第四章油氣生成與烴源巖第一節(jié)

油氣生成的原始物質(zhì)一、油氣生成的原始物質(zhì)的來(lái)源

1.生物種類(lèi)來(lái)源

沉積有機(jī)質(zhì)的生物種類(lèi)來(lái)源首先是浮游植物，其次是細(xì)菌、高等植物、浮游動(dòng)物。

2.生化組分來(lái)源

對(duì)沉積有機(jī)質(zhì)來(lái)源提供最多的生化組成是脂類(lèi)化合物、蛋白質(zhì)、碳水化合物和木質(zhì)素。

類(lèi)脂物質(zhì)的特征是抗腐力較強(qiáng)，能在各種地質(zhì)條件下保存起來(lái)，其元素組成和分子結(jié)構(gòu)也最接近于石油烴，被認(rèn)為是生成油氣的主要原始物質(zhì)。二、原始物質(zhì)的形成

沉積有機(jī)質(zhì):通過(guò)沉積作用進(jìn)入沉積物中并被埋藏下來(lái)的那部分有機(jī)質(zhì)稱(chēng)為沉積有機(jī)質(zhì)。

形成：

氧化成簡(jiǎn)單的分子

生物

→

死亡

→

沉積有機(jī)質(zhì)（只占0.8%左右）

分兩類(lèi)：

1.

原生的沉積有機(jī)質(zhì)：指通過(guò)沉積作用，直接或間接進(jìn)入沉積物中的有機(jī)質(zhì)。包括：氨基酸、脂肪酸、脂類(lèi)及木質(zhì)素。

2.

新生的沉積有機(jī)質(zhì)：指原生的沉積有機(jī)質(zhì)通過(guò)埋藏作用和化學(xué)作用重新合成和演化形成的有機(jī)化合物。如腐殖酸、干酪根、烴和非烴。古代沉積巖中分散有機(jī)質(zhì)的組成：

烴類(lèi)：巖石中可溶于有機(jī)溶劑的有機(jī)質(zhì)。是有機(jī)體生化作用的產(chǎn)物。

瀝青：可溶于有機(jī)溶劑，是烴類(lèi)和非烴類(lèi)物質(zhì)的混合物。可分為油質(zhì)、膠質(zhì)及瀝青質(zhì)，是有機(jī)質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物。

干酪根：不能溶解于有機(jī)溶劑的固體分散有機(jī)質(zhì)。三、生油母巖———干酪根

1.概念

干酪根：為沉積巖中所有不溶于非氧化的酸、堿和非極性有機(jī)溶劑的分散有機(jī)質(zhì)（1979年，亨特）。

沉積有機(jī)質(zhì)包括：有機(jī)溶劑可抽提的瀝青；不溶于有機(jī)溶劑的干酪根。干酪根是有機(jī)碳的最重要形式。它比煤和儲(chǔ)集層中石油含量之和還要多上千倍，比非儲(chǔ)集層中瀝青和其它分散的石油多50倍。在古代沉積巖中，有機(jī)質(zhì)的80～99%是干酪根。

2.形成

六、七十年代，關(guān)于干酪根的形成研究日漸完善，日本大石渡良志1976年提出認(rèn)為干酪根的形成的以下三種途徑：

①不飽和化合物

（氧化

聚合）中間產(chǎn)物

（聚合）干酪根

②

碳水化合物、蛋白質(zhì)

（聚合）腐殖酸

（聚合）干酪根

③脂肪、碳水化合物、蛋白質(zhì)

（微生物作用）腐殖酸

（聚合）干酪根

3.性質(zhì)

從巖石中提純出來(lái)的干酪根呈黑色或褐色粉末，是復(fù)雜的有機(jī)高分子聚合物。在沉積巖中干酪根呈細(xì)微分散狀態(tài)，有時(shí)以局部富集的紋層存在于泥巖中。

4.組成及結(jié)構(gòu)

元素組成：干酪根的元素組成中以

C

為主。一般分布范圍是C：70～90%，H：3～10%，O：3～19%，N：0.4～4%，S：0.2～5%（據(jù)Tissot，1984）。干酪根的元素組成跨有很大范圍，它的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)會(huì)因原始物質(zhì)的類(lèi)型和演化程度而變化。

