石油地质学-第二章

石油地质学第二章石油的成因及生油气岩第二章石油的成因及生油气岩•油气成因理论研究概况•生成油气的原始物质•有机质向油气转化的条件•油气生成的热演化模式•油气生成的地质环境•天然气的成因类型•生油气岩第一节油气成因理论研究概况油气的成因是一个长相争论的基本理论问题。由于:(1).石油、天然气是流体，其产出地与生成地往往不一致，受多种因素控制。(2).化学成分均很复杂(3).油气水常常伴生更使油气成因的研究变得复杂和困难。人类在长期寻找、勘探和研究油气的基础上，提出了各种假说。这些假说又在实践中不断受到检验、修正和完善，逐步建立起油气生成的理论。今天的干酪根热降解成油的理论，基本能说明油气生成的众多现象，并在勘探实践中取得了显著的成果，这说明现代油气成因理论是基本正确的。第一节油气成因理论研究概况•无机成因论石油工业发展早期，从纯化学角度出发，认为油气是无机成因的。无机成因说大致可归纳为：1、碳化物说（门捷列夫，1876年）：认为在地球内部水与重金属碳化物作用，可以产生碳氢化合物：3FemCn+4mH2O一mFe3O4+C3nH8m地球形成时期，温度很高，使碳和铁变为液态，互相作用而形成碳化铁。由于它们密度较大，保存在地球深处。后来，地表水沿地壳裂隙向下渗透，与碳化铁作用产生碳氢化合物，沿着裂隙上升到地壳。有些碳氢化合物浸透了岩石，形成油页岩、藻煤及其他含沥青岩石；有些碳氢化合物在地表附近受到氧化，形成地沥青等产物；如果碳氢化合物上升到地壳比较冷却的部分，冷凝下来形成石油，并在孔隙性岩层中聚集便可形成油藏。第一节油气成因理论研究概况2、宇宙说：索可洛夫，1889年主张：在地球呈熔融状态时，碳氢化合物就包含在它的气圈中；随着地球冷凝，碳氢化合物被冷凝岩浆吸收，最后，凝结于地壳中而成石油。基本论点：1）在天体中碳和氢的储量很大；2）由碳、氢合成碳氢化合物是出现在天体发展的早期阶段；3）同其他天体一样，地球上形成的碳氢化合物后来为岩浆所吸收；4）当岩浆进一步冷却和紧缩时，包含在其中的碳氢化合物就沿断裂或裂隙分离出来。碳化物说和宇宙说所依据的由无机物制成简单碳氢化合物的实验，至今未找到任何实地证据说明在自然界也发生过这样的过程。3、岩浆说：库得梁采夫，1949年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。这个过程是在高压条件下完成的，因而可以促使不饱和碳氢化合物聚合而成饱和碳氢化合物。并且，依靠石油才在地球上产生了生物，石油中含有生物所需要的一切化学元素，因此，不是石油来自有机物质，恰好相反，而是有机物质来源于石油。第一节油气成因理论研究概况4、高温生成说：切卡留克，1971实验发现：一些矿物在高温、高压下可分离出甲烷、乙烷等烃类，因此认为油气是上地幔中的氧化铁和水反应所得。5、蛇纹石化生油说：耶兰斯基，1966，1971但无机成因论者的致命点：•（1）是脱离了地质条件来讨论油气的成因，而且将宇宙中发现的简单烃与地球上组成复杂的石油等同起来。•（2）无法解释世界上已经发现的油气田99.9%都分布在沉积岩中。•（3）无法解释为什么石油具有只有生物有机质才有的旋光性，生标物等问题，而且石油的旋光性在300℃以上就不存在了，若为无机成因需要高温、高压，石油的旋光性早就消失了。第一节油气成因理论研究概况•有机成因论随着油气勘探和生油研究不断深入，无机成因论逐步为有机成因论所代替。有机成因论的主要论据：•①世界上99.9%以上的石油产于沉积岩区；而与沉积岩无关的大片岩浆岩、变质岩区没有产出石油；少量工业油流的岩浆岩、变质岩都与沉积岩毗邻；•②油气中先后鉴定出很多与活生物体有关的生物标志化合物；•③油气中烃类与生物体中类脂物、沉积有机质在元素组成、化学成分及结构上都存在着相似性和连续性。•④实验室中模拟地下条件，从多种有机质中获得了烃类。•总之，油气的有机成因说，由于充分考虑了油气的生成和产出的地质、地球化学条件。