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第四章 油气成因和烃源岩

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第四章 油气成因和烃源岩 生油理论 碳化物说 高温生成说 有机成因说 第一节 油气成因 第一节 油气成因 一、 油气无机成因说 19世纪中叶提出的碳化物说; 1889年提出了宇宙说; 1904年又提出了火山说; 20世纪初又提出了岩浆说和高温生油说; 20世纪随着板块理论的兴起又有油气深成说和深源气的提出以及在褶皱带前缘断裂带的找油活动。 解释不了为什么世界 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。 致命要害 地球形成之初温度很高 碳、铁呈液态 .碳化物说 地球冷球之后,碳化铁保存在地球深处 如果地表水沿地壳裂隙向下渗透,与碳化铁作用,生成烃 33烃类不断聚集 油田形成了 烃类上升到 地壳岩石中 宇宙之中有许多烃类物质 地球呈熔融状态时,烃被包含在它的气圈中 2.宇宙说 烃被岩浆吸收,凝结于地壳中而成石油 地球冷凝 3.高温生成说 150公里的上地幔 温度超过 15000K、压力 5000 由于 还原 认为油气起源于活的有机体,即由地史中动植物的遗体转化而来。根据主张石油形成于沉积物成岩作用的早期或晚期又分为 早期有机成因说 和 晚期有机成因说 。 19世纪中叶以来,提出了动物说、植物说以及动植物混成说。进入 20世纪,混成说得到了进一步的发展,认为富含分散有机质的淤泥就是生成石油的母岩。到了 50年代初, 油是早期生成的烃类富集而成”。后来有人又提出了只有当母岩埋藏达到一定的深度和温度时,有机质才大量的生成液态的成熟烃。因此晚期生油说得到了更多人的拥护。 二、油气有机成因说 4.有机成因说 有机成因说主张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。 已经证实 ,绝大多数油气田都分布在沉积岩中;极少数岩浆岩和变质岩中的油藏也同附近生油岩有关,是油气侧向和垂向运移聚集的结果。至于基性岩浆中只含有 ,并且至今尚未证明它们能否形成碳氢化合物。 所以,指导世界油气勘探实践的,是现代石油有机生成学说。 ( 1)世界上已经发现的油气田 分布在沉积岩中。 ( 2)石油和天然气在地质时代上的分布很不均衡,这与沉积岩中有机质的分布状况相吻合。 ( 3)石油的成份具有相似性,说明它们的成因可能大致相同。 ( 4)石油与煤具有同源性。 ( 5)从大量油田测试结果可知:油层温度很少超过 100℃ ,有些深部油层温度最高也就 141℃ 。 ( 6)上新世至更新世地层中发现的工业油藏,表明生成石油并聚集成油藏所需的时间,大约不到一百万年。 ( 7)研究成果表明,在近代沉积物中确实存在着油气生成过程,至今还在进行着,而且生成的油气数量也很可观。 有机成因说的证据 石油和天然气的成因是一个非常复杂的理论问题,尽管目前油气有机成因理论日臻完善,在油气勘探实践中发挥重要的作用,但并不能由此否定油气无机成因理论的科学价值。近二十多年来,随着宇宙化学和地球形成新理论的兴起,板块构造理论的发展和应用,以及同位素地球化学研究的深入,为油气无机成因理论提供了一些理论依据。 无论是油气有机成因理论还是无机成因假说,都还有许多问题尚待进一步深入研究,诸如地球深部和宇宙空间烃类的成因及分布、各种原始物质(包括有机物与无机物)转化为油气的详细机理、不同原始物质生成的石油或天然气有哪些特征。 油气成因理论小结 早期有机成因说 些生物组分如类脂物、蛋白质和碳水化合物在一定条件下都可生成烃类。 察有有机质向烃类的转化。 