結(jié)構(gòu)：干酪根是一個(gè)由很多“橋鍵”交連的“核”組成，在核和橋上帶有各種官能團(tuán)，類(lèi)脂化合物可被聚集在核間的空隙中的立體大分子。

5.類(lèi)型

Tissot（1974）根據(jù)干酪根的元素分析采用H/C和O/C原子比繪制相關(guān)圖，即范氏圖（Van

Krevelen圖），將其主要分為三大類(lèi)。

Ⅰ型干酪根：稱(chēng)腐泥型，富含脂肪族結(jié)構(gòu)，富氫貧氧，H/C高，一般為1.5～1.7，而O/C低，一般小于0.1，生烴潛力為0.4～0.7。Ⅱ型干酪根：富含脂肪鏈及飽和環(huán)烷烴，也含有多環(huán)芳香烴及雜原子官能團(tuán)。H/C較高，約1.3～1.5，O/C較低，約0.1～0.2，生烴潛力為0.3～0.5。

Ⅲ型干酪根：稱(chēng)腐殖型。富含多芳香核和含氧基團(tuán)。H/C

低，通常小于

1.0，而

O/C

高，可達(dá)0.2～0.3，生烴潛力為

0.1～0.2。國(guó)內(nèi)陸相有機(jī)質(zhì)由于分異性差，不能充分區(qū)分，常采用黃第藩（1986）的三類(lèi)五分法。

第二節(jié)

干酪根熱降解成油機(jī)理

一、烴的演化

1.氯仿瀝青“A”和總烴的演化

2.烷烴的演化

正構(gòu)烷烴的演化

異構(gòu)烷烴的演化

環(huán)烷烴的演化

芳香烴的演化二、油氣生成的階段性及特征

門(mén)限溫度：隨著埋藏深度的增加，當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值，有機(jī)質(zhì)開(kāi)始大量轉(zhuǎn)化為石油，這個(gè)溫度界限稱(chēng)門(mén)限溫度。

門(mén)限深度：與門(mén)限溫度相對(duì)應(yīng)的深度稱(chēng)門(mén)限深度。

分三個(gè)階段：

成巖作用階段——未成熟階段

深成作用階段——成熟階段

變質(zhì)作用階段——過(guò)成熟階段

1、成巖作用階段—未成熟階段

從沉積有機(jī)質(zhì)被埋藏開(kāi)始至門(mén)限深度為止。

地層條件：低溫（小于50～60℃）、低壓。

有機(jī)質(zhì)特征：微生物化學(xué)作用為主，有機(jī)質(zhì)以形成干酪根為主，沒(méi)有形成大量烴類(lèi)，O/C大大降低，H/C稍微下降。

主要產(chǎn)物及特征：生物成因氣，有少量的烴類(lèi)來(lái)自于活生物體，大部分為C15以上的重?zé)N，為生物標(biāo)志物。正烷烴多具明顯的奇偶優(yōu)勢(shì)。成巖作用階段后期也可形成一些非生物成因的降解天然氣以及未熟油。

鑒別指標(biāo)：Ro小于0.5%。

2、深成作用階段—成熟階段

深成作用階段為干酪根生成油氣的主要階段。該階段從有機(jī)質(zhì)演化的門(mén)限值開(kāi)始至生成石油和濕氣結(jié)束為止，按照干酪根的成熟度和成烴產(chǎn)物劃分為兩個(gè)帶：

生油主帶：(低—中成熟階段)

凝析油和濕氣帶：(高成熟階段)

生油主帶：(低—中成熟階段)

有機(jī)質(zhì)特征：干酪根熱降解作用為主，H/C大大降低。

主要產(chǎn)物及特征：成熟的液態(tài)石油。以中—低分子量的烴類(lèi)為主，正烷烴中奇碳優(yōu)勢(shì)逐漸消失，環(huán)烷烴和芳香烴的碳數(shù)和環(huán)數(shù)減少，曲線由雙峰變單峰。W.C.Pusery把它稱(chēng)為“液態(tài)窗”或“石油窗”。

鑒別指標(biāo)：

Ro為0.5～1.3%。

凝析油和濕氣帶：(高成熟階段)

