[科普中国]-油气成因

发展阶段

油气成因理论的发展大致经历了四个阶段，即无机成因说、早期有机成因说、晚期有机成因说和以晚期有机成因为主但兼顾其它因素贡献的成烃理论。由于石油工业早期找到的更多的是油，因此早期的油气成因理论更多关注的是油的成因问题。但现代的石油成因理论应既包括油也包括气。1

油气的无机成因说无机成烃说认为，油气是由无机化合物经化学反应形成的。它们或者是由地球深部高温条件下原始碳或其氧化态经还原作用形成，如门捷列夫（1876）提出的碳化说，库德梁采夫（1951）提出的“岩浆说”；或者是在宇宙（地球）形成初期即已经存在，后来随着地球冷却被吸收并凝结在地壳的上部，由这些碳氢化物沿裂隙溢向地表过程中便可形成油气藏。如索柯洛夫（1889）、Gold等提出的宇宙说。这一观点在二十世纪三十年代之前占支配地位。

按照这一学说，无机成因油气不仅存在，而且远景巨大，将有可能比有机成因的油气潜力大得多，其蕴藏量几乎是取之不尽的（陈沪生，1998）。较典型的有如对中东油气富集的认识：波斯湾地区几十个油气田分布在一条500英里长的地带，占地球表面积不到2%，却拥有世界可采储量的50%以上。这些油气藏显示了很宽的地质年龄谱；而且烃类产在构造和地层变化都很大的环境中，各种圈闭都是严重泄漏的，油气渗流随处可见，且由来已久；显然是一种过度供给的情形。这里的石油组成极为相同，因而推测它们是同一来源。但这个来源是什么呢？不少地质学家认为可能是地幔来的无机成因烃源。1

油气的早期有机成因说石油有机成因的早期说认为，石油是由沉积物（岩）中的分散有机质在早期的成岩作用阶段经生物化学和化学作用形成的。即这一学说认为，石油是在近现代形成的，由许多海相生物中遗留下来的天然烃的混合物，即它仅仅是生物体中烃类物质的简单分离和聚集。由于此时的有机质还埋藏较浅，故也被称为浅成说。这一学说在十九世纪末期即被提出，但在上世纪三十年代到六十年代，受到更多的关注。

概括起来，支持油气（早期）有机成因学说的主要证据有：

（1）99%以上的石油产自于与有机质密切有关的沉积岩，产油的储层岩系与富含有机质的细粒岩石有密切的关系。

（2）许多生物标记化合物，如卟啉、异戊二烯型烷烃、甾烷、萜烷，在原油中的普遍存在及石油的旋光性强烈支持其有机成因。

上述具有特征、复杂结构的生物标记化合物只可能由生命过程合成。无机过程虽然也能合成具有旋光性的手性碳原子结构，但它所合成的左旋、右旋结构一般相当，从而表现不出旋光性，只有生命体中才能选择性的合成单一的结构，而体现出旋光性。

（3）石油和动植物残体之间的组成及碳同位素组成的相近性提供了两者之间成因联系的进一步证据。

（4）在近代沉积物（如深海钻探计划（DSDP）的取样中）和有关的生物体中存在烃类及有关的化合物。如Smith（1954）引进先进分析技术，首次在现代沉积物中发现了烃类。这是一次飞跃性的突破，为此获得了诺贝尔奖。

（5）部分油气区的勘探实际显示，形成较早的圈闭（如浅于600m）有油气聚集，而较晚的圈闭则为空圈闭，表明了石油的早期生成和早期运移、聚集、成藏。

但这一学说也存在明显的弱点和不足，主要体现在：

（1）于沉积物和生物体中发现的烃类和原油中的烃类存在非常大的差别，例如，许多现代沉积物中的正构烷烃存在明显的奇偶优势，但绝大多数原油中的

正构烷烃却没有奇偶优势。

（2）存在于生物体和年青沉积物中的烃类数量太少，远不足以形成勘探所发现的商业性的石油聚集。据保守估计，要形成商业性的石油聚集，沉积物中的烃浓度至少需要几百ppm以上，而事实上，沉积物中烃浓度小于几十ppm。

