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1、,第二章 现代油气成因理论本章重点：石油和天然气的成因学说；有机成因早期成油说和晚期成油说；生成油气的原始物质；有机质转化成油气条件和因素及演化规律。油气生成的地质环境；特别鉴别烃源岩常用地球化学指标及评价。,第一节 油气石油成因理论发展概况 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。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。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：,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
2、，现在组成，并不代表其原始面貌；3.对油、气同原始母质之间过渡形式短乏明确认识(仪器、设备、模拟条件有的无法达到)。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。,油气成因基本归为无机和有机两大不同派别。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
3、有，晚期也有。应该说，晚期是主要的。,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。,主要依据是：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，叶啉也可无机合成(近期有人认为)。,作为石油起源假说，主要有以下几种：碳化说（门捷列夫，1876），即碳和铁形成碳化铁，与地壳深处热水相遇生成碳氢化合物；宇宙说(索科洛夫,1889)认为碳氢化
4、合物早期宇宙固有的，与后期条件关系不大；岩浆说（库特梁采夫1951）认为地球深部岩浆中存在碳、氢、微量元素，岩浆冷却时形成烃类；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)，提出蛇纹石化可形成烃类；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。,实践中，无机学说无法解释许多问题：1.远离油气地质实际(99.9%的油气与沉积岩有关)。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。3.石油中普遍存在生物成因信息，如姥姣烷、植烷、甾烷等，石油也不能在高温下保存等。反之，用有机成因观点来解释，则比较合理一些。,
5、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。,三、油气有机成因证据（主要有以下几点）：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；2.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；3.在油气田剖面
6、中，含油气层位总与富含有机质层位有依存关系；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；,5.石油中检测出各类生物标记化合物，其碳骨架仅为生物体所特有；6.油气元素组成与有机物质相近；7.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；8.石油普遍具有旋光性，只有从生物才能获得这种物质；9.模拟表明，从多种有机质中可得到油气的烃类产物；10.古代、现代沉积物中检测出类似油气中的烃类。,五、有机成因早期成油说 有机成油理论形成后，进一步争论逐渐转为石油是成岩早期、还是成岩晚期生成的问题。（理由主要有）：1.在近代海洋湖泊沉积物中发现了有机物质的烃类转化的过程；2.
7、在实验室用细菌作用于有机质(脂肪、蛋白质、碳水化合物等)得到了比甲烷重的烃类；,3.研究发现，微生物的活动随埋藏深度增加迅速减弱以至停止。因此，提出某些细菌是有机质加氢去羧基转变为类石油的媒介(这一过程，只能在埋藏不深的成岩作用早期进行)。4.认为石油形成后是呈徽点滴状的，其运移是以溶解在水中的方式进行运移的(这要求岩层孔隙大、喉道粗，且生油岩大量的水尚未排出)。（上述条件只能在成岩早期具备，且油气是在排水过程中，把石油运移到储层中去的）,前后经历了将近半个世纪的努力，早期成油说理论逐步形成。早期成油说可概括为下列几点：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
8、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。,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”。,随着先进手段引进，发现早期成油说在许多问题上解释遇到困难：(致命的弱点)1.世界上最年轻的原生油藏，几乎都不晚于上新世；2.现代沉积的烃类组分与石油组份有显著差别，相反与现代生物更为接近；3.现代沉积中正烷烃具明显奇数碳优势，而石油中正烷烃奇、偶数碳原子差不多相等；,4.