有機(jī)質(zhì)特征：

高溫下，剩余的干酪根和已經(jīng)形成的重?zé)N繼續(xù)熱裂解。

主要產(chǎn)物及特征：

液態(tài)烴急劇減少，C1～C8的輕烴將迅速增加。在地層溫度和壓力超過(guò)烴類(lèi)相態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界值時(shí)，這些輕質(zhì)輕就會(huì)發(fā)生逆蒸發(fā)，反溶解于氣態(tài)烴之中，形成凝析氣和更富含氣態(tài)烴的濕氣。

鑒別指標(biāo)：

Ro為1.3～2.0%。

3、準(zhǔn)變質(zhì)作用階段—過(guò)成熟階段

有機(jī)質(zhì)特征：

埋深大、溫度高，由于在成熟階段干酪根中絕大部分可以斷裂的側(cè)鏈和基團(tuán)已消耗殆盡，所以石油潛力枯竭，殘余的少量烷基鏈，尤其是已經(jīng)形成的輕質(zhì)液態(tài)烴在高溫下繼續(xù)裂解形成大量的熱力學(xué)上的最穩(wěn)定的甲烷。干酪根的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步縮聚形成富碳的殘余物質(zhì)。

主要產(chǎn)物及特征：

熱裂解甲烷。

鑒別指標(biāo)：

Ro＞2.0%。三、干酪根成油理論的新進(jìn)展

1.未—低成熟油的成因

★

強(qiáng)還原咸化環(huán)境藻類(lèi)成烴

★

鹽湖相沉積有機(jī)質(zhì)在低溫條件下轉(zhuǎn)化成烴

★

含煤巖系特殊的富氫顯微組分早期成烴

內(nèi)因：有機(jī)質(zhì)類(lèi)型

外因：局部咸化環(huán)境、較高的地溫梯度

2.煤成烴的形成

★

煤成烴：煤系地層的有機(jī)質(zhì)在不同的演

化階段，其富氫組分所生成的氣態(tài)和液

態(tài)烴類(lèi)。

★

演化特點(diǎn)：瀝青化作用

四、油氣生成的影響因素

有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程主要是一個(gè)生物化學(xué)和化學(xué)作用的過(guò)程，影響其演化的因素很多，有溫度、時(shí)間、細(xì)菌、催化

劑和壓力等因素，其中起主要控制作用的因素是溫度和時(shí)間。

1、溫度

化學(xué)動(dòng)力學(xué)定律的一級(jí)反應(yīng)方程：-dc/dt=KC

速度常數(shù)k由阿氏方程求得：

k=Ae-E/RT

E：為活化能，與鍵強(qiáng)度成正比，同溫下，E越大，反應(yīng)越慢；只有超過(guò)E值，才能反應(yīng)，相應(yīng)的溫度為門(mén)限溫度，與有機(jī)質(zhì)類(lèi)型有關(guān)。

T：為絕對(duì)溫度，決定其活化分子數(shù)和碰撞幾率，同活化能條件下，溫度增高，速度增加。

A：為頻率因子。

R：氣體常數(shù)。

2、時(shí)間

一級(jí)反應(yīng)方程積分：

ln(CO/C)=kt

k=(1/t)ln(CO/C)

阿氏方程取對(duì)數(shù)：lnK=lnA*(E/R)*(1/T)

上式代入下式整理得：lnt=(E/R)*(1/T)-b

反應(yīng)時(shí)間的對(duì)數(shù)與反應(yīng)溫度成反比，表明反應(yīng)溫度和時(shí)間可互補(bǔ)。

從以上化學(xué)定律的原理可以得出：

①有機(jī)質(zhì)在反應(yīng)過(guò)程中，溫度起決定作用，時(shí)間有補(bǔ)償作用；

②時(shí)間的補(bǔ)償是有限的，溫度所產(chǎn)生的熱量應(yīng)超過(guò)活化能E。

③壓力大阻礙有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化，但影響不大。

因此，門(mén)限溫度的高低取決于有機(jī)質(zhì)類(lèi)型，Ⅰ型<Ⅱ型<Ⅲ型；而門(mén)限深度的大小取決于地溫梯度，地溫梯度高，門(mén)限深度低。