（3）大多数原油产自于埋深1000m以深的产层中，而不是像浅成说所期待的哪样产于较浅处。因此它也不能很好地指导油气勘探实践。

因此，尽管也有人直到上世纪九十年代还坚持认为，石油主要是有机质在浅埋的早期阶段生成并运移、聚集、成藏的，现今多数油藏显示成熟的特征是它们在储层中进一步熟化的结果，但绝大多数的证据并不支持大量石油的早期生成。1

油气的晚期有机成因说晚期有机成因说认为，并入沉积物中的生物聚合体首先在生物化学和化学的作用下，经分解、聚合、缩聚、不溶等作用，在埋深较大的成岩作用晚期成为地质大分子－干酪根，之后，随着埋深的进一步增大，在不断升高的热应力的作用下，干酪根才逐步发生催化裂解和热裂解形成大量的原石油（或称为沥青，包括烃类和非烃类），在一定的条件下，这些原石油从生成它的细粒岩石中运移出来，在储层中聚集成为油气藏。与早期成因说相同的是，它也认为油气源于有机质，但不同的是，它认为石油不是生物烃类的简单分离和聚集，而是先形成干酪根，之后在较大的埋深和较高的地温条件下才在热力的作用下转化形成。它也被称为深成说（此时有机质的埋深已经较大）和干酪根成烃说（有机质先形成干酪根，干酪根再生油气）。

这一学说的主要立论依据除了上节提到的早期成烃说的前4点依据和和3条不足之处外，还有：

（1）大量的实验室内的热模拟实验已经证实，干酪根在实验室受热时，的确可以产生大量类似于油的烃类和非烃类产物。

（2）自然地质剖面的实际资料显示，富含有机质的沉积岩中的烃类含量在达到一定的深度后开始大量升高。

自Tissot等人提出并证明干酪根晚期成烃说之后，这一理论在指导油气勘探，提高油气勘探成功率方面发挥了巨大的作用，曾经被认为与石油地质学和地球物理勘探一道构成了现代油气勘探的三大理论支柱。可以说，油气地球化学（早期为石油地球化学）作为一门单独的学科从油气地质学中独立出来正是以干酪根成油学说的提出和完善为标志的。

但是，干酪根成烃学说在有效地指导油气勘探的同时，也存在一些尚待解决的问题：

（1）在有些地质条件下，在干酪根成烃理论以为的难以大量成油的浅埋条件下，的确生成并排出、聚集了与正常干酪根成熟油相比具有明显不同特征的未熟油。生物甲烷气可以大量生成，更是早已证实的非干酪根成烃过程，而生物气的储量可能已经占到世界天然气储量的1/4(Rice等，1981）。我国已在柴达木盆地找到储量超过一千亿方的大型生物气田。

（2）勘探中也的确发现一些油气（主要是天然气）存在无机成因的踪迹，如气体碳同位素系列的倒转现象、幔源的伴生气等。不过，迄今为止，尚没有一个油气田被确切地证明为属于无机成因。

（3）近些年来的国内外的一些学者的探索还显示，在有机质成烃的过程中，可能与周围的无机体系存在物质交换，如深部地热流体可能为有机质成烃提供了补充氢源，从而提高了有机质的产烃率（相当于有机无机作用共同成烃，以有机作用为主）。氢同位素的分析已经揭示，有机质的氢同位素受环境水的氢同位素的影响，这至少表明，水体中的氢可能与有机质中的氢存在交换反应。模拟实验也揭示，有水或加氢的条件下，有助于提高有机质在受热过程中的成烃量，表明无机成分也可以参与有机质的成烃过程。

