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1、第五章 石油和天然气的性质与成因,第一节 石油、天然气与油田水的成分和性质第二节 油气成因理论发展概况 第三节 油气生成的物质基础与动力条件第四节 有机质的演化与生烃模式 第五节 天然气的成因类型,第一节 石油、天然气与油田水的成分和性质,一、石油的成分和性质,1石油的组分（oil component）,组分是根据石油中的不同成分在不同溶剂中的选择性溶解对石油成分进行的分类,石油的组分分为油质、胶质、沥青质,（1）油质：能溶于石油醚而不被硅胶吸附的部分。,（2）胶质：用苯和洒精苯从硅胶上解吸（溶解）下的石油部分。又可分为苯胶质和洒精苯胶质。,（3）沥青质：能溶于氯仿，但不溶于石油醚、苯和洒精苯
2、的部分。,常用的有机溶剂：石油醚、苯、洒精苯、氯仿,2.石油的化学组成,59种元素：,石油的元素组成（Elemental component）,（1）主要元素：,氢（H）：10%14%,（2）次要元素：,硫（S）、氮(N)、氧(O),（3）微量元素（灰分）：,如钒（V）、镍(Ni),碳（C）：83%88%、,3石油的族分（oil component）,按石油中化合物组成对石油成分的一种分类，分为饱和烃、芳香烃、非烃和沥青质四部分。,4石油的烃类组成（Hydrocarbons）,（1）烷烃（Alkanes）,CnH2n+2,C1-C4为气态烃C5-C16的直链烷烃呈液态C17+呈固态,（2）环烷
3、烃（Cycloalkanes）,含有碳环结构的饱和烃,组成环的碳原子数：,三员环、四员环、五员环、六员环,碳环的数目：,单环烷烃、双环烷烃、三环烷烃多环烷烃,重要环烷烃：,环己烷、环戊烷、甲基环己烷、二甲基环戊烷,（3）芳香烃（Aromatics）,含有苯环的碳氢化合物,单环芳香烃：,多环芳香烃：,稠环芳香烃：,分子中含有一个苯环,分子中含有两个或两个以上的独立苯环,分子中含有两个或两个以上的相连的苯环,5.石油的非烃组成（nonhydrocarbons）,（1）含硫化合物（sulfur compounds）,硫醇类（-SH）：硫基化合物,硫醚类（-S-）：硫醚基化合物,噻吩类：含有一个硫原子
4、和四个碳原子 的不饱和五员环的化合物,高硫石油：S2%,含硫石油：S=0.5%-2%,低硫石油：S0.5%,（2）含氮化合物（nitrogen compounds）,非碱性含氮化合物：咔唑、卟啉等,碱性含氮化合物：吡啶、喹啉、异喹啉等,卟啉可以用于说明石油的有机成因咔唑可以用于研究石油的运移方向,（3）含氧化合物（oxygen compounds）,酸性氧化物：环烷酸、脂肪酸（R-COOH）,中性氧化合物：酚、醛（R-CO-H）和酮（R-CO-R）,6.石油的物理性质,（1）颜色（colour）,黑色、,（2）密度（density）,相对密度:20的石油与4同体积水的重量比值,轻质油：d0.8
5、7,中等石油（正常石油）：d,重质石油（重油）：0.93,(0.75-1.00),深綠色、,黄褐色、,淡黄色、,无色,绝对密度,（3）粘度（viscosity）,反映石油流体内摩擦力的参数，动力粘度,单位：PaS或mPa.S（1mPa.s=1厘泊）,正常原油的粘度：50mPa.s,重质油的粘度：50-10000 mPa.s（稠油）,沥青粘度：10000 mPa.s,（4）荧光性（fluorescence）,在紫外光照射下发光的性质,荧光由多环芳香烃和非烃所发，饱和烃不发光,当偏光通过石油时，使偏光面发生旋转的性质,（5）旋光性（rotary polarization）,（6）石油的溶解性（so
6、lubility）,石油难溶于水，易溶于有机溶剂,二、天然气的成分和性质,1.天然气的概念,天然气是指一切自然界天然生成的气体,与油田或气田有关的可燃气体，其成分以烃类为主,2.天然气的成分,烃类气体为主,少量非烃气体,（N2、CO2或H2S）,广义,狭义,（1）烃类气体（hydrocarbons）,甲烷（CH4）,重烃气（C2-C4）,湿气：重烃气5%,干气：重烃气5%,（2）非烃气体（nonhydrocarbons）,N2：0.4%-12.5%,CO2：4%-5%,H2S：不含或极微量,惰性气体,3.天然气的性质,（1）相对密度,标准状况下，单位体积天然气与同体积空气质量之比,（2）粘度,
7、0时：0.31 10-3mPa.s:20时:12 10-3mPa.s,与成分、压力、温度有关,（3）天然气的溶解性,天然气可以溶于石油和水中,（4）天然气的扩散性（diffusion）,扩散作用是物质在浓度梯度的作用下，自发地发生的从高浓度区向低浓度区转移，以达到浓度平衡的一种物质传递过程,三、油田水的成分和类型,1.油田水的概念,油田水（oilfield water)：,2.无机组成（inorganic components）,指油田范围内直接与油层连通的地下水,无机离子：Cl-Na+Mg+Ca+HCO3-SO4-2,微量元素：碘、溴、硼、钡、锶、铵等,3有机组成（organic compo
