第四章石油與天然氣的生成與烴源巖第四章石油與天然氣的生成與烴源巖第一節油氣成因理論發展概況第二節油氣生成的物質基礎第三節油氣生成的動力條件第四節有機質演化與生烴模式第五節天然氣成因類型及判識第六節烴源巖第七節油源對比第一節油氣成因理論發展概況無機成因說有機成因說早期學說晚期學說現代油氣成因理論唯海相生油一、無機成因說（inorganictheory）1.碳化物說：地球內部水與重金屬碳化物相互作用：

3FemCn+4mH2O→mFe3O4+C3nH8m2.宇宙說：由碳、氫合成碳氫化合物是出現在天體發展的早期階段，例如在溫度≤1000℃時，甲烷可按下列方式生成：CO+3H2CH4+H2OCO2+4H2CH4+2H2O3.巖漿說（門捷列夫，1876）（索可洛夫，1889）（庫得梁采夫，1949）基性巖漿冷卻時碳氫化合物合成4.高溫生成說（切克留克，1971）H2O+CO2nC1-nC6FeO、Fe3O41500K,5000Mpa無機學說在中國《論石油的無機成因》，張景廉等，2001，石油工業出版社張景廉，西北地質研究所；發表無機成因說相關論文數十篇。中國科學院廣州地球化學研究所一些學者，如：翁克難，肖萬生，張惠之，汪本善等：1996：在金剛石壓腔（ＤＡＣ，溫度為800-1500℃，壓力略大于1GPa）中進行了石墨和菱鐵礦分別與超臨界水反應發現其中均有大量的甲烷生成，并伴有CO2和CO；此外還有少量其它烴類。提出在地球深部高溫高壓條件下，含碳物質與超臨界水反應可能是一種新的、重要的成烴機制全面認識無機成烴理論意義與實際價值缺陷：無法解釋自然界油氣分布特點無機成因氣的存在二、有機成因說（organictheoryorhypothesis）1.支持石油有機成因的一些事實（1）世界上絕大部分的油氣都分布在沉積巖中（2）地層中石油分布與有機質分布相吻合地質年代表＊古近紀新近紀據統計，自寒武紀以來的6億年中，古生代擁有已知石油的11%，天然氣的20%，而中新生代卻有已知石油的89%，天然氣的72%。(3)含油氣層位總與富含有機質的層位有依存關系，而不像無機的內生礦床那樣與火成巖和變質巖有關；(4)油氣的元素組成包括微量元素組成都與有機物質和有機礦床相近；

物質名稱C%H%S+N+O%石油淡水泥質沉積物中的有機質浮游生物84.3276.744.213.5811.38.62.102.047.2（5）石油和煤的灰分具有相似性（6）油層溫度一般不超過150℃（8）近代沉積物中的可溶有機質與石油類似,,現代化的測試分析技術可從現代和古代沉積物中鑒定出各種油氣中的烴類。

（9）實驗室加熱有機質可以生成石油（7）石油中存在很多生物標志化合物；存在旋光性

墨西哥灣近代海洋沉積物所含烴類與懷俄明州中新統石油的紅外光譜圖苯抽提物1—石油；

2—近代海洋沉積物所含烴類2、有機成因學說概況（1）早期成因說（2）晚期成因說（干酪根熱降解成因說）原始有機質成巖作用早期石油和天然氣原始有機質干酪根成巖作用早期石油和天然氣成巖作用中晚期（3）油氣有機成因的新進展未熟-低熟油(早期成因的石油)煤成油(集中有機質生油)第二節油氣生成的物質基礎

？干酪根生物物質油氣物質名稱C%H%S+N+O%石油淡水泥質沉積物中的有機質浮游生物84.3276.744.213.5811.38.62.102.047.2一、生烴原始有機物質的化學組成油氣形成的原始有機質：細菌、浮游植物、浮游動物和高等植物由下列四類生物化學聚合物構成類脂化合物蛋白質碳水化合物木質素浮游植物、細菌和高等植物：數量上最重要；浮游動物(如有孔蟲、放射蟲、撓足類)和底棲生物：一定貢獻；高等動物(如魚類)：微不足道的原始生物的類型一、生烴原始有機物質的化學組成1.類脂化合物（Lipids）分布在動物的皮下組織，植物的孢子、種子及果實脂肪酸、高級脂肪酸蠟、醇類、甾類和萜類化合物脂肪酸去羧基加氫可以形成烴類一、生烴原始有機物質的化學組成是生物體維持生命活動不可缺少的物質之一。2.蛋白質(Protein)

生物體中一切組織的基本組成部分，是生物體賴以生存的物質基礎。占生物體細胞除水外的80%。含氮化合物，由20多種氨基酸構成。容易水解形成氨基酸

3.碳水化合物(carbohydrate):又稱糖類，是自然界分布極廣，是一切生物體中重要組成之一。Cx（H2O）y醣或糖類4.木質素(Lignin):都具有芳香結構特征。是植物細胞壁的主要成分。高等植物具有芳香結構主要出現在高等植物中成煤的重要有機組分不易水解，可被氧化為芳香酸和脂肪酸二、干酪根生物遺體在還原條件下保存于沉積物中，經過一系列生物化學分解、水解于縮聚反應形成的復雜有機物質。生物物質（脂肪、蛋白質、碳水化合物和木質素）縮聚作用高分子的腐植酸類地質聚合物縮聚作用細菌分解水解脂肪酸、氨基酸、糖，酚等生物化學單體CH4、CO2、NH3、H2S、H2O1.形成過程2.干酪根的成分和結構是一種高分子聚合物，沒有固定的化學成分，主要由C、H、O和少量S、N組成，沒有固定的分子式和結構。

