油气成因理论认识

关于油气成因的认识

张涛071153039

回顾众说纷纭的石油成因争论，主要体现为有机起源与无机起源两大派别的对垒。19 世纪中叶，随着采油事业的兴起，石油成因广泛引起了学者们的兴趣。进入20 世纪，由于在石油中找到了生物起源的直接证据，即卟啉和旋光性，其核心即石油起源于生物物质，自此有机起源学说一直占据主导地位，并一直指导我们的勘探事业至今，在此理论的指导下，人们也确实找到了成千上万的大大小小的油气田。

油气成因争论的核心是起源物质和油气生成过程。因此，油气成因学说历来是无机起源和有机起源两大学派对垒。而在有机学派中，又分为早期成油说和晚期成油说两种。

一、油气无机成因说

19世纪中叶，近代石油工业的兴起，引起了许多学者对油气成因研究的兴趣。因而各种无机起源学说应运而生，其中最完整、最有影响的是1876年著名俄国化学家Менделе

ев提出的碳化物说。他认为把石油起源同煤相联系的提法与实际观察到的油田剖面有矛盾，而在当时已有许多实验可由无机合成途径产生烃类，于是他提出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：

3Fe m Cn＋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。

1889年另一无机学派的典型代表Соколов提出了宇宙说，他依据对太阳系中的木星、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，以及烃类化台物可由Fischer-Tropsch反应无机合成：

nCO+2nH2→（-CH2）n+nH2O

Соколов认为碳氢化台物是宇宙中固有的，在地球尚处于熔融状态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，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。

1904年Coste把石油起源与火山活动相联系又提出了火山说。

1．有机成因的不足

1．在中亚的红色地层中找到了石油以后，前苏联的石油地质专家就提出：红色泥岩也能生油。玉门老君庙油田都是红色地层，上第三系底部白杨河组中只有30 m 厚棕褐色泥岩，找不到生油层，于是来了个白垩系生油，倒灌至志留系及第三系的说法。塔里木盆地叶城柯克亚油田在红色第三系中打出了千吨井，找不到生油层，又解释为它是通过断层与侏罗系沟通，侏罗系生的油侧灌到第三系里来。

2．“生油层”不断深移

在找油的实践过程中，许多盆地经历了不断往深处寻找生油层的过程。例如，对我国准噶尔盆地及塔里木盆地的生油层的认识都走过一段“渐进式的路程”。20 世纪50 年代，在石油地质报告中，人们首先认为是侏罗系生油。60 年代找到克拉玛依油田后，认为是三叠系克拉玛依组生油。80 年代又说是二叠系生油。

3．晶洞和盆地基底以下地层含油

1960 年克拉玛依油田八区大断裂下盘克256 井于2 818 m进入古生界基底，在2 830m～2 838 m 取心见两处火成岩晶洞中含油，岩性为流纹岩，有石英斑晶，晶洞中含油，四氯化碳试验呈黄色，晶洞互不连通。1966 年在克256 井南4 km 的检乌8井3 008 m 经二叠系底砾岩进入古生界基底，在3 021 m～3 022m 基底岩石中取心又见流纹岩，灰白色，具黑色玻璃质的流纹状结构，有石英斑晶，晶洞中含稠油，加四氯化碳呈浅黄色。上述情况用有机生

油理论是很难解释通的。在伏尔加—乌拉尔含油区的鞑靼隆起处钻的两口井，穿过基底2 000 m～3 000 m，在前寒武系花岗岩和变质岩中，发现轻质油、沥青和烃气。

4．“低熟油”之质疑

按有机生油理论研究者的解释，低熟油就是未达生油门限条件下生成的石油。例如，我国东部松辽等盆地及西部柴达木盆地就存在不少所谓“低熟油”资源。传统生烃理论认为，镜煤反射率＜0.5％的源岩不能生成工业油气。

2 石油无机生成的证据

油气勘探的实践说明，有直接或间接的证据证明石油是可以无机生成的。

（1）油气田的分布存在许多发人深省的现象，例如油气田常伴随着铁、锰、钨、钼、铅、锌、铜、钒等金属热液矿床分布。此类现象可以间接地说明，油气的生成可能与地球深部物质有关。研究表明，上述油田原油中5个亲铁元素的含量远远高于其在中国陆壳中的平均含量。戈尔德·施密特在元素的地球化学分类中指出，亲铁元素在地球圈层的分配，主要集中于铁—镍核中。特别是铼金属被公认为地球的核幔成分，在地壳圈层中浓度极低。

（2）天体和火山中的发现。近10 年来，专家学者发现以其他形式存在的无机成因天然气。如彗星尾端存在固体甲烷；从天上掉下来的陨石中多次发现了富含挥发成分的烃类物质，已经有许多刊物正式做过报道。世界上每年都有大量的火山喷发，经测定，其气体中含有大量的一氧化碳和很重的碳同位素，分析表明属甲烷分解而成。东非大裂谷基伍湖底层水中含大量的甲烷，其单位体积水中的甲烷含量比水体其他部位大1 000～10 000倍，而湖底几乎没有沉积物，整个湖区由新的火山岩组成，湖岸还有活火山存在。最不容置疑的实例是：位于斯德歌尔摩西北的斯里扬古陨石坑中，从波罗的海地盾深部的结晶基底岩石中首次获得了石油，基底之上并无沉积层。

