石油地质学复习资料

第五章油气成因理论与烃源岩1.油气有机成因的主要证据答：油气有机起源说之所以能够确立，除了它能对整个成烃过程给予合理解释外，还由于它拥有雄辩的地质和地球化学论据。1)世界99%以上的石油都产自沉积岩，个别产自古老基岩的石油也是来自邻近沉积岩系中富含有机质的母岩。在大片火成岩、变质岩出露的地区，如所谓地盾，则没有工业石油。2)石油在地壳中的出现，与地史上生物的发育和兴衰密切相关。工业石油大体是显生宙地层中才开始出现，并且随着生物的繁衍而有日益增多之趋势。与此同时，石油的储量时代分布与地层中有机质以及煤和油页岩等有机矿产的时代分布都有一定的一致性。3)在油田剖面中，含油层位总与富含有机质的层位有依存关系，而不像无机的内生矿床那样与火成岩有关。4)除卟啉外，近来还在石油中找到了许多与异戊间二烯类、萜类（即环状异戊间二烯类)和甾醇类有关的化合物。这些化合物的化学结构仅为生物物质所特有。5)石油的元素组成包括痕量元素组成，都与有机物质或有机矿产相近似，而与任何无机物质相差甚远。另外，石油的碳同位素组成也同生物物质（尤其是脂类)的碳同位素组成相近，而与无机的碳酸盐岩碳同位素相差甚远。6)天然石油普遍具有旋光性。非晶体的旋光性与物质分子中的碳原子不对称结构有关，通常只有从生物界才能获得这种物质。7)大量实验表明，各种生物物质通过热降解均可得到或多或少的烃类产物。同时近代分析技术也可从现代和古代沉积有机质中检测出石油中所含的烃类。总之，无论是对石油性状和分布的研究，还是对生油过程的模拟试验，都为有机起源说提供了足以令人信服的论据。2.有机成因的物质基础①沉积有机质：通过沉积作用进入沉积物中并被埋藏下来的那部分有机质。1．物质组成和来源：浮游植物、细菌和高等植物2．化学组成：主要由油脂类、碳水化合物、蛋白质和木质素等4类生物化学聚合物组成3．形成过程：生物物质产生油气，必然要经历极其深刻的转化。而这个转化就是从生物有机质进入到沉积有机质时开始的。4．丰度和分布：沉积有机质的丰度用有机碳含量来表示。因为碳元素在有机质乃至有机矿产中含量最多，也最稳定。大部分沉积有机质呈分散状态与泥质沉积物相伴生。在不同地质时代是不均衡分布的。不同沉积环境或者不同岩性岩相条件下沉积物中的有机质含量差别很大。②成油的原始物质—干酪根：沉积岩中不溶于碱、非氧化型酸和有机溶剂的分散有机质。沉积岩中的有机质可以分为两部分，不溶的干酪根与可溶的沥青，后者包括烃类、胶质和沥青质等。晚期成油理论认为，生成石油的原始物质主要是有机物质经过一系列改造以后所形成的干酪根。干酪根是一种高分子聚合物，结构复杂，数量充足，类型多样。3.石油形成中的生物与物理化学作用沉积有机质的改造与转化，主要是一个生物化学和物理化学作用的过程，而促使这一过程发生的外部因素有：1.细菌：在还原条件下，有机质经细菌分解成甲烷、氢、CO2、有机酸及其它CH化合物。2.温度和时间：在有机质生烃过程中温度起决定性作用，时间可对温度起补偿作用。有机质开始大量转化成石油的温度叫门限温度。它的高低首先取决于有机质的级玢，并与有机质受热持续时间或地质年代有关，此外还受催化作用影响。3.催化剂：在有机质转化成油过程中，催化剂的参与可以降低反应所需活化能，加快成烃反应速度，并改造烃的性质。自然界中这种催化剂订有无机盐类和有机酵母素两类。4压力：超压往往抑制有机质的成熟作用，而短暂的压力降低则有利于加速有机质的成熟作用。4.干酪根类型Ⅰ型干酪根：是分散有机质干酪根中经细菌改造的极端类型，或藻质型，富含脂肪族结构，富氢贫氧，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，其热失重为65%，生烃潜力为0.4—0.7。