元素組成（質量百分數）CHSNO碳水化合物446－－50木質素6350.10.331.6蛋白質53711722脂

類7612－－12干酪根796528生物有機質向地質構型有機質干酪根轉化：去氧、富集碳、加硫（乏氧還原環境）①三維網狀系統③鏈狀橋交聯構成核，含有多個核②脂肪族鏈狀結構和環狀結構甚多④核被橋鍵和官能團連接美國綠河頁巖干酪根B.P.Tissot等（1978）結構復雜，沒有固定的分子式和結構模型黃縣褐煤干酪根結構（秦匡宗等，1990）干酪根結構屬于三維網狀系統，具有多個芳香結構的核，這些核被鏈狀橋、鍵和各種官能團連接起來，核上連接著數量不等的具有脂肪族結構的支鏈。3.干酪根的定義(1)J.M.Hunt（1979）:沉積巖中所有不溶于非氧化性的酸、堿和非極性有機溶劑的分散有機質不溶于一般有機溶劑的沉積有機質(2)Durand（1980）:兩個定義的區別：是否包括現代沉積物中的有機質沉積巖中所有不溶于非氧化性的酸、堿和非極性有機溶劑的有機質。包括沉積巖中的分散有機質，也包括煤中的有機質。巖石中有機質的構成總有機質可溶有機質總的巖石礦物分散有機質<10%wt.總的巖石礦物富集型有機質-煤>40%wt4.干酪根類型干酪根類型劃分的方法顯微組分鑒定干酪根元素分析干酪根的分離重液分離除去可溶有機質除去碳酸鹽礦物除去硅鋁酸鹽礦物除去黃鐵礦等重礦巖石粉碎抽提鹽酸溶解氟氫酸溶解4.干酪根的類型在顯微鏡透射光下觀測干酪根的構成藻質無定形草質木質煤質干酪根的顯微組分鑒定絮狀或團塊狀、薄膜狀4、干酪根的類型(1)按干酪根的顯微組分分類惰質組：腐泥組：鏡質組：殼質組：①顯微組分類型無定形體藻類體包括無定形體和藻類體，富氫組分腐泥組：主要來源于藻類或藻類被改造的殘余殼質組樹脂體孢粉體木栓質體來源于植物的孢子、角質、表皮組織、樹脂、蠟質等。包括孢子體、角質體、樹脂體和木栓質體，富氫組分鏡質組結構鏡質體無結構鏡質體是植物的莖、葉和木質纖維經過凝膠化作用形成的各種凝膠體。是富氧組分。惰質組絲質體絲炭化組分。由木質纖維素經絲炭化作用而形成。屬穩定組分，富含氧②類型劃分Ⅰ型：主要由腐泥組構成Ⅱ型：主要由殼質組構成Ⅲ型：主要由惰質組、絲質組構成4、干酪根的類型(1)按干酪根的顯微組分分類Ⅰ型干酪根根據干酪根的顯微組成劃分類型Ⅱ型干酪根Ⅱ型干酪根Ⅲ型干酪根根據干酪根的顯微組成劃分類型4.干酪根的類型(1)按干酪根的顯微組分分類（2）劃分方法（定量計算）T=（100A+50B-75C-100D）/100A、B、C、D

分別為腐泥組、殼質組、鏡質組和惰質組的含量T>80Ⅰ型T=80-40Ⅱ1型T=40-0Ⅱ2型T<0Ⅲ型4.干酪根的類型(2)干酪根類型的元素組成分類根據成分(C、H、O元素組成)對干酪根分為三種類型：范·克雷維倫（D.W.VanKrevelen）圖解I型干酪根Ⅱ型干酪根Ⅲ型干酪根原始H/C1.25-1.750.65-1.250.46-0.93原始O/C：0.026-0.120.04-0.130.05-0.30不同干酪根的元素組成實例4.干酪根的類型范·克雷維倫（D.W.VanKrevelen）圖解（1）Ⅰ型干酪根(TypeⅠ)①原始氫含量高，氧含量低②以脂肪族直鏈結構為主，多環芳香結構及含氧官能團很少③主要來自藻類堆積物，被細菌改造有機質的類脂殘留物④生油潛力很大4.干酪根的類型范·克雷維倫（D.W.VanKrevelen）圖解（2）Ⅱ型干酪根(TypeⅡ)①原始氫含量較高，氧含量較低②含有脂肪族直鏈結構，也含有較多的芳香結構及含氧官能團③主要來自浮游生物（浮游植物為主）④生油潛力中等4.干酪根的類型范·克雷維倫（D.W.VanKrevelen）圖解（3）Ⅲ型干酪根(TypeⅢ)①原始氫含量低，氧含量高②多環芳香結構及含氧官能團含量高，脂肪族直鏈結構少③主要來自高等植物④生油潛力小，以生氣為主4.干酪根的類型干酪根類型的其他劃分方案：四分法和五分法五分法：Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2四分法：Ⅰ、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅲ5.干酪根的形成和演化生物化學作用氨基酸糖類類脂化合物木質素聚合作用縮合作用黃腐酸腐殖酸腐黑物聚合縮合干酪根生物聚合體（biopolymer）地質聚合體（geopolymer）(1)干酪根的形成蛋白質碳水化合物類脂化合物木質素(2）干酪根的演化干酪根熱演化實驗室模擬結果干酪根的熱失重和反射率的變化干酪根元素組成的變化紅外光譜反映的干酪根結構變化5.干酪根的形成和演化不同干酪根熱演化與演化的階段性隨溫度增加，干酪根H/C和O/C降低，碳不斷富集；芳烴結構不斷縮合；烷烴結構減少(2)干酪根的演化①成巖作用階段