8、nents）,烃类：气态烃（C1-C4）、苯、甲苯,甲酚、邻甲酚、环烷酸、脂肪酸,酚、有机酸：,一、无机成因说（inorganic theory）,3FemCn+4mH2O mFe3O4+C3nH8m,第二节 油气成因理论发展概况,二、有机成因说（organic theory or hypothesis）,（1）世界上99.9%的油气都分布在沉积岩中,（2）地层中石油分布与有机质分布相吻合,（3）不同油田石油的成分相似，但不相同,（4）石油和煤的灰分具有相似性,（6）油层温度一般不超过150,（5）近代沉积物中的可溶有机质与石油类似,（7）实验室加热有机质可以生成石油,1、支持石油有机成因的一
9、些事实,2、有机成因学说,（1）早期成因说,（2）晚期成因说,（干酪根热降解成因说）,（3）有机成因说的新进展,未熟-低熟油(早期成因的石油),煤成油(集中有机质生油),第三节 油气生成的物质基础与动力条件,生成石油的有机物质从原始有机质到干酪根,太湖蓝藻,厦门赤潮,渤海湾的蓝藻,原始有机质：浮游动物、浮游植物、高等植物等,一、原始有机物质的化学组成,原始有机质：细菌、浮游植物、浮游动物和高等植物,1.类脂化合物（Lipids）,动物的皮下组织，植物的孢子、种子及果实,脂肪酸、,高级脂肪酸蜡、,醇类、,甾类和萜类化合物,第二节 油气生成的物质基础与动力条件,脂肪酸去羧基加氢可以形成烃类,2.蛋
10、白质(Protein),含氮化合物,由20多种氨基酸构成,3.碳水化合物(carbohydrate),Cx（H2O）y,醣或糖类,4.木质素(Lignin),高等植物,具有芳香结构,1.干酪根的定义,二、干酪根(kerogen),干酪根：沉积岩中不溶于非氧化的酸、碱和非极性有机溶剂的有机质,沉积岩中所有不溶于非氧化性的酸、碱和非极性有机溶剂的有机质。,（3）干酪根的定义：,包括沉积岩中的分散有机质，也包括煤中的有机质。,岩石中有机质的组成,2.干酪根的成分,高分子聚合物，无固定的化学成分，主要由C、H、O和少量S、N组成,C：76.4%，,O：11.1%,H：6.3%，,S：3.65%,N：2
11、.02%,3.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,芳香结构多、脂肪族链状结构少,4.干酪根的类型,根据成分(C、H、O元素组成)对干酪根分类：三种类型,范克雷维伦（D.W.Van Krevelen）图解,（1）型干酪根(Type),原始氢含量高，氧含量低,以脂肪族直链结构为主，多环芳香结构及含氧官能团很少,主要来自藻类堆积物，被细菌改造有机质的类脂残留物,生油潜力很大,4.干酪根的类型,根据成分(C、H、O元素组成)对干酪根分类：三种类型,范克雷维伦（D.W.Van Krevelen）图解,（2）型干酪根(Type),原始氢含量较高，氧含量较低,
12、含有脂肪族直链结构，也含有较多的芳香结构及含氧官能团,主要来自浮游生物（浮游植物为主）,生油潜力中等,4.干酪根的类型,根据成分(C、H、O元素组成)对干酪根分类：三种类型,范克雷维伦（D.W.Van Krevelen）图解,（3）型干酪根(Type),原始氢含量低，氧含量高,多环芳香结构及含氧官能团含量高，脂肪族直链结构少,主要来自高等植物,生油潜力小，以生气为主,5.干酪根的形成和演化,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,5.干酪根的形成和演化,成岩作用阶段 Diagenisis 氧的消耗,干酪根的演化规律：,退化作用阶段 Catagene
13、sis 氢的消耗,变生（交替）作用阶段 Metagenesis 碳高度富集,H/C和O/C降低，碳富集,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,三、油气生成的动力学条件,1.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为反应速度常数。,（1）,阿伦纽斯方程：,式中：k0称为
14、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,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
15、度和时间的作用是相互补偿的,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）,温度和时间的作用是相互补偿的,温度和时间的作用是相互补偿的,2.细菌的生物化学作用,分为喜氧细菌、厌氧细菌和通性细菌三类,厌氧细菌,CO2和乙酸来源：细菌对有机质的分解,(1)乙酸发酵,(2)二氧化碳还原,3.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
