第2章石油及天然气的成因

1/199第二章石油及天然气的成因本章的主要内容：一、石油的无机成因说二、石油的有机成因说三、石油中各族烃类的形成过程2/199第二章石油及天然气的成因研究石油的成因的主要目的：指导石油勘探、预测石油的储量了解石油的化学组成上的某些特点与石油成因的关系。关于石油的成因，到目前为止，学术界还有争论，主要原因在于：石油在地下易于流动，现在找到的油、气藏的地方往往并不是石油生成的地方。通过运移，现在的石油组成并不代表其本来面貌。石油形成过程发生几亿年前的地层深处。3/199第二章石油及天然气的成因研究石油的成因必须解决三个问题：生成石油的原始物质原始物质变成石油的原因和过程石油的运移和富集关于石油生成的原始物质，有两大学派：无机成因学派有机成因学派4/199第二章石油及天然气的成因第一节石油的无机成因学说无机成因学派的主要论据：通过无机途径可以形成一定量的烃类火山喷出的气体和熔岩中含有烃类许多天体上存在烃类5/199第二章石油及天然气的成因无机成因学说：碳化物说，俄国化学家门捷列夫创立，主要观点是在地球形成时期，碳和铁变成液态，相互作用形成碳化铁，保存在地球深处，地表水沿着地壳裂缝向下渗透与碳化铁作用而形成了烃类。宇宙说，俄国学者索科洛夫创立，理论基础是在一些天体中发现了碳氢化合物，认为这是宇宙中所固有的。岩浆说，前苏联学者库德梁采夫提出，主要观点是碳和氢不仅存在于太阳和星球中，而且也存在于地球的岩浆中，在高温高压下它们形成各种烃类。6/199第二章石油及天然气的成因无机成因的致命弱点：脱离了地质条件来讨论石油的形成将宇宙中发现的简单烃类与复杂的石油烃类等同起来。目前比较公认石油成因：有机成因学说－－能够指导生产并正确反映客观规律7/199第二章石油及天然气的成因第二节石油的有机成因说有机成因学说的主要观点：生成石油及天然气的原始物质：既有动物又有植物，而以低等生物为主。石油及天然气的生成环境：既有陆相生油，又有海相生油。8/199第二章石油及天然气的成因一、生油的原始物质石油是地质时期中生物遗体（或有机残体）在适当条件下生成的。形成沉积物中有机质最重要的生物有四种：浮游植物浮游动物高等植物细菌9/199第二章石油及天然气的成因生物有机质的主要生化组成：木质素碳水化合物蛋白质类脂10/199第二章石油及天然气的成因1、木质素木质素的特点：不易水解，但可被氧化成芳香酸和脂肪酸。在缺氧的水体中，在水和微生物的作用下，木质素分解，与其它化合物生成腐植酸，腐植酸又与烃类形成络合物，从而成为烃类从陆上流到海洋的运载体。与木质素具有相似结构的物质是丹宁，它们都是沉积有机质中芳香结构的重要来源，是成煤的重要前身物，也可生成天然气。11/199第二章石油及天然气的成因2、碳水化合物亦称糖类，几乎所有的动、植物及微生物中都含有糖，糖的通式可用Cx(H2O)y表示，故称碳水化合物。糖按分子大小可分为单糖、低聚糖和多糖，多糖中对形成沉积岩中有机质最有意义的是纤维素和半纤维素。纤维素和半纤维素是成煤和气的主要原始物质。12/199第二章石油及天然气的成因3、蛋白质蛋白质是生物体内一切组织的基本组成部分，细胞中除水外，其余80%都是蛋白质，它是20多种氨基酸分子通过肽键连接而成的复杂的高分子化合物，在酸、碱、酶的作用下，蛋白质发生水解形成氨基酸。有机体死亡之后，氨基酸仍保存在遗骸中。13/199第二章石油及天然气的成因4、类脂指所有不溶于水而易溶于乙醚、氯仿、苯等低极性有机溶剂的脂状物质，其中包括：油脂、蜡、萜类、烃类和色素等。类脂的特点：能在各种地质条件下保存下来；其元素组成和分子结构与石油烃类最接近，因而被认为是生油的主要原始物质。