现代油气成因理论.ppt
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1、油气来自于什么物质?,本章要解决的问题,它是如何形成的?,有机说和无机说之争有无结局?,大自然为人类准备了多少油气?,我们为什么和怎么确定烃源岩及其生烃能力?,第二章 现代油气成因理论,第一节、油气成因概述第二节、油气生成的物质基础第三节、早期成油说与未熟低熟油气第四节、关于无机生油说第五节、天然气成因与相关类型第六节、烃源岩第七节、油气物理化学对比,第一节 油气成因概述,油气生成是其中的根本性问题,石油地质学的三大研究课题,油气成因、油气藏形成、油气分布规律,要进行油气勘探工作,需要选择有利的勘探区和有利层位,首先必须解决盆地的油气生成问题。,一、油气成因有争议的原因,油气是流体,可以流动是
2、其天然属性因此一般现今产出油气的地方往往并非油气的出生地;,解决油气成因问题要涉及领域多 地质学科、化学学科以及其它学科极其广泛的知识领域,人们对油气先体(原始母质)与油气之间的过渡形式至今缺乏明确的认识,因而难于追寻其形成的踪迹。,油气特别是石油的成分是非常复杂的有机混合物 油气中的不同组分可能有不同的来历,加之其有机成分对外界物、化条件的变化较为敏感,在其所经历的漫长的地质历史过程中变数繁多,难于把握;,二、两大成因学派,一、石油的无机起源学说,无机成油学说认为,石油是在地壳深处形成的,后来沿着深大断裂渗透到地壳上部,或者在天体形成时形成,当地壳冷凝时以“烃雨”的形式降落下来,后聚集成油气
3、藏。基本观点是石油是在地下高温、高压条件下形成的而非生物成因,(1)在实验室,用无机C、H元素合成了烃类;,(2)在岩浆岩内曾发现过石油、沥青;,(3)在宇宙其它星球大气层中也发现有碳氢化合物存在;,(4)在陨石中也发现有碳氢化合物及氨基酸等多达100多种;,(5)认为用有机观点对世界上有些大的沥青矿(如加拿大的阿萨巴斯卡沥青矿,储量达856亿吨以上)不能作出令人满意的解释。,十九世纪中叶:俄国化学家门捷列夫(1876),石油是地下深处的重金属碳化物与下渗的水相互作用所生成(碳化物说):,3FemCn+4mH2OmFe3O4+C3nH8m,十九世纪晚期:索柯洛,在一些天体中发现有碳氢化物,因此
4、他认为碳氢化物是宇宙所固有的,早在地球尚处于熔融阶段时即已存在于气圈之中了;后来随着地球冷却被吸收并凝结在地壳的上部;于这些碳氢化物沿裂隙溢向地表过程中便可形成油气藏(宇宙说)。,此外当时还出现过岩浆说、火山说等。十九世纪后半叶是石油无机起源说相当盛行的时期。,二、石油的有机起源学说,随着油气勘探的不断深入,越来越多的事实用无机学说无法自圆其说,只能证明现代有机成油理论的正确性。,1世界上已发现的油气田99.9%都分布在沉积岩中,只有极少数石油分布在岩浆岩和变质岩中,且这少数石油也被证明是从沉积岩中运移而来的,而与沉积岩无关的地盾和巨大的结晶岩突起发育区,至今未找到油气聚集。,2石油在地层时代
5、的分布上与煤、油页岩及有机质的分布状况相吻合的,表明它们在成因上是有联系的。,3虽然世界上的石油没有成份完全相同的,但所有石油的元素组成和化合物组成是相近的或相似的,说明它们的成因可能大致相同。,4大量油田测试结果可知,油层温度很少超过100,有些深部油层温度可以高达141,而当T超过250时,烃类就会发生急剧而彻底的裂解,生成石墨及H2,说明石油不可能在高温下形成。,5从目前发现的油气藏分析看,石油生成、聚集成藏不需很长的时间,大约需不到一百万年。,6石油中含的卟啉化合物,异戊间二烯型化合物,甾醇类,石油的旋光性都证明石油是在低温下,由生物有机质生成的。,7石油地质工作者对近代沉积的研究成果
