第9章 现代油气成因理论

第九章
现代油气成因理论
第一节 石油和天然气成因概述
第二节 生成油气的原始物质 第三节 油气生成条件 第四节 有机质演化与成烃模式 第五节 生油层研究
第一节 石油和天然气成因概述
一、无机成因说
二、有机成因说
一、无机成因说
在石油工业发展早期，人们从纯化学角度出发，认为石油是无机 成因的，即石油和天然气是在地下深处高温、高压条件下由无机物通 过化学反应形成的。 无机成因说的主要依据：
3、古气候条件 古气候条件也直接影响生物的发育，年平均温度高、日照时间长、
空气湿度大，都能显著增强生物的繁殖能力。
因此，温暖、湿润的气候有利于生物的繁殖和发育，是油气生成
的有利外界条件之一。
上述各项条件都对形成适于有机质繁殖、堆积、保存的环境产生
综合性的影响，相互之间有密切联系。其中，大地构造条件是根本的
① 在实验室中，无机物可以合成烃类：
nCO+nH2催化 (CH ) n nH 2O ② 火山喷出气体中有甲烷、乙烷等烃类成分。
③ 石油的分布常常与深大断裂有关(断开地壳，作为通道)。
无机成因说的主要理论：
① 宇宙说； ② 碳化物说； ③ 高温生成说；
④ 岩浆说； ⑤ 蛇纹石化生油说；
在沉积盆地中，能否造就还原环境以及还原环境持续时间的长短
等，取决于沉降速度(Vs)与沉积速度(Vd)之间的关系：
若Vs远远超过Vd水体急剧变深，生物死亡后，在下沉过程中易遭巨厚 水体所含氧气的氧化破坏； 若 Vs 显著低于Vd水体迅速变浅，甚至上升为陆，沉积物暴露地表， 有机质易受空气中的氧所氧化，也不利于有机质的堆积和保存。 ★★ 只有在长期持续下沉过程中伴随适当的升降，沉降速度与沉积 速度相近或沉降速度稍大时，才能持久保持还原环境。
三、热裂解生凝析气阶段
四、深部高温生气阶段
★ 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
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）
C：76.4%
H：6.3%
O：11.1%
三者共占93.8%。
干酪根结构呈三 维网状系统，由多个 核被桥键和各种官能 团联接而成。
B-强烈演化 A-微弱演化
绿河页岩干酪根结构图解 (据法B.P.Tissot等，1978)
沉积物和沉积岩中有机质的转化 (据D.W.Waples,1985修改)
干酪根数量与化石燃料最大资源的比较
有机成因说认为：石油是由地质时期中的生物有机质形成的；在油气
有机生成学说中，存在着早期生油说与晚期生油说两种观点：早期成
油说、晚期成油说。 早期成油说：认为石油烃类是地壳浅处，沉积物成岩作用早期，由沉
积岩中的分散有机质在生物化学作用下生成的。 晚期成油说：认为石油是有机物质被埋藏后，达到一定深度、一定温
二、有机成因说
主要依据： （1）世界上已经发现的油气田99.9%都分布在沉积岩中。
（2）从前寒武纪至第四纪更新世的各时代岩层中都找到了石油。 （3）石油灰分与岩石圈相比，大大富集了钒、镍、铜等。煤与石油
的灰分在微量元素的组成上具有相似性。
（4）从大量油田测试结果都证明石油是在低温条件下生成的。 （5）除卟啉外，在石油中还发现了许多生物标志化合物。 （6）从现代沉积物和古代沉积岩中检测出了石油中所含的所有烃类 。研究表明，在近代沉积物中确实存在着油气生成过程，至今还在进 行着，而且生成的油气数量也很可观。
(据B.Durand,1980)
2、干酪根的类型和演化 干酪根是沉积有机质的主体，干酪根的类型基本上代表了沉积有 机质的类型。干酪根类型划分一般有两种方案：化学方法分类、光学
方法分类。其中，化学方法较常用。
煤岩学家分类 孢粉学家分类 I 型干酪根 化学分类： Ⅱ型干酪根 Ⅲ型干酪根
光学分类：
干酪根的分类
0.1 O/C原子比
0.2
0.3
0.4
图2-8 不同来源干酪根的元素分析图解