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。 难点: 晚期成因说 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,只不过在生油的量上可能多少不一,以晚期为主。 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转化较为宽松。 气与油的成因差别 多源的,相对而言,油源范围较窄,往往受到有机物源的限制,是少源的。沉积层系中烃源岩类型在很大程度上决定气和油的生成比重,几乎所有有机质岩类(腐植型、腐泥型、混合型有机质),不同环境(海相、湖相、沼泽相)的有机岩类均有成气条件。 油则是在有机质达到中演化阶段生成的。 都属于流体矿产,但其流动、扩散性质以及成藏、保存条件都有很大差别。 第二节 沉积有机质  沉积有机质的物质  沉积有机质的原始生化组成  沉积有机质的形成  沉积有机质的分布和丰度  沉积有机质中的干酪根 油气生成的物质基础 沉积 有机质 干酪根 概念 保存 来源 成份 分类 分类 概念 成份 沉积有机质的生物物质 定义 : 通过沉积作用进入沉积物中并被埋藏下来的那部分有机质。 从前寒武纪到泥盆纪,沉积有机质的唯一来源是海洋浮游植物(藻类)和细菌,泥盆纪以后,高等植物也开始变的重要起来。尤其是在成煤作用方面起特别重要的作用,但就对沉积有机质的贡献而言,则远不及海洋浮游植物和细菌。部分有机质。 ( 1)在海洋或湖盆沉积环境中 浮游生物 ( 2)但在一些浅水地区的水底植物 。 ( 3)在上述两种情况下,对死亡植物进行再改造的 细菌 ,可被认为是沉积有机质的主要补充来源。 有机质的来源 沉积有机质的原始生化组成 元素组成(质量百分数) C H S N O 碳水化合物 44 6 50 木质素 63 5 蛋白质 53 7 1 17 22 脂类 76 12 12 干酪根 79 6 5 2 8 沥青 84 10 3 1 2 石油 13 沉积有机质的原始生化组成 — 脂类 狭义的理解主要是动植物的油脂。 广义的理解包括油脂、固醇类、萜类、烃类和色素 ,所以有人也称其为类脂。 它们的共同特性是不溶于水,但溶于极低性的有机溶剂如氯仿、四氯化碳、乙醚、苯和丙酮。 脂类的特点:一是抗腐能力强;二是化学成分和结构都最接近石油。 沉积有机质的原始生化组成 — 碳水化合物 碳水化合物是单醣或单醣的聚合体的总称,通式可写为 C n( m,包括葡萄糖、淀粉、纤维素、几丁质等,他们是植物的主要组成,动物中数量较少。但是碳水化合物大多容易被喜氧细菌消耗或被水解,难以保存下来。 葡萄糖 沉积有机质的原始生化组成 — 蛋白质 蛋白质是组成细胞的基础物质,在动物组织中含量最高,低等植物中的含量高于高等植物。蛋白质只要经过去羧基和去氨基后便可形成烃类。 蛋白质构成了生物体中大部分 含氮化合物 。 蛋白质容易受喜氧细菌破坏,不利保存。 沉积有机质的原始生化组成 — 木质素 木质素仅存在高等植物中,是一种贫氢、富碳、富氧、 富含芳环结构 的高分子聚合物。 木质素具有比纤维素还强的抗腐能力,是成煤的重要母质,也可生成天然气,也可能是石油中芳烃的母质之一。 沉积有机质的形成 沉积有机质是随无机质点一起沉积并保存下来的生物残留物质,它主要是生物的遗体也包括其生命过程的排泄物和分泌物。 进入沉积物中的有机质,主要部分是新生成的复杂分子,他们在生物体中找不到对应物。 从生物物质的发源地说,沉积有机质一方面来源于水盆地本身的所谓原地有机质,另一方面来自由河流从周围陆地携带的异地有机质,其中有少量的是来自剥蚀更老的沉积层中有机质即再沉积的物质。 沉积有机质的分布和丰度 丰度用有机碳含量表示。 绝大多数沉积有机质呈分散状态与泥质沉积物相伴生。 