第2章现代油气成油理论.ppt

第二章 油气生成,现代油气生成理论认为: 保存在沉积物中的有机质在不断埋深的过程中, 在细菌、温度等因素的作用下，经历未成熟、成熟和过成熟等阶段，陆续转化成石油和天然气。,第1节 生成油气的原始物质,一、沉积有机质及其来源,原始来源：活的有机体及其在生命活动中的代谢产物（分泌物、 排泄物）。,水生低等生物（尤其是藻类）,陆生高等植物,浮游动物和高等动物对沉积有机质的贡献相对很小,沉积有机质：随无机质点一道沉积并保存下来的生物残留物质,生物体的组成（干重%）,( 据Hunt, 1996 ),天然有机物质的平均化学组成(重量%),( 据Hunt, 1996 ),各类有机物质的 C/N+S+O 原子比:,碳水化合物 1:1 蛋白质 3:1 脂类 10:1,保存下来的生物有机质平均仅为其原始产量的0.8%左右,氧化分解,生化分解,生物吞食,有机质的沉积,海洋盆地中有机体的产量,第1节 生成油气的原始物质,二、影响沉积物有机质丰度的主要因素,生物产率,控制因素包括: 营养供给、光照强度、温度、掠食生物、水化学性质等。,具有较高生物产率的环境： 浅海 （ 生物死亡,营养原地再循环；河流带入陆源营养）,海水上涌区,不同环境有机碳的产率,海水上涌造成高的生物产率,全球现代沉积碳的分布,第1节 生成油气的原始物质,二、影响沉积物有机质丰度的主要因素,生物产率,控制因素包括: 营养供给、光照强度、温度、掠食生物、 水化学性质等。,具有较高生物产率的环境： 浅海 （ 生物死亡,营养原地再循环；河流带入陆源营养）,海水上涌区,保存条件,控制因素包括: 氧化作用强度、有机质的类型、沉积物的堆积速度,第1节 生成油气的原始物质,缺氧带（Anoxic zone）：溶解氧含量 0.2 mL/L (仅厌氧菌能存活),充氧带（Oxic zone）： 溶解氧含量 0.5 mL/L (喜氧菌),密度分层,乏氧的底水,滞水盆地 (湖泊),黑色、还原的沉积物,微还原至氧化的沉积物,氧化的沉积物 棕褐至白色,大陆架,大陆坡,大陆隆,米,最低含氧层,海水最低含氧层,大陆架,大陆坡,大陆隆,米,弱还原至氧化的沉积物,黑色、还原的沉积物,扩展的最低含氧层,O2,最低含氧层的扩展,（大洋乏氧事件,K2、J3、D3）,密度分层,表层水流入或流出,乏氧的水,浅障壁盆地 (水深200m),富含有机质的沉积物,缺氧,充氧,充氧,缺氧或乏氧,障壁,深障壁盆地 (障壁与最低含氧层交切),水中溶解O2的含量,高,中,低,上涌,高水流量,低水流量,深障壁盆地 (障壁位于最低含氧层之下),沉积速度（厘米/千年）,沉积速度与有机质含量的关系,第1节 生成油气的原始物质,二、影响沉积物有机质丰度的主要因素,生物产率,控制因素包括: 营养供给、光照强度、温度、掠食生物、 水化学性质等。,具有较高生物产率的环境： 浅海 （ 生物死亡,营养原地再循环；河流带入陆源营养）,海水上涌区,保存条件,控制因素包括: 氧化作用强度、有机质的类型、沉积物的堆积速度,稀释作用,沉积物堆积速度（米/百万年）,过快速堆积造成的“稀释作用”,三、沉积有机质中的干酪根,（一）干酪根（Kerogen） Kerogen：泛指现代沉积物和古代沉积岩中不溶于一般有机溶剂的沉积有机质。,常温常压下不溶于有机溶剂的固体有机质，但在热解或加氢分解产生烃类物质。 Hunt（1979）：沉积岩中所有不溶于非氧化性的酸、碱和非极性溶剂的分散有机质。 岩石中可溶于有机溶剂的部分称沥青（bitumen）。,（二）元素组成,C为主，H、O次之，少量S、N等。 C：H：O：N77：7：11：2,成分结构复杂的高分子聚合物。,占沉积有机质的80-90%±。 细软粉末，暗棕到黑色。,干酪根是地球上有机质分布最广泛的形式，是煤和液态石油的1,000倍和非储集岩岩石中分散天然沥青的50倍（Hunt，1972；Tissot Welte，1978）。 干酪根是最主要的原始成烃物质，但并非原始成烃物质的全部。