石油与天然气地质学 第二章 油气生成与烃源岩

油气生成与烃源岩
三、生油母质——干酪根
1.概念
干酪根（ kerogen ）：为沉积岩中所有不溶于非 氧化的酸、碱和非极性有机溶剂的有机质（ 1979 年， 亨特）。 沉积有机质包括：有机溶剂可抽提的沥青；不溶 于有机溶剂的干酪根。干酪根是有机碳的最重要形式。 它比煤和储集层中石油含量之和还要多上千倍，比非 储集层中沥青和其它分散的石油多50 倍。在古代沉积 岩中，有机质的80～99%是干酪根。
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不同岩石中的分布： 含量一般小于 10% 。有机
碳平均含量： 泥质岩 为 2.1% ， 碳酸盐岩 为 0.29% ， 砂岩为 0.05% 。
不同时代中的分布： 据特拉斯克和罗诺夫等人
对北美和俄罗斯地台的研究，以及后来亨特和瓦索耶 维奇等人的工作发现，从寒武纪以来，有机质的分布 出现过两次低潮期，一次发生在 志留纪 ，另一次见于 三叠纪。原因：产率和有机体的天然组合不同。
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甾、萜类化合物
萜类化合物——以异戊二稀单元（C5H8）为特征。 链状：异戊二稀型烷烃 Ph、Pr 环状：单萜、 倍半萜、双萜、三萜（藿烷）、四 萜、多萜
m/z191
Tm
C20C21-
伽马蜡烷 三环萜烷
C23- 三环萜烷
Ts
油气生成与烃源岩 甾族化合物：由四个环稠合的碳环结构，有三个侧链。 重要的甾醇动物中有：胆甾醇 C27 ；植物中有：豆 甾醇C29、麦角甾醇C28 、 谷甾醇C29。
（中泥盆纪）
蕨类、苔藓 （第一成煤期）
裸子植物
（晚古：晚石炭世） （中生：早白垩世）
被子植物
（白垩—新生代）
不同生物的时代性造成了石油形成的时间性。
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2. 生化组分来源
对沉积有机质来源提供最多的生化组成 是脂类（lipide）化合物、蛋白质（protein）、 碳 水 化 合 物 （ carbohydrates ） 和 木 质 素 （lignin）。
(Chapter2 hydrocarbon generation and source rock)
成因假说？
成油原始物质 ：无机 ？有机 ？ 成油时间 ：早期 ？晚期 ？
无机假说
碳化说：1876年俄国化学家门捷列夫：石油是地 下深处的金属碳化物与下渗的水相互作用所生成。生 成的石油蒸气在冲向地壳的过程中冷凝形成油气藏。 宇宙说：1889年俄国索柯洛夫：碳氢 化合物是宇宙所固有的，在地球处于熔融 阶段时即已存在于气圈这中了，以后地球 冷却被吸附凝结在地壳上部形成油气藏。
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4.组成及结构
一般分布范围是 C：70～90%，H：3～10%，O： 1984 ）。干酪根的元素组成跨有很大范围，它 的化学成分和结构会因原始物质的类型和演化 程度而变化。
元素组成：干酪根的元素组成中以 C 为主。
3～19%，N：0.4～4 %，S：0.2～5%（据Tissot，
油气生成与烃源岩 结构：干酪根是一个由很多“桥键”交连的“核” 组成，在核和桥上带有各种官能团，类脂化合物可被 聚集在核间的空隙中的立体大分子。
无机假说
岩浆说：1949年10月3日，在纪念宇宙说六十周年 时苏联库德梁采夫突然由有机说的观点转变为无机说， 认为地球深处的岩浆中，含有C、H，还有O、N、S及石 油中其他灰分元素。在6000℃—12000℃下，C、H可形 成甲炔基，到3000—4000℃可形成次甲基，随着温度 降低，可形成甲基，最后形成甲烷，甲炔基可聚合形 成各种烃，在温度、压力适合时形成石油。
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（1）脂类化合物
广义的脂类：包括磷脂、甾萜、脂肪酸、生物烃、色素等 物态及物理性质与油脂类似，而化学结构不同的化合物，也称类 脂化合物。 共性：不溶于水，溶于低极性有机溶剂（氯仿、四氯化碳、 乙醚、丙酮）——归类依据（用这类溶剂将脂类从细胞和组织中 萃取出来）。 含量：在动物体中含量高； 在植物孢子、种子、果实、细菌、藻类中含量较低。 分类：典型脂类——脂肪酸 含脂肪酸：蜡 似脂类化合物——不含脂肪酸： 甾、萜、烃
