干酪根生油气概论
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摘录:干酪根的介绍一、干酪根的定义及制备干酪根(Kerogen,曾译为油母)一词来源于希腊语Keros,指能生成油或蜡状物的有机质。
1912年Brown第一次提出该术语,表示苏格兰油页岩中有机物质,这些有机物质干馏时可产生类似石油的物质。
以后这一术语多用于代表油页岩和藻煤中有机物质,直到1960年以后才开始明确规定为代表不溶于有机溶剂的沉积有机质。
但不同学者的定义还是有着一定的差别。
Tissot 和Welte (1978)将干酪根定义为沉积岩中既不溶于含水的碱性溶剂,也不溶于普通有机溶剂的沉积岩中的有机组分,它泛指一切成油型、成煤型的有机物质,但不包括现代沉积物中的有机质(腐殖质)。
Hunt(1979)将干酪根定义为不溶于非氧化的酸、碱溶剂和有机溶剂的沉积岩中的分散有机质。
Durand(1980)认为,干酪根系指一切不溶于常用有机溶剂的沉积有机质,它既包括沉积物、也包括沉积岩中的有机质,既包括分散有机质,也包括富集有机质。
王启军(1984)的定义中去掉了Hunt定义中的“分散有机质”,但认为实际应用时,重点还是在古代沉积物和沉积岩中的分散有机质。
比较可以看出,关于干酪根定义的差别体现在以下三方面:(1)是否包括富集状态的有机质(如煤)?(2)是否包括沉积物中的不溶有机质?(3)是否限定为“不溶于非氧化的酸、碱溶剂”的有机质?关于第一点,由于富集状态的有机质也是生油气母质,而从后面的讨论中将可以看到,干酪根被视为是主要的产油气母质。
因此,本书认为,干酪根的定义中应该包括像煤这样的富集状态的有机质。
关于第二点,尽管沉积物中的腐殖质和沉积岩中的不溶有机质并没有一个严格的界线,沉积岩中也存在溶于酸碱的腐殖酸,表明腐殖质在演化过程中事实上延伸入沉积岩中,但由于油气基本上是由沉积岩中的有机质转化而成的,因而油气地球化学更为关注的对象是沉积岩而不是沉积物中的有机质。
因此,作为生油气母质的干酪根的定义应该反映这一点,即不包括沉积物中的有机质。
第一部分油气形成及思考题低熟油气形成机理在传统的干酪根生油理论指导下,没有人相信在干酪根进入生烃门限之前会有工业性液态石油的形成。
而现在人们相信,沉积物中被保存下来的一些特殊有机质,如树脂体,木栓质体,藻类细胞质,藻类类脂物和富硫有机大分子在向干酪根转化的过程中生成的可溶有机质,可以在干酪根进入生烃高峰之前,由低温生物化学反应或低温化学反应生成并释放出商业性的液态烃和气态烃(黄模式)。
一,概念:低熟油(immature oil,亦译为未熟油)系指所有非干酪根晚期热降解成因的各类低温早熟的非常规石油,即源岩中某些有机质在埋藏升温达到干酪根生烃高峰阶段以前(相应的镜质组反射率Ro值大体上在0.3%~0.7%范围内),经由不同生烃机制的生物化学反应或低温化学反应,生成并释放的液态烃类,包括重油、原油、轻质油和凝析油,有时还伴生有低熟天然气。
低熟气的形成与低熟油有关;低熟凝析油的形成还与油、气相对数量以及地层温度、压力环境条件相关。
二:低熟油及其源岩的基本特征(1)原油与烃源岩抽提物族组成多以饱和烃链状或环状脂碳结构的非烃成分,芳构化程度与聚合程度均不高,其早期生烃产物具有高饱芳比(达2~10)和高非沥比(1~17)的特点。
(2)饱和烃馏分以正烃为主(含量占60%~80%),含有单甲基支链烷烃、类异戊二烯烷烃、萜烷类及甾烷类等,做为生物标志物,大都具有明确的生源意义。
由于成熟度低,有机质成熟演化作用对于烃类组成分布的影响较小,根据其生物标志物组合可更有效地判断饱和烃馏分的生源构成。
(3)芳烃馏分包含常规多环芳烃(PAHS)、芳香甾萜类和各种含硫化合物等成分。
(4)低熟原油与源岩常含有相当数量热稳定性低的生物标志物三、形成低熟油的沉积—成岩环境条件迄今已知的低熟油大都与陆相盆地沉积或海相陆源沉积有机质有关,与典型海相盆地沉积比较,陆相湖盆范围小,邻近物源区,有机母质近距离搬运,盆地水体能量弱,水柱高度短,沉积—埋藏速度高,利于各种沉积有机质的保存。
