1、第二章 石油与天然气成因及生油层1、石油与天然气的成因理论生油理论碳化物说 宇宙说高温生成说有机成因说地球形成之初温度很高碳、铁呈液态Fe+C-FemCn1碳化物说地球冷球之后，碳化铁保存在地球深处如果地表水沿地壳裂隙向下渗透，与碳化铁作用，生成烃3FemCn+4mH2OmFe3O4+C3nH8m烃类不断聚集油田形成 了烃类上升到地壳岩石中宇宙之中有许多烃类物质地球呈熔融状态时，烃被包含在它的气圈中2宇宙说烃被岩浆吸收，凝结于地壳中而成石油地球冷凝3高温生成说150公里的上地幔温度超过15000K、压力5000MPa，由于FeO及Fe3O4参与H2O、CO2-而成烃类还原无机成因学说认为：石油
2、不是由有机质形成的相反因为地球上先出现了有机质，才也现了生命 有机成因说主张油气是在地质历史上由分散在沉积岩中的动物、植物有机体转化而成。，绝大多数油气田都分布在沉积岩中；极少数岩浆岩和变质岩中的油藏也同附近生油岩有关，是油气侧向和垂向运移聚集的结果。至于基性岩浆中只含有0.5%碳，并且至今尚未证明它们能否形成碳氢化合物。所以，指导世界油气勘探实践的，是现代石油有机生成学说。4有机成因说已经证实有机成因说的证据（1）世界上已经发现的油气田99.9%都分布在沉积岩中。（2）石油和天然气在地质时代上的分布很不均衡，这与沉积岩中有机质的分布状况相吻合。（3）石油的成份具有相似性，说明它们的成因可能大
3、致相同。（4）石油与煤具有同源性。（5）从大量油田测试结果可知：油层温度很少超过100，有些深部油层温度最高也就141。（6）上新世至更新世地层中发现的工业油藏，表明生成石油并聚集成油藏所需的时间，大约不到一百万年。（7）研究成果表明，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。油气成因理论小结 石油和天然气的成因是一个非常复杂的理论问题，尽管目前油气有机成因理论日臻完善，在油气勘探实践中发挥重要的作用，但并不能由此否定油气无机成因理论的科学价值。近二十多年来，随着宇宙化学和地球形成新理论的兴起，板块构造理论的发展和应用，以及同位素地球化学研究的深入，为油
4、气无机成因理论提供了一些理论依据。无论是油气有机成因理论还是无机成因假说，都还有许多问题尚待进一步深入研究，诸如地球深部和宇宙空间烃类的成因及分布、各种原始物质（包括有机物与无机物）转化为油气的详细机理、不同原始物质生成的石油或天然气有哪些特征。油气生成的物质基础概念保存来源成份分类分类概念成份 生物体及其分泌物和排泄物可直接或间接进入沉积物中，或经过生物降解作用和沉积埋藏作用保存在沉积物或沉积岩中，或经过缩聚作用，演化生成新的有机化合物及其衍生物，这些有机质通常被称为沉积有机质。沉积有机质的概念（1）在海洋或湖盆沉积环境中浮游生物（2）但在一些浅水地区的水底植物。（3）在上述两种情况下，对死
5、亡植物进行再改造的细菌，可被认为是沉积有机质的主要补充来源。有机质的来源生成油气的沉积有机质主要由有机质的化学成份脂类化合物蛋白质碳水化合物以及木质素等生物化学聚合物组成。脂类（又称类脂）化合物：包括脂肪、高级脂肪酸蜡、醇类、甾族化合物以及萜烯类化合物。化学性质较稳定，易 保存，从元素组成和分子结构近似石油；认为它是生成石油的主要原始物质。蛋白质：在生物体的细胞中，除水外，80%以上的物质为蛋白质。蛋白质约占动物干重的50%，同时它是生物体中含氮化合物的主要成分。碳水化合物：Cn（H2O）n 又称醣类，是自然界中分布极广的有机物质，也是一切生物体的重要组成之一。几乎所有的动物、植物、微生物体都
6、含有碳水化合物，其中在植物中含量最多。最简单葡萄糖（C6H12O6），含羟基和醛基（图）。淀 粉和纤维素属多糖，结构复杂。木质素：木质素具有芳香结构的特征。是植物细胞壁的主要成分，性质十分稳定，不易水解，但可被氧化成芳香酸和脂肪酸。有人认为可能是石油中芳香烃的母质之一。也是成煤的重要有机组分，也有可能形成以甲烷为主的气体。沉积有机质大致可以区分为腐泥型和腐殖型两大类。（1）腐泥型 系指脂肪族有机质在缺氧条件下分解和聚合作用的产物，来自海洋或湖泊环境水下淤泥中的孢子及浮游类生物，它们可以形成石油、油页岩、藻煤和烛煤。（2）腐殖型 系指泥炭形成的产物，来自有氧条件下沼泽环境的陆生植物，主要可以形成
7、天然气和腐殖煤，在一定条件下也可以生成液态石油。有机质的分类 第一，要求有缺氧的水体，它可以使吸附在矿物颗粒表面上的溶解有机质和微粒有机质被保护而免受生物的消耗；第二，要求有机质在水体中滞留时间短，深度适中的水体中有机质的堆积条件优于很深的水体；第三，适度的沉积颗粒的沉积速度对沉积有机质的保存有利。有机质供应量一定，则有机质在沉积物中的浓度与矿物颗粒的沉积速度成反比。沉积有机质的保存条件 沉积岩中常温常压下不溶于有机溶剂的固体有机质称干酪根（Kerogen）。与此对应，岩石中可溶于有机溶剂的部分称为沥青。干酪根在热解或加氢分解时产生烃类物质。干酪根是沉积有机质的主体，约占总有机质的8090%，
