石油和天然气生成原因

石油和天然气的成因及生油层主讲人：王连进电话：[phone]QQ：34490689E-mail:[e-mail]主要内容油气成因说概论第一节生成油气的原始物质第二节生成油气的地质及动力条件第三节油气生成的主要阶段第四节生油层油气成因说石油和天然气的成因是石油地质学界的主要且具有争议的研究课题。其理论意义不言而喻。根据对成油原始物质的不同认识，是由成因理论主要分为无机成因和有机成因两大学说派别。无机成因说无机成因说的代表有：1879年，门捷列夫，“碳化说”；1889年，索科洛夫，“宇宙说”；1904年，Coste，“火山起源说”；1949年，库德梁采夫，“岩浆说”。无机成因说的基本设想：认为在高温条件下，碳、氢元素或这些元素的无机化合物通过化学反应合成石油。认为地球深处的高温岩浆，在离开岩浆源侵入地壳的过程中，岩浆的温度逐渐减低，但合成石油的化学反应依然发生，在温度和压力适宜的地带，生成石油烃类，而后析出，进入邻近的孔隙性岩层，在条件具备时，聚集形成油气藏。石油有机成因说认为，石油是由沉积物中的有机质，在特定的地质环境下，在各种营力（agent)的综合作用下，经历生物化学，热催化、热裂解、高温变质等阶段，陆续转化为石油和天然气。有机成因说可分为早期成油说和晚期成油说两个分支。其中有机晚期成油说已被石油地质学家、地球化学家所接受，并用来指导油气勘探。第一节生成油气的原始物质有机成因说认为，生成油气的原始物质是沉积物中分散的有机质，即沉积有机质。早在40亿年前（隐生宙）是地球上就出现了生物。此后经历了由低等到高等，由简单到复杂的发展过程。从现在地球上种类繁多、数量巨大的活体动植物机体中发现了与烃类有关的化合物，虽然数量甚微，但加深了人们对生成油气的原始物质是沉积有机质的认识。1.1沉积有机质的来源沉积有机质来自生物圈中种类繁多的动物和植物。生成油气的生物主要以低等水生生物为主，如细菌、藻类、有孔虫、介形虫、叶肢介、珊瑚、软体动物等等。以细菌和藻类为最佳。陆生动、植物体中的有机质绝大部分被氧化掉或保存在土壤中，有一小部分被河流带到海洋和湖泊中去。因此，在湖泊和三角洲地区，陆生有机质也是形成油气的物质来源之一。生物体的有机组成，从化学结构上主要分为类脂化合物、蛋白质、碳水化合物和木质素等。生物体的分泌和排泄物以及尸体都可以形成这些有机组分。生物体的有机组分在沉积介质的控制下，大部分遭到了不同程度的分解。分解产物一部分通过生物作用进行再循环，另一部分通过物理化学作用转化为简单分子而逸出，仅有很少一部分有机质，逃脱了生物再循环和物理化学分解，在外力地质作用下，伴随其它矿物一起沉积保存下来，这部分就是沉积有机质。沉积有机质常呈分散状态分布在沉积岩中，其总量约为3.8×1015t(Dickins，1958？）。但在不同的沉积岩中，有机质的含量不同，其中页岩为2.1%，碳酸盐岩为0.29%，砂岩为0.05%（J.M.Hunt,1962).1.2干酪根（Kerogen）干酪根(Kerogen)最初是指苏格兰油页岩中蒸馏出的油状物质，后转意为油母质、有机质，并加以限定。现今干酪根的定义为：沉积岩中不溶于碱、非氧化型酸和有机溶剂的分散有机质(Hunt，1979)。而沉积物中未固结的有机质以腐植酸为主，它是沉积岩中干酪根的前身。干酪根是有机碳存在的最重要的形式，占沉积岩中分散有机质总量的80%-90%，甚至更高，其余可溶于有机溶剂的部分叫沥青，通常指氯仿抽提物，包括烃类、胶质和沥青质。抽提时温度常低于80℃。岩石中的干酪根是最重要的成烃母质，以巴黎盆地的典型研究看(图１)，随着埋深加大和地温升高，有机质中的干酪根含量不断下降，而烃类、胶质和沥青质的含量则相应上升。另外MAB抽提物即甲醇一丙酮一苯二元混合溶剂抽提物的含量也逐渐减少。MAB抽提物是极性很强的富含N、S、O的重质化合物，元素组成最接近于干酪根，可代表干酪根向沥青和烃类转化过程的中间产物。当然，也有部分的烃类是直接从生物烃继承下来的。