塔里木盆地生物灰岩照片课件.ppt
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1、第二章 石油与天然气成因及生油层1、石油与天然气的成因理论生油理论碳化物说 宇宙说高温生成说有机成因说地球形成之初温度很高碳、铁呈液态Fe+C-FemCn1碳化物说地球冷球之后,碳化铁保存在地球深处如果地表水沿地壳裂隙向下渗透,与碳化铁作用,生成烃3FemCn+4mH2OmFe3O4+C3nH8m烃类不断聚集油田形成 了烃类上升到地壳岩石中宇宙之中有许多烃类物质地球呈熔融状态时,烃被包含在它的气圈中2宇宙说烃被岩浆吸收,凝结于地壳中而成石油地球冷凝3高温生成说150公里的上地幔温度超过15000K、压力5000MPa,由于FeO及Fe3O4参与H2O、CO2-而成烃类还原无机成因学说认为:石油
2、不是由有机质形成的相反因为地球上先出现了有机质,才也现了生命 有机成因说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。,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,指导世界油气勘探实践的,是现代石油有机生成学说。4有机成因说已经证实有机成因说的证据(1)世界上已经发现的油气田99.9%都分布在沉积岩中。(2)石油和天然气在地质时代上的分布很不均衡,这与沉积岩中有机质的分布状况相吻合。(3)石油的成份具有相似性,说明它们的成因可能大
3、致相同。(4)石油与煤具有同源性。(5)从大量油田测试结果可知:油层温度很少超过100,有些深部油层温度最高也就141。(6)上新世至更新世地层中发现的工业油藏,表明生成石油并聚集成油藏所需的时间,大约不到一百万年。(7)研究成果表明,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。油气成因理论小结 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,但并不能由此否定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,板块构造理论的发展和应用,以及同位素地球化学研究的深入,为油
4、气无机成因理论提供了一些理论依据。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(包括有机物与无机物)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。油气生成的物质基础概念保存来源成份分类分类概念成份 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。沉积有机质的概念(1)在海洋或湖盆沉积环境中浮游生物(2)但在一些浅水地区的水底植物。(3)在上述两种情况下,对死
5、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。有机质的来源生成油气的沉积有机质主要由有机质的化学成份脂类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。脂类(又称类脂)化合物:包括脂肪、高级脂肪酸蜡、醇类、甾族化合物以及萜烯类化合物。化学性质较稳定,易 保存,从元素组成和分子结构近似石油;认为它是生成石油的主要原始物质。蛋白质: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。碳水化合物:Cn(H2O)n 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
6、含有碳水化合物,其中在植物中含量最多。最简单葡萄糖(C6H12O6),含羟基和醛基(图)。淀 粉和纤维素属多糖,结构复杂。木质素:木质素具有芳香结构的特征。是植物细胞壁的主要成分,性质十分稳定,不易水解,但可被氧化成芳香酸和脂肪酸。有人认为可能是石油中芳香烃的母质之一。也是成煤的重要有机组分,也有可能形成以甲烷为主的气体。沉积有机质大致可以区分为腐泥型和腐殖型两大类。(1)腐泥型 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。(2)腐殖型 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
7、天然气和腐殖煤,在一定条件下也可以生成液态石油。有机质的分类 第一,要求有缺氧的水体,它可以使吸附在矿物颗粒表面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;第三,适度的沉积颗粒的沉积速度对沉积有机质的保存有利。有机质供应量一定,则有机质在沉积物中的浓度与矿物颗粒的沉积速度成反比。沉积有机质的保存条件 沉积岩中常温常压下不溶于有机溶剂的固体有机质称干酪根(Kerogen)。与此对应,岩石中可溶于有机溶剂的部分称为沥青。干酪根在热解或加氢分解时产生烃类物质。干酪根是沉积有机质的主体,约占总有机质的8090%,
