1、第二章第二章 石油的成因石油的成因 研究石油的成因问题，可以指导石油勘探、研究石油的成因问题，可以指导石油勘探、预测石油的储量，更好地了解石油的化学组成上预测石油的储量，更好地了解石油的化学组成上某些特点。某些特点。本章的主要内容为：本章的主要内容为：u石油的无机成因说石油的无机成因说u石油的有机成因说石油的有机成因说u石油中各族烃类的形成石油中各族烃类的形成 关于石油的成因，到目前为止，学术界还关于石油的成因，到目前为止，学术界还有争论，没有完全弄清楚，主要有争论，没有完全弄清楚，主要原因在于：原因在于：u石油在地下石油在地下易于流动易于流动，现在找到的油、气藏的，现在找到的油、气藏的地方往
2、往并不是石油生成的地方地方往往并不是石油生成的地方。u通过通过运移运移，现在的石油组成并不代表其本来面，现在的石油组成并不代表其本来面貌貌。u石油的形成过程发生几亿年前的石油的形成过程发生几亿年前的地层深处地层深处。研究石油的成因必须解决研究石油的成因必须解决三个问题三个问题：u生成石油的生成石油的原始物质原始物质。u原始物质变成石油的原始物质变成石油的原因和过程原因和过程。u石油的石油的运移和富集运移和富集。关于关于石油生成石油生成的的原始物质原始物质，有两大学派：，有两大学派：u无机成因学派无机成因学派u有机成因学派有机成因学派第一节第一节 石油的无机成因学说石油的无机成因学说 无机成因无
3、机成因学派的论据主要有以下几点：学派的论据主要有以下几点：u通过通过无机途径无机途径(例如：金属碳化物和水例如：金属碳化物和水)可以形成一定量的烃类。可以形成一定量的烃类。u许多许多天体天体上存在烃类。上存在烃类。u火山喷出的火山喷出的气体和熔岩气体和熔岩中含有烃类。中含有烃类。一、碳化物说一、碳化物说 这是由这是由俄国俄国化学家化学家门捷列夫门捷列夫于于1876年年创立的，他认为在地球形成时期，使创立的，他认为在地球形成时期，使碳和碳和铁铁变成液态，相互作用形成变成液态，相互作用形成碳化铁碳化铁，保存，保存在地球深处，地表在地球深处，地表水水沿着地壳裂缝向下渗沿着地壳裂缝向下渗透透与与碳化铁
4、碳化铁作用而形成了烃类作用而形成了烃类。二、宇宙说二、宇宙说 这是由这是由俄国俄国学者学者索科洛夫索科洛夫于于1889年年提出的，其理论基础就是在一些天体中提出的，其理论基础就是在一些天体中发现了发现了碳氢化合物碳氢化合物，认为碳氢化合物是，认为碳氢化合物是宇宙中所固有宇宙中所固有的。的。三、岩浆说三、岩浆说 这是这是前苏联前苏联学者学者库德梁采夫库德梁采夫在在1949年年提出来的，他认为提出来的，他认为碳和氢碳和氢不仅存在于太阳不仅存在于太阳和星球中，而且也和星球中，而且也存在于地球的岩浆存在于地球的岩浆中，中，在在高温高压高温高压下它们形成各种烃类。下它们形成各种烃类。无机成因的无机成因的
5、致命弱点致命弱点：脱离了地质条件脱离了地质条件来讨论石油的形成，而且将宇宙中发现的来讨论石油的形成，而且将宇宙中发现的简简单烃类单烃类与与复杂复杂的石油烃类的石油烃类等同等同起来。起来。目前大家比较公认是能够指导生产并正目前大家比较公认是能够指导生产并正确确反映客观规律反映客观规律的的有机成因学说有机成因学说。第二节第二节 石油的有机成因说石油的有机成因说u生成石油及天然气的生成石油及天然气的原始物质原始物质：既有动既有动物又有植物物又有植物，而，而以低等生物以低等生物为主为主；u生成石油及天然气的生成石油及天然气的环境环境：既有：既有陆相陆相生生油，又有油，又有海相海相生油。生油。一、生油的
