第2章油气生成 油气田开发地质学 中国石油大学 华东

第二章油气的成因及生油层油气成因概述生成油气的原始物质***生成油气的地质条件及理化条件****生成油气的主要阶段*****生油层***成因复杂：①油气为流体，在地下可运移；*发现地≠生成地①成份复杂：受外界影响大→难以判断来源；②成因往往涉及多学科综合分析（需要广泛的知识）③缺乏对石油及其原始母质过渡形式的明确认识；第一节油气成因概述★有机成因说：油气是由地质历史上分散于沉积岩中的生物有机质在适当条件下生成的。生物有机质→油气★无机成因说：无机物（C、H、O、Fe）→油气。焦点:生油气原始物质①在实验室中，无机物可以合成烃类；nCO+nH2onHCHn2)(催化一、油气无机成因说无机物在高T、高P条件下，转化为油气。主要依据：②火山喷出气体中有甲烷、乙烷等烃类成分；③火星等太阳系星球上发现有烃类；④石油的分布常常与深大断裂有关；（断开地壳，作为通道）。mnPTHComFe8343高高1.碳化说1876年俄国门捷列夫3FemCn（碳化铁）+4mH2o(沿大断裂或大裂隙流入)2.宇宙说1889年10月3日，俄、索可洛夫天文学家在木星、土星、天王星等行星气圈及慧星尾部发现有烃类nCo+nH2onHCHn2)(催化3.岩浆说1949年库德梁采夫基岩岩浆中C、H→CH→CH2→CH3→CH4→烃类物质天然气→有机成因+无机成因一、油气无机成因说“石油是煤在地下高温蒸馏的产物。——蒸馏说。1.最早：——有机说十八世纪中叶，罗蒙诺索夫：二、油气有机成因说1932年古勃金提出“混成说”：“含有各种类型的分散有机质的淤泥，在成岩早期产生分散状态的石油（微石油），在压实过程中和水一起进入储层，形成油气藏。”——早期有机成因说2.混成说——1932年古勃金二、油气有机成因说“石油是有机质在沉积物（埋藏成岩）早期生成的，是许多海相生物遗留下来的天然烃的混合物”。5.1952－1954年间，P.V.Smith——有机成因早期生油说3.早期说——1952～1954年间P.V.Smith“石油是沉积岩中占有机质70－90%的不溶部分（干酪根）经过一定的埋藏演化，在成岩作用晚期，经热解产生的。”6.1963年，阿贝尔松（P.H.Abelson）：——干酪根热解成油说（有机成因晚期成油说）4.晚期说——1963年阿贝尔松（P.H.Abelson）二、油气有机成因说早期说+晚期说早期说（浅成说）：油气是沉积物中的分散有机质在地壳浅部，沉积物成岩早期，在细菌生物化学作用下生成的晚期说（深成说）：油气是有机质被埋藏到一定深度，达到一定温度，在热力和催化剂作用下转化成的。①世界99%以上的石油产自沉积岩，少数岩浆岩，变质岩中的石油是来自相邻近的富含有机质的沉积岩。②含油盆地中，含油层位与富含有机质的层位有依存关系；油气在各时代地层中的富集、分布不同；③石油中存在生物体特有的化合物、旋光性等。④生物物质加热催化，可形成烃类。⑤石油及多数天然气中的碳稳定同位数组成与生物物质的碳稳定同位数组成接近；油气有机成因的依据沉积有机质在特定的地质（还原）环境中，在细菌、催化剂、温度和时间、放射性等各种作用下，经历生物化学、热催化、热裂解、高温变质阶段，陆续转化成石油和天然气。第二节生成油气的原始物质沉积岩中有机质数量——3.8×1015吨主要分布在泥、页岩中在外力地质条件作用下，在还原环境中伴随其它矿物一起沉积、保存下来的生物残留物质一、沉积有机质的来源低等水生动植物为主——藻类3×1015吨×0.01%(转化率)→3×1011吨（石油）%9080%2010)()(干酪根不溶有机质烃胶质可溶沥青可容有机质氯仿苯乙醚等有机溶剂沉积有机质二、干酪根（Kerogen）油母质沉积岩中不溶于一般有机溶剂（非氧化性酸、碱和非极性有机溶剂）的分散的沉积有机质。1.定义？生物聚合体生物单体较小碎片地质聚合体腐殖物质干酪根生物有机组分水体化学及生物化学降解综合作用、聚合作用聚合、失去O2H2ONH3成岩作用2.