【正文】 第二章 現(xiàn)代油氣成因理論 本章重點： ?石油和天然氣的成因?qū)W說； ?有機成因早期成油說和晚期成油說； ?生成油氣的原始物質(zhì)； ?有機質(zhì)轉(zhuǎn)化成油氣條件和因素及演化規(guī)律 。 ?油氣生成的地質(zhì)環(huán)境； ?特別鑒別烴源巖常用地球化學指標及評價 。 第一節(jié) 油氣石油成因理論發(fā)展概況 石油 、 天然氣成因 ， 作為找油 、 找氣工作 的基礎(chǔ) ， 具有很重要的指導意義 。 石油 、 天然氣只有生成后 ， 才有運移 、 聚 集 、 保存 、 破壞等石油地質(zhì)事件發(fā)生 ， 無油氣 源一切都無意義 。 對油氣成因，現(xiàn)已提出了多種假說，之所以 出現(xiàn)各種假說，其復雜性在于： ， 油氣都是流體 ， 易于流動 ， 現(xiàn)找到 它們的地方 ， 往往并不是它們生成的場所 ， ， 油氣通過運移 ， 其性質(zhì) 、 原始組分 發(fā)生變化 ， 現(xiàn)在組成 ， 并不代表其原始面貌； 、 氣同原始母質(zhì)之間過渡形式短乏 明確 認識 (儀器 、 設(shè)備 、 模擬條件有的無法達到 )。 實際上 ， 油氣生成不能脫離周圍地質(zhì)條件 ， 爭論的焦點是原始物質(zhì)和轉(zhuǎn)化條件等問題 。 油氣成因基本歸為無機和有機兩大不同派別 。 總結(jié)勘探 、 開采經(jīng)驗 ， 結(jié)合近代物理學 、化學 、 生物學及地質(zhì)學等基礎(chǔ)理論科學 ， 為有機說提供了充分證據(jù) ， 且形成了相當完整的體系 ， 從而被絕大多數(shù)人所接受 。 有機成因理論形成后 ， 爭論油氣是成巖早期或晚期形成的問題 。 通過大量研究 ， 晚期成油說得到大部分人的擁護 。 目前 ， 特別是我國 ， 基本是以有機成因晚期成油學說觀點進行石油地質(zhì)學研究和勘探開發(fā)的 。 現(xiàn)有人提出 ， 成油的過程是多次的 ， 即早期也有 ， 晚期也有 。 應(yīng)該說 ， 晚期是主要的 。 一 、 油氣無機成因說 石油工業(yè)發(fā)展早期 ， 從純化學角度出 發(fā) ， 認為石油是無機成因的 。 大致可歸為兩類： ?地深成因說 ， 認為烴類形成于地球深處； ?宇宙成因說 ， 認為烴類早在地球形成的宇 宙階段即已形成 。 主要依據(jù)是： ， 從無機物中合成得到了烴類； 、 有碳 、 氫和烴類； 、 巖漿巖的包裹體中含烴； ； ， 可由非旋光物質(zhì)合成 ， 葉啉也可無機合成 (近期有人認為 )。 作為石油起源假說 ， 主要有以下幾種： ①碳化說 （門捷列夫， 1876）， 即碳和鐵形成碳化鐵，與 地殼深處熱水相遇生成碳氫化合物； ②宇宙說 (索科洛夫 ,1889) 認為碳氫化合物早期宇宙固 有 的，與后期條件關(guān)系不大 ； ③ 巖漿說 （ 庫特梁采夫 1951） 認為地球深部巖漿中存在碳 、 氫 、 微量元素 ， 巖漿冷卻時形成烴類； ④ 高溫高壓說 （ 切卡留克 1971） 認為深部生成烴類 ， 沿斷 裂進入沉積巖； ⑤ 蛇紋巖化 說 (耶蘭斯基 ,1966)， 提出蛇紋石化可形成烴類； 根據(jù)這些學說 ， 尋找油氣應(yīng)在地殼深處 ， 巖漿活 動 、 巖漿巖發(fā)育的地方 。 