油气成因与烃源岩评价研究综述

油气成因与烃源岩评价研究综述1油气成因理论油气成因理论作为石油地质学研究的核心问题已争论上百年，油气成因的认识可归纳为有机成因和无机成因2大学派，其争论的核心是生成油气的母质和形成过程。前者认为油气是由地质历史时期分散在沉积物中的动植物有机质发生热解转化而成，后者则提出油气是由地下深处的无机物通过无机合成反应形成的。1.1有机成因说认为油气是由分散在沉积岩中的生物有机体转化而成[1]。有人根据一些实验事实，提出油气是由动物遗体转化而来的；也有人根据煤的形成,提出油气的生成同植物残体的埋藏有关；古勃金则根据多数油藏分布于滨海或海洋沉积层内，或是与海洋有联系的陆相沉积层内(这里动植物非常繁盛且易于埋藏)，提出石油的动植物混成说。史密斯经过对墨西哥湾进行大量现代沉积取样分析研究，提出油气的有机成因早期生成说，认为沉积物中所含原始有机质在成岩过程中逐渐转化为石油和天然气。但其观点与实际地质资料有较大出入：古代沉积岩中液态烃含量要比现代沉积物中大20余倍，现代沉积物中液态烃的组成和性质与石油都有一定的差别，而且要在地下一定深度和温度下才能生成石油。于是又有人提出有机成因晚期生成说，认为有机质埋入地下，随沉积物不断下沉，有机质转变为干酪根，在一定温度和压力下，干酪根达到成熟热解，开始生成大量油气。但后来研究表明生物有机质在细菌的分解作用下，可以不经干酪根而直接生成油气。因而有机成因学派在油气生成过程及生成机理上也有分歧。现代石油地质学理论主要是建立在油气生成的有机成因上，人们认为所有工业性油气藏和煤矿几乎完全为生物成因的。油气的有机成因理论已被长期作为油气勘探战略和方法的理论基础，石油有机成因主要依据如下：(1)世界上已发现的油气田99.9%分布于沉积岩中，而在沉积盖层不发育的地盾和巨大结晶基底隆起区，很少或没有找到油气聚集。(2)从前寒武纪至第四纪更新世的各个时代岩层中都找到了石油，但石油天然气在地质时代上的分布很不均衡，似乎与沉积岩中有机质的分布状况相吻合，并且与煤、油页岩等可燃有机矿产的时代分布有一定联系。(3)在近代海相和湖相沉积中发现了有机物质转化为油气的过程，而且这个过程至今仍在进行。特别是经过有机质化学分析表明，愈往地下深处，近代沉积物中的有机物质愈接近石油。(4)世界上既没有化学成分完全相同的两种石油，也没有成分完全不同的石油。但大多数石油的化学组成十分相似，按重量计算,含C80%一88%，H10%一14%，C/H在5.7~8.5之间，这正好说明它们的成因可能大致相同，而在成分上的差异性则可能同原始生油物质的生成环境的不尽相同及油气生成后的变化历程有关。(5)光谱分析表明，煤和石油都可能是有机生成的。(6)从大量油田测试结果可知，石油是在低温条件下生成的。(7)石油生成并聚集成油藏所需时间大约不到1Ma。1.2无机成因说油气无机(非生物)成因论认为烃是由碳和氢在无生物作用条件下合成的，而不是起源于沉积有机质。主要论据有：(1)石油和天然气常发现于长的线性或大的弧型构造单元。这些部位有切割很深的断裂构造。(2)石油中许多化合物在实验室可以合成。具有笼状结构的金刚烷可以用双环戊二烯加氢合成，是典型的非生物成因烃。用电火花轰击甲烷生成了类似石油组分的有机物[]，费·托反应生成甲烷。实验室内已合成石油中普遍存在的甲基戊烷和甲基己烷，证实它们并非一定是正己烷与正戊烷异构化的产物。(3)一些温度较高的深层发现了石油，这些部位几乎找不到生物成因的证据，有时原油的旋光性与奇一偶碳数分布特征也完全消失。(4)许多天体中存在碳氢化合物。在球吸积增生过程中这种碳氢化合物部分被封存于地球内部，地球后期演化过程碳氢化合重新聚集或分散。(5)一些生命物质可以由无机(非生物)过程合成。甲烷、水、氨和碳的氧化物可能是蛋白类、氨基酸的起源物。在950~1050℃，有硅胶催化的条件下，甲烷与氨反应生成典型的氨基酸，而且产率较高。(6)在许多不存在生物的地方发现了甲烷。