煤成油形成环境与成烃机理.ppt

2、煤成油形成环境与成烃机理,（1）引言（2）煤和含煤岩系的生油潜力（3）煤成油的地球化学特征（4）煤成油形成机理与成烃模式,2、煤成油形成环境与成烃机理,（1）引言,吐鲁番盆地七克台油田油砂与煤系间互露头,2、煤成油形成环境与成烃机理,（1）引言1、概念：煤成油(“Oil from coal”或“Oil derived from coal”)系指煤和煤系地层中集中和分散的陆源有机质，在煤化作用的同时所生成的液态烃类（石油）。在特定的地质条件下，从煤系烃源岩中排驱出来并聚集成藏，甚至形成大油田。2、问题的提出：从60年代后期以来，在世界一系列盆地发现了一批与中、新生界煤系地层有关的重要油气田，引起了人们极大的兴趣，并进行了广泛的研究。研究的主要问题是：（1）各种煤及各种显微组分的成烃潜力；（2）在煤化作用中煤系地层的成烃演化特征和煤成油的物理化学特点；（3）煤系地层的生物标记化合物的特征、生源分析和油源对比；（4）煤和各种显微组分的加水或无水热解生烃模拟及其与自然演化的比较；（5）煤和煤系地层中烃类的排驱和运移及其影响因素。3、意义：继陆相生油之后又开拓了“煤成油”和在煤系地层中找油的新领域。4、效果：80年代以来，在我国煤系地层中取得了很大实效。准噶尔盆地东部、塔里木盆地北部、酒东盆地、三塘湖盆地、焉耆盆和吐哈盆地在煤系地层中发现了大规模的油田。,（2）煤和含煤岩系的生油潜力1,1、烃源岩的类型及特征（1）烃源岩类型 煤型烃源的类型一般以煤岩学为基础，可划分为：腐殖煤：腐殖煤 主要由高等植物物质组成。残殖煤 由等植物中壳质组分富集 而成，一般含量5060%。腐殖腐泥煤：两者过渡类型 腐泥煤：由低等生源物质构成,显微组分的特征1,胶质镜质体和结构镜质体1，胶质镜质体（橙红）充填于细胞腔内，细胞排列规则。浑源，P1s，透射光125X,均质镜质体，红色，宽条带，具角质体镶边，有时可见垂直条带的内生裂隙。浑源，P1s，透射光200X,大孢子镜质体（中部），伊24井，P1s，透射光125X,丝质体，细胸排列规则，腔空，东胜，J1-2y，透射光125X,大孢子体，黄色，荧光性强，薄壁，具纹饰，孢子壁呈花斑状结构，浑源，P1s，反射兰光600X,小孢子体，黄色，扁环状，薄壁，无纹饰，密集成群，浑源，P1s，透射光 160X,显微组分的特征,角质体，荧光性强，内部细微结构特征清楚，府谷，P1s，反射兰光激发 600X,树皮体2，橙黄色，半透明似叠砖状木栓细胞结构排列规整，乐平，P2，透射光 200X,树脂体，充填在结构镜质体细胞腔内，府谷，P1s，反射兰光激发 600X,结构藻质体，藻类结构清楚，群体的外缘不规则，可见中央空间空隙，橙黄色荧光较强，浑源，P1s，反射兰光激发 800X,基质沥青体（中部），褐色荧光，无定形基质，与角质体共生，鱼河堡，J1-2y，反射兰光激发 600X,渗出沥青体，充填于裂隙内，荧光性较强，富5井，T3y，反射兰光激发 490X,显微组分的特征,渗出沥青体，充填于菌类体腔内，浑源，P1s，反射兰光 380X,荧光体，黄绿色荧光，粒状，富5井，T3y，反射兰光 480X,油质体，兰光照射下沿基质镜质体裂隙溢出，并逐渐扩散成条带状，呈黄色荧光，富5井，T3y，反射兰光 380X,壳屑体，碎屑10，与小孢子体相伴生，伊24井，J1-2y，反射兰光 