一个完善的油气成因理论应该反映勘探实践及相关研究揭示的上述事实。这就是现代的油气成因理论。1

现代油气成因理论现代油气成因理论认为：石油主要是由有机质生成的。生物有机质沉积后首先在生物化学和化学的作用下，经分解、聚合、缩聚、不溶等作用，在埋深较大的成岩作用晚期成为地质大分子－干酪根，之后，随着埋深的进一步增大，在不断升高的热应力的作用下，干酪根才逐步发生催化裂解和热裂解形成大量的原石油。但是，也有一部分有机质（主要是类脂化合物）不经过干酪根就直接以可溶有机质（相当于原石油）的形式存在于富含有机质的细粒岩石中，在干酪根在热力的作用下开始大量生油之前，这一部分的数量通常很少，不足以排出并聚集成为有工业价值的油藏，但是在有利的条件下（如树脂体、木栓质体等特殊类型有机质的富集、强烈的微生物活动和改造等，这些将在以后展开论述），有机质也可以在浅埋的阶段早期生成较多的油气，并排出、聚集成为具工业意义的油藏。而天然气的生成实际上是一个从有机质沉积后直到其生气潜力被彻底消耗之前一直在进行的过程。但它的大量生成集中在两个阶段，一是由干酪根受热生成，但它大量生成所需的热力条件高于干酪根成油，二是浅埋的早期阶段在厌氧微生物作用下可以大量生成。但多数情况下，由于浅埋时保存条件不佳，所生成的相当部分生物气都散失殆尽，必需有良好的保存条件配合，才能大规模成藏。如我

国的柴达木盆地由于高盐度的沉积环境和较低的温度抑制了浅表微生物的发育和繁殖，使生物气的生成期滞后到保存条件较好的埋深较大的条件下。而俄罗斯的西西伯利亚盆地生物气的大量富集则与寒冷的气候和水合甲烷气提供的优质保存条件有关。同时，在有机质转化成烃的过程中，可能有无机组分（如地热流体和环境中的水）的参与和加入，对天然气来说，尤其是非烃气，可能有幔源气的贡献。纯无机过程（机理）的成烃虽然不能完全排除，但迄今尚没有一个有商业价值的油气田的实例，因此，它尚不能成为指导油气勘探的实用理论。

按照这一理论，有机质的早期成烃说和晚期成烃说就被统一起来了，它们实际上只是有机质成烃过程的两个阶段，只不过不同阶段的成烃量和影响因素不同，一般以后一阶段产烃为主。同时，在有机质成烃的过程中，可能有无机组分的参与和加入。1

物质基础一、生油气母质及其化学组成

根据油气有机成因理论，生物体是生成油气的最初来源。生物死亡后的残体经沉积作用埋藏于水下的沉积物中，经过一定的生物化学、物理化学变化形成石油和天然气。其中细菌、浮游植物、浮游动物和高等植物是沉积物中有机质的主要供应者。在不同沉积环境中不同类别生物体的天然组合，决定了沉积物中有机质的组成和类型。生成油气的沉积有机质主要由类脂化合物、蛋白质、碳水化合物以及木质素等生物化学聚合物组成，它们都具有比较复杂的化学结构(如图)。下面简要介绍这些化合物的组成和分布特征。

(一)脂类

又称类脂化合物，是生物体维持其生命活动不可缺少的物质之一。主要包括一些化学结构与油脂不同，但物态和物理性质与其相似的化合物，如磷脂、街类和菇类等。尽管它们配化学组成千差万别，但却具有共同的特性，即不溶于水而溶于低极性的有机溶剂。动植物中的油脂是最重要的脂类，油脂大量分布于动物皮下组织、植物的抱子、种子及果实中。细菌和藻类也含有丰富的脂类。此外，还有角质、孢粉质等，它们存在于高等植物中。

(二)蛋白质

蛋白质是生物体中一切组织的基本组成部分，是生物体赖以生存的物质基础。在生物体的细胞中，除水外，80%以上的物质为蛋白质。蛋白质约占动物干重的50%，同时它是生物体中含氮化合物的主要成分。据统计，地球表面每年合成的有机质中蛋白质占1/3- 1/4。但在沉积岩中却很少发现完整的蛋白质，这是由于蛋白质是一种性质不稳定的有机化合物，在酸、碱或酶的作用下，发生水解形成氨基酸而被破坏。