9、烃类在古代沉积中的分布比同类现代沉积中丰富的多；5.环状化合物在现代沉积中多，且四、五、六环的环烷烃居多，而石油中则以单双环、环烷烃为主；6.当埋深到一定深度时，酐酪根含量显著降低、MAB抽提物也有一定降低，而烃类大量增加，说明两者是有联系的；,7.同位素含量不同海相生物-12-3.3 陆生植物-24.9-25.8；海相抽提物-23.3-26.4 陆相抽提物-29.9-32.5；海相原油-27.0-29.0 陆相原油-30.0-31.7；由此可见，石油并非成岩早期形成，而是在成岩过程中，经过一系列改造而逐步转化形成的。,六十年代后期，七十年代以来近二十多年发展，生油学说进一步完善。认为沉积物埋
10、藏到较大深度，到成岩作用晚期或后生作用初期，沉积物的不溶有机质达到成熟，热解生成大量液态石油和天然气。所以又称“石油有机晚期成油说”。（今后讲课主要据此观点讨论油气生成及勘探）,第二节 生成油气的物质基础 有机说的核心是认为石油起源于生物物质，通过沉积作用保留下来，再转化成油气。一、生油气母质及其化学组成1.脂类化合物 包括脂肪、醇类、甾族类及萜烯类化合物等。化学性质稳定，从元素组成和分子结构都近似石油，实验证明，通过加氢和去羧基，脂肪酸可向烃类转化。,2.蛋白质 生物体内重要的成分，当充分受到高地温作用，蛋白质衍生物是一种重要的生油母质，经过去羧基和去氨基后便可合成烃类。3.碳水化合物 动、
11、植物体内都含有碳水化合物，实验证明，碳水化合物被氢还原后可得到烃类。4.木质素 仅存在高等植物中，可生成天然气。综上所述，各种生物所含的生物化学组分不同，一般植物主要含碳水化合物、木质素，而动物主要合蛋白质、脂类。,二.沉积有机质的形成油气转化从生物有机质进入沉积有机质开始进行；沉积有机质主要是生物的遗体，此外包括其生命过程中的排泄物和分泌物；沉积有机质来源（原地有机质、异地有机质、混合有机质、再沉积有机质）,统计表明有机质数量很大，但分布不均衡：1.不同时代分布不均衡；2.不同沉积环境分布不同，大陆及边缘海有机质含量高，大洋沉积物有机质含量贫乏；3.不同岩性有机质含量不同，泥岩高，碳酸盐岩中
12、等，砂岩低。,有机质丰度不均衡分布影响因素：(1)生物产率(浅海区、大陆区湿热带高)；(2)原始有机质保存条件（氧化、还原)；(3)沉积、沉降速度（沉积、沉降较快且稳定有利有机质保存）；(4)沉积物的粒度（粒度越细吸附有机质微粒越多）。,三.酐酪根 酐酪根是沉积岩中主要的有机质和生成油气的主要母质。最初用来描述苏格兰一种油页岩中的不溶有机质，经蒸馏后能产出似腊质的粘稠石油。亨特(Hunt)等在研究沉积页岩中，把其中的不溶有机质统称为酐酪根。,沉积物有机质包括：有机质不溶于有机溶剂的残余；有机质不溶于碱性溶液的残余；以上二者合称为酐酪根。有机质中部分能溶于有机溶剂的有机物质，称可溶有机质，也叫做
13、可溶性沥青。,1.酐酪根定义：酐酪根是沉积物中不溶于碱、非氧化型酸和有机溶剂的分散有机质(Hunt,1979)。其成分和结构极为复杂，是一种不均质的分子量较高的物质，由C、H、O、S、N等元素组成。结构上为一种带有各种烷基取代基及其它官能团的结构单元，通过桥键(主要是C、O或肽键)结合而成的三维分子。,提纯分离：将岩石粉碎后，先用氯仿抽提，然后用 MAB抽提，除去可溶物质；盐酸溶解，除去碳酸盐；氢氟酸溶解除去硅铝酸盐；用比重液、超生波除去岩石中的黄铁矿 及其它重矿物。,2.成分和结构(1)化学成分、元素组成 主要由C、H、O组成，并含有少量N、S、P和其它金属元素。其中：C，70-90%；H，
