石油天然气地质 2-4油气成因模式

随深度和温度的加大，在热力和催化剂的作用下，干酪根演化 达到了成熟，大量化学键开始断裂，形成大量烃类分子。
沉积有机质演化达到了成熟，开始大量生成液态石 油时的埋藏深度和地温被称为门限深度和门限温度。

有机质大量转化为石油和湿气 ——主要生油时期：“生油窗”
（二） 热催化生油气阶段
0 原始沉积有机质含量百分数 100
青+液态沥青→气体+固态沥青。
野外观察
如在四川盆地威远隆起震旦系白云岩中见
到石油热演化的最终产物甲烷和固态沥青，后者
呈不规则浸染状或粒状分布于白云岩的裂缝或洞
穴中，成熟度高，通常为碳沥青和焦沥青。
深井钻探
国外近代大批超深井钻探结果显示，深层多
产天然气，罕见液态石油。
以上将有机质向油气转化的整个过程大 致划分为四个阶段，这反映油气演化的一 般模式。
第四节
有机质成烃演化模式
一、有机质向油气转化的阶段 二、低熟油与煤成油形成理论
1
一、有机质向油气转化的阶段
有机质向油气转化是在还原－强还原环境下进行
的。初期受细菌生物化学作用控制，中、后期受温
度控制。
随埋深增大，温度增高，有机质逐步地连续地向
油气转化（为一连续过程）。不同深度范围促使其
转化的地质和理化条件不同，产物有明显不同，反
元素-芳香烃为主)产生缩合反应，主要形成贫氢的固态残 渣，并使石油中脂肪族相对增加而杂原子减少，同时残余 干酪根也变得贫氢。 凝析气和湿气的大量生成，主要是与高温下石油裂解有 关；石油焦化及干酪根残渣热解生成的气体量有限。
石油裂解与石油焦 化的模拟试验
(据A.K.Burnham等，1986) (a)油、气正常生成率与温 度的关系； (b)油、气累计生成率与温 度的关系
2.温度：180℃ ～250℃
3.演化阶段：后生作用后期
碳化作用瘦煤-贫煤阶段
有机质高成熟时期 4.作用因素：石油热裂解、热焦化
（三）热裂解生凝析气阶段
5.演化过程及其产物
残余干酪根继续断开杂原子官能团和侧链，生成少量 水、二氧化碳、氮和低分子量烃类。同时由于地温超过了 液态烃存在的临界温度，已不再有液态烃生成，前期已生 成的液态烃类开始裂解，主要反应是大量C-C键断裂，包 括环烷的开环和破裂， C数烃→低C数烃，液→气。干酪根 残渣结构更紧密，暗褐色。
78 6 5
6.烃类组成的特征
A B
正烃 烷 烃 环 烷 烃 芳
2 3
15 25 35 0 2 4 6 13 20 30 33
C 产生的烃类：正烷烃碳数及分子量递减，中
4
1
埋深
、低分子量的分子是正构烷烃中的主要组分，奇 D 数碳优势消失；环烷烃及芳香烃碳原子数也递减
CO 、H O、CH 、N 等 ，多环及多芳核化合物显著减少。 碳质残渣
C、热裂解生凝析气阶段
D、深部高温生气阶段
烃类的形成与生油岩埋藏深度的关系的一般图解
★ 有机质向油气转化的过程
0 原始沉积有机质含量百分数 100
A、生物化学生气阶段 B、热催化生油气阶段 C、热裂解生凝析气阶段 D、深部高温生气阶段
2 3
78 6 5
A B C
4
1
埋深
D
CO2、H2O、CH4、N2等 碳质残渣
（三）热裂解生凝析气阶段
6.烃类组成的特征
0 原始沉积有机质含量百分数 100
液态烃急剧减少，C25以上高 分子正烷烃含量渐趋于零，只 有少量低碳原子数的环烷烃和
A芳香烃可稳定存在；低分子正 B
78 6 5 2 3
烷烃剧增，主要产物是甲烷及
其气态同系物。
C
4
1
埋深
D
CO2、H2O、CH4、N2等 碳质残渣
后，方才达到了成熟温度，有机质仍然可以生成大
量石油，即所谓“二次生油”。
30
有机质演化及烃类形成阶段划分表
深度，km 温度， ℃ ﹤ 1.5 成岩 阶段 成岩 作用 阶段 煤阶 泥炭 0.5 褐煤 1.5-4.0 60-180 后 生 作 用 阶 段 长焰煤 黄 气煤 ∣ 肥煤 焦煤 瘦煤 1.0 暗 褐 色 暗褐 色 ∣ 深暗 褐色 Ro % 饱粉 碳化 程度 黄 色 干酪根 颜色 K.Peters 黄浅黄褐色 张厚福 1981 生物化 学生气 阶段 普西 1973 蒂索 威尔特 1984 成 岩 作 用 阶 段 傅家谟 1975 油 气 形 成 期 黄第藩 等， 1991 潘钟祥， 1986 生物甲 烷气阶 段 重质油 ∣ 轻质油 阶段
碳化作用中的泥炭-褐煤阶段；
4.作用因素：以生物化学作用为主；
（一） 生物化学生气阶段
类 脂 化 合 物 5.演化过 蛋 水 白 解 质 程及产物： 物质 单( A 微 用生 机 生 可 体 物 酶 溶 有 作 碳 水 化 合 物 木 质 素 可溶单体有机质：
•部分作为微生物养料被菌解、氧化、消耗掉→CO2、H2O；
去含氧官能团、去肽键 缩合
干酪根
可溶有机质
（一） 生物化学生气阶段
6. 烃类组成的特征——在有机质中所占的比重很小
0 原始沉积有机质含量百分数 100
正烷烃
环烷烃
芳烃
78 6 5
A
0 2 4 6 13 20 30 33
B
2 3
4 1
埋深
高分子量 C 正烷烃 C22～C34 范围内有 D 明显的奇 数碳优势
映了有机质向油气转化过程具有明显的阶段性。
四个逐步过渡的阶段： 生物化学生气阶段——沉积有机质演化的未成熟阶段 热催化生油气阶段——成熟阶段 热裂解生凝析气阶段——高成熟阶段 深部高温生气阶段——过成熟阶段
4
★有机质成烃演化阶段 ——连续过程 ——阶段性
A、生物化学生气阶段 B、热催化生油气阶段
对不同的沉积盆地，由于其沉降历史、 地温历史及原始有机质类型的不同，有机 质向油气转化的过程不一定全都经历这四 个阶段，有的可能只进入了前两个阶段， 尚未达到第三阶段；而且，每个阶段的深 度和温度界限也有差别。
在地质发展史较复杂的沉积盆地，如经历过数
次升降作用，生油岩中的有机质可能由于埋藏较浅
尚未成熟就遭遇抬升，到再度沉降埋藏到相当深度
1、CO2+H2O+ ； 2、石油； 3、湿气； 4、甲烷；5、胶 质+沥青质； 6、干酪根； 7、溶于碱的物质；8、溶于酸的 物质（5、6、7、8之间虚线表示这些成分可能重叠）
（一） 生物化学生气阶段
1.埋深：0-1500米± 2.温度：10~60℃ 3.演化阶段：Ro＜0.5%
沉积物的成岩作用阶段 ；
在我国东部渤海湾、泌阳、江汉、百色、松辽、苏北及 西部地区的柴达木、准噶尔等盆地都发现了这种成熟度偏 低的石油资源。
35
1.低熟油含义 （Immature oil）

