石油地质学第四章油气成因理论及烃源岩.ppt

第一节 油气成因理论发展概况第二节 生成油气的物质基础第三节 油气生成的动力条件 第四节 有机质演化与成烃模式第五节 天然气的成因类型及特征 第六节 烃源岩第七节 油源对比,第四章：石油和天然气的生成与烃源岩,第一节 油气成因理论发展概况,1、石油、天然气成因，作为找油、找气工作的基础，具有很重要的指导意义。,对油气成因，现已提出了多种假说，之所以出现各种假说，其复杂性在于：,2、石油、天然气只有生成后，才有运移、聚集、保存、破坏等石油地质事件发生，无油气源一切都无意义！,1.物态上：油气都是流体，易于流动，现找到它们的地方，往往并不是它们生成的场所，2.化学上：油气通过运移，其性质、原始组分发生变化，现在组成，并不代表其原始面貌；,实际上，油气生成不能脱离周围地质条件，争论的焦点是：,原始物质和转化条件等问题,总结勘探、开采经验，结合近代物理学、化学、生物学及地质学等基础理论科学，为有机说提供了充分证据，且形成了相当完整的体系，从而被绝大多数人所接受。,有机成因理论形成后，争论油气是成岩早期或晚期形成的问题。通过大量研究，晚期成油说得到大部分人的拥护。,目前，特别是我国，基本是以有机成因晚期成油学说观点进行石油地质学研究和勘探开发的。现有人提出，成油的过程是多次的，即早期也有，晚期也有，宜将两种观点统一起来。,油气成因基本归为：无机成因和有机成因,一、油气无机成因说 石油工业发展早期，从纯化学角度出发，认为石油是无机成因的。大致可归为两类：,地深成因说，认为烃类形成于地球深处；宇宙成因说，认为烃类早在地球形成的宇宙阶段即已形成。,1.实验室中，从无机物中合成得到了烃类；2.天体光谱分析：有碳、氢和烃类；,3.火山喷出气体、岩浆岩的包裹体中含烃；4.陨石中鉴定出烃类；5.石油的旋光性，可由非旋光物质合成，卟啉也可无机合成(近期有人认为)。,主要依据：,作为石油起源假说，主要有以下几种：,碳化说（门捷列夫，1876），认为在地球内部水与金属碳化物相互作用，可以产生碳氢化合物；3FemCn+4mH2OmFe3O4+C3nH8m 碳化物说认为，在地球形成时期，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，被保存在地球深处。后来，地表水沿地壳断裂向下渗透，与碳化铁作用产生碳氢化合物，后者又沿着断裂上升到地壳的冷却部分。有些碳氢化合物浸透了岩石，形成油页岩、藻煤等；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，并在孔隙性岩石中聚集便可形成油藏。,宇宙说(索科洛夫,1889)：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，它们凝结于地壳中而成石油。由于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，相反却找到越来越多的有机生成证据。所以，二十世纪以来，上述古典的石油无机生成假说逐渐被人们忘记了，但是，至二十世纪五十年代，前苏联地质界又兴起了无机生成思潮。,岩浆说（库特梁采夫，1951）认为地球深部岩浆存在碳、氢及微量元素，岩浆冷却时形成烃类；他还指出：因为岩浆中形成石油的过程在不断进行着，古老的油气通过扩散作用早已逸散消失，所以，所有的油藏，包括寒武系中的油藏，都是年青的油藏。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，石油不是来自有机物质，恰好相反，有机物质却是来源于石油。,作为石油起源假说，主要有以下几种：,根据这些学说：寻找油气应在地壳深处、岩浆活动、岩浆岩发育的地方。,高温高压说（切卡留克，1971）认为深部生成烃类，沿 断裂进入沉积岩；蛇纹岩化说(耶兰斯基，1966)，提出橄榄石的蛇纹石化 可形成烃类；,实践中，无机学说无法解释许多问题：,1.99.9%的油气与沉积岩有关，分布在沉积岩中。,2.难以说明实验室和深部无机合成的简单烃与石油组成复杂性之间关系。,反之，用有机成因观点来解释，则比较合理一些。,3.石油中普遍存在生物成因信息，如姥姣烷、降姥姣烷、植烷等，石油也不能在高温下保存等。,二、油气有机成因说 主张油气有机成因说的学者认为，油气是地质时期中生物选择在适当条件下生成的。干馏说(罗蒙诺索夫，1763)煤在地下受热、干镏生烃。