油气地球化学知识框架

油气地球化学

第一章生物有机质组成与沉积模式

第一节有机质的形成与全球碳循环

一、生命的起源与演化

二、光合作用

三、对地球上有机质有主要贡献的生物

1、浮游植物（时间长、水体面积高、繁殖率高）

2、细菌（时间长、分布广、适应性极强、繁殖快）

3、高等植物（出现晚，分布在陆地保存难、可富集演化为煤层）

4、浮游动物（食物消费者产率低、低等浮游动物数量较大）

四、有机碳的循环

1、有机圈

2、有机碳的循环 (1)生物化学亚循环 (2)地球化学亚循环

第二节生物有机质的组成和性质

一、碳水化合物

二、蛋白质和氨基酸

（一）蛋白质

(二)氨基酸

(三)酶

三、脂类

1．脂肪酸

2．腊

3.萜类和甾类化合物

4.甾族化合物

四、木质素和丹宁

五、色素

第三节有机质沉积模式

一、有机质沉积的控制因素

1、生物控制因素:微生物降解、原始生产速率

2、物理控制因素:有机质沉积速率、沉积环境、有机质的搬运作用

二、缺氧环境的类型

1、大型缺氧湖泊

（1）深水是缺氧湖泊发育的重要条件

（2）缺氧湖泊的发育与纬度有关

（四季变化明显的湖泊底水含氧量大,热带湖泊含氧量少）

2、海相缺氧环境

(1)缺氧封闭局限海盆

(2)由上升流形成的缺氧沉积

第二章沉积有机质组成及成岩演化

第一节腐殖质的组成、结构和性质

1、腐殖质的概念：是指土壤、天然水和现代沉积物中不能水解的、不溶于有机溶剂的暗色有机质。

2、腐殖质的形成、提取及分类

(1)形成

有机质受细菌作用后剩余的木质素、氨基酸、脂肪酸、酚、纤维素等在微生物作用下缩合而成（在强还原环境下可以不形成腐殖质）

(2)提取与分类

富啡酸（FA）、胡敏酸(HA)、胡敏素

(3)腐殖酸元素组成

主要为C、H、O、S、N，其中C、O两项占90%以上

3.腐殖酸的结构

A富克斯结构模型 B费尔伯克结构模型 C特拉古诺夫结构模型 D库哈连科结构通式

4.腐殖酸的物理化学性质

(1)胶体性和可溶性

(2)明显的酸性

(3)亲水性

(4)热解性质

5.腐殖质的演化

第二节可溶有机质

一、可溶有机质的定义

凡是被中性有机溶剂从沉积岩（物）中溶解（抽取）出来的有机质称为可溶有机质，或可抽提有机质，也成为沥青。

可溶有机质的分类

沥青A：使用有机溶剂从沉积物或岩石中直接抽提出来的可溶有机质。

沥青B：有机溶剂抽提后的残渣，经高温热解后再用有机溶剂抽提出来的可溶有机质。

沥青C：使用有机溶剂从酸(HCl)处理过的沉积物或岩石中抽提出来的可溶有机质

二、氯仿沥青“A”的族组分

(1)油质：溶于石油醚而不被硅胶吸附的沥青部分

主要由烃类组成，在氯仿沥青中约占20～50％；

腐泥型有机质中数较腐殖型有机质多；

腐泥型有机质中油质主要是脂肪化程度高的烷烃-环烷烃；

腐殖型有机质中油质所含环烷-芳香烃稍多于烷烃-环烷烃。

(2)胶质：用苯和乙醇-苯从硅胶解吸的产物

含硫、氮、氧的复杂含碳化合物

腐泥型有机质中数较腐殖型有机质少

胶质又可分为苯胶质和乙醇-苯胶质(酸性较强)

