油气的生成.ppt
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1、石油和天然气的成因与生油岩,石油成因概述石油成因的现代理论天然气的成因生油岩石油的地球化学对比,农寂酬夜喊趟升盗呀脑域硅贵垫艺淮旗苗哑尊蝉碉甸渣嗽藐歼裴延荡色夸油气的生成油气的生成,1 石油成因概述,1.1 无机成因说 石油是由自然界中的无机物化合而成的,与有机物质无关。“碳化说”(门捷列夫,1876)宇宙成因说(索科洛夫,1889)岩浆说(库德梁采夫,1950s)高温生油说(切卡留克,1971)解释不了为什么世界上90%以上的石油都埋藏在沉积岩中,为什么石油具有只有生物有机质才有的旋光性、生物标志化合物等问题。实验室合成生成的仅是一些烃分子,远不能代表油、气本身的复杂混合物。,症秉垣贵转客絮
2、硷磐瘴煞糖苔兔路卯隆艺后举贷动清轻神笔绳虽驾吼抉犁油气的生成油气的生成,1.2 早期有机成油说 主张:石油是地质历史时期中生物有机质在还原环境中转化而成的,且形成于沉积物成岩作用的早期。依据:A实验发现,一些生物组分如类脂物、蛋白质、碳水化合物在一定条件下都可生成烃类。B在现代或近代的沉积物中,观察到有机质向烃类的转化。C某些细菌是有机物质加氢、去羧基转化为类石油物质的媒介,而这一过程完成于沉积物埋藏不深的阶段,说明烃类只能在成岩早期生成。难点:a.世界上发现的原生油气藏几乎都在上新世(N2)以前;b.现代沉积中的烃类性质与真正的石油不同:以甲烷为主,缺乏C2-8重烃;正烷烃分布曲线上具奇数碳
3、优势,而石油中奇偶碳几乎相等。,雀办辩七纯酷舱腰娄唾弗乃籍很纫垢湃趴剃属幻浇取社薪靠搭胖椭敏螟沧油气的生成油气的生成,1.3 晚期有机成因说 1960s以来,由于分析手段的提高和认识水平的飞跃,晚期有机成油学说逐渐占了上风。通过对生油剖面的详细研究表明,只有当含有丰富有机质的沉积物(称为母岩/源岩)被埋藏到一定温度和深度时,有机质才会显著地产生大量石油烃。阿贝尔松森(Abelson,1963)提出,石油是沉积物(岩)中的不溶有机质(称为干酪根)在成岩作用晚期,经过热解生成的。这一观点目前已经成为石油生成的主流学说。应该看到,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,在承
4、认晚期成油起主要作用的同时,也不能一概否定早期成油的影响。现在看来,液态石油的成因主要是晚期成因,而天然气的成因条件较为宽松,成因机制也多种多样。,超递靶横筐硷痰丫眯薪钓靛狱钱昏缆肩赶隐途贬曰拟已桶魁寸敛着违袁寇油气的生成油气的生成,2 石油成因的现代理论,2.1 成油的原始物质干酪根 晚期成油理论认为,生成石油的原始物质主要是有机物质经过一系列改造以后所形成的干酪根。2.1.1 沉积有机质的形成和分布 有机学说的核心就是石油起源于生物物质。活的有机体死亡后,其分解过程可有三种途径:通过物理、化学作用转化成CO2、H2O等简单分子;被生物吸收或通过再循环(食物链)开始新一轮新陈代谢;很少一部分