1从岩石中提纯出来的干酪根呈黑色或褐色粉末，是复杂的有机高分子聚合物。从干酪根的显微组成已确定的有机残体有藻类、细菌和高等植物的组织。这些高等植物的组织包括壳质组的孢粉、树脂体和角质体以及镜质组和丝质组的碎片。干酪根的元素组成中以C为主，其次为H和O，还有N、S等。按元素的质量百分比计算，它们一般分布范围C：70%-90%，H：3%-10%，O：35%-19%，N：0.4%-4%，S：0.2%-5%(据Tissot，1984)。从图２也可看出，干酪根的元素组成有很大范围，这正是干酪根原始物质来源复杂而广泛的反映。不难想象，它的化学成分和结构会因原始物质类型和演化程度而变化。2干酪根是分散有机质的主体，因此，它的类型基本可代表岩石中分散有机质的类型。干酪根的类型与原始物质的类型和化学结构密切相关，类型不同其成烃潜力亦不同。Tissot(1974)根据干酪根的元素分析采用H/C和O/C原子比绘制相关图即范氏图(VanKrevelen图)，将其主要分为3大类，如图3所示。3Ⅰ型是分散有机质干酪根中经细菌改造的极端类型，或藻质型，它富含脂肪族结构，富氢和贫氧，原始H/C原子比高，一般为1.5-1.7，而O/C原子比低，一般小于0.1，是高产石油的干酪根，其热失重≥65%，生烃潜力为0.4-0.1Ⅱ型是生油岩中常见的干酪根又称腐泥型，有机质主要来源于水盆地中浮游生物和细菌。有较高的原始H/C原子比，约1.3-1.5；较低的O/C原子，约0.1-0.2，其生烃潜力较高，热失重为50％-80％，生烃潜力为0.3-0.5。Ⅲ型是由陆生植物组成的干酪根又称腐植型。富含多芳香核和含氧基团。原始H/C原子比低，通常小于1.0，而O/C原子比高，可达0.2-0.3，这类干酪根以成气为主，其热失重为30%-50%，生烃潜力为0.1-0.2。另外，还有一种干酪根称残余型或Ⅳ型，具异常低的原始H/C原子比，比值低至0.5-0.6，而O/C原子比却高达0.25-0.3。这类干酪根中有大量的芳香核和含氧基团，显微组分观察表明其有机质主要为惰性组的氧化有机质和丝质碎片，能生成少量的气，此干酪根的热失重30%，生烃潜力0.2。第二节生成油气的地质及动力条件生成油气的原始物质是沉积有机质，而沉积有机质转化成石油则经历一个加氢、去氧、富集碳的过程。这一过程必须在还原条件下进行，而还原环境的形成和持续时间的长短则受到当时的地质和动力条件的制约。地质条件动力条件2.1地质条件有利于沉积有机质向石油转化的地质环境，主要受大地构造条件和古地理环境的控制。1.大地构造背景长期、持续稳定下沉的盆地是最重要的地质条件。2.古地理环境首先应具有深度适当、面积较大、有机物丰富的水体，其次应有利于有机质保存的低能还原环境。古气候因素。2.2动力条件有机质向油气转化的过程，是一个不断吸收能量的过程。有利的地质条件不但可以形成丰富的有机质，同时也可以为沉积有机质向油气转化提供能量来源。促使沉积有机质向油气转化的动力主要有细菌作用、催化作用、热力作用以及放射性作用等等。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，而晚期干酪根热演化成烃主要是物理化学作用过程。因此，所涉及的主要因素有细菌、温度和时间以及催化剂等。1．细菌细菌在自然界有很强的生存适应性和繁殖能力。它们遍布于大多数的天然水系和埋藏较浅(l000m)的沉积物中。细菌的生存和消亡、抑制和活跃受养料、湿度、温度、水循环、和介质的pH值、Eh值以及毒性代谢物所控制。在含油气系统中，细菌对有机质的成岩作用和石油及天然气的生成以及降解过程起重要作用。在沉积物中，细菌活动的总趋势一般随埋深增加而减弱。而且在垂向上不同类型的细菌则出现连续分带现象，即从浅到深为喜氧菌带、厌氧硫酸盐还原菌带和厌氧碳酸盐还原产甲烷菌带。在浅水沉积物中，细菌最活跃且分布广泛。据调查，在现代沉积物和土壤的顶层细菌的含量为0-500g/m3（一亿个细菌相当有机质1毫克）。