14、3-10%；O，3-19%；H/C(原子比)，一般0.4-1.67；O/C 0.03-0.30；N，0.44%；S，0.2%5%；,元素组成与酐酪根类型、成熟度关系明显以浮游生物为有机质的主要母源，深水还原环境下的海相或湖相形成的酐酪根富含氢和氮。以陆源植物为主要母源的酐酪根和近岸浅水较氧化环境形成的酐酪根相对贫氢、氮而富氧。,(2)结构（结构复杂）大致由：核，可以是单环、或缩合环、芳香环或脂族环，含硫或含氮的杂环(核间由不同类型桥键连接成三维主体结构，核表面再连结各种基团)；桥键，有脂肪族碳键-(CH)n-；含氧或含硫的官能键，-C-(酮)，,-C-O-(酯)，-O-(醚键)，-S-(硫键)
15、，-S-S-(二硫键)；官能团，有羟基(-OH)，羧基(-COOH)，氧甲基(-OCH3)等；结构间隙中，可截获的各种类型的游离分子。主要由以上四类组份组成。,3.类型(1)化学分类(根据H/C，O/C进行划分)：型，H/C高(1.5以上)，一般1.25-1.75；O/C低，0.026-0.12；热失重65%；生烃潜力0.4-0.7；富含类脂物质，主要由脂族链组成，链状结构较多，富氢、贫氧，生油潜力高，主要来源于藻类物质。,型，H/C较高，0.651.25；O/C较低，一般0.040.13；热失重50-80%；生烃潜力0.30.5；含大量中等长度脂族链化合物和脂环化合物，生烃潜力较高；其生油、
16、生气能力取决于靠近、型的程度而异；来源于浮游生物和微生物的混合有机质。分1型、2型两类。,型，H/C低，0.460.93，O/C高，0.050.3；热失重30-50%；生烃潜力，0.10.2；富含多环芳香核、含氧基团，脂族链很少，生油潜力小，是生天然气的主要母源，来源于陆生植物的木质素、秆维素、芳香丹宁等。,型，H/C很低，0.46，O/C很高0.25热失重30%；生烃潜力0.2；含大量芳香核、含氧基团，能生成少量的气，基本不具生油能力，来源于高度氧化或再沉积的有机质。,(2)根据原始有机质分类：腐泥型()；腐植腐泥型(1)；腐泥腐植型(2)；腐植型；残余惰质型。,(3)光学分类：无定形絮质，
17、没有清晰几何边缘，常呈无定形的片、团和粉末，主要属生油潜力高、富氢的腐泥组；有贫氢和富氢之分，富氢无定型，生油潜力高，贫氢无定型，生油潜力低，乃至不具生油潜力；主要来源于浮游生物类的低等生物。,藻质型 主要为藻类残体构成，生油潜力高，主要来源于浮游生物之类的低等动物；草质型 主要由陆生植物的花粉、孢子、角质层、叶子表层构成，生油潜力较高，来源于陆地植物。,木质型 由纤维物质组成，具木质结构，生油潜力低、生气潜力高，来源于陆地植物；煤质型 由再沉积有机质和经过天然碳化作用的陆生植物残体构成，不具生油潜力，生气潜力低。,1菌解无定形体A，大庆，K，干酪根2菌解无定形体A，样品同1，反射荧光3菌解无
18、定形体B，茂名，N，干酪根，透射光4菌解无定形体B，样品同3，反射荧光5菌解无定形体c，依兰，E，干酪根，透射光6菌解无定形体C，样品同5，反射荧光7菌解无定形体D，辽河，E，干酪根，透射光8菌解无定形体D，样品同8，反射荧光9藻类无定形体，桦甸，E，干酪根，透射光10藻类无定形体，样品同9，反射荧光11粒状无定形体，百色，N，干酪根，透射光12粒状无定形体，样品同11，反射荧光13腐殖无定形体，南宁，N，干酪根，透射光14腐殖无定形体，样品同13，反射荧光15降解无定形体，大庆，K，干酪根，透射光16惰质无定形体及共生的非常细小的腐殖碎屑，百色，N，干酪根，透射光17菌解无定形体B强烈的正荧
19、光变化，辽河，E，干酪根，反射荧光18富含苗解无定形体B的矿物沥青基质强烈的正荧光变化，茂名，N，油页岩，反射荧光,(4)按煤岩系组分划分(反射光)：壳质组呈暗灰色、低突起，相对富氢；镜质组呈灰白色，无或微突起，相对富氧；惰性组呈白亮黄色，较高突起，相对富碳。,1叶绿素体，呈非常细小的粒状集合体，茂名上第三系，腐殖煤，反射荧光2琥珀树脂体，呈破碎状，抚顺，下第三系，碳质泥岩，反射荧光3分解琥珀树脂体，呈非常不均一的荧光，抚顺，下第三系，碳质泥岩，反射荧光4，菌解琥珀树脂体，细菌呈很暗的褐色荧光，抚顺，下第三系，碳质泥岩，反射荧光5分泌树脂体及共生的渗出沥青质体，百色褐煤，上第三系，反射荧光，6
