第五,六講油氣成因與烴源巖

第二章

油氣的生成與生油層第二章油氣成因與烴源巖第二章思考題1.名詞解釋：沉積有機質(zhì)干酪根2.沉積有機質(zhì)的生化組成主要有哪些？3.按化學分類，干酪根可分為幾種類型？簡述其化學組成特征。

1、沉積有機質(zhì)：通過沉積作用進入沉積物中并被埋藏下來的那部分有機質(zhì)稱為沉積有機質(zhì)。

干酪根：為沉積巖中所有不溶于非氧化的酸、堿和非極性有機溶劑的分散有機質(zhì)。2、對沉積有機質(zhì)來源提供最多的生化組成是類脂化合物、蛋白質(zhì)、碳水化合物和木質(zhì)素Ⅰ型干酪根：稱腐泥型，富含脂肪族結構，富氫貧氧，H/C高，一般為1.5～1.7，而O/C低，一般小于0.1，生烴潛力為0.4～0.7。Ⅱ型干酪根：富含脂肪鏈及飽和環(huán)烷烴，也含有多環(huán)芳香烴及雜原子官能團。H/C較高，約1.3～1.5，O/C較低，約0.1～0.2，生烴潛力為0.3～0.5。Ⅲ型干酪根：稱腐殖型。富含多芳香核和含氧基團。H/C低，通常小于1.0，而O/C高，可達0.2～0.3，生烴潛力為0.1～0.2?！?.3油氣生成的條件一、油氣生成的地質(zhì)環(huán)境二、動力條件

原始有機質(zhì)的堆積、保存和轉(zhuǎn)化過程，必須是在還原條件下進行，而還原環(huán)境的形成及其持續(xù)時間的長短則受當時的地質(zhì)及能源條件所制約。由此可以認為，油氣的生成需要具備兩大方面的前提：合適的地質(zhì)環(huán)境及動力條件（或物理化學條件）。

地質(zhì)歷史上，長期、持續(xù)穩(wěn)定下沉的盆地是生成油氣最重要的地質(zhì)條件之一。3種構造環(huán)境：①過補償環(huán)境水體變淺Vs<<Vd②欠補償環(huán)境水體變深Vs>>Vd③補償環(huán)境保持一定水體深度Vs≈或>Vd只有盆地的沉降速度（Vs）與沉積速度（Vd）大致相當或者前者稍大時，使水體保持一定的深度，即有利于生物大量繁殖，又能使有機質(zhì)免遭氧化，保證大量有機質(zhì)沉積下來，而且造成沉積厚度大，埋藏深度大，地溫梯度高，生儲頻繁相間廣泛接觸，有利于有機質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化并排烴的優(yōu)越環(huán)境。這種大地構造環(huán)境主要分布在

①板塊的邊緣活動帶；②板塊內(nèi)部的裂谷、坳陷；③造山帶的山前坳陷、山間斷陷一、油氣生成的地質(zhì)環(huán)境1.大地構造條件

①海相環(huán)境濱海

淺海（有利區(qū)域）深海

陽光、溫度適宜，生物繁盛，并接受河流搬運來的大量陸源有機質(zhì)，有機質(zhì)異常豐富的聚集。淺海是良好的低能還原環(huán)境，既有利于有機質(zhì)的堆積，又有利于有機質(zhì)的保存，是良好的生油區(qū)。

2.巖相古地理條件

有利于生成油氣的古地理環(huán)境必須具備兩個條件：首先是深度適當、面積較大、有機物來源豐富的水體；其次是有利于有機質(zhì)保存的低能還原環(huán)境。

不利區(qū)域—濱海區(qū)濱海區(qū)，海水進退頻繁，浪潮作用強烈，不利于生物繁殖和有機質(zhì)的堆積保存；不利區(qū)域—深海區(qū)