8、8095%的石油烃是由干酪根转化而成。干酪根的概念干酪根分离法1、将生油岩粉碎后，先用氯访抽提，然后用MAB(甲醇丙酮-苯三元溶剂)或EAB(乙醇、丙酮、苯三元溶剂)进行抽提，除去可溶有机质。2、用盐酸溶解除去岩样中碳酸盐。氟氢酸溶解除去岩样中硅铝酸，如；4、用比重差异原理以重液、超声波除去干酪根中的黄铁矿及其它矿物。干酪根由有机质转化而来，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，五种元素中C（76.4%），H（6.3%），O（11.1%）三者共占93.8%，是干酪根的主要成分。干酪根的成份2*1011T干酪根的数量及最大化石燃料资料量有机质的转化示意图 干酪
9、根分类光学分类化学分类透射光分类反射光分类B 藻质和无定形组分：均来源于海、湖水生浮游生物，前者可识别出藻类形态，后者呈多孔状、非晶质、无结构、无定形的云雾状，没有清晰的轮廓；草质组分：由孢子、花粉、角质层、叶子表皮和植物细胞构造所组成，大部分来源于陆地；木质组分：呈易辩认的长形木质构造的纤维状物质，来源于陆地高等植物；煤质组分是陆地天然碳化的植物物质与再沉积的碳化物质。随着埋藏深度的加大，地温升高，上述组分的生油气潜能按藻质-无定形草质木质煤质顺序依次减小。藻质体无定形草质组份生油潜力：藻质-无定形草质木质煤质腐泥组：包括无定形体和藻质体，其中无定形体为絮状或团块状、薄膜状；壳质组：呈暗灰色
10、，富含氢，由孢子、角质、树脂、蜡组成，包括孢粉体、角质体、树脂体、木栓质体等；镜质组：呈灰白色，富含氧，具镜煤(Vitrain)特征，由同泥炭成因有关的腐殖质组成，包括结构镜质体和无结构镜质体；惰质组：呈黄白色，富含碳，包括碎质体、菌质体、丝质体、半丝质体，在碳化过程中，属不活泼成分。以上四组的反射率依次增大，生油潜能依次降低。腐泥组镜质组壳质组A：I型干酪根氢含量高、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，但多环芳香烃及含氧官能团很少；来自藻类堆积物，或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
11、化合物；生油潜能大。干酪根类型及其演化图解根据干酪根的元素分析结果，可按HC和OC原子比区分不同类型的干酪根（3类）。随着埋藏深度加大和温度升高（成熟作用增强），每种类型有机质都沿着一定轨迹演化：浅处未成熟样品为高HC比和O/C比，向深处则逐渐降低。A：I型干酪根B：型干酪根 C：型干酪根A：I型干酪根氢含量高、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，但多环芳香烃及含氧官能团很少；来自藻类堆积物，或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。B：型干酪根原始氢含量较高，但稍低于I
12、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。C：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。腐泥组镜质组壳质组我国主要陆相含
13、油气盆地泥质岩干酪根中，以型为主，占48.5%，、型分别为22.9%和28.6%。油气生成的地质环境与物化条件 沉积岩中的有机质要向石油转化必须经历一个碳、氢不断增加而氧不断减少的过程，即为一个去氧、加氢、富集碳的过程。原始有机质的堆积、保存和转化过程，必须是在还原条件下进行，而还原环境的形成及其持续时间的长短则受当时的地质及能源条件所制约。油气生成的地质环境与物化条件 沉积岩中的有机质要向石油转化必须经历一个碳、氢不断增加而氧不断减少的过程，即为一个去氧、加氢、富集碳的过程。原始有机质的堆积、保存和转化过程，必须是在还原条件下进行，而还原环境的形成及其持续时间的长短则受当时的地质及能源条件所
14、制约。一、古地理环境海相环境大陆环境二、大地构造环境三、物理化学环境温度与时间细菌活动催化作用放射性海相环境u有利区域浅海、三角洲、海湾、泻湖 一般认为浅海区及三角洲区是最有利于油气生成的古地理区域。在三角洲发育部位，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；在浅海大陆架范围内，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。地理环境分析沙丘三角洲沼泽三角洲是由河流补给沉积物，受河流和海洋/湖泊营力综合影响的沉积体系。是最复杂的沉积体系。三角洲 海湾及泻湖，