20、荧光质体，百色，油页岩，上第三系，反射荧光7分泌树脂体，百色，上第三系，腐殖煤8分泌树脂体，受到氧化，显示同心层状结构，百色，上第三系，碳质泥岩，反射荧光9壳屑体，三水，上第三系，灰黑色泥岩，富含介形虫化石的油页岩，反射荧光10动物软体，具很强血红色荧光，百色，上第三系，11动物壳屑体，呈条纹状结构，大庆，白垩系，黑色泥岩，透射光12动物壳屑体，大庆白垩系，黑色泥岩，反射荧光,1结构藻类体A，大庆，白垩系，黑色泥岩2结构藻类体A及沥青质体A，伊克召盟，早第三系，藻煤3结构藻类体B(B)斜切面及共生的沥青质体A，蒲县，藻煤，二叠系4结构藻类体B，横切面，南海，第三系5结构藻类体C，黄县，油页岩，
21、下第三系6结构藻类体D，大庆，白垩系，黑色泥岩7视域同6，注竟在藻类体中粘结有硅质矿物8结构藻类体D，大庆，白垩系，黑色泥岩，透射光，示其中粘有大量硅质矿物9层状藻类体A，富氢镜质体条带及穿插其中的渗出沥青质体，浑源石炭系，油页岩，反射荧光10层状藻类体B、小孢子体及结构藻类体A，辽河，下第三系，黑色泥岩，反射荧光11沥青质体A，其中包裹有一些强荧光的有机质，百色，上第三系，油页岩，反射荧光12小孢子体，沥青质体B及基质镜质体，平朔，石炭系，腐殖煤，反射荧光13角质体，大庆，白垩系，黑色泥岩，透射光，14.木栓质体，南海，上第三系，黑色泥岩15角质体，舒兰，下第三系，腐殖煤，反射荧光，,(5)
22、用热解方法来划分直接从岩样测出其中的可抽提烃(S1峰)、酐酪根热解烃(S2峰)和二氧化碳挥发物(S3峰)氢指数(IH)，热解烃的量与岩石总有机碳的比值，S2/有机碳；氧指数(IO)，二氧化碳的量与岩石总有机碳的比值，S3/有机碳；有机质类型指数(S2/S3)，用以划分有机质类型。,类型 IH(mg/g)IO(mg/g)S2/S3型 600 40 201型 250-600 40-75 10-202型 120-250 75-110 5-10 型 120 110 5,第三节 油气生成的地质环境与物、化条件一、油气生成的地质环境(一)大地构造条件有长期稳定下沉的地壳运动背景；有较快的沉积堆积速度。(二
23、)岩相古地理条件有浅海封闭环境或一定深度的湖泊环境；有足够数量和质量的原始有机质；有适当的受热或埋藏历史。(三)古气候条件,二、物理化学条件 沉积有机质的演化成烃作用早期主要是生物化学作用过程，而晚期酐酪根热演化成烃主要是物理化学作用过程。而促使这些过程发生的外因，早期有生物化学作用，晚期有温度、时间、压力、催化剂及放射性作用等。,（一）温度和时间1.作用机理门限温度：酐酪根大量转化为石油的温度。门限深度：门限温度所对应的深度(取决于地温梯度)。液态窗口：普西(Pusey，1973)提出“液态烃类石油“存在的温度范围(65.6-148.9)，温度低，不利于生成大量石油；温度太高，石油进一步裂解
24、成气态烃。,1一利比亚锡尔特盆地 A1002一苏门答腊中部 杜里3一北海、埃科菲斯克4一阿拉伯湾，加瓦尔5一阿尔及利亚，哈西-迈萨乌德6一佛罗利达州，杰伊7一马拉开波湖，拉马尔8一苏门答腊中部，米纳斯9一阿拉斯加，普鲁德霍湾10一南派斯，27号地区11一西西伯利亚的气和油12一洛杉矶 咸尔明顿袖田,据实验，酐酪根热解的过程符合化学动力学原理的一级反应。Connan提出：沉积有机质向石油转化作用符合化学动力学定律一级反应。即，凡反应速度只与反应浓度的一次方成正比者，称为一级反应。即在任何瞬间，反应速度仅与当时该物质所存在的浓度有关。-dCA/dt=KCA（1）式中 t 反应时间；CA 反应物在瞬