沉积岩中有机质分布的另一特点是不同地质时代是不均衡的。 不同沉积环境或者不同岩性岩相条件下沉积物中的有机碳含量差别很大 位置 平均值 (质量%) 重量 ( 1016t) 位置 平均值 (质量%) 重量 ( 1016t) 大陆,陆棚,陆坡 大洋 粘土和页岩 … 土和页 岩 … 酸盐岩 … 酸盐岩 … … 质沉积 … 积有机质分布主要的影响因素 生物物质的产量:主要取决于阳光、温度、湿度、含盐度和营养。在海洋,温湿带的浅海区有良好的透光性和营养条件,在大陆以湿热带最重要。 原始有机质的保存条件:指生物死亡后的沉降、沉积和埋藏过程中的氧化还原条件。 沉降、沉积速度:有机、无机质点的绝对速度;有机、无机质点的相对速度。 沉积物的粒度:粒度越细所含有机质越多。 第一,要求有 缺氧的水体 ,它可以使吸附在矿物颗粒表面上的溶解有机质和微粒有机质被保护而免受生物的消耗; 第二,要求有机质在水体中滞留时间短, 深度适中的水体 中有机质的堆积条件优于很深的水体; 第三, 适度的沉积颗粒的沉积速度 对沉积有机质的保存有利。有机质供应量一定,则有机质在沉积物中的浓度与矿物颗粒的沉积速度成反比。 沉积有机质的保存条件 沉积有机质中的干酪根 沉积岩中不溶于碱、非氧化型酸和有机溶剂的分散有机质。 沉积岩中常温常压下 不溶于有机溶剂 的固体有机质称干酪根( 与此对应,岩石中可溶于有机溶剂的部分称为 沥青 。 干酪根在热解或加氢分解时产生烃类物质。 干酪根是沉积有机质的主体,约占总有机质的 80~90%, 80~95%的石油烃是由干酪根转化而成。 干酪根的概念 干酪根分离法 1、将生油岩粉碎后,先用氯访抽提,然后用M. A. B(甲醇 — 丙酮 或 E. A. B(乙醇、丙酮、苯三元溶剂 )进行抽提,除去可溶有机质。 2、用盐酸溶解除去岩样中碳酸盐。 氟氢酸溶解除去岩样中硅铝酸,如; 4、用比重差异原理以重液、超声波除去干酪根中的黄铁矿及其它矿物。 干酪根的成分和结构 干酪根的元素组成中以 次为 ,还有 N、 们一般分布范围 C: 70 H: 3 O:3 N: S: 据 1984) 2*1011T 干酪根的数量及最大化石燃料资料量 有机质的转化示意图 干酪根的成分和结构 近年来,通过对干酪根进行高温热解或低温降解,揭示出它们含有活的有机体的全套有机结构,包括萜类、卟啉、氨基酸、羧酸、酮、醇、烯烃和醚桥等,说明干酪根系由生物转变而成。通过电子衍射和 外吸收光谱、核磁共振、波谱分析等物理方法,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),多个核通过桥键相连接,在桥和后上都有可能具有官能团。 干酪根的分类 干酪根分类 光学分类 化学分类 透射光分类 反射光分类 藻 质 体 无 定 形 草 质 体 木 质 煤 质 腐 泥 组 壳 质 组 镜 质 组 惰 质 组 I 型 A Ⅱ 型 B Ⅲ 型 B 孢粉学家用 有机残渣(干酪根)放在显微镜透射光下观测,划分出藻质、无定形、絮质、草质、木质和媒质五种组分。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 — 媒质顺序依次降低,( H/C)原子比也降低。 孢粉学分类 —— 透射光方法  藻质和无定形组分:均来源于海、湖水生 浮游生物 ,前者可识别出藻类形态,后者呈多孔状、非晶质、无结构、无定形的云雾状,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构造所组成,大部分 来源于陆地;  木质组分:呈易辩认的长形木质构造的纤维状物质,来源于陆地 高等植物;  煤质组分是陆地天然碳化的植物物质与 再沉积的碳化物质。  随着埋藏深度的加大,地温升高,上述组分的生油气潜能按藻质 草质 → 木质 → 煤质 顺序依次减小。 