第三節(jié)

油氣生成的地質(zhì)環(huán)境

晚期生油理論認(rèn)為：油氣生成必須具備兩個(gè)條件，一是有足夠的有機(jī)質(zhì)并能保存下來(lái)；一是要有足夠的熱量保證有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為油氣。一、大地構(gòu)造環(huán)境

三種構(gòu)造環(huán)境：

過(guò)補(bǔ)償

水體變淺

欠補(bǔ)償

水體變深

補(bǔ)償

保持一定水體深度

為了確保有機(jī)質(zhì)不斷堆積、長(zhǎng)期處于還原環(huán)境，并提供足夠的熱能供有機(jī)質(zhì)熱解需要，地殼必須有一個(gè)長(zhǎng)期持續(xù)下沉，以及沉積物得到相應(yīng)補(bǔ)償?shù)臉?gòu)造環(huán)境。只有盆地的下降速度與沉積速度大致相當(dāng)時(shí)有機(jī)質(zhì)才有可能大量堆積和保存，才有利于有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為油氣。

這種大地構(gòu)造環(huán)境主要分布在：

板塊的邊緣活動(dòng)帶

板塊內(nèi)部的裂谷、坳陷

造山帶的前陸盆地、山間盆地。二、巖相古地理環(huán)境

海相環(huán)境：

濱海、淺海大陸架、大陸坡、深海平原

淺海大陸架:陽(yáng)光、溫度適宜，生物繁盛，并接受河流搬運(yùn)來(lái)的大量陸源有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)異常豐富的聚集。有機(jī)質(zhì)的大量存在，消耗水中的氧，形成還原環(huán)境，保證了剩余有機(jī)質(zhì)和新補(bǔ)充的有機(jī)質(zhì)免受分解破壞。大陸

架上的瀉湖、海灣以及閉塞的深海盆地等也是良好的低能還原環(huán)境，既有利于有機(jī)質(zhì)的堆積，又有利于有機(jī)質(zhì)的保存，是良好的生油區(qū)。

陸相環(huán)境：

濱湖—沼澤區(qū)、淺湖區(qū)、半深湖區(qū)、深湖

半深湖區(qū)、深湖:水體較深，水體表層處于動(dòng)蕩回流狀態(tài)，其底部水流停滯，由于水底有機(jī)質(zhì)的分解，氧氣又得不到及時(shí)補(bǔ)充，便形成穩(wěn)定的還原環(huán)境，是有利的生油區(qū)。

這種大地構(gòu)造環(huán)境主要分布在：

板塊的邊緣活動(dòng)帶

板塊內(nèi)部的裂谷、坳陷

造山帶的前陸盆地、山間盆地。

第四節(jié)

天然氣的成因類(lèi)型

天然氣按成因可分為四種類(lèi)型：生物成因氣、油型氣、煤型氣和無(wú)機(jī)成因。一、生物成因氣

1、生物成因氣的形成

生物成因氣是指成巖作用階段早期，在淺層生物化學(xué)作用帶內(nèi)，沉積有機(jī)質(zhì)經(jīng)微生物的群體發(fā)酵和合成作用形成的天然氣，主要是甲烷氣及部分CO2

和少量N2。有時(shí)也混有早期低溫降解形成的烴氣。

可歸納為：

沉積有機(jī)質(zhì)

↓

微生物喜氧呼吸

產(chǎn)生有機(jī)酸、二氧化碳、水

↓

硫酸鹽、碳酸鹽巖

還原帶的厭氧呼吸

→

H2

兩帶產(chǎn)氫菌的活動(dòng)

→

H2

甲烷生成菌的活動(dòng)

→

甲烷

腐殖質(zhì)

↓

地質(zhì)聚合

干酪根

2、生物成因氣的特征

（1）化學(xué)組成

甲烷含量大于98%，重?zé)N含量一般小于1%，少量的N2

和CO2，為典型的干氣。

（2）δ13C值

一般為

–55

～-90‰。

3、生物成因氣的分布

生物成因氣的分布層位主要在白堊系以上，埋深在地表到2000米左右。區(qū)域上白堊系生物氣主要分布在東北地區(qū)，第三系分布在渤海灣和三水盆地，第四系主要分布在柴達(dá)木盆地和長(zhǎng)江沿海地區(qū)和現(xiàn)代湖泊中。二、油型氣

