油气的现代成因理论.pptx

石油工业通论石油工业通论IntroductionofPetroleumIndustry主讲人：刘宗堡主讲人：刘宗堡东北石油大学地球科学学院东北石油大学地球科学学院第二节第二节 石油的生成石油的生成油气成因概述油气成因概述石油生成的物质基础石油生成的物质基础油气生成的外在条件油气生成的外在条件油气生成的主要阶段油气生成的主要阶段生油岩生油岩一、油气成因概述一、油气成因概述v成因复杂：成因复杂：1.1.油气为流体，在地下可运移；油气为流体，在地下可运移；*发现地发现地生成地生成地2.2.成份复杂：运移受外界影响大成份复杂：运移受外界影响大难以判断来源；难以判断来源；3.3.成因涉及多学科综合分析（需要广泛的知识）成因涉及多学科综合分析（需要广泛的知识）4.4.缺乏对石油及其原始母质过渡形式的明确认识。缺乏对石油及其原始母质过渡形式的明确认识。v焦点与学派：焦点与学派：（一）油气的无机成因学说（一）油气的无机成因学说无机物在高温、高压条件下，转化为油气。无机物在高温、高压条件下，转化为油气。主要依据：主要依据：在实验室中，无机物可以合成烃类在实验室中，无机物可以合成烃类火山喷出气体中有甲烷、乙烷等烃类成分。火山喷出气体中有甲烷、乙烷等烃类成分。慧星等天体上发现有烃类气体；慧星等天体上发现有烃类气体；石油的分布常常与深大断裂有关石油的分布常常与深大断裂有关（断开地壳作为通道断开地壳作为通道）1.1.碳化说碳化说 18761876年，年，俄国化学家俄国化学家门捷列夫提出：门捷列夫提出：“地下深处有重金属碳化物（碳化铁等）与水作用可产生烃类。地下深处有重金属碳化物（碳化铁等）与水作用可产生烃类。”2.2.宇宙说宇宙说 18891889年，俄国学者索可洛夫提出：年，俄国学者索可洛夫提出：“碳氢化合物是宇宙间固有的。碳氢化合物是宇宙间固有的。”证据：慧星等天体上发现了碳氢化合物。证据：慧星等天体上发现了碳氢化合物。3.3.岩浆说岩浆说 19491949年，原苏联学者库德梁采夫提出：年，原苏联学者库德梁采夫提出：“基基性性岩岩浆浆中中存存在在C C、H H、O O等等元元素素，随随其其冷冷却却时时可可化化合为碳氢化合物。合为碳氢化合物。”基岩岩浆中基岩岩浆中C C、HCHCHHCHCH2 2CHCH3 3CHCH4 4烃类物质烃类物质证据：证据：岩浆岩、变质岩中相继发现油岩浆岩、变质岩中相继发现油 气藏，基性岩浆中发现天然气。气藏，基性岩浆中发现天然气。另外，还有高温生成说、蛇纹石化生油学说等。另外，还有高温生成说、蛇纹石化生油学说等。有有机机成成因因学学说说：沉沉积积有有机机质质在在特特定定的的地地质质、还还原原环环境境中中，在在细细菌菌、催催化化剂剂、温温度度、时时间间、放放射射性性等等各各种种作作用用下下，经经历历生生物物化化学学、热热催催化、热裂解、高温变质阶段陆续转化为石油和天然气。化、热裂解、高温变质阶段陆续转化为石油和天然气。主要依据：主要依据：（二）油气有机成因学说（二）油气有机成因学说世世界界99%99%以以上上的的石石油油产产自自沉沉积积岩岩，少少数数岩岩浆浆岩岩、变变质质岩岩中中的的石石油也可能是来自相邻近的富含有机质的沉积岩。油也可能是来自相邻近的富含有机质的沉积岩。含油盆地中，含油层位与富含有机质的层位有依存关系。含油盆地中，含油层位与富含有机质的层位有依存关系。石油中存在生物体特有的化合物，并具有旋光性等。