600X,显微组分的特征,1、角质体，七克台乡煤矿南大槽煤层，J2x，QS-2，紫色反射荧光，160X3；2、孢子体，三缝孢，恰1井，J2x2，H74，蓝色反射荧光，320X3；3、树脂体，具氧化边，七克台乡化工厂煤矿南大槽煤层，J2x，QH11，蓝色反射荧光160X3；4、木栓质体，弱荧光，七泉湖红星煤矿红灰槽煤层，J1b，HXH10，蓝色反射荧光，160X3,显微组分的特征,5、碎屑稳定体，七克台乡煤矿南大槽煤层，J2x，QS2，紫色反射荧光，160X3；6、藻类体，柯柯亚煤矿南大槽煤层J1b，KMD1，蓝色反射荧光，320X3；7、沥青质体，柯柯亚煤矿南大槽煤层，J1b，KND1，蓝色反射荧光，160X3；8、基质镜质体B（腐泥镜质体）、角质体与不发荧光的惰质体，柯柯亚煤矿南大槽煤层，J1b，KND1，蓝色反射荧光，160X3,显微组分,1、I型油滴（外溢），221兵团煤矿东槽煤层，J2x，DHS14，紫色反射荧光，16X3；2、型油滴（串珠状），孢子体，柯柯亚煤矿正槽煤层，J1b，KZ3，紫色反射荧光，64X3；3a、串珠状型油滴，七泉湖红星煤矿红灰槽煤层，J1b，HXH15，蓝色反射荧光，128X3；3b、型油滴，葫形，七克台化工厂煤矿南大槽煤层，J2x，QH2，紫色反射荧光，64X3；4a、油滴，七克台化工厂煤矿南大槽煤，J2x，QH2，紫色反射荧光，128X3；4b、同4a，可见牛顿晕环，干物镜白反射光，128X3,显微组分,5、裂缝中型油滴（褐灰色），柯柯亚煤矿南大槽煤层，J1b，KND1，蓝色反射荧光，205X3；6、基质镜质体B中渗出的油，雁3井煤，J2x1+2，H96，蓝色反射荧光，160X3；7、裂纹中渗入丝质体细胞腔内的油滴，地湖南大槽煤层，J2x，DH15，紫色反射荧光，160X3；8、裂纹中的油滴，哈密县一矿6号煤层，J2x，HS61，紫色反射荧光，160X3,（2）煤和含煤岩系的生油潜力2,1、烃源岩的类型及特征（2）有机质丰度、类型 有机质丰度：总有机碳一般都20%，高达70%通常以岩石显微组分统计表示。具有异常高的可溶有机质含量和总烃浓度。有机质类型：实质上是以占有机质绝大部分的镜质组、惰性组、壳质组和腐泥组等组分构成来确定的。,1、烃源岩的类型及特征（3）可熔有机质的地化特征 不同类型的源岩，族组成特征有比较明显的差别：腐泥煤：总烃上相对较高，常达40%左右，饱/芳值略大于1；族组成特片大致接近于非煤型型有机质，反映 了低等水生生物和细菌的生源贡献。残殖煤：富集了大量富氢显微组分，可溶有机质中总烃含量较高，可达45.4%，甚至略高于通常的陆源 型有机质；残殖煤的芳烃含量明显大于饱和烃，其饱/芳值仅为0.6%左右，大大低于陆源 型有机质（饱/芳值1.46）典型腐殖腐泥煤：可溶有机质特征明显与煤化程度相关。R00.5%时，总烃含量仅29.3%，饱/芳比值0.4，随成熟度增高，总烃含量增加，但饱/芳比值却随之下降；即使总烃含量与湖相的有机质相当时，低的饱/芳比值也可与之区别。,煤可溶有机质：饱和烃组分一般以C22+正烷烃为主；姥鲛烷常高于植烷(姥/植比大于3)，以二萜类和三萜烷较为丰富为特征；细菌生源的补身烷系列和藿烷系列也是主要的生物标志物，孕甾烷、甾烷和三环萜烷不发育。芳烃组分中可见芳构化的二萜类和倍半萜或芳构化陆源三萜类占优势的现象；但在成熟阶段则以萘系列含量高、芴系列化合物发育为特征。,（4）有机质的演化特征1 煤在持续一段时间的温度、压力条件下将发生煤化作用 首先，煤的热演化在总体上表现为增碳过程。