油气成因和烃源岩(2010)

第四章 油气成因和烃源岩
（Petroleum Origin and Source Rock）
• 油气成因概述 • 油气有机成因理论 • 烃源岩及其评价 • 油气地球化学对比
第一节 油气成因概述
• 油气的基本特征：可流动性、源聚异地 • 油气成因争论的核心：起源物质和生成过程
• 油气无机成因说 Theory） （Inorganic Origin Theory） 油气有机成因说 Theory） （organic Origin Theory）
岩浆说（库德里亚夫采夫，1954）
• 油气起源与地球深部的岩浆有关 地球深处的岩浆中不仅存在碳和氢，而且还有氧、 硫、氮及石油中的其他微量元素。 • 它们在岩浆由高温到低温的变化过程中，自会发 生一系列的化学反应，从而形成一系列石油中的化 合物。 • 然后伴随着岩浆的侵入和喷发，这些石油化合物 在地壳内部的有利部位经运移和聚集而形成油气藏。
粘土和页岩 大陆， 陆棚， 陆坡 碳酸盐岩 砂
粘土和页岩 碳酸盐岩 硅质沉积
沉积有机质分布的主要影响因素
（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。在海洋、温湿带的浅海区有良好 的透光性和营养条件，在大陆以湿热带最重要。 （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、沉积速度：有机、无机质点的绝对速度 ；有机、无机质点的相对速度。 （4）沉积物的粒度：粒度越细所含有机质越多。
类脂(Lipids) 类脂
• 狭义：主要是动植物的油脂。 • 广义：包括油脂、固醇类、萜类、烃类和 色素。 • 共同特性：不溶于水，但溶于极低性的有 机溶剂如氯仿、四氯化碳、乙醚、苯和丙酮。 • 特点： 抗腐能力强； 化学成分和结构 最接近石油。
类脂(Lipids) 类脂
天然有机质与石油的平均元素组成 类 型 碳水化合物 木质素 蛋白质 类脂 干酪根 沥 青 石 油 元素组成（质量百分数） H S N 6 / / 5 0.1 0.3 7 1 17 12 / / 6 5 2 10 3 1 13 1.5 0.5
高温说（切卡留克，1971）、深成说（高 尔德，1977）等
• 板块理论的兴起，大洋中脊喷出物 油气地质实际，未能有效地指导油气勘 探实践。世界上绝大部分油气不是埋藏在地壳深部 的岩浆岩或变质岩中，而是储集在沉积岩中，特别 是常和已证实为生物成因的煤、油页岩等其他可燃 有机岩类共生； ？ 石油中显著具有机成因的某些生物标志,如旋光 性,而岩浆岩中缺乏这些物质； ？ 无机成因的碳氢化合物，品种十分单调,无法说 明已经找到的极为复杂的石油化学组成。
1. 干酪根的概念
干酪根一词首先由Grum Brown(1912)提出 ，原意指苏格兰页岩中经蒸馏产出的油状物 质，后意为能产生油状物质的有机质，并称 为油母质。 定义：沉积岩中不溶于碱、非氧化型酸和 有机溶剂的分散有机质。 沉积物中未固结的有机质以腐殖酸为主， 它是沉积岩中干酪根的前身。
1. 干酪根的概念
？ 在地球深处并没有发现大量碳化铁的迹象；地球深处不可能 有地下水存在
宇宙说（索柯洛夫， 宇宙说（索柯洛夫，1889） ）
太阳系中的木星、土星、 太阳系中的木星、土星、天王星和海王星等行星的气 圈中以及彗星的尾部等天体光谱分析发现有甲烷； 圈中以及彗星的尾部等天体光谱分析发现有甲烷； 烃类化台物可由Fischer-Tropsch反应无机合成： 反应无机合成： 烃类化台物可由 反应无机合成 nCO+2nH2 → （-CH2）n+nH2O • 碳氢化台物是宇宙中固有的，在地球尚处于熔融状态 碳氢化台物是宇宙中固有的， 时即已存在于大气圈中，后随着地球的冷却收缩， 时即已存在于大气圈中，后随着地球的冷却收缩，被 凝结于地壳上部，并沿裂隙分离出来， 凝结于地壳上部，并沿裂隙分离出来，当有孔隙性地 层和其上被非渗透层覆盖时则可聚集成油气藏。 层和其上被非渗透层覆盖时则可聚集成油气藏。
（二）晚期成因说
• 应该看到，原始有机质从沉积、埋藏到转化为石 油和天然气，是一个逐渐演化的过程。在承认晚期 成油起主要作用的同时，也不能一概否定早期成油 的影响（未熟油、浅层甲烷气），只不过在生油的 量上可能多少不一，以晚期为主。 • 现在看来，液态石油的成因主要是晚期成因，而 天然气的成因条件转化较为宽松（多源、多阶段）。
蛋白质(Proteins) 蛋白质
• 蛋白质是组成细胞的基础物质，在动物组 织中含量最高，低等植物中的含量高于高等 植物。 • 蛋白质构成了生物体中大部分含氮化合物。 • 蛋白质只要经过去羧基和去氨基后便可形 成烃类。 • 蛋白质容易受喜氧细菌破坏，不利保存。
木质素(Lignin) 木质素
• 木质素仅存在高等植物中，是一种贫氢、 富碳、富氧、富含芳环结构的高分子聚合物。 • 木质素具有比纤维素更强的抗腐能力，是 成煤的重要母质，也可生成天然气，也可能 是石油中芳烃的母质之一。