动物说(E.Engler，1869)实验证明动物脂肪可合成烃 类。混成说(波东尼，1906)动、植物首先生成腐泥岩、再形成石油，使有机成油说成为较完整的学说。五十年代，P.V史密斯，G.T菲力普等研究取得了宝贵成果，证实为有机质生成油、气。,1.世界99.9%以上石油都产自沉积岩，而在大片火成岩、变质岩出露地区，没有工业石油；,三、油气有机成因证据,3.世界上既没有化学成分完全相同的两种石油，也没有成分完全不同的两种石油；所以，石油的相似性是主要的，这正好说明它们的成因可能大致相同，而它们在成分上的差异性则可能同原始生油物质和生成环境的不尽相同以及油气生成后的经历变化有关。,2.从前寒武纪至第四纪更新世的各时代地层都有石油。在地壳上的出现，与地史上生物的发育和兴衰密切相关，具有一致性；在油气田剖面中，含油气层位总与富含有机质层位有依存关系；,4.油气元素组成与有机物质相近；,5.油层温度很少超过100摄氏度；有些深部油层温度可达141。,补充3.石油及大多数天然气的碳同位素组成与生物物质的碳同位素组成接近；,三、油气有机成因证据,补充1.模拟表明，从多种有机质中可得到油气的烃类产物；,补充2.石油中检测出各类生物标志化合物，其碳骨架仅为生物体所特有；,6.生成石油到聚集成藏所需时间大约不到一百万年；研究发现：在近代沉积物中确实存在着油气生成的过程，至今还在进行着，而且生成的油气数量也很可观。,7.古代、现代沉积物中检测出类似油气中的烃类。,补充4.灰岩晶洞和介壳及封闭的砂岩透镜体中油气只能源于沉积有机质；,1.石油和天然气是由分散在沉积岩中的分散有机质形成的；2.脂肪、蛋白质和碳水化合物是主要生油母质。有机质从沉积作用完结，从埋藏不深、温度不高的成岩作用早期开始向石油转化。,油气有机成因,早期生油说晚期生油说,四、油气有机成因早期成油说,主张沉积物所含原始有机质在成岩过程中，逐步转化为石油和天然气，并运移到邻近的储集层中去。,主张沉积物埋深到较大深度，到了成岩作用晚期或后生作用初期，沉积物中的不溶有机质达到成熟，热降解生成大量液态石油和天然气。,3.有机质向石油转化中，菌解是必要媒介；4.形成环境应是还原环境(否则发生氧化)；5.石油形成是一个由微石油向成熟石油逐渐聚集的过程。,由于这些要求概括的共同之处是强调：低温、成岩作用早期开始。因此，称为“石油有机成因早期成油说”。,1.成油物质是干酪根；,五、有机成因晚期成油说,3.促使干酪根向油气转化的决定性因素是：温度，时间对温度起补偿作用；压力、催化、放射性等因素也有影响；,干酪根,2.沉积有机质进入到一定埋深、成岩作用达到一定程度，主要受到温度的作用，发生热降解，开始进入石油生成主要时期；,4.干酪根具有不同的类型，而不同类型的干酪根进入生油阶段所需的温度不一样，生成烃类的产物和数量也不一样；,五、有机成因晚期成油说,6.由于地壳运动等影响，埋藏深度变浅，达不到油气生成所需温度，成油作用可中断；当埋深再度加大，只要原始干酪根尚未“枯竭”，仍可多次生成大量石油。,5.随埋深加大，有机质(干酪根)由成熟过渡到过成熟阶段，已生成的石油发生裂解；,但是，必须注意，原始有机质从沉积、埋藏到转化为石油和天然气，是一个逐渐演化的过程，不能由于晚期生油说的卓越贡献而完全排斥早期生油的可能性。在干酪根晚期生烃理论广泛为国际石油界所接受的同时，在世界上许多国家的油气勘探实践中，不断发现有“未低成熟”石油的存在，即在根本不具备成熟烃源岩的地区发现了石油，甚至在发育“未低成熟”烃源岩的地区，已探明的石油储量超过成熟烃源岩的可能生油量。这表明自然界中确实还存在相当数量的各类早期生成的非常规油气资源。也就是说，沉积物中含有某些生烃活化能低的特定的生烃母质，可以在低温早熟生成油气，即为低熟油气。众多低熟油气资源的发现，促进了未熟-低熟油理论的形成和发展，也是对早期生烃学说的肯定。这一理论的形成无疑将进一步充实与完善油气成因理论，促使油气资源评价技术方法的改进和发展，拓宽油气勘探领域。因而宜将两种观点统一起来，把原始有机质生成石油和天然气视为一个统一的发展演化过程。石油和天然气的成因是一个非常复杂的理论问题，尽管目前油气有机成因理论日臻完善，在油气勘探实践中发挥重要的作用，但并不能由此否定油气无机成因理论的科学价值。,第四章 石油和天然气的生成与烃源岩,第一节 油气成因理论发展概况第二节 生成油气的物质基础第三节 油气生成的动力条件 第四节 有机质演化与成烃模式第五节 天然气的成因类型及特征 第六节 烃源岩第七节 油源对比,第二节 生成油气的物质基础,一、生油气母质及其化学组成,根据油气有机成因理论，生物体是生成油气的最初来源。