第2章 石油地质学.doc

优质文本第二章 现代油气成因理论提要：油气成因问题是石油地质学的三大核心问题之一，是研究油气藏形成及分布规律的根底。本章在简介油气无机生成及有机生成两大学派的开展概况及新进展后，系统阐述了现代油气成因理论：油气生成的物质根底、地质环境及物理化学条件、有机质演化阶段及成烃模式、天然气类型及其识别、生油层地质地球化学研究及油气源比照等。尤其对温度时间作用、未熟低熟油、煤成烃、天然气成因类型等国内外新进展做了重点讨论。 石油地质学的主要研究对象包括油气成因、油气藏形成和油气分布规律三大课题，三者之间有着密切的联系。地壳上生成的石油和天然气是形成油气藏的物质根底，掌握了油气生成及其以后的活动规律，进而认识油气藏的形成及分布规律，才能正确地指出找油方向，有效地部署油气勘探工作。所以，正确解决油气成因问题有着重要的理论意义和实际意义。 同时，油气的生成不能脱离周围的自然环境，无论是自然界的各种有机物和无机物，或是所处的物理、化学、生物及地质的条件，都对油气的生成起着重要作用。因此，油气成因问题不能脱离其他学科孤立地研究， 本章拟根据这种观点，介绍生成油气的物质根底，地质环境和物理化学条件，说明现代油气生成理论，总结了油气成因现代模式。此外还对天然气成因类型及油气无机生成假说作了简略概括。第1节 油气成因理论开展概况 石油和天然气的成因问题，是石油地质学界的主要研究对象之一，也是自然科学领域中争论最剧烈的一个重大研究课题。解决了这个问题也有助于提高人们对客观世界的正确认识。多年来，这一问题一直吸引着国内外地质学家、生物化学家和地球化学家。 人类对石油和天然气成因的认识，是在整个自然科学迅速开展的推动下，在油气勘探和开发实践过程中逐步加深的。由于石油、天然气的化学成分比拟复杂，又是流体，现在找到油气藏的地方往往不是油气生成的地方，这就为研究油气成因问题带来了许多复杂性。因此，长期以来，关于油气成因问题，在原始物质、客观环境及转化条件等方面，都有过许多剧烈的争论。 十八世纪七十年代以来，对油气成因问题的认识，根本上可归纳为无机生成和有机生成两大学派。前者认为石油及天然气是在地下深处高温、高压条件下由无机物变成的；后者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。当时，实验室研究成果对两大学派都起了很大作用，人们模拟实际地质情况开展实验室研究，根据各自获得烃类的各种化学反响，结合油气勘探和开采中所取得的资料进行地质推论，产生了各种假说。但是，一个能被公认的石油成因学说，必须以自然界的普遍现象为根底，能够解释并预测地壳上油气生成和分布的客观规律，指导人们的实际勘探工作。 在石油工业开展早期，人们从纯化学角度出发，认为石油是无机成因的。早期的油气无机成因理论归纳起来有以下几种： 1碳化物说 由俄国著名化学家门捷列夫于1876年提出。他认为在地球内部水及重金属碳化物相互作用，可以产生碳氢化合物： 3FemCn+4mH2OmFe3O4+C3nH8m 地球形成时期，温度很高，使碳和铁变为液态，互相作用而形成碳化铁。由于它们比重较大，保存在地球深处。后来，地表水沿地壳裂隙向下渗透，及碳化铁作用产生碳氢化合物，后者又沿着裂隙上升到地壳的冷却局部。有些碳氢化合物浸透了岩石，形成油页岩、藻煤及其他含沥青岩石；有些碳氢化合物在地表附近受到氧化，形成地沥青等产物；如果碳氢化合物上升到地壳比拟冷却的局部，冷凝下来形成石油，并在孔隙性岩层中聚集便可形成油藏。 2宇宙说 由俄国学者索可洛夫于1889年10月3日在莫斯科自然科学研究者协会年会上首次提出的。宇宙说主张在地球呈熔融状态时，碳氢化合物就包含在它的气圈中；随着地球冷凝，碳氢化合物被冷凝岩浆吸收，最后，它们凝结于地壳中而成石油。宇宙说的根本论点为：1 在天体中碳和氢的储量很大，因此同样可以假设这些元素在地球上也很丰富；2 由碳、氢合成碳氢化合物是出现在天体开展的早期阶段，例如在温度1000时，甲烷可按以下方式生成：CO+3H2=CH4+H2O CO2+4H2=CH4+2H2O3 同其他天体一样，地球上形成的碳氢化合物后来为岩浆所吸收；4 当岩浆进一步冷却和紧缩时，包含在其中的碳氢化合物就沿断裂或裂隙别离出来。 