15、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。这些区域，浮游生物特别发育，属于型干酪根；若有陆源有机质加入，则可见到型与型干酪根的混合产物。波斯湾盆地的中、新生界，西西伯利亚的侏罗系、白垩系，墨西哥湾的中、新生界，以及我国四川盆地的志留系、二叠系、三叠系都属于浅海环境的产物。砂坝-泻湖体系-砂坝砂坝又称又称障壁岛、堤岛、堡岛障壁岛、堤岛、堡岛，泛指，泛指近海与海岸线延伸方向平行分布的一系列砂坝和砂岛。被砂坝近海与海岸线延伸方向平行分布的一系列砂坝和砂岛。被砂坝从毗邻海域隔离出来、但仍与海洋沟通或有限沟
16、通的浅水域称从毗邻海域隔离出来、但仍与海洋沟通或有限沟通的浅水域称泻湖泻湖。两者互相依存而构成。两者互相依存而构成 砂坝砂坝-泻湖体系泻湖体系。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。不利区不利区陆相环境u有利区域深水、半深水湖泊 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。湖泊能够汇聚周围河流带来
17、的大量陆源有机质，同时提供水生生物的繁殖发育条件。有机质丰富，以型和型干酪根为主。u不利环境浅水湖泊和沼泽区油气藏呈环带状分布内环为气藏，外环为凝析油气藏或油藏库车坳陷库车期末：三叠系最大生气强度120108m3/km2库车期末最大生气强度：侏罗系165108m3/km2u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
18、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。u不利环境浅水湖泊和沼泽区 土壤层土壤层残积层残积层半风化层半风化层有机质少难于保存 全球构造格局中沉积盆地的分布全球构造格局中沉积盆地的分布大陆板块内大陆板块内部部大大 洋洋 板板 块块碰撞山带碰撞山带大陆板块内大陆板块内部部大西洋大西洋型张裂型张裂大陆边大陆边缘缘西太平洋型西太平洋型大陆边缘弧大陆边缘弧沟体系沟体系陆陆壳壳盆盆地地大大陆陆裂裂谷谷盆盆地地弧弧后后盆盆地地弧弧前前盆盆地地深深海海沟沟开开阔阔大大洋洋盆盆地地大大洋洋中中脊脊中中谷谷盆盆地地开开阔阔大大洋洋盆盆地地残残留留大大洋洋盆盆地地陆陆内内剪剪张张盆盆地地陆
19、陆源源沉沉积积棱棱柱柱体体周周围围盆盆地地大地构造环境 沉积盆地的各个沉降时期中，研究沉降速度(Vs)与沉积速度(Vd)之间的关系至为重要。（1）若沉降速度远远超过沉积速度(VsVd)，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；（2）反之，若沉降速度显著低于沉积速度(VsVd)，水体迅速变浅，乃至盆地上升为陆，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。波斯湾前陆盆地构造横剖面图波斯湾前陆盆地构造横剖面图 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前者稍大时，才能持久保持还原环境。在这种条件下：（1）可以长期保持适于
20、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；（2）可以造成沉积厚度大、埋藏深度大、地温梯度大，生、储层频繁相间广泛接触，有助于原始有机质迅速向油气转化并广泛排烃的优越环境。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，有机质向石油及天然气演化还必须具备适当的条件，如：u温度 时间 细菌 催化剂 放射性。物理化学环境温度与时间时间温度关系、TTI值、在地质环境里，无论油气的生成、运移或破坏，都离不开温度的制约。在世界各国的油气勘探中，成功的经验和失败的教训，追根求源，也往往是同温度作用有关；尤其是在海上开展油气勘探，钻探成本高，必须在现代数字地震