Diagenisis

氧的消耗②退化作用階段

Catagenesis

氫的消耗③變生作用階段（交替作用階段）

Metagenesis

碳高度富集3）干酪根演化與干酪根數量和生成物的變化隨演化程度增加，干酪根數量越來越少，形成油氣的數量則越來越多。早中期主要形成油，晚期主要形成氣相當于埋深增加5.干酪根的形成和演化（據D.W.Waples，1985，修改）沉積物和沉積巖中有機質的轉化(4）干酪根演化程度的確定5、干酪根形成與演化演化程度：演化程度又稱成熟程度，簡稱成熟度(maturity)指干酪根結構變化程度，反映干酪根生成油氣的程度，分五種演化程度：不成熟/未成熟、低成熟、成熟、高成熟、過成熟與溫度、持續受熱時間有關有多種表示干酪根成熟度的方法/參數，常用2種：（1）干酪根的顏色（2）鏡質組反射率(4）干酪根演化程度的確定①干酪根的顏色隨干酪根演化程度的增加，其顏色會逐漸變暗；由黃色、淡褐色、褐色向暗褐色、深暗褐色、黑色改變干酪根顏色與干酪根的H/C-O/C原子比有一定的對應關系干酪根成熟度的表達方法/參數，(4）干酪根演化程度的確定①干酪根的顏色(4）干酪根演化程度的確定②鏡質體反射率（vitrinitereflectance）在顯微鏡下用放大25-50倍的油浸物鏡，在反射光下測定鏡質組的反射率。記:Ro反射率：指光線垂直入射時，反射光強度與入射光強度的百分比。單位：%鏡質體反射率的變化特點鏡質體反射率隨演化程度增加而增加Ro具不可逆性。Ro是溫度和有效受熱時間的函數在連續沉積剖面中，鏡質體反射率的對數值與深度呈線性關系鏡質體反射率的對數值與深度呈線性關系干酪根演化程度的反射率界限①未成熟(immature)②成熟(mature)③高成熟(high-mature)④過成熟(over-mature)Ro<0.5%Ro=0.5%-1.2%Ro=1.2%-2.0%Ro>2.0%干酪根的結構干酪根的結構特點：芳香結構的核、脂肪族鏈狀結構的支鏈、連接核與支鏈的橋和鍵化學鍵的斷裂主要受溫度和時間的控制，可以用化學動力學的一級反應來描述干酪根生油的化學實質：橋、鍵斷裂，支鏈和側鏈從核上脫落的過程第三節干酪根生油氣的動力學條件第三節干酪根生油氣的動力學條件實驗室熱模擬表明，不僅溫度對干酪根演化有作用，加溫持續時間對干酪根生烴過程（反應）也有明顯作用。干酪根生烴過程符合化學反應動力學一級反應定律隨溫度增加，干酪根H/C和O/C降低，碳不斷富集；芳烴結構不斷縮合；烷烴結構減少一、一級反應動力學及溫度、時間的作用一級反應(Firstorderreaction):反應的速度與反應物濃度的一次方成正比式中：t為反應時間，s；C為反應物的濃度；k為反應速度常數。（1）阿倫紐斯方程：式中：k0稱為頻率因子E為活化能R為氣體常數T為絕對溫度（2）反應速度常數k可用阿倫紐斯方程描述代表單位時間單位容積內粒子碰撞的次數，它與容積內粒子的大小、濃度及運動快慢有關。代表欲使化學反應發生，必須由粒子碰撞提供的最低能量℃+273℃8.3144J/mol·kC為在時刻t反應物的濃度。C0是反應開始時（t=0）反應物的濃度，（3）式積分，得：（1）對C為在時刻t反應物的濃度。C0是反應開始時（t=0）反應物的濃度，（3）②溫度和時間具有互補性，高溫短時間和低溫長時間可以達到相同的反應程度。①反應程度與溫度呈指數關系，與時間呈線性關系分析（3）式可以得到兩個重要結論：溫度的倒數（1/T）與時間的對數（lnt）具有線性關系對兩邊取對數，得：隨著埋藏深度的增大和溫度的增高，干酪根開始大量生烴的溫度稱為干酪根的成熟溫度或生油門限，這個成熟溫度所在的深度稱為成熟點生油門限（threshold）2.生油門限和成熟點在干酪根熱降解生烴反應條件中，溫度是決定性的。時間的作用是有條件的，只有溫度達到一定時，時間才起作用。注意：實際地質資料同樣證明：溫度與時間的互補性①溫度的影響呈指數關系，時間的影響呈線性關系②溫度和時間的作用是相互補償的；年代較新，門限溫度則較高。②時代越新，門限溫度越高②時代越新，門限溫度越高二、細菌的生物化學作用分為喜氧細菌、厭氧細菌和通性細菌三類CH3COO－+H+CH4+CO2產甲烷菌CO2和乙酸來源：細菌對有機質的分解1.乙酸發酵2.二氧化碳還原CO2+3H2CH4+H2O輔酶M第三節干酪根生油氣的動力學條件三、催化作用催化劑是一種加速化學反應速度而本身并不消耗的物質2.無機鹽類催化劑粘土礦物(蒙脫石)：吸附有機質①降低有機質的成熟溫度②加速長鏈分子的斷裂③改變產物的組成：第三節干酪根生油氣的動力學條件1.有機酵母催化劑有機酵母催化劑的作用：加速有機質的分解四、放射性作用1。水在α射線轟擊下產生游離氫；2。熱源第四節有機質的演化與生烴模式一、有機質演化階段的劃分干酪根的演化①成巖作用階段主要表現為氧的消耗②退化作用階段主要表現為氫消耗③變生（交替）作用階段碳高度富集1.根據油氣生成機理和產物類型劃分①生物化學生氣階段②熱催化生油氣階段③熱裂解生濕氣階段④深部高溫生氣階段2.根據有機質成熟度進劃分成熟度(maturity):在溫度的作用下有機質的熱演化程度鏡質體反射率Ro：鏡質體反射光的能力①未成熟階段(immature)②成熟階段(mature)③高成熟階段(high-mature)④過成熟階段(over-mature)未成熟階段成熟階段高成熟階段過成熟階段一、有機質演化階段的劃分生物化學生氣階段熱催化生油氣階段熱裂解生凝析氣階段深部高溫生氣階段未成熟成熟高成熟過成熟有機質向油氣轉化模式未熟-低熟油成熟油凝析氣甲烷二、有機質演化的基本特征1.生物化學生氣階段（未成熟階段）①范圍：Ro<0.5%