深海區(qū)生物數(shù)量少，死后下沉至海底需經(jīng)歷巨厚水體，易遭氧化破壞，不有利于有機質(zhì)的堆積和保存。

②陸相環(huán)境濱湖淺湖

半深湖-深湖

一方面湖泊具有一定深度，一定面積的穩(wěn)定水體，為水生生物的大量繁殖提供有利條件。另一方面河流也可攜帶大量陸源物質(zhì)入湖，使湖泊中具有相當豐富的水生和陸源有機質(zhì)；第三，深水-半深水湖區(qū)水體較深，水體表層處于動蕩回流狀態(tài)，其底部水流停滯，由于水底有機質(zhì)的分解，氧氣又得不到及時補充，便形成穩(wěn)定的還原環(huán)境，是有利的生油區(qū)。

不利環(huán)境——淺水湖泊和沼澤區(qū)

在淺水湖泊和沼澤區(qū)，水體動蕩，大氣中的氧易于進入水體，不利于有機質(zhì)的保存；這里的生物以高等植物為主，有機質(zhì)多屬Ⅲ型干酪根。生油潛能差，多適于造煤和生氣。

③海陸過渡相環(huán)境

三角洲--陸源有機質(zhì)源源不斷的搬運而來，加上原地繁殖的海相生物，致使沉積物中的有機質(zhì)含量特別高，是極為有利的生油區(qū)域。

海灣與瀉湖--因有半島、群島、沙堤或生物礁帶與大海相隔，攜帶大量氧氣的洶涌波濤難以侵入，新的氧氣不易補給，在這種半閉塞無底流的環(huán)境中，也對保存有機質(zhì)有利。3.古氣候條件古氣候?qū)Τ练e有機質(zhì)向油氣的轉(zhuǎn)化也有一定影響，它直接影響生物的發(fā)育與繁殖。一般而言，年平均溫度高、日照時間長、空氣濕度大等，都能顯著增強生物的繁殖能力。因此，溫暖濕潤的氣候有利于生物的繁殖和發(fā)育，是油氣生成的有利外界條件之一。二、動力條件油氣的生成不僅需要有適宜的地質(zhì)環(huán)境為有機質(zhì)的繁殖、堆積和保存提供有利的地質(zhì)條件，而且需要合適的動力促使有機質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化，這些動力條件主要包括熱力作用、細菌作用、催化作用、放射性作用等因素，其中溫度和時間是有機質(zhì)向油氣演化全過程中至關重要的一對因素。

第二章油氣成因與烴源巖二、有機質(zhì)轉(zhuǎn)化成油的影響因素由于生存條件的限制，細菌生物化學作用主要出現(xiàn)在有機質(zhì)改造的早期或成巖作用的早—中期。1.細菌活動1.細菌活動細菌分為三類：喜氧細菌、厭氧細菌、通性細菌。厭氧細菌在缺乏游離氧的還原條件下，可以將有機質(zhì)分解產(chǎn)生相應的有機化合物。細菌作用主要發(fā)生在沉積盆地水體的下部、未固結的沉積物及埋藏較淺的沉積巖中。隨著沉積物埋藏深度加大，地溫逐漸升高，當溫度超過100。C后，細菌作用就消失了。細菌在油氣生成過程中的作用實質(zhì)就是將有機質(zhì)中的氧、硫、氮等元素分離出來，使碳、氫，特別是氫富集起來，并且細菌作用時間越長，這種分解與富集就進行的越徹底。2.熱力作用

有機質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化的過程中，溫度起決定作用，時間有補償作用；時間的補償是有限的，若溫度過低，即使經(jīng)過相當長的時間，有機質(zhì)也難向石油轉(zhuǎn)化。

只有達到一定溫度后，有機質(zhì)才開始大量轉(zhuǎn)化為石油，這個溫度界限稱為有機質(zhì)的成熟溫度或生油門限。成熟溫度所在的深度稱為門限深度或成熟點。

生油層的時間對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)存在線形關系，表明溫度和時間可互補。

時代較老的生油層，門限溫度較低，時代較新的生油層，門限溫度較高。Logt=3014×-6.498

3.催化作用第二章油氣成因與烴源巖3.催化作用

催化劑是一種引起或加速某種化學反應而本身并不參加反應的物質(zhì)，在反應完成前后其成分毫無變化。

①酵母是動植物和微生物產(chǎn)生的一種膠體物質(zhì)，當存在酵母時，有機質(zhì)的分解比在細菌活動時還要快得多。有機酵母可促使蛋白質(zhì)分解成氨基酸，使碳水化合物水解成單糖。酵母的作用取決于巖石的成分。在富含有機質(zhì)的巖石中，特別是在富含植物殘余的巖石中，酵母的活動性最大。