6、表明,在近代沉积中确实存在着油气生成过程,且至今还在进行着,生成的数量也很可观。并且,在实验条件下,用有机质进行地下条件模拟,转化出了烃类,这为有机成因学说提供了有力的科学依据。,脂肪酸放在水蒸气中蒸馏得到了液态烷烃。对鮸鱼肝油的蒸馏中获得了相似的烷烃石油的混合物,认为脂肪酸可能是烃类的母质。,1 对不同的动、植物脂肪酸类进行了成烃模拟实验和野外考查,波罗的海海滨泻湖水底由单细胞藻类组成且正在分解的腐泥,经过蒸馏得到了24.4%的腊质和沥青质液态烃和14.6%的气态烃,有机成因说的证据,2 现代沉积物模拟石油形成,3 卟啉化合物的发现,首次发现并证实卟啉化合物广泛存在于不同年代、不同成因的含油
7、和沥青建造中,认为卟啉化合物来自叶绿素的生物地球化学转化,是石油有机成因的重要证据。,4 石油具旋光性等的确认,石油有机成因的证据进一步充实。,石油的有机成因观点逐步得到了地质学家和地球化学家的认同,但对有机质的成烃演化过程历来存在着各种各样的假说和认识,,现代油气成因的概念即指有机成因晚期成油说,争论的焦点石油是成岩早期形成还是成岩晚期生成的,,石油有机成因的早期成油说和晚期成油说,近来,石油有机成油理论的又一进展是煤成烃理论的发展与完善。二十世纪六十年代以来,在世界各地相继发现了一批与中、新生代煤系地层有关的油气田。煤系地层不仅是天然气的主要来源,而且也能形成相当数量的石油聚集和大油田。到
8、了二十世纪八十年代,人们通过有机岩石学与地球化学相结合的方法和实验模拟对煤成油问题进行了深入的理论探讨,提出了煤系地层有机质生烃机理和演化模式。,第二节、油气生成的物质基础,有机说的核心就是认为油气起源于生物物质,生物物质具有生烃能力。从地球现有的生命形式看,生物物质的生物化学组成主要是脂类、碳水化合物、蛋白质和木质素。,(一)生物有机质类型生物体的有机组分,脂 类,泛指所有不溶于水但溶于脂溶剂(如乙醚、氯仿、苯等)的脂状物质,既包括油脂也包括固醇类、萜类、烃类和色素等。,饱和脂肪酸可能主要是正烷烃的母体,而不饱和脂肪酸除可生成正烷烃外还可生成环烷烃乃至苯。脂类中的萜和异戊间二稀化合物、固醇、
9、色素等则可能是环烷烃、芳香烃和异构烷烃的母体。,碳水化合物,亦称醣类。碳水化合物是植物的主要组成物质,包括葡萄糖、淀粉、纤维素等。碳水化合物的通式可写成Cn(H2O)m,呈单醣或单醣的聚合体形式存在。,纤维素较为稳定,是煤的重要母质之一。,碳水化合物被氢还原后可以得到烃类,是成油母质。但难于保存下来,在地质体中也不存在它们的原型。,蛋 白 质,蛋白质是组成细胞的基础物质,只要经过去羧基和去氨基后就可以形成烃类。蛋白质是生物体中氮的主要载体。所以石油中的含氮化合物可能与之有关。,蛋白质易受喜氧细菌的破坏,不利保存。因而地质体中也不存在其原型。,木 质 素,仅存在于高等植物中,具有比纤维素更强的抗
10、腐能力,还有丰富的芳环结构。它们主要是成煤的重要母质,也可生成天然气。也有研究者认为石油中的芳烃和沥青稀或许与之有成因联系。,各生化组分与石油的平均元素组成,上述生物体中各生化组分的平均元素组成如表所示。,脂类对油气的贡献当居首位。,各生化组分对形成油气均有不同程度的贡献,但脂类是最有利成烃的生化组分,各生化组分的元素组成、分子结构及化学稳定性 脂类抗腐能力强,化学成分和结构都最接近于石油,因而历来被多数人作为最重要的成油母质。,就元素组成而言,相较之下,脂类只要去掉少量的氧即可转化为石油,而碳水化合物和木质素要去掉大量的氧,蛋白质除要去掉大量的氧外还要去掉大量的氮。因而在这四类生物聚合物的数
