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第二章石油、天然气的成因与生油岩第一节概述第二节生油的原始物质第三节有机质向油气转化的地质环境和作用因素第四节有机质的演化和油气生成的阶段性第五节生油岩第一节概述石油成因问题是石油地质学中研究的重要问题之一,对待这个问题的研究已争论了一个世纪,其原因主要有四个:1.石油是可以流动的物体,产出地点非同生成地点。2.石油是成分复杂的有机化合物,对外界途径的变化较为敏感,它的不同组份可能有不同的生成经历。3.对石油与原始母质之间的过渡形式缺乏明确的认识。4.解决石油成因问题涉及广泛的地质学科和化学学科。一.石油的无机成因学说石油的有机成因说盛行于19世纪中叶,较为有代表性的学说有三个:1.碳化说(门捷列夫的学说影响最大-19世纪中期)石油是在地下深处的重金属碳化物与下渗的水相互作用所形成的,经化学反应生成的蒸汽在冲向地壳的过程中冷凝在地层孔隙里,在有一上覆的非渗透层遮挡时,可集中形成油气藏。2.宇宙成因说(索柯洛夫-19世纪晚期)某些天体中发现有碳氢化合物,它们是宇宙中所固有的,在地球处于熔融状态时,气圈中就存有碳氢化合物,后来随着地球的冷却,而被吸附并凝结在地壳的上部,在沿着裂缝溢向地表的过程中,便可以形成油气藏。3.岩浆说(库德梁采夫-20世纪50~70年代)地壳深处的岩浆中,存在碳、氢、氧、硫及石油中的其它灰分元素。在温度高达6000~12000°C中,碳和氢形成甲炔基;在3000~4000°C时,可形成亚甲基;温度依次降低,可分别形成甲基化合物和甲烷。同时,一氧化碳与氢可直接合成烃类化合物。当地球深处的高温岩浆(基性岩浆)离开岩浆源侵入到地壳以致于喷出地表的过程中,岩浆的温度逐渐降低,上述化学反应依次发生,在温度和压力适宜的地带,生成石油烃类。但并不否认石油在运移的过程中可以掺入一些生物成因化合物的可能性。二.石油的有机成因说有机学说的最早提出人是18世纪苏联的罗蒙诺索夫,他认为石油是煤在地下经受高温蒸馏的产物。到19世纪,有机学派提出了一些新的方案,如以低等动物为主的动物说和以藻类为主的植物说。也有人主张石油与煤同源于高等植物,只是沉积环境不同而已。但具有生命力的是动植物混成说,19世纪初波东尼认为动植物都是成油产生石油。在这一学说之后,人们又注意到有利于生油的生物化学组份,1932年前苏联的古勃金认为,各种生物化学组份都可参与生油。它们来自海洋的动植物残体,也可以是从陆地携带入的生物分解产物,含有这些有机物质的淤泥,就是将来生成石油的母质。母岩在早期由于细菌作用而产生分散态石油,晚期由于负荷加大,将油水一起挤入多孔的地层中,而油水按比重分开,形成了油藏和气藏。本世纪的50~60年代,有人提出了原生说,认为石油起源于生物体中固有的烃类。据估计海洋植物每年可以产生12×106t烃,如有0.01%被并存下来,一亿年即可满足世界石油储量。但生物体中的原生烃含量太少,更难以富集,不宜作为生油的主要原料。当时,斯密特在现代沉积物中发现了烃类,包括液态烃,得出了石油是在沉积的早期形成的理论,突破了30~40年代特拉斯克关于现代沉积物不存在烃类的著名研究,这是一个飞跃的突破。为此,斯密特曾获得了诺贝尔奖金。但是,早期生成的烃与晚期生成的烃无论在数量上或是在质量上均有较大的差别。最近的一、二十年来,菲利比.蒂索、阿尔伯莱切特等对生油剖面的详细研究表明,当母岩埋深到一定的温度和深度时,有机质才能产生成熟的石油烃。同时也承认,在成岩作用的晚期是石油的主要生成期,但不排除早期转换所做的准备。沉积物中的有机质在成岩作用的过程中,逐渐地转化成为可溶有机溶剂中的沥青与不溶于有机溶剂中的干酪根两大部分。60年代后期,一些前苏联学者倾向于把沥青视为生成石油的直接源泉。70年代西欧的一些学者认为干酪根为生油的母质,而沥青为干酪根热解过程的中间产物。关于生油相的问题,在本世纪40年代后,我国老一代石油地质工作者潘钟祥、黄汲青等力排众议,以中国油田的实例,雄辩地论证了陆相生油的现实性。