深入对比了油气及有机质的组成特征，因此，更能说明油气的成因。为绝大多数石油地质，地球化学工作者所接受。现代研究证明，部分天然气则很可能是无机成因的。•在油气生成的机理和时间上，亦有早期生成论和晚期生成论之争。第一节油气成因理论研究概况•早期成油论主张：油气是地质历史时期中生物有机质在还原环境中转化而来的。依据：1）实验发现，一些生物组分如脂类、蛋白质等在一定条件下可以生成烃类；2）在现代沉积物中发现了液态烃。Zobell（1945）和史密斯（1952）发现里海、黑海和墨西哥湾现代沉积物中不但富含有机质，且存在自由的液态烃类，用放射性碳同位素C14测定了烃的年龄，证明它们是现代生成的，最老的年龄只有1.46万年；3）某些细菌是有机质加氢、去羧基转化为烃类的媒介，这一过程完成于沉积物埋藏不深的阶段，说明烃类只能在早期生成；难点：1）世界上发现的原生油气藏几乎都在上新世（N2）以前；2）现代沉积物中烃类的性质与石油不同。第一节油气成因理论研究概况现代沉积物中的烃，在性质上与石油中的烃差异太大。这表现在：①现代沉积物中缺少C4～C7的轻烃，C8～C13也极少；现代沉积物C2～C7为0.005ppm，C8～C13为1ppm，古代沉积物分别为30ppm和50ppm。②现代沉积物中的正烷烃有明显的奇碳数优势，正脂肪酸具有偶碳数优势，而古代生油岩和原油无此优势。③现代沉积物中很难找到苯、二甲苯等轻芳烃，而它们在石油中则是重要分子。④现代沉积物的可溶有机质中非烃馏份多；而在原油中则以饱和烃及芳烃馏份占优势。⑤现代沉积物经细菌作用后虽能生成少量烃类，但主要是甲烷，C2以上的重烃很少。第一节油气成因理论研究概况•以上这些都说明：现代沉积物中所发现的烃，与石油烃有着质的区别。它们要变到石油中的烃，还有很长一段距离的转化路程。石油不可能在现代，在浅处，在沉积早期生成。•早期成油论的破产说明，在生油研究中精密的分析手段多么重要。史密斯等人正是没有使用气相色谱等先进技术，尽管发现了现代沉积物中有液态烃，但却没能找出它们与石油质的区别。因此，两年后布雷等人一经发现正烷烃的奇碳化势，早期成油论就破了产。第一节油气成因理论研究概况晚期成油论早在1964年，苏联人拉尔斯卡娅在研究北高索中新生代生油岩时即已发现：生油层埋深＞1200～1500米、地温超过50～60℃时，烃类才会大量生成，沥青A/C有的比值才会明显增大。1965年，美国人菲利皮研究了文图拉和洛杉机两个盆地中新统生油岩，发现它们分别在3600米和2400米深处出现烃/C有机比值的明显增大；与此同时，正构、异构和环烷烃的组成也发生了明显变化，逐渐与石油趋于一致。值得注意的是，两个盆地的地温梯度不同：文图拉盆地为2.66℃/100米，洛杉矾盆地为3.91℃/100米，烃/C有比值明显增大的转折点深度也不同（亦即上覆层的厚度和压力不同），但转折点的温度却都是115℃左右。这就证明：油气的生成主要取决于温度，而上覆层的压力作用并不大。根据两个盆地的研究结果，菲利皮首次提出了“生油层成熟度”的概念和一套判别成熟度的指标，并因此而获得了国际有机地球化学协会的第一个“特雷普斯（Tribes）奖”（为纪念第一个发现原油中的卟啉的地球化学家而设）。第一节油气成因理论研究概况•晚期成油论的主要依据：•世界油气的分布有一定的深度范围，太浅、太深都很少。第一节油气成因理论研究概况•据哈尔布蒂(1970)统计，全世界266个“巨型”油田（可采储量＞5亿桶），其产层深度为：产层深度（米）占“巨型”油田总储量的％6001600～240086240013•根据兰迪斯(1967)统计，在1949～1965年期间发现的产层深度＞4570米的油气田，其中4/5是凝析气田和干气田。•世界油气分布与地温的关系更加密切。据统计，世界上99％的油田，油藏温度＜148.9℃，其中油藏温度＜121℃湿气、凝析油藏温度121～149℃干气藏温度149～177℃工业性气藏很少177～204℃无工业性气藏＞204℃•世界油气分布的温度，又随生油层的年代而变化。