石油23有机质演化生烃的影响因素与模式ppt课件.ppt

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,长期稳定下沉的大地构造背景（V沉积V沉降）；较快的沉积（堆积）速率；足够数量和一定质量的原始有机质；低能、还原岩相古地理环境（浅海相，半深深湖相、前三角洲相）；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(VsVd)，水体急剧变深，不利于生物的发育和有机质的保存；,若VsVd，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,我国主要大型陆相湖盆的发育特征,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）,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,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,在沉积末期至成岩早期：,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。,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,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150250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：,即lnC0A/CA=Kt；所以：K1/t lnC0/C,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：10603.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：,在缺乏游离氧的还原环境内，厌氧细菌非常活跃，沉积有机质被选择性分解，转化为分子量更低的生物化学单体(如苯酚、氨基酸、单醣、脂肪酸等等)。部分有机质被完全分解成CO2、CH4、NH3、H2S和H2O等简单分子。少量生物化学单体（尤其是脂类化合物）通过简单反应形成保留原始生物化学结构的特殊烃类，即生物标志化合物。而生物单体的大部分以不同的途径转化形成了干酪根。,（一）生物化学生气阶段,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,主要产物：生物气、干酪根、少量油,（一）生物化学生气阶段,（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,高分子量正烷烃C22C34范围内有明显的奇数碳优势,（一）生物化学生气阶段,在这个阶段生成的生物气，或称生物化学气，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-55-85。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。该阶段的镜质体反射率 Ro0.5%；干酪根颜色为黄浅褐褐色。,（一）生物化学生气阶段,（二）热催化生油气阶段,1.深度：1500 4000m2.温度：601803.演化阶段：后生作用阶段前期（长焰煤-焦煤阶段）有机质成熟、进入生油门限4.作用因素：热力+催化剂的作用,干酪根生成油气的主要阶段,5.演化过程及其产物,有机质大量转化为石油和湿气 主要生油时期：“生油窗”,随深度和温度的加大，在热力和催化剂的作用下，干酪根演化达到了成熟，大量化学键开始断裂，形成大量烃类分子。沉积有机质演化达到了成熟，开始大量生成液态石油时的埋藏深度和地温被称为门限深度和门限温度。,（二）热催化生油气阶段,产生的烃类：正烷烃碳数及分子量递减，中、低分子量的分子是正构烷烃中的主要组分，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。,6.烃类组成的特征,（二）热催化生油气阶段,（三）热裂解生凝析气阶段,1.深度：40006000米；2.温度：180 2503.演化阶段：后生作用后期 碳化作用瘦煤-贫煤阶段 有机质高成熟时期4.作用因素：石油热裂解、热焦化,残余干酪根继续断开杂原子官能团和侧链，生成少量水、二氧化碳、氮和低分子量烃类。同时由于地温超过了液态烃存在的临界温度，已不再有液态烃生成，前期已生成的液态烃类开始裂解，主要反应是大量C-C键断裂，包括环烷的开环和破裂，C数烃低C数烃，液气。干酪根残渣结构更紧密，暗褐色。,5.演化过程及其产物,（三）热裂解生凝析气阶段,6.烃类组成的特征,液态烃急剧减少，C25以上高分子正烷烃含量渐趋于零，只有少量低碳原子数的环烷烃和芳香烃可稳定存在；低分子正烷烃剧增，主要产物是甲烷及其气态同系物。,（三）热裂解生凝析气阶段,此阶段烃类反应的两种样式：石油热裂解(Cracking)：高温下脂肪族结构破裂为较小分子，生成为较高氢含量的甲烷及其气态同系物等轻烃类；并使石油所含芳香烃浓缩集中。石油热焦化(Coking)：高温下贫氢石油(一般以含杂元素-芳香烃为主)产生缩合反应，主要形成贫氢的固态残渣，并使石油中脂肪族相对增加而杂原子减少，同时残余干酪根也变得贫氢。