孢粉学分类 —— 透射光方法 藻质体 无定形 草质组份 生油潜力 :藻质 草质 → 木质 → 煤质 煤岩学家在显微镜在用 25过反射光观察煤或干酪根的显微组分,其划分如下: 壳质组 /脂质组 (腐泥组 ):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 惰性组:碎质体、菌质体、丝质体、半丝质体 目前,测镜煤的反射率已经成为判断有机质成熟度的主要标志。这三组的反射率是顺序增加的,而生油潜能却是顺序降低的。 煤岩学分类 —— 反射光方法 腐泥组:包括无定形体和藻质体,其中无定形体为絮状或团块状、薄膜状; 壳质组:呈暗灰色,富含氢,由孢子、角质、树脂、蜡组成,包括孢粉体、角质体、树脂体、木栓质体等; 镜质组:呈灰白色,富含氧,具镜煤 (征,由同泥炭成因有关的腐殖质组成,包括结构镜质体和无结构镜质体; 惰质组:呈黄白色,富含碳,包括碎质体、菌质体、丝质体、半丝质体,在碳化过程中,属不活泼成分。以上四组的反射率依次增大,生油潜能依次降低。 煤岩学分类 —— 反射光方法 腐泥组 镜质组 壳质组 干酪根类型及其演化图解 根据干酪根的元素分析结果,可按 H/ / 3类)。随着埋藏深度加大和温度升高(成熟作用增强),每种类型有机质都沿着一定轨迹演化:浅处未成熟样品为高 H/ 比,向深处则逐渐降低。 化学分类 干酪根的类型 Ⅰ 型 是分散有机质干酪根中经细菌改造的极端类型。 Ⅱ 型 是生油岩中常见的干酪根,又称腐泥型。 Ⅲ 型 是由陆生植物组成的干酪根,又称腐植型。 Ⅳ 是残余型。 1为藻腐泥型干酪根 2为腐植 — 腐泥型干酪根 腐植型干酪根 氢含量高、氧含量低, H/O/以含类脂化合物为主, 直链烷烃 很多,但多环芳香烃及含氧官能团很少; 来自藻类堆积物,或各种有机质被细菌强烈改造,留下原始物质的类脂化合物馏分和细菌的类脂化合物; 生油潜能大。 化学分类 Ⅱ 型干酪根 原始氢含量较高,但稍低于 H/O/高度饱和的多环碳骨架,含 中等长度直链烷烃和环烷烃甚多 ,也含多环芳香烃及杂原子官能团; 来源于海相浮游生物 (以浮游植物为主 )和微生物的混合有机质; 生油潜能中等。 化学分类 Ⅲ 型干酪根 原始氢含量低和氧含量高, H/O/以含多环芳香烃及含氧官能团为主, 饱和烃链很少,被联接在多环网格结构上; 来源于陆地高等植物,含可鉴别的植物碎屑甚多,可被河流带入海、湖成三角洲或大陆边缘; 热解时可给出 30%产物,与 Ⅰ 、 Ⅱ 型相比,对生油不利,但埋藏到足够深度时,可成为有利的生气来源。 化学分类 我国主要陆相含油气盆地泥质岩干酪根中,以Ⅱ 型为主, 占 Ⅰ 、 Ⅲ 型分别为 1a、 2a、 3 、 Ⅱ 、 Ⅲ 型未成熟干酪根结构的概念模式 油气生成的地质环境与物化条件 沉积岩中的有机质要向石油转化必须经历一个碳、氢不断增加而氧不断减少的过程,即为一个 去氧、加氢、富集碳的过程。 原始有机质的堆积、保存和转化过程,必须是在 还原条件 下进行,而还原环境的形成及其持续时间的长短则受当时的地质及能源条件所制约 。 一 、 古地理环境 海相环境 大陆环境 二 、 大地构造环境 三 、 物理化学环境 温度与时间 细菌活动 催化作用 放射性 海相环境 有利区域 — 浅海 、 三角洲 、 海湾 、 泻湖 一般认为浅海区及三角洲区是最有利于油气生成的古地理区域 。 在三角洲发育部位 , 陆源有机质源源搬运而来 , 加上原地繁殖的海相生物 , 致使沉积物中的有机质含量特别高 ,是极为有利的生油区域;在浅海大陆架范围内 , 水深一般不超过 200米 , 水体较宁静 , 阳光 、 温度适宜 , 生物繁盛 , 尤其各种浮游生物异常发育 , 死亡后不需经过太厚的水体即可堆积下来 。 