C 44 63 53 76 79 84 84.5
O 50 31.6 22 12 8 2 0.5
碳水化合物(Carbohydrates) 碳水化合物
碳水化合物是单糖或单糖的聚合体的总称， 通式可写为Cn（H2O）m，包括葡萄糖、淀粉、 纤维素、几丁质等，是植物的主要组成，动 物中数量较少。 实验证明，碳水化合物被氢还原后可以得到 烃类，但碳水化合物大多容易被喜氧细菌消 耗或被水解，难以保存下来。
（四）沉积有机质的分布和丰度
丰度用有机碳含量 表示。现今所测的残余 有机碳含量。 绝大多数沉积有机 质呈分散状态与泥质沉 积物相伴生，含量一般 小于10%。 沉积岩中有机质在 地质历史时期分布具不 均衡性。
地史中有机碳的丰度
不同沉积环境或者不同岩性岩相条件下 沉积物中的有机碳含量差别很大
位置 平均值/ 质量％ 0.99 0.33 0.28 重量 /1016t 0.82 0.08 0.09 大 洋 位置 平均值/ 质量％ 0.22 0.28 0.26 重量 /1016t 0.07 0.10 0.04
沉积岩中 的干酪根是 最重要的成 烃母质。 Hunt(1979) 认为，80－ 95%的石油 烃是由干酪 根生成的。
巴黎 盆地 托尔 页岩 有机 质各 组分 含量 随深 度的 变化
2.干酪根的物质组成和分子结构 2.干酪根的物质组成和分子结构
（五）干酪根(Kerogen) 干酪根
沉积岩中的干 酪根是有机碳 存在的最重要 的形式，其占 沉积岩中分散 有机质总量的 80－90%，甚 至更高。
Durand(1980)估计， Durand(1980)估计，沉积岩中的干酪根总量约比化石燃料 估计 资源总量大1000 1000倍 资源总量大1000倍。
二、油气有机成因说
• 石油是地质历史时期中的生物有机质在还原环境 中转化而成的 根据主张石油形成于沉积物成岩作用的早期或晚 期，分为早期有机成因说、 晚期有机成因说 根据成油原始有机质来源分为：动物说、植物 说、动植物混成说 根据有机质形成的环境分为：海相生油说、陆 相生油说
（一）早期有机成因说
二、沉积有机质与干酪根
（一）沉积有机质的生物物质
• 定义：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。 • 来源：海洋浮游植物（藻类）和细菌（自€起至 今）以及高等植物（D以后），并以海洋浮游植物 （藻类）和细菌最重要
地史上高等植物的出现明显晚于浮游植物 海域面积明显大于陆地 浮游植物和细菌具明显高的产率
？地球形成时的大气成分与现代大气差不多，不可能存在大量碳 地球形成时的大气成分与现代大气差不多， 氢化合物；即使有的话， 氢化合物；即使有的话，遇到高温有熔融状的地球也早就分解 了。
一、 油气无机成因说
火山说（Coste，1904）
• 石油是火山喷发作用的产物 ？ 世界上极少数油矿位于火山带，无法解释大量 不存在于火山带的油矿形成机制。
一、 油气无机成因说
石油是由自然界中无机物化合而成，与有机物质无关。
碳化物说（门捷列夫，1876）
实验证明烃类可由无机合成途径产生。 • 石油是地下深处炽热的重金属碳化物与沿裂缝下渗 的水相互作用而生成。如： 3FemCn＋4mH2O → mFe3O4+C3nH8m 所生成的石油蒸气在涌向地壳过程中冷凝在多孔 岩层中，当条件适宜时就可形成油气藏。
（二）沉积有机质的原始生物化学组成
除水以外，主要有类脂（脂类）、碳水化合物、蛋 白质和木质素等4类。 不同生物所含的生物化学组分的相对丰度不同： 植物主要含碳水化合物 动物主要含蛋白质 高等植物富含木质素和纤维素 类脂在低等植物以及高等植物的某些组织 中含量较丰富 不同环境下的生物物质组合面貌的不同决定了其 沉积有机质的组成和类型上的差异。
第二节
油气有机成因理论
• 油气有机成因的证据 • 沉积有机质与干酪根 • 沉积有机质的成烃演化 • 未成熟—低成熟成因 未成熟— • 煤成油形成机理
一、油气有机成因的证据
① 世界上90%以上油气都产自沉积岩。产自古老基岩或 火成岩中的油气也是来自邻近沉积岩系中富含有机质的 母岩。灰岩晶洞和介壳以及封闭的砂岩透镜体中的油气 只能源于沉积有机质。 ② 油气在地壳中的出现和富集程度与地史上生物的发 育和兴衰相关，油气储量的时代分布与地层中分散有机 质及煤和油页岩等有机矿产的时代分布具有相关性。 ③ 在油气田剖面中，含油气层位总与富含有机质的层 位有依存关系。
（二）晚期成因说
• Philipp(1965)，Tissot和Welte(1971)以及 Albrech(1976)等人对生油剖面卓有成效的研究表明， 只有当含有丰富有机质的沉积物（母岩）埋藏达到 一定的深度和温度时，有机质才开始大量生成液态 的成熟烃 • 根据晚期生油理论对油气资源进行的定量预测和 远景评价取得了前所未有的成效。 • 石油是沉积物（岩）中的不溶有机质（称为干酪 根）在成岩作用晚期，经过热解生成的。
（三）沉积有机质的形成