第二章 油氣生成與烴源岩
(Chapter2 hydrocarbon generation and source rock)
學時：8 學時
基本内容：
① 油氣生成的原始有機質—幹酪根的形成、結構、類型。
② 有機質成烴演化的階段性及成烴模式。
③ 油氣生成理論的進展
④ 影響油氣生成的因素及地質環境。
⑤ 天然氣的成因類型及特征。
⑥ 烴源岩及其地球化學研究。
⑦ 油氣地球化學對比
教學重點與難點：
① 有機質成烴演化的階段性及成烴模式。
② 影響油氣生成的因素及地質環境。
③ 烴源岩及其地球化學研究
教學内容提要：
第一節 油氣生成的原始物質
一、油氣生成的原始物質的來源
油氣生成的物質主要來源于生物的四大原始生物化學組成，它們是脂類化合物、蛋白質、碳水化合物、纖維素（木質素）。其中脂類化合物的元素組成和分子結構與石油的最接近，是形成石油的主要組成，而纖維素，尤其是木質素的組成與泥炭接近，是成煤的主要組成。
天然有機質與石油平均元素組成
|
C% |
H% |
S% |
N% |
O% |
碳水化合物 |
44 |
6 |
- |
- |
50 |
木質素 |
63 |
5 |
0.1 |
0.3 |
31.6 |
蛋白質 |
53 |
7 |
1 |
17 |
22 |
類脂 |
76 |
12 |
- |
- |
12 |
石油 |
84.5 |
13 |
1.5 |
0.5 |
0.5 |
二、油氣生成的原始物質的形成
沉積有機質：通過沉積作用進入沉積物中并被埋藏下來的那部分有機質稱為沉積有機質。
沉積有機質的形成：生物死亡之後，大部分氧化成簡單的分子，隻有一小部分由于沉積在乏氧環境中被泥沙埋藏起來而被保存下來，成為沉積有機質（隻占0.8%左右）。
三、幹酪根（本節重點）
幹酪根：沉積岩中所有不溶于非氧化型酸、堿和非極性有機溶劑的分散有機質（亨特，1979年）。
（一）幹酪根的形成
1. 微生物降解作用階段
2. 腐殖質的形成階段
3. 幹酪根的形成階段
（二）幹酪根的結構及元素組成
幹酪根的元素組成中以C為主，其次為H和O，還有N、S等。它們的一般分布範圍是C：70～90%，H：3～10%，O：3～19%，N：0.4～4 %，S：0.2～5%（據Tissot，1984）。
分子結構：它是以環狀結構為核心，帶有各種烷基取代基核其它官能團的大分子，後者又彼此被次聚甲基或雜原子橋鍵所交聯成的三維結構。
（三）幹酪根的類型
Tissot（1974）根據幹酪根的元素分析采用H/C和O/C原子比繪制相關圖，即範氏圖（Van Krevelen圖），将其分為三大類：
Ⅰ型幹酪根：是分散有機質幹酪根中經細菌改造的極端類型，或稱腐泥型，富含脂肪族結構，富氫貧氧，H/C高，一般為1.5～1.7，而O/C低，一般小于0.1，是高産石油的幹酪根，生烴潛力為0.4～0.7。
Ⅱ型幹酪根：是生油岩中常見幹酪根。有機質主要來源于小到中的浮遊植物及浮遊動物，富含脂肪鍊及飽和環烷烴，也含有多環芳香烴及雜原子官能團。H/C較高，約1.3～1.5，O/C較低，約0.1～0.2，其生烴潛力較高，生烴潛力為0.3～0.5。
Ⅲ型幹酪根：是陸生植物組成的幹酪根，又稱腐殖型。富含多芳香核和含氧基團。H/C低，通常小于1.0，而O/C高，可達0.2～0.3，這類幹酪根生成液态石油的潛能較小，以成氣為主，生烴潛力為0.1～0.2。
第二節 沉積有機質的成烴演化
一、油氣成因現代模式（本節重點、難點）
根據有機質的性質變化和油氣生成沉積有機質的成烴演化可劃分為三個階段：成岩作用階段、深成作用階段和準變質作用階段；相應地又按有機質的成熟程度将有機質成烴演化劃分為未成熟階段、成熟階段和過成熟階段，鏡質體反射率Ro與有機質的成烴作用和成熟度有良好有的對應關系。