应该说形成油气的原始物质是沉积有机质，而不仅是干酪根。,（三）结构 复杂，环状结构，三维网状系统，由多个核被桥键和官能团连接而成。,（四）类型 1 光学分类 透射光下：藻质、无定形、草质、木质、煤质 反射光下：腐泥组、壳质组、镜质组、惰质组 2 化学分类 由C H O含量组成不同，可分为三类：,型干酪根：单细胞藻类（海藻）残体组成，富含脂类化合物，H/C高，O/C低，含大量脂肪族烃结构（链式结构为主），少环芳烃和含氧官能团，生成液态石油潜力大，油页岩属此类。典型腐泥质类型（sapropelic）。最大转化率 80。,型干酪根：源于富木质素和碳水化合物的高等陆源植物碎屑形成的，H/C低，O/C高，多环芳香烃结构为主，生油潜力小，天然气的主要母质。典型腐殖质类型（humic）。最大转化率 30。,型干酪根：介于、之间，过渡性，来源于海洋飘浮植物及浮游动物，具多环饱和烃结构。生油气潜能介于二者之间。类脂型（liptimitic）。,我国陆相盆地统计 (王铁冠)： 型干酪根占22.9%， 型干酪根占48.5%，型干酪根占28.6%。,第二节 促使有机质向油气转化的因素,沉积有机质向油气演化的过程是有机质不断的去氧、加氢、富集碳的过程。,细菌、温度、时间、催化剂、放射性。,（一）细菌 包括： 喜氧细菌 通氧细菌 厌氧细菌 在隔氧条件下，有机质的大分子被分解，O N S被分离，使C H富集有机化合物分解、聚合稳定干酪根，伴有部分甲烷、CO2、H2，H2S 在早期阶段作用显著。,第二节 促使有机质向油气转化的因素,（二）温度与时间,埋藏加大，地温增高，沉积有机质热分解石油（最有效、最持久的作用因素） 1 作用机理 两个实验： （1）页岩中的不溶有机质（干酪根）-加热烃类产物（低分子烷烃）； （2）现代海洋沉积物的干酪根加热挥发性产物，液态、固态产物 结论： （1）不溶有机质热力作用烃类； （2）随温度增加，其产物有规律变化，T达一定时，气态产物首先产出； 一般地，相同时间，温度愈高，生成石油愈多。,Connan（康南）的结论：,第二节 促使有机质向油气转化的因素,表明：lnt与1/T呈直线关系，即反应时间的自然对数与绝对温度成反比直线关系（图2-12，表2-5）。,故，地温梯度高的沉积盆地，油气资源较丰富。 松辽盆地 3.14.8/100m；加瓦尔油田（中东） 5.1/100m世界第一大油田。,生油门限：随着埋藏深度的增大，当温度升高到一定数值，有机质开始大量转化成石油的温度，或称成熟温度。达到门限温度的深度叫成熟点。(图2-13） 生油窗：主要生油期 一般地，50120作为石油门限温度范围。（60-65居多）,不同沉积盆地，不同层位，生油门限温度不同。与有机质类型、埋藏时间有关。,时间与温度相互补偿。 温度是转化过程的决定作用。,2 时间-温度指数（TTI） 假设：成熟度与时间呈线性变化关系，与温度成指数变化关系。则：,应用： （1）研究成熟度，确定特定层位的油气保存状态； （2）确定有利生油气区范围； （3）确定石油生成时间，对圈闭评价；,（三）催化剂（Catalyst）,催化剂: 能加快化学反应的进程而本身不参加化学反应的物质。 破坏反应物的原始结构，使分子重新分布，形成稳定的烃类物质,（1）粘土矿物（吸附性）：蒙脱石比表面大，催化能力最强；伊利石次之；高岭石最弱； （2）酵素：由动植物，微生物产生，在有机质分解早期有重要意义。,第二节 促使有机质向油气转化的因素,第二节 促使有机质向油气转化的因素,在250下油酸的热催化产物,第二节 促使有机质向油气转化的因素,根据已有的实验资料外推，用高活力催化剂在100下裂解正十六烷只需要几个月，若用低活力催化剂则需要1000年， 而不用催化剂单纯的热解所需时间已超过了地球的年龄,正十六烷热裂解和催化裂解所需要的时间 (据Goldstein,1980),第三节 有机质演化与成烃模式,一、未成熟阶段,温度：1060。 