在R00.7%时，有机碳平均为54.59%；在R0为0.70%0.82时，有机碳增至65.80%；在R0为1.06%1.83%时，有机碳达到76.80%；与烃源岩演化过程相反。在含煤地层中，可溶有机质对成烃的贡献也是不容忽视的。以1600cm-1计富芳香结构，以1460cm-1计脂族基团，以1700cm-1计含氧基团。由图中可以清楚看到脂族基团的减少。,其次，有机质的热演化过程也是有机质本身的成岩和变质作用过程，这种有机/有机相互作用体系造成煤型烃源岩有机质生烃和初次运移的特殊性。,（5）有机质的演化特征2 煤及其显微组分在演化过程中的变化特征见表,（5）有机质的演化特征3 煤及其显微组分在演化过程中的变化特征见图,（5）有机质的演化特征4 煤系有机质成熟演化过程的化学变化可以大致归纳为：,脱水作用；脱羧基作用；脱烷基作用，特殊情形之一为脱甲基作用；缩聚作用：脱烷基作用最显著的范围是“液态窗”，这时的反应产物均系原油范畴内化合物。,2、影响油/气比分配的地球化学因素（1）显微组分组成（2）煤化作用过程的油气分异（3）排烃和运移过程的油气分异,3、煤成油的实验模拟 烃源岩生烃的实验模拟已成为石油地球化学研究的重要实验技术之一。（1）开放体系热模拟,（2）封闭体系热模拟 下图是在水介质下热模拟轨迹与自然界演化轨迹基本一致。,4、烃源岩评价标准 煤层烃源岩尚未有一个统一的标准，石勘院黄第藩等参考Tissot和Welte的生油岩生烃潜力分级（1979，1984），对含煤地层S1+S2与有机碳含量、氯仿沥青量和烃含量分别进行了相关性研究，确定了各项指标的对应关系和生油岩的评价标准。,（3）煤成油的地球化学特征1,1、原油物性（1）颜色：外观透明、半透明或不透明，颜色由无色、浅黄色、黄色、棕黄色、褐色至黑褐色都有，但半透明和浅色者较多。（2）密度：原油密度范围为0.7050.905g/cm3，最大频率分布在0.8050.825g/cm3，属于轻质油；凝析油最大频率分布在0.7250.745g/cm3。较一般湖相泥生成的正常原油要轻。（3）粘度：原油粘度一般较小，易流动。（4）含蜡量：原油含蜡量2%27%，以7.513.5%为主，最大频率分布在10.5%13.5%，平均10.3%。（5）凝固点：原油凝固点范围为-1830，凝析油一般低于零度，其它原油一般5，最大频率分布在1015，较一般原油低很多。（6）含硫量：原油的含硫量不到0.2%，属低硫原油。,4、烃源岩评价标准,三塘湖盆地中生代煤系有机质丰度评价图（据钟宁宁等）,1、J2x 暗色泥岩；2、J1+2S 暗色泥岩；3、J1b 暗色泥岩；4、J2t 暗色泥岩；5、J2x 煤和炭质泥岩；6、J1+2s 煤和炭质泥岩；7、J1b 暗色泥岩；8、J2t 暗色泥岩,（3）煤成油的地球化学特征2,2、族组成（1）煤中氯仿沥青“A”具有沥青质非烃芳烃烷烃的基本组成（2）煤成油中 饱和烃含量高（50%80%）非烃+沥青质含量低（10%）总之，煤成油的总体特征是低密度、低粘度、低凝固点、低含硫、中高含蜡、高饱和烃和低非烃+沥青质,（3）煤成油的地球化学特征3,3、烃类馏分化合物分布与组成特征,（1）饱和烃馏分特征（见表）富含高碳数正构烷烃高的Pr/Ph比值富含高等植物生源的环烷烃类及其衍生物：倍半萜类、二萜类。富含陆源三萜烷明显的藿烷类和C29甾烷的优势,（3）煤成油的地球化学特征4,4、芳烃馏分,芳烃馏分由芳香甾萜类、苯和常规多环芳烃(PAH)和噻吩类构成。前者是沉积有机质生烃过程中早期芳构化的产物，直接继承了环状萜类或甾类生物先质的环状骨架型式；后者是晚期芳构化产物，其中包括少数含杂原子的多环芳烃，在成熟原油中占绝对优势。