石油地质学论文

中国地质大学长城学院课程论文石油与天然气地质学论文

摘要：科学家们通过研究已经证实，石油、天然气是古代多种生物残体的腐泥物质，在适当的温度和压力条件下，经过漫长、复杂的变化过程形成的石油和天然气是两种在成因上密切联系的有机流体矿产。它们都是由复杂的碳氢化台物组成的，其化学成分主要是烷烃、环烷烃和芳香烃等。

一石油与天然气的定义

1:石油

石油是储存在岩石的孔隙、洞穴和裂缝之中。凡是具有孔、洞、缝，液体又可以在其中流动的岩石，就叫做储集层。石油就是在储集层中储集和流动的。专业人员主要用孔隙度和渗透率两个因素来衡量储集层的优劣。孔隙度的数值大，表明储藏油的空间大、可以容纳较多的石油。渗透率的数值高，则表示孔隙、缝洞之间的连通性好，石油容易流动，容易采出来，可以获得较高的产量。

2天然气

天然气是一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。在标准状况下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液体。天然气在燃烧过程中产生的能影响人类呼吸系统健康的物质极少，产生的二氧化碳仅为煤的40%左右，产生的二氧化硫也很少。天然气燃烧后无废渣、

废水产生，相较于煤炭、石油等能源具有使用安全、热值高、洁净等优势。

天然气作为石油的伴侣，它也是以碳氢化合物为主要成分，而是以气体状态从地下岩石中来到地面的。但天然气的生成条件要比石油更为多样化。就生成阶段来说，石油要达到一定深度才能大量生成，而天然气从浅到深都能生成;就物质来源来说，生成石油主要以水中浮游的动、植物或称腐泥型有机质为主，而生成天然气，除此以外还可以有高等植物或称腐植型的有机质;就成因来说，有机成因的，也有无机成因的，这种多样化的成气条件为我们提供了更为广阔的找气领域.根据天然气的形成条件。

二油气成因

油气成因归结起来可以概括为无机成因和有机成因两种,但有机成因普遍为人们所接受。50年代和60年代先后诞生了早期生油论和晚期生油(干酪根生油)论,同时还开展了低熟油成因研究。到目前为止,干酪根的热降解成油说已为石油地质学家所公认〔…一3“,液态石油是沉积岩中的有机质在温度、压力、催化剂和微生物等的作用下所形成的。天然气以有机成因为主,部分为无机成因。泥质岩和碳酸盐岩均可生成石油。自然界的油气一般是在地下深处通过生油岩中的有机质生成后再运移到储集层中聚集起来的。而在烃源岩生烃反应中,地层温度和压力起着相当重要的作用,但是以往强调温度和时间因素的重要性,对于压力的作用研究较少。在研究镜质体反射率与地层压力的

关系、烃源岩生烃门限深度及石油窗下限深度与地层压力的关系的基础上,结合前人的实验结果研究认为:异常高压不仅影响油气生成的相态,而且降低了烃源岩的成熟度,延缓了烃源岩热演化的进程;当地层压力超过一定的门限时,压力对成烃有明显的抑制作用,表现为压力系数与烃源岩生烃门限深度、石油窗下限深度正相关。在辽河断陷东部凹陷牛青地区,异常高压使石油窗下限深度加深460m左右。依据有机质成烃动力学原理,对压力影响有机质生烃的机理进行了探讨。

三构造发展史

石油和天然气通常都是蕴藏在沉积盆地（含油气盆地）之中的。沉积盆地是怎么形成的呢？原来，我们所处的地球是一直在活动着的，有的地方上升，则成为高山，有的地方在下降，则成为沉积盆地。中国有好多个沉积盆地，每个盆地沉积的地层及其厚度等是各不相同的。这些地层自上而下地质年代由新变老，好像人类历史一样，分成

