能源地质学论文报告

石油的成因与微生物作用班级：13地质工程一班姓名：刘国子摘要：根据石油的赋存状态，运移特征以及形成过程中各种微生物的作用来分析石油形成演化的基本规律。关键词：热动力平衡，成油母质，油藏的赋存状态，初次运移，微生物，成岩作用，成油条件，沉积作用，干酪根。前言：当前在石油的生成和运移方面存在着一系列的争论,其革荤大者有
1.有机成因与无机成因的争论。2.干酪根起源说与生物直接成因说的争论,从而涉及到如何评价油源岩的问题。3.初次运移发生在浅层还是深层的争论,从而涉及到油藏主要受同期构造还是受晚期构造控制的认识问题。4.碳酸盐岩能否作为油源岩的争论,从而在碳酸盐岩中找油的准则究竟是什么。本文试图把近年来微生物学的成就引进到石油地质学中来,对上述问题提出新的见解,或许有助于找到更多的石油。正文：一、基本认知在讨论石油与微生物理论的认识之前,先讨论某些有关石油成因的感性认识及其推理。1.石油的热动力平衡状态
马丁等（1963）等分析了深度为970-3570m的18种原油的化学组成，指出其中的许多同分异构体与75℃和200大气压下的热动力平衡状态相差甚远。如以2-甲基戊烷和3-甲基戊烷为例，二者之间的比值应为72:28，而18种原油的平均值却是57:43,有两种可能的解释；一是假定促使石油生成的主要因素是“加热”，则石油应处于热动力平衡状态下，热平衡数据可以反映石油生成及其热成熟的温度。因此这一数据指示着大部分石油应是在低于或低于75℃的温度下生成的。二是假定石油主要是由于生物直接生成的。则可以不达到热动力平衡。动植物的生长极限温度都较低，只有嗜热菌可达70℃-80℃。这两种解释都导致石油是在低温下（不超过80℃左右）的推理，至少大部分石油是如此。2.气态烃类的同位素热动力平衡维诺格拉多夫和加里莫夫（1970）指出石油中的CH4-C2H6-C3H8体系，其碳同位素交换平衡是在低温条件下（25℃-50℃）确立的。其中甲烷可以有一部分生物成因，然而C2H6和C3H8很难由生物直接生成，因此这一数据暗示着石油与生物成因甲烷气有密切联系，另一方面指示着一部分的石油应在50℃左右已生成。（二）关于成油母质的一些认识既然石油是在低温下生成的，则转换成油反应的活化能必然降低，碳同位素分异效应必然减小，这意味着成油母质首先在结构上，其次在碳同位素组分上与石油烃类相当接近，纤维素，碳水化合物和木质素都满足不了这个二个条件，只有脂类及其氨基酸的脱羧基产物能同时满足这两个条件。没有迹象能够表明由各种物质混杂构成的干酪根可以满足这二个条件。尤其是在结构上满足不了解释我国陆相高腊原油的要求，因为在现代沉积物的干酪根热解试验中，正构烷含量只有0.1%-0.3%。在自然界中，干酪根多半无法直接热解成烃类，因为首先产生的是液态成分（活化能为5.4千卡/克分子），可以在进一步热解为烃类（活化能为32千卡/克分子）之前被成岩阶段的微生物利用掉。（三）油藏的赋存的状态世界各地油田大多数赋存与浅处。根据1971年统计资料，546个世界大油田有271个浅于1220米，192个位于1220-2440米。仅有83个位于深于2440米。大庆某油田的一些透镜状岩性油藏的深度为数百米。以至不到两千米。这种产状的原油只可能来自附近的油源岩，没有证据能够说明他们曾经埋深到很深的地方。有一些油水界面倾斜的冻结型油藏的形成深度多半不超过2000米。因为到了那个深度。成岩胶结作用已高度发育足以使油藏周围的通道全部堵塞死，石油必须在此之前进入油藏。另一方面，许多油田受同期构造的控制。如渤海湾地区的一些三角洲油田，在很大程度上受重力滑动和差异压实作用的同生断层和滚动背斜控制。这些同生构造主要发育于数百米到1，2千米的深度，即沉积物大量失水的阶段。当埋藏到3600米左右，沉积物中只剩下5%的孔隙水的时候，这些同生构造就很难再活动了，因此油藏多半应在数百米至两千米的深度时就已形成。