21、勘探的基础上，进行有机质的热成熟度分析，作出早期油气资源预测，圈定油气生成的有利区块，选择钻探对象，以便提高钻探成功率。2时间-温度指数(TTI指数)1971年，前苏联学者.首次提出时间-温度指数的概念，用来表示时间与温度两种因素同时对沉积物中有机质热成熟度的影响。根据这一原理，.假设成熟度与时间呈线性变化关系、与温度呈指数变化关系。据此规定两个参数：温度因子()反映成熟度对温度的指数关系，即温度每增加10，成熟作用速率增加一倍，用增加一个因子r表示，温度因子=rn=2n，这里n代表任意10间隔TiTi+1内，n=(Ti100)/10，并选取100110作为基准间隔，令其指数值n=0，。时间因
22、子(t)表示沉积物在每个温度间隔内经历的时间长短(以百万年为单位)。于是任意温度间隔i内的成熟度可表达为：成熟度i=TTIi=rniti=2nitImaxminmaxmin)(2()(nnnnnnnnttrTTI 现今沉积厚 1100m现今沉积厚 600m 时间-温度指数在勘探中的应用 (1)研究成熟度，确定特定层位的油气保存状态：根据地质模型，计算各生油层和储集层的现时TTI值，结合干酪根类型，即可判断生油层油气生成进入了哪个阶段，从而预测能钻遇石油、湿气或干气聚集的储集层深度，以指导钻探工作。(2)确定有利生油气区范围：通过盆地内若干点位制作地质模型，计算各生油层的现时TTI值，勾绘各层T
23、TI等值线，圈出进入生油窗的分布范围，以便确定有利的生油区和生气区。(3)确定石油生成时间对圈闭进行评价：在地质模型上对各层都计算出TTI值后，连接各层生油门限和石油的死线，在模型中画出全部地质历史上的生油窗界限，确定各生油层石油生成开始与结束的时间，再同圈闭形成时间配合分析，以推测圈闭接纳石油的可能性，对圈闭的含油远景作出正确评价。细菌活动 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条件下，有机质可被厌氧细菌分解而产生甲烷、氢气、二氧化碳以及有机酸和其他碳氢化合物。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、
24、磷等元素分离出来，使碳、氢，特别是氢富集起来，并且细菌作用时间愈长，这种作用进行得愈彻底。（1）细菌的催化：CO2+4H2CH4+2H2O （2）某些细菌使氢气将硫酸盐还原为硫化氢：SO4+5H2H2S+4H2O （3）细菌使不饱和有机化合物加氢产生饱和烃。催化作用 在自然界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。粘土的催化能力同其吸附性质有关。催化剂表面吸附两种或两种以上物质的原子时，它们便会相互作用而形成新的化合物。蒙脱石粘土催化能力最强，高岭石粘土最弱。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
25、活动时还要快得多。实验证明，在过氧化物的破坏过程中，如以酵母代替胶体氢氧化铁，将使催化作用的活动性急剧增加很多倍。从苏联格罗兹尼油田井下剖面的酵母研究发现：酵母的作用不决定于岩石的埋藏深度，而决定于岩石的成分。在富含有机质的岩石中，特别是在富含植物残余的岩石中，酵母的活动性最大。放射性 在粘土岩中富集大量放射性物质，沉积物所含水在射线轰击下可产生大量游离氢，所以这些放射性物质的作用也可能是促使有机质向油气转化的能源之一。小 结 1、细菌和催化剂都是在特定阶段作用显著，加速有机质降解生油、生气；2、放射性作用则可不断提供游离氢的来源；3、只有温度与时间在油气生成全过程中都有着重要作用。所以，有机
26、质向油气的转化，是在适宜的地质环境里，多种因素综合作用的结果。有机质的演化与生烃模式（1）生物化学生气阶段、（2）热催化生油气阶段、（3）热裂解生凝析气阶段及（4）深部高温生气阶段。（一）生物化学生气阶段 1、环境：当原始有机质堆积到盆底之后，开始了生物化学生气阶段。这个阶段的深度范围是从沉积界面到数百乃至1500m深处，温度介于1060，以细菌活动为主，2、产物：在这个阶段，埋藏深度较浅，温度、压力较低，有机质除形成少量烃类和挥发性气体以及早期低熟石油外，大部分转化成干酪根保存在沉积岩中。由于细菌的生物化学降解作用，产物以甲烷为主，缺乏轻质(C4C8)正烷烃和芳香烃。到本阶段后期，埋藏深度加
27、大，温度接近60，开始生成少量液态石油。在特定的生源构成和适宜环境条件下可生成相当数量的未熟-低熟油。3、意义：值得强调指出：在这个阶段生成的生物化学气，或称细菌气，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。（二）热催化生油气阶段 1、环境：随着沉积物埋藏深度超过15002500m，进入后生作用阶段前期，有机质经受的地温升至60 180，促使有机质转化的最活跃因素是热催化作用。在有粘土矿物的催化作用下，地温不需太高，便可达到成熟门限，干酪根发生热降解，杂原子(O、N、S)的键破裂产生二