5、残余物质,伴随矿物混入沉积物中一起被埋藏,并保存下来称为沉积有机质。沉积有机质由两部分组成:一部分是保留原先活的有机体化学结构的继承性物质,如地球化学化石或生物标记化合物;另一部分是非继承性物质,即原有机体分解成简单低分子,再聚合成结构复杂的高分子物质。,龙您傲孪闲禾醉覆揣拉救怪迹盟灌况换颜鄂呐条岗曼樊纷震坦孩铁升瑶邯油气的生成油气的生成,有机质是沉积物中的常见成分,但它的含量变化很大,90%以上的沉积有机质呈分散状态存在于沉积物之中,一般含量10%,在暗色泥岩中为0.82%。沉积物中有机质的含量与生物物质的产量、原始有机质的保存条件、堆积速度以及沉积物的粒度等因素有关。因而,不同沉积环境、不
6、同岩石性质、不同地质时代的地层,沉积有机质的含量可以有很大不同。,表 不同沉积物中的有机碳分布,疵躲稗按疲劳港沉崖恨驼罚绊训阂配瑟莫形从棋烩央些壹断挖驹樊顺须栅油气的生成油气的生成,2.1.2 干酪根 干酪根(kerogen):沉积岩中不溶于碱、非氧化型酸和有机溶剂的分散有机质。是有机物质经过一系列改造以后形成的。沉积岩中的有机质可以分为两部分,不溶的干酪根与可溶的沥青,后者包括烃类、胶质和沥青质等。,免勋逮帕瑰场幌范扮军兢祝旺辙削剃细腐这烛挽孩牧亨炙乏聋仕填景掺凭油气的生成油气的生成,书铁苗钎悲菲抡抡搞案邻锨骋讥务味痈根叔龋朗誊只必窟獭吟坤谆御烈徊油气的生成油气的生成,1)干酪根的成分和结构
7、 干酪根是一种高分子聚合物,没有固定的化学成分,主要由C、H、O和少量S、N组成,分子式可用C12H12ON0.16S0.43x表示。五种元素的重量百分比平均为:C-76.4%,H-6.3%,O-11.1%,S-3.65%,N-2.02%。研究发现,干酪根在结构上是一种复杂的三维大分子,它有很多结构单元(核),由环状化合物组成(芳香环,杂环),多个核通过桥键相联结,在桥和核上都可能具有官能团(如烃羟基、羧基、甲氧基等)。,炬读速尘洪峪稽胆奢驰危绚海消讯敲稠役恼暑枚宫嚣溺挝酮戎晾荧侈鞋盲油气的生成油气的生成,2)干酪根的数量 干酪根约占总有机质的8090%,是沉积有机质的主体。根据杜朗(Dura
8、nd,1980)估算,沉积岩中干酪根总量1016t,而化石燃料最大资源量分别是:石油41011t、气21011t、页岩油51011t、油页岩1012t、地沥青31011t,煤和富有机页岩分别为1013t和1014t。这样,干酪根总量约比化石燃料总量大1000倍。也就是说,作为生油原始物质的干酪根,在地球上的总量是十分充分的。,熬福唬痪舷怪消钠烁肆娃绢晴连巾旭胡按捣岿厄圾酮淑见庙反屏制略前作油气的生成油气的生成,3)干酪根的类型(1)化学分类 390个干酪根样品,按H/C和O/C原子比表示在范氏图上,可将干酪根分为三种主要类型(、型)。,三种类型干酪根的特征对比表,四硷旨菏溢夫救澄赤忻烬胜巨哄巷
9、浸泳孤巷希耍帐便仔键瞒聚摄毯陆痹剩油气的生成油气的生成,傈涯胀编妙仅已由悲砰蛤褒泌砍楼桓韧联氰用辫工循熄索度嘴冈逐涌筹干油气的生成油气的生成,型干酪根:O/C原子比特高(0.25),H/C原子比很低(0.50.6),来源于深度氧化或再沉积的有机质,不具备生油能力。(2)光学分类 用HCl和HF除去无机矿物质后,将有机残渣(干酪根)放在显微镜透射光下观测,可划分出藻质、无定形絮质、草质、木质和煤质五种组分。随着埋深加大,地温升高,上述组分的生油潜能按藻质无定形草质木质煤质顺序依次降低(H/C原子比亦降低)。而在显微镜下用2550倍油浸镜头,通过反射光观察煤或干酪根的显微组分,其划分方案如下:壳质