②粘土礦物是自然界中分布最廣的無機鹽類催化劑：用粘土礦物做催化劑，在150。C-250。C的情況下，可以使脂肪酸去羧基，或使酒精和酮脫水，產(chǎn)生類似于石油的物質(zhì)。粘土礦物的催化能力與其吸附性質(zhì)有關。粘土礦物顆粒表面吸附兩種或兩種以上物質(zhì)的原子時，它們便會相互作用形成新的化合物。4.放射性作用

適合生油的泥巖、頁巖、泥質(zhì)碳酸鹽巖中富集著大量的放射性物質(zhì)。沉積有機質(zhì)在放射性作用下最終會轉(zhuǎn)化為石油，其反應過程如下：沉積物所含水在α射線轟擊下產(chǎn)生氫和氧；氧與有機質(zhì)作用產(chǎn)生二氧化碳；二氧化碳與氫作用產(chǎn)生甲烷；甲烷在α射線轟擊下發(fā)生聚合作用。這種聚合作用會繼續(xù)下去直至形成各種氣態(tài)和液態(tài)的碳氫化合物。因此，這些放射性物質(zhì)的作用也可能是促使有機質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化的能源之一。一、生物化學生氣階段二、熱催化生油氣階段三、熱裂解生凝析氣階段四、深部高溫生氣階段§2.4有機質(zhì)演化與成烴模式油氣有機成因模式成巖階段油氣生成階段（1）生物化學生氣階段（2）熱催化生油氣階段（3）熱裂解生凝析氣階段（4）深部高溫生氣階段——連續(xù)過程——階段性一、生物化學生氣階段

指從沉積有機質(zhì)沉積開始至埋藏深度達到門限深度為止，相當于沉積物的成巖作用階段。①深度范圍：從沉積界面到1500左右；②溫度和壓力：溫度約為10～60℃；溫度和壓力較低；③動力條件：以細菌作用為主；④產(chǎn)物：干酪根、少量烴類和揮發(fā)氣體、早期低熟石油門限深度⑤烴類以甲烷為主，稱為生物化學氣或細菌氣（屬干氣）●正構烷烴：缺乏輕質(zhì)正構烷烴（C4-C8）。高分子量正構烷烴在C22-C34范圍內(nèi)有明顯奇數(shù)碳優(yōu)勢。近代沉積物中，奇數(shù)正烷烴有明顯優(yōu)勢，生物體內(nèi)最豐富的正烷烴一般是C27、C29、C31、C33；●環(huán)烷烴：1-6環(huán)烷烴均有，但四環(huán)分子顯畸峰，此乃廣泛存在甾醇衍生物所致。四環(huán)甾烷其結構與生物體的四環(huán)甾族化合物有明顯的相似性；●芳香烴：缺乏輕質(zhì)芳香烴（C4-C8）。以高分子量化合物為主，顯示萘和多核芳香烴雙峰；

生成烴類的化學結構特征：都反映了同原始有機質(zhì)的性質(zhì)相近。二、熱催化生油氣階段

當沉積有機質(zhì)的埋藏深度超過門限深度以后，即進入該階段，相當于后生作用的前期。①深度范圍：1500-4000m；②溫度和壓力：溫度約為60～180℃；③動力條件：以熱力作用和粘土催化作用為最活躍因素；④產(chǎn)物：大量石油、濕氣、殘余干酪根；⑤意義：在熱催化作用下，有機質(zhì)能夠大量轉(zhuǎn)化為石油和濕氣，成為主要的生油時期，常稱為“生油窗”。⑥生成烴類的化學結構特征：