14/199第二章石油及天然气的成因二、生油环境温暖、潮湿的气候环境有利于生物的大量繁殖和发育，从而具备了丰富的生油原始物质。在海洋或湖泊中，不仅有丰富的水生生物，还因水体起到了隔绝空气的作用，阻止了有机残体的腐烂分解，于是与矿物质一起被沉积埋藏起来。因此海洋、湖泊、三角洲等古地理区域都是生油的有利地区。15/199第二章石油及天然气的成因随着沉积盆地的不断下沉，沉积物不断加厚，地层的压力与温度也不断增加，沉积物经历一系列的物理化学变化而变成了沉积岩，含有分散有机质的沉积岩称为生油岩。除了浅海外，内陆湖泊也有丰富的有机残体，并具备还原条件，是良好的生油区。在我国除塔里木属于海相生油外，绝大多数油田都是在陆相条件下形成的。16/199第二章石油及天然气的成因三、有机残体的演化和油气生成的阶段性通过对生油岩剖面的详细研究表明，只有当生油岩埋藏到一定深度并具备一定湿度时，原始有机质才能转化成石油烃。沉积岩中的有机质的组成部分沥青：溶于有机溶剂干酪根：不溶于常用的有机溶剂，是高分子聚合物，呈暗棕色细软粉末，分散在沉积岩中，占80～90%，是由有机残体演化而成的。17/199第二章石油及天然气的成因干酪根演化生成石油烃的三个阶段：干酪根形成及生成甲烷气阶段干酪根裂解成油阶段干酪根裂解成气阶段18/199第二章石油及天然气的成因1、干酪根形成及生成甲烷气阶段（未熟阶段）（1）干酪根的形成蛋白质、碳水化合物、木质素、类脂的分解产物氨基酸、糖、酚、脂肪酸19/199第二章石油及天然气的成因氨基酸、糖、酚、脂肪酸的缩聚产物腐殖物质：来源于高等植物，以酚结构为主，脂肪结构较少。腐泥物质：来源于水生生物，富含脂链、脂环、肽链。20/199第二章石油及天然气的成因不溶于NaOH水溶液的胡敏素腐殖(泥)物质溶于NaOH水溶液的腐植酸随着埋藏深度的增加，最终完全转化成胡敏素，与周围矿物质络合，稳定保存下来，它们就是干酪根的前身物。随着埋藏深度的进一步增加，胡敏素缩合，官能团损失，演变成干酪根。21/199第二章石油及天然气的成因（2）干酪根的类型干酪根腐泥型：H/C为1.3～1.7，呈富集状态时形成油页岩，而呈分散状态时形成生油岩。腐殖型：H/C小于1.0；呈富集状态时形成煤，而呈分散状态时分布于沉积岩中，最终形成天然气。早期的分类方法：22/199第二章石油及天然气的成因现在的分类方法，根据H/C和O/C原子比分类：Ⅰ型干酪根：H/C原子比较高（1.25~1.75），O/C原子比较低（0.026~0.12），富含类脂物质，主要是由脂肪链组成，多环芳烃和含氧官能团较少，是生油潜能最高的一种干酪根。Ⅱ型干酪根：常见类型，较高的氢含量，H/C原子比为0.65~1.25，O/C原子比在0.04～0.13之间；属高度饱和的多环碳骨架，含较多中等长度的直链烷烃和环烷烃，也含多环芳烃和杂原子官能团，是良好的生油母质。23/199第二章石油及天然气的成因Ⅲ型干酪根：H/C原子比较低（0.46~0.93），O/C原子比较高（0.05~0.3）；含大量的芳香结构和含氧基团，脂族链只占很少部分，被连接在多环网络结构上，其生油能力差，是生成天然气的主要来源。24/199第二章石油及天然气的成因（3）干酪根的结构干酪根的结构特征：干酪根是一种大分子的缩聚物；其相对分子质量高，不溶于有机溶剂与水；不是均一的分子，而是由相似的而又不同的结构单元所组成的杂乱聚合物；由于原始物质和生油环境的不同，在组成和结构上各有差异。25/199第二章石油及天然气的成因2、干酪根裂解成油阶段（成熟阶段）当有机质埋藏深度达1500～2500米时，温度升高至60～180℃，干酪根便在热催化作用下大量裂解形成液态烃以及一定量的气体，这一阶段被称之为生油的主要阶段。