自地表往下，喜氧细菌含量在几米深处已极少，并逐渐为厌氧细菌所代替。通常认为适宜细菌生存或保持其活动的温度一般小于100℃。据周翥虹等人(1982)报道，在柴达木盆地第四系埋深1701m的岩心中发现甲烷菌。此外，大气降水也可携带细菌注入较深的多孔岩石中。另外的研究认为：在80-100℃左右时或成岩作用晚期，干酪根中释放的酚类对细菌有毒害，甚至可起到杀菌的作用。细菌通过酵素可使许多不稳定的原始生化组分被分解和消化。在通氧条件下主要游离产物为H2O、CO2以及NH3硫酸盐和磷酸盐离子；在厌氧条件下主要游离产物为CH4、H2S、H2O以及NH3和磷酸盐离子。实验和野外资料研究表明，有机质经细菌作用后还可直接产生沥青物质。此外，细菌本身也是良好的生烃原始材料，有的细菌还可在自身细胞中合成少许固态高分子烃类。由于生存条件的限制，细菌的生物化学作用主要出现在成岩作用的早-中期。2．温度和时间地球不断由内部向地表散发热量，从而地壳形成一个温度向内递增的天然热场。深度每增加100m的温度(℃)增加值叫地温梯度。现代地壳平均地温梯度为3℃/100m，变化范围为0.5-25℃/100m。含油气盆地常见的地温梯度为2-5℃/100m。因此，沉积有机质随着埋深必然经历逐渐升高的温度。大量实际资料表明，当生油岩达到门限温度时，干酪根才开始成熟，从而大量成烃。与门限温度对应的深度叫门限深度，温度与深度的关系取决于地温梯度。相同的门限温度在地温梯度大的地区出现得较浅，而在地温梯度小的地区则出现得较深。据Philippi(1965)研究，洛杉矶盆地和文图拉盆地的上第三系生油岩门限温度部为115℃，但由于两盆地的地温梯度不同则所对应的门限温度分别为2440m和3660m(图4)。实际资料表明，生油门限温度通常都在50-130℃范围(图5和图6)。一般讲，生油主要阶段的起始温度不低于50℃，终止温度不高于175℃。这也就是说，地壳中的生油过程只出现于有限的温度和深度范围。而有机成气的温度一般不高于230℃。勿容置疑，温度在干酪根成烃演化过程中起着决定性作用。4563．催化剂石油炼制中常使用催化剂。在自然条件下，最主要最有现实意义的催化剂是粘土。已知蒙脱石型的粘土催化活力最强。从根本上说，催化剂的作用主要是一种复杂的自由表面能现象，被催化剂所吸附的各种原子在催化原子的激发下变得活跃起来，从而有利于结合成新的化合物。在有机质生油过程中催化剂可以改变其原有结构，断开其C-C和C-H键，进而分裂出较轻的烃。根据实验资料，在100℃下裂解正十六烷，用高活力催化剂只需几个月，用低活力催化剂需1000年。而单纯热裂解所需的时间已超过了地球的年龄。在125℃以前热催化降解可能是主要的生油机制，而高温的凝析油和湿气可能主要靠热裂解产生，热降解反应的速率是由温度，反应物浓度以及催化剂的浓度和活力所决定的。总之，在有机质生油转化过程中，催化剂的参与可加快成烃的反应速率，降低反应所需的活化能以及改造烃的性质。水的存在可以严重降低粘土的催化活力。因此，沉积物中的粘土可视为低活性催化剂。纯碳酸盐岩通常被认为没有催化活力。所以生油的碳酸盐岩常含有相当的粘土质点，但终不如页岩的催化效果好。也正因此，碳酸盐岩中的干酪根的活化能高于页岩中的同类干酪根。这里还要提及另-类催化剂-酵素(酶)。酵素中含有某些活性组分，可起催化作用。沉积物中的酵素是与有机质问时积聚的，在分开有机质，并将不溶(于有机溶剂)有机质转变成可溶有机质过程中起积极作用。但在地下深处如何评价尚有待进一步研究。4．放射性实验表明，用α射线轰击某些有机质可得到甲烷，二氧化碳和氢，轰击水可得到氧和氢。氧与有机质作用最后生成二氧化碳，氢可使有机质氢化或与二氧化碳化合成甲烷。甲烷在射线作用下可叠合成乙烷、更重的气态乃至液态烷烃。问题在于沉积岩中放射性元素含量太低。有人计算，假定每立方千米岩石含有0.001%铀，有机质含量为1%时，在1百万年时间内，由放射性作用所生成的石油是18×104t。这个量级对