生物死亡之后的残体经沉积作用埋藏于水下的沉积物中，经过一定的生物化学、物理化学变化形成石油和天然气。其中细菌、浮游植物、浮游动物和高等植物是沉积物中有机质的主要供应者。在不同的沉积环境中，生物的天然组合类型不同，决定了沉积物中有机质的组合类型不同。那么生成油气的沉积有机质有那些类型呢？经前人研究主要有四大类：即类脂化合物、蛋白质、碳水化合物及木质素等。它们都有比较复杂的结构。,第二节 生成油气的物质基础,一、生油气母质及其化学组成,1、脂类（Lipids）,又称类脂化合物，它们包括的范围很广，其中包括一些化学结构和化学成份不相同，但物态和物理性质与油脂相似的化合物，如磷脂、脂肪、蜡、甾类、萜类等化合物，它们是生物维持生命活动不可缺少的物质之一。尽管它们的化学组成不同，但它们也有共性，即不溶于水而溶于低极性的有机溶剂中。动植物的脂肪是最重要的脂类，它们分布于动物的皮下组织、植物的孢子、种子及果实中，细菌和藻类也含有丰富的脂类。,脂类化合物极易水解为脂肪酸和甘油，脂肪酸化学性质稳定，所以沉积岩中脂肪酸分布相当广泛。脂肪酸在沉积物演化过程中，易发生脱羧反应，失去CO2转化为正构烷烃。,第二节 生成油气的物质基础,一、生油气母质及其化学组成,2、蛋白质(Protein),它是生物体中一切组织的基本组成部分，是生物体赖以生存的物质基础。在生物细胞中，除水外，80%以上的物质为蛋白质，约占动物干重的50%，同时它是生物体中含氮化合物的主要成份。蛋白质性质不稳定，在酸、碱或酶的作用下发生水解形成氨基酸。氨基酸在一定条件下脱羧、去氨基生成低分子烃类。所以，氨基酸是各种低分子石油烃类的先体。,第二节 生成油气的物质基础,一、生油气母质及其化学组成,3、碳水化合物(carbonhydrate),又称糖类，是自然界分布极广的一种有机质。它是多羟基醛或多羟基酮及其衍生物，尤以植物含量最高。主要由C、H、O三种元素组成。按其水解产物可分为单糖、双糖和多糖。多糖是天然高分子化合物，在自然界分布很广，一般不溶于水，个别能在水中形成胶体溶液。,第二节 生成油气的物质基础,一、生油气母质及其化学组成,4、木质素(Lignin)和丹宁,二、沉积有机质,定义,生物体及其分泌物和排泄物可直接或间接进入沉积物中，或经过生物降解作用和沉积埋藏作用保存在沉积物或沉积岩中，或经过缩聚作用，演化生成新的有机化合物及其衍生物，这些有机质通常被称为沉积有机质。,第二节 生成油气的物质基础,三、干酪根,1、干酪根的定义,沉积岩中所有不溶于非氧化性酸、碱和非极性有机溶剂的分散有机质。与其相对应，岩石中可溶于有机溶剂的部分，称为沥青（Bitumen）。,Kerogen,晚期生油说：认为沉积物埋藏到较大深度，到了成岩作用晚期或后生作用初期，沉积岩中的不溶有机质（干酪根）达到成熟，热降解生成大量液态石油和天然气。,第二节 生成油气的物质基础,三、干酪根,2、干酪根的形成,干酪根的形成实际上在生物体衰老期就已经开始，直到生物死亡被埋藏下来的成岩作用早期，有机组织发生化学及生物降解和转化，结构规则的大分子生物聚合物（如蛋白质、碳水化合物）部分或完全被分解形成一些单体分子，它们或者遭破坏，或通过腐泥化或腐殖化作用发生缩合或聚合，形成结构不规则的大分子。这些地质聚合物是干酪根的先驱，但还不是真正的干酪根，在沉积成岩过程中，在还原环境下，由于厌氧细菌的作用，发生去氧加氢富碳作用，地质聚合物变化得更大、更复杂、更不规则，这时干酪根才真正形成起来。,蛋白质,碳水化合物,氨基酸,糖类,类脂化合物,木质素,黄腐酸,腐殖酸,腐黑物,干酪根,第二节 生成油气的物质基础,3、干酪根的成分和性质,三、干酪根,干酪根是沉积有机质的主体，约占总有机质的80%90%。Hunt认为80%95%的石油烃是干酪根转化而成的。,岩石中有机质的组成,第二节 生成油气的物质基础,三、干酪根,3、干酪根的成分和性质,Durand估计，沉积岩中干酪根总量约比化石燃料资源总量大1000倍。,第二节 生成油气的物质基础,三、干酪根,3、干酪根的成分和性质,平均76.4%,平均6.3%,平均11.1%,干酪根的成分和结构十分复杂，它们的不溶性及来源和经历的多变性给研究带来困难。国内外研究表明，干酪根无固定的成份和结构，不能用分子式来表达，主要成份为C、H、O。,4.