煤成油中几乎不含芳香甾烷。反映高等植物树脂生源的芳香倍半萜类（卡达烯）、芳香二萜类（惹烯、西蒙内莉烯和海松烯等）以及非藿烷型（奥利烷型、乌散烷型和羽扇烷型）分子骨架的芳看三萜类都很常见。,（3）煤成油的地球化学特征5,5、碳同位素的特征值,原油的碳同位素值取决于油源岩的沉积环境和成烃母质的类型或生源构成。型干酪根的13C值为-26.0-20.0，与高等植物的13C相似。煤成凝析油与同源的煤成原油有相似的同位素组成或稍重于同源的原油。,（3）煤成油的地球化学特征6,6、油源对比,（1）意义：煤成油的油源对比有两重含义：一是确定原油是否来源于煤系，即解决是不是煤成油的问题；二是确定煤系中哪一类烃源岩或显微组分对煤成油起主要作用，即解决是什么类型煤成油的问题。煤成油的油源对比更是强调分子地球化学的生物标志物研究和有机岩石学的显微组分剖析、同位素地球化学分析以及石油地质的综合研究，还是认识煤成油成烃机理和初次运移机理的重要步骤。（2）烃源岩、原油（油显示）的生物标志物组成特征 各个层位烃源岩的生物标志物分布特征有较大的差异见下表。,（3）煤成油的地球化学特征7,7、油源对比,（2）烃源岩、原油（油显示）的生物标志物组成特征 原油（油显示）的生物标志物组成特征见下表。,（3）煤成油的地球化学特征8,7、油源对比,（2）生烃显微组分剖析 中生界烃源岩的一个突出特点就是富含孢子体和角质体。烃源岩中孢子体、角质体的高含量，深刻地影响了中生界烃源岩的成烃潜力和成烃特点。可溶有机物产率和生烃潜力明显依赖于孢子体和角质体的含量。孢子体和角质体的含量决定了中生界烃源岩质量，是中生界烃源岩中的主要成烃贡献组分。孢子体和角质体与其它组分的相对比例对烃源岩有机质的组成有深刻的影响。随着这两种组分比例的增加，干酪根H/C值和氯仿沥青“A”的饱/芳值都呈,增加趋势。当“孢子体+角质体”与代表高等植物木质纤维素生源的“镜质组+惰性组”的比值达到0.1时，饱/芳值的增长明显加快，逐渐大于1.0。孢子体和角质体作为主要成烃母质，其贡献产物具有重质、高蜡和粘度高的特点，而且在有机质成熟阶段早期（R0约0.60%0.75%）就可在烃源岩中产生数量上足以饱和烃源岩孔隙的液态沥青。,（3）煤成油的地球化学特征9,7、油源对比,（3）油/岩分子地球化学特征对比 1 在生物标志物分布特征上，侏罗系原油与八道湾组和小泉沟群烃源岩尤其相似，如两者的正烷烃均具奇碳优势。,（3）煤成油的地球化学特征10,7、油源对比,（3）油/岩分子地球化学特征对比2 在191、217质量谱图上，藿烷系列组成均含六环藿烷，而且C29规则甾烷和重排甾烷占绝对优势（如图）。,通过中生界油/岩间碳稳定同位素组成分析，侏罗系原油的碳同位素组成与八道湾组和小泉沟群中的某些炭质泥岩、泥岩的可溶组分十分接近，而与西山窑组、三工河组源岩差异较大，表明了侏罗系原油具有对八道湾组和小泉沟群烃源岩，特别是其中富含壳质组而且有机质丰度较高的炭质泥岩、泥岩的专属性。,（3）煤成油的地球化学特征11,Philp（1994）归纳总结了煤成油以下几点特征：1、在族组成中，饱和烃含量高于芳烃、非烃和沥青质；澳大利亚典型煤成 油的非烃+沥青质含量一般10%；2、硫含量低，甚至可以忽略不计；3、正烷烃分布在C20C40范围最大；类异戊二烯烃中，Pr/Ph值一般大于4；4、倍半萜类中有补身烷和桉叶油烷等既反映生源又反映沉积环境的化合 物，还有其它来源于五员环同系物，可能与细菌作用有关的化合物；5、反映不同植物属种和原油时代的二萜类化合物；6、一般都有藿烷类化合物，而且长侧链藿烷浓度随其碳数增加呈指数递减，但甲 基藿烷和降藿烷不常见；7、X化合物（一种C30重排藿烷）常见；8、有时可见非藿烷型萜烷，如奥利烷、羽扇烷、乌散烷和多杜松烷以及不饱和三 萜烷的存在；9、规则甾烷分布以C29甾烷占优势。