由于碳化物说和宇宙说所依据的由无机物制成简单碳氢化合物的实验，至今未找到任何实地证据说明在自然界也发生过这样的过程，相反却找到越来越多的有机生成证据。所以，二十世纪以来，上述古典的石油无机生成假说逐渐被人们忘记了，但是，至二十世纪五十年代，前苏联地质界又兴起了无机生成思潮。 3岩浆说 1949年10月3日，在发表宇宙说六十周年纪念日的同一讲坛上，前苏联学者H.A.库得梁采夫提出了石油起源岩浆说，并且强调要发扬几乎被遗忘了的宇宙说。于是，又引起了石油成因两大学派的剧烈论争47。 库得梁采夫首先提到在许多天体上存在碳氢化合物、泥火山重复喷发、在所谓生油岩之下的岩浆岩和变质岩中形成和存在油气藏、等都是无机生成说的论据。他认为石油的生成是同基性岩浆冷却时碳氢化合物的合成有关。这个过程是在高压条件下完成的，因而可以促使不饱和碳氢化合物聚合而成饱和碳氢化合物。 他还指出：因为岩浆中形成石油的过程在不断进行着，古老的油气通过扩散作用早已逸散消失，所以，所有的油藏，包括寒武系中的油藏，都是年青的油藏。并且，依靠石油才在地球上产生了生物，石油中含有生物所需要的一切化学元素，因此，石油不是来自有机物质，恰好相反，有机物质却是来源于石油。 4高温生成说 切卡留克，1971根据合成金刚石的实验，用装满矿物混合物方解石、石英、六水泻盐等代替石墨反响器，在高压60007000MPa和高温1800oK下，几分钟后由反响器中别离出易挥发组分，包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷及少许庚烷。从而认为在深约150公里的上地幔古顿堡()层内，在温度超过1500oK、压力5000MPa下，由于有pH及Fe3O4的参及，H2O及CO2复原而成烃类。在强烈褶皱作用时，深部石油进入地壳沉积岩，并由低分子烃转化为高分子烃及环状烃125。 5蛇纹石化生油说 耶兰斯基.，1966，1971根据某些油田发现在蛇纹岩及强烈蛇纹岩化的橄榄岩中，例如前苏联伏尔加-乌拉尔油区的巴依土冈和丘波夫油田。提出橄榄石的蛇纹石化作用可以产生烃类125： 3Fe,Mg2·SiO4+7H2O+SiO2+3CO2 =2Mg3OH4·Si2O5+3Fe2O3+C3H6+Q(热) 橄榄石的蛇纹石化作用是发生在埋深2240km的地壳玄武岩层底，橄榄岩同1222km深处的深水圈层接触的结果。这种接触发生在地壳深坳陷，由于延伸扩张、裂开，水沿萌芽状态的断裂进入橄榄岩发育带，生成烃类又沿着断裂而进入沉积岩。 但是，世界油气勘探及开采的大量生产实践和近代科学技术对生油气岩的研究，证明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，富有成效地指导世界油气勘探实践的，仍然是现代石油有机生成学说。 随着油气勘探的深入，人们对油气成因的认识也随之开展。总结两百多年来世界油气勘探及开采的经验，结合近代科学技术在油气地质领域的研究成果，在解决油气成因问题时，必须正视以下客观事实： (1)世界上已经发现的油气田99.9%都分布在沉积岩中。无论是在海相沉积盆地，还是在陆相沉积盆地中，都发现了大油气田。而在及沉积岩无关的地盾和巨大结晶基岩突起发育区，没有找到油气聚集，例如加拿大、阿非利加、澳大利亚等地盾本部。 2从前寒武纪至第四纪更新世的各时代岩层中都找到了石油。如在我国河北省任丘市中、上元古界雾迷山组白云岩中发现了高产油田；委内瑞拉东部夸仑夸尔油田和美国加利福尼亚州夏陆油田都从上新-更新统岩层中找到了工业油藏。但是，石油和天然气在地质时代上的分布很不均衡，这及沉积岩中有机质的分布状况相吻合，并且同煤、油页岩等可燃有机矿产的时代分布也有一定关系。 3世界上既没有化学成分完全相同的两种石油，也没有成分完全不同的石油。石油是由多种碳氢化合物组成的非常复杂的混合物。较老的古生代石油多为烷烃类，而年轻的第三纪石油成分那么以环烷烃类为主；但是，大多数石油的化学组成十分相似，按重量计算，含碳8088%、含氢1014%，C/H比值在5.98.5之间。