(3)沥青质：溶于氯仿但不溶于石油醚的沥青部分

高分子化合物含量较胶质增加

显微镜下为胶状颗粒，由稠环芳香烃和烷基侧链组成

腐泥型有机质中数较腐殖型有机质少

四、氯仿沥青元素组成

氯仿沥青主要由C、H、O、S、N元素组成；平均来说，C的含量在84％左右，H的含量在10％左右，三种杂元素含量在6％左右。

第三节有机质的成岩演化

（1）沉积物成岩作用

沉积物沉积以后在埋藏过程中受温度、压力等外界因素的作用，失水、压实、胶结、溶解等固结成岩的过程。通常指沉积物沉积之后直到变质作用之前的整个过程。

（2）成岩作用阶段的有机质演化

有机质成岩演变的主要营力：微生物作用

（3）微生物的分布

整个成岩环境，主要为80摄氏度以下的成岩环境；

沉积物顶层细菌非常多, 主要为喜氧细菌, 深处主要为厌氧细菌；

细菌可在淡水和高饱和盐溶液量繁殖；

在一些极端环境中，如火山热泉、冰冻极区中都有细菌存在。

（4）微生物的代机制

分解—分子结构由大变小被简化

合成—分子结构由小变大被复杂化

（5）沉积物中细菌对有机质的作用

（6）埋藏深度与厌氧细菌活动的强度

0~1-2米，沉积表面向下细菌迅速减少，细菌活动强度的迅速降低主要是由于氧气的减少，使喜氧和兼氧细菌死亡。

2~150米，已无沉积的初始养料供细菌使用，故细菌活动仍处于低潮，同时沉积有机质不断缩合，腐殖质干酪根不断生成，并代替了沉积有机质。

150~400米，温度升至20~25 ℃，细菌利用新生成的腐殖酸和干酪根及其分解产物以及死亡的细菌作为养料，细菌活动复(其中发酵菌首先复)。

400~1000米，特别是700~1000米深度段，地温升至 35~45 ℃，最有利于甲烷生成菌生存，同时有机酸养料丰富，是细菌活动的又一高潮有大量生物成因甲烷生成。

1000~1800米，温度升至70~80 ℃，甲烷生成菌死亡，生物甲烷

不再生成。细菌作用让位于热解作用。

第三章干酪根结构特征与研究方法

第一节干酪根定义及分离方法

（1）干酪根的研究历史

（2）干酪根的分离方法

（3）干酪根研究的常用方法

1、光学类方法（显微镜、SEM、荧光显光镜）

2、化学类方法（元素分析、稳定同位素、热解分析、超临界抽提、氧化分解）

3、物理类方法（IR吸收光谱、X-ray、核磁共振NMR、顺磁共振ESR）

第二节干酪根的光学特性研究

一、干酪根的显微组分和光学特征

1)显微组分

1、腐泥组

2、壳质组

3、镜质组

4、惰质组

2）显微组分应用

1、划分干酪跟类型

2、生油潜力的预测

二、干酪根的颜色及其变化

未成熟干酪根色浅，为淡黄色，随T、P的上升，热降解进行，

干酪根不断降解、缩合、结构紧实，因此颜色加深：黄→桔→

棕→黑色。而且色度是不可逆的。

三、镜质体反射率

1.概念

2.镜质体反射率测定方法

3.镜质体反射率的应用

成熟度的标尺、古地温预测、剥蚀厚度的恢复

4.Ro的局限性

(1)、当干酪根类型较好时，即显微组份中壳质组占优时，Ro数值降低，原

因是富氢组份在降解生烃中残碳盖在镜质体之上，使反射光强度降低。

(2)、在下古生界、海相碳酸盐岩等缺乏高等植物输入的岩层中镜质体少或

无，镜质体反射率测不准或测不到。

5、Ro为什么能够反映成熟度

镜质体是凝胶体，以芳香结构为主，在T、P作用下，脱水、脱烷基侧链，结构由松散无序向紧实有序转化，芳香片间距缩小，密度增大，从而反射率增大，这个过程是不可逆的，所以可用它反映成熟度。