石油中存在生物体特有的化合物，并具有旋光性等。生物物质加热催化，可形成少量烃类。生物物质加热催化，可形成少量烃类。碳的稳定同位素组成与生物物质的碳稳定同位素组成接近。碳的稳定同位素组成与生物物质的碳稳定同位素组成接近。1.1.TreibsTreibs（19331933）：）：首首次次发发现现并并证证实实了了卟卟啉啉化化合合物物广广泛泛存存在在于于不不同同时代、不同成因的石油、沥青等中。时代、不同成因的石油、沥青等中。认为：卟啉化合物来源于植物叶绿素认为：卟啉化合物来源于植物叶绿素石油有机成因重要依据。石油有机成因重要依据。2.2.SmithSmith美国美国(1952(19521954)1954)；前苏联；前苏联B.B.B.B.维尔别维尔别 成成功功地地从从现现代代海海洋洋沉沉积积物物中中分分离离鉴鉴定定出出微微量量类类似于原油的烃类化合物。似于原油的烃类化合物。石石油油是是有有机机质质在在沉沉积积物物（埋埋藏藏成成岩岩）早早期期生生成成的，是许多海相生物遗留下来的天然烃的混合物。的，是许多海相生物遗留下来的天然烃的混合物。沉沉积积物物所所含含原原始始有有机机质质在在成成岩岩过过程程中中逐逐步步转转化化为石油和天然气，并运移到邻近的储集层中去。为石油和天然气，并运移到邻近的储集层中去。3.3.Tissot Tissot 等（等（2020世纪世纪7070年代）年代）建建立立了了干干酪酪根根热热降降解解生生烃烃演演化化模模式式，提提出出并并完完善善了了干干酪酪根根晚期生烃学说，总结了油气形成、演化与分布规律。晚期生烃学说，总结了油气形成、演化与分布规律。石石油油生生成成的的现现代代成成因因理理论论已已基基本本建建立立起起来来了了，它它不不仅仅符符合合客客观观地地质质事事实实，逐逐渐渐为为广广大大的的石石油油地地质质工工作作者者所所接接受受，而而且且在在指导油气勘探中发挥了重大作用。指导油气勘探中发挥了重大作用。4.4.AlbrechtAlbrecht和和DurandDurand等（等（19761976）：）：对对喀喀麦麦隆隆杜杜阿阿拉拉盆盆地地白白垩垩系系一一个个未未成成熟熟、成成熟熟到到过过成成熟熟的的完整有机质演化剖面进行了研究。完整有机质演化剖面进行了研究。迄今最好的有机质演化研究实例之一。迄今最好的有机质演化研究实例之一。5.5.2020世纪世纪8080年代以来：年代以来：“未未低成熟低成熟”石油、煤成烃理论逐渐形成。石油、煤成烃理论逐渐形成。植物生油理论植物生油理论动物生油理论动物生油理论1.海相生油理论海相生油理论陆相生油理论陆相生油理论2.认识的局限性、片面性认识的局限性、片面性生成油气的原始物质是沉积有机质生成油气的原始物质是沉积有机质早期成油说：早期成油说：沉积有机质在成岩过程中逐步转化为油气。沉积有机质在成岩过程中逐步转化为油气。晚期成油说晚期成油说：沉积有机质埋藏到较大深度，到成岩晚期沉积有机质埋藏到较大深度，到成岩晚期 达到成熟，经热降解生成大量油气。达到成熟，经热降解生成大量油气。3.油油气气的的成成因因是是一一个个非非常常复复杂杂的的理理论论问问题题，尽尽管管目目前前油油气气有有机机成成因因理理论论日日臻臻完完善善，在在油油气气勘勘探探实实践践中中发发挥挥了了重重要要的的作作用用，但但并并不不能能由由此此否否定定油油气气无无机机成成因因理理论论的的科科学学价价值值。