所以，石油的相似性是主要的，这正好说明它们的成因可能大致相同，而它们在成分上的差异性那么可能同原始生油物质和生成环境的不尽相同以及油气生成后的经历变化有关。 4光谱分析证明，中、新生代的石油灰分以氧化铁为主低于70%，古生代的石油灰分那么主要含氧化钒和氧化镍低于6080%。将石油灰分及岩石圈比拟，大大富集了几种元素： 钒2000倍 铜50倍 镍1000倍 钴30倍 甚至还富集了铅、锡、锌、银等元素。而在石油及煤的灰分比照中，发现沉积岩的根本元素富集系数都在15以下，但是，钒、镍、铜、钴、铅、锡、锌、钡、银等稀有元素的富集系数却都超过101000；这个吻合现象可能正是由于煤和石油都是有机生成的结果。 5从大量油田测试结果可知：油层温度很少超过100，有些深部油层温度可以高达141。在所有石油中，轻质芳香烃含量二甲苯>甲苯>苯，而当温度增加到700时，就会急剧发生逆向变化；此外，石油中所含卟啉化合物、石油旋光性，以及环己烷、环戊烷及其同系物之间存在的一定关系，都证明石油是在低温条件下生成的。 6由前述上新世至更新世地层中发现工业油藏，说明生成石油并聚集成油藏所需的时间，大约不到一百万年。在委内瑞拉东部佩德纳尔斯，有一个厚约6m的砂层被封闭在约61m厚的帕里亚粘土层中，其中所含烃类浓度比周围的粘土层或连到地面的砂岩高出4倍。用C14测定整个帕里亚层的沉积不到1万年，而所封闭的砂层沉积只有5000年左右。在砂层中平均含烃浓度约为150ppm，减去整个地层平均含烃量25ppm，剩下的125ppm就是在砂层沉积后聚集起来的；换言之，平均每年增加0.025ppm。依此类推，只要一百万年就可聚集成一个丰富的油田了。 7我国石油地质工作者对青海湖及洞庭湖，美国P.V史密斯对墨西哥湾，G.T.菲利波对加利福尼亚滨外大陆架。前苏联B.B.维别尔和A.高尔斯卡娅对里海、黑海及谢万湖的近代沉积物进行研究，这些研究成果说明，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。这也为油气有机成因学说提供有力的科学依据。 上述重要事实的存在，大大促进了石油有机生成理论的开展；特别是近代物理学、化学、生物学及地质学等根底理论科学领域的辉煌成就，色谱、光谱、质谱、电子显微镜和同位素分析等先进技术的广泛采用，为应用有机地球化学知识来解决油气成因问题创造了良好条件，不仅对古代沉积岩中生油岩的鉴别提供了科学根据，而且推动了对近代沉积中烃类生成过程的研究，“将今论古，使石油有机生成的现代科学理论日趋完善。 在油气勘探初期，石油大局部发现于海相沉积岩中，使得不少石油地质学家认为只有海相沉积才能生成油气，因此，在石油有机生成学说中，曾经长期受“唯海相生油论控制。但是，自本世纪三十年代以来，随着各国油气勘探事业的进展，特别是我国陆相沉积盆地油气生成、油气藏形成及分布规律的科学研究及勘探实践，有力地支持了陆相地层同样能够生成大量石油和天然气的观点，国外石油地质学家也注意到陆相地层生油问题。早在1941年，我国石油地质学家潘钟祥发表了有关陕西、四川等地陆相生油的论文，论证了这些盆地有的石油来自陆相地层。在五六十年代，我国相继在西北和东部中、新生代陆相盆地中发现了大量油田，甚至有大油田，如大庆油田。事实说明陆相地层不仅可以生油，而且可以生成大量的石油。随后，国内外学者对大量湖相沉积的研究都证明了湖相沉积物同样含有大量的生油母质，并具备使有机质向油气转化的条件，从而为陆相生油学说提供了有力的佐证。 在油气有机生成学说中，存在着早期生油说及晚期生油说两种观点。前者主张沉积物所含原始有机质在成岩过程中逐步转化为石油和天然气，并运移到邻近的储集层中去，后者认为沉积物埋藏到较大深度，到了成岩作用晚期或后生作用初期，沉积岩中的不溶有机质即干酪根到达成熟，热降裂解生成大量液态石油和天然气。70年代初，法国著名地球化学家Tissot等综合归纳前人的研究成果，建立了干酪根热降解生烃演化模式，提出并完善了干酪根晚期生烃学说，揭示了油气形成、演化及分布规律，这些新进展完善了油气有机生成学说122。