溫度：10～60℃

深度：0～2000m②機理：生物化學作用③產物：生物甲烷氣、CO2、H2O，干酪根，少量高分子液態烴——未熟油.生物降解作用（形成生物化學單體）;

生物聚合作用（形成地質聚合物）；厭氧細菌作用（形成氣體（CH4)）。生物化學單體沉積有機質被選擇性分解，轉化為分子量更低的生物化學單體(如苯酚、氨基酸、單醣、脂肪酸等等)，部分有機質被完全分解成CO2、NH3和H2O等簡單分子。生物CH4氣；厭氧細菌還原小分子的乙酸、CO2,形成生物CH4氣；未熟-低熟油。后期，在特定的生源構成和適宜環境條件下可生成一定數量的未熟-低熟油。干酪根沉積有機質大部分轉化成干酪根生物化學作用階段所形成的產物未熟油低熟油成熟油未熟-低熟油氣特點未熟-低熟油氣：指所有非干酪根晚期熱降解成因的各種低溫、早熟的非常規油氣。生成階段：Ro＝0.3%-0.7%生成機理：低溫的化學反應和低溫生物化學反應原始物質：聚合度較低的特殊的有機物質。Δ未熟-低熟油未熟-低熟油氣特點定義:非干酪根晚期熱降解生成的油形成條件：RO0.3%-0.7%,特殊的有機質,包括:樹脂體、木栓質體、藻類、類脂物、富硫有機質細菌改造過的陸源有機質地球化學特征：在正烷烴C22—C34范圍內有明顯的奇數碳優勢；富含高分子量飽和烴環烷烴中1-6環均有，但四環分子顯畸峰；芳香烴亦以高分子量化合物為主，顯示萘和多核芳香烴雙峰。有時雜原子化合物較多。物理性質：密度有輕、有重。二、有機質演化的基本特征2.熱催化生油氣階段（成熟階段）①范圍：Ro=0.5%～1.2%

溫度：60℃～180℃②機理：熱降解作用熱催化作用③產物：液態石油和伴生氣（石油伴生氣）生成的石油的特點：正烷烴奇碳優勢消失，環烷烴和芳香烴的碳數減少生油的主要階段巴黎盆地下托爾階頁巖II型干酪根演化的紅外光譜特征溫度作用為主，干酪根化學鍵斷裂支鏈從核上斷裂，主要為C-H、C=O鍵，形成烴類干酪根中脂肪鏈狀結構減少，芳香結構相對含量增加催化劑粘土礦物對有機組分具有不同的吸附性能脂肪酸、瀝青質、非烴集中在內部，烴類在外部，依次為芳香烴、環烷烴和正構烷烴隨埋深增加干酪根由不成熟到成熟，石油組成的變化（實例）與熱催化生油氣階段有關的幾個概念1.生油門限和成熟點（前面已講）2.生油窗“生油窗”：地下液態石油形成的深度范圍干酪根生液態石油的主要時期所對應的溫度范圍或深度范圍。從生油門限開始到基本停止形成液態石油為止

Ro=0.5%-1.2%3.石油窗地下液態石油賦存的范圍，即能夠保持液態的范圍。二、有機質演化的基本特征3.熱裂解生濕氣階段（高成熟階段）①范圍：Ro=1.2%～2.0%

溫度：180℃～250℃③機理：熱裂解作用，（C-C鍵的斷裂）②產物：凝析油和濕氣液態石油的裂解干酪根的裂解包括：熱裂解生濕氣作用包括：

干酪根裂解

液態油裂解石油裂解生濕氣具重要地位凝析油的特點地面條件下為密度較小的液態油，密度小于0.8（0.78)；在地層溫壓下溶于氣體，形成單一氣態（地下為氣藏）。成分相當于汽油，即35-190℃的餾分，由C6-C11構成主體在地下需要有大量小分子氣態烴同時存在，地表狀態氣油比不小于600-800m3/m3凝析油與石油相比，其含有的雜質要少的多，可不經加工直接用于內燃機的燃料。二、有機質演化的基本特征4.深部高溫生氣階段（過成熟階段）①范圍：Ro>2.0%