第三节干酪根研究的化学方法

一、干酪根元素组成

主要为：C、H、O、N、S,此外还含有少量磷和金属元素

1）什么是造成元素组成的差异？

（1）、母质来源（2）、沉积环境（3）、演化程度

2）干酪根有机元素分析

（1）、碳、氢分析（2）、氧分析

3）干酪根元素组成及应用

二、干酪根的稳定碳同位素组成

（一）稳定碳同位素分馏原理和表示法

1. 化学反应中的同位素交换作用

2. 光合作用的动力效应

3.物理—化学效应

（二）稳定碳同位素分析方法

（三）干酪根δ13C的组成和应用

1.干酪根的δ13C决定于先质的δ13C

2.干酪根δ13C分析母质组成和沉积环境

3.地质历史中干酪根δ13C的分布

4.干酪根δ13C指示成熟度研究

三、干酪根热解分析

（一）岩石评价仪

（二）应用指标

1.确定干酪根类型

2. 干酪根演化程度

3. 评价烃源岩优劣

（三）热解气相色谱-质谱联用技术

(四) 干酪根生烃的热模拟实验研究

第四节干酪根研究的物理学方法

一、干酪根红外光谱分析及其应用

1.红外光谱分析原理

2.分子振动形式

3.干酪根中各基团的振动及红外特征吸收位置

二、X-ray衍射研究干酪根

1. X-ray衍射分析原理

2. X-ray衍射分析及谱图

3.干酪根X-ray衍射指标与应用

三、干酪根的ESR研究

1.基本原理

2.地球化学意义

四干酪根的NMR研究

1 .基本原理

2 .干酪根1H NMR谱图及应用

第五节干酪根的结构模型与成烃模式

一、干酪根的结构模型

I型干酪根

Ⅱ型干酪根结构

Ⅲ型干酪根结构

二、干酪根的成烃模式

1.有机质演化的阶段性

2.干酪根成烃演化规律

3.影响干酪根成烃演化的因素

第四章生物标志化合物

第一节基本概念与分析方法

一、概念

二、生物标志物的研究意义

三、生物标志化合物的分析

1.岩石中可溶有机质抽提

2、族组分分离测定

3、色谱技术

4. 色谱-质谱联用技术

第二节正烷烃和无环异构烷烃地球化学特征

一、立体异构的若干概念

1.分子的手性和构型

2.构型的表示法

二正构烷烃

1.正烷烃的物理和化学性质

2.烃源岩、原油中正烷烃的主要来源

3.正烷烃反映的沉积环境

4.正烷烃反映有机质或原油成熟度

5.油源对比

6. 生物降解

三、无环类异戊二烯烷烃

第三节二环—五环异戊二烯烷烃

一、二环倍半萜烷

地化意义：1、反映陆源有机质的输入 2、油源对比 3、成熟度研究

二、三环二萜烷

地化意义：1、三环二萜烷的碳数分布可反映有机质成熟度 2、三

环二萜的相对分布可用于油源对比

四、四环萜烷

五、五环三萜烷

第四节藿烷系列物的组成和地球化学意义

一、藿烷的结构和命名

二、藿烷来源与转化

目前绝大多数学者认为藿烷类系列化合物主要来源于原核生物或细菌。

普遍认为藿烷类大多来源于一个Ｃ30的里白烯或一个Ｃ35的细菌藿烷四醇。

三、藿烷类化合物的鉴定

四、藿烷的地球化学意义

第五节甾烷的组成和地球化学意义

一、甾烷系列物

二、规则甾烷

1. 结构

2. 来源

3. 规则甾烷的异构体

4. 规则甾烷的鉴定

5. 规则甾烷的应用

1、应用于成熟度的研究

2、应用于有机母源特征的研究

3、应用

于油源对比的研究

三、重排甾烷

三、4-甲基甾烷

四、低分子量甾烷

五、芳香甾族化合物

1.芳香甾族化合物的形成

2.芳香甾烷的地球化学意义

A. 反映有机质和原油的成熟度

B.原油单芳甾的分布反映烃源岩岩性和海陆相

第六节芳烃化合物及其地球化学意义

1、单环芳烃

2、多环芳烃

1)萘系列化合物

2)菲系列化合物

3)三芴系列化合物

4)其他多环芳烃

3、环烷—芳烃

第七节含氮化合物组成和研究意义

一、卟啉

(一)结构和分布

地质体中的卟啉是植物叶绿素和动物血红素的衍生物.