（四）关于初次运移的一些认识根据上述油藏赋存状态，有两种可能的解释。一是石油在浅处已生成，然后运移和聚集至圈闭中。二是先由成油母质运移和聚集至圈闭中，然后再在低温下转化为油。鉴于在数百米深度下，油源岩中烃类的数量不多，他们在水中的溶解度又很低（180℃才达到100ppm，而对含油丰富的盆地来说，应达到1000-10000ppm才能满足解释的需要），第一种可能性不具有重要意义。因此是先运移再转化成油（这进一步排除了干酪根起源的可能）二、微生物与石油已有资料表明，有机物在沉积阶段时已有10%-80%被微生物所改造，然而更重要的是有机质在成岩阶段继续处于不断被微生物改造的状况下。早已知道在地下深处存在大量细菌。很早就在原油中发现了活的细胞，每克岩石可含一千万至一亿个细菌，每毫升油田水可含数万至数十万细胞。然而许多人怀疑这是污染的结果。只是近三，五年来，少数学者才根据间接的证据进一步肯定了地下深处广泛存在细菌活动。细菌在沉积物表层1-2米处活动强度迅速下降并延续下降至150米深左右，此后在地温影响下渐渐恢复，至地温为35℃-42℃，极大多数厌氧菌已无法存在。细菌的作用不仅在于促使有机质转化为烃类以及细菌本身可在体内直接合成烃类，更重要的是细菌本身就是成油母质。细菌可以部分地或全部地转化为可溶于有机溶剂的抽取物和烃类，已由oppenhei-mer（1965）和利金巴奇（1975）先后通过实验证实。只是他们未意识到成岩阶段微生物的意义。（一）作为成油母质的微生物在地质环境中，细菌在死亡后，细胞的溶解作用进行得很快，菌溶作用产物可被其细菌利用作为养料，最后剩下的只是那些最稳定的部分，即是细胞壁和细胞膜。更确切地说，剩下的是脂类，因为脂类最稳定，而细胞脂类的95%左右集中在细胞壁和细胞膜中，在鞍山铁矿的铁石英岩中有许多年龄大于21——24亿年的细菌化石，足以说明在地质环境下细胞壁和细胞膜中相对稳定性，事实上从沉积物表层往下，尽管其他有机质越来越少，但脂类却越来越多。以奥利诺克三角洲直至45米的资料为例，在三米深处每克沉积物含脂类约400微克。每往下一米每克沉淀物的脂类含量增加8微克。这标志着数百米深处，细菌残余物比活的细菌多得多。石油主要与这些细菌残余物有关。细菌脂类主要以糖脂和磷脂的形式出现。嗜盐细菌的脂类则在很大程度上以脂蛋白的形式出现。这些脂类主要成分是脂肪酸，脂肪酸只要脱掉羧基即可转化为烃类。细菌分为两大类，革兰氏阴性菌的脂类集中在细胞壁中，其中正构饱和脂肪酸可占57%-88%，正构饱和脂肪酸仅3%。脂蛋白则含一定量的芳香结构。各种原油在化学组成上的差异，如陆相原油含脂量很高，海相原油则含异构烷和芳烃较多，与细菌群系和菌种不同有关。（二）初次运移和聚集前面已经论述过先运移后成油的观点。初次运移发生在浅处，那时成油母质尚不足以转化成烃类。脂类可保存在细胞壁，细胞膜，角质层等生物残余物中呈固态悬浮于水中，随着水随油岩中被挤出而运移至储集岩中，这是主要运移形式。一部分脂类已分解为脂肪酸等物质。脂肪酸及其金属盐可呈胶束状态和真溶状态溶于水中而运移，这是其次的运移的形式。此外甲烷生成菌生成的甲烷气所产生的溶解气效应也有助于运移。（三）转化石油阶段成油母质转化为石油的过程受温度和时间两个因素支配，起决定作用的是温度。细菌的脂类组成为了适应细菌的生长温度而有种种变化。反过来说也一样，当这些物质趋于热不稳定时，细菌也就无法生存。细菌生长的极限温度大致就是细菌残余物趋向分解温度。嗜温菌的生长的温度一般为45℃，嗜热菌是70-80℃，因此在地温相应地为50℃和75-85℃时，已分别足以使嗜热菌和嗜温菌降解转化为烃类。相应的深度大致为1200m左右和2000-3000m。这样的两个深度与546个世界大油田深度分布的二个最大的峰值位于1200-1500米和1800-2100米深度区间的统计资料是吻合的。脂类转化为烃类所需要的温度比干酪根低，这是因为脂类是生物体的高容量能量储存库，生物将养料合成为脂类是一个能量聚集过程。也就是说，有沉积有机质生油过程是能量浓集过程。