譬如,在无沉积物的大洋中脊、岩浆岩和变质岩裂隙中，以及地球深部、火山喷气中都含有甲烷等含碳挥发份。1932年苏门答腊MerPai火山喷发期间，喷射的火焰高达500多米。(7)在一个大区域内原油的化学成分和同位素组成常与含油气岩系的地质年代及岩性无关，天然气碳同位素组成倒序是聚合反应造成的，许多烃类聚集中有幔源氦。按照无机成因油气理论的发展历程可将其划分为早期无机成因油气理论或古典无机成因油气(18世纪中叶至20世纪70年代)和晚期无机油气生成理论(20世纪70年代至今)[2]；按照是否发生合成反应分为2个主要理论学派，一是地幔脱气理论，认为烃类在地球形成时期就已存在，在合适的构造环境下从地球内部排出；二是无机反应成烃理论，即认为烃类是在地球内部合适的物理化学环境条件下通过各种无机反应形成的[3]。1.2.1地幔脱气说地幔脱气说也叫宇宙成因说。俄国学者索科洛夫（1889）主张在地球呈熔融状态时碳氢化合物就包含其中，随着地球冷却碳氢化合物被岩浆吸收，最后凝结于地壳中形成石油；其后，Gold根据太阳系、地球形成演化模型，对宇宙成因说进行了更为详细深入的研究，其认为距今3600-4000Ma前的地球是由含CH4、CO2、H2等成份的星云演化形成的。在3500星云凝聚固化形成地球的地幔和地壳过程中&星云或原始大气中的CH4、CO2、He等气体被束缚在地壳和地幔中，并在随后的地球演化过程中，部分下地壳和上地幔区域温压条件和氧逸度条件仍适于CH4等气体的保存而未被氧化，在地球分异演化的早期从地球深部被加热而释放出来。也就是说，大量CH4和其他非烃资源气体在地球形成时就已存在。王先彬等通过模拟实验证实了在地球深部的高压条件不仅有抑制烃类系列化合物热分解的作用，而且可以促进烃类的环化作用、聚合作用和凝析作用，并向复杂烃类系列演化[4]。这些烃类及及其他气体经广泛的地幔脱气作用运移至近地表形成油气藏。1.2.2无机反应成烃理论无机反应成烃理论主要为CO、CO2、H2和H2O等一些小分子，在合适的地质条件下通过无机合成反应可以形成高分子量的烃类。该理论主要是基于实验研究，主要学说包括费-托催化合成说、碳化物说、岩浆说、高温生成说和蛇纹石化生油说，其中比较著名的是费-托催化合成说。费-托合成法是德国化学家弗·费希尔和汉·托罗普希于1923年创立的，是一种以H和CO或CO2为原料，在催化剂（铁）作用下合成烃类的方法。其化学反应机理为通过CO或CO2的催化加氢作用和还原聚合作用形成有机化合物，其反应式如下：CO2+H2→CnHm+H2O+Q该反应的催化剂为Fe、Co、Ni、V等过渡金属，反应温度为300-400℃。在地质条件下，费-托合成反应中所需的CO、CO2、H2除主要来自地幔脱气作用，还可以通过岩石-流体反应获得，如H2可以通过超镁铁质岩蛇纹石化和高温的碳与水作用；CO可以来源于海水、碳酸盐矿物离解脱碳作用和岩浆脱气作用，该反应的催化剂可以为金属Fe、离子化（氧化）的Fe，也可以为地壳中常见的磁铁矿、铁硅酸盐。Abrajano等根据同位素和稀有气体特征研究菲律宾Zambales蛇绿岩排出的CH4-H2油气苗时，推断富CH4-H2流体很可能是在超基性岩蛇纹石化过程中通过费-托合成方式形成的，并认为这种形成方式在地球内部有较广泛的分布。1.2.3地质条件下的无机成因油气模式世界油气的分布与大地构造格局密切相关。首先，大油气田储层主要为中新生代地层，占世界大油气田储层地质时代的77.3%左右，中新生代正是联合古大陆解体、板块构造活动非常活跃的时期；其次，目前世界106个主要含油气盆地中的115个特大油田和25个特大气田，除欧洲和北美有些盆地分布在板块内部或与古板块活动有关外，其余均分布在中生代板块活动形成的大陆边缘。从Klemme统计出的不同类型构造盆地的油气丰度表中也可以明显地看出大陆碰撞带最富含石油，稳定区平均含油量明显低于碰撞带和板块边缘。