溫度：>250℃②機理：熱裂解、熱變質③產物：干氣、固體瀝青，次石墨二、有機質演化的基本特征小結：二、有機質演化的基本特征小結：濕氣、凝析油三、不同有機質生烴（模式）的差異性1.不同有機質各階段界限差異差別：生油門限生油高峰2、不同有機質生烴性質和數量的差異生液態烴的數量和油氣的總量I和II型均高于III型三、不同有機質生烴（模式）的差異性3、煤的生烴問題煤是由多種類型有機質（不同顯微組分）構成；生烴模式是其各組分的疊合結果，煤的類型不同，形成液態油和油氣總量就不同煤具有早期生油特點生油能力取決于其脂質組和基質鏡質體的含量三、不同有機質生烴（模式）的差異性四、生烴演化模式的意義預測盆地油氣資源的類型未熟-低熟油資源正常成熟油資源凝析油和天然氣資源干氣資源上述各種或幾種資源（1）不同盆地由于地質演化和地溫梯度的不同，達到各演化階段的溫度和深度可能有很大差異。五、應用有機質生烴模式的注意問題180Ma70Ma50Ma12Ma（2）一個盆地存在多套生油地層，其中干酪根可能分別處于不同的演化階段五、應用有機質生烴模式的注意問題15002500300040005000未成熟階段成熟階段高成熟階段過成熟階段深度井RO（3）受盆地升降影響，可能出現不同演化階段五、應用有機質生烴模式的注意問題基巖①對于只進入未成熟和成熟階段的盆地可以找到生物氣、未熟－低熟石油和正常的石油②在經過抬升的盆地中，可能只殘留了成熟度較高的層系，尋找凝析油氣和裂解干氣③抬升再埋藏的盆地中，可能缺失中間的演化階段2.01.3五、應用有機質生烴模式的注意問題（４）地層中的有機質在地質歷史上可能經歷了不同階段五、應用有機質生烴模式的注意問題（５）受盆地升降歷史影響，可能出現“二次生烴”過程二次生烴定義：干酪根在埋藏過程中，受到地層抬升和再沉降過程的影響，經歷了地層抬升干酪根生烴過程停止，而地層再次沉降干酪根再次生烴的現象發生二次生烴過程的條件：不同埋藏史與生烴過程地質年齡埋藏深度再次沉降作用的干酪根埋深（溫度）超過前期沉降時的埋深（溫度）再次沉降之前，干酪根曾經達到過生烴門限前期的生烴過程干酪根沒有全部轉化成油氣（６）在平面上，不同位置相同層位中的有機質可能處于不同演化階段；也可能經歷了不同的熱演化歷史

五、應用有機質生烴模式的注意問題生油門限深度a.同一構造單元內，埋藏深度/溫度不同b.不同構造單元，埋藏過程不同，埋藏深度/溫度經歷不同小結①巖層中的有機質在地質歷史上多經歷了不同熱演化階段③盆地不同部位同一層位的有機質可以處于不同的演化階段②同一盆地不同層位的有機質經歷的演化階段是不相同的④盆地有機質的演化特征決定盆地的油氣資源類型第五節天然氣成因類型及判識一、天然氣的生成特點1.生氣物質的多元性原始有機質:未成干酪根之前,細菌分解,沼氣各種類型的干酪根:I、II、III

煤：煤層瓦斯可溶有機質：熱解和裂解生氣液態烴：高溫裂解無機物質：比如CaCO3分解成CO2，

CO2細菌下還原成CH4第五節天然氣成因類型及判識2.成氣機理的多樣性：微生物生物化學作用(有機質分解、CO2還原）熱降解熱裂解無機化學反應：CaCO3分解成CO2

核反應3.成氣環境的廣泛性：地表環境、不同深度的地下環境、水體、地殼深部、太空4.天然氣和石油形成條件的對比第五節天然氣成因類型及判識二、天然氣的成因類型

分類原則：

②成氣作用的機理①成氣物質的來源(有機物\無機物?)1.無機成因氣2.有機成因氣3.混合成因氣無機成因氣宇宙氣、幔源氣、巖漿巖氣、變質巖氣、無機鹽類分解氣有機成因氣

熱成熟度母質類型未熟階段成熟階段過熟階段腐泥型天然氣（油型氣）生物氣腐泥型生物氣（油型生物氣）熱解氣油型熱解氣原油伴生氣裂解氣腐泥型裂解氣（油型裂解氣）凝析油伴生氣腐殖型天然氣（煤型氣）腐殖型生物氣（煤型生物氣）煤型熱解氣