這個階段產(chǎn)生的烴類已經(jīng)成熟，在化學結構上顯示出與原始有機質(zhì)有了明顯區(qū)別，而與石油非常相似?！裾龢嬐闊N：正構烷烴碳原子數(shù)及分子量遞減，奇數(shù)碳優(yōu)勢消失?！癍h(huán)烷烴：四環(huán)畸峰消失，多環(huán)環(huán)烷烴顯著減少；●芳香烴：芳香烴碳原子數(shù)遞減，多核芳香烴顯著減少。三、熱裂解生凝析氣階段隨著沉積有機質(zhì)的埋藏深度加大，進入了后生作用階段的后期。①深度范圍：4000m-7000m；②溫度和壓力：溫度約為180～250℃；超過了烴類物質(zhì)的臨界溫度，進入了高成熟階段；③動力條件：以熱力作用為主；④產(chǎn)物：凝析氣、濕氣、干酪根殘渣；⑤意義：在深度較大的部位可以尋找優(yōu)質(zhì)的凝析氣藏。⑥生成烴類的化學結構特征：●正構烷烴：C25以上高分子正構烷烴含量逐漸趨于零，低分子正烷烴劇增，主要是甲烷及其氣態(tài)同系物；●環(huán)烷烴：只有少量低碳原子數(shù)的環(huán)烷烴，環(huán)數(shù)向單、雙環(huán)轉(zhuǎn)化；●芳香烴：只有少量低碳原子數(shù)的芳香烴。四、深部高溫生氣階段該階段為有機質(zhì)轉(zhuǎn)化的末期，已進入了變質(zhì)作用階段。①深度范圍：超過6000-7000m；②溫度和壓力：溫度超過250℃，高溫、高壓；③動力條件：以熱力作用為主；④產(chǎn)物：干氣甲烷、固態(tài)瀝青或石墨；

已經(jīng)形成的液態(tài)烴、重質(zhì)氣態(tài)烴強烈裂解，形成熱力學上最穩(wěn)定的甲烷。干酪根的結構進一步縮聚形成富碳的殘余物質(zhì)；⑤意義：埋藏很深的生油巖，有機質(zhì)演化程度高，主要以產(chǎn)氣為主，尋找液態(tài)石油的希望不大。第二章油氣成因與烴源巖

對不同的沉積盆地，由于其沉降歷史、地溫歷史及原始有機質(zhì)類型的不同，有機質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化的過程不一定全都經(jīng)歷這四個階段，有的可能只進入了前兩個階段，尚未達到第三個階段，而且每個階段的深度和溫度界限也有差別。5.干酪根成油理論的新進展未—低成熟油的成因★

強還原咸化環(huán)境藻類成烴★鹽湖相沉積有機質(zhì)在低溫條件下轉(zhuǎn)化成烴★含煤巖系特殊的富氫顯微組分早期成烴內(nèi)因：有機質(zhì)類型外因：局部咸化環(huán)境、較高的地溫梯度第二章油氣成因與烴源巖定義：指所有非干酪根晚期降解成因的各種低溫早熟的非常規(guī)油氣。5.干酪根成油理論的新進展

現(xiàn)有研究成果表明低熟油是在生物甲烷氣生烴高峰之后，烴源巖中某些特定有機質(zhì)，在埋藏升溫達到干酪根晚期熱降解大量生油高峰以前，經(jīng)由不同生烴機制的低溫生物化學或低溫化學反應生成并釋放的烴類，包括凝析油、輕質(zhì)油、正常石油、重油和高凝固點油等。第二章油氣成因與烴源巖5.干酪根成油理論的新進展

國外學者從地質(zhì)分析和實驗室研究等多方面入手探討了低熟油氣的成因機理，并提出了不同的假說或模式，如樹脂體早期生烴、木栓質(zhì)體早期生烴、藻類生物類脂物早期生烴、干酪根早期降解生烴以及細菌作用等。第二章油氣成因與烴源巖5.干酪根成油理論的新進展