6、原始物质一、生油的原始物质 现代现代有机学说有机学说认为，石油是地质时期中认为，石油是地质时期中生物遗体生物遗体(或有机残体或有机残体)在适当条件下生成的。在适当条件下生成的。形成沉积物中形成沉积物中有机质有机质的的最重要的生物最重要的生物有有四四种种：浮游植物、浮游动物、高等植物和细菌浮游植物、浮游动物、高等植物和细菌。其中的一小部分由于沉积在其中的一小部分由于沉积在缺氧缺氧的环境中，被的环境中，被泥沙埋藏而保存下来，最后转化成泥沙埋藏而保存下来，最后转化成石油石油。生物生物有机质有机质的的主要生化组成主要生化组成是：是：木质素、木质素、碳水化合物、蛋白质、类脂。碳水化合物、蛋白质、类脂。与
7、石油组成与石油组成最相近最相近的的类脂类脂在在成油成油过程中过程中的的作用最大作用最大，而，而木质素木质素和和纤维素纤维素在在成气成气和和成成煤煤过程中最重要。过程中最重要。1、木质素、木质素 木质素木质素是高等植物的是高等植物的主要组成部分主要组成部分，不易水解不易水解，但可被但可被氧化氧化成成芳香酸芳香酸和和脂肪酸脂肪酸。在缺氧的水体中，。在缺氧的水体中，在水和微生物的作用下，木质素在水和微生物的作用下，木质素分解分解，与其它化合，与其它化合物生成物生成腐植酸腐植酸。腐植酸又能与。腐植酸又能与烃类烃类形成形成络合物络合物，从，从而可以成为而可以成为烃类烃类从从陆上陆上流到流到海洋海洋的的运
8、载体运载体。与与木质素木质素具有相似结构具有相似结构的物质是的物质是丹宁丹宁，它们，它们都是都是沉积物有机质沉积物有机质中中芳香结构的重要来源芳香结构的重要来源，是，是成成煤煤的重要的重要前身物前身物，也可生成，也可生成天然气天然气。2、碳水化合物、碳水化合物 亦称亦称糖类糖类，几乎所有的动、植物及微生物中都，几乎所有的动、植物及微生物中都含有糖，糖的通式可用含有糖，糖的通式可用Cx(H2O)y表示，故表示，故称碳水化称碳水化合物合物。糖按分子大小可分为。糖按分子大小可分为单糖单糖、低聚糖低聚糖和和多糖多糖。多糖多糖中对形成中对形成沉积岩中有机质沉积岩中有机质最有意义的是最有意义的是纤纤维素维
9、素和和半纤维素半纤维素。纤维素纤维素和和半纤维素半纤维素是是成煤和成气成煤和成气的的主要原始物质主要原始物质。3、蛋白质、蛋白质 蛋白质蛋白质是生物体内一切组织的是生物体内一切组织的基本组成部分基本组成部分，细，细胞中除水外，其余胞中除水外，其余80%都是蛋白质都是蛋白质。它是它是20多种多种氨基酸分子氨基酸分子通过通过肽键肽键连接而成的复连接而成的复杂的杂的高分子化合物高分子化合物。在。在酸、碱、酶酸、碱、酶的作用下，蛋白的作用下，蛋白质发生质发生水解水解形成形成氨基酸氨基酸。有机体死亡之后，。有机体死亡之后，氨基酸氨基酸仍保存在遗骸中仍保存在遗骸中。4、类脂、类脂 指所有指所有不溶于水不溶