成熟氣凝析油氣腐殖型裂解氣（煤型裂解氣）1.無機成因氣（inoganicgas）泛指各種環境下由無機物質形成的天然氣。(1)宇宙氣宇宙空間中放散性反應、核反應及化學反應生成的天然氣，以含He和H2為特征(2)巖漿巖氣巖漿噴發或侵入過程中由高溫化學作用形成的天然氣，以含CO2和H2為特征(3)變質巖氣變質過程中高溫作用形成的天然氣1.無機成因氣（inoganicgas）(4)無機鹽分解氣沉積巖中由無機鹽類的化學分解形成的氣體，以含CO2和H2S為特征(5)幔源氣指地幔或從地幔通過不同方式上升到沉積圈中的天然氣包括與火山噴發有關的天然氣，部分溫泉氣以及沿深大斷裂或轉換斷層上升的高溫氣或低溫氣2.有機成因氣（oganicgas）泛指沉積有機質所形成的天然氣，包括分散或集中有機質（煤、儲層中的油）形成的天然氣(1)按成氣物質的來源劃為分二個亞類①油型氣(oil-typegas)②煤型氣(coal-formedgas)由腐泥型母質，即Ⅰ型或Ⅱ1型干酪根形成的天然氣由腐殖型母質，即Ⅲ型或Ⅱ2型干酪形成的天然氣（2）按成氣機理或外營力作用劃分①生物成因氣（biogeneticgas）指有機質在未成熟階段(Ro<0.5%),在低溫條件下經厭氧細菌的生物化學作用形成的天然氣油型生物氣、煤型生物氣②熱降解氣（pyrolysisgas)有機質在成熟和高成熟階段經有機質的熱降解作用(包括一部分石油的熱裂解作用)形成的天然氣油型熱解氣：原油伴生氣、凝析油伴生氣煤型熱解氣③熱裂解氣（crackinggas）指過成熟階段(Ro>2.0%)由已形成的液態烴或殘余干酪根經高溫熱裂解作用形成的天然氣油型裂解氣煤型裂解氣3.混合成因氣（multi-geneticgas）：無機氣與有機氣的混合無機成因氣、生物成因氣、煤型氣、油型氣三、主要類型天然氣的基本特征1.無機成因氣(1)組成：CH4含量低，以非烴氣體為主，CO2常見(2)同位素：富集重碳同位素δ13C1>-30‰，絕大多數δ13C1>-20‰2.生物成因氣(1)組成：(2)同位素：CH4占絕對優勢，可高達98%，重烴含量低（<2%)，干燥系數高,干氣富集輕的碳同位素，δ13C1<-55‰富含有機質的開闊海沉積物微生物代謝作用的生化環境剖面圖(據Rice&Claypool,1981)地區或氣田儲層時代深度(m)C1(%)C2+(%)CO2(%)N2(%)δ13C1(‰)中國長江三角洲第四紀8～35.590.62～94.610.11～0.891.85～4.041.47～3.35-73.6青海柴達木澀北第四紀79.4～114198.940.09/0.97-66.4吉林紅崗白堊紀370～39093.630.210.442(包括H2S)5.63-56.3俄羅斯烏連戈伊白堊紀1117～112898.500.100.211.10-59.0俄羅斯麥德維熱白堊紀1122～113298.600.360.220.73-58.3美國基奈上新-中新世112899.700.18//-57.0美國庫克灣北上新-中新世128098.700.230.1340.9-60.7世界部分地區生物化學氣的組成(據包茨,1984)3.油型氣概念:指Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根進入成熟階段以后所形成的天然氣包括:生油過程形成的濕氣、高成熟和過成熟階段由干酪根和液態石油裂解形成的凝析油伴生氣和裂解干氣分類:原油伴生氣和凝析油伴生氣、裂解氣（過成熟階段生成的氣）

油田或油區天然氣組成主要參數δ13C1

(‰,PDB)CH4重烴氣C1/C2+C1/∑C大慶油田(石油伴生氣)53.9～95.612.64～38.511.40～36.220.58～0.975-37.72～-49.97東濮凹陷(凝析油伴生氣)71.04～87.4310.63～26.913.21～20.30.75～0.96-38.9～-45.1板橋凝析氣田82.8816.295.420.844川東相國寺氣田(熱裂解干氣)98.150.89110.30.991-33.55（1）原油伴生氣和凝析油伴生氣組成：重烴氣含量高，一般超過5%，有時可達20%～50%原油伴生氣：δ13C1=-55‰～-45‰凝析油伴生氣：δ13C1=-50‰～-40‰碳同位素：δ13C1=-55‰～-40‰（2）裂解氣（過成熟階段生成的氣）碳同位素：δ13C1=-40‰～-35‰組成：以CH4為主（干氣），重烴氣<2%4.煤型氣概念:指腐殖型有機質（Ⅱ2型、III型干酪根和煤）進入成熟階段以后所形成的天然氣煤層氣：指主要以吸附狀態存在于煤層中的煤型氣組成：甲烷CH4含量較高，重烴氣含量較低，一般<20%碳同位素：δ13C1=-42‰～-25‰，多數大于-35‰氣田名稱

產層時代

氣源層時代天然氣組成(%)δ13C資料來源C1C2+N2CO2(‰,)格羅寧根拉策爾達盧姆P1P1P1C2C2C281.289.986.063.486.100.4414.40.87-36.6-29.2-22.0～-25.4Stahl，1977圣胡安KK-42.0轉引自Stahl,1983庫珀盆地圖拉奇9號木姆巴9號P1P1P1P166.0271.760.6711.6233.2714.40-28.8-36.3Rigby,1981東濮文留22井E2C-P96.352.35-27.9朱家蔚等，1983陜甘寧劉慶1井任4井P1xP1xC-P95.092.520.646.974.130.490.01-30.47王少昌，1983

四川中壩4井四川中壩7井T3XT3XT3XT3X90.887.338.2012.230.170.410.400.03-34.8-35.9～-36.0陳文正,1982國內外若干煤型氣組成特點第五節天然氣成因類型及判識三、不同成因類型天然氣的鑒別1.有機氣與無機氣的鑒別無機氣的特點：富含重碳同位素13CCH4含量低，以CO2為主(2)除一些高過成熟的煤型氣外，

δ13C1>-30‰的CH4均為無機甲烷(1)δ13C1>-10‰的CH4均是無機甲烷無機氣的碳同位素值δ13C1最大，δ13C1>-30‰生物氣的碳同位素值δ13C1最小，δ13C1<55‰油型氣和煤型氣的值δ13C1介于中間(2)除一些高過成熟的煤型氣外，