11、量相等的情况下,脂类将可生成更多的烃。,总而言之,应该说各生化组分对形成油气均有不同程度的贡献,但普遍认为脂类是最有利成烃的生化组分。换言之,,不同生物体中各主要生化组分的一般含量(重量%),植物主含碳水化合物而动物主含蛋白质。脂类在生物体中的含量变化很大,一般在动物、低等植物以及高等植物的某些组织中有较丰富的含量。高等植物富于木质素和纤维素,对成煤意义更为重大。,(二)沉积物(岩)中的沉积有机质,近2000a来黑海中有机质的估算,干 酪 根,1 干酪根的定义及形成过程,干酪根是在成岩作用后期形成的。在生物体衰老期间已经开始了。,干酪根的形成过程,干酪根的演化,干酪根是沉积有机质的主体,沉积有
12、机质中的含量 可占70-90%,甚至更高。,沉积有机质中各组分的平均含量(ppm),2 干酪根的成分和结构,根据化学分析,干酪根是由C、H、S、N、O元素组成,一般含C量为65-85%,含H量为4-8%,其含量比例平均为CHON=877102,详细观察发现,干酪根是由可辨认的植物颗粒、前期降解的分散有机质以及次生的沥青质(孢粉切片中观察到的片状非晶质物)组成。,另外,干酪根中还见有微量由植物或动物合成的特殊有机物,如链烷、脂肪酸、萜烷、甾烷、卟啉和直链烃,,经历了有机质的分解作用和成岩作用后未被破坏的地球化学标志物包含在干酪根中。,2.2 干酪根的结构,绿河页岩干酪根结构图解,A-微弱演化;B
13、-强烈演化,干酪根一词首先是由Brown(1912)提出的,原意是指苏格兰页岩中经蒸馏分解出的油状物质,后来转义为能产生油状物质的有机质,因此把干酪根称作油母质。,所谓有机质生油很大程度上就是干酪根向沥青和烃类转化的过程,岩石中的干酪根是生成油气的基本源泉。,岩石中的干酪根是生成油气的基本源泉。,干酪根是地球上有机质分布最广泛的形式,是煤和液态石油的1,000倍和非储集岩岩石中分散天然沥青的50倍(Hunt,1972;Tissot Welte,1978)。,干酪根是最主要的原始成烃物质,但并非原始成烃物质的全部。形成油气的原始物质是沉积有机质,而不仅是干酪根。,图:干酪根数量与化工燃料最大资源
14、的比较,3.干酪根的分布,4.干酪根的类型和演化,干酪根是有机质的主体,所以干酪根的类型基本上代表了有机质的类型。,4.1 化学分类,蒂索(1974)按H/C和O/C原子比用图解法将干酪根划分为三个类型,关于干酪根的类型 一是按化学方法,二是用光学方法划分。,型干酪根:,型干酪根:,型干酪根:,H/C原子比高,O/C原子比低,以链状结构较多为特征。富含脂类化合物,只含少量多环芳香烃和含氧官能团,主要来源于水生低等浮游生物,生烃潜力大。,H/C和O/C原子比介于上述二类之间,属混合型或过渡型干酪根。其生烃潜力视其接近型或是接近型而异。,H/C原子比低,O/C原子比高,以芳香结构多为特征。主要来源
15、于富含木质素和碳水化合物的陆生高等植物,多为异地有机质。生油潜力小,但可生成天然气。,干酪根类型及其演化图,由图可见,随着演化程度的加深,三种干酪根的元素组成都向富碳方向敛合,H、O含量均不断降低,所以当演化程度很高时其类型难以明确区分。,三类干酪根的原始化学成分结构有明显区别,型干酪根轨迹起点附近,含大量脂肪族烃机构,型干酪根轨迹起点附近,具多环饱和烃结构为特征,型干酪根轨迹起点附近,大部分由带含氧官能团的多环芳香烃结构组成,炭质泥岩 腐泥型(型)干酪根,炭质泥岩 混合型(2型)干酪根,炭质泥岩 混合型(2型)干酪根,炭质泥岩 腐植型(型)干酪根,干酪根类型及其性质,贵阳地化所按干酪根的化合