但是，原始有机质从沉积、埋藏到转化为石油和天然气，是一个逐渐演化的过程，不能由于晚期生油说的卓越奉献而完全排斥早期生油的可能性。在干酪根晚期生烃理论广泛为国际石油界所接受的同时，在世界上许多国家的油气勘探实践中，不断发现有“未低成熟石油的存在，即在根本不具备成熟烃源岩的地区发现了石油，甚至在发育“未低成熟烃源岩的地区，已探明的石油储量超过成熟烃源岩的可能生油量4。这说明自然界中确实还存在相当数量的各类早期生成的非常规油气资源。这一理论的形成无疑将进一步充实及完善油气成因理论，促使油气资源评价技术方法的改良和开展，拓宽油气勘探领域。因而宜将两种观点统一起来，把原始有机质生成石油和天然气视为一个统一的开展演化过程。 近年来石油有机成因理论的又一进展是煤成烃理论的开展及完善。人们早就发现，煤和煤系地层能够生成大量天然气并聚集成藏，但长期以来，人们认为成煤环境不利于生油。六十年代以来，在世界各地相继发现了一批及中、新生代煤系地层有关的油气田，这说明，煤系地层不仅是世界上天然气的主要来源，而且也能形成相当数量的石油聚集和大油田。近年来，煤成油研究和勘探已经引起国内外学者的关注，八十年代以来，人们通过有机岩石学及地球化学相结合的方法和实验模拟对煤成油问题进行了深入的理论探讨，提出了煤系地层有机质生烃机理和有机质演化模式64、66、67。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，但并不能由此否认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，板块构造理论的开展和应用，以及同位素地球化学研究的深入，为油气无机成因理论提供了理论依据，出现了地幔脱气说，费托合成说等新假说，值得注意34。总之，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及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、定量确定生油层及其生成数量和排烃效率等问题。相信会随着现代科学技术和实验手段的开展，必将使油气成因理论的科学研究更加完善，油气无机生成和有机生成理论的开展，将会对世界油气勘探事业做出更大的奉献。 第2节 生成油气的物质根底一、生油气母质及其化学组成 根据油气有机成因理论，生物体是生成油气的最初来源，生物死亡后的残体经沉积作用埋藏于水下的沉积物中，经过一定的生物化学、物理化学变化形成石油和天然气。其中细菌、浮游植物、浮游动物和高等植物是沉积物中有机质的主要供给者。在不同沉积环境中不同类别生物体的天然组合，决定了沉积物中有机质的组成和类型。生成油气的沉积有机质主要由类脂化合物、蛋白质、碳水化合物以及木质素等生物化学聚合物组成，它们都具有比拟复杂的化学结构图2-1。下面简要介绍这些化合物的组成和分布特征。图2-1 假设干生物化学聚合物的结构示意图据A,Y,Huc,1980 1脂类 又称类脂化合物，是生物体在维持其生命活动中不可缺少的物质之一。主要包括一些化学结构及油脂不同，但物态和物理性质及其相似的化合物，如磷脂、甾类和萜类等。它们尽管化学组成千差万别，但却具有共同的特性，即不溶于水而溶于低极性的有机溶剂。动植物中的油脂是最重要的脂类，油脂大量分布于动物皮下组织、植物的孢子、种子及果实中。细菌和藻类也含有丰富的脂类。此外，还有角质、孢粉质等，它们存在于高等植物中。 2蛋白质 蛋白质是生物体中一切组织的根本组成局部，是生物体赖以生存的物质根底。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。据统计，地球外表每年合成的有机质中蛋白质占1/31/4。但在沉积岩中却很少发现完整的蛋白质，这是由于蛋白质是一种性质不稳定的有机化合物，在酸、碱或酶的作用下，发生水解形成氨基酸而被破坏。 3碳水化合物 碳水化合物又称醣类，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、微生物体都含有碳水化合物，其中在植物中含量最多。