低熟油：所有非干酪根晚期热降解成因的各 种低温早熟的非常规石油，称低熟油。 相当于干酪根生烃模式的未成熟（Ro0.5%） 和低成熟（Ro=0.5--0.7%）阶段。 有机质经低温生物化学或低温化学反应生成 液态烃。
沉积物沉积后至成岩早期：
水解、微生物酶的作用而分解
氧化
酚、单糖、氨基酸、脂肪酸
腐殖化作用
（分解、缩合、选择性富集）
（ 选 分 泥 择 解 化 性 、 富 缩 作 集 合 ） 、
纯 物化 生氧 化 微解 学 菌 分 解
用
细 菌 作
腐
用
生物成因气
C
腐 黄腐酸 殖 腐殖酸 物 质 腐黑
石油烃、胶质、沥青质 腐 （含生物标志化合物） 泥 物 其它不溶类脂聚合物 质
该阶段的镜质体反射率 Ro＜0.5%；干酪根颜色
为黄～浅褐～褐色。
（二） 热催化生油气阶段
1.深度：1500 ～ 4000m 2.温度：60℃～180℃ 3.演化阶段：后生作用阶段前期
（长焰煤-焦煤阶段）
有机质成熟、进入生油门限 4.作用因素：热力+催化剂的作用
（二） 热催化生油气阶段
5.演化过程及其产物
湿气 凝析气 干酪根残渣
热变质 深部高温高压下
干气（CH4） 石墨 Ro 2.0%
有机质向油气演化的过程在实验室、野
外观察和深井钻探结果中都得到了证实。
实验结果
中国科学院地球化学研究所对石油进行
பைடு நூலகம்
高温高压试验，发现当压力固定不变，石油
随温度升高向两极明显分化，最后形成气体
与固态沥青。
演化过程是石油→油+气→油+气+固态沥
2 2 4 2
有机质成熟的早晚及生烃能力的强弱，与有机质本 身性质有关。
若干类型有机质成熟及生烃能力图(据D.W.Waples,1985）
不同盆地不同时代生油岩埋藏深度与油气生成的关系
17
我国不同盆地不同时代生油岩埋藏深度与油气生成的关系
18
（三）热裂解生凝析气阶段
1.深度：4000～6000米；
CO2、H2O、CH4、N2等 碳质残渣
四环 分子 显畸 峰
高分子量 化合物为 主，显示 萘和四芳 烃双峰
（一） 生物化学生气阶段
在这个阶段生成的生物气，或称生物化学气，甲
烷含量在95%以上，属干气；甲烷稳定碳同位素值异
常低，介于-55～-85‰。
它们可以富集成特大型气藏，埋藏深度浅，易于
勘探和开发，是经济效益高的研究对象。
•部分经细菌生化作用→CO2、H2O、CH4（生物成因气）、NH3
•大多数经地质聚合和缩合→Kerogen（~黄－浅褐色） •少量未成熟油，明显奇数碳优势
主要产物：生物气、干酪根、少量油
（一） 生物化学生气阶段
CO2 H2O 木质素、碳水化合物、蛋白质、类脂化合物 CO2 H2O
微 生 物 菌 解
7.0-10.0 250-375
变生 作用 阶段
2.5 3.0
黑 色
深暗 褐色 ∣ 黑色
深部 高温 生气 阶段
后 生 作 用 阶 段
甲 烷
最 终 甲 烷 气 阶 段
过 成 熟 阶 段
干气 阶段
有 机 质 的 生 烃 模 式
32
★ 油气有机成因模式
生油门限
10-60 C 1.5km Ro 0.5%
15 25 35 碳原子数
0 2 4 6 环数
13 20 30 33 碳原子数
（三）热裂解生凝析气阶段
此阶段烃类反应的两种样式：
石油热裂解(Cracking)：高温下脂肪族结构破裂为较
小分子，生成为较高氢含量的甲烷及其气态同系物等轻烃 类； 并使石油所含芳香烃浓缩集中。
石油热焦化(Coking)：高温下贫氢石油(一般以含杂
湿气指数随温度变化的模拟试验(据A.K.Burnhan等，1986)
（四）深部高温生气阶段
1.深度＞6000-7000m；温度＞250℃ ；高温高压
2.变生作用阶段（半无烟煤-无烟煤的高度碳化阶段） 3.作用因素：热变质 4.作用特点及主要产物：已形成的液态烃和重质气态 烃强烈裂解，变成热力学上最稳定的甲烷；干酪根进一 步缩聚，H/C原子比降到很低，生烃潜力逐渐枯竭。最 终干酪根将形成碳沥青或石墨。
10-60
甲 烷
未成熟 阶段
热催化 生油气 阶段 液 态
4.0-7.0
180-250
深暗 褐色
2.0
热裂解 生凝析 气阶段
窗
深 成 作 用 阶 段
石 油
湿 气
油 气 成 熟 期
低 成 熟 高 成 熟 原 油 阶 段
成 熟 阶 段
低 熟 中 成 熟
高 成 熟
凝析气 ∣ 湿气 阶段
贫煤 半无 烟煤 无烟煤