16、,(2)有机酵母催化剂,(1)无机盐类催化剂,粘土矿物(蒙脱石)：吸附有机质,降低有机质的成熟温度,加速长链分子的断裂,改变的产物的组成：,有机酵母催化剂的作用：加速有机质的分解,4.放射性作用,水在射线轰击下产生游离氢；热源,一、有机质演化阶段的划分,第四节 有机质的演化与生烃模式,干酪根的演化,成岩作用阶段 主要表现为氧的消耗,退化作用阶段 主要表现为氢消耗,变生（交替）作用阶段 碳高度富集,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
17、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),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：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.,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
18、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
19、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,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,三、有机质生
20、烃模式,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,第五节 天然气成因类型和鉴别,一、天然气的成因类型,分类原则：,成气作用的机理,成气物质的来源(有机物无机物?),1.无机成因气,2.有机成因气,3.混合成因气,1.无机成因气（inoganic gas）,泛指各种环境下由无机物质形成的天然气。,(1)宇宙气,宇宙空间中放散性反应、核反应及化学反应生成的天然气，,以含He和H2为特征,(2)岩浆岩气,岩浆喷发或侵入过程中由高温化学作用形成的天然气，,以含CO2和H2为特征,(3)变质岩气,变质过程中高温作用形成的天然气,1.无机成因
21、气（inoganic gas）,(4)无机盐分解气,沉积岩中由无机盐类的化学分解形成的气体，,以含CO2和H2S为特征,(5)幔源气,指地幔或从地幔通过不同方式上升到沉积圈中的天然气,包括与火山喷发有关的天然气，部分温泉气以及沿深大断裂或转换断层上升的高温气或低温气,2.有机成因气（oganic gas）,泛指沉积岩中分散或集中有机质或可燃有机矿产形成的天然气,(1)按成气物质的来源划为分二个亚类,油型气(oil-type gas),煤型气(coal-formed gas),由腐泥型母质，即型或1型干酪根形成的天然气,由腐殖型母质，即型或2型干酪形成的天然气,（2）按成气机理或外营力作用划分,
22、生物成因气（biogenetic gas）,指有机质在未成熟阶段(Ro0.5%),在低温条件下经厌氧细菌的生物化学作用形成的天然气,油型生物气、煤型生物气,热降解气（pyrolysis gas),有机质在成熟和高成熟阶段经有机质的热降解作用(包括一部分石油的热裂解作用)形成的天然气,油型热解气：原油伴气、凝析油伴生气,煤型热解气,热裂解气（cracking gas）,指过成熟阶段(Ro2.0%)由已形成的液态烃或残余干酪根经高温热裂解作用形成的天然气,油型裂解气,煤型裂解气,3.混合成因气（multi-genetic gas）：,无机气与有机气的混合,无机成因气、生物成因气、煤型气、油型气,二
23、、天然气形成的特点,1.成气物质的多源性：,原始有机质、各种类型的干酪根、煤、可溶有机质、液态烃、无机物质,2.成气机理的多样性：,微生物生物化学作用(有机质分解、CO2还原）、热降解、热裂解、无机化学反应、核反应,3.成气环境的广泛性：,地表环境、不同深度的地下环境、水体、地壳深部、太空,二、天然气形成的特点,4.天然气和石油形成条件的对比,三、各类天然气的特征,1.无机成因气,(1)组成：,CH4含量低，,以非烃气体为主，CO2常见,(2)同位素：,富集重碳同位素,13C1-30，绝大多数13C1-20,2.生物成因气,(1)组成：,(2)同位素：,CH4占绝对优势，可高达98%,富集轻的
24、碳同位素，13C1-55,碳同位素：C12、C13、C14,稳定碳同位素C13和C12的相对丰度，13C值,PDB标准：美国南卡罗莱那州白垩系皮迪组拟箭石的碳同位素值,（C13/C12）标准1123.710-5,3.油型气,（1）原油伴生气和凝析油伴生气,组成：重烃气含量高，一般超过5%，有时可达20%50%,原油伴生气：13C1=-55-45凝析油伴生气：13C1=-50-40,碳同位素：13C1=-55-40,（2）裂解气（过成熟阶段生成的气）,碳同位素：13C1=-40-35,组成：以CH4为主（干气），重烃气2%,4.煤型气,组成：甲烷CH4含量较高，重烃气含量较低，一般20%,碳同位素：13C1=-42-25，多数大于-35,