第二节干酪根热降解成油机理
一、烃的演化
1. 氯仿沥青“A”和总烃的演化
2. 烷烃的演化
正构烷烃的演化
异构烷烃的演化
环烷烃的演化
芳香烃的演化
二、油气生成的阶段性及特征
门限温度:随着埋藏深度的增加,当温度升高到一定数值,有机质开始大量转化为石油,这个温度界限称门限温度。
门限深度:与门限温度相对应的深度称门限深度。
分三个阶段:
成岩作用阶段——未成熟阶段
深成作用阶段——成熟阶段
变质作用阶段——过成熟阶段
1、成岩作用阶段—未成熟阶段
从沉积有机质被埋藏开始至门限深度为止。
地层条件:低温(小于50~60℃)、低压。
有机质特征:微生物化学作用为主,有机质以形成干酪根为主,没有形成大量烃类,O/C 大大降低,H/C稍微下降。
主要产物及特征:生物成因气,有少量的烃类来自于活生物体,大部分为C15以上的重烃,为生物标志物。
正烷烃多具明显的奇偶优势。
成岩作用阶段后期也可形成一些非生物成因的降解天然气以及未熟油。
鉴别指标:Ro小于0.5%。
2、深成作用阶段—成熟阶段
深成作用阶段为干酪根生成油气的主要阶段。
该阶段从有机质演化的门限值开始至生成石油和湿气结束为止,按照干酪根的成熟度和成烃产物划分为两个带:
生油主带:(低—中成熟阶段)
凝析油和湿气带:(高成熟阶段)
生油主带:(低—中成熟阶段)
有机质特征:干酪根热降解作用为主,H/C大大降低。
主要产物及特征:成熟的液态石油。
以中—低分子量的烃类为主,正烷烃中奇碳优势逐渐消失,环烷烃和芳香烃的碳数和环数减少,曲线由双峰变单峰。
W.C.Pusery把它称为“液态窗”或“石油窗”。
鉴别指标: Ro为0.5~1.3%。
凝析油和湿气带:(高成熟阶段)
有机质特征:高温下,剩余的干酪根和已经形成的重烃继续热裂解。
主要产物及特征:液态烃急剧减少,C1~C8的轻烃将迅速增加。
在地层温度和压力超过烃类相态转变的临界值时,这些轻质轻就会发生逆蒸发,反溶解于气态烃之中,形成凝析气和更富含气态烃的湿气。
鉴别指标: Ro为1.3~2.0%。
3、准变质作用阶段—过成熟阶段
有机质特征:埋深大、温度高,由于在成熟阶段干酪根中绝大部分可以断裂的侧链和基团已消耗殆尽,所以石油潜力枯竭,残余的少量烷基链,尤其是已经形成的轻质液态烃在高温下继续裂解形成大量的热力学上的最稳定的甲烷。
干酪根的结构进一步缩聚形成富碳的残余物质。
主要产物及特征:热裂解甲烷。
鉴别指标: Ro>2.0%。
三、干酪根成油理论的新进展
1.未—低成熟油的成因
★强还原咸化环境藻类成烃
★盐湖相沉积有机质在低温条件下转化成烃★含煤岩系特殊的富氢显微组分早期成烃内因:有机质类型
外因:局部咸化环境、较高的地温梯度
2.煤成烃的形成
★煤成烃:煤系地层的有机质在不同的演化阶段,其富氢组分所生成的气态和液态烃类。
★演化特点:沥青化作用
四、油气生成的影响因素
有机质演化过程主要是一个生物化学和化学作用的过程,影响其演化的因素很多,有温度、时间、细菌、催化剂和压力等因素,其中起主要控制作用的因素是温度和时间。
1、温度
化学动力学定律的一级反应方程:-dc/dt=KC
速度常数k由阿氏方程求得:k=Ae-E/RT
E:为活化能,与键强度成正比,同温下,E越大,反应越慢;只有超过E值,才能反应,相应的温度为门限温度,与有机质类型有关。
T:为绝对温度,决定其活化分子数和碰撞几率,同活化能条件下,温度增高,速度增加。
A:为频率因子。
R:气体常数。
2、时间
一级反应方程积分:
ln(C
O /C)=kt k=(1/t)ln(C
O
/C)
阿氏方程取对数:lnK=lnA*(E/R)*(1/T)
上式代入下式整理得:lnt=(E/R)*(1/T)-b
反应时间的对数与反应温度成反比,表明反应温度和时间可互补。
从以上化学定律的原理可以得出:
①有机质在反应过程中,温度起决定作用,时间有补偿作用;
②时间的补偿是有限的,温度所产生的热量应超过活化能E。
③压力大阻碍有机质转化,但影响不大。
因此,门限温度的高低取决于有机质类型,Ⅰ型 < Ⅱ型 < Ⅲ型;而门限深度的大小取决于地温梯度,地温梯度高,门限深度低。