(三)碳水化合物

碳水化合物又称糖类，是自然界中分布极广的有机物质，也是一切生物体的重要组成之一。几乎所有的动物、植物、微生物体都含有碳水化合物，其中在植物中含量最多。碳水化合物的元素组成为碳、氢和氧。碳水化合物按其水解产物可分为单糖、双糖和多糖。多糖是天然高分子化合物，在自然界分布很广，一般不溶于水，个别能在水中形成胶体溶液。植物中的纤维素、淀粉、树胶，动物体内的糖原，昆虫的甲壳等都是由多糖构成。多糖中对沉积有机质最有意义的是纤维素。通常，纤维素、半纤维素和木质素总是同时存在于植物的细胞壁中，构成植物支撑组织的基础。在藻类、放射虫等低等水生生物中没有或很少有纤维素，但有类似的藻酸、果胶等。

(四)木质素和丹宁

木质素和丹宁都具有芳香结构的特征。木质素是植物细胞壁的主要成分，在高等植物中可由芳香醇脱水缩合而成。木质素的性质十分稳定，不易水解，但可被氧化成芳香酸和脂肪酸。在缺氧水体中，在水和微生物的作用下，木质素分解，可与其他化合物生成腐殖质。

丹宁的组织和特征介于木质素与纤维素之间，主要出现在高等植物中。此外，还有一系列酚类和芳香酸及其衍生物广泛分布在植物中。它们是沉积有机质中芳香结构的主要来源，也是成煤的重要有机组分。

二、干酪根

石油及天然气来源于沉积有机质。早在古生代以前，地球上就出现了生物，随着地质历史的进展，生物广泛地发育和繁衍起来。现在地球上动物、植物种类繁多，数量很大，化学成分异常复杂。但是，大量动物、植物死亡后，多遭氧化破坏，对生成石油及天然气的原始物质而言，仍以沉积岩中的分散有机质为主。沉积物(岩)中的沉积有机质经历了复杂的生物化学及化学变化，通过腐泥化及腐殖化过程形成干酪根，成为生成大量石油及天然气的先驱。1

地质环境与物理化学条件地壳上原始有机质的数量很大、种类繁多、结构复杂。欲使这些有机质转化为石油烃类，其堆积、保存和转化过程必须处于适宜的地质环境—沉积盆地。沉积岩中的有机质要向石油转化必须经历一个碳、氢不断增加而氧不断减少的过程，即为一个去氧、加氢、富集碳的过程。C. E. ZoBell研究了不同成岩阶段的沉积有机质和石油的元素组成，结果表明随埋藏深度的加大，氧、氮、硫、磷逐渐减少，而碳、氢相对富集。所以，原始有机质的堆积、保存和转化过程，必须是在还原条件下进行，而还原环境的形成及其持续时间的长短则受当时的地质及能源条件所制约。

一、油气生成的地质环境

原始有机质在陆地表面难以保存。大气中的氧自由出入，有机质易被氧化破坏。当原始有机质在比较广阔的长期被水(海水或湖水)淹没的低洼地区沉积下来，水体起着隔绝空气的作用，即使水体含有一定量氧气，一部分有机质被氧化而消耗后，其他大量有机质仍然能够保存下来并向油气转化。但是，这种有利于有机质堆积、保存和转化的地质环境，并不是到处都有，它们受到区域大地构造和岩相古地理等条件的严格控制。

(一)大地构造条件

板块构造学说认为地球表层是由若干个岩石圈板块拼合而成。这些岩石圈板块的水平运动中包含着垂直构造运动的性质，因而在地质历史上能够形成各种类型的沉积盆地，为油气生成、聚集提供了有利场所。