不同的时代。研究人类各个时代情况的学科叫历史学，而研究一个沉积盆地的各个地质年代的情况就叫地质构造的发展历史研究，简称构造发展史。

研究构造发展史对找油找气有什么用处呢？原来，石油和天然气是可以移动的流体矿床，从油气在地下生成起，到聚集到一个地方成为油气田，在漫长的地质历史中变化多端。有的油气田形成后可以保持到现在，有的运移到另外的地方，有的散失了……，总之，油气这个流体矿床总是处于运动状态之中，这就是油气田有别于其他矿床的最大特点。而这种变化与油气田所在的沉积盆地的构造发展史是息息相关的。因此，在找油找气工作中，地质构造发展历史的研究就显得非常重要了。

四石油的生成条件

要使沉积物中的有机质能够保存下来，需要有特定的地质条件。大家都知道“水往低处流”的道理。泥沙和有机质是在水的携带下，在一个低洼的地区沉积下来。因此，首要的地质条件就是要有一个低洼的地形。这种低洼地形，根据它的规模大小，分别称为盆地、坳陷、凹陷、洼槽等，并在各个地质历史时期中是不断变化的。若随着地壳

的运动继续下沉，它就能继续保持低洼的地形，可以继续接受沉积物，使地层厚度不断增大。若随着地壳运动上升，则低洼幅度就逐渐变小，接受沉积物就少，使沉积的地层厚度变薄。如果升到水面以上，则失去了低洼的形态，不但不接受沉积物了，反而使早先沉积的东西会被风化剥蚀掉。由此可见，不断下沉的盆地或坳陷对有机质的聚集才是有利的。这里提到了两个因素，一个是地层沉积，另一个是盆地下沉。它们在进行过程中都有一个快慢问题，前者叫“沉积速度”，这与沉积物来源的充足与否有关系;后者叫“沉降速度”，这与地壳运动的强弱有关系。二者要有恰当的配合是最为理想的。如果沉积速度小于沉降速度，就会使洼地内水体的深度相对增大，使有机质的下沉到底的距离加长。这样沉积物受水中氧的作用时间也就长了，对有机质会起到破坏作甩。如果沉积速度大于沉降速度，则洼地的水体会变浅，甚至干枯成为陆地，使有机质暴露在大气中受氧的作用，以致遭到更大的破坏。因此，有利于有机质保存的另一个地质条件，就是两种速度要大体相当，即沉降多少，沉积物就补充多少。这被称为“补偿性的沉积速度”。

要生成石油还有一个必须具备的地质条件，就是缺氧的“还原环境”。这就是要求接受沉积物后的洼地水体能保持封闭或半封闭，或富含有机质的沉积物能迅速被后来的沉积物所覆盖，使之与氧隔绝，防止有机质的氧化和逸散。

现代的生油理论还认为，生物体中的有机质先要转化成一种特殊的有机质，这种特殊有机质叫做“干酪根”，再由干酪根转化成石油。

这种转化要在一定的物理化学条件下才能实现，这个条件主要是地下温度。干酪根开始变成石油的温度范围大致是100~130°C，因为地下温度从浅到深是逐渐升高的，早先的沉积物不断被后来的沉积物所覆盖，埋藏也就越来越深，有机质只有在达到一定的埋藏深度时才能转化成石油。除了温度的因素以外，还与埋藏的时间长短有关，温度和时间两个因素可以互补。也就是说如果温度低一些但埋藏时间较长，或者温度高一些但埋藏时间较短，两种情况对干酪根转化成油的影响效果都是一样的。

可见，生成石油的地质条件是综合性的，它既需要在沉积过程中保持“补偿沉积速度”的条件，又需要使得沉积物能具有缺氧的“还原环境”，还需要有相应的地层温度(即要有一定的地层埋藏深度)的作用等多方面因素的配合，才能有效地生成石油。

五天然气的成因：

1 生物化学成因

有机质在未成熟阶段(R0+0.5%)由厌氧细菌经过生物化学降解作用生成气态产物。生物气化学成分以高含甲烷及低碳同位素为特征,一般甲烷含量297%,δ13C1+-55×10-3。生物化学气的生成一般发生在接近地表的较浅环境中,它通常发育在离地表300～700m深度范围内,向上可延伸至地表,形成通常所见的沼气。其实,沼气是生物化学作用气的特殊情况,它直接发生在地表环境中。