28、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 2、产物：这个阶段产生的烃类已经成熟，在化学结构上显示出同原始有机质有了明显区别，而与石油却非常相似，正烷烃碳原子数及分子量递减，奇数碳优势消失；环烷烃及芳香烃碳原子数也递减，多环及多芳核化合物显著减少。3、意义：在热催化作用下，有机质能够大量转化为石油和湿气，成为主要的生油时期，在国外常称为“生油窗”。（三）热裂解生凝析气阶段 1、环境：当沉积物埋藏深度超过35004000m，地温达到180250。在这个阶段烃类反应的性质，可分为石油热裂解(Cracking)与石油热焦化(Coking)两种作用：石油热裂解是指在高温下
29、脂肪族结构破裂为较小分子，变为甲烷及其气态同系物，并使石油所含芳香烃浓缩集中；石油热焦化是指在高温下贫氢石油(一般以含杂元素-芳香烃为主)产生缩合反应，主要形成固态残渣，并使石油中脂肪族相对增加而杂原子减少。2、产物：此时地温超过了烃类物质的临界温度，除继续断开杂原子官能团和侧链，生成少量水、二氧化碳和氮外，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。相反，低分子正烷烃剧增，主要是甲烷及其气态同系物，在地下深处呈气态，采至地面随温度、压力降低，反而凝结为液态轻质石油，即凝析油并伴有湿气，进入了高成熟时期。3、意义：在深度较大的部位可以寻找优质的凝析油气藏。（四）深部高温生
30、气阶段 1、环境：当深度超过60007000m，沉积物已进入变生作用阶段，达到有机质转化的末期，温度超过了250，以高温高压为特征。2、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；这个阶段出现了全部沉积有机质热演化的最终产物干气甲烷和碳沥青或石墨。3、意义：埋藏很深的生油岩，有机质演化程度高，主要以产气为主，寻找液态石油的希望不大。以上是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。对不同的沉积盆地而言，由于其沉降历史、地温历史及原始有机质类型的不同，其中的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
31、阶段；而且，每个阶段的深度和温度界限也可能略有差别。在地质发展史较复杂的沉积盆地，例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，直到再度沉降埋藏到相当深度后，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”。天然气的成因类型及其特征 天然气有比石油更广泛的形成条件，天然气不仅能伴随石油的形成过程而生，而且能在许多不适于生油的条件和环境中大量形成。现代有机地球化学、天然气同位素地球化学和天然气地质研究的进展也促进了天然气形成机理研究的发展，并对天然气的成因取得了更全面的认识。根据天然气的来源，可以分为无机成因气和有机成因气。根据天然气形成机制：可分
32、为 （1）无机成因气分幔源气、变质作用气、放射作用气、无机盐类分解气等;（2）有机成因气（包括油型气和煤型气）按热演化阶段分生物化学气、热解气和热裂解气。（3）混合成因气不同类型天然气的特征 1.生物化学气 在低温(75)还原环境下，厌氧细菌对沉积物有机质进行生物化学降解作用所形成的富含甲烷气体称为生物化学气。或称之为细菌气、沼气、生物气或生物成因气等。60年代以来，在俄罗斯西西伯利亚北部白垩系砂岩中，发现了一系列特大气田和大气田，经甲烷碳同位素鉴定确认为生物化学气，形成了目前世界上最大的产气区；后来，在意大利、加拿大、美国和日本也发现了生物化学气大气田。我国柴达木盆地东部三湖地区第四系也已发
33、现多个生物化学气田。这种气藏埋藏深度浅，一般在1500m以内，易于钻探，经济效益高，现在已经引起人们的重视。生物化学气的组成主要是甲烷，可高达98%以上，重烃气(C2+)含量极低，一般2%，干燥系数(C1/C2+)在数百以上，属于干气。有时可含有痕量的不饱和烃以及少量的CO2和N2。生物化学气的甲烷以富集轻的碳同位素12C为特征。其甲烷的碳同位素含量13C1的范围从-55-100多数在-60-80。在有热解气混入以及厌氧氧化时，可使同位素变重。地区或气田 储层时代 深度(m)C1(%)C2+(%)CO2(%)N2(%)13C()中国长江三角洲 第四纪 8-35.5 90.62-94.61 0.