需要补充说明的是，聚集在储集层中的成油母质仍然处在被微生物改造的过程中，一直延续到地温或其他因素不允许微生物生存为止，在此后进入纯粹的热解阶段。三、支配成油数量的因素支配一个盆地单位面积成油数量的因素很多，其中主要的是（1）在盖层形成以后细菌数量（2）初次运移的效率；（3）沉积速率及其时间。至于油藏的保存状况，不在本文讨论范围内。（一）在盖层形成后细菌数量在盖层形成后细菌的数量数量涉及到在盖层形成前细菌的流失状况。在沉积物表层处于氧化条件时，细菌大量繁殖，但此时盖层尚未形成，虽有大量成油母质，却可全部流失掉。因此，红层基本上不能成油，除非在膏岩层或沥青湖迅速覆盖形成盖层的场合下。在沉积物表层处于还原条件下，有机质得以保存至盖层形成后作为细菌的养料。（二）初次运移的效率世界各含油气盆地每平方公里发现的石油数量可相差三个数量级，如按单位体积沉积物所形成的石油数量计算，则可相差四个数量级。初次运移的效率与油源岩孔喉的粗细分布和作为有效运载工具的水的数量有关。强调油源岩孔喉粗细的意义是因为细菌具有一定的体积，直径约为0.3-3微米，长度为直径的1.2-20倍。（三）沉积速率及持续时间沉积速度对于成油丰度的影响是多方面的。首先沉积速率快有利于沉积物粒度偏粗和非粘土矿物含量增加，从而提高运移的效率；其次是有利于沉积有机质的迅速埋藏，较多地保存至盖层形成后；再之是迫使地温梯度下降。沉积物在埋藏过程中要吸收大量热量的，沉积速度快必然导致地温梯度降低。在现代快速沉陷的巴哈马礁滩，地温梯度只有0.5℃/100米。在尼日尔河三角洲，在沉积速度的中央部分是1.29℃-1.84/100米，在沉积速率慢的边缘部位是4.92摄氏度-5.47摄氏度/100米，目前在中央部位的沉积速度已停滞下来并成为陆地，但地温梯度还来不及恢复至正常。尼日尔河三角洲的例子说明在主力油岩快速沉积之后，地温梯度的回升是相当缓慢的，不仅在盖层形成之后而且可在油藏已经形成之后尚未复原。四、碳酸盐与石油国际上反对碳酸盐岩能够生油的主要理由是即使生了油，也运移不出去，因为它们很快固结，失去了大部分水。本文拟从碳酸盐岩成岩作用的特点谈起，对此作出回答并阐明碳酸盐岩成油的特点。（一）碳酸盐岩成岩作用的特点从找油的角度来探讨碳酸盐岩的成岩作用，其特点；（1）开放性；（2）易于局部溶解和沉淀。（1）开放性认真分析一下Huson（1977）汇编前人的数据而绘制的石灰岩氧和碳同位素组成分布图；可看出的海相灰岩（全岩平均值）的δO18为-1.5到-15%.，指示着其成岩温度为22℃到80℃以上，氧同位素组成发生如此大的变化，要求向外界输出O18和从外界输入O18，这样的输出和输入一般是通过矿物与孔隙水之间的同位素交换进行的。这一空隙水必须与外界水体充分联通，才能为氧同位素组成随成岩温度而变化提供条件。这就是本文提出来的开放性。相比之下，细粒碎屑岩虽然也能在压实作用下把孔隙水排泄至外界，然而其连通性却相差很多，以至与外界无法达到氧同位素交换平衡。这表现在细粒碎屑岩中的碳酸盐结核，其氧同位素组成无法随成成岩温度的升高而变轻。大体上还保留在沉积后不久生成时的状态。比较开放的系统便于从外界输入分子氧和向外界输出成油母质。分子氧的相对易于输入导致碳酸盐岩中的有机质在细菌作用下以较快的速度被消耗掉。吉门（1962）分析了大量样品揭示了古代灰岩有机质含量的中值，只有现代碳酸盐沉积物的五分之一左右，因此大约有五分之一的有机质是在成岩阶段被消耗掉的。相比之下，古代页岩的有机质仅耗失5%-10%。正是出于碳酸盐岩的开放性特点，造成碳酸盐岩不同于碎屑岩的成油特点。（二）碳酸盐岩成油条件鉴于碳酸盐岩的开放性，要求在油源岩在沉积后不久，在其上方迅速出现封闭条件，降低分子氧的输入速度，延迟细菌的活动，减少成油母质的流失，阻滞沉积物的过早硬结并丧失其孔隙率。在上面迅速出现封闭条件有二种情况。一是具有膏盐层作为盖层。世界上碳酸盐岩大油田的70%与膏盐层有关。尤其是在中东。二是在快速沉积背景