我國地球化學界對低熟油的認識和研究始于80年代初，目前已取得了可喜的研究進展。王鐵冠等（1995）在國內(nèi)外研究成果的基礎上，通過對大量中國含油氣盆地的實例解剖，分析了木栓質(zhì)體、樹脂體、細菌改造陸源有機質(zhì)、藻類和高等植物生物類脂物以及富硫大分子（非烴、瀝青質(zhì)和干酪根）等五種不同原始母質(zhì)的早期生烴機制。第二章油氣成因與烴源巖第二章油氣成因與烴源巖第二章油氣成因與烴源巖第二章油氣成因與烴源巖煤成烴的形成煤成烴：煤系地層的有機質(zhì)在不同的演化階段，其富氫組分所生成的氣態(tài)和液態(tài)烴類。演化特點：瀝青化作用第二章油氣成因與烴源巖第二章油氣成因與烴源巖煤成油范圍較寬而復雜，不同顯微組分生烴高峰出現(xiàn)的條件不同，基質(zhì)鏡質(zhì)體、角質(zhì)體、木栓質(zhì)體、瀝青質(zhì)體和樹脂體在鏡質(zhì)體反射率為0.4～0.6％時就可達到生烴高峰，形成低熟油；而藻類體、角質(zhì)體和孢子體的生烴高峰出現(xiàn)在鏡質(zhì)體反射率為1.0％附近，造成煤中液態(tài)烴的生成具有多階段性。第二章油氣成因與烴源巖§2.5烴源巖研究一、烴源巖的地質(zhì)特征二、烴源巖的地球化學特征三、油源對比

烴源巖（生油氣母巖）：能夠生成石油和天然氣的巖石。由烴源巖組成的地層叫烴源巖層。在一定地質(zhì)時期內(nèi)，具有相同巖性和巖相特征的若干烴源巖層與其間非烴源巖層的組合稱為烴源巖層系。如果在烴源巖層系中發(fā)育有儲集層，那么該烴源巖層系即為含油層系。

烴源巖的地質(zhì)特征包括烴源巖的巖性、巖相及厚度特征。

巖性特征是研究烴源層的最直觀標志。巖性特征是沉積物所屬沉積環(huán)境及其后經(jīng)歷變化的綜合反映，它與生成油氣的基本條件（原始有機質(zhì)和還原環(huán)境）有一定的聯(lián)系。烴源巖一般色暗，粒細，富含有機質(zhì)和微體生物化石，并且常含指示還原環(huán)境的分散狀黃鐵礦，偶見原生油苗。

①粘土巖類烴源巖：主要包括泥巖、頁巖、粘土等；是在一定深度的穩(wěn)定水體中形成的。②碳酸鹽巖類烴源巖：以低能環(huán)境下形成的富含有機質(zhì)的石灰?guī)r、生物灰?guī)r和泥灰?guī)r為主，常含泥質(zhì)成分。一、烴源巖的地質(zhì)特征巖相特征：形成烴源巖最有利的沉積環(huán)境是：淺海相、三角洲相、半深水-深水湖相。淺海相的碳酸鹽巖和粘土巖都可成為良好的烴源巖，這些巖石一般形成于廣海大陸架和潮下帶的局限海，屬持續(xù)低能環(huán)境，盆底長期穩(wěn)定沉降，氣候溫潤，生物繁盛，水體安靜，水介質(zhì)屬弱堿性，長期的還原環(huán)境使豐富的有機質(zhì)得以順利堆積、保存并向油氣轉(zhuǎn)化。三角洲平原三角洲前緣前三角洲前三角洲：長期快速沉降地區(qū)，以富含有機質(zhì)的暗色頁巖為主，由河流攜帶而來的細粒粘土懸浮物質(zhì)和膠體物質(zhì)沉積而成，即含海相生物，又含陸源有機質(zhì)，它們均迅速埋藏、保存下來?？焖俪练e可以造成異常高的溫度和壓力，有利于有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為烴類。湖相沉積體系

深湖-半深湖相有機質(zhì)來源豐富，波浪小，水流弱，能量低，水底屬還原環(huán)境，是陸相烴源巖層系發(fā)育的有利環(huán)境。尤其主要烴源巖層系沉積時期處于近海地帶的深水湖盆更為有利。這些深水湖盆的共同特征是長期穩(wěn)定沉降，沉積巖系厚達幾千米以上。生油巖及其地球化學研究研究生油巖的目的,是要解決：哪里生油、怎么生油、生油多少的問題。一般要從有機質(zhì)的豐度、類型和成熟作用等三個方面開展工作，才能對生油巖進行定性、定量評價。二、烴源巖的地球化學特征1.有機質(zhì)的豐度巖石中有機質(zhì)的含量是決定生烴能力的主要因素。通常采用有機質(zhì)豐度代表巖石中有機質(zhì)的相對含量，衡量和評價巖石的生烴潛力。有機質(zhì)豐度指標主要包括：有機質(zhì)含量（TOC）、氯仿瀝青“A”、總烴含量（HC）、巖石熱解參數(shù)（S1+S2）等。