地理环境分析 沙丘 三角洲 沼泽 三角洲是由河流补给沉积物,受河流和海洋 /湖泊营力综合影响的沉积体系 。是最复杂的沉积体系。 三角洲 海湾及 泻湖 , 因有半岛 、 群岛 、 沙堤或生物礁带与大海相隔 , 携带大量氧气的汹涌波涛难以侵入 , 新的氧气不易补给 , 在这种半闭塞无底流的环境中 , 也对保存有机质有利 。 这些区域 , 浮游生物特别发育 , 属于 Ⅱ 型干酪根;若有陆源有机质加入 , 则可见到 Ⅱ 型与 Ⅲ 型干酪根的混合产物 。 波斯湾盆地的中 、 新生界 , 西西伯利亚的侏罗系 、 白垩系 , 墨西哥湾的中 、 新生界 ,以及我国四川盆地的志留系 、 二叠系 、 三叠系都属于浅海环境的产物 。 砂坝 称 障壁岛、堤岛、堡岛 ,泛指近海与海岸线延伸方向平行分布的一系列砂坝和砂岛。被砂坝从毗邻海域隔离出来、但仍与海洋沟通或有限沟通的浅水域称 泻湖 。两者互相依存而构成 砂坝 不利区域 —— 滨海、深海区 滨海区,海水进退频繁,浪潮作用强烈,不利于生物繁殖和有机质的堆积保存; 深海区生物本来就少,死后下沉至海底需经历巨厚水体,易遭氧化破坏;加上离岸又远,陆源有机质需经长途搬运,早被淘汰氧化,都不有利于有机质的堆积和保存。 不利区 不利区 陆相环境 有利区域 — 深水 、 半深水湖泊 尤其在近海地带的深水湖盆更是最 有利的生油坳陷 , 因为近海区域地势低洼 、 沉降较快 , 是陆表水的汇集地带 , 容易长期积水而形成深水湖泊 , 保持安静的 还原环境 。 湖泊能够汇聚周围河流带来的大量 陆源有机质 , 同时提供水生生物的繁殖发育条件 。 有机质丰富 , 以 Ⅰ 型和 Ⅲ 型干酪根为主 。 不利环境 —— 浅水湖泊和沼泽区 油气藏呈环带状分布 :内环为气藏,外环为凝析油气藏或油藏 库车坳陷 库车期末:三叠系最大生气强度 120× 108m3/车期末最大生气强度:侏罗系 165× 108m3/不利环境 —— 浅水湖泊和沼泽区 在浅水湖泊和沼泽区,水体动荡,大气中的氧易于进入水体, 不利于有机质的保存 ;这里的生物以高等植物为主,有机质多属 Ⅲ 型干酪根 。一般认为, Ⅲ型干酪根生油潜能差,多适于造煤和生成煤系气、沼气,为天然气的生源。 不过,近年来油气勘探表明,煤系地层有机质不仅可以生气,而且其中某些显微组分也可以 生油 ,如澳大利亚的吉普斯兰盆地、加拿大的斯科舍盆地、我国的吐哈盆地都在煤系地层找到了石油。 不利环境 —— 浅水湖泊和沼泽区 土壤层 残积层 半风化层 有机质少 难于保存 全球构造格局中沉积盆地的分布 大陆板块内部 大 洋 板 块 碰撞山带 大陆板块内部 大西洋 型张裂 大陆边 缘 西太平洋型大陆边缘弧沟体系 陆壳盆地 大陆裂谷盆地 弧后盆地 弧前盆地 深海沟 开阔大洋盆地 大洋中脊中谷盆地 开阔大洋盆地 残留大洋盆地 陆内剪张盆地 陆源沉积棱柱体 周 围盆地 大地构造环境 沉积盆地的各个沉降时期中,研究 沉降速度 (沉积速度 (间的关系至为重要。 ( 1)若沉降速度远远超过沉积速度 (水体急剧变深,生物死亡后,在下沉过程中易遭巨厚水体所含氧气的氧化破坏; ( 2)反之,若沉降速度显著低于沉积速度 (水体迅速变浅,乃至盆地上升为陆,沉积物暴露地表,有机质易受空气中的氧所氧化,也不利于有机质的堆积和保存 。 波斯湾前陆盆地构造横剖面图 只有在长期持续下沉过程中伴随适当的升降,沉降速度与沉积速度相近或前者稍大时,才能持久保持还原环境。 在这种条件下: ( 1)可以长期保持适于生物大量繁殖和有机质免遭氧化的有利水体深度,保证丰富的原始有机质沉积下来; ( 2)可以造成沉积厚度大、埋藏深度大、地温梯度大,生、储层频繁相间广泛接触,有助于原始有机质迅速向油气转化并广泛排烃的优越环境。 适宜的地质环境为有机质的大量繁殖、堆积和保存创造了有利的地质条件,有机质向石油及天然气演化还必须具备适当的条件,如: 温度 时间 细菌 催化剂 放射性 。 