石油天然气地质与勘探2-3生成地质环境及理化条件

1油气成因概述油气生成的原始物质油气生成的地质环境与物理化学条件有机质成烃演化模式天然气的成因类型及特征烃源岩特征与油源对比第二章石油和天然气的成因《石油天然气地质与勘探》2第二节生成油气的原始物质一、生物有机质二、沉积有机质三、干酪根3第三节油气生成的地质环境与理化条件一、油气生成的地质环境二、促使油气生成的理化条件6有利于有机质堆积、保存和向油气转化的地区：地质历史上形成巨厚沉积岩层的沉积盆地。1、大地构造条件板块的边缘活动带，板块内部的裂谷、坳陷，以及造山带的前陆盆地、山间盆地等大地构造单位。7若沉降速度大大超过沉积速度(VsVd)，水体急剧变深，不利于生物的发育和有机质的保存；若VsVd，水体迅速变浅，盆地上升为陆，有机质易受氧化，不利于有机质的堆积和保存。8长期持续下沉，伴随适当的升降，沉降速度与沉积速度相近或稍大，可长期保持适于生物大量繁殖和有机质沉积保存的环境，形成巨厚的生油岩系，有利于有机质迅速向油气转化。10深水-半深水湖泊是陆相生油岩发育的有利区域近海地带的深水湖盆最有利早白垩世的松辽盆地、早第三纪的渤海湾盆地等都可能属于当时的近海湖盆，成为湖相生油的最有利区域。2、岩相古地理条件湖泊能够汇聚周围河流带来的大量陆源有机质，增加了湖泊营养和有机质数量；湖泊有一定深度的稳定水体，提供水生生物的繁殖发育条件。这种地区水体营养丰富，浮游生物及藻类繁盛，往往又是河流三角洲的发育地带，河水带来大量陆源有机质注入近海湖盆，有机质异常丰富。11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，一般生油潜能较差，多适于形成煤和生成天然气。但在有些情况下可大量生油，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。12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生物繁殖，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133、古气候条件古气候条件直接影响生物的发育，温暖湿润的气候有利于生物的繁殖和发育，是油气生成的有利条件。14第三节油气生成的地质环境与理化条件一、油气生成的地质环境二、促使油气生成的理化条件不同深度沉积物中有机质与石油的元素组成（据C.E.ZoBell）深度物质类型碳，%氢，%氧，%氮，%硫，%浅↓深海洋腐殖泥52630110.8近代沉积5872490.6古代沉积739140.30.3石油85130.50.40.1★——随埋深加大，氧、氮、硫逐渐减少，而碳、氢相对富集。二、促使油气生成的理化条件有机质烃类去O、加H、富集C还原条件地质+理化条件★元素沉积岩中的有机质，%石油，%碳52-7183-87氢7-1011-15氧15-35痕量-4氮4-6痕量-4硫——痕量-4沉积岩中有机质与石油的元素组成对比表细菌、催化剂、温度和时间放射性、压力促使有机质转化为油气的理化条件（物理、化学、生物化学条件）主要有：181、细菌作用类脂化合物蛋白质碳水化合物木质素水解微生物酶作用可溶生物单体有机质脂肪酸氨基酸单糖酚(A)在沉积末期至成岩早期：★A1.作为养料，被微生物吞食、消耗2.细菌作用→CO2、H2O、CH4（生物成因气）3.聚合、缩合→干酪根、少量油细菌：分布最广、繁殖最快、适应力最强三类：喜氧细菌、厌氧细菌和通性细菌。在缺游离氧条件下，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。细菌作用实质：将有机质中的氧、硫、氮等杂元素分离出来，使碳、氢，特别是氢富集起来。溶解物柱状图水-沉积物柱状剖面生物化学带空气光合作用带水O2沉积物喜氧带O硫酸盐还原带碳酸盐还原带交代作用柱状图细菌作用S042-HS-HCO3-CH4H2光合作用喜氧呼吸喜氧的厌氧呼吸厌氧的游离氧纯化学分解CHO2O2+A喜氧菌分解A有机酸+CO+HO22喜氧呼吸残余有机酸产H菌H+CO22H2脱S菌还原SO42-SFeSHS+S2+Fe残余有机酸产H菌H+CO221、部分A：微生物养料2、因有游离氧存在：3、厌氧菌用硫酸盐中结合氧厌氧呼吸、分解A用碳酸盐中结合氧CHO2O2+CHO2O2+4、厌氧菌厌氧呼吸、分解AC+2HO24H2甲烷生成菌+CO2生物成因气(黄铁矿)无游离氧富含有机质的敞开海沉积物中微生物代谢作用的生化环境剖面图（据RiceClaypool，1981）有酵母存在时，有机质的分解比在细菌活动时快得多。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。2.催化剂作用：——主要中浅层＜125℃油气生成过程中，催化剂与分散有机质作用，改变有机质的原始结构，形成结构更稳定的烃类物质。①有机酵母：催化作用强，不耐高温。主要：成岩早期②无机盐类：最主要的是粘土矿物成岩中晚期蒙脱石型的粘土催化活力最强。粘土矿物是自然界分布最广的无机盐类催化剂。在实验室用粘土作催化剂，在150~250℃下，可以使酒精和酮脱水或使脂肪酸去羧基，产生类似石油的物质。粘土矿物的催化作用不仅可以降低有机质的成熟温度，促进石油生成。而且对干酪根热解烃的化学组成、产率也都有很大的影响。在相同热解温度下，粘土矿物比例不同，热解烃产率也不同。