油气成因理论进展
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发布时间：2023-08-22 02:04
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时间：2023-08-23 14:25
由于原始有机质从沉积、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。在沉积有机质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 “未熟—低熟”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 “未熟—低熟”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。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，这就是 “未熟—低熟油”理论。这一理论的形成无疑将进一步充实与完善油气成因理论，促使油气资源评价技术方法的改进和发展，拓宽油气勘探领域。因而宜将早期与晚期生油说两种观点统一起来，把原始有机质生成石油和天然气视为一个统一的发展演化过程 ( 据张厚福，1999) 。
近年来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。20 世纪 60 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，80 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 ( 据张厚福，1999) 。
( 一) 未熟—低熟油形成理论
未熟—低熟油系指所有非干酪根晚期热降解成因的各种低温早熟的非常规油气，包括在生物甲烷气生烃高峰之后，在埋藏升温达到干酪根晚期热降解大量生油之前 ( Ro＜0. 7% ) ，经由不同生烃机制的低温生物化学或低温化学反应生成并释放出来的液态和气态烃。低熟油生成高峰阶段对应的源岩镜质组反射率 ( Ro) 值大体在 0. 2% ～ 0. 7% 范围内，相当于干酪根生烃模式的未成熟和低成熟阶段。
自 20 世纪 70 年代后期，国外学者从地质分析和实验室研究等多方面入手探讨了低熟油气的成因机理，并提出了不同的假说或模式，如树脂体早期生烃、木栓质体早期生烃、藻类生物类脂物早期生烃、干酪根早期降解生烃以及细菌作用等。许多国家和地区相继发现了低熟油气，我国渤海湾、柴达木、准噶尔等盆地都发现了低熟油气资源。我国地球化学界对低熟油的认识和研究始于 20 世纪 80 年代初，目前已取得了可喜的研究进展。王铁冠教授等在国内外研究成果的基础上，通过对大量中国油气盆地的实例解剖，分析了木栓质体、树脂体、细菌改造陆源有机质、藻类和高等植物生物类脂物以及富硫大分子 ( 非烃、沥青质和干酪根) 等五种不同原始母质的早期生烃机制。
1. 树脂体早期生烃
许多植物，尤其是热带和温带针叶植物，都可分泌出树脂，随母体植物埋藏在沉积物( 岩) 中的树脂可转化成树脂体。此外高等植物的蜡质、香脂、香精油等也可作为树脂体的生源母质，其中尤以树脂和蜡质最为重要。