2 生物化学热解作用混合成因

生物化学气作用带向下可与热解气作用带相连,形成过渡带气(也称低

熟未熟气)。实际上,过渡带气是干酪根低温早熟的产物,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R0值大体在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学反应生成的气体,因此,它具有生成机理上的混合成因特点。目前所发现的过渡带气藏大多与陆源沉积作用有关,可能与其中的生烃母质有一定关系,但更重要的还取决于特定的地质条件和作用背景,过渡带气通常发育在条件适宜的陆相沉积湖盆中。

3 热裂解成因

热解气主要发生在原始沉积的有机质在其成熟阶段(R0=0.5%～2.0%)经热催化作用降解而形成的天然气。根据有机质母质类型又可分为来源于Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根(泥质岩类等)的油型热解气和主要来源于Ⅱ2型、,型干酪根(煤岩、煤系地层)的煤型热解气。裂解气的成因来源与热解气具有承袭性,同样可分为腐泥型和腐殖型两种。裂解气的化学组分以甲烷为主,重烃气含量极少,小于2%,甲烷碳同位素值偏重,腐泥型裂解气(-37～-30)×10-3,腐殖型裂解气(-35～-20)×10-3。2.1.4 复杂成因与改造成因主要由于构造作用变动,有机母质的生气作用可能出现复杂的变化过程,二次生气便是其中的重要表现。

六怎样追溯油气生成的条件

前面提到了石油和天然气生成的诸多条件，而这些条件都是在过去的地质年代中才有的，已经成为历史了，现代的人们怎样去认识几百万年甚至更早以前油气生成的历史呢?如果说历史学家认识人类历

史是研究史书的记载和各种文物的话，那么，地质学家追溯油气的生成条件就要去研究地层中生油层的各种信息。这里所指的生油层就是沉积岩层中的暗色泥岩层或碳酸盐岩层。使用现代的物理、化学分析手段，已经完全能够做到把它们在生成油气过程中，所残留下来的各种信息提取出来，加以研究和认识，不断地探索油气生成的条件。多年的石油勘探实践已经证明，凡是有油气田的地方都紧靠着油气发源地。所以，研究油气的生成不是单纯探索它们的形成条件，而是找油找气的一项重要任务。

追溯油气生成的条件，一般要考虑五个方面的问题：

首先，要看生油层中有机质数量的多少，通常称为“有机质丰度”。主要测定其中残留的有机碳含量，以确定一个地区有无生油层、有多少生油层，并把它们按一定的标准分成好的、中等的和差的生油层，进行分类评价。

第二，要看生油层中有机质质量的优劣，通常称为“有机质类型”。根据生物来源，把生油母质的干酪根分成三大类。第一类为腐泥型有机质，生物来源主要是水中的浮游动植物，为I型干酪根，属质量最好的有机质。第二类为腐植型有机质，生物来源主要是高等植物，为III型干酪根，属质量较差的有机质。第三类是介于二者之间的混合型有机质，为II型干酪根，是质量较好的有机质。实验室通过对样品的分析结果，按一定的标准确定一个地区的有机质类型，对有机质的质量作出评价。

第三，要看有机质是否已经生成了油和气，通常称为“有机质的成

熟度”，当具备一定数量和质量的有机质在一定的条件下转化成油以后，好比“生米煮成了熟饭”。换句话说，如果不具备生成石油的“火候”，有机质最多、最好也是没有什么实际价值的。所以研究有机质的成熟度是很重要的一环。分析数据所提供的信息，可以间接反映有机质在地下经历的温度过程。根据这些数据，把成熟度分为不成熟、生油高峰、湿气、干气（干气是指其成因与石油有关，而含乙烷以上的重烃很少，甲烷含量95%以上的可燃天然气。至于生物气和煤型气的成份与此相近，但成因不同，另当别论。）等四个阶段。评价有机质处在什么成熟阶段，可以告诉人们在某个地区是有利于找油还是找气。