8、8095%的石油烃是由干酪根转化而成。干酪根的概念干酪根分离法1、将生油岩粉碎后,先用氯访抽提,然后用MAB(甲醇丙酮-苯三元溶剂)或EAB(乙醇、丙酮、苯三元溶剂)进行抽提,除去可溶有机质。2、用盐酸溶解除去岩样中碳酸盐。氟氢酸溶解除去岩样中硅铝酸,如;4、用比重差异原理以重液、超声波除去干酪根中的黄铁矿及其它矿物。干酪根由有机质转化而来,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,五种元素中C(76.4%),H(6.3%),O(11.1%)三者共占93.8%,是干酪根的主要成分。干酪根的成份2*1011T干酪根的数量及最大化石燃料资料量有机质的转化示意图 干酪
9、根分类光学分类化学分类透射光分类反射光分类B 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,大部分来源于陆地;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与再沉积的碳化物质。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。藻质体无定形草质组份生油潜力:藻质-无定形草质木质煤质腐泥组: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
10、,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。腐泥组镜质组壳质组A:I型干酪根氢含量高、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,但多环芳香烃及含氧官能团很少;来自藻类堆积物,或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
11、化合物;生油潜能大。干酪根类型及其演化图解根据干酪根的元素分析结果,可按HC和OC原子比区分不同类型的干酪根(3类)。随着埋藏深度加大和温度升高(成熟作用增强),每种类型有机质都沿着一定轨迹演化:浅处未成熟样品为高HC比和O/C比,向深处则逐渐降低。A:I型干酪根B:型干酪根 C:型干酪根A:I型干酪根氢含量高、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,但多环芳香烃及含氧官能团很少;来自藻类堆积物,或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。B:型干酪根原始氢含量较高,但稍低于I
12、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。C: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,与、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。腐泥组镜质组壳质组我国主要陆相含
13、油气盆地泥质岩干酪根中,以型为主,占48.5%,、型分别为22.9%和28.6%。油气生成的地质环境与物化条件 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。原始有机质的堆积、保存和转化过程,必须是在还原条件下进行,而还原环境的形成及其持续时间的长短则受当时的地质及能源条件所制约。油气生成的地质环境与物化条件 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。原始有机质的堆积、保存和转化过程,必须是在还原条件下进行,而还原环境的形成及其持续时间的长短则受当时的地质及能源条件所
14、制约。一、古地理环境海相环境大陆环境二、大地构造环境三、物理化学环境温度与时间细菌活动催化作用放射性海相环境u有利区域浅海、三角洲、海湾、泻湖 一般认为浅海区及三角洲区是最有利于油气生成的古地理区域。在三角洲发育部位,陆源有机质源源搬运而来,加上原地繁殖的海相生物,致使沉积物中的有机质含量特别高,是极为有利的生油区域;在浅海大陆架范围内,水深一般不超过200米,水体较宁静,阳光、温度适宜,生物繁盛,尤其各种浮游生物异常发育,死亡后不需经过太厚的水体即可堆积下来。地理环境分析沙丘三角洲沼泽三角洲是由河流补给沉积物,受河流和海洋/湖泊营力综合影响的沉积体系。是最复杂的沉积体系。三角洲 海湾及泻湖,
15、因有半岛、群岛、沙堤或生物礁带与大海相隔,携带大量氧气的汹涌波涛难以侵入,新的氧气不易补给,在这种半闭塞无底流的环境中,也对保存有机质有利。这些区域,浮游生物特别发育,属于型干酪根;若有陆源有机质加入,则可见到型与型干酪根的混合产物。波斯湾盆地的中、新生界,西西伯利亚的侏罗系、白垩系,墨西哥湾的中、新生界,以及我国四川盆地的志留系、二叠系、三叠系都属于浅海环境的产物。砂坝-泻湖体系-砂坝砂坝又称又称障壁岛、堤岛、堡岛障壁岛、堤岛、堡岛,泛指,泛指近海与海岸线延伸方向平行分布的一系列砂坝和砂岛。被砂坝近海与海岸线延伸方向平行分布的一系列砂坝和砂岛。被砂坝从毗邻海域隔离出来、但仍与海洋沟通或有限沟
16、通的浅水域称从毗邻海域隔离出来、但仍与海洋沟通或有限沟通的浅水域称泻湖泻湖。两者互相依存而构成。两者互相依存而构成 砂坝砂坝-泻湖体系泻湖体系。不利区域滨海、深海区 滨海区,海水进退频繁,浪潮作用强烈,不利于生物繁殖和有机质的堆积保存;深海区生物本来就少,死后下沉至海底需经历巨厚水体,易遭氧化破坏;加上离岸又远,陆源有机质需经长途搬运,早被淘汰氧化,都不有利于有机质的堆积和保存。不利区不利区陆相环境u有利区域深水、半深水湖泊 尤其在近海地带的深水湖盆更是最有利的生油坳陷,因为近海区域地势低洼、沉降较快,是陆表水的汇集地带,容易长期积水而形成深水湖泊,保持安静的还原环境。湖泊能够汇聚周围河流带来