碳水化合物的元素组成为碳、氢和氧。碳水化合物按其水解产物可分为单醣、双醣和多醣。多醣是天然高分子化合物，在自然界分布很广，一般不溶于水，个别能在水中形成胶体溶液。植物中的纤维素、淀粉、树胶，动物体内的糖原，昆虫的甲壳等都是由多醣构成。多醣中对沉积有机质最有意义的是纤维素。通常，纤维素、半纤维素和木质素总是同时存在于植物的细胞壁中，构成植物支撑组织的根底。在藻类、放射虫等低等水生生物中没有或很少有纤维素，但有类似的藻酸、果胶等。 4木质素和丹宁 木质素和丹宁都具有芳香结构的特征。木质素是植物细胞壁的主要成分，在高等植物中可由芳香醇脱水缩合而成。木质素的性质十分稳定，不易水解，但可被氧化成芳香酸和脂肪酸，在缺氧水体中，在水和微生物的作用下，木质素分解，可及其它化合物生成腐殖质。 丹宁的组织和特征介于木质素及纤维素之间，主要出现在高等植物中。此外，还有一系列酚类和芳香酸及其衍生物广泛分布在植物中。它们是沉积有机质中芳香结构的主要来源，也是成煤的重要有机组分。二、沉积有机质 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。据Welte 和Tissot122，在海洋或湖盆沉积环境中浮游生物是沉积物中有机质的主要来源，但在一些浅水地区，因为植物的光合作用提供了足够的阳光，其有机质的主要来源是水底植物。在上述两种情况下，对死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。在某些沉积物中，尤其是那些沉积在滨海、三角洲或湖泊的沉积物中，以孢子、花粉及其它植物碎片为代表的，由陆地搬运来的外来有机质，可能是沉积有机质的另一个重要来源。 来源于生物体的有机质在埋藏之前，多分布在沉积物上方的水体中。在地表条件下，有机质是不稳定的，必须在一定的条件下才能得以保存。首先要求有缺氧的水体，它可以使吸附在矿物颗粒外表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，此外水体的分层作用也有利于有机质的保存；第三，在沉积作用中，沉积颗粒的沉积速度对有机质的保存起着关键性的作用。在有机质供给量一定的情况下，有机质在沉积物中的浓度及矿物颗粒的沉积速度成反比。当然这种关系还受到其它许多因素的影响。有机质化学组成也是影响沉积有机质形成的重要因素。有机质中的类脂化合物是沉积有机质的重要母质，比起非类脂物质，它们在沉积物中更容易得到保存。大局部类脂化合物是不溶于水的，而大局部非类脂化合物，即碳水化合物、蛋白质以及它们的衍生物，都是可溶于水或是可以水解的物质。此外很多有机质中高度巩固的局部，如细胞膜、表皮、蜡质层、孢子、花粉及木栓质体等都富含似类脂物质，它们更多地残存于颗粒有机质中，而在溶解有机质中较少。 总之，在能够充分供给有机质、适宜的静水环境以及具有中等沉积速度的细粒矿物颗粒的沉积物中最有利于沉积有机质的形成和保存。三、干酪根 石油及天然气来源于沉积有机质。早在古生代以前，地球上就出现了生物，随着地质历史的进展，生物广泛地发育和繁衍起来，现在地球上动物、植物种类繁多，数量很大，化学成分异常复杂。但是，大量动物、植物死亡后，多遭氧化破坏，对生成石油及天然气的原始物质而言，仍以沉积岩中的分散有机质为主。沉积物岩中的沉积有机质经历了复杂的生物化学及化学变化，通过腐泥化及腐殖化过程形成干酪根，成为生成大量石油及天然气的先躯。一干酪根的定义和形成 干酪根(Kerogen)一词最初是被用来描述苏格兰油页岩中的有机质，经蒸馏后能产出似蜡质的粘稠石油。后来被引用泛指现代沉积物和古代沉积岩中不溶于一般有机溶剂的沉积有机质。1979年，亨特将干酪根定义为沉积岩中所有不溶于非氧化性的酸 、硷和非极性有机溶剂的分散有机质。这一概念已逐渐被石油地质界和地球化学界所接受。及其相对应，岩石中可溶于有机溶剂的局部，称为沥青(Bitumen)。常用的有机溶剂如氯仿、苯、甲醇-苯等皆为非极性化合物，并且是在温度80以下进行抽提。 