（3）实验室的成功。合成石油的原料为CO 和H2，其反应式为（即费—托反应）：nCO ＋（2n＋1）H2→CnH2n＋2＋nH2O反应发生的条件为：温度300 ℃～400 ℃，压力200 MPa 左右，Fe，Co，Cr，Ni 作催化剂。而上述反应发生所需的原料及条件，在陆壳中是完全具备的。

（4）深部油气的发现。依照干酪根热解成油3 个阶段的模型，石油生成的最大深度应该是4 000 m，可实际情况并非如此，6 000m 以下地层中仍有石油赋存。1984 年9 月部署在塔北沙雅隆起雅克拉构造上的沙参2 井，钻至井深5 391.80 m，在奥陶系白云岩中获日产原油1 000 m3，天然气200 万m3 的高产油气。1997 年，在塔里木盆地又发现了我国第一个深层古生代大油田———塔河油田。2004 年中石化西部新区部署在准噶尔盆地昌吉坳陷北坡的永1 井，在5 900 m～6 100 m 侏罗系试获工业油气流。亚洲第1 深井———塔深1井，在8 408 m仍发现有液态烃存在。

（5）石油聚集量的问题。加瓦尔油田石油储量有107×108 t，加拿大西部沥青砂岩中的重质石油储量竟达1 000 亿t，如果折算成液体，还得加倍。可是，沉积岩中的有机质含量很低，是无法满足如此巨大的需要量的。

50年代以来，无机成因学派展示的证据，令人耳目一新，但作为一种学说，仍不够成熟。首先，它明显远离油气地质实际，未能有效地指导油气勘探实践；其次，无机学说难以协调实验室和深部无机合成的简单烃类与石油组成复杂性之间的关系；第三，石油中普遍存在生物成因信息，与无机成烃过程有尖锐矛盾。

二、油气有机成因说

主张油气有机成因说的学者认为油气起源于活的有机体，即由地史中动植物的遗体转化而来。

19世纪中叶以来，不少研究者根据自己的观察和实验，提出成油原始有机质以低等动物为主的“动物说”，以藻类为主的“植物说”，以及“动植物混成说”。

进入20世纪，1906年Potonie进一步发展了“混成说”。1932年Куькин提出母岩的概念，认为富含分散有机质的淤泥就是生成石油的母岩。母岩在细菌和地质作用下形成分散石油。然后在负荷增加条件下挤入多孔地层，使有机成油说成为较完整的学说。

40年代，Whitmore(1943-1945)等人在海藻和细菌中也检测出了烃类。据估计，海洋植物每年可产生12×106吨烃，如果有0.01%被保存下来，那么一亿年即可满足世界石油储量。因此，得出石油仅仅是生物体中固有烃类的富集。这是最初的早期成油说，或称为“原生说”。50年代初，Smith(1950-1954)将先进的测试分析技术引入对墨西哥湾及各种环境的现代沉积物中的烃类的分离和鉴别，将现代沉积物中烃类研究提高到分子级水平。并将这些烃类的组成与某些原油进行对比，具有明显的可比性，因此得出：“石油是早期生成的烃类富集而成”的认识。而进一步研究表明，这些烃类与油藏中石油相比，无论在数量上还是在质量上均有较大的差别。据Philipp(1965)，Tissot和Welte(1971)以及Albrech(1976)等人对生油剖面卓有成效的研究，表明只有当母岩埋藏达到一定的深度和温度时，有机质才大量的生成液态的成熟烃。并可以根据晚期生油理论对油气资源进行定量预测和远景评价，取得了前所未有的成效。因此，晚期生油说博得了更多人的拥护。

二十世纪上半叶是早期成油说空前活跃的时期，实际上这一时期的有机学派大多持早期成油观点。十九世纪末E.Orton(1888)在对当时关于石油生成、运移和聚集的观点作评述时就表明其更倾向于石油早期形成，这可能是最早出现的油气早期形成观点。McCoy

&Keyte(1934)、Van Tuyl& Parker(1941)、Levorsen(1954)、Weeks(1961)和Hedberg(1964)等通过对世界各种地质资料的研究确信，油气能够在早期低温条件下形成并聚集在早期形成的圈闭中。古勃金也认为生油是从有机软泥或生物软泥中开始的，以后就一直不停地在有机岩夹层和围岩层的成岩变化过程中完成。在整个过程中温度并不特别高，在厌氧细菌的参与下，液态石油或半液态石油是在软泥或没有完全变硬的岩层里开始形成的；当岩层在上覆重荷下逐渐压实时，随着压力的增加，石油和水被挤入疏松岩层--砂岩、石灰岩层内（И.М.Губ