實踐中 ， 無機學說無法解釋許多問題 ： (%的油氣與沉積巖有關(guān) )。 油組成復雜性之間關(guān)系 。 ， 如姥姣烷 、 植 烷 、 甾烷等 ， 石油也不能在高溫下保存等 。 反之 ， 用有機成因觀點來解釋 ， 則比較合理 一些 。 二 、 油氣有機成因說 主張油氣有機成因說的學者認為 ， 油氣是地質(zhì)時 期中生物選擇在適當條件下生成的 。 干餾說 （ 羅蒙諾索夫 ， 1763)煤在地下受熱 、 干鎦生烴 。 動物說 (， 1869)實驗證明動物脂肪可合成烴類 。 混成說 （ 波東尼 ， 1906） 動 、 植物先生成腐泥巖 、 再形 成石油 。 使有機成油說成為較完整的學說 。 五十年代 ， ， 取得了寶貴成果 ， 證實為有機質(zhì)生成油 、 氣 。 三 、 油氣有機成因證據(jù) （ 主要有以下幾點 ） ： %以上石油都產(chǎn)自沉積巖 ， 而在大片火成巖 、 變質(zhì)巖出露地區(qū) ， 沒有工業(yè)石油； ， 與地史上生物的發(fā)育和興衰密 切相關(guān) ， 具有一致性； ， 含油氣層位總與富含有機質(zhì)層位有 依存關(guān)系； 沉積有機質(zhì)； ， 其碳骨架僅為生 物體所特有； ； 同位素組成接近； ， 只有從生物才能獲得這種物質(zhì)； ， 從多種有機質(zhì)中可得到油氣的烴類產(chǎn)物； 、 現(xiàn)代沉積物中檢測出類似油氣中的烴類 。 五 、 有機成因早期成油說 有機成油理論形成后 ， 進一步爭論逐漸轉(zhuǎn)為石油是成巖早期 、 還是成巖晚期生成的問題 。 （ 理由主要有 ） ： 類轉(zhuǎn)化的過程； (脂肪 、 蛋白質(zhì) 、 碳水化合物等 )得到了比甲烷重的烴類； ， 微生物的活動隨埋藏深度增加迅 速減弱以至停止 。 因此 ， 提出某些細菌是有機質(zhì) 加氫去羧基轉(zhuǎn)變?yōu)轭愂偷拿浇?(這一過程 ， 只 能在埋藏不深的成巖作用早期進行 )。 ， 其運移是以 溶解在水中的方式進行運移的 (這要求巖層孔隙 大 、 喉道粗 ， 且生油巖大量的水尚未排出 )。 （ 上述條件只能在成巖早期具備 ， 且油氣是在 排水過程中 ， 把石油運移到儲層中去的 ） 前后經(jīng)歷了將近半個世紀的努力 ， 早期成油說理論逐步形成 。 早期成油說可概括為下列幾點 ： 有機質(zhì)形成的； 、 蛋白質(zhì)和碳水化合物是主要生油母 質(zhì) 。 有機質(zhì)從沉積作用完結(jié) ， 從埋藏不深 、 溫度不高的成巖作用早期開始向石油轉(zhuǎn)化 。 ， 菌解是必要媒介； (否則發(fā)生氧化 )； 聚集的過程 。 由于這些要求概括的共同之處是強調(diào) 低 溫 ， 成巖作用早期開始 。 因此 ， 稱為 “ 石 油有機成因早期成油說 ” 。 