第一节油气成因理论研究概况•晚期成油论的意义①提出了生油岩“成熟度”的概念；指出石油的生成需要一定的温度；生油过程有阶段性；从而区分出未成熟生油层与成熟生油层、过成熟生气层；并且提出了一套划分成熟度的指标；②预测一个盆地能找到油还是能找到气，如是根本没有成熟生油层，找油希望甚小；③根据不同演化阶段的生油率，更精确地计算生油量。第一节油气成因理论研究概况•干酪根热降解成油论依据：①现代沉积物中干酪根多；古代岩石中干酪根少，因为消耗于生成石油。据测定：•55个现代沉积物的干酪根含量为95％～97％；烃类含量65ppm；•791个古代页岩的干酪根含量为90％；烃类含量300ppm；•289个古代碳酸盐岩的干酪根含量为65％；烃类含量340ppm；第一节油气成因理论研究概况元素组成干酪根沥青原油变化O，%820.5脱去O、N、SS，%542.0N，%210.5C，%798384富集C特别富集HH，%61013H/C原子比0.911.451.86②从干酪根到可溶沥青到原油，元素组成有规律地递变，说明它们之间有成因联系。第一节油气成因理论研究概况③在自然剖面上可观察到；随理深增大、温度压力增高，干酪根逐渐因消耗于生油而减少，MAB抽提物也减少，含O、N、S化合物略有增多，特别是到了一定深度，烃类明显增多，这是干酪根生油的自然实例。第一节油气成因理论研究概况④实验室同样模拟出干酪根生成石油的过程。干酪根在人工加温热降解过程中，先是生成液态烃，然后液态烃裂解，生成气态烃。法国石油研究院人工加热现代沉积物中的干酪根实验结果（以产物占干酪根质量分数表示）加热温度℃加热时间h干酪根固体残余物，％液态烃％气态产物％15020025031035041055555592.482.477.965.165.356.51.53.23.86.06.62.76.114.118.328.928.140.8第一节油气成因理论研究概况干酪根热降解成油理论①成岩作用阶段早期（在生物化学作用阶段）：各种生物有机碎片结合成不同类型的不溶“干酪根”；②在成岩作用阶段晚期和深成作用阶段早期：随着温度升高，干酪根核与核之间或核外的桥键，先沿“薄弱环节”即O－N一S等极性键断开，然后是脂链发生断裂；沥青和烃类脱离干酪根核的束缚，从不溶转入可溶状态，“游离”在生油岩中成为“原始”的石油烃和“游离”沥青组份；③深成作用阶段后期和变质阶段：在更高温度下，游离沥青继续脱去O—N－S等杂原子，烃类则从长链断裂成短键，最终变成CH4气体；与此同时，干酪根的核则不断缩合，最后只剩下碳原子，变成石墨—两极分化。第一节油气成因理论研究概况有机质从沉积、埋藏到转化为油气，是一个逐渐转化的过程，在承认晚期成油论（干酪根热降解成油论）的同时，不能一概否定早期成油论，只不过在生油气的数量上可能多少不一，以晚期为主，实际上，有些地区油气还是早期生成的，如柴达木盆地第四系生物气藏。现在看来，液态石油的成因主要是晚期的，天然气的生成条件比较宽松，机制也比较复杂。第二节生成油气的原始物质一、沉积有机质的形成和分布有机质要生成油气，必须：1）有数量充足的、品质良好的原始生油气母质2）有利于有机质向油气演化、改造的环境只有二者兼备，才可能生成油气。第二节生成油气的原始物质1、形成：活的生物体：脂类——脂肪酸和醇蛋白质——氨基酸碳水化合物——糖木质素——芳香酸、酚等有机物质分解中的产物富含活泼官能团，如：—OH、—COOH等，因此分解产物相互作用合成新的物质是必然的结果。在演化过程中，有机质中C增加，O减少，芳香核的缩合程度增加，分子量增大，逐渐形成不溶于酸、和碱及有机溶剂的中性有机聚合物，这个过程称为非溶解作用。脂类①生物当作能源利用，从而参加了生物圈有机碳的再循环生物有机质蛋白质②经过物理一化学作用而变为简单的分子，如CO2、H2O等的化学组成碳水化合物③进入沉积物中形成沉积有机质，没有经历完全的再循环和木质素物理一化学分解，占生物原始数量的极小部分第二节生成油气的原始物质沉积有