凝析气和湿气的大量生成，主要是与高温下石油裂解有关；石油焦化及干酪根残渣热解生成的气体量有限。,（三）热裂解生凝析气阶段,1.深度6000-7000m；2.温度250；高温高压3.变生作用阶段（半无烟煤-无烟煤的高度碳化阶段）5.作用因素：热变质5.作用特点及主要产物：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；干酪根进一步缩聚，H/C原子比降到很低，生烃潜力逐渐枯竭。最终干酪根将形成碳沥青或石墨。,（四）深部高温生气阶段,有机质向油气演化的过程在实验室、野外观察和深井钻探结果中都得到了证实。实验结果 中国科学院地球化学研究所对石油进行高温高压试验，发现当压力固定不变，石油随温度升高向两极明显分化，最后形成气体与固态沥青。演化过程是石油油+气油+气+固态沥青+液态沥青气体+固态沥青。,野外观察 如在四川盆地威远隆起震旦系白云岩中见到石油热演化的最终产物甲烷和固态沥青，后者呈不规则浸染状或粒状分布于白云岩的裂缝或洞穴中，成熟度高，通常为碳沥青和焦沥青。深井钻探 国外近代大批超深井钻探结果显示，深层多产天然气，罕见液态石油。,以上将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，由于其沉降历史、地温历史及原始有机质类型的不同，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有差别。,三、有机质向油气转化的阶段,以上将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。各个地区，不一定都经历了这四个演化阶段，而温度、深度界限也因地而异，与盆地的沉降历史、地温历史有关，还与有机质类型、演化时间有关。不同类型的有机质在各演化阶段Ro值也不同。,三、有机质向油气转化的阶段,在地质发展史较复杂的沉积盆地，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，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”。,三、有机质向油气转化的阶段,有机质演化及烃类形成阶段划分表,有机质的生烃模式,油气有机成因模式,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,Tissot提出了干酪根晚期热解生烃理论。有机质演化经历了成岩作用早期的微生物降解阶段，其中微生物的作用主要是使沉积有机质转化成为干酪根的前生，进而形成干酪根。干酪根又在进一步的埋藏及温度作用下热演化成熟生烃，当达到“生油门限”时（R0=0.5%）开始热降解生烃，随后进入生油高峰。石油主要来自不溶有机质即干酪根的晚期热降解作用。未熟低熟油的发现和研究是对干酪根晚期热降解生烃理论的补充，促使人们反思干酪根晚期热降解生烃理论模式的某种局限性，并且重新研究与认识未熟低成熟烃源岩对油气的贡献及其生烃机理。,（一）低熟油及其形成机理,自七十年代以来，在许多国家和地区相继发现了这样一类石油，其生物标志化合物的成熟度参数比干酪根晚期热降解成因的石油明显偏低，表明此类石油是在经受较低温度作用条件下形成的。在我国东部渤海湾、泌阳、江汉、百色、松辽、苏北及西部地区的柴达木、准噶尔等盆地都发现了这种成熟度偏低的石油资源。,（一）低熟油及其形成机理,低熟油：所有非干酪根晚期热降解成因的各种低温早熟的非常规石油，称低熟油。相当于干酪根生烃模式的未成熟（Ro0.5%）和低成熟（Ro=0.5-0.7%）阶段。有机质经低温生物化学或低温化学反应生成液态烃。,1.低熟油含义（Immature oil）,低熟油：在生物化学和（或）低温化学反应作用下，在有机质成岩作用阶段和（或）干酪根晚期热降解生烃早期形成和排出的原油，生油母岩具有低的热演化程度和不同于成熟原油的有机地球化学特征。,1.低熟油含义（Immature oil）,低熟油理论是对传统干酪根生烃理论的补充和完善，它进一步说明了油气形成的多阶段性和复杂性；突出强调了不同环境和母源条件下形成的沉积有机质转化为油气所需的物理化学条件可以明显不同，所以不能用统一的成熟度参数来简单的划分有机质的演化阶段。,（一）低熟油及其形成机理,1.煤成油（Oil from coal；Oil derived from coal）煤和煤系地层中集中和分散的腐殖型有机质，在煤化作用过程中所生成的液态烃类。,（二）煤成油的形成机理及生烃模式,煤系地层：存在大量甲烷公认之事实能否形成大量液态烃类并运移聚集成工业油藏？有争议由于煤系产生于沼泽环境，其有机质来源和赋存方式与一般的烃源岩有明显不同，而且油田和煤田的分布（地区和层位）大多都不一致，因此，传统观点认为成煤环境不利于成油。二十世纪六十年代以来：Brooks和Smith等证明了陆生植物的生油能力；发现了来源于富氢壳质组的原油，与树脂体输入有关的凝析油，与煤系地层有关的油田这些原油主要来源于腐殖型有机质，显示典型煤成油的特征。,（二）煤成油的形成机理及生烃模式,腐殖煤的主要显微组分为镜质组，可含有相当数量的壳质组，腐泥组和惰质组含量较低。生油（烃）能力从大到小的顺序为：壳质组镜质组惰质组煤的液态烃生成潜力取决于富氢组分壳质组含量的多少；一些富氢镜质组，如基质镜质体也可能成为煤成油的主要贡献者。,2煤的显微组成及其成烃潜力,