23沉积有机质向油气演化的过程，是在自然条件下，主要受热力作用发生的复杂的化学反应过程。同任何化学反应一样，温度是最有效和最持久的作用因素；在反应过程中，温度不足可用延长反应时间来弥补，温度与时间似乎可以互为补偿：高温短时作用与低温长时作用可能产生近乎同样的效果。石油中卟啉化合物（＜180℃）和旋光性（＜330℃）的存在，说明形成石油的温度并不太高。3.温度和时间◇1974年，法国学者J.Connan提出：沉积有机质向石油转化的作用符合化学动力学的一级反应。即：反应速度只与反应物浓度的一次方成正比。亦就是说，在任何一瞬间，反应速度只与该物质的浓度有关。-dCA/dt=KCA---------（1）式中CA——反应物（干酪根）在t瞬间的浓度；t——反应时间；K——反应速度常数（降解速率）；负号—反应物浓度随反应进行生成物增加而减少。RTEeKK0K值可由阿伦纽斯方程求得：阿伦纽斯（Arrhenius，1889）：K=A·e-E/RTA——指数前因子（频率因子）：单位时间单位容积内粒子碰撞次数（次/S.cm3）；R——气体常数（8.315J/K.mol）；E——反应物活化能；T——绝对温度（K）（273.15+t℃）；e——自然对数的底（2.71828）若Co——反应物初始浓度（t=o），则：AACCtAAkdtCdC00/即lnC0A/CA=Kt；所以：K＝1/t·lnC0/CARETARTEt1ln—反应时间的自然对数与绝对温度成反比直线关系lnA-E/RT=-lnt+lnlnC0A/CA•A为常数；Co/C也可视为一常数271）、有机质热解生油的速率随温度增加呈指数增加。当T太低时，有机质热解速度很慢。只有当温度达到一定值后，干酪根才开始大量转化为油气。282）、有机质随埋深加大，当温度达到一定数值时，开始大量向石油转化，这个温度称生油门限温度。对应的深度称生油门限深度。293）、有机质热解生油过程中t与T有互补性，一定温度范围内高温短时间可与低温长时间达到同样的效果。高地温——有机质成熟所需时间短低地温——有机质成熟所需时间长石油大量生成成熟点的确定（据P.Albrecht，1969）我国不同盆地不同时代生油岩埋藏深度与油气生成的关系★在时间和温度综合作用下，有利于油气生成并保存的盆地应该是年轻的热盆地（地温梯度高）和古老的冷盆地。不同盆地不同时代生油岩埋藏深度与油气生成的关系（据Tissot等，1984）——生油岩的时代不同，生油门限温度不同。——干酪根类型不同，对生油门限温度也有影响。世界若干含油气盆地生油岩成熟点的温度与时间（据J.Connan，1974）资料来源成熟点资料作者地理位置样品来源主要岩石类型年龄Ma现时温度，℃实际深度，米岩石类型1/TK-1Albrecht（1969）喀麦隆杜阿拉盆地4口井粉砂质粘土岩70651200粉砂质粘土岩0.00296Philippii（1965）加里福尼亚洛杉机盆地2口井页岩121152440页岩？0.00258加里福尼亚文图拉盆地3口井页岩121272740页岩？0.00250Louis、Tissot（1967）法国巴黎盆地17口井、2个采石场页岩180601400页岩0.00300Connan（1971、1972）法国西南部阿奎坦盆地1口井碳酸盐岩112903300泥质、石灰岩0.00275法国西南部阿奎坦盆地31口井碳酸盐岩135722500碳酸盐岩0.00289法国东南部卡马尔果盆地1口井岩性变化大381063250碳酸盐岩、砾岩0.00264阿尤恩区奥若河1口井碳酸盐岩、页岩、粉砂岩105852740粉砂质、粘土岩0.00279沙巴苏禄海区1口井页岩、砂岩521203050粉砂质、粘土岩0.00254新西兰塔拉纳基盆地（海上）1口井页岩、粉砂岩、砂岩、煤层70802900粉砂质页岩、粉砂岩、煤层0.00283巴西亚马逊盆地6口井页岩359621750页岩0.00298新西兰塔拉纳基盆地（陆上1口井灰质粘土岩、粉砂岩、砂岩32953350灰质页岩0.002724.放射性富含有机质的粘土岩中富集大量放射性物质。用α射线轰击某些有机质可得到甲烷、二氧化碳和氢，轰击水可产生大量游离氢和氧，氢可使有机质氢化或与二氧化碳化合生成甲烷，继续在α射线轰击下可生成更重的气态烃乃至液烃。放射性元素所造成的局部地温增高将有利于有机质的热演化。沉积岩中：总体上放射性元素含量很低可产生游离氢——次要因素355.压力•高压阻碍有机质成熟和成烃作用。•短暂的降压有利于加速有机质的成熟。10002000300040005000深度(m)012300.51400430460压力(MPa)TOC(%)S1/(S1+S2)Tmax(C)镜质体反射率(%)0501000.212超压超压抑制传统模式生烃演化趋势莺歌海盆地超压对生烃的抑制作用镜质体反射率(%)00.51.01.538004200460050005400准噶尔盆地盆4井0.20.51.02.0100020003000400050006000深度(m)濮阳凹陷在有机质向油气转化过程中，上述各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；高压阻碍有机质成熟和成烃作用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。细菌、催化剂、温度和时间放射性、压力促使有机质转化为油气的理化条件（物理、化学、生物化学条件）主要有：