从此,使唯海相生油论发生了动摇。目前,已很少有人反对陆相生油了。但还有一种错误的倾向,认为陆相环境是腐植有机质堆积,海相环境是腐泥型有机质堆积。在石油有机形成理论建立之后,争论的焦点转为石油是成岩早期还是成岩晚期生成的。本世纪50年代,早期成油主张相当活跃,当时,斯密特在现代沉积物中发现了烃类,包括液态烃,得出了石油是在沉积的早期形成的理论,突破了30~40年代特拉斯克关于现代沉积物不存在烃类的著名研究,这是一个飞跃的突破。为此,斯密特曾获得了诺贝尔奖金。但是,早期生成的烃与晚期生成的烃无论在数量上或是在质量上均有较大的差别。最近的一、二十年来,菲利比.蒂索、阿尔伯莱切特等对生油剖面的详细研究表明,当母岩埋深到一定的温度和深度时,有机质才能产生成熟的石油烃。同时也承认,在成岩作用的晚期是石油的主要生成期,但不排除早期转换所做的准备。沉积物中的有机质在成岩作用的过程中,逐渐地转化成为可溶有机溶剂中的沥青与不溶于有机溶剂中的干酪根两大部分。60年代后期,一些前苏联学者倾向于把沥青视为生成石油的直接源泉。70年代西欧的一些学者认为干酪根为生油的母质,而沥青为干酪根热解过程的中间产物。早期成油说与晚期成油说理论1.早期成油说认为石油烃类是沉积岩中分散有机质在成岩作用早期转变而成的,是沉积物中的烃和经过初步生物化学改造的烃简单聚集而成的,这些烃的聚集所需热力动力条件微弱,时间也不是很长。该学说的证据是现代沉积物中发现了烃,C14分析这些烃与现代沉积同时生成,主要论点是生油过程是生物体中烃类物质的聚集和分离。2.晚期成油学说本世纪60年代以后,一些学者研究表明现代沉积中的烃和古代岩石中的烃在分布和化学结构上有着本质上的差别。岩石、原油中烃的含量比生物沉积中烃的含量高很多,岩石、原油中高碳数烃具明显奇数碳优势消失的特征;而生物沉积中高碳数正烷烃则存在明显的奇数碳优势。因此,认为石油是有机质在成岩作用的晚期生成的。无机成油说学派50年代曾发起一次反攻,但没有动摇有机说理论在这一学说中的地位,有机起源说不仅有着充分的论据,而且形成了相当完整的体系,被大多数人所接受。第二节生油的原始物质一、生油的原始物质-有机残体1.脂类脂类是指动植物的油脂。油脂易水解生成脂肪酸和醇。脂肪酸只要通过去羧基或加氢即可产生烃类。2.碳水化合物是植物的主要组成部分。它们在自然界分布中数量丰富,但不利于保存,易被喜氧细菌所消耗或被分解成水溶物质。其中所含的纤维素较为稳定,是成煤的重要母质之一。3.蛋白质是不同氨基酸的聚合物。是生物体内的重要成分,是组成细胞的基础物质。但易受喜氧细菌的破坏而不利于保存。4.木质素仅存在于高等植物中,抗腐能力强,是成煤的重要母质。二、生油的原始物质-分散有机质烃类:沉积岩中可溶于有机溶剂的物质。沥青:可溶于有机溶剂的物质,是烃类和非烃类物质的化合物。干酪根:常温、常压下沉积岩中不溶于有机溶剂的固体有机质。三,生油的原始物质-干酪根干酪根在沉积物中的含量可占70~90%。MBA抽提物是极性很强的富含N、S、O的重质化合物。元素组成接近于干酪根,可以代表干酪根降解生烃过程中的中间产物。由此人们认为有机质生油在很大程度上是干酪根向沥青和烃类的转化过程。但也有一小部分抽提物是直接从有机体中继承下来的。岩石中抽提出来的干酪根是黑色或褐色的粉末,它不是单组份,而是复杂的高分子聚合物。干酪根元素组成中一般C占65~68%;H占4~8%和少量的氧及微量的S、N。不同类型原始物质干酪根成分、结构和特征也不相同,因此,对干酪根的研究是相当复杂的。HHHHHHHCCCCCCCS芳香族环杂原子饱和环强烈演化A:微弱演化B:强烈演化干酪根中可能遇到的大分子结构应用H/C和O/C原子比对干酪根进行分类蒂索将干酪根按H/C和O/C原子比将干酪根分为三种类型:I型:H/C原子比较高,H/C1.5,O/C原子比低于0.1为特征。以链状结构较多为特征,主要来源于低等水生生物藻类,富含脂类和蛋白质分解的产物,在沉积过程中藻类物质选择性聚集,有机质发生强烈的生物降解作用。这种类型生成液态烃的能力强,为生油的主要母质。