干酪根的结构,三维网状系统,含有多个核,含脂肪族链状结构,核被桥、键和 官能团连接,微弱演化,强烈演化,芳香结构多、脂肪族链状结构少,干酪根结构属于三维网状系统，具有多个芳香结构的核，核上连接着数量不等的具有脂肪族结构的支链，这些核被链状桥、键和各种官能团连接起来。,第二节 生成油气的物质基础,四、干酪根的类型和演化,1、两分法,这是一种比较常用的方法，把沉积有机质分为两大类即：腐泥型、腐殖型。前者系指脂肪族有机质在缺氧条件下分解和聚合的产物，它们来自海洋和湖泊环境水下淤泥中的孢子及浮游类生物，它们主要生成石油、油页岩、藻煤和烛煤；后者系泥炭形成的产物，来自有氧条件下沼泽环境的陆生植物，主要可以形成天然气和腐殖煤，在一定条件下也可以生成液态石油。,第二节 生成油气的物质基础,四、干酪根的类型和演化,2、光学分类,藻质,无定形,草质,木质,煤质,生油 潜能减小,孢粉学家：（透射光）,第二节 生成油气的物质基础,四、干酪根的类型和演化,2、光学分类,第二节 生成油气的物质基础,二、干酪根的类型和演化,2、光学分类,腐泥组,壳质组,镜质组,惰质组,煤岩学家：（反射光）,藻质、无定形,富氢，孢粉体、角质体等,富氧，结构镜质组、无结构镜质组，由同泥炭有关腐殖质组成。,富碳，包括碎质体、丝质体、菌质体等,镜质组反射率增大，生油潜能 减小,在显微镜下用放大25-50倍的油浸物镜，在反射光下观测煤或干酪根的显微组分。,第二节 生成油气的物质基础,四、干酪根的类型和演化,3、化学分类,第二节 生成油气的物质基础,四、干酪根的类型和演化,3、化学分类,该图表明以上三类干酪根的原始化学成分结构有显著区别：型轨迹起始点及其附近，含大量脂肪族烃结构；型起始点及其附近，大部分由带含氧官能团的多环芳香烃结构组成；而型则介于、型之间，以具多环饱和烃结构为特征。这些区别说明了它们的原始物质、沉积环境和地质经历的差异。,干酪根类型的其他划分方案：四分法和五分法,五分法：1、2、1、2,四分法：、1、2、,（据杨万里，1981）,（据胡见义和黄第藩等，1991）,第二节 生成油气的物质基础,四、干酪根的类型和演化,Hunt综合各种分类：,第二节 生成油气的物质基础,四、干酪根的类型和演化,第一阶段：基本对应成岩作用阶段，随深度增加，干酪根的O/C比值迅速下降，H/C比值略有降低。表明干酪根生成了一些含氧化合物，这些化合物主要是CO2、H2O及含氧的有机物。第二阶段：相当于深成作用阶段，干酪根H/C比迅速下降，尤其、型干酪根表现得尤为明显。表明生成了富氢的组分。烃类比干酪根更富含氢，当干酪根以CC键断裂反应生成烃类时，需要主结构中额外H原子，以形成稳定的化合物。第三阶段：相当于变质作用阶段。三类干酪根的演化曲线在深处趋于合并，H/C和O/C比都变得很小，干酪根中的碳含量高达90%以上。,第四章：石油和天然气的生成与烃源岩,第一节 油气成因理论发展概况第二节 生成油气的物质基础第三节 油气生成的动力条件 第四节 有机质演化与成烃模式第五节 天然气的成因类型及特征 第六节 烃源岩第七节 油源对比,油气生成的母质干酪根是一种复杂的大分子，在结构上主要是由具有芳香结构的核和具有脂肪族链状结构的支链组成，这些支链通过一些化学键连接在核上。研究表明，干酪根生成油气的过程，实际上就是干酪根核上连接着这些支链的化学键发生断裂使支链从核上脱落的过程。近几年来，世界各国的油气勘探经验和许多学者的重要研究成果都证明，温度和时间是在油气生成过程中至关重要的一对因素，其他因素（细菌、催化剂、放射性物质等）也有一定的影响。,第三节 油气生成的动力条件,干酪根的结构,芳香结构的核,脂肪族链状结构的支链,连接核核支链的桥和键,化学键的断裂主要受温度和时间的控制，用化学动力学的一级反应来描述,（一）温度和时间,(一)、温度和时间的作用,1.从化学动力学看温度和时间的作用,化学动力学(kinetics):,一级反应(First order reaction):,研究化学反应速度及其影响因素的一门科学,反应的速度与反应物浓度的一次方成正比,式中：t为反应时间，s；,C为反应物的浓度；,k为反应速度系数。,（1）,阿伦纽斯方程：,式中：k0称为频率分子,E为活化能，,R为气体常数,T为绝对温度,（2）,对（1）式积分，得：,C为在时刻t反应物的浓度。,C0是反应开始时（t=0）反应物的浓度，,（3）,C为在时刻t反应物的浓度。