1、油型氣的形成

油型氣是指成油有機(jī)質(zhì)在熱力作用下以及油熱裂解形成的各種天然氣。包括濕氣（石油伴生氣）、凝析氣和裂解氣。

干酪根

↓

溫度

液態(tài)烴+氣態(tài)烴

↓

裂解

氣態(tài)烴（凝析氣、甲烷氣）

高峰期：在深成作用階段的中晚期。

2、油型氣的特征

（1）化學(xué)組成：重?zé)N含量大于5%，最高可達(dá)40～50%（石油和凝析氣階段）；過(guò)成熟氣以甲烷為主，重?zé)N氣一

般小于2%。

（2）δ13C值：隨著成熟度的增高而增大，由石油伴生氣的-55～-40‰

到凝析油伴生氣的-45～-30‰

再到干氣為≥-35‰。

3、油型氣的分布

油型氣分布普遍，東部北起松遼，南至廣東三水和廣西百色盆地，中部穩(wěn)定區(qū)的鄂爾多斯和四川盆地，西部的塔里木、準(zhǔn)葛爾和柴達(dá)木盆地。層位上從震旦系到第三系各層系均有分布。三、煤型氣

1、煤型氣的形成

煤系氣：凡與煤系有機(jī)質(zhì)熱演化有關(guān)的天然氣。

煤成（層）氣：煤層在煤化過(guò)程中所生成的天然氣。

煤型氣：煤系地層中分散有機(jī)質(zhì)在熱演化過(guò)程中所生成的天然氣。

目前用煤型氣來(lái)概括，即煤型氣是指煤系地層中煤和分散有機(jī)質(zhì)在煤化作用和再煤化作用過(guò)程中形成的天然氣。

腐殖煤、腐殖型干酪根

↓

泥炭化作用

泥炭、生物成因氣（因缺乏保存條件難以聚集）

↓成巖作用階段

褐煤、生物成因氣（非烴含量高）

↓

變質(zhì)作用階段（熱力作用）

長(zhǎng)焰煤

氣煤、肥煤

輕質(zhì)油和C2

～C4

重?zé)N氣

焦煤、瘦煤

煤型裂解氣

煤型氣

貧煤、煙煤、無(wú)煙煤2、煤型氣的特征

（1）化學(xué)組成：重?zé)N含量可達(dá)10%以上，甲烷一般占70%～95%；非烴CO2

量最大，N2

次之，H2S最少。

（2）δ13C值：一般為-41.‰

～-24.9‰。

3、煤型氣的分布

煤型氣多分布在煤系地層發(fā)育區(qū)。四、無(wú)機(jī)成因氣

1、無(wú)機(jī)成因氣的形成

由地殼內(nèi)部、深海大斷裂、深海沉積物形成，包括氮?dú)狻⒍趸?、硫化氫、氦氣等?/p>

氮?dú)猓焊邷馗邏簵l件下，含氮化合物裂解形成。

二氧化碳

：碳酸鹽在深埋高溫或巖漿活動(dòng)提供的熱源下分解形成。

硫化氫：由火山噴發(fā)形成。

氦氣：放射性氣體衰變形成，巖漿中鈾和釷放射性蛻變的產(chǎn)物。

2、無(wú)機(jī)成因氣的特征

化學(xué)組成甲烷占優(yōu)勢(shì)，非烴含量較高；δ13C值大于-20‰。

3、無(wú)機(jī)成因氣的分布

多分布在大斷裂、巖漿體。

第五節(jié)

烴源巖及其地球化學(xué)研究一、烴源巖的定義

烴源巖:指富含有機(jī)質(zhì)能生成并提供工業(yè)數(shù)量石油的巖石。如果只提供工業(yè)數(shù)量的天然氣，稱(chēng)生氣母巖或氣源巖。