門限溫度：随着埋藏深度的增加，當溫度升高到一定數值，有機質才開始大量轉化為石油，這個溫度界限稱門限溫度。
門限深度：與門限溫度相對應的深度稱門限深度。
①成岩作用階段—未成熟階段：該階段以低溫、低壓和微生物生物化學為主要特點，主要形成的烴是生物甲烷氣，生成的正烷烴多具明顯的奇偶優勢。成岩作用階段後期也可形成一些非生物成因的降解天然氣以及未熟油。該階段Ro小于0.5%。
②深成作用階段—成熟階段：為幹酪根生成油氣的主要階段。按照幹酪根的成熟度和成烴産物劃分為兩個帶。
生油主帶：Ro為0.5～1.3%，又叫低—中成熟階段，幹酪根通過熱降解作用主要産生成熟的液态石油。該石油以中—低分子量的烴類為主，奇碳優勢逐漸消失，環烷烴和芳香烴的碳數和環數減少。
凝析油和濕氣帶：Ro為1.3～2.0%，又叫高成熟階段，在較高的溫度作用下，剩餘的幹酪根和已經形成的重烴繼續熱裂解形成輕烴，在地層溫度和壓力超過烴類相态轉變的臨界值時，發生逆蒸發，形成凝析氣和更富含氣态烴的濕氣。
③準變質作用階段—過成熟階段：該階段埋深大、溫度高，Ro＞2.0%。已經形成的輕質液态烴在高溫下繼續裂解形成大量的熱力學上的最穩定的甲烷，該階段也稱為熱裂解甲烷（幹）氣階段。
二、有機質演化的主要控制因素——溫度和時間
（一）作用機理
1．溫度
化學動力學定律的一級反應方程： 
速度常數k與時間是線性相關，k由阿氏方程求得：
2．時間
一級反應方程積分：
阿氏方程取對數：
（1）代入（2）式，推導得：
從以上化學定律的原理可以得出以下幾點：
①有機質在反應過程中，溫度起決定作用，時間有補償作用；
②時間的補償是有限的，溫度所産生的熱量應超過活化能E。
（二）時間—溫度指數（TTI）（實驗課講解）
第三節 油氣生成理論的進展（選講）
一、未熟-低熟油形成機理
1．未熟-低熟油的概念
未熟—低熟油：指所有非幹酪根晚期熱降解成因的各種低溫早熟的非常規油氣，包括在生物甲烷氣生烴高峰之後，在埋藏升溫達到幹酪根晚期熱降解大量生油之前，經由不同生烴機制的低溫生物化學反應生成并釋放出來的液态和氣态烴。
2．未熟—低熟油的成因
（1）強還原鹹化環境藻類成烴
（2）鹽湖相沉積有機質在低溫條件下轉化成烴
（3）含煤岩系特殊的富氫顯微組分早期成烴
内因：有機質類型
外因：局部鹹化環境、較高的地溫梯度
二、煤成烴的形成
1．煤成烴的概念
煤成烴：煤系地層的有機質在不同的演化階段，其富氫組分所生成的氣态和液态烴類。
2．煤成烴的演化特點：瀝青化作用
三、凝析氣藏的形成機理
1．凝析氣藏的概念
凝析氣（凝析油）：當地下溫度、壓力超過臨界條件後，由液态烴逆蒸發而形成的氣體，稱凝析氣。開采出來後，由于地表壓力、溫度較低，按照逆凝結規律而逆凝結為輕質油，稱凝析油。
2． 凝析氣藏的相态特征
① 烴類純物質的相态
臨界溫度：液體能維持液相的最高溫度，稱為臨界溫度。高于臨界溫度時，不論壓力多大，該物質也不能凝結為液體。
臨界壓力：在臨界溫度時該物質氣體液化所需的最低壓力，稱為臨界壓力。高于此壓力時，無論溫度多少，液體和氣體不會共存。
② 多組分烴類相态及凝析氣藏的形成
3．凝析氣藏的形成條件
① 在烴類物系中氣體數量必須勝過液體數量，才能為液相反溶于氣相創造條件。
② 地層埋藏較深，地層溫度介于烴類物系的臨界溫度與臨界凝結溫度之間，地層壓力超過該溫度時的露點壓力，這種物系才可能發生顯著的逆蒸發現象。
第四節 油氣形成的地質條件
一、油氣生成的地質環境（本節重點、難點）
晚期生油理論認為：油氣生成必須具備兩個條件，一是有足夠的有機質并能保存下來；一是要有足夠的熱量保證有機質轉化為油氣。
1．大地構造環境