有機碳含量(TOC)：是指巖石中所有有機質(zhì)含有的碳元素的總和占巖石總質(zhì)量的百分比。

研究表明，烴源巖中的沉積有機質(zhì)僅有5%-10%可轉(zhuǎn)化為烴類，而運移出烴源巖的烴類最多不到已生成烴類的10%，也就是說運移出去的烴類最多僅為生油巖中有機質(zhì)的1%，絕大部分有機質(zhì)殘留在烴源巖中；另外，碳是有機質(zhì)成分中所占比例最大、最穩(wěn)定的元素，所以剩余的有機碳可近似表示烴源巖內(nèi)有機質(zhì)的豐度。有機碳含量劃分泥質(zhì)巖和碳酸鹽巖生油巖級別（陳建平等，1996）2.有機質(zhì)的類型

不同類型有機質(zhì)具有不同的生烴潛力，形成不同的產(chǎn)物。一般包括兩個方面：干酪根類型和可溶有機質(zhì)類型。3.有機質(zhì)的成熟度

1）鏡質(zhì)體反射法

鏡質(zhì)體反射率（R0），隨成熟度增加而增大。

R0小于0.5%時為未成熟階段；

R0為0.5%-1.0%則屬于低成熟階段；

R0為1.0%-2.0%屬于高成熟階段；

當R0大于2.0%為過成熟階段。2）熱變指數(shù)（TAI）

孢子花粉、藻類的顏色在熱演化過程中發(fā)生有規(guī)律的變化。F.L.Staplin（1969，1974）提出了熱變指數(shù)的五個級別：1級-未變化，有機殘渣呈黃色；2級-輕微熱變質(zhì)，呈橘色；3級-中等熱變質(zhì)，呈棕色或褐色；4級-強變質(zhì)，呈黑色；5級-強烈熱變質(zhì)，除有機殘渣呈黑色外，另有巖石變質(zhì)現(xiàn)象。3）干酪根的元素組成

同一類型的干酪根在不同演化階段，元素組成將隨著油氣的生成而發(fā)生規(guī)律性的變化，所以可以根據(jù)范氏圖大致確定干酪根的演化階段。④正構烷烴的分布特征和奇偶優(yōu)勢比

熱演化程度低熱演化程度高22奇偶優(yōu)勢比（OEP），即主峰碳前后5個相鄰正構烷烴的質(zhì)量分數(shù)。

一般認為，巖石有機抽提物中正構烷烴奇偶優(yōu)勢比<1.2，表示干酪根進入成熟階段開始大量向石油轉(zhuǎn)化。三、油源對比油源對比包括兩個方面：油（氣）與烴源巖之間成因關系對比；不同油氣層之間成因關系對比。通常把原油與烴源巖共同含有的，且不受運移、熱變質(zhì)作用影響的特征化合物及含量比值稱為“油源對比指標”。目前所用方法主要有：正構烷烴碳數(shù)分布特征、生物標志物組成特征和穩(wěn)定碳同位素組成特征分析。

油源對比包括油—巖、油—油、氣—氣、油—氣—巖的對比，實際上地化對比的核心問題就是油—巖和氣—巖的對比以及天然氣的成因分類。第二章油氣成因與烴源巖(一)油源對比的意義其主要意義是：1.查明盆地內(nèi)含油層與生油層的關系，確定生儲蓋組合的產(chǎn)能及分布特征。2.了解油氣運移的方向和途徑。某油藏中的原油生油層D生油層C生油層B生油層A原油來自某一層，還是幾層的混合？以哪一層為主？對比內(nèi)容：油－源（巖）、油－油、油－氣、油－氣－源（巖）對比等（二）常用指標

對比的原則：性質(zhì)相同的兩種油氣應源于同