近近二二十十多多年年来来，随随着着宇宇宙宙化化学学和和地地球球形形成成新新理理论论的的兴兴起起，板板块块构构造造理理论论的的发发展展和和应应用用，以以及及同同位位素素地地球球化化学学研研究究的的深深入入，为为油油气气无无机机成成因因理理论论提提供供了了新新的的理理论论依依据据。越越来来越越多多的的研研究究者者注注意意到到，地地球球深深部部来来源源物物质质对对沉沉积积有有机机质质转转化化为为油油气气有有重重要要影影响响（加加氢氢和和催催化化），这这可可以以说说是是油油气气有有机机和无机成因说的相互融合。和无机成因说的相互融合。有机成因理论和无机成因假说，都有许多问题尚待进有机成因理论和无机成因假说，都有许多问题尚待进一步深入研究。一步深入研究。二、石油生成的物质基础二、石油生成的物质基础（一）沉积有机质（一）沉积有机质v概念：概念：在外力地质作用下，在还原环境中伴随其它在外力地质作用下，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。矿物一起沉积、保存下来的生物残留物质。v来源：来源：低等水生动、植物低等水生动、植物为主为主细菌、藻类最佳细菌、藻类最佳 生生物物体体的的分分泌泌物物与与死死亡亡尸尸体体可可形形成成类类脂脂化化合合物物、蛋蛋白白质质、糖糖类类及及木木质质素素等等有有机机组组分分，这这些些有有机机组组份份大大部部分分通通过过生生物物再再循循环环或或物物理理化化学学作作用用遭遭到到分分解解，仅仅少少部部分分保保存存在在沉沉积积物物(岩岩)中形成有机质。中形成有机质。v分布特点：分布特点：沉沉积积有有机机质质主主要要呈呈分分散散状状态态分分布布在在细细粒粒沉沉积积物物（岩岩）中，总数量约为中，总数量约为3.8103.8101515吨，但吨，但分布很不均衡。分布很不均衡。不同岩性中分布不均匀。不同岩性中分布不均匀。泥质岩多：泥质岩多：2.1%2.1%；砂岩；砂岩0.05%0.05%；碳酸盐岩；碳酸盐岩0.29%0.29%。不同地质时代不均衡。不同地质时代不均衡。总趋势：总趋势：地层越老地层越老，保存的沉积有机质，保存的沉积有机质越少越少。v数量的影响因素：数量的影响因素：生物物质的产量、生物物质的产量、原始有机质的保存条件原始有机质的保存条件沉积物堆积速度、沉积物堆积速度、沉积物的粒度沉积物的粒度沉积物中沉积物中富含有机质的环境条件富含有机质的环境条件是：是：生物产率高，有机质来源充足；生物产率高，有机质来源充足；低能静水还原环境，有机质分解少，保存条件好；低能静水还原环境，有机质分解少，保存条件好；沉积物堆积速度较大，粒度细。沉积物堆积速度较大，粒度细。（二）干酪根（二）干酪根（KerogenKerogen）1 1、干酪根的定义和形成、干酪根的定义和形成v定义：定义：生油母质，沉积岩中不溶于非氧化型酸、生油母质，沉积岩中不溶于非氧化型酸、碱和非极性有机溶剂的分散沉积有机质。碱和非极性有机溶剂的分散沉积有机质。v形成过程：形成过程：生物体生物体(藻类、细菌、浮游生物和高等植物藻类、细菌、浮游生物和高等植物)死亡死亡生物有机组分生物有机组分(类脂化合物、蛋白质、糖类和木质素类脂化合物、蛋白质、糖类和木质素)被其它被其它生物吞食生物吞食保存到保存到沉积物（岩）中沉积物（岩）中氧化分解氧化分解沉积有机质沉积有机质生物化学分解作用生物化学分解作用 可溶有机质可溶有机质不溶有机质不溶有机质(干酪根干酪根)2.