10、于水而而易溶于易溶于乙醚、氯仿、苯乙醚、氯仿、苯等等低极性有机溶剂低极性有机溶剂的的脂状物质脂状物质，其中包括：，其中包括：油脂油脂、蜡蜡、萜类萜类、烃类烃类和和色素色素等。等。其其元素组成和分子结构元素组成和分子结构与与石油烃类石油烃类最接最接近近，因而被认为是，因而被认为是生油生油的的主要主要原始物质原始物质。二、生油环境二、生油环境 温暖、潮湿的气候温暖、潮湿的气候环境环境有利于有利于生物的大量生物的大量繁殖和发育，从而具备了丰富的繁殖和发育，从而具备了丰富的生油原始物质生油原始物质。在在海洋或湖泊海洋或湖泊中，不仅有丰富的水生生物，还中，不仅有丰富的水生生物，还因水体起到了因水体起到了
11、隔绝空气隔绝空气的作用，的作用，阻止了有机残体的阻止了有机残体的腐烂分解腐烂分解，于是与，于是与矿物质矿物质一起一起被沉积埋藏被沉积埋藏起来。起来。因此因此海洋、湖泊、三角洲海洋、湖泊、三角洲等古地理区域都是等古地理区域都是生生油的有利地区油的有利地区。随着随着沉积盆地沉积盆地的的不断下沉不断下沉，沉积物不断加沉积物不断加厚厚，随着地层，随着地层压力的增加压力的增加，温度的不断升高温度的不断升高，沉积物经历沉积物经历一系列的一系列的物理化学变化物理化学变化而而变成变成了了沉沉积岩积岩。而。而含有分散有机质含有分散有机质的的沉积岩沉积岩称为称为生油岩生油岩。除了浅海外除了浅海外，内陆湖泊内陆湖泊
12、也有丰富的有机残也有丰富的有机残体，并具备还原条件，体，并具备还原条件，是良好的生油区是良好的生油区。在我国除在我国除塔里木属于海相生油塔里木属于海相生油外，外，绝大多绝大多数油田数油田都是在都是在陆相条件陆相条件下形成的。下形成的。三、有机残体的演化和油气生成的阶段性三、有机残体的演化和油气生成的阶段性 通过对生油剖面的详细研究表明，只通过对生油剖面的详细研究表明，只有当有当生油岩生油岩埋藏到一定埋藏到一定深度并具备一定温深度并具备一定温度度时，生油岩中的原始时，生油岩中的原始有机质有机质才能转化成才能转化成石油烃石油烃。沉积岩沉积岩中分散中分散的的有机质有机质沥青沥青：溶于溶于有机溶剂有机
13、溶剂干酪根干酪根：不溶于不溶于常用的有机溶剂常用的有机溶剂，是高分子聚合物是高分子聚合物，呈暗棕色细软粉，呈暗棕色细软粉末，分散在沉积岩中，占末，分散在沉积岩中，占8099%，是由是由有机残体有机残体演化而成的。演化而成的。干酪根干酪根演化生成演化生成石油烃石油烃的三个阶段：的三个阶段：u未成熟阶段未成熟阶段：干酪根：干酪根形成形成及生成及生成甲甲 烷气烷气阶段；阶段；u成熟阶段成熟阶段：干酪根：干酪根裂解成裂解成油油阶段阶段；u过熟阶段过熟阶段：干酪根：干酪根裂解成裂解成气气阶段阶段。1、干酪根形成及生成甲烷气阶段（、干酪根形成及生成甲烷气阶段（未熟阶段未熟阶段）分解分解 蛋白质蛋白质碳水化
14、合物碳水化合物 木质素木质素 类脂类脂CO2、CH4、NH3、H2S、H2O氨基酸、糖、氨基酸、糖、酚、脂肪酸酚、脂肪酸（1）干酪根的形成）干酪根的形成缩聚缩聚氨基酸氨基酸糖、酚糖、酚脂肪酸脂肪酸腐殖物质腐殖物质：来源于：来源于高等植高等植物物，以，以酚酚结构为主，结构为主，脂肪脂肪结构结构较少。较少。腐泥物质腐泥物质：来源于：来源于水生生水生生物物，富含，富含脂链脂链、脂环脂环、肽肽链链。不溶于不溶于NaOH水溶液的水溶液的胡敏素胡敏素 腐殖腐殖(泥泥)物质物质溶于溶于NaOH水溶液的水溶液的腐植酸腐植酸 随着随着埋藏深度的增加埋藏深度的增加，腐殖，腐殖(泥泥)物质最终物质最终完全转化成胡敏
