石油2-3有机质演化生烃的影响因素与模式

石油天然气地质与勘探任课人：逄雯山东胜利职业学院油气成因概述生成油气的原始物质有机质演化生烃的影响因素与模式天然气的成因类型及特征烃源岩评价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》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三、有机质向油气转化的阶段四、低熟油与煤成油形成理论沉积有机质转化为烃类，经历一个去氧、加氢，富集碳的过程。原始有机质的堆积、保存、转化过程必须在还原条件下进行。还原环境的形成和持续时间的长短，则受当时的地质环境和理化条件的控制。第三节油气生成的地质环境与理化条件①长期稳定下沉的大地构造背景（V沉积≈V沉降）；②较快的沉积（堆积）速率；③足够数量和一定质量的原始有机质；④低能、还原岩相古地理环境（浅海相，半深－深湖相、前三角洲相）；⑤适当的受热和埋藏史。适宜的地质环境，不但为有机质的大量繁殖、堆积、保存、转化创造了有利的地质条件，而且为促使有机质向油气转化提供了必需的理化条件（温度、时间、细菌、催化剂、放射性等）。有利于有机质形成和转化的地质环境：一、油气生成的地质环境有利于有机质堆积、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。一、油气生成的地质环境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。一、油气生成的地质环境1、大地构造条件长期持续下沉，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。一、油气生成的地质环境深水-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、岩相古地理条件一、油气生成的地质环境水体较深，水体表层处于动荡回流状态，其底部水流停滞，由于水底有机质的分解，氧气又得不到及时补充，便形成稳定的还原环境，是有利的生油区。2、岩相古地理条件深水-半深水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。一、油气生成的地质环境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。一、油气生成的地质环境2、岩相古地理条件滨海浅海（陆鹏）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，陆源有机质很少一、油气生成的地质环境3、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。一、油气生成的地质环境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三、有机质向油气转化的阶段四、低熟油与煤成油形成理论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：二、促使油气生成的理化条件1、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。1、细菌作用有机酵母存在时，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：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：成岩早期由于某种物质的作用热力学反应被加速，在反应结束时，该物质能够复原，并不被消耗，此种物质称为催化剂，使热力学反应过程加速的作用称为催化作用。——主要发生在中浅层＜125℃②无机盐类：主要分布在粘土矿物成岩中晚期蒙脱石型的粘土催化活力最强，高岭石型的粘土催化活力最弱。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。2.催化剂作用：——主要发生在中浅层＜125℃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。3.温度和时间阿伦纽斯（Arrhenius，1889）：K=A·e-E/RT式中：A——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）3.温度和时间K值可由阿伦纽斯方程求得：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3.温度和时间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。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。3.温度和时间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3.温度和时间3.温度和时间随着有机质埋藏深度的加大，当温度达到一定数值，才开始大量转化为油气，这个对应的温度（深度）称为门限温度（深度）。相同的门限温度在地温较高的地区出现的较浅，而在地温较低的地区出现的相对较深。同时对于温度和时间的相互补偿关系，在温度很低的情况下，时间本身并不能起作用。★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。4.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5.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。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。二、促使油气生成的理化条件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三、有机质向油气转化的阶段四、低熟油与煤成油形成理论有机质向油气转化是在还原－强还原环境下进行的。初期受细菌生物化学作用控制，中、后期受温度控制。随埋深增大，温度增高，有机质逐步地连续地向油气转化（为一连续过程）。不同深度范围促使其转化的地质和理化条件不同，产物有明显不同，反映了有机质向油气转化过程具有明显的阶段性。三、有机质向油气转化的阶段四个逐步过渡的阶段：生物化学生气阶段——沉积有机质演化的未成熟阶段热催化生油气阶段——成熟阶段热裂解生凝析气阶段——高成熟阶段深部高温生气阶段——过成熟阶段三、有机质向油气转化的阶段1.埋深：0-1500米±2.温度：10~60℃3.演化阶段：Ro（镜质体反射率）＜0.5%沉积物的成岩作用阶段；碳化作用中的泥炭-褐煤阶段；4.作用因素：以生物化学作用为主；（一）生物化学生气阶段此阶段从沉积有机质被埋藏开始至门限深度为止5.演化过程及产物：•部分作为微生物养料被菌解、氧化、消耗掉→CO2、H2O；•大多数经地质聚合和缩合→Kerogen（黄－浅褐色）可溶单体有机质：•部分经细菌生化作用→CO2、H2O、CH4（生物成因气）、NH3•少量未成熟油，明显奇数碳优势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)主要产物：生物气、干酪根、少量油（一）生物化学生气阶段沉积物沉积后至成岩早期：木质素、碳水化合物、蛋白质、类脂化合物水解、微生物酶的作用而分解酚、单糖、氨基酸、脂肪酸微生物菌解氧化纯化学分解细菌作用生物成因气腐殖物质黄腐酸腐殖酸腐黑C石油烃、胶质、沥青质（含生物标志化合物）其它不溶类脂聚合物腐泥物质去含氧官能团、去肽键缩合干酪根可溶有机质腐殖化作用（分解、缩合、选择性富集）腐泥化作用（分解、缩合、选择性富集）微生物菌解氧化CO2H2OCO2H2O（一）生物化学生气阶段6.烃类组成的特征——在有机质中所占的比重很小高分子量化合物为主，显示萘和四芳烃双峰四环分子显畸峰正烷烃环烷烃芳烃1320