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第二章现代油气成因理论油气生成模式一、油气成因学说第1页/共50页1、无机成因说1碳化物说：地球内部水与重金属碳化物相互作用：3FemCn+4mH2OmFe3O4+C3nH8m2宇宙说：由碳、氢合成碳氢化合物是出现在天体发展的早期阶段，例如在温度1000时，甲烷可按下列方式生成：CO+3H2CH4+H2OCO2+4H2CH4+2H2O3岩浆说无机成因说主要依据实验室化学反应，实际的证据缺乏第2页/共50页2、有机成因说世界上90%以上油气都产自沉积岩。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。第3页/共50页在油气田剖面中，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；灰岩晶洞和介壳中的油气只能源于沉积有机质;第4页/共50页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；物质名称物质名称C%H%S+N+O%石油石油淡水泥质沉积物中的有机质淡水泥质沉积物中的有机质浮游生物浮游生物84.3276.744.213.5811.38.62.102.047.2第5页/共50页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；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；第6页/共50页模拟实验表明，从多种有机质中可得到油气中的烃类产物；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。墨西哥湾近代海洋沉积物所含烃类与怀俄明州中新统石油的红外光谱图苯抽提物1石油；2近代海洋沉积物所含烃类第7页/共50页地质年代表问题？据统计，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%。第8页/共50页二、有机成因说干酪根晚期生油学说生物物质油气？干酪根第9页/共50页（一）成烃母质干酪根1、干酪根的形成（1）沉积有机质的生物物质组成l浮游植物、细菌和高等植物：数量上最重要；l浮游动物(如有孔虫、放射虫、挠足类)和底栖生物：一定贡献；l高等动物(如鱼类)：微不足道的第10页/共50页（2）原始有机物质的化学组成与结构 类脂化合物（Lipids）：又称类脂化合物是生物体维持其生命活动不可缺少的物质之一。动物的皮下组织，植物的孢子、种子及果实脂肪酸、高级脂肪酸蜡、醇类、甾类和萜类化合物 脂肪酸去羧基加氢可以形成烃类第11页/共50页蛋白质(Protein)是生物体中一切组织的基本组成部分，是生物体赖以生存的物质基础，占生物体细胞除水外的80%。含氮化合物，由20多种氨基酸构成。第12页/共50页碳水化合物(carbohydrate):又称糖类，是自然界分布极广，是一切生物体中重要组成之一。Cx（H2O）y 醣或糖类 第13页/共50页木质素(Lignin):都具有芳香结构特征。是植物细胞壁的主要成分。高等植物 具有芳香结构 第14页/共50页（3）沉积有机质的原始生物元素组成元素组成（质量百分数）CHSNO碳水化合物44650木质素6350.10.331.6蛋白质53711722脂类761212石油84.5131.50.50.5原始有机质化学组成与石油还存在较大的差异脂类较接近，是最好的生油原始物质。第15页/共50页（4）原始生物物质（生物构型有机质）干酪根（地质构型）生物物质（脂肪、蛋白质、碳水化合物和木质素）缩聚作用高分子的腐植酸类干酪根（地质聚合物）缩聚作用细菌分解水解脂肪酸、氨基酸、糖，酚等生物化学单体CH4、CO2、NH3、H2S、H2O第16页/共50页2、干酪根的定义干酪根(Kerogen)：沉积岩中所有不溶于非氧化性的酸、碱和非极性有机溶剂的有机质。是最重要的成烃母质。总的岩石矿物分散有机质10%wt.