主要作用因素: 生物化学作用 （细菌、酵素） 有机质演化过程: 在还原环境中，沉积有机质被部分分解，产生CO2、CH4、NH3、H2S、H2O等;同时形成更为稳定的干酪根。,从生物有机质-干酪根形成过程示意图,主要烃类产物：生物化学甲烷,正烷烃的碳原子数和分子量递减，生物烃所带来的奇碳优势被新生烃所冲淡直至消失；环烷烃和芳香烃的碳原子数和环数减少，分布曲线由双峰型变为单峰型,二、成熟阶段,温度：60-180。 主要作用因素：热降解作用。 （催化剂、温度） 有机质演化过程：干酪根在热力作用下逐步向油气转化。随温度持续增高，生油反应的速度和生油量显著增大，直至达到生油高峰。此后，生油量开始明显减少，生气量相应迅速增大。至约180后，干酪根的生油潜力枯竭，只能生成气态烃类。,右图说明：有机质各组成随深度的变化 (据B.Durand,1980) 1-CO2+H2O; 2-油; 3-湿气; 4-甲烷; 5-胶质+沥青质; 6-不溶于有机溶剂的有机质; 7-可溶于碱的有机质; 8-可溶于酸的有机质; 虚线表示这些组成可能叠置,三、过成熟阶段,有机质转化末期。此阶段已生成的液态烃和重质气态烃强烈分解，转变成最稳定的甲烷，以及碳质残渣（碳沥青或石墨）。,第三节 有机质演化与成烃模式,温度：180-250。,第四节 烃源岩及其评价,烃源岩（source rock）： 曾经生成并排出足以形成工业数量油气的岩石。 （Hunt 1979 ） (有效烃源岩) 张厚福：能够生成石油和天然气的岩石。 生油层：由生油岩组成的地层。 生油气层系：在一定地质时期内具有相同岩性、岩相特征的若干生油层与其间非生油层的组合，称生油层系。 生油区(油/气源区)：盆地内生油层系分布的区域。,第四节 烃源岩及其评价,一、烃源岩的岩石类型及特征,1、 粘土岩类烃源岩 1）岩类：泥岩（mudstone）、页岩（shale）、粘土岩（clay rock） 2）特征： - 颜色较暗，以灰色、灰黑色、灰绿色为主（有机质丰富）。 - 生物化石丰富，沉积环境安静、缺氧，水体稳定。 - 富含分散状原生黄铁矿，水平层理。,2、 碳酸盐岩类烃源岩 1）岩类：石灰岩（limestone），生物灰岩（biosparite），泥灰岩（micrite）。 2）特征：- 岩性主要为低能环境下形成的隐晶粉晶灰岩。 - 颜色较深，多为灰色、深灰色、褐灰色。 - 含生物化石丰富，含原生黄铁矿。,（二）烃源岩的地球化学指标,1 有机质丰度指标,1) 总有机碳（Total Organic Carbon TOC）：单位重量的干岩石中有机碳的重量百分数。（也称残余/剩余有机碳)。 可作为筛选烃源岩和评价生油气能力的指标 粘土岩类的有机碳含量高于碳酸盐岩类： 对有机质的吸附能力不同; 碳酸盐岩的晶析作用和成岩作用。,第四节 烃源岩及其评价,烃源岩的TOC下限: 0.5% 好的烃源岩TOC 1-2%,2）氯仿沥青“A”和总烃含量（HC）,氯仿沥青“A”：指岩石中可抽提有机质的含量；,总烃含量：包括沥青“A”饱和烃和芳香烃组分含量的总和。,我国陆相中新生代淡水-半咸水沉积生油岩平均-0.10.3；非生油岩0.01%。 总烃含量：平均550-1800×10-6；下限：100×10-6,第四节 烃源岩及其评价,2、 有机质的类型,不同类型的干酪根生烃潜力不同。,3、 有机质的成熟度指标,成熟度表示沉积有机质向石油转化的热演化程度。,1）镜质体反射率（o）Vitrinite reflectance,第四节 烃源岩及其评价,镜质体:富氢的显微组分;干酪根的基本成分为镜质体碎片和非晶质有机物。,Ro与有机质演化的阶段之间存在以下对应关系： 未成熟阶段 Ro 2.0%,2）热变指数（TAI）Thermal alternation index,按有机残体（孢粉、藻类）的颜色提出热变指数的5个等级。 石油、湿气和凝析气生成阶段的TAI介于2.5-3.7。,3）Kerogen颜色及H/CO/C原子比关系,随着热成熟作用加深 干酪根颜色 由黄色-暗褐色-黑色 H/C比、O/C比 均逐步变小,第四节 烃源岩及其评价,