第2讲 油气成因理论

第二讲 石油与天然气的成因理论
第一节 有机成因说与无机成因说 第二节 唯海相生烃与陆相生烃理论 第三节 有机成因的早期与晚期生成理论 第四节 煤系地层成烃理论
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激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。
（4）陆相沉积盆地能否生油？煤系地层是否能够生油？
第一节 有机成因说与无机成因说
十八世纪七十年代以来，对油气成因问题的认识， 基本上可归纳为无机生成和有机生成两大学派。
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应，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。
3）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 裂隙分离出来。
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。
3．岩浆说
陆相生油的发展阶段
从陆相生油理论的发展过程来看，大致经历了地质推 测、岩石化学、有机地球化学三个主要阶段。 （1）在30至40年代，中国石油地质学家孙健初在酒泉西 部盆地调查了石油沟第三系油苗后指出其生油层是陆相 白垩系地层。 （2）50年代中期，随着我国石油工业的发展，陆相生 油理论的研究从地质推测阶段步入岩石化学分析阶段。 （3）进入70年代后，由于地质实验技术的发展，我国 开始对各含油气盆地的生油岩有机质类型、生油门限温 度、有机质热演化特征、原油与生油岩的亲缘关系等进 行系统研究。
（4）石油的灰分分析结果，表明了石油与煤具有同源性。
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 生代的石油灰分则主要含氧化钒和氧化镍（低于60~80%）。将石油灰分 与岩石圈比较，大大富集了几种元素：其中钒2000倍；镍1000倍；铜50 倍；钴30倍。 甚至还富集了铅、锡、锌、银等元素。而在石油与煤的灰分对比中，发 现沉积岩的基本元素富集系数都在1~5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10~1000；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。
由于石油、天然气的化学成分比较复杂，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。 关于油气成因的争论焦点主要集中在以下几个方面： （1）油气的来源是有机成因的还是无机成因的？ （2）油气的生成是高温条件还是在低温条件下生成的？ （3）有机质生成油气的时间，是其演化的早期还是晚期？
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（Э．Б．Чекалюк，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）代替石墨反应器，在高压 6000~7000MPa和高温1800oK下，几分钟后由反应 器中分离出易挥发组分，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(Гутенберг)层内，在温 度超过1500oK、压力5000MPa下，由于有FeO及 Fe3O4的参与，H2O与CO2还原而成烃类。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]。
三、有机生成因的早期与晚期生成说
在油气有机生成学说中，存在着早期生油说与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）达到成熟， 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、演化与分布规律，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贡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]。这表明自然 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。
二、有机成因说
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。
随着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。
上述重要事实的存在，大大促进了石油有机生成理论的发 展；特别是近代物理学、化学、生物学及地质学等基础理论 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。
（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。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.и高尔斯卡娅对里海、黑海及谢万湖的近代沉积 物进行研究，这些这也为油气有机成因学说提供有力的科学 依据。
2．宇宙说
由俄国学者В．Д．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。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；随地球冷凝，碳氢化合物被冷凝岩 浆吸收，最后凝结于地壳中而成石油。宇宙说的基本论点为：
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发展的早期阶段，例如在温 度≤1000℃时，甲烷可按下列方式生成： CO+3H2CH4+H2O CO2+4H2CH4+2H2O
1949年10月3日，前苏联学者H.A.库得梁采夫在发表宇宙说 六十周年纪念日的同一讲坛上，提出了石油起源岩浆说，并且 强调要发扬几乎பைடு நூலகம்遗忘了的宇宙说。 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。
四、煤系地层的生油理论
石油有机成因理论的又一进展是煤成烃理论的发展与完善。 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与中、新生代 煤系地层有关的油气田，这表明，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与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
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。 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。而在与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。而且，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，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。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。
（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则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。
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则以环烷烃类为主；但是，大多数 石油的化学组成十分相似，按重量计算，含碳80~88%、含氢10~14%， C/H比值在5.9~8.5之间。，
二、唯海相生烃与陆相生烃理论
在油气勘探初期，石油大部分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。特别是在五六十年代，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，甚至大 油田，如大庆油田。国外石油地质学家也注意到陆相地层生油 问题。 事实表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。