干酪根的成分及结构干酪根的成分及结构v成分：成分：黑黑色色或或褐褐色色粉粉末末，是是一一种种高高分分子子聚聚合合物物，无无固固定定的的化化学学成成分分C（79%）H（9%）O（3%）S（5%）N（2%）微量元素。）微量元素。3.干酪根类型干酪根类型化学分类化学分类据碳、氢、氧元素的组成，干酪根分为据碳、氢、氧元素的组成，干酪根分为型、型、型、型、型型3种类型。种类型。类型类型型型-腐泥型腐泥型型型-混合型混合型型型-腐殖型腐殖型H/C1.1-1.61.1-1.350.7-1.1O/C0.06-0.160.08-0.20.1-0.25来源来源藻类、水生低等微藻类、水生低等微体生物体生物水生低等生物水生低等生物高等植物高等植物生油生油潜力大，主要生成潜力大，主要生成石油和油页岩等石油和油页岩等潜力中等，主要生成潜力中等，主要生成石油和天然气石油和天然气潜力低，主要生潜力低，主要生成天然气成天然气三、油气生成的外在条件三、油气生成的外在条件（一）油气生成的地质环境：（一）油气生成的地质环境：1.1.大地构造条件大地构造条件长期、持续稳定下降的沉积盆地长期、持续稳定下降的沉积盆地沉积盆地沉积盆地在一定特定时期，沉积物的堆积速率明显大于其周围在一定特定时期，沉积物的堆积速率明显大于其周围区域，并具有较厚沉积物的构造单元。区域，并具有较厚沉积物的构造单元。内蒙古岱海内蒙古岱海松松松松辽辽辽辽盆盆盆盆地地地地泉泉泉泉三三三三段段段段上上上上部部部部沉沉沉沉积积积积体体体体系系系系图图图图塔里木盆地塔里木盆地-沉积速度沉降速度沉积速度沉降速度水水体体迅迅速速变变浅浅，盆盆地地上上升升为为陆陆地地沉沉积积物物暴暴露露于于地地表表不不利利于于有有机机质质堆堆积积、保存。保存。-沉积速度沉降速度沉积速度沉降速度水水体体急急剧剧变变深深，有有机机质质容容易易遭遭巨巨厚厚水水体体所含氧的破坏不利于有机质保存。所含氧的破坏不利于有机质保存。-沉积速度沉积速度沉降速度沉降速度丰丰富富的的沉沉积积有有机机质质、埋埋藏藏深深度度大大、地地温温梯梯度度大大、生生储储广广泛泛接接触触迅迅速速向向油油气气转转化化的地质环境。的地质环境。2.岩相古地理条件岩相古地理条件滨海滨海浅海（陆棚）浅海（陆棚）半深海（陆坡）深海（深海平原）半深海（陆坡）深海（深海平原）高能环境、海水高能环境、海水进退频繁，沉积进退频繁，沉积物物粗粗，不不利利于于繁繁殖、堆积和保存。殖、堆积和保存。水体营养丰富，阳水体营养丰富，阳光充足、水体较安光充足、水体较安静，最有利于生物静，最有利于生物大量繁殖。大量繁殖。水体营养不足、生物不发育，水体营养不足、生物不发育，生物遗体下沉经历巨厚水体生物遗体下沉经历巨厚水体大部分遭到氧化，而且陆源大部分遭到氧化，而且陆源有机质很少。有机质很少。有利的岩相、古地理环境：有利的岩相、古地理环境：深度适当、面积较大、有机质丰富的水体、低能还原环境深度适当、面积较大、有机质丰富的水体、低能还原环境海相：海相：浅海、三角洲相（波斯湾、墨西哥湾含油气盆地）（波斯湾、墨西哥湾含油气盆地）陆相：陆相：深湖、半深湖相（松辽、渤海湾）（松辽、渤海湾）3.