主要有三種情況，欠補償環境、過補償環境和補償環境，隻有長期持續下沉伴随适當升降的補償環境，能保證大量有機質沉積下來，而且造成沉積厚度大，埋藏深度大，地溫梯度高，生儲頻繁相間廣泛接觸，有助于有機質向油氣轉化并排烴的優越環境。
2．岩相古地理環境
主要有海相和陸相，海相中淺海大陸架、三角洲區以及海灣、瀉湖這些環境，對有機質的保存和轉化有利，是有利的生油區域；陸相中半深湖—深湖相區，彙集大量的有機質，沉積快，還原環境，有利于生油；淺湖、沼澤區以高等植物為主，可形成Ⅲ型幹酪根，是生氣的主要區域。
二、有機質轉化成油的影響因素
1．細菌：
2．溫度：起決定作用。
3．時間：時間對溫度有補償作用。
4．催化劑：
5．其它：
第五節 天然氣的成因類型
天然氣按成因可分為四種類型：生物成因氣、油型氣、煤型氣 和無機成因。
一、生物成因氣
在成岩作用階段因微生物化學作用而形成，化學組成以甲烷為主，含量高于98%，重烴含量小于0.2%，為典型的幹氣；δ13C值一般為-55‰～-90‰。
二、油型氣
有機質在深成作用階段熱力作用下以及石油熱裂解形成，化學成分重烴含量大于5%，最高可達40%—50%，過成熟氣以甲烷為主，δ13C值随成熟度增高而增大，從-55‰～-35‰。
三、煤型氣
是煤系地層中的有機質在熱演化過程中而生成的。化學組成重烴含量可達10%以上，甲烷一般占70%—95%，含有非烴成分；δ13C值一般為-41.‰～-24.9‰。
四、無機成因氣
由地殼内部、深海大斷裂、深海沉積物形成，化學組成甲烷占優勢，非烴含量較高；δ13C值大于-20‰。
第六節 烴源岩及其地球化學研究
一、烴源岩的定義
烴源岩：指富含有機質能生成并提供工業數量油氣的岩石。如果隻提供工業數量的天然氣，稱為氣源岩。
由生油岩組成的地層叫生油層。在相同的地質背景下和一定的地史階段中形成的生油岩與非生油岩的組合稱為生油層系。
二、生油岩的岩石類型
岩石類型：泥質岩類的泥岩、頁岩等；碳酸鹽岩類的泥灰岩、生物灰岩以及富含有機質的灰岩等。
三、生油岩的有機地球化學研究（本節重點）
1．有機質的豐度
常用指标有有機碳、氯仿瀝青“A”、總烴，一般這些指标高，豐度高。
2．有機質的類型
常用的指标有化學分析法，采用H/C和O/C原子比繪制相關圖，即範氏圖（Van Krevelen圖）來判斷；熱解資料的氫指數和氧指數；有機質的顯微組分；生物标志化合物來确定。Ⅰ型、Ⅱ型幹酪根為主要生油母質，Ⅲ型幹酪根為主要生氣源岩。
3．有機質的成熟度
可用鏡質體反射、孢粉和幹酪根顔色、岩石熱解資料、正烷烴奇偶優勢來确定，顔色越深，Ro大于0.5%，CPI值接近1為成熟源岩。
4．有機質的轉化指标
可用總烴/有機碳或氯仿瀝青“A”/有機碳。
根據以上資料對烴源岩進行綜合評價。
第七節 石油的地球化學對比
一、油源對比的意義
二、常用指标
對比的原則：性質相同的兩種油氣應源于同一母岩；母岩排出的石油應與母岩中殘留的石油相同，實際上油氣在運移過程中會受到各種因素的影響，因此，相似即同源。
（一）正烷烴分布曲線
（二）微量元素
（三）生物标志化合物
1.卟啉
2.異戊二烯烷烴和甾萜化合物
（四）碳同位素
（五）輕烴的配對分子
三、氣源對比及天然氣成因分類
主要參考書或建議閱讀的書籍:
1、柳廣弟主編．石油地質學（第四版）——第四章．石油工業出版社．2009年3月．
2、張厚福主編．石油地質學（第三版）——第二章、第六章第7節．石油工業出版社．1999年．
3、陳榮書主編．石油及天然氣地質學——第五章．中國地質大學出版社．1994年．
4、潘鐘祥主編．石油地質學——第六章．地質出版社．1986年．
5、張厚福編著．石油地質學新進展（五）——第六章．1998．石油工業出版社．
6、鐘甯甯，張枝煥編著．石油地球化學進展（六）——第一、二、四章．1998．石油工業出版社．
