剂 ( 苯、酒精) 的分散有机质。固定化学成分 。[ ] 干酪根结构和化学组成( 1 )干酪根的化学成分干酪根的元素含量分布(据 980,修改 )  横座标:元素含量 /样品重量, %; 纵座标:频率, %。核由 2~4 个基本砌块组成。3 )基本砌块一般包含两层芳香族片状体。每个芳香簇片状体中含< 10 个的缩合芳香簇的环状化合物和少量的含 N 、 S 、 O 杂环化合物。片状体直径< 10 A ° , 两层片状体层间距为 8 A ° 。( 2 )干酪根结构1 ) 干酪根 由 核 和 链桥 交联而成。链桥一般为脂肪链、含硫、或含氧官能键,核和链桥表面可有些官能团。- - O 3 - O 化物 酮 酯 羧基 羟基 甲氧基醚 硫化物 酮 酯 羧基 羟基 甲氧基( 2)干酪根的结构三、干酪根的成分及结构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、 有固定的分子式和结构。绿河页岩干酪根结构图解(据法 1978) 多个核被桥键和各种官能团联接而成。四、干酪根的类型不同的沉积环境中,由不同来源的有机质形成的干酪根差别较大,生油潜力也不相同,对此进行分类。泥型渡型殖型第三节 促使有机质演化成油气的因素有机质演化和生成石油主要是一个生物化学与化学过程 。其中所涉及的主要因素有温度 、 时间 、 细菌和催化剂等 。一 、 温度地球不断由内部向地表散发着热量,从而在地壳形成一个温度向外递降的天然热场。温度在有机质成油转化中的作用早就被人们所注意 。野外剖面的研究进一证实了温度的重要意义。钻井较深,可以观察到完整的温度效应,烃类显著增长点 1375m, 65 ℃ , 2200m( 90 ℃ )达到高峰,尔后下降, 3000m 115 ℃ 结束。图 2于地质条件差异,成熟点的成熟温度也有所区别,在地温梯度高的地区,有机质不需埋藏太深即可成熟转化成石油。图 2生油数量开始显著增长时的温度 。与之相对应的深度叫门限深度 。温度与深度的关系取决于地温梯度 。概括地说 , 生油主要阶段的起始温度不低于 50℃ , 终止温度不高于 175℃ , 即地壳中的生油过程仅只出现于有限的温度或深度范围 。第三节 促使有机质演化成油气的因素一、温度第三节 促使有机质演化成油气的因素二 、 时间时间本身不能单独起作用 。 可是在沉积有机质的热降解过程中 , 时间却是不可忽略的因素 。化学动力学定律:表明 。 )/(0 1使有机质演化成油气的因素1974)综合世界不同类型含油气盆地、不同时代生油岩成熟门限的资料,总结出:014× 1/T- 间, T:温度生油岩越老,所需门限温度越低,反之则反。但康南 匀沉积的盆地,由于有机质受热史和地层埋藏史密切相关,所以埋藏史和受热史相结合才能算出总成熟度效应。目前多用间 —温度指数( 前一段时期应用比较广泛的一种成熟度指标,其计算是以化学动力学中的 阿伦纽斯方程 为基础,把 干酪根热降解过程近似看成 化学动力学中的一级反应 ,则有:★ 是指地质时期内不同类型的干酪根在不同的埋是指地质时期内不同类型的干酪根在不同的埋藏时间藏时间 —— 温度条件下的成熟度。温度条件下的成熟度。( K : 反应速率常数,即降解率; A : 频率因子)由此得到:即:T T I =0( A e ) d t = ( A e ) ★ 有机质成熟度( M ) 的增加与温度( T )呈指数关系,与时间( t ) 呈线性关系。( 1)洛帕廷法求取 )根据有机质成熟度的增加与温度和时间的关系,令 温度因子 γ = 时间因子 △ t 。2 )把 温度剖面 划分为 每 10 ℃为区间的地温网 ,则温度区间 i =10 ~ 20 ℃、 20 ~ 30 ℃、 30 ~ 40 ℃、 …3 )温度区间 i 内,有机质成熟度 的增量 : △ T T I=△ 则其 总的 成熟度即为:其中 有机质经历的最高和最低温度区间4 )选 100 — 110 ℃ 为 基准温度区间 , 其 n=0 , γ =温度间隔 ℃ 指数值 n 温度因子 γ 温度间隔 ℃ 指数值 n 温度因子 r 2 0 ~ 3 0 - 8 100 ~ 110 0 1 3 0 ~ 4 0 - 7 1 1 0 ~ 1 2 0 1 r 4 0 ~ 5 0 - 6 1 2 0 ~ 1 3 0 2 ~ 6 0 - 5 1 3 0 ~ 1 4 0 3 ~ 7 0 - 4 1 4 0 ~ 1 5 0 4 ~ 8 0 - 3 8 0 ~ 9 0 - 2 9 0 ~ 1 0 0 - 1 1 5 0 ~ 1 6 0 „„ 5 „„ „„ 不同温度间隔的温度因子5 )若选 r = 2 。 即 温度每升高 10 ℃,有机质成熟度增大一倍 。