在化学组成和分子结构上，树脂体由挥发性和非挥发性萜类馏分组成。挥发性馏分包括单萜、倍半萜和某些二萜烯类，均不易保留在树脂中; 非挥发性馏分主要为二萜烯酸类和三萜类，此外还有醇类、醛类、酯类和树脂素等。树脂酸作为含羧基的非烃生物类脂物，其化学成分、分子结构及聚合程度都比干酪根简单得多，树脂酸脱羧基、加氢转化成环烷烃的化学反应所必需的活化能和热力学条件，也较干酪根热降解生烃的条件低得多。因此，当干酪根尚处于未熟—低熟阶段时，树脂体可能在低温条件下率先早期生烃。实验和实际地质资料也表明，随着成熟度 ( 或实验温度) 的升高，煤和烃源岩中，无论是树脂体，还是三环二萜烯树脂生源标志物都发生骤减。这也说明存在树脂体低温化学反应生烃的机理。
2. 木栓质体早期生烃
木栓质体来源于高等植物的木栓质组织。在木栓质组织中，栓化层由木栓脂和蜡质交替叠合而成。木栓脂作为木栓质体的前生物，具有低聚合度和多长链类脂物的特点，决定了木栓质体可在低的热力学条件下，发生低活化能的化学反应，生成并释放以链状结构为主的烃类。
3. 细菌改造陆源有机质早期生烃
前人研究表明，一些细菌与脂肪酸、蛋白质通过去羧基、去氨基作用等化学反应，可得到类似石油的产物。沉积物沉积成岩过程中，在适宜的介质环境条件下，大量陆源有机质的存在，可以为细菌繁衍提供充足的碳源和能源，而细菌作用的结果又对陆源有机质进行降解改造，细菌类脂物成分代谢产物的加入，可反过来改造陆源有机质的结构，增加其H / C 原子比，提高富氢程度和 “腐泥化” 程度，并使有机质热降解或热解聚、脱官能团与加氢生烃反应所需要的活化能降低，从而有利于生成低熟油气。在某些低熟原油及烃源岩的饱和烃和芳烃馏分中，细菌生物标志物十分丰富，这也表明低熟油与细菌活动及其生源贡献密切相关。
4. 高等植物蜡质早期生烃
高等植物蜡质是指覆盖于植物茎、叶、花和果实表面的蜡状薄层。在化学组成上，蜡质主要是一元长链脂肪酸和一元长链脂肪醇所形成的脂类，此外，还含有 C21—C27奇碳数正烷烃、C24—C34偶碳数游离脂肪酸、长链单酮、伯醇和仲醇以及 β － 羟酮等。蜡酯类易于水解形成长链脂肪酸和长链脂肪醇。所有含羧基、羟基和酮基官能团的长链化合物，经脱官能团形成原油中 C22 +正构烷烃，这类化学反应过程无需高活化能，可以在低温阶段完成。
5. 藻类类脂物早期生烃
藻类活体的细胞壁通常分内外两层，内层为多糖成分的原纤维层内壁，外层为三层结构的外壁。内壁包裹的细胞质中具有一些油珠，外壁内镶嵌大小不等的油珠，并不断分泌油状物质。这些油状物质构成藻类的储备类脂物，其主要成分确定为脂肪酸和烃类。在化学成分上，所有藻类均以蛋白质和脂肪物质含量比较高为特征。
藻类死亡埋藏后，其细胞有机质和细胞内类脂物聚合成藻类体，成为干酪根的重要成分，而游离的油状物则作为藻的储备类脂物演化为可溶性的非烃 － 沥青质混合物，存在于未成熟的有机藻或藻类体中。藻的生物类脂物均属分子结构简单的含氧官能团的非烃化合物及部分烃类，未发生明显的聚合作用，只要具备还原性的沉积成岩条件，在低温化学反应阶段，即可转化成链烷烃和环烷烃，成为低熟油的主要成分。
6. 富硫大分子有机质早期降解生烃
干酪根中不同原子间的键能有明显差异，其中 S—S 键平均键能约为 250kJ/mol，S—C键约为 275kJ / mol，而 C—C 键则为 350kJ / mol，因此，干酪根早期低温降解作用只能使 S—S 和 S—C 键断裂。由此可见，只有富硫大分子有机质才能在干酪根早期降解阶段形成低熟油。生物体中本不富集硫和含硫化合物，富硫大分子化合物的形成一般归结于早期成岩阶段无机硫与有机分子的加成反应，并且要求具有还原性沉积环境。沉积盆地水体咸化至硫酸盐相阶段，有硫酸盐沉积，但硫酸盐中缺少铁，沉积物中细菌还原硫酸盐提供一定数量的无机硫，与具有两个双键的链烯烃有机分子起加成反应，形成大量硫化物进入大分子有机质。因此，硫酸盐相沉积环境有利于形成富硫大有机质，S—S 键、S—C 键的优先断裂机理有利于低熟油形成。