第四，要看生成的油或气是来自那个生油层的，通常称为“油源对比”。即在找到油气后，运用“指纹化合物”(或称生物标志化合物)把油气与生油岩进行对比，就好象对比父母和孩子的血型一样，探索生油岩和油气之间的亲缘关系，研究所生成的油和气是来自那个生油层的。不难想象，提供油源的生油层越多，油源就越丰富，对形成油气田就更为有利。

第五，要估算资源量。根据有关参数，对已生成的油气量进行估算，为我们作规划、继续扩大勘探成果提供依据我们经常可以听到“油湖”和“油海”的说法，容易使人联想到石油就象湖泊和海洋一样在地下分布着，甚至有人担心，深怕我国边境油田的石油会流到外国去。其实，这是夸张的比喻带给人们的错觉，实际情况并不是这样。

七天然气成藏机理类型

1 常规天然气

主要受浮力作用控制的所有天然气聚集都可归属于常规天然气的范畴。

常规天然气与非常规天然气在成藏机理特征上差别明显。从成藏条件来看,需要有与输导体系相关的构造高部位,源岩与储层有一定的距离,构造顶部要有盖层;从成藏方式来看,浮力是天然气运移的主要动力,盖层毛细管压力是阻力,天然气通过置换水的方式不断向上运移,气水界面从顶部开始向下整体推进;从成藏特征来看,气藏最大成藏高度取决于盖层毛细管压力,圈闭富气,气水界面明显,位于气藏下方,气藏分布与源岩之间有一定的距离,成藏有利区主要在区域性低势能部位。

2 煤层气

煤层气贮存于煤层及煤系地层中,以自生自储方式为主,是目前已得到重视并形成规模性开发生产的非常规天然气藏类型之一。煤层气主要通过吸附作用将天然气聚集起来,为典型的吸附成藏机理,煤的储气能力与煤的变质程度、温度和压力有关。因此,天然气存在方式、成藏特征与常规圈闭气藏有较大差别。由于煤层气主要以吸附作用为主,游离气和溶解气比例很小,因此,可以不需要通常的圈闭存在。煤层气聚集与常规圈闭气的低势区聚集不同,其不受由高气势面构成的三维封闭的低气势而形成的圈闭的控制,只要有较好的盖层条件,能够维持相当的地层压力,无论

在储层的构造高部位还是低部位,都可以形成气藏。

3 根缘气

根缘气(也称深盆气)是一种有气水倒置关系、存在于构造低部位致密岩性中的有根状天然气聚集。形成根缘气需要构造位置、充足气源以及致密储层等条件。根缘气通常发生在烃源岩开始大量生气后,在储层构造下倾部位,由于天然气生成及不断注入,形成相对于天然气运移阻力更高的地层压力,受此压力推动,进入致密储层中的天然气沿构造上倾方向依次向地层压力相对较低的高部位推进。气体进入致密储层后,毛细管排驱压力成了天然气进一步运移的来自化学能的转化,可形成高于地层压力的排气压力,从而导致岩石薄弱面小规模破裂。当泥页岩中缺乏大规模断裂作用将已排出的天然气及时

运移出去时,天然气就近在裂缝中保存。这个过程包含两种页岩气成藏机理,先生成的天然气首先被吸附在泥页岩颗粒表面,表现为吸附成藏机理。随着生成量增加,天然气的聚集作用又可表现为典型的活塞成藏机理。如果天然气生成量继续增加,则天然气成藏表现为裂缝系统中的置换成藏机理。

4 页岩气

页岩气是以多种相态存在、主体上富集于泥页岩(部分粉砂岩)地层中的天然气聚集。页岩气藏中的天然气不仅包括了存在于裂缝中的游离相天然气,也包括了存在于岩石颗粒表面上的吸附气。据不同成藏条件,页岩气成藏可表现为典型吸附机理、活塞成藏机理或置换成藏机