,C0是反应开始时（t=0）反应物的浓度，,（3）,温度和时间具有互补性，高温短时间和低温长时间可以达到相同的反应程度。,在干酪根生烃过程中，干酪根的反应程度与温度呈指数关系，与时间呈线性关系，温度的影响是主要的，时间的影响是次要的；,分析（3）式可以得到两个重要结论：,从化学动力学看温度和时间的作用,2.地质条件下温度和时间的作用,对（3）两边取对数，得：,对于某一固定的反应程度，或对于相同反应程度的不同反应：,温度的倒数（1/T）与时间的对数（lnt）具有线性关系,对于相同反应程度的不同的干酪根生烃反应,温度的倒数（1/T）与时间的对数（lnt）具有线性关系,不同盆地的干酪根的成熟点就是这样一个反应程度相同的点,随着埋藏深度的增大和温度的增高，干酪根开始大量生烃的温度称为干酪根的成熟温度或生油门限，这个成熟温度所在的深度称为成熟点,生油门限（threshold）,实际地质资料同样证明：温度的影响呈指数关系，时间的影响呈线性关系，温度的影响是主要的，时间的影响是第二位的 温度和时间的作用是相互补偿的,1巴西亚马逊盆地；2 法国巴黎盆地；3法国阿奎特因盆地；4西非阿尤思地区；5喀麦隆杜阿拉盆地；6新西兰塔拉纳基盆地；7法国卡马格盆地；8新西兰塔拉纳基盆地；9美国洛杉矶盆地门；10美国文图拉盆地；11法国阿奎特因盆地；,沉积有机质的时代越新即所经历的受热时间越短，则生油门限温度越高；时代越老受热时间越长，则门限温度越低。图中的时-温线的斜率是由活化能决定的。因此，基于温度和时间的综合作用，有利于生烃并保存的盆地应该是年轻的热盆和古老的冷盆。,温度和时间的作用是相互补偿的,180Ma,70Ma,50Ma,12Ma,温度和时间的作用是相互补偿的,细菌是地球上分布最广，繁殖最快的一种微生物，按其生活习性可将细菌分为三类：1.喜氧细菌，在游离氧存在的条件下才能生存，分解有机质使之变成二氧化碳和水。2.厌氧细菌：在没有游离氧而有化合氧存在的条件下才能生存。3.通性细菌：在有、无游离氧的条件下均能生存。,（二）细菌的生物化学作用,由于油气的生成需在一个还原环境中才能完成，因此厌氧细菌对油气生成的意义更大一些。在还原条件下，有机质经细菌分解成甲烷、氢、CO2、有机酸及其它碳氢化合物。细菌的作用，是将原始有机质中的O、S、N、P等元素分离出来，使C、H特别是H富集起来，并且细菌作用的时间越长，这一过程进行得越彻底。受生存条件的限制，细菌的作用主要出现在有机质改造的早期。细菌也可以使不饱和有机化合物加氢产生饱和烃。此外，细菌还可将植物选择性分解，使其中原来合成的大量烃类分离出来，直接埋藏于沉积物中。,（二）细菌的生物化学作用,（三）催化作用,催化剂是一种加速化学反应速度而本身并不消耗的物质。,无机盐类和有机酵母。,粘土矿物是自然界分布最广、成本最低的无机盐类催化剂。在实验室用粘土矿物做催化剂在150250下，可以使酒精和酮脱去水或使脂肪酸去羧基，都可以产生类似石油的物质。粘土矿物质的催化能力同其吸附性有关，催化剂表面吸附两种或两种以上物质的原子时，它们便会互相作用而形成新的化合物。蒙脱石粘土催化能力最强，高岭石粘土最弱。有机酵母催化剂能加速有机质的分解。当有酵母存在时，有机质的分解比在细菌活动时还要快很多。实践证明，在富含植物残余的岩石中，酵母的活动性最大。它几乎不需外部能量来源。因此，酵母在油气生成过程中可能是很重要的，但是这个问题至今研究得还很不够。,放射性：沉积岩多少都含有一些铀、钍、钾等放射性元素。实验表明，用射线轰击某些有机质可得到甲烷、二氧化碳和氢，轰击水可得到氧和氢。氧与有机质作用最后生成二氧化碳，氢可使有机质氢化或与二氧化碳化合成甲烷。甲烷在射线作用下可叠合成乙烷、更重的气态乃至液态烷烃。,（四）放射性作用,在有机质向油气转化过程中，上述各种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；只有温度和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。,第四章：石油和天然气的生成与烃源岩,第一节 油气成因理论发展概况第二节 生成油气的物质基础第三节 油气生成的动力条件 第四节 有机质演化与成烃模式第五节 天然气的成因类型及特征 第六节 烃源岩第七节 油源对比,一、有机质演化阶段的划分,第四节 有机质的演化与成烃模式,干酪根的演化,成岩作用阶段 主要表现为氧的消耗,退化（深成)作用阶段 主要表现为氢消耗,交替（变生）作用阶段 碳高度富集,成岩作用,退化作用,交替作用,一、有机质演化阶段的划分,第四节 有机质的演化与成烃模式,在沉积盆地的发育过程中，原始有机质伴随其他矿物质沉积后，随着埋藏深度逐渐加大，经受地温不断升高，在乏氧的还原环境下，有机质逐步向油气转化。