16、物组成分出脂肪族、含芳香脂肪族、含脂肪 芳香族和芳香族四种类型,4.2光学分类,包括在透射光下的孢粉学方法的划分和在反射光下煤岩学划分。,参照孢粉学研究方法,将经过酸解和浮选分离出来的干酪根置于显微镜透射光下划分出无定形絮质、藻质、草质、木质和煤质五种组分。,生油潜能:,藻质,无定形絮质,草质,木质,煤质,依次减小,干酪根类型的各种划分及其地质含义,5 干酪根的显微组成,以透射光为基础的干酪根显微组分分类,各显微组分的来源及生油潜力,丝,炭化的木质纤维,,,来源于,森林火,灾、再沉积有机质,相对富,O,惰质组,植物的结构和无结构木质纤维,,来,自高等植物,镜质组,陆生植物的孢子、花粉、角质层、
17、,树脂、蜡和木栓层等,,相对富,H,壳质组,反,射,率,增,高,生,油,潜,力,降,低,藻类和其它,低等,水生生物及细菌。,腐泥化产物,相对富,H,腐泥组,反射,率,生油,潜力,原始有机质,显微组,分,丝,炭化的木质纤维,,,来源于,森林火,灾、再沉积有机质,相对富,O,惰质组,植物的结构和无结构木质纤维,,来,自高等植物,镜质组,陆生植物的孢子、花粉、角质层、,树脂、蜡和木栓层等,,相对富,H,壳质组,反,射,率,增,高,生,油,潜,力,降,低,藻类和其它,低等,水生生物及细菌。,腐泥化产物,相对富,H,腐泥组,反射,率,生油,潜力,原始有机质,显微组,分,藻类体(腐泥组),孢子体1(来自菌
18、类),,角质体(壳质组),木栓体(壳质组),结构镜质体1(多无荧光),胶质镜质体,丝质体(惰质组)(亮点:无机矿物),一般说来,陆源有机质丰富的干酪根主要生成石蜡基石油。而海洋湖泊原地有机质丰富的干酪根主要生成环烷基石油。碳酸盐岩多含无定形干酪根,有利于生成环烷烃。,干酪根的组成不仅关系到生烃潜力的大小,而且涉及到生成石油的类型。,沉积有机质是生烃的原始物质有机质的丰度(含量)反映了岩石中有机质的数量(浓度),干酪根类型则代表了有机质的质量。,复习,1生成油气的沉积有机质有那些类型,2干酪根的概念,3以反射光下的煤或干酪根的显微组分分类,第三节、油气生成的地质环境和物理化学条件,生物有机质的存
19、在及数量的多少,是油气生成的内在物质基础;要生成大量的油气还要靠外部条件,有机质转化为石油烃类,其堆积、保存和转化过程必须处于适宜的地质环境沉积盆地,原始有机质的堆积、保存和转化过程必须在还原条件下进行,而还原环境的形成及其持续时间的长短受当时的地质及能源条件所制约,3.1 油气生成的地质环境,要生成大量的油气,必须有足够的生物有机质,这就要求必须要有利于生物的大量生长和繁殖的环境。,另一方面,有机质在陆地表面易被氧化,不易保存,需要有保存条件。,还要求有利于有机质大量向油气转化的地质条件。,这种有利于有机质大量堆积、保存和转化的地质环境受区域大地构造和岩相古地理条件的控制。,有利于有机质堆积
20、、保存、转化的地质环境必须要有:,长期稳定下沉大地构造背景(V沉积V沉降);较快的沉积(堆积)速度;足够数量和一定质量的原始有机质;低能、还原性岩相古地理环境 浅海封闭环境,半深深湖、前三角洲 适当的受热和埋藏史。,3.1 油气生成的地质环境,3.1 油气生成的地质环境,3.1.1 大地构造条件,3.1.2 岩相古地理条件,3.1.3 古气候条件,3.1.1 大地构造条件,为确保水体有利生物繁盛的古地理环境的长期存在和沉积物长期处于还原环境,地壳必须有一个持续下沉的大地构造环境;同时长期持续下沉的大地构造背景,又需要得到沉积物的相应补偿。,首先在地质历史上只有哪些曾发生过持续下沉的沉积盆地才是