干酪根的形成实际上在生物体衰老期间就已开始(图2-2)，这时有机组织开始发生化学图2-2 沉积物和沉积岩中有机质的转化(据D.W.修改)及生物降解和转化124，结构规那么的大分子生物聚合物(如蛋白质、碳水化合物等 )局部或完全被分解，形成一些单体分子，它们或遭破坏，或构成新的地质聚合物，这是通过腐泥化或腐殖化作用的产物，是一些结构不规那么的大分子。这些地质聚合物是干酪根的前驱，但还不是真正的干酪根。在沉积物的成岩作用过程中，地质聚合物变得更大、更复杂、结构欠规那么；至埋藏到数十或数百米后，具很大分子量的干酪根才真正发育起来。 成岩作用可使H2O、CO2和NH3从地质聚合物中失去(图2-2)。如果沉积物中发生乏氧硫酸盐复原，沉积物耗尽了重金属离子(常出现在碳酸盐沉积物中)，大量硫会并入干酪根中，而原始有机质本身提供的硫却很少。在这个阶段，碳=碳双键活动性大，易转化为饱和或环状结构。 干酪根的形成伴随着同氧化作用破坏有机质的竞争。在沉积盆地中，有机氧化多由细菌引起，后者喜好浸袭生物成因小分子或类似的生物分子。在氧化环境内，许多小生物分子在形成地质聚合物前就会受到细菌破坏；而在复原环境内，细菌活动减弱，为地质聚合物保存提供了有利条件，有助于干酪根的形成。(二)干酪根的成分和结构 干酪根是沉积有机质的主体，约占总有机质的8090%，Hnut104认为8095%的石油烃是由干酪根转化而成。Durand97估计在沉积岩中，干酪根总量约比化石燃料资源总量大1000倍(图2-3)，所以，人们日益认识到研究干酪根的重要性。图2-3 干酪根数量及化石燃料最大资源的比拟(据B.Durand,1980) 干酪根的成分和结构复杂，它的不溶性和大分子复杂性，以及来源和经历千差万别等，都给研究干酪根带来困难。国内外研究说明，干酪根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模型。Durand等97根据世界各地440个干酪根样品的元素分析结果，将重量百分含量综合表示如图2-4。图中显示出五种元素的相对分布、平均值及变化范围，平均C76.4%，H6.3%，O11.1%，三者共占93.8%，是干酪根的主要成分。 图2-4 干酪根的元素含量分布(据B.Durand & J. C. Monin, 1980修改) 横座标：元素含量/样品重量，%； 纵座标：频率，%。N-样品数；m-平均值；a-碳；b-氢；c-氧；d-有机硫；e-氮 八十年代以来，人们通过对干酪根进行高温热解或低温降解，使其成为低分子量产物，揭示出它们含有活有机体中鉴定出来的全套有机结构，包括萜类、甾族、卟啉、氨基酸、醣、羧酸、酮、醇、烯烃和醚桥。 对干酪根的成分结构研究最详的是美国尤因塔盆地第三系始新统绿河页岩和前苏联爱沙尼亚奥陶系库克页岩。尤其前者曾经美国、英国、法国及南斯拉夫等国学者用不同方法加以研究，获得了类似结论：由C、H、O、S、N等元素组成，含脂肪族化合物甚多，环状化合物占优势；结构呈三维网状系统，由链状桥所交联的多个核被桥键和各种官能团联接而成，图2-5为等提出的绿河页岩干酪根结构示意图。图2-5 绿河页岩干酪根结构图解 (据法等，1978)A- 微弱演化；B-强烈演化 爱沙尼亚奥陶系Kukersite油页岩被视为腐泥煤。其平均元素组成是C77.177.8%，H9.59.8%，O9.710.2%，S1.71.9%。据A.S.Fomina101在50下用碱性高锰酸盐氧化Kukersite油页岩干酪根得到许多酸性产物：，-二羧酸C4C18，-甲基二羧酸C5C18，饱和三羧酸C6C17，正构单羧酸C2C26，异构单羧酸C7C19，苯基羧酸C8C11，对苯二酸等；芳香烃产物很少，不到干酪根总碳数的1%。所以，他设想Kukersite油页岩干酪根可能70%左右是由脂肪族结构组成，且40%烃类呈直链状。 干酪根的元素及化合物组成和结构变化都很大，干酪根的类型和演化程度不同，具有不同的结构模型，不可能存在干酪根的单一结构模型68。 