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可归纳为：沉积有机质
微生物喜氧呼吸
产生有机酸、二氧化碳、水
硫酸盐、碳酸盐岩 还原带的厌氧呼吸 两带产氢菌的活动 甲烷生成菌的活动 H2 H2 甲烷
腐殖质
地质聚合
干酪根
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3.性质
从岩石中提纯出来的干酪根呈黑色或 褐色粉末，是复杂的有机高分子聚合物。 在沉积岩中干酪根呈细微分散状态，有时 以局部富集的纹层存在于泥岩中。
蛋白质主要是通过氨基酸的形式保存下来，蛋白 质是石油中低碳的主要来源。
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（3）碳水化合物——糖
来源：是生物活动的能量来源，是生物身体的支撑者； 成分：由C、H、O三种元素组成，通式为Cn（H2O），是多羧 基的化合物。在植物中占的比重较大，干重占80%；在动物中占 的比重较小，干重小于2%；在微生物中比重介于上面两者之间， 占菌体的10-30%。
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3. 沉积有机质丰度的影响因素
（1）水体中有机物的产率和类型
产率：原始有机物产率高，有机物的供应量也大，有机质 的丰度也大。有机质含量高，可造成还原环境，有利于有机质的 保存。（产率是主要因素） 类型： 浮游植物和细菌 是沉积有机质的主要供应者，海洋 和湖泊中浮游植物的产率很大，沉积物中有机质的聚集量也大， 如黑海、里海和青海湖。不同营养型湖泊的沉积物中的有机质丰 度也不同，富营养型湖泊沉积物中脂类含量高，为 0.5 ～ 1.0% 。 贫营养型湖泊沉积物中低，为 0.1～0.4%。
油气生成与烃源岩 （2）原始有机质的保存条件
游离氧和细菌的存在，促进和加速有机质的分解。有机质停 留在水中的时间越长，被分解得越多，越不利于保存。但是，只 要有机质补给速度超过氧的补给速度，就可出现还原环境。
（3）水动力条件
水动力强，有效波浪底能达到砂质沉积物，有机质很难保存。 水动力弱的泥质沉积，水波浪达不到，不能把大气中的游离氧带 来，有机物能得到保存。
DZ-17，崇阳县港口乡， 栖霞组（P2），碳质泥岩
C27 C28
C29
m/z217
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（2）蛋白质
来源：是生物体内一切组织的基础，是生命活动的主要物质； 成分：由单体氨基酸组成的高度有序的聚合物，元素组成是 C、H、O、N，N的含量达16%，是生命体中含N的主要物质。动物 体蛋白质比值高，低等生物蛋白质的含量比高等植物高，细菌中 含量可达50%。 特点：在酶的作用下蛋白质很容易水解形成氨基酸，氨 基酸去羧基（ -COOH ），还原氨基（ -NH2 ），就可得到分子量中 等的烃类化合物。
类脂物质的特征是抗腐力较强，能在各种地质条件下保存 起来。其元素组成和分子结构最接近于石油烃，是生成油气的
主要原始物质。
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二、原始物质的形成
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称为沉积有机质。
形成：
氧化成简单的分子 生物 死亡 沉积有机质（只占0.8%左右）
（4）木质素
来源：是高等植物基本组成，细胞壁中支撑组织： 成分：一种芳香族高分子的化合物，具聚酚结构。 特点：比较稳定，可抵抗微生物的分解而保存下来，是形 成煤的主要来源，在微生物作用下能转化成腐殖质。
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天然有机质与石油平均元素组成
C% 碳水化合物 木质素 蛋白质 类脂 石油 44 63 53 76 84.5 H% 6 5 7 12 13 S% 0.1 1 1.5 N% 0.3 17 0.5 O% 50 31.6 22 12 0.5
简单烃类与石油组成复杂性?
生物成因 ?