理。由于天然气生成来自化学能的转化,可形成高于地层压力的排气压力,从而导致岩石薄弱面小规模破裂。当泥页岩中缺乏大规模断裂作用将已排出的天然气及时

运移出去时,天然气就近在裂缝中保存。这个过程包含两种页岩气成藏机理,先生成的天然气首先被吸附在泥页岩颗粒表面,表现为吸附成藏机理。随着生成量增加,天然气的聚集作用又可表现为典型的活塞成藏机理。如果天然气生成量继续增加,则天然气成藏表现为裂缝系统中的置换成藏机理。

5 水溶气

水溶气以溶解状态存在于地层水中,当地层水中的含气量丰度达到一定程度后,形成具有工业勘探开发价值的天然气藏。天然气在其生成、运移和聚集的过程中,始终与地层水保持密切联系,天然气在地层水中发生溶解作用而形成溶解气。天然气在地层水中溶解存在两种机理,一种是天然气分子与水分子作用形成水合分子;另一种则是天然气分子充填在水分子的间隙

中。这两种机理的溶解度大小都受到温度和压力的影响。压力增大,天然气在地层水中的总溶解度增大,反之则减小。温度对天然气在地层水中的影响比较复杂,当温度小于80℃时,天然气溶解度随温度升高而减小,当温度大于80℃时,溶解度随温度升高而逐渐增大。水溶气的成藏除了受温度和压力的影响外,还受地质条件和构造运动等因素的影响。

主要障碍。储层的致密性导致天然气很难以常规意义的置换形式向上

运移,从而形成气水倒置。由于储层的致密性以及天然气的大量生成,导致天然气把水整体向上排驱,形成了与常规圈闭完全不同的成藏方式,即典型意义上的活塞式成藏机理。

6 气体水合物

天然气水合物是由气体和水组成的冰状固态化合物。从结构化学上说,气体水合物就是甲烷与水的笼形结构物。据统计,1m3 饱和的气体水合物(在

其中100%的客体位置均被占据)含有164m3 甲烷(在标准温度、压力下)和大约0.8m3 的水。静水压力、沉积物表面温度、地温梯度和气体浓度是海洋中形成气体水合物条件。大陆极地地区深度小于150m,温度低于0℃,大洋沉积地区深度小于300m,温度在0℃左右[8],甲烷水合物在这个深度、温度范围能保持稳定状态。据适合气体水合物存在的温度和压力条件,气体水合物可出现在符合条件的陆区地质环境中,主要是高纬度的冻土带、大

陆斜坡和大洋盆地。目前对气体水合物形成机理争论较多,其中气体水合物成因方案可分为两种可能模式:先存天然气因温度或孔隙压力的有利变化而转变为天然气水合物;微生物成因气或热成因气从下部运移至气体水合物稳定带而形成气体水合物。

八小结

存在天然气成因机理序列与成藏机理序列,可

以从成因机理序列与成藏机理序列两个角度来划

分天然气类型。

(1)从有机成因机理来看,天然气可分为生物化学成因气、生物化学热解作用的混合成因气、热裂解成因气以及复杂成因与改造成因气等类型;从无机成因机理来看,无机成因气主要包含有无机盐分解气、变质岩气、岩浆岩气以及地幔气等类型。

(2)按成藏机理来划分,天然气藏主要有煤层气藏、页岩气藏、水溶气藏、根缘气藏、常规气藏及气体水合物等类型,每种类型都有各自的成藏机理特征。

(3)天然气成因机理分类与成藏机理分类不是孤立而是相互联系的,在此基础上分析前陆盆地与裂谷盆地的天然气藏分布规律,提出前陆盆地与裂谷盆地天然气的可能成藏模式。

地质学家追溯油气的生成条件就要去研究地层中生油层的各种信息。这里所指的生油层就是沉积岩层中的暗色泥岩层或碳酸盐岩层。使用现代的物理、化学分析手段，已经完全能够做到把它们在生成油气过程中，所残留下来的各种信息提取出来，加以研究和认识，不断地探索油气生成的条件。所以，研究油气的生成不是单纯探索它们的形成条件，而是找油找气的一项重要任务。