25、间的浓度；K 反应速率数。,将（1）移项，定积分,K值可由阿伦尼鸟斯方程来求得。,-dCA/dt=KCAln(CA0/CA)=Kt(2),常运用阿伦尼鸟斯方程来描述这个过程。方程如下：K=K0e-E/RT(3)K反应速率数，K0频率因子，E活化能，T绝对温度(K)，R气体常数将InCo/C=Kt，K=1/t*In（Co/C）代入(2)联立 得 K0e-E/RT=1/t In(CA0/CA)取对数 InK0-E/R.T=-Int+InIn(CA0/CA)将K0，CA0/CA 视为常数；为(常数+常数=常数)整理得-Int=-E/R.T+常数 lnt=E/RT常数(4)lnt=E/R1/T常数,说
26、明：（lnt=E/R（常数）1/T-常数）反应时间的对数(Int)与反应温度的倒数呈线性关系；即温度高、成熟时间短或成油时代早；反之，温度低，成熟时间长。K=K0e-E/RT表明反应速率常数K与温度呈指数关系；即温度增加，石油数量的加大比时间作用要快的多。与温度相比，时间居次要地位。温度和时间可以互补；地层年龄越老，石油形成温度可越低；地层年龄越年轻，生油门限温度越高。因此，不同盆地、层位及成熟度均可以不同。,理论和实践都表明，低温长时间与高温短时间的作用可达到同样的效果。康南(J.Connan，1974)依据世界若干盆地的实际资料绘出了时间温度关系图(图)，康南引用阿伦尼鸟斯方程，lnt=E
27、/R1/T-常数令方程右边常数为b，E/R为a，有 Int=a1/T-b取a=6942，b=14.965(统计得出)，得：logt=30141/T-6.498(康南公式)（只适用于连续沉积且为匀速沉积盆地）,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；o美国文图拉盆地；11法国阿奎特因盆地；,2.时间温度指数（TTI）在烃源岩的热演化成烃过程中，有机质的许多物理性质和化学性质被改变。为定量预测烃源岩中有机质的成熟度Lopatin(1971)和waples(1980
28、)根据温度每增加10，酐酪根热降解成烃的反应速率呈指数增加，且有机质成熟度效应是累加、不可逆的等原理。提出并改进了TTI的有机质成熟度预测方法，得到了现场极为广泛的应用。,TTI值(Time Temerature Index)(洛巴京，1971)定义：任一层生油岩在地质历史时期的某个时期，它的热变程度应该是这个时期之前各个时期热变的总和。用积分公式写出：TTI=K0e-E/RT dt 写成离散型公式：TTI=(K0e-E/RT)ti=(K0e-E/RT)t1+(K0e-E/RT)t2+(K0e-E/RT)ti,3.TTI(值)在油气勘探中的应用。研究成熟度 根据所建立的地质模型，计算各生油层和
29、储层的TTI值，判断生油层中油气生成进入了那个阶段。确定有利生油区范围 通过计算得出的TTI值，勾绘各层TTI等值线，圈出进入生油窗的分布范围，确定有利的生油气区。,确定油气生成的时间 通过计算来确定各生油层生油开始-结束的时间(也可在图上找出对应的层位)，进而找出对应地层时代(图)。对圈闭进行评价 首先确定圈闭形成的时间(依据构造运动，构造发育史等)，和计算得出开始生油-大量生油-结束时间分析，来评价圈闭的有效性及含油的可能性。,(二)细菌(生物化学作用)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
30、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。,对油气生成来说，最有意义的是厌氧细菌。厌氧细菌在缺氧的条件下，对有机质的大分子进行分解。如：脂肪脂肪酸与醇，蛋白质氨基酸，碳水化合物醣，木质素芳香酸、酚等。与此同时(或稍后)，这些有机物又相互作用，并进一步分解、聚合，形成更为稳定的分散有机质酐酪根。,(三)催化作用和放射性作用 催化剂的存在使反应的活化能降低，加快反应速度。（有机质生成烃类主要有两类反应：即C-C键断裂和脂肪酸脱羧，进而分裂出较轻的烃类）实验表明(J.Hunt等)，粘土(主要是蒙脱石)与有机质的复合物在缓慢加热