( 二) 煤成烃理论
目前，人们已经普遍认识到煤系地层不仅能够生成天然气，而且能够生油，但是只有在特定的地质条件下，才可以形成商业性油气藏，甚至形成大规模的油气聚集。这些由煤和煤系地层中集中和分散的陆源有机质，在煤化作用的同时所生成的液态烃类被称为煤成油。
1. 煤的有机组成及其成烃潜力
目前有机岩石学家和石油地球化学家普遍认为，煤是生气还是生油及其生成液态烃的能力大小，与煤的类型和显微组分组成密切相关。富含富氢显微组分无定形体、藻质体及其他壳质体的煤，均有生成液态烃的能力; 而富含贫氢显微组分镜质组和惰质组的煤，与Ⅲ型干酪根相似，以生气为主。在很大程度上，煤的液态烃生成潜力取决于富氢组分壳质组含量的多少。煤的显微组分或生烃母质在相同成熟度时的 H/C 原子比是决定煤生气或成油潜力的基本因素，即壳质组的成油气潜力最大，镜质组次之，而惰质组最差。同时，各种壳质组 ( 树脂体、角质体、孢子体和藻质体) 具有不同的生烃潜力、不同的生烃门限，不同的产物组成和不同生油窗峰态和峰值。煤中主要显微组分的生油 ( 烃) 能力从大到小的顺序为: 壳质组、镜质组、惰质组。
王铁冠对采自我国 12 个盆地的煤样进行有机岩石学分析，结果表明褐煤的显微组分以腐殖组为主 ( 占 60% ～92% ) ，含有相当数量的壳质组 ( 可达 14% ～24% ) ，而腐泥组和惰质组含量相当低。壳质组组分为壳屑体、树脂体、角质体和孢子体等，树脂体含量达5% 以上。壳质组 + 腐泥组含量达到 15% ～ 20% 。如吐哈盆地褐煤的显微组分以镜质组为主，惰质组中以高含量的半丝质体为特征，镜质组中以具暗褐色至棕色荧光的镜质组为主。壳质组含量与其他地区的煤相比并无特别之处，但却富含木栓质体、角质体和孢子体而引人注目。
2. 煤成烃的地球化学特征
煤成烃一般具有饱和烃含量高、非烃和沥青质含量低的特点。如澳大利亚和加拿大典型的煤成油，非烃 + 沥青质小于 10% ，这与煤的抽提物组成相反。我国煤成油的组成也具有类似的特征，饱和烃含量较高，可达 50% ～ 80% 。正构烷烃中高碳数组成含量高，在正构烷烃的奇偶优势、主峰碳、碳数分布范围及其随成熟度的演化等方面，煤成烃与一般的陆源石油基本相似，但往往煤成油的高碳数峰更为突出，CPI 值较高。煤成烃最明显的特征是具有姥鲛烷优势 ( Pr/Ph ＞2) ，这与成煤的早期环境的偏氧化性有关。高等植物生源的环烷烃及其衍生物，富含三萜烷，具明显的藿烷类和 C29甾烷的优势，含有比较丰富的各种芳香烃类。煤成油的碳同位素组成以高子 δ13C 值 为 特征，一 般 为 － 27‰ ～－ 25‰，多数出现在 － 26. 50‰ ～ － 26. 00‰。
3. 煤的生烃模式
沥青化作用是煤的显微组分的主要演化途径，沥青化作用的结果，一方面是产生石油和天然气; 另一方面是固体残余产物进行芳构化和缩聚作用。煤中不同显微组分沥青化作用是不一致的。由于煤中各显微组分发生沥青化作用的时期不同，其生烃特征和演化模式存在差异 ( 图 5 －26) ，造成煤中液态烃的生成具有多阶段性，因此，不同演化阶段各种显微组分对生烃的贡献有别。例如，吐哈盆地煤成烃存在两个显著的生烃阶段，基质镜质组和木栓质体的主要生烃阶段发生在未熟—早期成熟阶段 ( Ro为 0. 4% ～0. 7% ) ; 而角质体和孢子体则在晚期成熟阶段 ( Ro为 0. 5% ～0. 7% ，主生油期 Ro为 0. 9% ) 。
图 5 －26 煤中不同显微组分生烃模式( 据程克明，1995)