总的岩石矿物富集型有机质-煤第17页/共50页干酪根是沉积有机质的主体，约占总有机质的8090%。与其相对应，岩石中可溶于有机溶剂的部分，称为沥青(Bitumen)。总有机质可溶有机质第18页/共50页3、干酪根的成分和结构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组成，没有固定的分子式和结构。元素组成（质量百分数）元素组成（质量百分数）CHSNO碳水化合碳水化合物物44650木质素木质素6350.10.331.6蛋白质蛋白质53711722脂脂类类761212干酪根干酪根796528生物有机质向地质构型有机质干酪根转化：去氧、加氢、富集碳（乏氧还原环境）第19页/共50页美国绿河页岩干酪根结构模型第20页/共50页4、干酪根化学分类根据干酪根样品的C、H、O图解将干酪根划分为三种主要类型：I型干酪根：型干酪根：型干酪根：第21页/共50页I型干酪根原始氢含量高和氧含量低，H/C原子比介于1.251.75，O/C原子比介于0.0260.12。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；它可以来自藻类堆积物，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，相当于干酪根重量的80%。第22页/共50页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0.651.25，O/C原子比0.040.13。属高度饱和的多环碳骨架，含中等长度直链烷烃和环烷烃甚多，也含多环芳香烃及杂原子官能团；来源于海相浮游生物(以浮游植物为主)和微生物的混合有机质；生油潜能中等。产物约为有机质原始重量的60%；第23页/共50页型干酪根原始氢含量低和氧含量高，H/C原子比0.460.93，O/C原子比0.050.30，以含多环芳香烃及含氧官能团为主，饱和烃链很少，被联接在多环网格结构上；来源于陆地高等植物，含可鉴别的植物碎屑甚多，可被河流带入海、湖成三角洲或大陆边缘；热解时可给出30%产物，与、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。第24页/共50页我国主要陆相含油气盆地泥质岩中干酪根也可划分为上述三种类型，但以型为主，王铁冠根据我国6个陆相盆地统计，型干酪根占48.5%，、型分别为22.9%和28.6%。第25页/共50页5、成烃母质-干酪根形成的有利地质环境(VsVd)，不利于有机物质保存；(VsVd)，不利于生物的繁衍与保存。（1）有利于有机质迅速埋藏和保存的大地构造环境沉降速度(Vs)与沉积速度(Vd)之间的关系对生物的繁衍与保存至关重要：第26页/共50页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(VsVd)或前者稍大时，才能持久保持还原环境稳定的欠补偿大地构造环境 可以长期保持适于生物大量繁殖和有机质免遭氧化的有利水体深度，保证丰富的原始有机质沉积下来第27页/共50页(2)、有利于生物大量繁盛的古地理环境在海相环境 有利区域浅海、三角洲、海湾及泻湖 浅海：水深一般不超过200米，水体较宁静，阳光、温度适宜，生物繁盛，尤其各种浮游生物异常发育，死亡后不需经过太厚的水体即可堆积下来；三角洲：陆源有机质源源搬运而来，加上原地繁殖的海相生物，致使沉积物中的有机质含量特别高，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，携带大量氧气的汹涌波涛难以侵入，新的氧气不易补给，在这种半闭塞无底流的环境中，也对保存有机质有利。第28页/共50页不利区域滨海、深海区 滨海区，海水进退频繁，浪潮作用强烈，不利于生物繁殖和有机质的堆积保存；深海区生物本来就少，死后下沉至海底需经历巨厚水体，易遭氧化破坏；加上离岸又远，陆源有机质需经长途搬运，早被淘汰氧化，都不有利于有机质的堆积和保存。第29页/共50页 大陆环境 有利环境深水、半深水湖泊 大陆深水-半深水湖泊是陆相生油岩发育的区域。