隨著先進手段引進 ， 發(fā)現(xiàn)早期成油說 在許多問題上解釋遇到困難： (致命的弱點 ) ， 幾乎都不晚于 上新世； 別 ， 相反與現(xiàn)代生物更為接近； ， 而 石油中正烷烴奇 、 偶數(shù)碳原子差不多相等； 中豐富的多； ， 且四 、 五 、 六環(huán)的環(huán)烷烴居多 ， 而石油中則以單雙環(huán) 、 環(huán)烷烴為主； ， 酐酪根含量顯著降 低 、 MAB抽提物也有一定降低 ， 而烴類大 量增加 ， 說明兩者是有聯(lián)系的； 海相生物 12～ ‰ 陸生植物 ～ ‰ ； 海相抽提物 ～ ‰ 陸相抽提物 ～ ‰ ； 海相原油 ～ ‰ 陸相原油 ～ ‰ ； 由此可見 ， 石油并非成巖早期形成 ， 而是在成巖過程中 ， 經(jīng)過一系列改造而逐 步轉(zhuǎn)化形成的 。 六十年代后期 ， 七十年代以來近二十 多年發(fā)展 ， 生油學說進一步完善 。 認為沉 積物埋藏到較大深度 ， 到成巖作用晚期或 后生作用初期 ， 沉積物的不溶有機質(zhì)達到 成熟 ， 熱解生成大量液態(tài)石油和天然氣 。 所以又稱 “ 石油有機晚期成油說 ” 。 （ 今后講課主要據(jù)此觀點討論油氣生成及勘探 ） 第二節(jié) 生成油氣的物質(zhì)基礎(chǔ) 有機說的 核心是認為石油起源于生物物質(zhì) ， 通過沉積作用保留下來 ， 再轉(zhuǎn)化成油氣 。 一 、 生油氣母質(zhì)及其化學組成 包括脂肪 、 醇類 、 甾族類及萜烯類化合物 等 。 化學性質(zhì)穩(wěn)定 ， 從元素組成和分子結(jié)構(gòu)都 近似石油 ， 實驗證明 ， 通過加氫和去羧基 ， 脂 肪酸可向烴類轉(zhuǎn)化 。 生物體內(nèi)重要的成分 ， 當充分受到高地溫作 用 ， 蛋白質(zhì)衍生物是一種重要的生油母質(zhì) ， 經(jīng) 過去羧基和去氨基后便可合成烴類 。 動 、 植物體內(nèi)都含有碳水化合物 ， 實驗證 明 ， 碳水化合物被氫還原后可得到烴類 。 僅存在高等植物中 ， 可生成天然氣 。 綜上所述 ， 各種生物所含的生物化學組分不同 ， 一般植物主要含碳水化合物 、 木質(zhì)素 ，而動物主要合蛋白質(zhì) 、 脂類 。 二 .沉積有機質(zhì)的形成 ?油氣轉(zhuǎn)化 從生物有機質(zhì)進入沉積有機質(zhì) 開始進行； ?沉積有機質(zhì)主要是 生物的遺體 ， 此外包 括其生命過程中的 排泄物和分泌物 ； ?沉積 有機質(zhì)來源 （ 原地有機質(zhì) 、 異地有 機質(zhì) 、 混合有機質(zhì) 、 再沉積有機質(zhì) ） 統(tǒng)計表明 有機質(zhì)數(shù)量很大 ， 但分布不均衡 ： 分布不均衡； 分布不同 ， 大陸及邊緣海有 機質(zhì)含量高 ， 大洋沉積物有機質(zhì)含量貧乏； 有機質(zhì)含量不同 ， 泥巖高 ， 碳酸 鹽巖中等 ， 砂巖低 。 有機質(zhì)豐度不均衡分布 影響因素 ： (1)生物產(chǎn)率 (淺海區(qū) 、 大陸區(qū)濕熱帶高 )； (2)原始有機質(zhì)保存條件 （ 氧化 、 還原 )； (3)沉積 、 沉降速度 （ 沉積 、 沉降較快且穩(wěn) 定有利有機質(zhì)保存 ） ； (4)沉積物的粒度 （ 粒度越細吸附有機質(zhì)微 粒越多 ） 。 三 .