相当于腐泥型干酪根。干酪根类型及其演化图解00.10.2H/C原子比O/C原子比1.51.00.50CO,HO,重质杂原子化合物22主要产物石油天然气热解作用增强II型:H/C原子比大约在1.0~1.5之间,O/C原子比低于0.15为特征。富含不同长度的脂肪族链及饱和环烷烃,也含有多环芳香烃及杂原子官能团。主要来源于海相浮游植物及浮游动物,如分散状存在,是生成大量油气的原始物质。III型:H/C1.0,O/C原子比高达0.2~0.3。主要含多环芳香烃及含氧官能团,还有一些脂肪族链被联接在多环网格结构上。主要来源于高等植物蜡,它们被河流带入海、湖成三角洲或大陆边缘环境中。该类干酪根生油潜力较小,但在深部可以成为生气的来源。掌握要点:各种类型干酪根的原始物质、沉积环境及产物。MAB抽提物MAB抽提物胶质+沥青质胶质+沥青质烃类烃类干酪根干酪根05001000150020002500(m)10(℃)1000950900850100500Mg(组分中的碳数)/g(总有机碳)第三节有机质向油气转化的地质环境和作用因素一、有利于油气生成的地质环境1.古地理环境①陆相:半深湖-深湖区、三角洲相。深水-伴深水湖相是陆相生油岩相发育的有利环境,这里具备有机物质含量丰富,水流弱,波浪小的静水沉积,水底是还原的良好环境,因此,具备良好的生油条件。但处于近海地带的深水湖盆地带泥岩沉积物对生油更为有利,深水湖盆的共同特征是长期稳定沉降的沉积岩系厚度达数千米以上,在湖盆长期大幅度沉降过程中,往往伴随着震荡运动,形成多旋回特点,旋回初期,是山麓河流相砂泥岩沉积,伴随盆地下沉,水体加深,湖盆扩大,达到半深水和深水湖相泥岩沉积,成为主要生油岩系。后期,湖盆沉积速度变小,湖盆变浅,沉积了不利于生油的岩系,最后,为湖滨沼泽相的炭质页岩沉积,一次旋回结束。之后,有可能开始一次新的沉积旋回,造成又一次有利生油的深水湖相沉积。总之,在地区分布上:深水湖相是最有利的生油岩相区;在空间上:湖盆中央的深水地区是生油的最有利地区;在时间上:生油最有利的时期是沉积旋回中持续沉降阶段。②海相:浅海区的泻湖、海湾和三角洲地带。浅海相:浅海相的碳酸盐岩和泥质岩具备很好的生油条件,它们多处于广海大陆架和潮下带,处于持续的低能环境,盆地长期稳定沉降,气候温暖湿润,生物繁盛,水体安静,氧化-还原电位是负值,水介质属弱碱性,长期的还原环境使丰富的有机物质得以顺利保存,并向油气转化。国外许多碳酸盐岩含油气盆地常出现碳酸盐岩-蒸发岩沉降旋回,开始是深水泥灰岩,然后过渡到石灰岩,局部遭受重结晶和白云岩化作用,有时出现生物礁沉积,最后,为原生白云岩、硬石膏及盐岩等蒸发岩。在旋回的初、中期为有利的生油时期。2.大地构造环境①沉降幅度能够补偿沉积厚度。②下降的速度快、时间长的地区。二、有机质演化成油的作用因素促使有机质演化和生成石油过程主要是生物化学和化学过程,涉及的主要因素有细菌、温度、时间和催化剂。1.细菌由于细菌生存条件的限制,细菌作用主要出现在有机质改造的早期。主要起到以下作用:(1)细菌本身是良好的生油原始材料,有的细菌可在自身细胞中合成少许固态的高分子烃类。(2)它的作用实质是将有机物中的O、N、S、P等元素分离出来,使C、H元素富集起来。(3)它可加速石油烃的转化,因它的存在增加了石油烃的化学活性,促进油气运移。(4)通过酵素可使原始生物质中的许多组份被氧化和消化。当游离氧耗尽,在有机质附近造成还原环境,这时厌氧细菌继续和它发生作用。在通氧的条件下游离产物为H2O、CO2、硫酸盐、铵和磷酸盐离子;在厌氧条件下主要游离产物为CH4、CO2、H2S、H2O、铵和磷酸盐离子。细菌作用是以气态和溶解态移走N、S、O和P等杂原子的有机质,此时,C、H相对富集。2.温度地温梯度:深度每增加100m所增加的温度值。人们曾对天然的有机质(脂肪酸、氨基酸)进行加热实验,得到了烃的产
本文标题:石油地质-第二章-石油成因.
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