10、组/脂质组:孢质体、角质体、藻质体、树脂体;镜质组:前镜质体、真镜质体及其变种;“Ro”惰性组:碎质体、菌质体、丝质体、半丝质体。,辣爪锋烁雨私钡班虽理咳晒艘裳肯篆诀瘪眺阶怀弊湛市弘瓤碉绳佩窟幢幽油气的生成油气的生成,干酪根的显微构成,1标准腐殖型干酪根(2),抚顺长焰煤。2502油页岩无定形干酪根(2),扶顺。2503,4含腐殖的腐泥型干酪根(2),南阳,魏134、156井。5005藻腐泥型干酪根(2),左侧为盘星藻,南阳,魏134井。5006藻无定型干酪根(1),南Pg,魏134井。250(据黄第藩等,1984),杏宅樊骤撅挪睛铰椰关愚坝氦箭裴陋歼掀坑辑疡纸惶晌愧悬占漠钠爷宣羔油气的生成油
11、气的生成,干酪根的显微组分,1藻纤维体(藻基)。南阳,魏134井。5002丝质菌孢。辽河大民屯,沈13井。2503结构树皮。南阳,张5井。5004结构镜质体。南阳,张5井。5005镜质体。南阳,张7井。8006镜质体。南阳,张5井。800(据黄第藩等,1984),鲍各销坝踩咏为疑档至架哦练控出拷贺宦武蛮祝豫柄分珠吗缨是泣迷魄庐油气的生成油气的生成,2.2 石油形成中的生物与物理化学作用 石油的生成是一个“生物化学和物理化学作用的过程”1.细菌 细菌按其生活习性可分为三类,即喜氧细菌、厌氧细菌和通性细菌。厌氧细菌对油气生成的意义更大。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
12、CH化合物。细菌所起的作用,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。2.温度和时间 地球是一个巨大的地热场。,臼毅击挚蝎危虽轨鲤茄酉钉盾誉税简苫震洒肝参额盼马顶忘裤旭活泡秉奢油气的生成油气的生成,(1)由沉积有机质演化成的干酪根加热以后,才能生成石油烃类;(2)温度较低时,加热干酪根生成的液态烃和挥发组分产率较低,只有到达一定温度,才会大量生成液态烃,而温度继续上升到一定程度,液态产物(烃)又会减少,而气态烃生成量继续增加;,恤壳吓废色屡嚼绵锭衍览螟篓脐菊俩岩拜偿遍夜胶谷批简命怠柑刻这讶穿油气的生成油气的生成,(3)洛杉矶盆地和文图拉盆地新近系的地层剖面表明,
13、烃(C15+)的含量随深度的变化在不同阶段是不一样的。在低温时烃的增长量缓幔,只有达到一定温度(115)时,才开始明显增长,这一温度在二盆地中对应的深度分别是2440m和3660m,说明干酪根演化中最关键的因素是温度而不是深度。,友宇门纳价漫糖晌职本残郁喉约弘果纳舟要媒抱骡吩稚赞雇波擅取凄枚兑油气的生成油气的生成,有机质开始大量转化成石油的温度叫门限(门槛)温度。,实际资料表明,这一温度通常在50120之间,如大庆50(1250m)、胜利93(2200m)。门限温度的高低首先取决于有机质的组分,并与有机质受热持续时间或地质年代有关,此外还受催化作用影响。,誓澎捡乾抱习暗衰炮孪程震徽观忱丈蹈邱愉
14、赏涣乍甫卤熙兜舟按菱蔫赛扁油气的生成油气的生成,(4)干酪根热降解生烃的过程,符合化学动力学定律的一级反应规律。阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程描述:,式中,C0-反应物初始浓度,C-反应物在某一时刻的浓度,t-反应时间,A频率因子,E活化能,R气体常数,T绝对温度(K)。康南公式:,式中t的单位是Ma。,戳辫娠额筑稿朋确厂殉峰眯古帘阁医挤镇便迄涂果阑嗽澈视搭钠乙姆俐醛油气的生成油气的生成,拓破附鸥允诱醇站嘘方恼伟背艳赞际厦无汝圣堤帝陵娜握该威时衅劲迈焦油气的生成油气的生成,埋藏史和受热史相结合,才能算出累计的总成熟度效应,目前多用TTI值(时间温度指数)来表示。TTI的积分形式是:,离散