кин,1937）。史密斯（P.V.Smith ,1954）引进先进分析技术，首次在现代沉积物中发现了烃类。这是一次飞跃性的突破，为此获得了诺贝尔奖。这一时期研究者从地质学、地球化学以及生物学等方面对成烃母质、成烃过程、地球化学条件及物理-化学环境等环节论述了石油

的早期形成与聚集。

二十世纪五十年代中期开始，由于色谱，特别是气相色谱技术的应用，地质体中微量可溶有机质的研究得到了快速发展。Bray & Evans(1961)和Cooper(1963)提出，现代沉积物和生物体中的正烷烃碳数分布具有奇偶优势，正脂肪酸的碳数分布具有偶奇优势，而在古老沉积物和石油中不具备这些优势。同时现代沉积物中烃类丰度极低，难以构成大规模油气聚集。这一发现动摇了沉积有机质直接成油（早期成油说）观点，为有机质高温降解成油理论的发展开辟了广阔的前景。这一时期，石油工业和石油地质学发展迅速，有机地球化学成功地应用于石油成因和形成条件诸方面的研究上，石油有机成因理论得到进一步充实和发展。大量研究表明，石油的生成不仅此是烃类的富集过程，更主要的是烃类的一个新生过程。在有机质改造过程中，只有达到一定温度或埋藏深度时，有机质才能大量转化成石油（Abelson ,1953；Philippi,1965；Tissot et al,1972）。Pusey Ⅲ（1973）根据古地温研究指出，原油在地下一定

温度和深度范围内分布，提出了"地温窗"和"液体窗"的概念。由于这些研究显示大量生油阶段是有机质处于成岩作用的晚期阶段，同时认为生油原始物质主要是岩石中的不溶有机质--干酪根，因此这一时期逐步形成了干酪根晚期成油理论。Tisoot&Welte(1978)和Hunt(1979)

先后发表了两部专著，对这一成烃理论作了系统的、科学的论述，形成了一个相当完整的成油理论体系。这一理论揭示了常规油气的生成演化规律，而据此衍生出油气潜力评价的地球

化学参数和研究方法，已成为近代油气勘探的主要指导思想和准则，且取得了显著成效。还应提及，唯海相生油论在相当一段时间内很盛行，在国外尤其得势。只有Кpзг（1923）认为陆相植物是石油的原始物质；南廷格尔曾于1939 年探讨过陆相生油的可能。二十世纪四十年代，我国学者潘钟祥、黄汲清等力排众议，以中国油田实例丰富的资料雄辨地论证了陆相生油是客观存在的现实，动摇了唯海相生油论，而今已很少有人再反对陆相生油了。

近年来，油气勘探的实践表明，现今油藏中石油大部分系晚期形成，但确有一部分是在成岩阶段形成的未成熟油，相应Ro值约为0.4%-0.6%。同时，对有机成烃的演化阶段及产物、成烃机理的理解，更趋成熟和完整。

油气有机成因的证据

油气有机成因说之所以能够确立，除了对油气的起源物和生成过程能做出合理解释外。还在于无论从油气的产状、性质和分布去考察，还是对油气生成过程进行模拟实验，都为有机起源说提供了极有说服力的论据，主要论据如下：

①世界上90%以上油气都产自沉积岩。产自古老基岩的油气也是来自邻近沉积岩系中富含有机质的母岩。另一方面．在大片火成岩、变质岩出露的地区，如所谓的地盾区则没有工业油气；

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息息相关，油气储量的时代分布与地层中分散有机质以及煤和油页岩等有机矿产的时代分布具有相关性。据估计，自寒武纪以来的6亿年中，古生代占去60%，拥有已知石油的11%，天然气的20%，而中新生代却有已知石油的89%，天然气的72%；

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，而不像无机的内生矿床那样与火成岩和变质岩有关；

④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;

⑤油气的元素组成包括微量元素组成都与有机物质和有机矿床相近；

⑥石油中检测出的卟啉、类异戊间二烯烷烃、甾萜类化合物被有机地球化学家称为生物标记化合物，它们的碳骨架仅为生物体所特有；

⑦石油以及绝大多数天然气的碳稳定同位素组成与生物物质的碳稳定同位素组成接近；

⑧石油普遍具有旋光性，这主要与含有化学结构不对称的生物标志化合物有关；

⑨模拟实验表明，从多种有机质中可得到油气中的烃类产物；

⑩现代化的测试分析技术可从现代和古代沉积物中鉴定出各种油气中的烃类。

就目前而言，前面所述两种理论都不能完美的解释油气的成因。根据事实，石油绝大部分是有机成因，而天然气则有有机成因的也有无机成因的。为大部分人接受的是现代成因模式。

该模式主要内容为晚期有机成因模式。

主要参考文献：

1.王辉云.生油理论与油气勘探

2.张少云等，油气成因二元论及其地质- 经济意义.地质找矿论丛

3.张景廉.关于油气成因的辩论.石油勘探与开发

4.王兰生.对目前国内油气无机成因理论的几点看法.石油勘探与开发

5.油气资源概论课件等。