古气候条件古气候条件温暖、潮湿的气候有利于生物的繁殖和发育温暖、潮湿的气候有利于生物的繁殖和发育大地构造条件是根本的，它控制着岩相古地理及古气候特征大地构造条件是根本的，它控制着岩相古地理及古气候特征（二）油气生成的理化条件（二）油气生成的理化条件1温度与时间温度与时间最主要作用最主要作用温度温度最持久、最有效的作用因素最持久、最有效的作用因素时间时间补偿温度之不足补偿温度之不足温度和时间在温度和时间在一定范围内一定范围内互补，即高温短时热力作用等效于低温长时互补，即高温短时热力作用等效于低温长时随随有有机机质质埋埋深深的的加加大大和和温温度度的的升升高高，有有机机质质逐逐渐渐开开始始生生成成油油气气。当当温温度度升升高高到到一一定定数数值值有有机机质质开开始始大大量量生生成成石石油油，这这个个温温度度界界限限称称为为有有机机质质的的成成熟熟温温度度或称为或称为门限温度门限温度。成成熟熟温温度度所所在在的的深深度度称称为为成成熟熟点点(门门限限深深度度)。在在实实际际中中用用的的较较多多的的往往往往是是指指门限深度门限深度(生油门限生油门限)。2.细菌作用细菌作用细菌本身为细菌本身为生油原始物质生油原始物质细菌对有机质分解，产生相应的有机化合物和甲烷气。细菌对有机质分解，产生相应的有机化合物和甲烷气。由于细菌怕热，只能在由于细菌怕热，只能在100的浅层中起作用：的浅层中起作用：在油气生成的在油气生成的在油气生成的在油气生成的早期阶段作用显著。早期阶段作用显著。早期阶段作用显著。早期阶段作用显著。u喜氧细菌：喜氧细菌：喜氧细菌：喜氧细菌：在游离氧存在的条件下都能生存。在游离氧存在的条件下都能生存。在游离氧存在的条件下都能生存。在游离氧存在的条件下都能生存。u厌氧细菌：厌氧细菌：厌氧细菌：厌氧细菌：在无游离氧，而存化合氧的条件下才能生存。在无游离氧，而存化合氧的条件下才能生存。在无游离氧，而存化合氧的条件下才能生存。在无游离氧，而存化合氧的条件下才能生存。u通性细菌：通性细菌：通性细菌：通性细菌：在有无游离氧的条件下都能生存。在有无游离氧的条件下都能生存。在有无游离氧的条件下都能生存。在有无游离氧的条件下都能生存。3.催化作用催化作用无机催化剂最主要的是粘土矿物：蒙脱石、伊利石等蒙脱石、伊利石等有机催化剂酵母：动植物与微生物产生的一种胶体物质，催化作用强，但不耐高温。有机质有机质 脂肪酸脱去羧基脂肪酸脱去羧基 类似石油的物质类似石油的物质150250粘土粘土蛋白质蛋白质 酵母酵母 氨基酸氨基酸碳水化合物碳水化合物 单糖单糖催化作用主要发生在催化作用主要发生在中浅层中浅层，地温，地温125125。4.放射性作用放射性作用许多沉积岩中都含有少量的放射性元素：许多沉积岩中都含有少量的放射性元素：钾、铀、钍钾、铀、钍粘土岩、页岩中多见粘土岩、页岩中多见 放放射射性性元元素素所所造造成成的的局局部部地地温温增增高高有有利利于于有有机机质质的的热热演演化化，但但沉积岩中的放射性元素含量很低沉积岩中的放射性元素含量很低非主要因素。非主要因素。钾钾铀铀钍钍生成油气的物理化学条件生成油气的物理化学条件 在有机质向油气转化的过程中，不同物化条件在有机质向油气转化的过程中，不同物化条件的作用强度不同。细菌和催化剂都是在特定阶段作的作用强度不同。细菌和催化剂都是在特定阶段作用显著，加速有机质降解生油、生气；用显著，加速有机质降解生油、生气；放射性作用放射性作用则可不断提供游离氢的来源；则可不断提供游离氢的来源；只有温度与时间在油只有温度与时间在油气生成全过程中都有着重要作用。气生成全过程中都有着重要作用。所以，有机质向油气的转化，是在适宜的地质所以，有机质向油气的转化，是在适宜的地质环境里，多种因素综合作用的结果。环境里，多种因素综合作用的结果。