在板块相互作用带上，板块的离散运动和聚敛运动都包含有垂直构造运动。但是，纯粹的转换运动则不带垂直运动性质。可见只有前两种板块运动才与沉积盆地的形成密切相关:在离散板块分离处，伴随着洋壳生成，地壳变薄引起下沉、弯曲，出现张性环境中的各种沉积盆地;在聚敛板块接合处，伴随着洋壳消亡、陆壳增厚和碰撞造山带上升，沿着造山带的翼部出现许多沉积盆地。在时间顺序上，某一盆地在不同时期可以发生在不同类型的环境中，也可以逐渐过渡。

(二)岩相古地理条件

国内外油气勘探实践证明:无论海相或陆相，都可能具备适合于油气生成的岩相古地理条件。在海相环境中，一般认为浅海区及三角洲区是最有利于油气生成的古地理区域。在浅海大陆架范围内，水深一般不超过200m，水体较宁静，阳光、温度适宜，生物繁盛，尤其各种浮游生物异常发育，死亡后不需经过太厚的水体即可堆积下来;在三角洲发育部位，陆源有机质源源搬运而来，加上原地繁殖的海相生物，致使沉积物中的有机质含量特别高，是极为有利的生油区域;至于海湾及渴湖，因有半岛、群岛、沙堤或生物礁带与大海相隔，携带大量氧气的汹涌波涛难以侵入，新的氧气不易补给，在这种半闭塞无底流的环境中，也对保存有机质有和。在这些浅海区域，浮游生物特别发育，属于II型干酪根;若有陆源有机质加入，则可见到II型与III型干酪根的混合产物。波斯湾盆地的中之新生界，西西伯利亚的侏罗系、白圣系，墨西哥湾的中、新生界，以及我国四川盆地的志留系、二叠系、三叠系都属于浅海环境的产物。而在滨海区和深海区，不利于有机质保存和油气生成。在滨海区，海水进退频繁，浪潮作用强烈，不利于生物繁殖和有机质的堆积保存;深海区生物本来就少，死后下沉至海底需经历巨厚水体，易遭氧化破坏，加上离岸又远，陆源有机质需经长途搬运，早被淘汰氧化，都不利于有机质的堆积和保存。

(三)古气候条件

古气候条件也直接影响生物的发育。年平均温度高、日照时间长、空气湿度大，都能显著增强生物的繁殖能力。所以，温暖湿润的气候有利于生物的繁殖和发育，是油气生成的有利外界条件之一。

上述各项条件都对形成适于有机质繁殖、堆积、保存的环境产生综合性的影响，相互之间有密切联系。其中大地构造条件是根本的，它控制着岩相古地理及古气候的特征。所以，我们在研究任何区域油气生成条件时，必须从区域大地构造特征入手。

二、物理化学条件

适宜的地质环境为有机质的大量繁殖、堆积和保存创造了有利的地质条件，但有机质向石油及天然气演化还必须具备适当的温度、时间、细菌、催化剂、放射性等物理、化学及生物化学条件。

近几年来，世界各国的油气勘探经验和许多学者的重要研究成果，证明温度与时间是在油气生成全过程中至关重要的一对因素。其他因素(如细菌、催化剂、放射性物质等)也有一定的影响。

在沉积有机质降解演化为石油及天然气的全过程中，温度自始至终都是一个极为活跃的控制因素。在地质环境里，地热是取之不尽、用之不竭的最佳能源，无论油气的生成、运移或破坏，都离不开温度的制约。在世界各国的油气勘探中，成功的经验和失败的教训，追根求源，也往往是同温度作用有关;尤其是在海上开展油气勘探，钻探成本高，必须在现代数字地震勘探的基础上，进行有机质的热成熟度分析，作出早期油气资源预测，圈定油气生成的有利区块，选择钻探对象，以便提高钻探成功率。当代许多石油地质学家和石油地球化学家纷纷致力于研究温度在地质历史上与油气生成和破坏过程的关系，相继发表了许多重要论著，极大地推动了这个领域的研究。1