36
2.低熟油生成的物质基础

各种显微组分的热稳定性与生烃活化能 不同，生烃时间和生烃潜力不同。 源岩有机质中存在大量化学性质不稳定、 活化能较低的富氢显微组分，可生成低 熟油气。

37
3.低熟油形成机理
（1）树脂体早期生烃
植物分泌出树脂，随沉积物埋藏，树脂可转化成树 脂体。

当有机质处于未—低成熟阶段时，树脂体可在低 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，在低热条件下，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。
38
（3）细菌改造陆源有机质早期生烃 细菌作用对陆源有机质进行降解改造，提高富氢 程度和“腐泥化”程度，使有机质热降解、脱官能 团与加氢生烃反应所需要的活化能降低，有利于生
生油窗 挥发物 干酪根 未熟-低熟 石油 生物化学生气阶段
成岩作用阶段 Ro=0.5-1.0% 60-180 C 湿气 1.5-4.0km
热催化
Ro=1.0-2.0% 180-250 C 4.0-7.0km
湿气
热裂解
Ro 2.0% 250-375 C 7.0-10.0km
沉积 有机质
乏氧 生物化学降解
大量石油 残余 干酪根
凝析气 干酪根 残渣
热变质
干气 次石墨
热催化生油气阶段 热裂解生凝析气阶段 深部高温生气阶段
后生作用阶段 变生作用阶段
33
第四节
有机质成烃演化模式
一、有机质向油气转化的阶段 二、低熟油与煤成油形成理论
34
（一）低熟油及其形成机理
自七十年代以来，在许多国家和地区相继发现了
这样一类石油，其生物标志化合物的成熟度参数比干 酪根晚期热降解成因的石油明显偏低，表明此类石油 是在经受较低温度作用条件下形成的。