四、油气生成的主要阶段四、油气生成的主要阶段生物化学生气阶段生物化学生气阶段热催化生油气阶段热催化生油气阶段热裂解生凝析气阶段热裂解生凝析气阶段深部高温生气阶段深部高温生气阶段腐泥组（腐泥组（sapropelitesapropelite）：主要包括无定形体和藻类体，是富氢组分。主要包括无定形体和藻类体，是富氢组分。壳质组（壳质组（exiniteexinite）：）：主要来源于植物的孢子、角质、植物的表皮组织、树脂、主要来源于植物的孢子、角质、植物的表皮组织、树脂、蜡质等。包括孢子体、角质体、树脂体和木栓质体。是富氢蜡质等。包括孢子体、角质体、树脂体和木栓质体。是富氢组分。组分。镜质组（镜质组（vitrinitevitrinite）：是植物的茎、叶和木质纤维经过凝胶化作用形成的各种凝是植物的茎、叶和木质纤维经过凝胶化作用形成的各种凝胶体。镜质体是富氧组分。胶体。镜质体是富氧组分。惰质组（惰质组（inertiniteinertinite）：是一种丝炭化组分。由木质纤维素经丝炭化作用而形成。是一种丝炭化组分。由木质纤维素经丝炭化作用而形成。属稳定的不活泼组分，富含氧。属稳定的不活泼组分，富含氧。目前，测镜质组的反射率已经成为判断有机质成熟度的主要标志目前，测镜质组的反射率已经成为判断有机质成熟度的主要标志反射光下观察有机质可以划分为四种反射光下观察有机质可以划分为四种镜质体反射率镜质体反射率RoRo范围：范围：Ro0.5%Ro2.0%；温度：温度：250；深度：深度：（6000-7000m）；）；作用：作用：高温热裂解，高温热裂解，前一阶段湿气，液态烃的进步裂解，干酪根前一阶段湿气，液态烃的进步裂解，干酪根残渣的裂解和缩聚；残渣的裂解和缩聚；产物：产物：甲烷（干气甲烷（干气），固体沥青，次石墨。），固体沥青，次石墨。4 4深部高温生干气阶段深部高温生干气阶段（过成熟阶段）（过成熟阶段）五、生油（气）岩五、生油（气）岩烃烃源源岩岩（source source rockrock）：能能够够生生成成油油气气，并并能能排排出出油油气气的的岩岩石石称称为烃源岩（油源岩，气源岩）。为烃源岩（油源岩，气源岩）。有效烃源岩有效烃源岩（effective source effective source rockrock）：）：能够生成油能够生成油气，并能排出足以形气，并能排出足以形成商业性油气聚集油成商业性油气聚集油气的岩石称为有效烃气的岩石称为有效烃源岩（油源岩，气源源岩（油源岩，气源岩）。岩）。烃源层（烃源层（source source bedbed）：）：由烃源岩组由烃源岩组成的地层称为烃源层。成的地层称为烃源层。生油（烃源）岩形成于生油（烃源）岩形成于低能静水环境低能静水环境，呈暗色、细粒、富含，呈暗色、细粒、富含有机质和微体生物化石，常见分散状原生黄铁矿或菱镁矿，偶尔有机质和微体生物化石，常见分散状原生黄铁矿或菱镁矿，偶尔可见原生油苗。主要包括粘土岩和碳酸盐岩两大类。主要沉积于可见原生油苗。主要包括粘土岩和碳酸盐岩两大类。主要沉积于浅海、三角洲和深水浅海、三角洲和深水-半深水湖泊环境中。半深水湖泊环境中。好的生油岩应该具有好的生油岩应该具有细粒岩性、合适的厚度、比较大的面细粒岩性、合适的厚度、比较大的面积、处在还原的环境、含有丰富的有机质、具有适当的有积、处在还原的环境、含有丰富的有机质、具有适当的有机质类型和成熟度，有机质处在合适的转化阶段。机质类型和成熟度，有机质处在合适的转化阶段。