我国黄县褐煤有机质的结构及绿河干酪根及腐泥煤的结构不同，据秦匡宗等61，黄县褐煤的主要结构参数为：芳碳率0.59；芳氢率0.21；芳族取代率0.54；芳族内平均环数2。以100个碳原子为基准，结合元素分析，其化学结构式为C100H102O24N2S，设杂原子氮及硫均以杂环状态存在，其结构模型可由图2-6表示。图2-6 黄县褐煤有机质结构模型秦匡宗等，1990(三)干酪根的类型和演化 在不同沉积环境中，由不同来源有机质形成的干酪根，其性质和生油气潜能差异很大。前已述及，干酪根是沉积有机质的主体，因而干酪根的类型根本上反映出沉积有机质的类型。 所有沉积有机质大致可以区分为腐泥型和腐殖型两大类：前者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；后者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，主要可以形成天然气和腐殖煤，在一定条件下也可以生成液态石油。 为了查明干酪根的类型及其特征，可用光学(透射光、反射光)及化学两种方法进行研究。 1. 光学分类 孢粉学家用盐酸和氢氟酸除去无机矿物质后，将有机残渣放在显微镜透射光下观测，划分出藻质、无定形、草质、木质和煤质五种组分。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，大局部来源于陆地；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及再沉积的碳化物质。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(图2-7)。 煤岩学家在显微镜下用放大2550倍的油浸物镜，在反射光下观测煤或干酪根的显微组分，可划分为腐泥组、壳质组、镜质组及惰质组四组。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，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。 将干酪根放在镜下观察，也可测定演化程度。随埋深加大、温度升高，干酪根的透明度减弱、反射率增大、颜色变深。 图2-7 透射光有机组分的温度增加效应(据J. M. Hunt, 1979) 2. 化学分类 法国石油研究院根据不同来源的390个干酪根样品的C、H、O元素分析结果，利用范·克雷维伦(D.W.Van Krevelen)图解，将干酪根划分为三种主要类型：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，相当于浅层未成熟样品重量的80%。美国尤英塔盆地始新统绿河页岩、我国松辽盆地下白垩统青山口组一段、嫩江组一段，以及泌阳盆地下第三系核桃园组等典型湖相沉积的干酪根皆属此类。 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。例如法国巴黎盆地侏罗系下托尔统页岩经热解后，产物约为有机质原始重量的60%；北非志留系、中东白垩系、西加拿大泥盆系，以及我国东营凹陷下第三系沙三段的干酪根均属此类 。 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，及、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。喀麦隆杜阿拉盆地上白垩统及我国陕甘宁盆地下侏罗统延安组的干酪根属此类。 图2-8说明以上三类干酪根的原始化学成分结构有显著区别：型轨迹起始点及其附近，含大量脂肪族烃结构；型起始点及其附近，大局部由带含氧官能团的多环芳香烃结构组成；而型那么介于、型之间，以具多环饱和烃结构为特征。这些区别说明它们的原始物质、沉积环境和地质经历的差异。 图2-8 不同来源干酪根的元素分析图解型：美国尤英塔盆地绿河页岩等，1978) 型：法国巴黎盆地下托尔页岩(B.Durand等，1972) 德国里阿斯期波西多尼希费用(B.Durand) 型：*喀麦隆杜阿拉盆地洛格巴巴页岩(B.Durand等，1976)+腐殖煤(B.Durand等，1977)3应用岩石热解参数划分干酪根类型 岩石热解参数也可用于划分有机质的类型。