物理化学环境 温度与时间 — 时间温度关系 、 在地质环境里,无论油气的生成、运移或破坏,都离不开温度的制约。在世界各国的油气勘探中,成功的经验和失败的教训,追根求源,也往往是同温度作用有关;尤其是在海上开展油气勘探,钻探成本高,必须在现代数字地震勘探的基础上,进行有机质的热成熟度分析,作出早期油气资源预测,圈定油气生成的有利区块,选择钻探对象,以便提高钻探成功率。 2.时间 1971年,前苏联学者 温度指数的概念,用来表示时间与温度两种因素同时对沉积物中有机质热成熟度的影响。 根据这一原理 , 熟度与时间呈线性变化关系 、 与温度呈指数变化关系 。 据此规定两个参数:温度因子 (γ)反映成熟度对温度的指数关系 , 即温度每增加 10℃ , 成熟作用速率增加一倍 , 用增加一个因子 温度因子 γ=n, 这里 间隔 内 , n=(100)/10, 并选取 100~110℃ 作为基准间隔 , 令其指数值 n=0, 。 时间因子 (Δt)表示沉积物在每个温度间隔内经历的时间长短 (以百万年为单位 )。 于是任意温度间隔 成熟度 i=Δt i=2t I   m a xm i nm a xm i n))(2()( 现今沉积厚 1100m 现今沉积厚 600m (1)研究成熟度 ,确定特定层位的油气保存状态:根据地质模型,计算各生油层和储集层的现时 合干酪根类型,即可判断生油层油气生成进入了哪个阶段,从而预测能钻遇石油、湿气或干气聚集的储集层深度,以指导钻探工作。 (2)确定有利生油气区范围 :通过盆地内若干点位制作地质模型 ,计算各生油层的现时 勾绘各层 圈出进入生油窗的分布范围 , 以便确定有利的生油区和生气区 。 (3)确定石油生成时间对圈闭进行评价 :在地质模型上对各层都计算出 接各层生油门限和石油的死线,在模型中画出全部地质历史上的生油窗界限,确定各生油层石油生成开始与结束的时间,再同圈闭形成时间配合分析,以推测圈闭接纳石油的可能性,对圈闭的含油远景作出正确评价。 时间 按其生活习性可将细菌分为 喜氧细菌 、 厌氧细菌和通性细菌三类 。 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。 细菌在油气生成过程中的作用实质是将有机质中的 氧、硫、氮、磷等元素分离 出来,使碳、氢,特别是 氢富集 起来,并且细菌作用时间愈长,这种作用进行得愈彻底。 ( 1) 细菌的催化: H 4+2 2) 某些细菌使氢气将硫酸盐还原为硫化氢: 2S+4 3)细菌使不饱和有机化合物加氢产生饱和烃。 细菌活动 催化作用 在自然界有机质向油气转化的过程中 , 主要存在无机盐类和有机酵母两类催化剂 。 。 粘土的催化能力同其吸附性质有关 。 催化剂表面吸附两种或两种以上物质的原子时 , 它们便会相互作用而形成新的化合物 。 蒙脱石粘土催化能力最强 , 高岭石粘土最弱 。 有机酵母催化剂能加速 有机质的分解 。当有酵母存在时,有机质的分解比在细菌活动时还要快得多。实验证明,在过氧化物的破坏过程中,如以酵母代替胶体氢氧化铁,将使催化作用的活动性急剧增加很多倍。从苏联格罗兹尼油田井下剖面的酵母研究发现:酵母的作用不决定于岩石的埋藏深度,而决定于岩石的成分。在富含有机质的岩石中,特别是在富含植物残余的岩石中,酵母的活动性最大。 放射性 在粘土岩中富集大量放射性物质 , 沉积物所含水在 α射线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 。 小 结 1、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; 2、放射性作用则可不断提供游离氢的来源; 3、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。 