Ⅱ型干酪根：是烃源岩中常见的干酪根，又称腐泥型，有机质主要来源于水盆地中的浮游生物和细菌，有较高的H∕C原子比，约为1.3—1.5，较低的O∕C原子比，约为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型干酪根：由陆生植物组成的干酪根，又称腐殖型，富含多芳香核和含氧基团，原始H∕C原子比低，通常小于0.1，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0.1—0.2。残余型（Ⅳ型）干酪根：具有异常低的原始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，含有大量的芳香核和含氧基团，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，热失重小于30%，生烃潜力小于0.2。5.影响有机质丰度的主要因素1.生物物质的产量：主要取决于阳光、温度、湿度、含盐度和营养。2.原始有机质的保存条件：指生物死亡后的沉降、沉积和埋藏过程中的氧化还原条件。3.沉降、沉积速率：一是有机质、无机质点的绝对沉降速率，沉降、沉积越快，有机质保存下来的越多；二是有机、无机质点的相对沉降速率，若无机物沉积速率快或供给量大，将会稀释有机质。只有在长期持续下沉过程中伴随适当的升降，沉降速率与沉积速率相近或前者稍大时，才能持久保持还原环境。4.沉积物的粒度：粒度越细所含有机质越多，原因是:从沉积分异角度看，呈胶体或悬浮状态的有机质点同粘土质点有很大的一致性，可同步降落；粘土比表面积大，吸附有机质的能力较强；形成泥质沉积的环境往往具有有利的保存条件。6.试述沉积有机质成烃演化机理晚期成烃理论是指有机质随着沉积物埋藏成岩演化在成岩作用晚期生成油气的理论，有机质的成烃演化阶段一般与沉积物的成岩作用一一对应。通常将有机质成烃演化过程划分为三个阶段：即未成熟阶段，成熟阶段和过成熟阶段1.未成熟阶段（成岩作用阶段）此阶段从沉积有机质被埋藏开始至门限深度为止,Ro0.5%;脂肪、碳水化合物、蛋白质和木质素等生物聚合物,在成岩作用早期,由于细菌作用下的分解和水解,转化为分子量较低的脂肪酸、氨基酸、糖、酚等生物化学单体,同时还产生CO2、CH4、NH3、H2S和H2O等简单分子。随着埋深的增加,继以无机转化过程为主,生物化学单体将发生缩聚作用形成复杂的高分子腐殖酸类,进而演化为地质聚合物即干酪根,并由于其与同围矿物质相络合,成为较稳定的不溶有机质。在成岩作用后期,干酪根可产生CO2、H2O和一些重杂原子组分。该阶段尤其是早期生成的烃类产物,是生物甲烷和少量高分子烃。所以,从天然气的成因角度,成岩作用阶段早期可称为生物成因气阶段。高分子烃则不同于成熟的石油烃,它们多是从生物体中继承下来的,一般为C15以上的生物标志化合物,缺乏低分子烃。早期生成的正烷烃多具明显的奇碳优势*2.成熟阶段（深成作用阶段）此为干酪根生成油气的主要阶段。该阶段从有机质演化的门限值开始至生成石油和湿气结束为止,Ro为0.5%～2.0%。干酪根随着埋深和地温的增加,当达到门限深度和温度时,在热力作用下,通常还伴有粘土催化作用,干酪根将开始大量降解生成石油,后期热裂解生成轻质油和湿气,因此,该阶段也可称油和湿气阶段。此阶段可按照干酪根的成熟度和成烃产物划分为2个带。油带Ro为0.5%～1.3%,又叫低—中成熟阶段(低成熟Ro为0.5%～0.7%,中成熟Ro为0.7%～1.3%),干酪根通过热降解作用主要产生成熟的液态石油,并以中—低分子量的烃类为主,使成岩作用阶段的生物烃被稀释,在正烷烃中,生物烃带来的奇碳优势逐渐被成熟油冲淡直至消失,环烷经和芳香烃的碳数和环数减少,曲线由双峰变为单峰。*轻质油和湿气带又叫高成熟阶段,在较高温度作用下,干酪根和已形成的石油将发生热裂解,特点是液态烃急剧减少,C1—C8的轻烃将迅速增加。另外,由于烷烃及低分子量烃逐渐增多,胶质和沥青质逐渐减少乃至消失,因而引起石油密度降低,颜色变浅,在地下条件适当时,还可形成凝析气。3）过成熟阶段该阶段埋深大、温度高,Ro2.0%。又由于在成熟阶段干酪根上的较长烷基链已消耗殆尽,所以生油潜力枯竭,只能在热裂解作用下生成高温甲烷。