31、时，便会脱羧基、脱氨基形成低分子量的烷烃、环烷烃和芳香烃。这可解释在成岩阶段低温条件下，出现少量烃轻的现象。,生油岩中大量存在粘土矿物(蒙脱石)便是很好的催化剂；水的存在可显著降低粘土的催化活力；纯碳酸盐岩通常认为没有催化活动；泥灰岩含有相当的粘土质点，但不如页岩的催化效果好；酵素是动、植物和微生物产生的一种高分子胶体物质，可起催化作用。,(酵素和细菌在有机质改造转化成油的过程中有重要作用，但因它们不耐热，只是在有机质改造的早期阶段才有意义)。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，可考虑作为作用之一。压力，一般认为高压对有机
32、质成熟和成烃作用有阻碍，但与温度相比，是次要的。另外，异常高压可能阻止液态烃过早裂解为气态烃，扩大了液态烃保存的下限。,三、原始有机质性质的影响(一)生油潜能型、型酐酪根富含脂链；型富含芳香结构、含氧基团。同样成熟度条件下：、型生油潜力显然高于型。,(二)产物及组成型，以生油为主，依次为油凝析油、湿气；型，以生气为主，少量为油和凝析油；据统计：型，1.8克/吨生油岩；型，1.2克/吨生油岩；型，0.6克/吨生油岩；,(三)门限温度型，脂肪族结构为主杂原子键少，活化能值(704184J/mol)较高，门限温度较高，且在高温下反应速度迅速增长，生烃量很快上升到峰值。型，杂原子键较多，活化能(504
33、184J/mol)比型低，门限温度较低。型，活化能(最大值集中在604184J/mol)分布平缓，门限温度介于型与型之间。(以上据Tissot,Welte研究),对此(Tissot,Welte)提出：生油气界限：型 Ro=0.5%，型 Ro=0.6%，型 Ro=0.7%因此，门限温度型低,型中,型高。（但据黄弟藩研究)：E=(20-30)4184J/mol E=(30-45)4184J/mol E=(45-60)4184J/mol 总之，不同类型酐酪根的门限温度不同。,四、酐酪根向油气转化的中间产物是MAB抽提物(MAB抽提物指甲醇丙酮苯混合溶液抽提物)研究表明：随埋深加大、温度提高，有机质中
34、的酐酪根含量不断下降，而烃类和胶质、沥青质的含量相应上升。MAB抽提物含量也逐渐减少。,实验表明：随温度加大，酐酪根化学组分(脱羧脱氧，且富集了杂原子)发生转化；进一步加温，重杂原子组分进一步脱氧，发生歧化作用，生烃；再进一步加温，导致裂解作用(烃类和剩下的酐酪根)生成天然气。以上实验及模式表明：MAB抽提物是干酪根向油气转化的中间产物。,五、二次成烃（即烃源岩再次沉降中其时间、温度效应达到或超过 一次沉积时最大埋深曾达到的成熟度，成熟生烃）。烃源岩在二次沉降过程中生成的烃类。这是由于地壳上升、地温变低，成油作用中断；以后地壳再度下沉，有机质再次进入一定的温度范围，成油作用再次进行，只要原始酐
35、酪根尚未“枯竭”，仍可多次大量生成石油(二次成油作用)。,第四节 有机质演化与成烃模式一、有机质向油气转化的阶段及成烃模式 有机质演化进程不同，所得到的烃类产物也不同，目前按石油地质条件主要划分出以下几个阶段(模式)：,(一)成岩作用阶段(未成熟、生物化学改造阶段)深度：埋藏较浅，最大不超过1500m；温度：一般小于60；煤化作用阶段：泥炭、褐煤阶段；Ro：一般小于0.5%；主要作用(反应)：生物化物作用细菌、水解；产物：生物体被分解转化为结构复杂的聚合物；生成少量烃类，主要生成挥发性物质(CO2、CH4、NH、H2S、H2O等)；,生成的烃类以甲烷为主，缺少重烃(C3C14）；生成的高分子正