第三节 沉积有机质的成烃演化 有机质的成烃演化阶段与油气生成 干酪根热演化成烃与热模拟实验 促使沉积有机质演化成烃的因素 有机质成岩演化与成烃作用(据 1984) 成烃演化阶段 1)成岩作用阶段即未成熟阶段 2)生成作用阶段即成熟阶段 3)准变质作用阶段即过成熟阶段 ( 一 ) 生物化学生气阶段 1、 环境:当原始有机质堆积到盆底之后 , 开始了生物化学生气阶段 。这个阶段的深度范围是从沉积界面到数百乃至 1500 温度介于10~60℃ , 以细菌活动为主 , 2、产物:在这个阶段,埋藏深度较浅,温度、压力较低,有机质除形成少量烃类和挥发性气体以及早期低熟石油外,大部分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,缺乏轻质(8)正烷烃和芳香烃。到本阶段后期,埋藏深度加大,温度接近 60℃ ,开始生成少量液态石油。在特定的生源构成和适宜环境条件下可生成相当数量的未熟 3、意义:值得强调指出:在这个阶段生成的生物化学气,或称细菌气,甲烷含量在 95%以上,属干气;甲烷稳定碳同位素值异常低,介于 85‰ 。它们可以富集成特大型气藏,埋藏深度浅,易于勘探和开发,是经济效益高的研究对象。 ( 二 ) 热催化生油气阶段 1、环境:随着沉积物埋藏深度超过 1500~2500m,进入后生作用阶段前期,有机质经受的地温升至 60~ 180℃ ,促使有机质转化的最活跃因素是热催化作用。在有粘土矿物的催化作用下,地温不需太高,便可达到成熟门限,干酪根发生热降解,杂原子 (O、 N、 S)的键破裂产生二氧化碳、水、氮、硫化氢等挥发性物质逸散,同时获得大量低分子液态烃和气态烃 2、产物:这个阶段产生的烃类已经成熟,在化学结构上显示出同原始有机质有了明显区别,而与石油却非常相似,正烷烃碳原子数及分子量递减,奇数碳优势消失;环烷烃及芳香烃碳原子数也递减,多环及多芳核化合物显著减少。 3、意义: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,在国外常称为“生油窗”。 ( 三 ) 热裂解生凝析气阶段 1、 环境:当沉积物埋藏深度超过 3500~4000m, 地温达到180~250℃ 。 在这个阶段烃类反应的性质 , 可分为石油热裂解(石油热焦化 (种作用 :石油热裂解是指在高温下脂肪族结构破裂为较小分子 , 变为甲烷及其气态同系物 , 并使石油所含芳香烃浓缩集中;石油热焦化是指在高温下贫氢石油 (一般以含杂元素 产生缩合反应 , 主要形成固态残渣 , 并使石油中脂肪族相对增加而杂原子减少 。 2、 产物:此时地温超过了烃类物质的临界温度 , 除继续断开杂原子官能团和侧链 , 生成少量水 、 二氧化碳和氮外 , 主要反应是大量 包括环烷的开环和破裂 , 液态烃急剧减少 。 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 , 进入了高成熟时期 。 3、 意义:在深度较大的部位可以寻找优质的凝析油气藏 。 ( 四 ) 深部高温生气阶段 1、环境:当深度超过 6000~7000m,沉积物已进入变生作用阶段,达到有机质转化的末期,温度超过了 250℃ ,以高温高压为特征。 2、产物: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;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。 3、意义:埋藏很深的生油岩,有机质演化程度高,主要以产气为主,寻找液态石油的希望不大。 