有机假说
19世纪中叶以来，研究者根据观察和实验 以低等动物为主的“动物学说”； 以藻类为主的“植物说”； “动植物混成说”。
证据：生物标志化合物及旋光性
成油时间
“石油是早期生成的烃类富集而成的”
数量上：现代沉积物的烃含量及烃转化率远
远低于古代沉积物；
质量上：现代沉积物的烃组成与原油和生油
A b u n d a n c e I o 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 T i m e - - > 1 . 0 05 2 . 0 05 3 . 0 05 4 . 0 05 5 . 0 05 6 . 0 05 7 . 0 05 8 . 0 05 9 . 0 06 0 . 0 06 1 . 0 06 2 . 0 06 3 . 0 06 4 . 0 0 n 2 1 7 . 0 0 ( 2 1 6 . 7 0 t o 2 1 7 . 7 0 ) : S 0 4 0 4 0 0 7 . D
（4）沉积物的粒度
低能环境下以粘土沉积为特征，有机质可与细小的矿物颗粒 （特别是粘土）紧密结合（吸附）而沉积。同时沉积物缺氧，微 生物不活跃，有机质可得以保存。
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古代沉积岩中有机质的组成：
烃类：岩石中可溶于有机溶剂的有机质。它们来 自活有机体所含的石油烃类或为有机质堆积到水盆地 后经历生物化学作用和化学作用而产生。 沥青：可溶于有机溶剂，是烃类和非烃类物质的 混合物。可分为油质、胶质及沥青质。就化学性质而 言，沥青是接近石油的，是有机质向油气转化的中间 产物。 干酪根：不能溶解于有机溶剂的固体有机质。
保存的必要条件：是湖泊、海洋的乏氧环境。
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1. 分类
（1）原生的沉积有机质：指通过沉积作用，直接或 间接进入沉积物中的有机质。包括：氨基酸、脂肪酸、
脂类及木质素。
（2）新生的沉积有机质：指原生的沉积有机质通
过埋藏作用和化学作用重新合成和演化形成的有机化
合物。如腐殖酸、干酪根、烃和非烃。
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2.形成
六、七十年代，关于干酪根的形成研究日渐完善， 日本大石渡良志1976年提出认为干酪根的形成的以下 三种途径： （1）不饱和化合物 （氧化 聚合）中间产物 （聚合）干酪根 （2） 碳水化合物、蛋白质 （聚合）腐殖酸 （聚合）干酪根 （3）脂肪、碳水化合物、蛋白质 （微生物作 用）腐殖酸 （聚合）干酪根
地域来源：原地和异地； 但难区分，按来自沉积盆地内和外，以及混合来源。
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2. 沉积有机质的分布
沉积有机质的丰度：有机碳（％）来表示。 有机碳（organic carbon）：指岩石中残留的有 机碳，即岩石中有机碳链化合物的总称，以单位重量 岩石中有机碳的重量百分数表示。 现代沉积有机质含量＝有机碳×1.6 古代沉积有机质含量＝有机碳×1.22
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腐泥组絮状无定形， 大庆鱼11井，深1520米， 黑色泥岩，青山口青一 段。
岩均有较大的区别。
当母岩埋藏达到一定的深度和温度时，有机
质才可大量生成液态烃。
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§1 油气生成的原始物质
一、原始物质的来源
1. 生物种类来源
沉积有机质的生物种类来源首先是浮游 植物，其次是细菌、高等植物、浮游动物。
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（1）浮游植物
是有机碳的最大来源。 主要是蓝绿藻和行光合作用 的细菌。 三个高产期: (1) 早古生代， 8 亿年前， 具有机壁，主要是蓝绿藻， 绿藻； (2) 晚侏罗世至早白垩世， 钙质，包括颗石藻、甲藻； 晚白垩世，硅质； (3) 晚古新世和始新世产 量快速增微组分按煤岩学：
（1）腐泥组（sapropelic）： 无定形，藻质体。 （2）壳质组（liptinite）：孢粉体，树脂体， 角质体，木栓体，表皮体。 （3）镜质组（vitrinite）：结构镜质体，无结 构镜质组。 （4）惰质组（inertinite）：以丝质体为常见。
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（2）细菌
是有机碳的第二来源，种类多达 100 多种，分布 的空间、时间比较广泛。
（3）浮游动物
是有机碳的一大来源。高等浮游动物繁殖率低，低等
浮游动物繁殖率高，对沉积有机质有一定贡献。
以浮游植物为食物，所以往往与浮游植物相伴随，
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（4）高等植物
有机碳的一大来源，可与细菌来源相提并论。 维管植物残体