则:图: 地质模型上的等 3 15 75 160 500 1000 1500 干 气): 干气 干 气阶段: 未成熟 成熟 大量生油开始生油高峰 生油结束 保存40 o、 存阶段的对应关系: 1 )方法本身存在缺陷:温度因子的取值是固定的 —— 对不同类型有机质在不同温度下的生烃反应:不适合。( 2 )应用中很难准确确定埋藏时间和古地温值。( 3 )划分油气生成各阶段的 :经验数据,不同盆地、不同烃源岩层 —— 应不同。三 . 细菌细菌是地球上分布最广 、 繁殖最快的一种生物 , 它可以在变化很大的温度及压力条件下发育 , 也可以在淡水和咸水 、近代沉积物和古代沉积岩中大量生存 。 细菌常分为喜氧细菌 、厌氧细菌 、 通性细菌三类 。研究者认为在没有游离氧的条件下 , 有机物因细菌发酵可析出大量氢气 , 同时在厌氧细菌的催化作用下 , 产生下列反应:氢被活化与二氧化碳结合产生甲烷;某些细菌使氢气将硫酸盐还原为硫化氢 。 所以在海洋沉积中容易见到甲烷 、硫化氢 、 其他饱和烃类等还原产物 , 而看不到游离的氢气 。第三节 促使有机质演化成油气的因素第三节 促使有机质演化成油气的因素四 . 催化作用和放射性作用无机盐类和有机酵母两类催化剂 , 粘土矿物是自然界分布最广的无机盐类催化剂 。有机质在转化过程中 , 催化剂的参与加快了成烃的反应速度 , 降低了反应所需的活化能 , 改造烃的性质 。在粘土岩中富集大量放射性物质,沉积物所含水在 α射线的轰击下可产生大量游离氢,所以这些放射性物质的作用也可能是促使有机质向油气转化的能源之一。研究者提出,热催化裂解至少在 125度以前可能是主要的生油机制,温度再高,则热裂解机制的重要性逐渐增长。第四节 有机质演化的阶段性( 成烃模式 )第四节 有机质演化的阶段性 ( 成烃模式 )一 、 成烃模式做为沉积物一部分的有机质同矿物质一样 , 在埋藏过程中要发生与介质环境相适应的变化 , 而且要敏感得多 , 石油和天然气正是有机质成岩演化总过程中附带的自然产物 , 有机质演化进程不同 , 所得到的烃类产物也不同 , 这就有可能按石油地质观点将有机质的成岩和油气生成划分出阶段来 , 现介绍四分方案:机质演化的阶段性 ( 成烃模式 )生物化学生气阶段 热催化生油气阶段 热裂解生凝析气阶段 深部高温生气阶段 2 5 0 ℃ 泥炭 - 褐煤 长焰煤 - 焦煤 瘦煤 - 贫煤 半无烟煤 - 无烟煤 以细菌活动为主 温度、粘土催化剂 温度 温度 早 成岩作用 晚 成 岩 B 期 晚 成 岩 C 期 准变质作用 生物化学气、生物化学单体、C 2S , 大分子的干酪根 ( O 、 N 、 S )杂原子的 键 脱 离 ,2S , 大量的液态 烃及湿气 重质油、轻质油 高温下石油的裂解,轻质油 凝析气、湿气 干气甲烷、碳沥青、次石墨 第四节 有机质演化的阶段性 ( 成烃模式 )第四节 有机质演化的阶段性 ( 成烃模式 )1、生物化学生气阶段深度小于 1500m,温度、压力较低,以细菌作用为主。有机质除形成少量烃类及挥发性气体以及早期低熟油外,大部分转化为干酪根。产物以甲烷为主,缺乏轻质正烷烃和芳香烃。高分子量的正烷烃 烷烃中 1香烃也以高分子量化合物为主,且是多峰。在此阶段生成的生物化学气,或称细菌气,甲烷含量在 95%以上,属于干气,甲烷碳同位素值异常低, ~ 。它们富集可形成大型气藏。第四节 有机质演化的阶段性 ( 成烃模式 )2 热催化生油气阶段 深度在 1500度 60温度及催化剂作用为主。 矿物结构及组成:蒙脱石转变为伊利石,脱水,压实作用继续。 有机质:干酪根开始热降解,杂原子的键开始断开,形成2S,时产生大量的液态烃。 产物以大量低分子的液态烃和气态烃为主,高分子量的正烷烃碳数减小,奇数碳优势消失。环烷烃、芳香烃中碳原子数也减小,沥青质和胶质减少。 在此阶段热催化作用下,有机质大量转化为石油和湿气。成为主要生油时期,在国外常称为生油窗。第四节 有机质演化的阶段性(成烃模式)3 热裂解生凝析气阶段 深度超过 3500度 180温度作用为主。 矿物结构及组成:进入后生作用阶段。压实作用及化学压溶作用。 有机质:此时地温超过了烃类物质的临界温度,除了杂原子的键继续断开,形成少量 2S,要反应是大量的 括环烷的开环和破裂,液态烃急剧减少。 产物: 大量低分子正烷烃为主,主要是甲烷及气态同系物。只有少量低碳数的环烷烃和芳香烃。在此阶段温度作用下,生成凝析气藏。4 深部高温生气阶段 深度超过 6000度 180温度作用为主。矿物结构及组成:沉积物已进入变质作用阶段。有机质:相当于半无烟煤 形成的液态烃及重质气态烃强烈裂解,变成热力学上最稳定的甲烷,干酪根释放出甲烷后进一步缩聚。产物:干气甲烷和碳沥青或次石墨。沉积有机质挥发物干酪根未熟 低熟
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