图 4干酪根从成岩作用阶段到准变质作用阶段的演化图 (据 1978) 成岩演化阶段 烃类 产物 煤阶 固定碳( % ) 镜煤反射率( % ) H/ 地温( 0C ) 深度( m) 孢粉颜色 主要反应 成熟程度 成岩阶段 生物甲烷 泥炭 褐煤 < 55 < >< 50 <1000 浅黄橙黄 生物化学 未成熟 深 成 阶 段 重质油 、干气 、中质油 、湿气 长焰煤 气煤 肥煤 55 501000 橙 热降解 成熟 轻质油 、湿气 焦煤 瘦煤 751504000 棕 热裂解 准变质阶段 高温甲烷 贫煤 无烟煤 > 85 > <> 200 >6000 黑 热裂解 过成熟 以上是有机质向油气转化的整个过程大致划分为四个阶段,这反映油气演化的 一般模式 。对不同的沉积盆地而言,由于其沉降历史、地温历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略有差别。 在地质发展史较复杂的沉积盆地,例如经历过数次升降作用,生油岩中的有机质可能由于埋藏较浅尚未成熟就遭遇抬升,直到再度沉降埋藏到相当深度后,方才达到了成熟温度,有机质仍然可以生成 大量石油,即所谓“二次生油”。 促使沉积有机质演化成烃的因素  细菌  温度和时间  催化剂  放射性  压力 细菌 按其生活习性可分为 3类:喜氧细菌、厌氧细菌和通性细菌。 细菌所起的作用是将原始的有机质中的 O、 S、 N、 C、 富集起来。细菌一般作用于有机质改造早期。 温度和时间 1. 只有对沉积有机质演化而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。只有达到一定温度,才会大量生成液态烃。而温度继续上升到一定程度,液态烃又会减少,气态烃生成量继续增加。 第四节 天然气成因 • 天然气:烃气与非烃气  烃气:有机与无机  天然气分为:生物成因气、油型气、煤型气和无机成因气。 生物成因气 不溶有机质 可溶有机质 菌体 挥发性酸 其他 酶的发酵作用 产酸菌 产甲烷菌 菌体 2 其他 定义 :在成岩作用早期还原环境中生物化学作用带内,沉积有机质因微生物群体发酵和合成作用形成的甲烷气和部分 2,有时混有早期低温降解作用形成的甲烷气及重烃气。 形成条件 :丰富的有机质和强还原环境是前提条件,最有机的生气母质是草本腐植型 化学组成 :甲烷> 98%,重烃< 1%,还含有少量的 油型气 定义 :指成油有机质(腐泥型和混合型干酪根)在热力作用下以及石油热裂解形成的各种天然气,主要包括石油伴生气、凝析油伴生气和热裂解伴生气。 化学组成 :石油和凝析油伴生气在化学组成上的进本特点是重烃气含量一般大于 5%,最高可达 40甚至可超过甲烷含量。过成熟干气则以甲烷为主,重烃气一般小于 2%。在碳稳定同位素上,由石油伴生气 过成熟干气, 13δ13致分别为 — 、 — 、 ≥。 与成油有机质演化有关的天然气随深度 生成模式 成油有机质成熟演化过程中产生的天然气以烃气为主,但仍有数量不等的非烃气。 2主要形成于深成阶段的中期; 气高峰在深成作用的中晚期 。 煤型气 定义 :指煤系有机质(腐植型干酪根和腐植煤)在变质作用过程中形成的热成因气。煤系又称含煤岩系,是以含有煤层和煤线为特征的沉积岩系。当腐植有机质高度聚集时便形成腐植煤。 成煤作用与煤型气的形成:成煤作用阶段分为泥炭化阶段和煤化作用阶段。当埋藏逐步加深,在温度、压力和时间等因素的作用下,堆积的植物遗体和碎片按泥炭 — 褐煤 — 长焰煤 — 气煤 — 肥煤 — 焦煤 —
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本文标题:第四章 油气成因和烃源岩
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