尤其在近海地带的深水湖盆更是最有利的生油坳陷，因为近海区域地势低洼、沉降较快，是陆表水的汇集地带，容易长期积水而形成深水湖泊，保持安静的还原环境。一方面湖泊能够汇聚周围河流带来的大量陆源有机质，增加了湖泊营养和有机质数量；另一方面湖泊有一定深度的稳定水体，提供水生生物的繁殖发育条件。这种地区气候温暖湿润，浮游生物及藻类繁盛，而且往往又是河流三角洲的发育地带，河水带来大量陆源有机质注入近海湖盆，有机质异常丰富，以型和型干酪根为主。第30页/共50页不利环境浅水湖泊和沼泽区 在浅水湖泊和沼泽区，水体动荡，大气中的氧易于进入水体，不利于有机质的保存；这里的生物以高等植物为主，有机质多属型干酪根。一般认为，型干酪根生油潜能差，多适于造煤和生成煤系气、沼气，为天然气的生源。不过，近年来油气勘探表明，煤系地层有机质不仅可以生气，而且其中某些显微组分也可以生油，如澳大利亚的吉普斯兰盆地、加拿大的斯科舍盆地、我国的吐哈盆地都在煤系地层找到了石油。第31页/共50页（二）干酪根演化油气生成模式1、干酪根的化学性质干酪根是生物物质在浅埋藏低温（6070时，干酪根就开始裂解成烃，即生成油气。第32页/共50页干酪根向石油的转化反应符合化学动力学定律一级反应，即反应速度只同反应物浓度的一次方成正比：-dCA/dt=KCA阿伦纽斯方程式：K=K0e-E/RTK0频率因子，代表单位时间单位容积内粒子的碰撞次数，K反应速度常数E活化能，代表反应发生必须由离子碰撞提供的最低能量。干酪根成烃反应速度主要由干酪根的活化能与地温控制第33页/共50页生油门限：石油开始大量的温度或深度点。第34页/共50页第35页/共50页-dCA/dt=KCAK=K0e-E/RT，可以推导出时间与温度之间的补偿关系：lnt=E/RTA=1/TE/RA即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：干酪根的生烃意义：在有机质向油气的转化过程中，时间对温度具有一定的补偿作用。第36页/共50页地质年龄(Ma)地温（）第37页/共50页有利于油气生成的盆地应该是年轻的热盆地和古老的冷盆地；否则，或未达成熟阶段，或已达破坏阶段，对油气勘探均不利。例如，渤海湾盆地，为年轻的热盆地，下第三系地温梯度为，塔里木盆地为古老的冷盆地，地温梯度为第38页/共50页2、干酪根的生烃演化阶段（现代油气成因模式）第39页/共50页（1）生物化学生气阶段条件：从有机质被埋藏开始至生油门限深度为止。埋深95%，属干气。（2）干酪根。大部分有机质则被选择性分解、缩合，形成复杂结构的地质聚合物“腐泥质”和“腐殖质”。再进一步缩合成为干酪根。第41页/共50页（2）热催化生油气阶段条件：埋藏深度超过15002500m，进入生油门限深度，有机质经受的地温升至60180。反应性质：粘土矿物催化促使有机质干酪根发生热降解，杂原子(O、N、S)的键破裂产生二氧化碳、水、氮、硫化氢等挥发性物质逸散，同时获得大量低分子液态烃和气态烃。第42页/共50页主要产物：石油和湿气。生油窗：oilwindow第43页/共50页（3）热裂解生凝析气阶段条件：当沉积物埋藏深度超过35004000m，地温达到180250，此时地温超过了烃类物质的临界温度。反应性质：热裂解。主要反应是大量C-C链断裂，包括环烷的开环和破裂，液态烃急剧减少，C1-C8轻烃将迅速增加。第44页/共50页主要产物：凝析气和湿气。凝析气阶段第45页/共50页（4）深部高温生气阶段条件：深度超过60007000m，温度250反应性质：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；干酪根残渣释出甲烷后进一步缩聚。第46页/共50页产物：甲烷碳沥青或石墨。干气阶段第47页/共50页作业题：煤的主要生物母质类型、沉积环境是什么？煤中干酪根主要是那一种类型，其生烃产物的主要特征？第48页/共50页作业题：煤的主要生物母质类型、沉积环境是什么？煤中干酪根主要是那一种类型，其生烃产物的主要特征？第49页/共50页谢谢您的观看！第50页/共50页