15、素完全转化成胡敏素，与周围矿物质络合与周围矿物质络合，稳定，稳定保存下来，它们就保存下来，它们就是干酪根的前身物是干酪根的前身物。随着埋。随着埋藏深度的进一步增加，藏深度的进一步增加，胡敏素缩合胡敏素缩合，官能团损官能团损失失，演变成干酪根演变成干酪根。（2）干酪根的类型）干酪根的类型 最早的一种方法是把最早的一种方法是把干酪根干酪根分为分为腐泥型腐泥型和和腐殖型腐殖型。干酪根干酪根腐泥型腐泥型：H/C为为1.31.7，呈，呈富集富集状态时形成状态时形成油油页岩页岩，而呈，而呈分散分散状态时形成状态时形成生油岩生油岩。腐殖型腐殖型：H/C小于小于1.0；呈；呈富集富集状态时形成状态时形成煤煤，
16、而呈而呈分散分散状态时分布于状态时分布于沉积岩沉积岩中，最终形成中，最终形成天天然气然气。干酪根是一种干酪根是一种大分子的缩聚物大分子的缩聚物，由于其分子量高而，由于其分子量高而具有较高的具有较高的不溶解性不溶解性；由于它；由于它不是均一不是均一的分子，而是由的分子，而是由相似的而又不同的结构单元所组成的杂乱聚合物相似的而又不同的结构单元所组成的杂乱聚合物。2、干酪根裂解成油阶段（、干酪根裂解成油阶段（成熟阶成熟阶 段段）当有机质埋藏当有机质埋藏深度深度达达15002500米时，米时，温温度度升高至升高至60180，干酪根干酪根便在便在热催化热催化作用作用下大量下大量裂解裂解形成形成液态烃液态
17、烃以及一定量的以及一定量的气体气体，这，这一阶段被称之为一阶段被称之为生油的主要阶段生油的主要阶段。这一阶段生成的石油，按其组成可分为：这一阶段生成的石油，按其组成可分为：u低成熟原油低成熟原油：非烃组分非烃组分较多，较多，重质烃比重质烃比例高例高，生物标志物多生物标志物多，密度较大密度较大。u成熟原油成熟原油：形成：形成更多的轻质烃更多的轻质烃，非烃组非烃组分分大大大大减少减少，密度较低密度较低。影响干酪根等影响干酪根等有机质热解生油有机质热解生油的的主要因素主要因素：u温度温度在有机质成油过程中起在有机质成油过程中起主要作用主要作用。u在形成油气的漫长地质年代过程中，在形成油气的漫长地质年
18、代过程中，时间时间具有具有不可忽视的作用。不可忽视的作用。u生油岩生油岩是一种有机质是一种有机质分散分散于矿物基质中的岩石，于矿物基质中的岩石，因此因此矿物质矿物质不可避免地影响有机质的不可避免地影响有机质的热转化热转化，这，这 种影响主要表现为种影响主要表现为催化作用催化作用和和吸附作用吸附作用。3、干酪根裂解成气阶段（、干酪根裂解成气阶段（过熟阶段过熟阶段）随着埋藏深度继续增加，干酪根大量转化成石随着埋藏深度继续增加，干酪根大量转化成石油之后，油之后，热裂解成为主要的转化反应热裂解成为主要的转化反应，干酪根，干酪根不再不再具有具有生成生成长链液态烃长链液态烃的能力，其结果是的能力，其结果是