因此，有的学者将油气成因模式和与板块构造类型联系起来[5，6]，认为油气是各种类型板块构造活动带的自然产物，提出了全球油气分布、富集的5种地质模式；也有学者提出无机成因气藏的发育严格受控于深大断裂、构造活动带。由于以上油气成因分布模式均以构造背景为主要分类依据，而没有涉及油气生成机理，按照其反应的基础物质来源和构造环境相结合的原则将无机油气生成模式划分为种，即“缺花岗岩型”盆地的无机成因油气模式、板块俯冲带的无机成因油气模式和洋中脊热液的无机成因油气模式（图1、2）。图1“缺花岗岩型”盆地的油气成因模式图2俯冲带的油气成因模式1.3分析讨论所有无机成因及有机成因的观点都有其局限性，无机成因说的依据是一些特殊的化学和地质现象，对于大多数油气勘探资料，缺乏足够的说服力，都不能解释油气成分的复杂性、油气的旋光性及含卟啉化合物等与生物有关的一些特性。有机成因说则对泥火山大规模重复喷发、油气藏二次形成、变质岩和岩浆岩中的油气显示以及在不可能有油的地盾中发现大型工业油气藏等一些事实不能给出圆满解释。这些学说都有一定的道理，在一定时期对油气资源的勘探开发都作出了很大的贡献，虽然它们都有自己的局限性,但我们不能简单地认为这是人们认识局限性所致。有关油气生成的每一种观点都是以一定的事实为依据的，都能对某些地质现象做出合理的解释，而又都有一些事实无法解释。每一种学说提出的早期，对油气形成的理论研究都做出了很大的贡献，有些学说对油气藏的勘探开发还发挥过很大的积极作用，但随着各种勘探开发资料的不断丰富，又都表现出或多或少的弱点。我们必须辩证地看待问题，灵活地应用各种理论，从而指导我们进行准确地勘探、预测和开发油气矿藏。在大力勘探开发沉积岩中的有机成因油气藏时，不应只看到有机质成熟区的高勘探成功率，而对非成熟区不予重视，另外对一些按有机成因说不可能有油气的岩层和地区也可适当进行探索，特别是对天然气的勘探。2烃源岩评价最近几十年来，在有关油源岩的评价方面，无论在技术上，还是在方法上都发生了非常巨大的变化，但根本性的变化则主要是在各种测试技术上和测试方法的改进和提高。而对于油源岩的识别和评价一直是建立在以下与油气产出有关的岩石特性上，即岩石中有机质的数量、类型和成熟度。下面就以上各点对国内外的有关烃源岩的评价现状作简要的概述。2.1烃源岩中有机质的数量岩石中有机质的数量直接决定着烃类的生成量，因此，精确测定岩石中的有机质数量是评价烃源岩的关键。国内外一直流行的，并且目前仍沿用的测定有机质的数量的方法就是直接测定烃源岩的总有机碳含量，可溶有机质含量和总烃含量并结合烃源岩的其它特征建立了一系列适用于各种不同类型烃源岩的有机质数量指标评价体系。对于一套已生成和释放出足够形成工业性油气聚集的烃源岩来说，所测定出来的有机质含量实际上只是其残余有机质含量，但考虑到转化成烃类的有机质与岩石中的原始有机质相比只是很少的一部分(3%±)，所以一般均用岩石中的残余有机质数量近似地代表烃源岩的有机质数量。作为烃源岩，其有机碳含量的下限值是颇为重要的。中国石油天气总公司石油勘探开发科学研究院将中国陆相泥质生油岩的有机碳含量的下限值定为0.4%(如表1)。国外各石油公司也都根据生油岩中的烃含量建立了自己的生油岩级别评价体系(表2)。许多石油地球化学家认为，有机碳最小值为0.4%的细粒页岩能够产生足以形成工业性聚集的石油，而对于碳酸盐岩，该有机碳最小值可低至0.3%甚至0.1%。此外，对咸化环境形成的泥质生油岩和泥灰岩其有机碳含量标准也应适当降低至0.25%左右，为此，部分学者还提出了分别适用于泥质岩和碳酸盐岩生油岩的有机碳评价体系(表3)。表1陆相生油岩有机质丰度评价表2不同级别生油岩的烃含量(mg/L)表3泥质岩、碳酸盐岩生油岩级别的有机碳含量比较(%)但是目前所使用的有关烃源岩中的有机质含量实际上都是残余有机质含量。因此，对于那些烃转化率比较高、排烃效率比较好的烃源岩，用残余有机质含量代替其原始有机质含量，必然会造成烃源岩评价中的失误，所以在实际的地质工作中，还应针对具体情况，对有关的指标作一些必要的调整，以使评价