1.作用机理

随着沉积有机质埋藏深度加大，地温相应升高，生成烃类的数量应该有规律地按指数增长;换言之，在有机质向油气转化的过程中，温度不足需用延长反应时间来补偿。若沉积物埋藏太浅，地温太低，有机质热解生成烃类所需反应时间很长，实际上难以生成具商业价值的石油;随着埋藏深度的增大，当温度升高到一定数值，有机质才开始大量转化为石油，这个温度界限称为有机质的成熟温度或生油门限，这个成熟温度所在的深度，即称为成熟点。

2.时间一温度指数(TTI )

1971年，原苏联学者H. B. JIorlaTHH首次提出时间一温度指数的概念，用来表示时间与温度两种因素同时对沉积物中有机质热成熟度的影响。但是，由于他采用了不准确的资料建立地质模型，计算结果与实际情况不符，遭到原苏联学者的广泛批评。后来，美国学者D. W. Waples发现H. B. JIorlaTHH所提出的概念可取，应用美国资料将它发展、完善，于1980年正式系统地介绍了这一方法，告诉人们怎样预测在一个沉积盆地内，何处何时烃类已经生成，以及液态烃将会裂解为气态烃的深度。现在这一简便实用的预测方法已被各国学者广泛采用。1

动力有机质向油气的转化过程，是一个不断吸收能量的过程。有利的地质条件，不但可以形成丰富的沉积有机质，同时也可以为沉积有机质向油气转化提供能量来源。促使沉积有机质向油气转化的动力主要有细菌作用、催化作用、热力作用及放射性作用等。

细菌作用

细菌是地球上分布最广、繁殖最快的一种微生物。按生活习性，可将细菌分为喜氧细菌、厌氧细菌和通性细菌三大类。细菌作用主要体现在两个方面：一方面细菌本身是生油的原始物质，另一方面厌氧细菌可以促使有机质向油气转化。

在缺乏游离氧的还原条件下，厌氧细菌将有机质分解，产生相应的有机化合物，这些有机化合物又相互作用，进一步分解、聚合，可形成干酪根。在这个过程中还可以生成甲烷等气体。

细菌作用主要发生在沉积盆地水体的下部、未固结的沉积物及埋藏较浅的沉积岩中。随着沉积物埋藏深度加大，地温逐渐升高，当温度超过100℃后，细菌作用就消失了。

2.催化作用

催化剂是一种引起或加速某种化学反应而本身并不参加反应的物质。在有机质向油气转化过程中，自然界存在无机和有机两类催化剂。

粘土矿物是最主要的无机催化剂，它能加速沉积有机质向油气转化。用粘土做催化剂，在150~250℃的情况下，可以使脂肪酸去羧基，产生类似于石油的物质。实验证明，在粘土矿物存在的情况下，将二十二烷酸加热到275℃，经330 h后，得到的乙烷到戊烷各种烃类的产量是没有粘土矿物存在情况下的3 ~6倍。

酵母是动植物和微生物产生的一种胶体物质，是一种有机催化剂，也能加速有机质的分解，它可促使蛋白质分解成氨基酸，碳水化合物水解成单糖。苏联格罗兹内油田井下剖面的酵母研究表明，在富含有机质的岩石中，酵母活动性最强，能加速生油反应的进行。

3.热力作用

热力作用主要体现在温度和时间两个方面，大量的油田实际和实验室研究结果表明，在有机质向石油的转化过程中，温度是最持久和有效的作用因素，时间则可补偿温度之不足。高温短时间的热力作用与低温长时间的热力作用可以产生同样的效果。但若温度过低，即使经过相当长的时间，有机质也很难向石油转化。只有当达到一定温度之后，有机质才开始大最转化为石油，这个温度称之为有机质的成熟温度或门限温度。温度主要由地温梯度和埋藏深度所决定，成熟温度所在的深度称为门限深度。因此，只有当沉积有机质埋藏到门限深度之后，干酪根才能开始大量生成石油。

4.放射性作用

许多沉积岩中都有少量的放射性。粘土岩和泥灰岩通常比砂岩、石灰岩的放射性要高，所以在适于生油的泥岩、页岩、泥质碳酸盐岩中富集着大量的放射性物质。放射性作用可以提供游离氢的来源。2