19、轻质液态烃轻质液态烃数量数量迅速增加迅速增加，在高温下继续裂化形成，在高温下继续裂化形成甲烷甲烷。干酪根在生油、气的演化过程中实际上是向干酪根在生油、气的演化过程中实际上是向得得氢和失氢氢和失氢两极方向转化的过程。两极方向转化的过程。得氢的方向形成油、得氢的方向形成油、气气；失氢的方向形成残余炭失氢的方向形成残余炭。四、石油的运移与富集四、石油的运移与富集 石油和天然气石油和天然气在地壳中的任何移动都称为在地壳中的任何移动都称为油气的油气的运移运移。通过运移，。通过运移，分散的油气分散的油气由由生油层生油层进入进入储油层储油层，又通过储油层进入阻碍油气继续，又通过储油层进入阻碍油气继续运移的运
20、移的闭圈闭圈，聚集起来成为，聚集起来成为油气藏油气藏。所以油气。所以油气运移是油气由运移是油气由分散分散到到集中集中的的必要条件必要条件。油气运移的油气运移的两个过程：两个过程：u初次运移初次运移：由于：由于干酪根干酪根裂解生成的油气混裂解生成的油气混合物因体积增大而产生的压力使合物因体积增大而产生的压力使生油层生油层发发生裂隙，使混合油气从生油岩通过裂隙向生裂隙，使混合油气从生油岩通过裂隙向外排出并从外排出并从生油层生油层驱出进入驱出进入渗透性更强渗透性更强，孔隙性更高孔隙性更高的的储油层储油层的过程的过程。u二次运移二次运移：油气：油气进入储油层后进入储油层后的一切运移的一切运移过程。过程
21、。石油进入石油进入储油层储油层后，在相应的环境下受到各种后，在相应的环境下受到各种地球化学作用地球化学作用的影响，会和在储油层中的的影响，会和在储油层中的矿物质矿物质发发生相应变化，使其组成和结构发生生相应变化，使其组成和结构发生次生改造次生改造，使石，使石油中油中组分变轻组分变轻，杂原子含量降低杂原子含量降低。造成石油在储油层中发生造成石油在储油层中发生次生改造次生改造的地球化学的地球化学作用有：作用有：u热催化作用热催化作用：储油层中的石油和天然气中的烃类：储油层中的石油和天然气中的烃类在更高温度的地热系统中向着分子结构更加稳定在更高温度的地热系统中向着分子结构更加稳定的方向继续演化，形成
22、最稳定的混合物。的方向继续演化，形成最稳定的混合物。u氧化作用和生物降解作用：氧化作用和生物降解作用：生物降解和氧化作用的生物降解和氧化作用的综合效应就是形成密度大，粘度高的重质原油，强综合效应就是形成密度大，粘度高的重质原油，强烈的次生改造可以使原油转化成天然沥青。烈的次生改造可以使原油转化成天然沥青。u硫化作用：硫化作用：硫酸盐还原细菌作用下，硫酸盐可以氧硫酸盐还原细菌作用下，硫酸盐可以氧化烃类，而其自身还原成化烃类，而其自身还原成H2S和和S，元素，元素S与烃反应与烃反应形成烷基噻吩、硫醇、硫醚形成烷基噻吩、硫醇、硫醚 等含硫化合物。等含硫化合物。u脱沥青作用：脱沥青作用：当油藏中含有大
23、量的当油藏中含有大量的C1C6的轻的轻烃时，它们溶解于石油中，使石油中的沥青质沉烃时，它们溶解于石油中，使石油中的沥青质沉淀下来，导致石油的密度降低，轻质组分增加，淀下来，导致石油的密度降低，轻质组分增加，重质组分减少。重质组分减少。第三节第三节 石油中各种烃类的形成石油中各种烃类的形成 石油中烃类的石油中烃类的三个来源三个来源：u生物体内生物体内的的原生烃原生烃。u类脂类脂化合物中的醇类、醛类、羧酸类以及环化合物中的醇类、醛类、羧酸类以及环状萜烯类，经微生物状萜烯类，经微生物降解生成降解生成的烃类。的烃类。u干酪根干酪根受热裂解或催化受热裂解或催化裂解时产生裂解时产生的烃类。的烃类。一、正构