酐酪根 酐酪根是沉積巖中主要的有機質(zhì)和生 成油氣的主要母質(zhì) 。 最初用來描述蘇格蘭 一種油頁巖中的不溶有機質(zhì) ， 經(jīng)蒸餾后能 產(chǎn)出似臘質(zhì)的粘稠石油 。 亨特 (Hunt)等在 研究沉積頁巖中 ， 把其中的 不溶有機質(zhì)統(tǒng) 稱為酐酪根 。 沉積物有機質(zhì)包括： ① 有機質(zhì) 不溶于有機溶劑 的殘余 ； ② 有機質(zhì) 不溶于堿性溶液 的殘余； 以上 二者合稱為酐酪根 。 ③ 有機質(zhì)中部分 能溶于有機溶劑的有機物 質(zhì) ， 稱可溶有機質(zhì) ， 也叫做 可溶性瀝青 。 ： 酐酪根是沉積物中 不溶于堿 、 非氧化 型酸和有機溶劑 的分散有機質(zhì) (Hunt,1979)。 其成分和結(jié)構(gòu)極為復雜 ， 是一種不均質(zhì)的 分子量較高的物質(zhì) ， 由 C、 H、 O、 S、 N等 元素組成 。 結(jié)構(gòu)上 為一種帶有各種烷基取 代基及其它官能團的結(jié)構(gòu)單元 ， 通過橋鍵 (主要是 C、 O或肽鍵 )結(jié)合而成的 三維分子 。 提純分離 ： ① 將巖石粉碎后 ， 先用氯仿抽提 ， 然后用 MAB抽提 ， 除去可溶物質(zhì)； ② 鹽酸溶解 ， 除去碳酸鹽； ③ 氫氟酸溶解除去硅鋁酸鹽； ④ 用比重液 、 超生波除去巖石中的黃鐵礦 及其它重礦物 。 (1)化學成分 、 元素組成 主要由 C、 H、 O組成 ， 并含有少量 N、 S、 P和其它金屬元素 。 其中： C， 7090%； H， 310%； O， 319%； H/C(原子比 )， 一般 ； O/C ； N， ～ 4%； S， %～ 5%； 元素組成與酐酪根類型 、 成熟度關(guān)系明顯 ?以浮游生物為有機質(zhì)的主要母源 ， 深水 還原環(huán)境下的 海相或湖相形成的酐酪根富 含氫和氮 。 ?以陸源植物為主要母源的酐酪根和近岸 淺水 較氧化環(huán)境形成的酐酪根相對貧氫 、 氮而富氧 。 (2)結(jié)構(gòu) （ 結(jié)構(gòu)復雜 ） 大致由： ① 核 ， 可以是單環(huán) 、 或縮合環(huán) 、 芳香環(huán)或 脂族環(huán) ， 含硫或含氮的雜環(huán) (核間由不同類型 橋鍵連接成三維主體結(jié)構(gòu) ， 核表面再連結(jié)各種基團 )； ② 橋鍵 ， 有脂肪族碳鍵 (CH)n； 含氧或含硫的官能鍵 ， C(酮 )， CO(酯 )， O(醚鍵 )， S(硫鍵 )， SS(二硫鍵 )； ③ 官能團 ， 有羥基 (OH)， 羧基 (COOH)， 氧甲基 (OCH3)等； ④ 結(jié)構(gòu)間隙中 ， 可截獲的各種類型的游離 分子 。 主要由以上四類組份組成 。 (1)化學分類 (根據(jù) H/C， O/C進行劃分 )： Ⅰ 型 ， H/C高 ( )， 一般 ； O/C低 ， ；熱失重 ≥65%； 生烴潛力 ；富含類脂物質(zhì) ， 主 要由脂族鏈組成 ， 鏈狀結(jié)構(gòu)較多 ， 富氫 、 貧氧 ， 生油潛力高 ， 主要來源于藻類物質(zhì) 。 Ⅱ 型 ， H/C較高 ， ～