34、11-0.89 1.85-4.04 1.47-3.35-73.6 青海柴达木涩北 第四纪 79.4-1141 98.94 0.09/0.97-66.4 吉林红岗 白垩纪 370-390 93.63 0.21 0.442 5.63-56.3 俄罗斯乌连戈伊 白垩纪 1117-1128 98.50 0.10 0.21 1.10-59.0 俄罗斯麦德维热 白垩纪 1122-1132 98.60 0.36 0.22 0.73-58.3 美国基奈 上新-中新世 1128 99.70 0.18/-57.0 美国库克湾北 上新-中新世 1280 98.70 0.23 0.134 0.9-60.7 世界部分地
35、区生物化学气的组成(据包茨,1984)油型气系指腐泥型干酪根进入成熟阶段以后所形成的天然气，它包括伴随生油过程形成的湿气，以及高成熟和过成熟阶段由干酪根和液态烃裂解形成的凝析油伴生气和裂解干气。因此油型气可进一步分为石油伴生气、凝析油伴生气及裂解干气。石油伴生气或呈游离气顶、或呈溶解气状态与油藏伴生，多分布在盆地的中深部，深约15003500m，例如渤海湾盆地下第三系发现许多石油伴生气与油藏共生；凝析油伴生气和裂解干气，它们可以形成凝析气藏或纯气藏，多分布在35004000m以上的超深部，美国墨西哥湾和二叠盆地，在4500m以上的超深井常见纯气藏和凝析气藏，我国四川盆地海相二叠系和三叠系石灰岩
36、中，发现许多纯气藏和凝析气藏，未见油藏，也可能系进入高成熟或过成熟阶段的结果。各种油型气是在干酪根不同热演化阶段形成，其化学成分不同。石油伴生气和凝析油伴生气的共同特点是重烃气含量高，一般超过5%，有时可达2050%，其中，iC4/nC4比值明显小于1，在生油窗约为0.70.8(据Y.Hroux等，1979)；甲烷碳同位素含量介于-5540，石油伴生气偏轻，约为-55-45，凝析油伴生气偏重，约-5040。过成熟的裂解干气，以甲烷为主，重烃气极少，12%，甲烷碳同位素-35-40。天然气组成主要参数分析 稳定碳同位素 油田或油区 数 值 CH4 重烃 C1/C2+C1/C 13C1 (,PDB
37、)大庆油田(石油伴生气)变化 范围 53.9-95.61 2.64-38.51 1.40-36.22 0.58-0.975-37.72-49.97 东濮凹陷(凝析油伴生气)变化 范围 71.04-87.43 10.63-26.91 3.21-20.3 0.75-0.96-38.9-45.1 板桥凝析气田 82.88 16.29 5.42 0.844 川东相国寺气田(热裂解干气)(P1)98.15 0.89 110.3 0.991 -33.55 我国若干油型气的组成特点 凡与煤系有机质(包括煤层和煤系地层中的分散有机质)热演化有关的天然气，都称为煤型气或煤系气。煤成烃过程同前述的油气生成类似，主
38、要差别在于煤层或腐殖型干酪根在化学成分及结构上。要注意区别煤型气、煤成气和煤层气间的差异。（1）煤成气是专指煤层在煤化过程中所生成的天然气，属煤型气的一种，也是最重要的一种煤型气。（2）煤层气是指以吸附状态存在于煤层中的煤成气，是描述煤成气产状的术语，其内涵包括煤田瓦斯气。1959年在荷兰北部发现格罗宁根大气田，并在查明了二叠系赤底统风成砂岩中巨大天然气聚集的气来自中石炭统煤系地层以后，煤成气开始被人们所重视；后来，在附近北海盆地南部发现十几个大气田，探明总储量逾4.51012米3，成为世界第二大产气区。从此，引起俄、美、澳等许多国家普遍注意在含煤盆地中寻找煤型气气藏。据报导，在煤炭资源极丰的