由生油巖組成的地層叫生油層。在相同的地質(zhì)背景下和一定的地史階段中形成的生油巖與非生油巖的組合稱(chēng)為生油層系。二、生油巖的巖石類(lèi)型

泥質(zhì)巖類(lèi)：泥巖、頁(yè)巖等；

碳酸鹽巖類(lèi)：泥灰?guī)r、生物灰?guī)r以及富含有機(jī)質(zhì)的灰?guī)r等。

泥巖和泥灰?guī)r是石油原始物質(zhì)大量賦存的場(chǎng)所。

特征：粒度細(xì)——小于0.05mm，顏色暗——黑、深灰、灰綠、灰褐色等，富含有機(jī)質(zhì)，偶見(jiàn)原生油苗，常見(jiàn)分散黃鐵礦等。巖性特征是確定生油巖最簡(jiǎn)便、最直觀的標(biāo)志。三、烴源巖的有機(jī)地球化學(xué)研究

（一）有機(jī)質(zhì)豐度

1.有機(jī)碳:系指巖石中殘留的有機(jī)碳，即巖石中有機(jī)碳鏈化合物的總稱(chēng)，以單位重量巖石中有機(jī)碳的重量百分

數(shù)表示。

生油巖有機(jī)碳的下限：細(xì)粒頁(yè)巖為0.4%；而碳酸鹽巖可低至0.3%，甚至0.1%。咸化環(huán)境形成的泥質(zhì)生油巖可

降低至0.3%。

2.氯仿瀝青“A”和總烴含量

可視為石油運(yùn)移后殘留下來(lái)的原石油，二者的含量同時(shí)反映了有機(jī)質(zhì)向石油轉(zhuǎn)化的程度。

氯仿瀝青“A”下限值：0.0025%—0.003%；

總烴下限值：0.0005%—0.001%。

陸相生油層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（胡見(jiàn)義、黃第藩，1991）（二）有機(jī)質(zhì)的類(lèi)型

1、元素分析法

2、熱解法

由J.Espitalie等發(fā)展了一種研究生油巖特征的熱解方法，即生油巖分析儀，可以直接從巖樣測(cè)出其中所含的吸附烴（S1）、干酪根熱解烴（S2）和二氧化碳（S3）與水等含氧揮發(fā)物，以及相應(yīng)的溫度。

3、正構(gòu)烷烴

來(lái)源于陸生高等植物的有機(jī)質(zhì)氣相色譜圖上具有高分子量的正構(gòu)烷烴，其碳數(shù)范圍從C10～C40，主峰碳位置在nC27、nC29

和nC31。

來(lái)源于海相的浮游植物和藻類(lèi)的有機(jī)質(zhì)氣相色譜圖上具有中等分子量的正構(gòu)烷烴，主峰碳位置在nC15和

nC17，為單峰型。

如臺(tái)灣新竹的上第三系原油為海相原油，南海北部灣下第三系原油為陸相原油。

若為混合來(lái)源的有機(jī)質(zhì)，正構(gòu)烷烴會(huì)出現(xiàn)前后兩個(gè)峰，即為雙峰型，如美國(guó)猶英他盆地始新統(tǒng)沉積物。

4.甾萜烷

（三）有機(jī)質(zhì)的成熟度

1、鏡質(zhì)體反射率法

2、孢粉和干酪根顏色法

未成熟階段為淺黃至黃色；成熟階段為褐黃至棕色；過(guò)成熟階段為深棕色至黑色。3、巖石熱解法

4.正烷烴

奇偶優(yōu)勢(shì)比即正烷烴中奇碳分子比偶碳分子的相對(duì)濃度，它有兩種表示方法，即碳優(yōu)勢(shì)指數(shù)（CPI）和奇偶優(yōu)勢(shì)指數(shù)（OPE）。

隨著有機(jī)質(zhì)成熟度的增加，CPI值和OEP值愈接近1，并趨于穩(wěn)定。

5.甾族化合物

對(duì)于非環(huán)狀體系，與手征碳原子連接的四個(gè)基團(tuán)按質(zhì)量大小依次為A、B、C、D，假定觀測(cè)者位于質(zhì)量最小的原子或原子團(tuán)D的對(duì)面，A→B→C是順時(shí)針?lè)较蚺帕袝r(shí)，則稱(chēng)為R型，反時(shí)針?lè)较蚺帕袝r(shí)，