由于在不同深度范围内，各种能源条件显示不同的作用效果，致使有机质的转化反应性质及主要产物都有明显的区别，表明原始有机质向石油和天然气的转化过程具有明显的阶段性。关于有机质演化和油气生成阶段的划分，国内外学者提出了许多方案。其中有两种方案应用较为普遍：一种是根据有机的成熟度对有机质演化阶段的划分；一种是根据油气生成机理和产物类型对有机质演化阶段的划分。,一、有机质演化阶段的划分,第四节 有机质的演化与成烃模式,一种是根据有机的成熟度对有机质演化阶段的划分；一种是根据油气生成机理和产物类型对有机质演化阶段的划分。,镜质体是有机质的一种显微组分，它主要是植物的茎、叶和木质纤维素经过凝胶化作用而形成的。随着镜质体演化程度的增加，其反射光的能力增强。用油侵反射率来表示Ro。,1.根据油气生成机理和产物类型划分,生物化学生气阶段,热催化生油气阶段,热裂解生湿气阶段,深部高温生气阶段,2.根据有机质成熟度进划分,成熟度(maturity):在温度的作用下有机质的热演化程度。,镜质体反射率 Ro（vitrinite reflectance in oil）：镜质体反射光的能力。,未成熟阶段(immature),成熟阶段(mature),高成熟阶段(high-mature),过成熟阶段(over-mature),现代油气成因模式（据张厚福等，1989）,二、有机质演化的基本特征,1.生物化学生气阶段（未成熟阶段）,范围：Ro0.5%温度：1060 深度：01500m,机理：生物化学作用,产物：生物甲烷气、CO2、H2O，干酪根,少量高分子液态烃 未熟油.,未熟油,低熟油,成熟油,二、有机质演化的基本特征,1.生物化学生气阶段（未成熟阶段）,未熟-低熟油气：指所有非干酪根晚期热降解成因的各种低温、早熟的非常规油气。,范围：Ro0.5%温度：1060 深度：02000m,机理：生物化学作用,产物：生物甲烷、CO2、H2O，干酪根,少量高分子液态烃 未熟油.,生成阶段：Ro0.3%-0.7%生成机理：低温的化学反应和 低温生物化学反应；原始物质：聚合度较低的特殊 的有机物质。,二、有机质演化的基本特征,1.生物化学生气阶段（未成熟阶段）,未熟低熟油的特点,密度总体偏高，但也有轻质油,富含高分子量饱 和烃,正烷烃具有奇数 碳优势,二、有机质演化的基本特征,2.热催化生油气阶段（成熟阶段）,范围：Ro=0.5%1.2%温度：60180,机理：热催化作用,产物：液态石油为主，包括一部分湿气,正烷烃主峰碳数减小，奇碳优势消失，环烷烃和芳香烃的碳数减少,二、有机质演化的基本特征,3.热裂解生湿气阶段（高成熟阶段）,范围：Ro=1.2%2.0%温度：180250,机理：热裂解作用，C-C键的断裂,产物：湿气,液态石油的裂解为主,干酪根的裂解次要,二、有机质演化的基本特征,4.深部高温生气阶段（过成熟阶段）,范围：Ro2.0%温度：250,机理：热裂解、热变质,产物：干气、固体沥青，次石墨,二、有机质演化的基本特征,三、有机质生烃模式,1.Tissot模式,沉积有机质演化和油气生成的Tissot模式,阐明了有机质演化和油气生成的阶段性；,建立了生油门限重要概念,Ro=0.5%,未成熟阶段与成熟阶段的界限,干酪根热降解生烃模式,三、有机质生烃模式,1.Tissot模式,沉积有机质演化和油气生成的Tissot模式,“石油窗”（oil window）和生油窗,三、有机质生烃模式,2.有机质生烃的综合模式,三、有机质生烃模式,有机质演化的综合模式（黄第藩，1996）,该模式包括了未熟-低熟石油的生成过程；该模式强调了不同类型有机质生烃的差异性；该模式全面反映了有机质的演化过程。,三、有机质生烃模式,2.有机质生烃的综合模式,三、有机质生烃模式,有机质演化的综合模式（黄第藩，1996）,三、有机质生烃模式,3.模式的应用,（1）Tissot模式和黄第藩的模式都是有机质演化的理想和完整的模式，具体盆地有机质的演化更加复杂并且不一定完整,（1）Tissot模式和黄第藩的模式都是有机质演化的理想和完整模式，具体盆地有机质的演化更加复杂并且不一定完整。,三、有机质生烃模式,3.模式的应用,（2）不同盆地由于地质演化和地温梯度的不同，达到各演化阶段的温度和深度可能有很大差异。