39、德国，探明的煤型气储量占天然气总储量的93%。我国有着丰富的煤炭资源，煤型气将是我国天然气勘探的重要对象之一。从国内外已知的煤型气藏的组成来看，煤型气尽管可能含有一定量的非烃气，如N2、CO2等，但其含量很少达到20%，超过20%(如库珀盆地的CO2)大多为外来成分加入。尽管煤型热解气的重烃含量比煤型裂解气高，但煤型气的重烃含量也很少超过20%，主要为甲烷。煤型气的甲烷同位素一般在-25-42。4、无机成因气 无机成因气指不涉及有机物质反应的一切作用和过程所形成的气体。它包括地球深部岩浆活动、变质作用、无机矿物分解作用、放射作用以及宇宙空间所产生的气体。目前一般认为，最有可能被捕集于地壳岩层中
40、的无机成因气主要是来自幔源的岩浆以及变质作用和由此引起的无机矿物热分解作用所形成，有时可能发现由地表水渗入地壳深处而形成的大气成因气。无机成因气的分布与深大断裂活动有关，构造活动单元，特别是古老地层更有可能分布无机成因气。无机成因气往往含有较多的非烃气体，包括CO2、CO、N2、H2以及He、Ar和Ne等惰性气体。来自幔源的气体，其氦同位素丰度3He/4He相当于8RA(RA为空气中的3He/4He比值，约为1.410-6)。以二氧化碳为主的天然气，常与碳酸盐岩无机盐类热分解或岩浆成因有关，无机成因的CO2的碳同位素一般在-80，最高可达27。无机成因的烃类气体中，甲烷为主，C2+很少，甲烷的
41、碳同位素丰度13C1-20。我国东营凹陷平方王油田下第三系所产天然气，二氧化碳含量达6366%，系喜马拉雅期玄武岩与石灰岩接触后碳酸钙的热分解所致。类型类型 成熟度成熟度地质研究地质研究有机质丰度有机质丰度 生油岩研究油气源对比 生油岩研究与油源对比生油岩：我们把能够生成石油和天然气的岩石，称为生油（气）岩、(或生油气母岩、烃源岩)，由生油(气)岩组成的地层为生油(气)层。在一个沉积盆地的发展过程中，石油往往是在稳定沉降时期的产物。生油岩系：在一定地质时期内，具相同岩性-岩相特征的若干生油层与其间非生油层的组合，称为生油层系。如果在生油层系中有储集层存在，那么生油层系也就是含油层系了。塔里木盆
42、地生物灰岩照片塔里木盆地生物灰岩照片（一）生油层的地质研究 生油层的地质研究包括生油层的岩性、岩相及厚度研究。生油岩一般为粒细、色暗、富含有机质和微体生物化石、常含原生分散状黄铁矿、偶见原生油苗。1 1粘土岩类生油层粘土岩类生油层：主要包括泥岩、页岩、粘土等，是在一定深度的稳定水体中形成的。我国主要陆相盆地如松辽、渤海湾、准噶尔、柴达木等含油气盆地，主要生油层多为灰黑、深灰、灰及灰绿色泥岩、页岩。2碳酸盐岩类生油层：以低能环境下形成的富含有机质的石灰岩、生物灰岩和泥灰岩为主，含黄铁矿及生物化石；偶见原生油苗，有时锤击可闻沥青臭味。我国四川盆地丰富的天然气资源部分与二叠系和三叠系的石灰岩有关；华
43、南、塔里木地台广泛发育的古生界碳酸盐岩和华北地台中、上元古界、下古生界的许多碳酸盐岩都具备良好的生油条件。波斯湾盆地的上侏罗统阿拉伯组和第三系阿斯马利石灰岩都具有重要的碳酸盐岩生油层。（二）生油岩的地球化学研究 作为有效生油岩首先必须具备足够数量的有机质，良好的有机质类型，并具一定的有机质热演化史。生油岩地球化学研究的第一步是测定岩石中可溶有机质和不溶有机质的含量。第二步是确定干酪根的类型以及可溶抽提物的化学组成。最后，根据光性和物理化学性质来分析有机质的演化阶段。1有机质的丰度：1）有机碳含量(TOC)2）氯仿沥青“A”和总烃(HC)含量 有机碳系指岩石中除去碳酸盐、石墨等中的无机碳以外的碳