δ13C1>-30‰的CH4均為無機甲烷(1)δ13C1>-10‰的CH4均是無機甲烷1.有機氣與無機氣的鑒別δ13C1>-30‰的煤型氣:如何排除這一部分δ13C1>-30‰的煤型氣①地質分析法：煤型氣與煤系伴生，無機氣產于地熱區②δ13C1-CH4含量圖解法：CH4>35%通常為煤型氣CH4<16%通常為無機氣(3)有機氣的烷烴碳同位素系列隨碳數增加而變重，無機氣則相反有機烷烴氣：δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4無機烷烴氣：δ13C1>δ13C2>δ13C3東海天外天構造天1井無機氣δ13C1=-17‰；δ13C2=-22‰：δ13C3=-29‰（4）無機成因氣的δ13CCO2〉-10‰我國有機與無機成因天然氣的二氧化碳碳同位素我國有機與無機成因天然氣的二氧化碳碳同位素2.生物氣與油型氣的鑒別（1）生物氣δ13C1<-55‰（2）生物氣CH4含量高，干氣（3）生物氣不與油共生，伴生氣與油共生。3.油型氣與煤型氣的鑒別（1）δ13C1-Ro關系Stahl的回歸公式煤型氣：δ13C1=14lgRo-28油型氣：δ13C1=17lgRo-42①不論油型氣，還是煤型氣，其δ13C1均隨源巖Ro值的增大而增大，即天然氣的成熟度越高，越富集重的碳同位素②在相同的源巖熱演化程度下，煤型氣的δ13C1值較油型氣的δ13C1值大，即煤型氣較油型氣更富集重碳同位素戴金星(1985)油型氣：δ13C1=15.8lgRo-42.0煤型氣：δ13C1=14.12lgRo-34.39主要類型天然氣的組成和碳同位素特征4.天然氣成因類型鑒別圖版(1)δ13C1-δ13Cco2分類圖版（據ГуцаΛо，1981）第Ｉ區:無機成因氣區第II區:生物化學氣區第III區:有機質熱裂解氣區4.天然氣成因類型鑒別圖版(2)δ13C1-RO分類圖版Stahl的回歸公式煤型氣：δ13C1=14lgRo-28油型氣：δ13C1=17lgRo-42戴金星(1985)油型氣：δ13C1=15.8lgRo-42.0煤型氣：δ13C1=14.12lgRo-34.394.天然氣成因類型鑒別圖版(3)δ13C1-C1/C2+3分類圖版生物氣原油伴生氣油型裂解氣無機氣無機氣和煤成氣煤成氣凝析油伴生氣和煤成氣油型裂解氣和生物氣δ13C1,‰C1/C2+3第六節烴源巖一、烴源巖（sourcerock）的概念：①烴源巖（sourcerock）：富含有機質,在地質歷史時期或正在生成油氣，并能排出油氣的巖石稱為烴源巖。（油源巖，氣源巖）②烴源層或源巖層（sourcebed）：由烴源巖組成的地層稱為烴源層③源巖層系：在一定地質時期內，具有相同巖性－巖相特征的若干烴源層與其間非烴源層的組合稱為源巖層系。第六節烴源巖二、烴源巖類型和地質特征1．烴源巖的類型和巖性一般巖性特征：粒細、色暗、富含有機質和微體古生物化石、常含分散狀的黃鐵礦(1)粘土巖類烴源巖的泥巖和頁巖灰黑、深灰、灰及灰綠色暗色松遼盆地白堊系、渤海灣盆下第三系(2)碳酸鹽巖類烴源巖灰黑色、深灰色、褐灰色、灰色石灰巖，生物灰巖，泥灰巖，常含泥質成分四川盆地、華南、塔里木、波斯灣盆地侏羅系(3)煤系烴源巖煤和煤系地層中的暗色泥巖,特殊的煤（富含富氫顯微組分的煤）也可以生油煤系可以生氣吐哈盆地侏羅系2.烴源巖的巖相特征淺海相三角洲相深水-半深水湖相沼澤相3.烴源巖形成的大地構造背景長期穩定持續沉降的大地構造環境欠補償型盆地：沉降速率>>沉積速率超補償型盆地：沉降速率<<沉積速率補償型盆地：沉降速率≈沉積速率只有補償型盆地有利于烴源巖的形成三、烴源巖的地球化學特征烴源巖地球化學特征：有機質豐度、類型、成熟度1.有機質豐度（organicmatterabundance）常用于表示豐度的參數：有機碳含量氯仿瀝青“A”含量，抽提物中總烴含量巖石的生烴潛力（1）有機碳含量(TOC)(TotalOrganicCarbonContent）總有機碳含量：干酪根中的有機碳加上可溶有機質中的碳；剩余有機碳含量：巖石中殘留的有機碳的含量有機碳含量與有機質含量之間的關系:1.22倍單位：%，占巖石的重量百分比(H.M.Gehmen,1962)不同巖性中的有機碳含量不同泥巖平均：1.14%（Gehmen，1962)；1.2％(Hunt,1961)碳酸鹽巖：0.24%（Gehmen，1962)；0.17％(Hunt,1961)為什么泥巖的有機碳含量高于石灰巖的有機碳的含量？①泥質烴源巖評價標準等級TOC(%)非烴源巖<0.5差烴源巖0.5-1.0中等烴源巖1.0-2.0好烴源巖>2.0渤海灣盆地的沙三段(下第三系漸新統)：1-3%松遼盆地青山口組，嫩江組(下白堊系)：2.2%-2.4%蘇北盆地阜寧組四段，二段(第三系漸新統)：1.2%-1.6%泌陽凹陷核桃園組(下第三系)1.66%②碳酸鹽巖烴源巖評價標準碳酸鹽巖的有機碳平均含量比泥巖低得多一般，碳酸鹽巖作為油源巖：TOC>0.5%