,三、有机质生烃模式,3.模式的应用,未成熟阶段：Ro0.5%,成熟阶段：Ro=0.5%1.2%,高成熟阶段：Ro=1.2%2.0%,过成熟阶段：Ro2.0%,镜质体反射率是划分有机质演化阶段的主要标志,（2）不同盆地由于地质演化和地温梯度的不同，达到各演化阶段的温度和深度可能有很大差异。,三、有机质生烃模式,3.模式的应用,（3）不同盆地有机质演化的差异，造成不同盆地油气远景的差异,对于只进入未成熟和成熟阶段的盆地可以找到生物气、未熟低熟石油和正常的石油,在经过抬升的盆地中，可能只残留了成熟度较高的层系,抬升再埋藏的盆地中，可能缺失中间的演化阶段,三、有机质生烃模式,3.模式的应用,（4）有机质演化的四个阶段对于同一层位的有机质是一个历史的概念，但目前只能观察到它演化到现在的状态，而无法直接观察它演化的历史过程。,同一盆地不同层位的有机质经历的演化阶段是不相同的,三、有机质生烃模式,3.模式的应用,同一源岩层中的有机质在地质历史上实际上经历了不同阶段,（4）有机质演化的四个阶段对于同一层位的有机质是一个历史的概念，但目前只能观察到它演化到现在的状态，而无法直接观察它演化的历史过程。,三、有机质生烃模式,3.模式的应用,同一盆地不同层位的有机质经历的演化阶段是不相同的,盆地不同部位同一层位的有机质可以处于不同的演化阶段,对于剥蚀再埋藏的情况，可能存在“二次生烃”的现象,（4）有机质演化的四个阶段对于同一层位的有机质是一个历史的概念，但目前只能观察到它演化到现在的状态，而无法直接观察它演化的历史过程。,同一源岩层中的有机质在地质历史上实际上经历了不同阶段,按照晚期成油模式，以RO=0.5%为一般“生油门限”，把RO0.5%视为未成熟的烃源岩。低熟油气：指非晚期成油说热降解成因的各类低温、早期的非常规油（气）。(国外文献称“immature oils”，国内统称为“低熟油”。),四 现代油气成因理论新进展,（一）低熟油形成机理,1.低熟油生成的物质基础（1）显微组分“分期生烃”壳质组：由较为富氢的植物物质、蛋白质、纤维素和其它碳水化合物的细菌降解产物组成。主要有：孢子体，来源于高等植物孢子和花粉的外细胞壁，其生物先质是孢粉素。由类胡罗卜素、类胡罗卜酯的氧化共聚物组成，有较高的氢含量；,角质体，来源于高等植物角质化层和角质层，由陆生植物的叶、茎和其它部分的表皮外壁原生质组成，是一种不溶饱和羟基酸的聚酯，具有高聚合特征，角质层表面含有相当数量的可溶烃类和蜡质，为早期生烃的物质来源；树脂体，原始母质是高等植物树脂、蜡、香精油、胶浆、油脂等，多数树脂的主要成分是环状萜类组成的树脂酚；,木栓质体，起源于高等植物的木栓组织，主要生物化学先质为软木酯，部分呈油脂的形式存在，生成活化能较低。腐泥组：以藻类体为主的腐泥组代表菌藻类低等生物生源物质，是典型的富氢显微组分。研究认为：树脂体、木栓质体、高等植物蜡、藻类、类脂物及含硫化大分子等为低温早熟生油的母质（化学性质不稳定，活化能较低）。,（2）可溶有机质贡献生烃的可能性 沉积物中的可溶有机质，从埋藏开始，在还原条件下存在着以脱羧为特征的成烃转化作用，这一过程不需要很高的热力条件。因此，可以认为所谓低温早熟的显微组分，实质上都是结构松散、交联度低、分子量较小及富氢，且可溶有机质高的组分。从化学角度看，分子量与交联度低的非烃和沥青质，更有利于低熟油的生成。,2.低熟源岩的“二段式”热演化特征(1)有机质演化具明显阶段性“两段式”变化，界线大致以Ro：0.55%-0.65%为界。研究认为：它反映由低熟油生烃机制向常规成熟油气生烃机制的转折。(2)有机质演化的不均一性，每种指标反映的是有机质演化的一个侧面，有机质演化具有不均一性，表明生成有机质的物质基础具多样性。,3.低熟油气物理化学性质(1)低熟天然气物理化学性质（与生物气相比）低熟气甲烷含量略偏低，C+2重烃稍偏高；13C1值偏高，-48-65；相对密度较大(0.57g/cm3)；(2)低熟油一般物理化学性质（变化多样,与来源有关）高密度、高粘度、高含硫；高密度、低蜡、低硫；高蜡、低硫、中-高密度；低密度、低粘度、低凝点。,(3)低熟油的族组成特征饱和烃含量较低，非烃、沥青质含量较高；饱芳比低，非沥比高。(4)低熟油化合物分布特征饱和烃含有相当数量的热稳定性差的化合物；芳烃镏分组成格外复杂；非烃镏分占有十分重要地位。,4.