17、的大量陆源有机质,同时提供水生生物的繁殖发育条件。有机质丰富,以型和型干酪根为主。u不利环境浅水湖泊和沼泽区油气藏呈环带状分布内环为气藏,外环为凝析油气藏或油藏库车坳陷库车期末:三叠系最大生气强度120108m3/km2库车期末最大生气强度:侏罗系165108m3/km2u不利环境浅水湖泊和沼泽区 在浅水湖泊和沼泽区,水体动荡,大气中的氧易于进入水体,不利于有机质的保存;这里的生物以高等植物为主,有机质多属型干酪根。一般认为,型干酪根生油潜能差,多适于造煤和生成煤系气、沼气,为天然气的生源。不过,近年来油气勘探表明,煤系地层有机质不仅可以生气,而且其中某些显微组分也可以生油,如澳大利亚的吉普斯
18、兰盆地、加拿大的斯科舍盆地、我国的吐哈盆地都在煤系地层找到了石油。u不利环境浅水湖泊和沼泽区 土壤层土壤层残积层残积层半风化层半风化层有机质少难于保存 全球构造格局中沉积盆地的分布全球构造格局中沉积盆地的分布大陆板块内大陆板块内部部大大 洋洋 板板 块块碰撞山带碰撞山带大陆板块内大陆板块内部部大西洋大西洋型张裂型张裂大陆边大陆边缘缘西太平洋型西太平洋型大陆边缘弧大陆边缘弧沟体系沟体系陆陆壳壳盆盆地地大大陆陆裂裂谷谷盆盆地地弧弧后后盆盆地地弧弧前前盆盆地地深深海海沟沟开开阔阔大大洋洋盆盆地地大大洋洋中中脊脊中中谷谷盆盆地地开开阔阔大大洋洋盆盆地地残残留留大大洋洋盆盆地地陆陆内内剪剪张张盆盆地地陆
19、陆源源沉沉积积棱棱柱柱体体周周围围盆盆地地大地构造环境 沉积盆地的各个沉降时期中,研究沉降速度(Vs)与沉积速度(Vd)之间的关系至为重要。(1)若沉降速度远远超过沉积速度(VsVd),水体急剧变深,生物死亡后,在下沉过程中易遭巨厚水体所含氧气的氧化破坏;(2)反之,若沉降速度显著低于沉积速度(VsVd),水体迅速变浅,乃至盆地上升为陆,沉积物暴露地表,有机质易受空气中的氧所氧化,也不利于有机质的堆积和保存。波斯湾前陆盆地构造横剖面图波斯湾前陆盆地构造横剖面图 只有在长期持续下沉过程中伴随适当的升降,沉降速度与沉积速度相近或前者稍大时,才能持久保持还原环境。在这种条件下:(1)可以长期保持适于
20、生物大量繁殖和有机质免遭氧化的有利水体深度,保证丰富的原始有机质沉积下来;(2)可以造成沉积厚度大、埋藏深度大、地温梯度大,生、储层频繁相间广泛接触,有助于原始有机质迅速向油气转化并广泛排烃的优越环境。适宜的地质环境为有机质的大量繁殖、堆积和保存创造了有利的地质条件,有机质向石油及天然气演化还必须具备适当的条件,如:u温度 时间 细菌 催化剂 放射性。物理化学环境温度与时间时间温度关系、TTI值、在地质环境里,无论油气的生成、运移或破坏,都离不开温度的制约。在世界各国的油气勘探中,成功的经验和失败的教训,追根求源,也往往是同温度作用有关;尤其是在海上开展油气勘探,钻探成本高,必须在现代数字地震
21、勘探的基础上,进行有机质的热成熟度分析,作出早期油气资源预测,圈定油气生成的有利区块,选择钻探对象,以便提高钻探成功率。2时间-温度指数(TTI指数)1971年,前苏联学者.首次提出时间-温度指数的概念,用来表示时间与温度两种因素同时对沉积物中有机质热成熟度的影响。根据这一原理,.假设成熟度与时间呈线性变化关系、与温度呈指数变化关系。据此规定两个参数:温度因子()反映成熟度对温度的指数关系,即温度每增加10,成熟作用速率增加一倍,用增加一个因子r表示,温度因子=rn=2n,这里n代表任意10间隔TiTi+1内,n=(Ti100)/10,并选取100110作为基准间隔,令其指数值n=0,。时间因
22、子(t)表示沉积物在每个温度间隔内经历的时间长短(以百万年为单位)。于是任意温度间隔i内的成熟度可表达为:成熟度i=TTIi=rniti=2nitImaxminmaxmin)(2()(nnnnnnnnttrTTI 现今沉积厚 1100m现今沉积厚 600m 时间-温度指数在勘探中的应用 (1)研究成熟度,确定特定层位的油气保存状态:根据地质模型,计算各生油层和储集层的现时TTI值,结合干酪根类型,即可判断生油层油气生成进入了哪个阶段,从而预测能钻遇石油、湿气或干气聚集的储集层深度,以指导钻探工作。(2)确定有利生油气区范围:通过盆地内若干点位制作地质模型,计算各生油层的现时TTI值,勾绘各层T
23、TI等值线,圈出进入生油窗的分布范围,以便确定有利的生油区和生气区。(3)确定石油生成时间对圈闭进行评价:在地质模型上对各层都计算出TTI值后,连接各层生油门限和石油的死线,在模型中画出全部地质历史上的生油窗界限,确定各生油层石油生成开始与结束的时间,再同圈闭形成时间配合分析,以推测圈闭接纳石油的可能性,对圈闭的含油远景作出正确评价。细菌活动 按其生活习性可将细菌分为喜氧细菌、厌氧细菌和通性细菌三类。对油气生成来讲,最有意义的是厌氧细菌。在缺乏游离氧的还原条件下,有机质可被厌氧细菌分解而产生甲烷、氢气、二氧化碳以及有机酸和其他碳氢化合物。细菌在油气生成过程中的作用实质是将有机质中的氧、硫、氮、
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