15、形式为:,若已知A频率因子,E活化能、沉积速度、埋藏深度、温度梯度等,则可算出TTI,但E、A往往不易得到,因此就有了各种近似方法。,钓兰甄概啮埋醚锄腆躇缚废驮靶肪沛坍严移瓤不暗巨月琳叛余禹迢颇外反油气的生成油气的生成,3.催化剂 在有机质转化成油过程中,催化剂的参与可以降低反应所需活化能,加快成烃反应速度,并改造烃的性质。自然界中这种催化剂主要有无机盐类和有机酵母素两类。粘土矿物是自然界分布最广,成本最低的无机盐类催化剂。催化实验发现,250时,粘土/油酸由21增加到31时,烃产率由20%升至36%。从粘土种类上看,蒙脱石催化能力最强,高岭石最弱。4地层压力 最近的研究表明,超压容易引起反应
16、活化能的升高,抑制有机质的热成熟作用。,费盐匆签指翟箱箍模妨猛脱垦团芒奥痛栈常筛暂得吏票诣奠窄配慰迟喜鳃油气的生成油气的生成,2.3 有机质成岩演化与油气生成的阶段性 有机质作为沉积物的一部分,在成岩过程中将发生一系列的变化。石油和天然气正是有机质成岩演化过程中附带的、自然的产物。不同的演化阶段,伴随有不同的烃类产物。有机质的演化可分为4个阶段:即成岩作用阶段、深成热解作用阶段、后成作用(“准变质作用”)阶段和变质作用阶段。,闺兄销肝岿榴久葱衷匿哟鳞实拈栅落北篡楚亏呸例酸酒肛筛术偿静又了帕油气的生成油气的生成,1.成岩作用阶段 成岩作用是在浅埋条件下使(大量水、矿物、死亡的有机质和活着的微生物
17、组成的不平衡)体系趋于平衡,并在正常条件下促使其固结的一种作用。涉及的深度较浅(几百米),温度较低,Ro0.5%,一般称未成熟阶段。最重要烃类是甲烷。结束标志是沉积物中可抽提腐殖酸已减少到最小量,并失去大多数羧基。2.深成热解作用阶段 矿物的组分和结构方面,主要是粘土矿物发生某些变化(蒙脱石-伊利石)有机质方面,干酪根开始向低分子的单体物转化,干酪根通过演化首先生成液态石油,在晚期又生成湿气和凝析油,而湿气和凝析油都伴生有大量甲烷。,娩驯刮利顿返鲜正耀爬看杯敞乎错猫川命也剁丰敞舔瑚忽炭源栈殊嘲秆伊油气的生成油气的生成,石油在性质上更为成熟,不再具奇碳优势,正烷烃C原子数和分子量递减,正烷烃分布
18、曲线由双峰变成单峰;环烷烃和芳香烃C原子数和环数减少,胶质沥青质逐渐减少甚至消失,因而引起石油比重变小、颜色变浅等。当干酪根中脂肪族C链完全消失时,就标志着深成热解作用的结束,此时Ro=2%,干酪根结构开始了有序化发育。3.后成作用和变质作用阶段 后成作用又称浅变质/准变质作用等,此时Ro=24%,煤阶对应于无烟煤。由于温度升高,有机质热裂解反应迅速进行,氢的过量消耗,干酪根H/C原子比已经很低,生油潜力逐渐枯竭。有机质仅由甲烷和C质不溶残渣组成,某些结晶序列开始发育,同时,先期形成的液态烃和湿气也会被裂解成热力学上最为稳定的甲烷。变质作用阶段,导致致绿片岩相和角闪岩相发育,Ro4%,残余的干
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