36、烷烃，具有奇碳优势；环烷烃中四环、五环的较多；芳烃中，低分子芳烃缺乏；相当于中成岩早期，未成熟一半成熟阶段；本阶段晚期，液态烃开始大量生成，但向烃类转化的程度很低，数量少。,(二)深成作用阶段(成熟、热催化、转化阶段)深度：一般1000-1500到3500m；温度：一般60-180；煤化阶段：长焰煤、气煤、肥煤、焦煤；Ro：0.51。3%(低0.50.7，中0.7-1.3%)主要作用：热降解(热催化)；（杂原子键先断，然后是碳键。先生成CO2、CH4、N2、NH3和H2S等挥发性物质，然后是分子量较低的烃类，生成一部分胶质、沥青质）,产物：酐酪根中H/C急剧下降，生成大量液态 烃及一些挥发性物
37、质，剩下一些沥青；烃类中除CH4外，有较多的重烃，正烷烃碳原子数分子量递减，正烷烃奇碳优势消失，环烷烃、芳香烃环数减少，分子量变小。在后期较高温度下，热裂解发生，液态烃急剧减少，轻烃迅速增加。,(三)热裂解生凝析气阶段深度：一般3500-6000m；温度：一般180-250；煤化阶段：瘦煤、贫煤；Ro：1.32.0%主要作用：热裂解（生成的烃类、残留的酐酪根裂解）；产物：已生成的石油大量裂解，液态烃减少，凝析气等气态烃大量增加，生油潜力逐渐枯竭；,（四）准变质作用阶段(过成熟、热裂解阶段)深度：一般6000m；温度：一般250；煤化阶段：半无烟煤、无烟煤；Ro：2.0%主要作用：热裂解；产物：
38、已生成的液态烃、重质气态烃强烈裂解，生烃潜力逐渐枯竭，由凝析气干气石墨。,上述阶段性演化过程，反映在地质剖面上，由浅到深，呈现气、油、裂解气分布的垂直系列，也称油气的垂直分布性。据Hunt估算：第一阶段，气烃7%，液烃9.9%，非烃40%；第二阶段，气烃82%，液烃91%，非烃60%；第三阶段，气烃11%，液烃痕量，非烃痕量。由此，大部分烃类是在成熟阶段，主要由热力作用生成，尤以60-150地温最为有利。这正是晚期成油说强调温度的基本点(和早期成油说不同之处)。,通过对石油成因的一些基本理论问题进行讨论之后，现将石油有机成因晚期成油说的基本论点，概括如下：1.成油物质是酐酪根；2.沉积有机质进
39、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；,3.促使酐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、酵素、催化、放射性等因素也有影响；4.酐酪根具有不同的类型，而不同类型的酐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；5.从酐酪根转化为石油的过程中，可溶性抽提物MAB是中间产物；,6.随埋深加大，有机质(酐酪根)由成熟过渡到过成熟阶段，已生成的石油发生裂解；7.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，只要原始酐酪根尚未“枯竭”，仍可多次生成大量石油。,二、现
40、代油气成因理论新进展(一)未熟一低熟油形成机理 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)或指那些成熟门限深度以上的沉积有机质生成的油(气)。(国外文献称“immature oils”，国内统称为“低熟油”。),1.熟低油生成的物质基础(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
41、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
42、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%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
43、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