干酪根的成分及结构黑色或褐色粉末，无固定的化学成分；C（79%）H（9%）O（3.0%）S（5%）N（2.0%）微量石油富集碳去氧加氢,,多个核桥键和各种官能团联接形成的三维网状结构；干酪根3.干酪根类型——化学分类I型干酪根：——原始H/C高（1.25-1.75），O/C低（0.026-0.12）。以链状结构多为特征，富含类脂和蛋白质分解产物。主要来源于水生低等生物，富C12。生油潜能大，最主要生油母质。0.06-0.161.1-1.6Ⅱ型干酪根：——原始H/C原子比0.65-1.25，O/C原子比0.04-0.13。含大量中等长度直链烷烃和环烷烃，也含多环芳香烃及杂原子官能团。主要来自海相浮游生物、植物和微生物混合有机质。生油潜能中等。分两类：Ⅱ1、Ⅱ2型。0.08-0.21.1-1.35Ⅲ型干酪根：——原始H/C原子比0.46~0.93，O/C原子比0.05~0.30。以芳香结构及含氧官能团多为特征，饱和烃很少。主要来源于陆地高等植物，富C13。生烃潜力低，主要可形成煤、芳烃、天然气。0.1–0.250.7-1.10.7-1.10.1-0.25H/CO/C来源生油潜力1.1-1.600.06-0.161.10-1.350.08-0.2Ⅰ型Ⅱ型Ⅲ型藻类为主大浮游生物水生低等生物中等陆地高等植物低天然气的母源第三节生成油气的地质条件及理化条件有机质烃类去O、加H、富集C还原条件地质+理化条件痕量-4——硫痕量-44-6氮痕量-415-35氧11-157-10氢83-8752-71碳石油，%沉积岩中的有机质，%元素痕量-4——硫痕量-44-6氮痕量-415-35氧11-157-10氢83-8752-71碳石油，%沉积岩中的有机质，%元素一、生成油气的地质条件沉积速率＞＞沉降速率：水体变浅、沉积物暴露地表大地构造条件：有利于有机质堆积、保存和向油气转化的地区：地质历史上形成巨厚沉积岩层的沉积盆地。——板块的边缘活动带，板块内部的裂谷、坳陷，以及造山带的前陆盆地、山间盆地等大地构造单位。沉降速度与沉积速度：若沉降速度大大超过沉积速度(VsVd)，水体急剧变深，不利于生物的发育和有机质的保存；若VsVd，水体迅速变浅，盆地上升为陆，有机质易受氧化，不利于有机质的堆积和保存。1．大地构造条件沉积速率＜＜沉降速率：水体急剧变深、生物体易氧化持久保持还原环境，适于大量生物繁殖和有机质免遭氧化的水体深度，丰富的原始有机质沉积；沉积厚度大、埋深大、地温梯度高、生储盖组合良好；迅速向油气转化并广泛排烃的地质环境。长期、持续稳定下沉的沉积盆地一、生成油气的地质条件--大地构造条件沉积速度≈沉降速度丰富的沉积有机质迅速向油气转化的地质环境渤海湾盆地早第三纪、沉积厚度达3000-5000m，沉积速率0.12-0.18mm/a，埋藏深度达4000-8000m，地温梯度平均3.95-5℃/100m。盆地名称陆盆面积×104Km2持续时间Ma最大厚度m塔里木56.3175（JKR）10000±陕甘宁32.0155（TJK）3600渤海湾21.3133（KRQ）10000±松辽26.1175（JKR）5000四川23.0120(JK)柴达木12.118(JKRQ)12000准噶尔13.1265(PTJKR)10000一、生成油气的地质条件--大地构造条件滨海浅海（陆棚）半深海（陆坡）深海（深海平原）高能环境海水进退频繁沉积物粗不利于繁殖、堆积和保存水体营养丰富，阳光充足水体较安静生物大量繁殖最有利水体营养不足生物不发育生物遗体下沉经历巨厚水体大部分遭到破坏，陆源有机质很少2．岩相古地理条件一、生成油气的地质条件--岩相古地理条件海相：→浅海海陆过渡海：→三角洲相—波斯湾盆地中新生界，西西伯利亚朱罗系、白垩系，四川盆地的志留系、二叠系陆相：→深湖、半深湖相（松辽、渤海湾）深度适当，面积较大，有机物丰富的水体；低能还原环境；3.古气候条件直接影响生物的发育，温暖、潮湿气候有利于生物的繁殖和发育。