而且先前生成的轻质油和湿气也将裂解为热力学上最稳定的甲烷。干酪根释出甲烷后其本身将进一步缩聚为富碳的残余物。必须明确,有机质成烃演化是一个连续过程,对于现今某一烃源岩来说,其演化可能处于该过程的某一阶段而已;各阶段在有机质成烃演化过程中是连续过渡的,相应地化学反应和烃类产物是可以叠置交错的,况且,有机质类型不同,其划分界线和烃类产物也会有所不同。实际上不可能用统一的指标去做出截然的划分;这只是有机质抑或干酪根成烃演化的一般模式。7.未熟—低熟油形成理论未熟—低熟油指所有非干酪根晚期热降解成因的各种低温早熟的非常规油气，包括在生物甲烷气生烃高峰之后，在埋藏升温达到干酪根晚期热降解大量生油之前（Ro0.7%），经由不同生烃机制的低温生物化学或低温化学反应生成并释放出来的液态和气态烃。低熟油生成高峰阶段对应的源岩镜质组反射率（Ro）值大体在0.2%～0.7%范围内，相当于干酪根生烃模式的未成熟和低成熟阶段。通过对大量实例分析，主要有一下五种不同原始母质的早期生烃机制。1.树脂体早期生烃树脂体指随母体植物埋藏在沉积物（岩)中的树脂可转化成树脂体。在化学组成和分子结构上，树脂体由挥发性和非挥发性萜类馏分组成。树脂酸作为含羧基的非烃生物类脂物，其化学成分、分子结构及聚合程度都比干酪根简单得多，树脂酸脱羧基、加氢转化成环烷烃的化学反应所必需的活化能和热力学条件，也较干酪根热降解生烃的条件低得多。因此，当干酪根尚处于未熟—低熟阶段时，树脂体可能在低温条件下率先早期生烃。2.木栓质体早期生烃木栓质体来源于高等植物的木栓质组织。在木栓质组织中，栓化层由木栓脂和蜡质交替叠合而成。木栓脂作为木栓质体的前生物，具有低聚合度和多长链类脂物的特点，决定了木栓质体可在低的热力学条件下，发生低活化能的化学反应，生成并释放以链状结构为主的烃类。3.细菌改造陆源有机质早期生烃一些细菌与脂肪酸、蛋白质通过去羧基、去氨基作用等化学反应，对陆源有机质进行降解改造,其分泌物和代谢物可以改造有机质结构，增加其H/C原子比，提高富氢程度和“腐泥化”程度，并使有机质热降解或热解聚、脱官能团与加氢生烃反应所需要的活化能降低，从而有利于生成低熟油气。4.高等植物蜡质早期生烃高等植物蜡质是指覆盖于植物茎、叶、花和果实表面的蜡状薄层，蜡脂类易于水解形成长链脂肪酸和长链脂肪醇。所有含羧基、羟基和酮基官能团的长链化合物，经脱官能团形成原油中C22+正构烷烃，这类化学反应过程无需高活化能,可以在低温阶段完成。5.藻类类脂物早期生烃藻类死亡埋藏后，其细胞有机质和细胞内类脂物聚合成藻类体，成为干酪根的重要成分。藻的生物类脂物均属分子结构简单的含氧官能团的非烃化合物及部分烃类，未发生明显的聚合作用，只要具备还原性的沉积成岩条件，在低温化学反应阶段，即可转化成链烷烃和环烷烃，成为低熟油的主要成分。6.富硫大分子有机质早期降解生烃干酪根中不同原子间的键能有明显差异，因此，干酪根早期低温降解作用只能使S—S和S—C键断裂。由此可见，只有富硫大分子有机质才能在干酪根早期降解阶段形成低熟油。8.煤成烃理论煤系地层不仅能够生成天然气，而且能够生油，但是只有在特定的地质条件下，才可以形成商业性油气藏，甚至形成大规模的油气聚集。由煤和煤系地层中集中和分散的陆源有机质，在煤化作用的同时所生成的液态烃类被称为煤成油。（1）煤的有机组成及其成烃潜力煤是生气还是生油及其生成液态烃的能力大小，与煤的类型和显微组分组成密切相关。富含富氢显微组分无定形体、藻质体及其他壳质体的煤，均有生成液态烃的能力；而富含贫氢显微组分镜质组和惰质组的煤，与Ⅲ型干酪根相似，以生气为主。在很大程度上，煤的液态烃生成潜力取决于富氢组分壳质组含量的多少。煤的显微组分或生烃母质在相同成熟度时的H/C原子比是决定煤生气或成油潜力的基本因素，即壳质组的成油气潜力最大，镜质组次之，而惰质组最差。（2）煤成烃的地球化学特征煤成烃具有饱和烃含量高、非烃和沥青质含量低的特点。正构烷烃中高碳数组成含量高，在正构烷烃的奇偶优势、主峰碳、碳数分布范围及其成熟度的演化等方面，煤成烃与