碳酸鹽巖作為氣源巖：(TOC>0.2%)有機碳含量評價標準咸湖-半咸化環境可降低評價標準注意：烴源巖中的有機碳分布（縱向、橫向）存在非均質性②碳酸鹽層系中，泥灰巖、泥質灰巖、灰巖中的泥質條帶，縫合線中有機碳豐度相對較高③有機碳含量平面上有變化①頁巖韻律層(季節變化、水提深度變化）影響有機質豐度滿東1英南2（2）氯仿瀝青“A”含量和總烴含量氯仿瀝青“A”：用氯仿從巖石中抽提（溶解）出來的有機質，即可溶有機質總烴：氯仿瀝青“A”中的飽和烴和芳香烴組分等級“A”(%)總烴(ppm)非烴源巖<0.01<100差烴源巖0.01-0.05100-200中等烴源巖0.05-0.1200-500好烴源巖>0.1>500烴源巖評價標準(3)巖石熱解生烴潛量P1峰：熱解溫度小于300℃時出現的峰，S1。巖石中的殘留烴。單位：kg（烴）/t（巖石）P2峰：熱解溫度在300-500℃時出現的峰，S2。巖石中的干酪根在熱解過程中生成的烴。單位：kg（烴）/t（巖石）P3峰：S3，熱解過程中生成的CO2生烴潛量：Pg=S1+S2等級TOC(%)“A”(%)總烴(ppm)Pg(kg/t)非烴源巖<0.5<0.01<100<0.5差烴源巖0.5-1.00.01-0.05100-2000.5-2.0中等烴源巖1.0-2.00.05-0.1200-5002.0-6.0好烴源巖>2.0>0.1>500>6.0泥巖源巖的巖石熱解評價標準生烴潛量？渤海灣盆地的沙三段(下第三系漸新統)：1-3%松遼盆地青山口組，嫩江組(下白堊系)：2.2%-2.4%蘇北盆地阜寧組四段，二段(第三系漸新統)：1.2%-1.6%泌陽凹陷核桃園組(下第三系)1.66%三、烴源巖的地球化學特征烴源巖地球化學特征：有機質豐度、類型、成熟度2.有機質類型(1)干酪根方面①元素分析方法（已講）②顯微組分分析方法（已講）可從干酪根、烴源巖兩個方面③巖石熱解方法（2）源巖方面(3)巖石熱解方法烴指數：IHC=S1/TOC氫指數：IH=S2/TOC氧指數：IO=S3/TOC3.有機質的成熟度（maturityoforganicmatter）（1）運用鏡質體反射率研究源巖成熟度研究途徑：不溶有機質（干酪根）可溶有機質（抽提物）烴源巖（2）依據可溶有機質的組成研究源巖成熟度可抽提有機質的數量“A”/TOC、“HC”/TOC正構烷烴分布OEP、CPI、主峰碳、C21-/C22+生物標志化合物主要包括三個方面的參數①可抽提有機質的數量

“A”/TOC、“HC”/TOC②正烷烴分布特征（低演化程度）奇數碳優勢鋸齒狀主峰碳偏大碳數（高演化程度）奇偶碳均勢平滑狀分布主峰碳偏輕碳數奇偶優勢比（Odd-EvenPredominance）③正烷烴奇偶優勢參數碳優勢指數（CarbonPreferenceIndex）C24到C34的奇數碳烴類與偶數碳烴類的含量進行比值計算主峰碳前后（連同主峰碳）相鄰的5個正烷烴奇數碳與偶數碳烴含量的比值CPIOEP近代沉積物5.5-2.45.5-2.5古代沉積巖2.4-0.92.5-1.0原油1.2-0.9<1.2烴源巖成熟的CPI和OEP標準烴源巖可溶有機質的CPI或OEP值小于1.2不同演化程度烴源巖抽提物與原油的比較④甾烷、萜烷異構化比值甾族化合物是由三個六員環和一個五員環組成的四個環的化合物萜烷是有環異戊間二烯型的化合物最常見的是三萜烷和五萜烷C29甾烷：20S構型20R構型C31藿烷：22R構型22S構型異構體：構型構型三萜環烷烴(C31藿烷）C29甾烷（生物構型）（地質構型）隨演化程度增加向地質構型改變只能用于區分未熟、低熟到成熟，不能用于判別高成熟或過成熟情況C29甾烷：C31藿烷：00.70(Ro=1.0%)00.55(Ro=0.8%)00.6(Ro=0.65%)甾、萜烷異構化成熟度指標加利福尼亞SantaMaria近海盆地油樣中C29甾烷不對稱中心的異構化作用的成熟度參數（K.E.Peters和J.M.Moldowan，1993）(3)巖石熱解最高峰溫(Tmax)（℃）巖石熱解譜溫度（4）TTI指數（Time-TemperatureIndex）油氣生成階段的TTI值與鏡質體反射率對比（據D.W.Waples，1985）TTIRo%

階段10.40樹脂體生成凝析油30.50高硫干酪根生烴門651.001.302.00生油早期生油高峰生油晚期凝析氣-濕氣干氣第七節油源對比油氣源對比:通過原油及天然氣與可能源巖之間有機母源輸入成分的親緣關系進行對比分析，判識和追溯石油和天然氣的可能來源,搞清油氣的來龍去脈.同源:

同一層位、同一洼陷同源不同期:

同一層位、同一洼陷、不同時期形成不同源:

不同位置同一層位同一位置不同層位不同位置不同層位一、油源對比1.油氣源對比原理（相似性原則）①來自同一源巖的油氣在化學組成上具有相似性②烴源巖所形成的油氣無論運移或儲存在哪里，其化學組成具有可比性；油氣存在與其母質有成生聯系的生物標志分子。油源巖油“A”油油油氣2．油源對比參數的選擇(1)油源對比指標選擇的原則：①在烴源巖與石油中并存；②受運移、熱變質作用影響較小或有規律可尋(2)常用的油源對比指標正構烷烴分布異戊間二稀烷烴甾、萜烷化合物碳同位素正構烷烴分布C18C16C14C12C10C8C20C22C24PhPr飽和烴氣相色譜圖4883.7~5128.8mP1-P2氣相色譜將正構烷烴分離正烷烴分布曲線：將相對含量頂點連成一條曲線。time

◆氣相色譜可對混合物進行多組分分離和定性、定量分析。◆色譜圖是樣品在檢測器上產生的信號對時間所