这一阶段生成的石油，按其组成可分为：低成熟原油：非烃组分较多，重质烃比例高，生物标志物多，密度较大。成熟原油：含有更多的轻质烃，非烃组分含量显著降低，密度较低。26/199第二章石油及天然气的成因影响干酪根等有机质热解生油的主要因素：温度在有机质成油过程中起主要作用。在形成油气的漫长地质年代过程中，时间具有不可忽视的作用。生油岩的催化作用和吸附作用，生油岩是一种有机质分散于矿物黏土中的岩石，矿物质不可避免地影响有机质的热转化。黏土矿物中的放射性物质的作用，是促使有机质向油气转化的能源之一。27/199第二章石油及天然气的成因3、干酪根裂解成气阶段（过熟阶段）随着埋藏深度继续增加，干酪根大量转化成石油之后，热裂解成为主要的转化反应，干酪根不再具有生成长链液态烃的能力，其结果是轻质液态烃数量迅速增加，在高温下继续裂化形成甲烷。28/199第二章石油及天然气的成因干酪根过熟的干酪根原油甲烷H/C增加的过程H/C降低的过程石墨干酪根的演化示意图：29/199第二章石油及天然气的成因五、石油的运移与富集石油和天然气在地壳中的任何移动都称为油气的运移。通过运移，分散的油气由生油层进入储油层，又通过储油层进入阻碍油气继续运移的闭圈，聚集起来成为油气藏，所以油气运移是油气由分散到集中的必要条件。30/199第二章石油及天然气的成因油气运移的两个过程：初次运移：在生油层中由于干酪根裂解产生的油气混合物因体积增大而产生的压力和裂隙，使混合油气从生油岩通过裂隙向外排出并从生油层驱出进入渗透性更强，孔隙性更高的储油层的过程。二次运移：油气进入储油层后的一切运移过程。31/199第二章石油及天然气的成因石油进入储油层后，在相应的环境下受到各种地球化学作用的影响，会和在储油层中的物质发生相应变化，使其组成和结构发生次生改造，使石油中组分变轻，杂原子含量降低。造成石油在储油层中发生次生改造的地球化学作用有：热催化作用：储油层中的石油和天然气中的烃类在更高温度的地热系统中向着分子结构更加稳定的方向继续演化，形成最稳定的混合物。32/199第二章石油及天然气的成因氧化作用和生物降解作用：生物降解和氧化作用的综合效应就是形成密度大，粘度高的重质原油，强烈的次生改造可以使原油转化成天然沥青。硫化作用：在硫酸盐还原细菌作用下，硫酸盐可以氧化烃类，而其自身还原成H2S和S，元素S与烃反应形成烷基噻吩、硫醇、硫醚等含硫化合物。脱沥青作用：当油藏中含有大量的C1～C6的轻烃时，它们溶解于石油中，使石油中的沥青质沉淀下来，导致石油的密度降低，轻质组分增加，重质组分减少。33/199第二章石油及天然气的成因石油的化学组成与性质是多种因素综合作用的结果，除了原始有机质及其成熟度外，石油的运移尤其是在储层中发生的次生改造也会大大影响石油的性质。石油在储油层中的次生改造可归纳为两种性质不同方向相反的过程：石油的热催化转化和脱沥青过程使石油的相对密度减小，轻组分增加，饱和烃尤其是正构烷烃含量增加。石油的氧化、生物降解作用使石油的相对密度和粘度增加，胶状沥青状物质含量增加致使原油质量变差。34/199第二章石油及天然气的成因本章思考题1.石油的成因为什么会有争论？2.石油的无机成因说包括哪几个学说，各自有何特点，它们有何缺陷？3.石油的有机成因说的原始生油物质包括哪些，最主要的生油物质是什么？为什么？4.有机质在怎样的生油环境下才能形成石油？5.简述干酪根裂解成油的三个阶段。35/199第二章石油及天然气的成因8.生成的石油是如何从生油层运移到油气藏中去的？9.石油进入储油层后为什么会发生次生改造，发生的主要地球化学作用包括哪几个方面。10.简述石油中各族烃类的形成过程？6.干酪根可分为哪几种类型？每种类型各有何特点？7.简述影响干酪根裂解生油的主要影响因素。