（二）卟啉的分析和鉴定

卟啉含N 、含金属元素,属杂环复杂化合,它存在于原油或沥青A中的

胶质和沥青质中.

（三）卟啉的石油地化意义

1、成熟度研究

2、沉积环境分析

3、油源对比和运移方向分析

二、其它含氮化合物

第五章天然气成因类型和评价

第一节天然气成因及其分布

一、生物成因气

(一)生物气的形成

在还原环境下，有机质在厌氧细菌的作用下发酵形成CH4,甲烷

气的形成一般分两个阶段：1、产酸阶段 2、产甲烷阶段

(二)生物气的标志

干：干燥系数大(C1/C1-C5)

轻：同位素组成δ13C1 <-55‰.

(三)生物气的分布

1、生物气成因类型和生成机理

乙酸发酵生成甲烷

二氧化碳还原生成甲烷

烃源岩生物降解生成甲烷

原油生物降解生成甲烷

低温热催化生成低熟气

2、稠油降解气的成因机理与成藏条件

3、生物－热催化过渡带气的概念与判识指标

过渡带气的甲烷碳同位素δ13 C1主要为－60‰～－45 ‰

源岩演化程度Ro在0.3％～0.6％围

过渡带氢同位素主要在－280‰～－180‰，主体小于－200‰

说明源岩以淡水沉积环境为主

二、热解成因气

（一）控制生气的因素

温度和时间

原始母质的类型和结构

氢的来源

催化作用

与矿物质的结合程度

（二）有机质的演化规律

（三）有机质的类型和结构

ⅠⅡ型：脂链多、含氧链少、脂链长、主要生油，

芳香结构少、生成湿气、H2不足。

Ⅲ型(包括煤)：含氧链多、脂链短、主要生气

芳香结构多、生成干气、可产生游离H2。

（四）生气阶段和两个生气高峰

第一个高峰期，主要是Ⅲ型有机质的生气高峰

第二个生气高峰，发生在油裂解为气的阶段

三、深源气

四、特种天然气的成因

（一）氮气

1、第一阶段和第二阶段的蛋白质→氨基酸→烃+NH3→N2在生物气场合下，N2多，则CH4少，因为环境的还原程度不够。

2、在第四阶段，杂环化合物在高温下分解出N2。

3、大多数浅层N2的来源：有机质分解出的NH3与含铁的氧化物发生

氧化还原反应

（二）H2S

1 生物成因

1、微生物同化还原作用和植物的吸收作用形成含硫有机化合物，如含硫的维生素或蛋白质等，尔后在一定的条件下分解而产生硫化氢。

2、硫酸盐还原菌对硫酸盐的异化还原代而实现——硫酸盐还原菌利用各种有机质(以 C 代表) 或烃类(或油气)作为给氢体来还原硫酸盐, 在异

化作用下直接形成硫化氢

2. H2S的热化学成因

（1）热化学分解成因是指含硫有机化合物在热力作用下，含硫杂环断裂形成硫化氢, 又称为裂解型硫化氢。这种方式形成的硫化氢丰度一般<2%。

（2）硫酸盐的热化学还原作用

3 火山喷发成因

地球部硫元素的丰度远高于地壳，岩浆活动使地壳深部的岩石熔融并产生含硫化氢的挥发成份，所以火山喷发物中常常含有硫化氢(如火山喷溢形成的包裹体中多数富含硫化氢)。而硫化氢的含量主要取决于岩浆的成分、气体运移条件等，因此火山喷发气体中硫化氢的含量极不稳定，而且也只有在特定的运移和储集条件下才能保存下来。

（三）CO2

1.有机成因

（1）腐植型有机质富含含氧官能团。在演化过程中，这些官能团便会脱落形成CO2。

（2）有机质或储层中的石油可以通过细菌作用，或被地下水中的氧和硫酸盐、围岩中的硫酸盐氧化生成CO2.