Ⅰ型： ○ 美国尤英塔盆地绿河页岩； Ⅱ型： ▲法国巴黎盆地下托尔页岩； ■德国里阿斯期波西多尼希费组； Ⅲ型： *喀麦隆杜阿拉盆地洛格巴巴页岩；＋腐殖煤
I 型干酪根： ★ 原始氢含量高和氧含量低，H/C原子比介于1.25～1.75，O/C原子 比介于0.026～0.12。 ★ 以含类脂化合物为主，直链烷烃很多，多环芳香烃及含氧官能 团很少。 ★ 来自藻类堆积物，也可能是各种有机质被细菌强烈改造，留下 原始物质的类脂化合物馏分和细菌的类脂化合物。 ★ 生油潜能大，相当于浅层未成熟样品重量的80%。
条件下，有机质可被厌氧细菌分解而产生CH4、H2、CO2、以及有机 酸和其它碳氢化合物。 细菌在油气生成过程中的作用实质：是将有机质中的氧、硫、氮 、磷等元素分离出来，使碳、氢，特别是氢富集起来，并且细菌作用 时间越长，这种作用进行得越彻底。
3、催化作用
在有机质向油气转化的过程中，主要存在无机盐类和有机酵母两 类催化剂。 粘土矿物是自然界分布最广的无机盐类催化剂。其催化能力与其 吸附性质有关。催化剂表面吸附两种或两种以上物质的原子时，它们
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
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%
4.作用因素：以细菌的生物化学作用为主；
5.主要产物：生物气、干酪根、少量未熟油
二、热催化生油气阶段
1.深度：1500 ～ 4000m 2.温度：60℃～180℃ 3.演化阶段：有机质成熟、进入生油门限 4.作用因素：热力+催化剂的作用
温度，℃
随着沉积有机质埋藏深度加 大，地温相应升高，生成烃类的 数量有规律地按指数增长。
深度，km
1
1.37
50
65
100
150
大量生油成熟点
随着埋藏深度的增大，当温
2
度升高到一定数值，有机质才开
始大量转化为石油，这个温度界 限称为有机质的成熟温度或生油
3
石油生成百分率深度关系曲线
深度-温度关系曲线
Ⅰ型 Ⅱ型
Ⅲ型
不同类型干酪根热演化图 （据B.P.Tissot等，1984）
第三节 油气生成的条件
一、地质条件
二、物理化学条件
一、地质条件
1、大地构造条件 板块的边缘活动带，板块内部的裂谷、坳陷，以及造山带的前陆 盆地、山间盆地等大地构造单位，是在地质历史上曾经发生长期持续 下沉的区域，是地壳上油气资源分布的主要沉积盆地类型。
，它控制着岩相古地理和古气候的特征。
二、物理化学条件
适宜的地质环境为有机质的大量繁殖、堆积和保存创造了有利的
地质条件，但有机质向石油及天然气演化还必须具备适当的温度、时
间、细菌、催化剂、放射性等物理、化学及生物化学条件。
近些年来的研究成果证明，温度与时间是在油气生成全过程中至
关重要的一对因素。其它因素，如细菌、催化剂、放射性物质等也有 一定的影响。
1、温度和时间
沉积有机质向油气演化的过程，温度是最有效和最持久的作用因素；
在反应过程中，温度不足可用延长反应时间来弥补，即温度与时间似 乎可以互为补偿：高温短时作用与低温长时作用可能产生近乎同样的
效果。
值得注意的是：若沉积物埋藏太浅，地温太低，有机质热解生成烃所 需反应时间过长，实际上难以生成工业数量的石油。
三、热裂解生凝析气阶段
1.深度：4000～6000米；
2.温度：180℃ ～250℃
3.演化阶段：有机质高成熟时期 4.作用因素：石油热裂解、热焦化
四、深部高温生气阶段
1.深度＞6000-7000m；温度＞250℃
2. 演化阶段：Ro>2
3.作用因素：热变质
4.作用特点：强烈裂解
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（黄第藩，1991）
不同盆地不同时代生油岩埋藏深度与油气生成的关系 （B.Tissot，1984）
2、细菌作用 细菌是地球上分布最广、繁殖最快的一种生物。按其生活习性可 将细菌分为喜氧细菌、厌氧细菌和通性细菌三类。
对油气生成来讲，最有意义的是厌氧细菌，在缺乏游离氧的还原