低熟油气成因机理及地质模式树脂体早期生烃机理木栓质体早期生烃机理细菌改造陆源有机质早期生烃机理生物类脂物早期生烃机理富硫大分子早期降解生烃机理,5种低熟油成因机理中，木栓质体和树脂体生烃机理和模式主要对成熟度较低的煤系地层具有实际意义其余三种早期生烃机理和模式，分别适用于淡水、咸水和盐湖相湖盆沉积环境；富硫大分子早期生烃机理可能不限于陆相盐湖沉积，海相泻湖条件下也可适用。无论是碳酸盐岩还是泥岩，只要条件具备都可形成低熟油气。,对低成熟油成因的看法：等认为型干酪根，当富含树脂体时在低温下可以热解成烃；2.认为未成熟油来源于分散沥青的直接汇聚，一些富含类脂物的有机质在微生物作用下，可以不经过干酪根阶段而直接转化为烃类；应该说：早期也可生油，但晚期生成的量是主要的，即从成岩作用早期-晚期都可生成油气。,煤成烃(油)：指煤和含煤岩系中分散的陆生高等植物来源的有机质在煤化作用过程中生成的液态烃。1.煤烃源岩类型和特征(1)煤烃源岩类型腐殖煤（腐殖煤，残殖煤）高等植物中壳质组富集而成，含量50%-60%以上。腐殖-腐泥煤腐泥煤,（二）煤成烃机理及生烃模式,(2)有机质丰度、类型及可溶有机质地化特征有机质丰度 煤中有机质高度富集，有机碳含量较高，可溶有机质和总烃含量高，但它们的转化率较低；有机质类型 型有机质为主，型有机质也可出现；可溶有机质地球化学特征 可溶有机质的芳构化程度普遍较高，除腐泥煤外，饱/芳一般小于1。,(3)有机质热演化特征热演化总体上表现为增碳过程。Ro0.70%时，有机碳平均54.59%；Ro为0.70%-0.82%时，有机碳65.80%；Ro为1.06%-1.83%，有机碳76.80%。煤中氯仿沥青的绝对含量大于一般湖相泥岩，但沥青转化率低，平均2.33%；族组成以非烃+沥青质总烃及芳烃饱和烃为特征。,2.煤成烃形成机理与成烃模式(1)压实排驱机理 主要发生在成岩作用后期和沥青化作用初期，Ro在0.40%-0.70%，煤中大孔(30nm)仍相当发育，占总孔隙体积40%以上，有利于烃类排出。(2)受压力驱动的连续沥青网络运移机理 大孔隙与微孔结合构成运移通道网络，并形成连续沥青网络，进而排出石油；,(3)气溶方式运移机理 有机质成烃演化作用达到高成熟的主要成气时期，产生大量天然气和部分轻质液态烃，气溶为主要的运移方式；(4)煤成油的成烃模式 含煤岩系有机质组成及显微组分复杂，煤中不同显微组分沥青化作用不一致，发生沥青化作用的时期不同，各种显微组分对生烃的贡献有别，可归为“早生早排”、“分期生油”两种生烃模式。,五、压力在有机质演化和油气生成中的作用问题,前面阐述的有机质生烃机理和演化模式主要强调了温度和时间的作用，对于地下压力对有机质演化和油气生成的影响，传统的生油理论较少涉及。于志钧（Yu，1983）根据国内外含油气盆地烃源岩温度、时间和埋深的回归分析对Connan公式进行了修正，提出压力对油气生成起抑制作用。近些年来，随着深层勘探的进展，人们对压力影响的关注和研究越来越多，逐渐认识到压力对有机质演化的影响十分复杂。郝芳（2004，2006，2007）通过对莺歌海盆地、琼东南盆地和渤海湾盆地东濮凹陷不同压力系统有机质热演化的综合对比分析，识别出超压抑制有机质热演化的4个层次。,（1）超压抑制了有机质热演化的各个方面，包括不同干酪根组分的热降解和烃类的热演化；（2）超压仅抑制了烃类的热演化和富氢干酪根组分的热降解，而对贫氢干酪根组分的热演化不产生重要影响，因此镜质体反射率未受到抑制；（3）超压抑制了烃类的热裂解，而对干酪根的热降解未产生明显影响;（4）超压对有机质热演化的各个方面均未产生可识别的影响.在很多情况下，超压对有机质热演化的抑制作用属于第2和第3层次，需要用多种参数识别超压抑制作用。,五、压力在有机质演化和油气生成中的作用问题,该井发育三个流体压力系统，3300 m以上为静水压力系统，3300-3900 m为中部超压系统，3900 m以下为深部强超压系统。在静水压力系统，镜质体反射率(Ro)和热解峰温（Tmax）随埋藏深度增大而增大，二者反映的成熟度相吻合，且实测Ro值与地温梯度相近的YA19-1-1井的实测Ro值及根据地层埋藏史和热史计算的Ro值相近（图1（f），表明镜质体反射率和热解峰温均有效地反映了静水压力系统的有机质成熟度；然而，中部超压系统和深部强超压系统有机质热演化出现明显的异常。中部超压系统和深部强超压系统的热解峰温和镜质体反射率均明显偏离了静水压力系统的正常演化趋势，出现了异常低值。镜质体反射率和热解峰温是反映干酪根热