44、。它与生油岩中的剩余有机质成正比关系。岩石类型 生油岩级别 泥 质 岩 碳 酸 盐 岩 差 0.5 8.0 1.002.00 有机碳含量划分泥质岩和碳酸盐岩生油岩级别（陈建平等，1996）不同级别生油岩总烃含量评价标准（10-6）生油岩 级别 作 者 很 差 差 良 好 好 很 好 菲 利 皮 050 50150 150500 5001500 15005000 尼 克 松 1000 贝 克 50 501000 10006000 挪威大陆架研究所 500 美国大陆石油公司 350 2有机质的类型 不同类型的有机质(干酪根)具有不同的生烃潜力，形成不同的产物。可以根据干酪根的显微组成干酪根元素组成
45、以及岩石热解参数划分干酪根的类型。生油岩中可抽提物（饱和烃、芳香烃、非烃和沥青质）的相对含量 对划分有机质类型也有参考意义，尤其是低熟生油岩，其应用效果较好。甾烷化合物和异戊间二烯型烷烃组成特征也能反映有机母质的性质。3.有机质成熟度 成熟度是表示沉积有机质向石油转化的热演化程度。目前用于评价生油岩成熟度的常规的地球化学方法有：1）根据Ro确定有机质成熟度 2）根据TTI指数确定有机质成熟度 3）根据干酪根演化特征，如镜质体反射率（Ro）、热变指数（TAI）、干酪根颜色、H/C-O/C原子比关系确定成熟度 4）根据岩石热解参数及其相互关系确定成熟度。5）根据生油岩可溶有机质的演化特征，如正烷烃
46、分布特征和奇偶优势比、甾、萜烷异构化比值确定成熟度 油气源对比 油源对比包括油（气）与源岩之间以及不同油层中油气之间的对比，其目的在于追踪油气层中油气的来源。进一步圈定可靠的油源区，确定勘探目标。油藏中的油气与烃源岩中的油气或有机质有亲缘关系，在化学组成上也必然存在某种程度的相似性。进行油源对比一般应具备两个条件：（1）运移过程中，没有或很少有来自不同生油层的油气混杂；（2）分布在岩石与原油中的特征化合物，性质稳定，在运移和热变质等次生过程中很少或几乎无损失。4.正构烷烃分布特征 正构烷烃的组成和分布特征受母质类型、有机质演化程度等多种因素的影响，一般认为，如果原油与生油岩有亲缘关系，那么它们
47、的正构烷烃分布特征（气相色谱指纹）应具有相似性。正构烷烃在多数原油中具有很高的浓度，它们控制着相应的气相色谱的总面貌，但受生物降解作用、成熟作用和运移作用等次生变化的影响也较大，给对比带来困难。1.异戊间二烯型烷烃 在本世纪六十年代以来，在原油和沉积物中陆续发现了C 9C25异戊间二烯型烷烃，其中姥鲛烷、植烷最丰富且最稳定。它们几乎在每个原油与生油岩抽提物中都出现，运移作用又不会改变其相对含量，甚至在寒武纪和更早时期都存在，所以是研究原油与生油岩之间的关系，追踪石油运移途径的良好对比标志，国外称之为“指纹化石”。2.甾、萜化合物特征 甾烷为四环、五环环烷烃，用质谱色谱联用仪测定。甾、萜烷烃的相对含量和立体构型特征主要受有机质母源输入条件、沉积环境和有机质热演化程度的共同控制。对于有亲缘关系的生油岩与原油，其中甾烷、萜烷的相对含量、组合特征应该是相似的。塔中111井4489.7m塔中11井4418.4m塔中45井5293.6m伽玛蜡烷25-降藿烷多环环烷烃与四环的甾族化合物和五环的三萜稀类化合物很相似，被作为有机成因的主要证据之一。3.近几年来，稳定同位素13C在油源对比中得到广泛应用。石油的同位素组成取决于原始有机质性质、生成环境和演化程度。不同成因的石油同位素组成有较大差异。前苏联提曼伯朝拉盆地三个原油的稳定碳同位素类型曲线，其形态和变化趋势是一致的，表明它们具有相关性。