美国尤英塔盆地始新统绿河页岩、我国松辽盆地下白垩统青山口
组一段、嫩江组一段等，其干酪根属此类型。
Ⅱ型干酪根： ★ 原始氢含量较高，但稍低于I型干酪根，H/C原子比0.65～1.25，O/C
原子比0.04～0.13。
★ 来源于海相浮游生物(浮游植物为主)和微生物的混合有机质。
★ 生油潜能中等。
法国巴黎盆地侏罗系下托尔统页岩；北非(S)、中东(K)、西加拿大 (D)，以及我国东营凹陷下第三系Es3的干酪根均属此类型。
5.主要产物：甲烷、碳沥青或石墨。
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%
★ 油气有机成因模式
生油门限
10-60 C 1.5km Ro 0.5%
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
Ⅰ型演化轨迹
1.5
法国石油研究院， 根据不同来源的390 个 干酪根样品的 C 、 H 、 O元素分析结果，利
H/C原子比
Ⅱ型演化轨迹
1.0
用 范 ·克 雷 维 伦
（D.W.Van Krevelen） 图解，将干酪根划分
0wk.baidu.com5
Ⅲ型演化轨迹
埋深增加
Ⅰ型 Ⅱ型 Ⅲ型
0
为三种主要类型： I型
干酪根、 Ⅱ型干酪根、 Ⅲ型干酪根。
度，在热力作用和催化剂作用下，由有机物质转化而来的。
第二节 生成油气的原始物质
一、沉积有机质
二、干酪根
一、沉积有机质
沉积有机质：也叫地质有机质，它是随无机质一起沉积并保存下来的 生物残留物质。其中包括：生物的遗体、生物生命过程中的排泄物和
分泌物。
沉积有机质的类型—腐泥型和腐植型两大类： 腐泥型--指由富含类脂化合物和 蛋白质的藻类等低等植物与水生 腐殖型--指主要由富含木质素和 碳水化合物的高等植物在有氧条
Ⅲ型干酪根: ▲ 原始氢含量低和氧含量高，H/C原子比0.46～0.93，O/C原子比 0.05
～0.30。
▲ 来源于陆地高等植物，含可鉴别的植物碎屑很多； ▲ 热解时可给出30%产物，与Ⅰ、Ⅱ型相比，对生油不利，但埋藏 到足够深度时，可成为有利的生气来源。 喀麦隆杜阿拉盆地上白垩统及我国陕甘宁盆地下侏罗统延安组的 干酪根属此类。
门限；这个成熟温度所对应的深
度，即称为成熟点。
0.01
0.02
0.03
0.04
饱和烃/总有机碳
需要指出：在不同地区不同层系中，由于地质条件的差异，成熟 点的成熟温度也就会有所区别。一般说来，在地温梯度分别为2°、 3°、4℃/100m地区，其成熟点相应约在3000、1800、1300m深处。 可见，在地温梯度较高的地区，有机质不需埋藏太深就可能成熟 转化为石油。
生物在缺氧条件下分解和聚合的
产物。
件下分解、聚合的产物。
二、干酪根
干酪根（Kerogen）：指沉积岩中所有不溶于碱、非氧化性酸和非极
性有机溶剂的分散有机质。
1、干酪根的成分和结构 干酪根是一种高分子聚合物，没有固定的化学成分，主要由C、H 、O和少量S、N组分。 据分析，干酪根中， C、H、O的平均含量为：
便会相互作用而形成新的化合物。
有机酵母催化剂能加速有机质的分解。当有酵母存在时，有机质
的分解比在细菌活动时还要快得多。
4、放射性作用
在粘土岩中富集大量放射性物质，如铀、钍、钾等等。沉积物所
含水在 α 射线轰击下可产生大量游离氢。
第四节 有机质演化与成烃模式
一、生物化学生气阶段 二、热催化生油气阶段
2、岩相古地理条件 无论是海相或陆相，都可能具备适合于油气生成的岩相古地理条件 是否有利于生物繁殖、有机质保存、埋藏、转化。 ★ 海相环境中：一般认为浅海区是最有利于油气生成；而滨海区和 深海区，不利于有机保存和油气的生成。 ★ 陆相环境：深水-半深水湖泊是陆相生油岩发育的区域。 ★ 海陆过渡相区 ：三角洲发育部位是极为有利的生油区域；海湾及 泻湖，因有半岛、群岛、沙堤或生物礁带与大海相隔，在这种半闭塞 无底流的环境中，也对保存有机质有利。