21、有利于生物生长的环境,才有沉积物的沉积,才能为油气生成、运聚提供有利场所。,3.1.2 岩相古地理条件,具有足够数量和适当质量的有机质是油气生成的物质基础。首先需要水体中有大量水生生物的繁殖,以作为有机质供给之源泉;丰富的有机质堆积和保存是油气生成的重要前提,这就需要相对宁静的沉积水体和较为稳定的还原环境。一般说来,浅海盆地和具有一定深度的内陆湖泊,是上述条件可能得以兼备的较为理想的古地理环境。,高能环境、海水进退频繁,沉积物粗不利于繁殖、堆积和保存。,水体营养丰富,阳光充足、水体较安静,最有利于生物大量繁殖。,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氧化,而且陆源有机质很
22、少。,能还原环境,有利于有机质保存的低,有机物丰富的水体,深度适当、面积较大、,有利的岩相、古地理环境:,海相:浅海、三角洲相(波斯湾、墨西哥湾含油气盆地)陆相:深湖、半深湖相(松辽、渤海湾),深度适当、面积较大、有机质丰富的水体、低等还原环境,大陆环境的深水、半深水湖泊是陆相生油岩发育区域。因为一方面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;另一方面湖泊有一定深度的稳定水体,提供水生物的繁殖发育条件。特别是近海地带深水湖盆,更是最有利的生油坳陷,因为那儿地势低洼、沉降较快,能长期保持深水湖泊环境,保持安静的还原环境。,总之,地质历史中的前三角洲、泻湖、海湾及其它带
23、有封闭性质的坳陷区,是最有利的海域古地理环境。此外近些年来有人发现,某些陆坡部分也有相当丰富的有机质沉积,这是值得注意的新情况。,关于古气候条件是针对陆相盆地生油问题提出来的。一般认为只有在温暖潮湿的气候条件下,湖盆才能保持一定深度的水体及生物发育的繁盛。但若为补给充足的汇水盆地,即使气候干燥或半干燥,湖盆也可保持一定深度的水体,使生物在一定时期内得以继续繁殖和保存,使之具备油气生成的物质基础。,潮湿气候下可以造成有利的生烃环境,干燥或半干燥气候条件在一定时期内仍具有生成油气的可能性。如:柴达木盆地,3.1.3 古气候条件,大地构造条件是根本的,它控制着岩相古地理及古气候特征,有机质演化形成油
24、气是一个比较复杂和漫长的生物化学和化学过程。其中促使有机质转化成烃的因素主要有 细菌、温度、时间和催化剂,在不同的演化阶段起主导作用的因素不尽相同。,3.2 物理化学条件,3.2.1 温度和时间,温度对有机演化成烃有重要作用。,烃类显著地增长出现在1,370m深(65)处,于2,200m(90)达到最大值,尔后反而下降,至3,000m(115)基本终止了生油过程。,是在较高温度下裂解为低分子产物所致。,生油门限温度为72,生油高峰约为90,生油结束约为150。,生油数量开始显著增长时的温度叫做门限温度。,对应的深度叫做门限深度,温度与深度的关系取决于地温梯度。,门限温度的高低主要与有机质受热持
25、续时间或地质时代有关,此外还与有机质类型和催化作用有关。门限温度意味着有机质开始走向成熟,进入主要生油阶段。,时间本身不能单独起作用,但在有机质的热降解演化过程中,时间却是一个不可忽略的因素。与温度相比,时间居于次要地位;生油层的年代越久远,受热时间越漫长,门限温度就越低。,石油生成的时-温关系(据Connan,1974,引自Hunt,1979)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-西非阿尤恩地区;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;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
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