44、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：1.J.connan等认为型酐酪根，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
45、都可生成油气。,(二)煤成烃机理及生烃模式煤成烃(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）由高等植物中较抗地表地质营力侵蚀破坏的壳质组富集而成，含量一般都在50-60%以上。腐殖-腐泥煤腐泥煤,(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
46、增碳过程。Ro0.70%时，有机碳平均54.59%，R。0.70-0.82%时，有机碳65.80%，R。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+沥青质高于总烃及芳烃高于饱和烃为特征。,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，R。0.40-0.70%，煤中大孔隙(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
47、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。,三、油页岩 油页岩又称油母页岩，油页岩由碎屑物质和丰富的有机质组成。有机质中氢含量较高，低温干馏时可得到类似天然油的页岩油。据估计，世界油页岩的储量为32-450万亿吨，相当于1.6-26万亿吨页岩油。,1.油页岩有机质的特征 油页岩是一种富含有机质的低成熟岩石。组成油页岩的矿物多种多样，主要由粘土矿物组成者，属真
48、正的(油)页岩。另外，还有一些是泥灰岩。一般以5%有机碳含量作为油页岩的下限，好的油页岩有机碳含量一般为15-30%。特点如下：,油页岩一般是未成熟的或是低成熟的：有机质含量虽高，但可抽提物含量却很低；有机质主要以干酐酪根形式存在，几乎没有可抽提的沥青。油页岩酐酪根的化学组成变化范围很大，但氢含量总的来说较高。H/C为1.25-1.75，O/C为0.02-0.20，反映了酐酪根中含有较高比例的饱和结构。油页岩中的酐酪根属于型和型，无型。,油页岩有机质的岩性鉴定表明，油页岩中可识别的有机质主要来自各种藻类的遗体。此外，还可能含有数量不等的来自陆生植物富氢组分构成的有机质。2.油页岩分类 库克等(
49、1981)根据油页岩有机质的不同成因并结合其它特征，将油页岩划分为六种类型：,(1)烛煤型 主要指烛煤及有关的烛煤类页岩。它含有大量孢子体和沥青质体、少量角质体、碎屑稳定体和树脂体。形成于浅湖相厌氧环境，有机质来源于遭受过细菌降解的陆生植物的碎屑。(2)托班型 含有丰富与丛粒藻有关的藻质体。丛粒藻是生于淡水或微咸水环境的绿藻。,(3)库克型 一种海相成因的油页岩，含有丰富的来自粘球藻的藻质体。(4)塔斯曼型 油页岩中含有丰富的来自单细胞海藻塔斯曼藻的藻质体。(5)纹层页岩型 一种细粒、纹层清晰，富含有机质的油页岩，为湖相成因，常属巨厚层系的一部分。有机质主要来自绿藻或蓝绿藻的藻质体。,(6)混
50、合型 油页岩富含各种成因有机质的集合体，如孢子体、塔斯曼藻体、沟鞭藻和凝源类，还有相当数量的腐殖质。上述六种类型的油页岩可以归并为陆生植物占优势、藻类遗体占优势和混合型的三大类。,四、油页岩、煤与石油形成的关系1.煤在一定条件下可作为烃源岩腐泥煤的有机质主要来源于藻类，酐酪根为型和型，属油页岩与煤之间的过渡类型；腐植煤分布最广，酐酪根为型，其生烃过程类似于型酐酪根；煤成油一般是指这类腐植煤生成的油。,2.油页岩可是泥质岩，也可是泥灰岩、碳酸盐岩 油页岩可以形成于内陆湖泊，也可以形成于浅 海环境中。3.与生油岩相互关系油页岩从未进入成熟阶段，是不成熟的烃源岩，其中的酐酪根没有或很少发生变化；反之