用生油岩评价仪可测定生油岩中的游离烃S1、热解烃S2、CO2S3和最大热解峰温Tmax，这些参数可直接或间接地用于确定有机质的类型。目前最常用的是根据氢指数IH和氧指数IO的关系确定有机质类型参数。其中IH=S2/有机碳含量，IO=S3/有机碳含量，这两个参数及干酪根元素组成存在密切的联系，并且氢指数及H/C原子比、氧指数及O/C原子比之间有着良好的相关性，因此可直接把这两个参数绘制在Van Krevelen图上，显示出及元素原子比相似的类型划分效果。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图2-9，但以型为主，王铁冠65根据我国六个陆相盆地统计，型干酪根占48.5%，、型分别为22.9%和28.6%。 图2-9 我国主要陆相含油气盆地干酪根的元素分析图解王铁冠，1995 Hunt综合各种干酪根类型的特征(表2-1)之后，说明了上述光学及化学分类的关系及其主要化学特征。 表2-1 干酪根类型及其特征(据J.M.Hunt,1979修改) 随着埋藏深度的增加，以上三类干酪根都会沿着各自轨迹演化，O/C和H/C先后相继减小，碳富集，都向碳极收敛图2-10。这说明在埋藏过程中，当温度和压力增加时，沉积有机质是不稳定的，大多数含氧化合物不及饱含氢化合物稳定，所以氧首先形成气体(CO2、H2O)逸出。 法国石油研究院Tissot等用巴黎盆地下托尔统页岩浅层岩样进行了干酪根热演化人工模拟试验，结果证明实验室高温快速模拟及自然界低温慢速演化类似(图2-11)，这为在实验室内人工模拟油气生成过程提供了先例。图2-10 不同类型干酪根热演化图据等，1984图2-11 干酪根热演化人工模拟实验据等，1978第3节 油气生成的地质环境及物理化学条件 地壳上原始有机质的数量很大、种类繁多、结构复杂。欲使这些有机质转化为石油烃类，其堆积、保存和转化过程必须处于适宜的地质环境沉积盆地。正如表2-2所示：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。C.E.佐别尔研究了不同成岩阶段的沉积有机质和石油的元素组成，结果说明随埋藏深度的加大，氧、氮、硫、磷逐渐减少，而碳、氢相对富集的结果(表2-3)。所以，原始有机质的堆积、保存和转化过程，必须是在复原条件下进行，而复原环境的形成及其持续时间的长短那么受当时的地质及能源条件所制约。 表2-2 沉积岩中有机质及石油的元素组成比照表 表2-3 不同深度沉积中有机质及石油的元素组成(据C.E.ZoBell)一、油气生成的地质环境 原始有机质在陆地外表难以保存，大气中的氧自由出入，有机质易被氧化破坏。原始有机质只有在比拟广阔的长期被水(海水或湖水)淹没的低洼地区沉积下来，水体起着隔绝空气的作用；即使水体含有一定量氧气，一局部有机质被氧化而消耗后，其它大量有机质仍然能够保存下来并向油气转化。但是，这种有利于有机质堆积、保存和转化的地质环境，并不是到处都有，它们受到区域大地构造和岩相古地理等条件的严格控制。 (一) 大地构造条件 板块构造学说认为地球表层是由假设干个岩石圈板块拼合而成。这些岩石圈板块的水平运动中包含着垂直构造运动的性质，因而在地质历史上能够形成各种类型的沉积盆地，为油气生成、聚集提供了有利场所。 在板块相互作用带上，板块的离散运动和聚敛运动都包含有垂直构造运动，但是，纯粹的转换运动那么不带垂直运动性质。可见只有前两种板块运动才及沉积盆地的形成密切相关：在离散板块别离处，伴随着洋壳生成，地壳变薄引起下沉、弯曲，出现张性环境中的各种沉积盆地；在聚敛板块接合处，伴随着洋壳消亡、陆壳增厚和碰撞造山带上升，沿着造山带的翼部出现许多沉积盆地。在时间顺序上，某一盆地在不同时期可以发生在不同类型的环境中，也可以逐渐过渡79。 板块的边缘活动带，板块内部的裂谷、坳陷，以及造山带的前陆盆地、山间盆地等大地构造单位，是在地质历史