24、烷烃的形成一、正构烷烃的形成u一部分来源于一部分来源于活的生物体活的生物体以及脂肪酸、脂肪醛、以及脂肪酸、脂肪醛、蜡等蜡等类脂类脂化合物。化合物。u一部分正构烷烃是由一部分正构烷烃是由沉积物中沉积物中的脂肪醇、脂肪的脂肪醇、脂肪酸、脂肪醛等经生物化学酸、脂肪醛等经生物化学发酵发酵而生成的。而生成的。u大部分是在生油主带、在较高温度下由大部分是在生油主带、在较高温度下由高分子的高分子的一元脂肪酸脱除羧基一元脂肪酸脱除羧基后而生成的。后而生成的。u一部分是一部分是高级脂肪酸转化高级脂肪酸转化成两倍碳链的成两倍碳链的脂肪酮脂肪酮，而酮随之而酮随之还原成烃类还原成烃类。二、异构烷烃的形成二、异构烷烃的
25、形成 u来源之一是来源之一是生物合成生物合成，与正构烷烃共生。，与正构烷烃共生。在海洋有机物和细菌的类脂化合物中的在海洋有机物和细菌的类脂化合物中的异异构脂肪酸是异构烷烃的前身构脂肪酸是异构烷烃的前身。u大部分异构烷烃是大部分异构烷烃是干酪根中脂肪结构热干酪根中脂肪结构热解解而生成的。此时既生成饱和烃，也生成而生成的。此时既生成饱和烃，也生成不饱和烃，生成的不饱和烃，生成的烷烃经催化作用形成异烷烃经催化作用形成异构烷烃构烷烃。三、环烷烃的形成三、环烷烃的形成 u环烷烃可由环烷烃可由生物直接合成生物直接合成，更重要的是，更重要的是来源于生物体内的各种来源于生物体内的各种环状萜的衍生物环状萜的衍生
26、物。u环烷烃的另一重要来源是环烷烃的另一重要来源是不饱和脂肪酸不饱和脂肪酸脱水环化脱水环化，进一步转化成环烷烃。，进一步转化成环烷烃。四、芳香烃的形成四、芳香烃的形成 u在细菌作用下，生物体内的在细菌作用下，生物体内的环状物质发生环状物质发生芳构化芳构化反应转化成芳香烃和环烷芳香烃。反应转化成芳香烃和环烷芳香烃。u不饱和脂肪酸不饱和脂肪酸在催化剂作用下经在催化剂作用下经环化、脱环化、脱水水转化成芳香烃和环烷芳香烃转化成芳香烃和环烷芳香烃。u干酪根干酪根在较高温度下在较高温度下裂解、环化、脱氢裂解、环化、脱氢而而生成芳香烃。生成芳香烃。本章思考题本章思考题 1.石油的成因为什么会有争论？石油的成
27、因为什么会有争论？2.石油的无机成因说包括哪几个学说，各石油的无机成因说包括哪几个学说，各自有何特点，它们有何缺陷？自有何特点，它们有何缺陷？3.石油的有机成因说的原始生油物质包括石油的有机成因说的原始生油物质包括哪些，最主要的生油物质是什么？为什哪些，最主要的生油物质是什么？为什么？么？4.有机质在怎样的生油环境下才能形成石有机质在怎样的生油环境下才能形成石油？油？5.简述干酪根裂解成油的三个阶段。简述干酪根裂解成油的三个阶段。6.干酪根可分为哪几种类型？每种类型各干酪根可分为哪几种类型？每种类型各有何特点？有何特点？7.简述影响干酪根裂解生油的主要影响因简述影响干酪根裂解生油的主要影响因素。素。8.生成的石油是如何从生油层运移到油气生成的石油是如何从生油层运移到油气藏中去的？藏中去的？