二、生成油气的理化条件油气生成是一个不断吸收能量的过程1.细菌作用富含有机质的开阔海沉积物中微生物代谢作用的生化环境剖面图按生活习性喜氧细菌厌氧细菌通氧细菌细菌：分布最广、繁殖最快、适应性最强①生油原始物质②细菌对有机质分解，产生相应的有机化合物和甲烷气。分离出氧、硫、氮等杂元素，富集碳、氢。按生活习性喜氧细菌厌氧细菌—还原条件下可分解有机质，产生甲烷、氢气、二氧化碳及有机酸、其它碳氢化合物通氧细菌1.细菌作用2.催化作用—主要为中浅层无机—主要为粘土矿物，成岩中晚期有机—酵母—不耐高温，成岩早期有机质脂肪酸去羧基类似石油的东西150-250℃粘土2.催化剂作用：——主要中浅层　＜125℃油气生成过程中，催化剂与分散有机质作用，改变有机质的原始结构，形成结构更稳定的烃类物质。蛋白质酵母氨基酸；碳水化合物单糖酵母在油气生成过程中的作用可能是很重要的，但研究深度不够。有酵母存在时，有机质的分解比在细菌活动时快得多。3．热力作用——最主要作用温度——最持久、最有效因素时间——在一定范围内补偿温度之不足P.Albrecht(1969)，喀麦隆杜阿拉盆地上白垩统洛格巴巴页岩中烃类生成与地下温度、埋藏深度的关系。◆1370米，有机质开始大量转化为石油，成熟温度为65℃，地层时代距今约70Ma年；◆2200米，生油量达最高峰主要生油期或生油窗，地温90℃；◆3000米后，生油作用趋于停止。石油大量生成成熟点的确定3．热力作用生油门限温度：有机质热演化过程中开始大量转化为石油的温度。生油门限深度：生油门陷温度所对应的深度。石油大量生成成熟点的确定（据P.Albrecht，1969）3．热力作用美国洛杉矶盆地中－上新统暗色页岩中烃类随埋藏深度的变化苏联前高加索西部第三系迈科普层页岩中烃类随埋藏深度的变化松辽盆地鄂尔多斯盆地东营凹陷冀中拗陷柴达木盆地门限温度51～58℃58℃93℃95℃126℃地层时代下白垩统距今1.1×108上三叠统下第三系下第三系上第三系地温梯度℃/100m4.03.13.63.43.0埋深1300m1600m1800m2700m3300m3．热力作用我国不同盆地不同时代生油岩埋藏深度与油气生成的关系3．热力作用地质条件－－地温梯度较高的地区，有机质不需埋藏太深就能转化为石油。生油岩的时代不同，油气生成的门限温度也不同。在不同地区不同层系中，成熟点的成熟温度（门限温度）存在差异。门限温度的高低与有机质的持续受热时间或地质时代有关。Logt=3014×498.61T康南研究世界若干含油气盆地的主要生油层，分析了成熟点的现时温度和地质年龄的关系，得出生油层的时间（t）对数与绝对温度（T）的倒数存在线性关系，即：大庆、胜利等油田的实际资料也符合3．热力作用石油大量生成成熟点的lgt-1/T关系图③温度和时间在一定范围内互补，即达到成熟点（门限温度）后，高温短时间可等效于低温长时间②沉积有机质的时代越新、受热时间越短→门限温度越高；沉积有机质的时代越老、受热时间越长→门限温度越低；①相同的门限温度在地温梯度大的地区出现的较浅，即门限深度浅，反之亦然；结论：3．热力作用有利于油气生成并保存的盆地，应是年轻的热盆地和古老的冷盆地，未达成熟阶段、已达破坏阶段均不利。4.放射性作用钾、铀、钍——粘土岩、页岩中多见•　放射性元素所造成的局部地温增高将有利于有机质的热演化。•可产生游离氢•富含有机质的粘土岩中富集大量放射性物质。用α射线轰击某些有机质可得到甲烷、二氧化碳和氢，轰击水可产生大量游离氢和氧，氢可使有机质氢化或与二氧化碳化合生成甲烷，继续在α射线轰击下可生成更重的气态烃乃至液烃。3.放射性第四节生成油气的主要阶段生物化学生气阶段热催化生油气阶段热裂解生凝析气阶段深部高温生气阶段1.CO2+H2O；2.石油；3.湿气；4.甲烷；5.胶质-沥青质；6.不溶有机质；7.溶于碱的物质；8.溶于酸的物质；一、生物化学生气阶段埋深：0～1500；温度10～60℃