2.无机成因

（1）由于碳酸盐岩中Al、Mg、Fe和Mn等杂质的存在，大大加快了碳酸盐岩的分解速度，降低了它的分解温度。因此地层中碳酸盐岩的高温

分解，被认为是CO2大量聚集的主要原因。

（2）火山喷发和岩浆活动也是CO2气体的一个重要来源

（3）CO2气占火山气体组成的第二位，在火山喷发衰弱及以后的热液阶段，都会有大量CO2沿裂缝进入地层。

第二节天然气成因类型的识别及评价

一、用天然气组分识别天然气成因

干燥系数

重烃

苯指数

湿度

二、碳同位素组成用于天然气成因识别

一）δ13C在石油中的分布

二）碳同位素组成在识别不同成因天然气中的应用

三、稀有气体及其同位素

第三节煤层气与页岩气简介

一、煤层气

（一）、煤层气地化特征

1、组分特征

2、碳同位素特征

（二）、煤层气吸附特征及影响因素

（三）、控制煤层气成藏的两大关键因素

二、页岩气

1.概念

2.发展

3.技术关键

第六章烃源岩评价及资源量估算

第一节有效烃源岩的分布与评价问题

(一) 国外典型有效烃源岩

1. 绿河页岩

2. 西西伯利亚白垩系烃源岩

3. 中东地区侏罗系烃源岩

(二) 有效烃源岩的特征

岩性特征：泥岩、页岩、细粒碳酸盐岩，单层厚度不大，多层或韵律层发育，有机质富集纹层与矿物富集层交互的页岩

有机质丰度高：TOC在1%以上、2%以上，甚至在5%以上

有机质性质：丰度高、类型好，煤系有机质类型差但丰度高。

(三)有效烃源岩形成的控制因素

层序的控制

沉积相的控制

热演化成熟度控制

岩石性质和岩石组合对排烃的控制

温度和压力等外界条件的控制作用

(四)优质烃源岩的沉积环境

(五)有效烃源岩的识别和研究方法

(1)确定有效烃源岩层段

(2)非均质研究

(3)演化阶段分析

(4)生排烃模式分析

(5) 分布预测

（六）烃源岩非均质性的研究

1.烃源岩非均质性概念

2.烃源岩非均质性表现尺度

3.烃源岩宏观非均质性特征

4.烃源岩微观非均质性特征

5.烃源岩非均质性的描述方法

6.烃源岩非均质性描述参数

7.烃源岩非均质性评价

第二节资源量估算方法

一、体积法

（一）沥青A或烃类法

（二）有机碳法

（三）聚集法

二、比较法

三、化学动力学方程法

第七章油气地球化学应用简介

第一节油气地球化学勘探

一、油气藏烃类迁移作用及其模式

二、油气藏烃类逸散迁移的模式

1.地下烃类运移至地表的方式

(1) 扩散迁移

(2) 对流迁移

2.地下烃类运移至地表的证据

三、地表地球化学异常

1.烃类物质

2.非烃类物质

3.其他效应

三、地表地球化学异常与地下油气藏的关系

四、油气化探技术

1 酸解烃分析

2. 土壤中热释碳酸盐ΔC分析

3.土壤热释汞

4. 活性炭吸附烃分析

5. 荧光光谱分析

五、野外化探施工：样品采集

六、化探数据处理和解释

第二节油藏地球化学简介

一、油藏地球化学的理论基础

1.油藏的充注作用

2.油藏流体的混合作用

3. 沿充注方向和运移方向石油化学组成的变化特征

4. 焦油席的形成机理

二、油藏地球化学的主要研究领域及方法

1. 油藏地球化学描述

2. 油藏分隔性的地球化学研究

3. 应用原油色谱指纹技术研究合采井产量贡献

4. 其它方面的应用

第三节成藏研究中的应用

一、油气源对比

1、油源对比的原理

2、参数的选择

3.油源对比要注意的问题

二、油气运移／油藏充注途径的示踪