,（4）煤成油形成机理与成烃模式1,1、有机岩物理性质演化特征1 由图可见，煤是多孔固体，具有复杂的凝胶性质，其水分排驱、凝胶性质转变及孔隙体积的演化是相互关联的。这些物理性质的变化主要与脱水作用、脱羧基作用、脱烷基作用和缩聚作用这四种化学反应类型有关。热演化早期是由前三种类型化学反应所导致的，从腐殖显微组分中排出非键合水、松散键合水和其它流体产物。,当R0约0.70%以前，煤的脱水非常迅速，在R0大于0.70%以后，水分排驱缓慢，含量几乎无明显变化。水凝胶转变成烟煤阶段具有沥青凝胶性质。凝胶性质的转变大致在R0=0.70%时完成。由右图可知，液体的排出与孔隙度的减小同步进行，在R00.70%的主要排液期，孔隙度由20%30%急剧降至R0=0.70%时的10%以下，水分含量相应地从15%以上骤降至2%。,（4）煤成油形成机理与成烃模式2,1、有机岩物理性质演化特征2 煤层中的微裂隙发育特征是影响煤成油排驱的物理性质。微裂隙可分为内生裂隙和外生裂隙两种。内生裂隙是煤中凝胶化物质老化、体积收缩产生内张力或是热演化过程中气、液产物所造成的内张力形成的一种裂隙，它与煤化程度、煤岩类型有关。内生裂隙在中等变质烟煤的光亮煤特别是镜煤中最发育，由两组交叉呈正方形或菱形，并且大致垂直层面。肥煤瘦煤阶段内生裂隙多达3050条/5cm，在褐煤和气煤中只有10条/5cm左右。内生裂隙最发育阶段乃属通常所认为的油气生成高峰阶段和凝析油阶段，容易被成为油气排驱的主要通道。外生裂隙是在构造应力作用下产生的一种裂隙，它有可能起着强化后续的油气初次运移的作用。,（4）煤成油形成机理与成烃模式3,（1）煤成油初次运移相态：由水溶向、烃溶相、气相三个阶段连续发展。煤的高吸附性、高塑性和微孔隙性等并不能构成煤层中石油难以排出的障碍，但却会造成明显的地质色层分异效应。（2）压实排驱机理 煤中大孔隙 占总孔隙体积的,2、煤成油的排驱机理,40%以上，处于强烈压实成岩作用阶段，有利于烃类以水溶相和水驱排出，煤孔隙度将下降10%左右。有可能形成重质未熟石油。CO2“助运剂”作用存在。（3）受压力驱动的连续沥青网络运移机理 与煤系中有机质成烃演化的“生油窗”阶段相当，R0值0.70%1.2%，脱水导致凝胶体性质变化，由水凝胶转变为沥青凝胶。产生了大量沥青物质、滞留在煤中水凝胶的分散介质（水）逐渐被沥青置换，形成均一的沥青相。运移的相态是沿“沥青网络”的连续烃相运移。由于这一时期煤的比表面积大，吸附能力强，致使大分子量和极性较大的物质滞留在煤层之中，而排驱出轻质油，密度在0.800.84g/cm3之间。（4）气溶方式运移机理 煤层已达高成熟的主要成气时期，产生内生裂隙和气孔的发育达到高峰，故油以气溶方式沿微裂缝排出几乎成为唯一的初次运移通道。饱和烃排烃效率在这时也最高。,（4）煤成油形成机理与成烃模式4,含煤岩系有机质组成复杂性及显微组分“分期生油”的特点决定了煤成油生成的阶段性。煤层独特的油气排驱机理也具有明显的阶段性。所以煤成油的成烃模式也是这样一个阶段性发展变化的模式。,3、煤成油的成烃模式,