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沉积物中有机质的成烃演化过程

2018-12-21 9:04:23 来源:缅甸维加斯娱乐集团矿业报 作者:范东稳 卢正权

在沉积盆地发展的地质历史过程中,生物圈中的生物遗体通过沉积水柱进入沉积层后,随着相应沉积单元中生物化学条件、物理化学条件的变化,沉积有机质的组构、化学组成及生成的产物等会发生相应的变化。在热力学条件增加的过程中,有机质的演化过程是一个逐渐变化的连续过程。但在有机质不同的演化时期,有机质的化学组成和结构变化特征及其在相应地质时期的产物组成特征是存在明显差异的,从而使有机质的演化表现出明显的阶段性。在不同演化阶段,有机质生烃演化属性的总和构成了烃源岩有机质的生烃演化模式。

对有机质演化阶段性的认识,是和现代油气成因理论的产生和发展联系在一起的,划分依据是参照有机质生烃作用的特点和有机质成熟度参数。其中,有机质成熟度是指有机质的热演化水平,是有机质在地温升高的条件下有机质化学性质和物理性变化规律的总和,而用以描述有机质热演化水平的各项物理参数和化学参数统称为有机质成熟度参数。有机质成熟度参数是描述有机质热演化水平的度量和标尺,经典的有机质成熟度参数是有机质镜质体反射率。

虽然不同研究者对有机质演化阶段的划分存在一定差异,但大体上油气的形成过程或有机质的演化过程可以分为三个阶段,即未熟阶段、成熟阶段和过成熟阶段。

——未熟阶段。此阶段从沉积有机质被埋藏开始至门限深度为止,埋藏较浅,地层温度在10℃~60℃之间,相当于沉积物的早成岩阶段。在成岩作用早期,引起有机质结构和化学组成变化的主要媒介之一是微生物活动。由于微生物有非常强的适应性,因此地质体中的微生物数量大、繁殖快、种类多,且微生物的生物化学作用也是无所不在的。生活在沉积物最上层的需氧微生物消耗了介质中存在的游离氧,而厌氧细菌则以碳作为能源通过还原碳酸盐得到所需的氧而存在于厌氧环境中。随着深度的增加,微生物逐渐减少,温度的作用逐渐增强,由以生物化学作用为主逐渐转为以地球化学作用为主。该阶段主要形成未熟油与生物气,生成油气的量主要与有机质的性质和数量有关。该阶段形成的天然气主要为生物甲烷气,有一定量的氮气和很少的二氧化碳及其他气体。值得注意的是,在有机质的生物化学作用阶段,地质环境因素是制约和控制进入沉积物中有机质演化特征和演化趋向的主要因素。一方面,环境因素决定了进入沉积物中有机质的数量和质量,这里应存在下述双重含意:一是环境因素决定了特定环境条件下活的生物群的组合状况和繁茂状况,也决定了最初可以进入沉积水柱中有机质的结构和数量;二是环境因素决定了可以进入沉积地层并得以保存的有机质的数量和质量。充氧条件下的生物化学作用会导致有机质的“腐败作用”,使沉积物中有机质的含量少、富氢程度降低;另一方面,一定的环境条件决定了沉积物中的有机-无机组合面貌和介质条件,这种条件下的生物化学作用可能会导致有机质的生烃演化属性和生烃演化产物的差别。

——成熟阶段。成熟阶段相当于有机质生成作用阶段,对应的镜质组反射率范围较大。沉积物埋藏深度达到1500米~3500米,地层温度升高到60℃~180℃。有机质生烃演化的成熟阶段跨越沉积有机质生成液态烃(包括凝析油)的全过程,也是烃源岩有机质热降解作用生成油气的主要过程,基本上与早成岩-晚成岩中期相当。按照干酪根的烃类产物组成特征,成熟阶段可进一步划分为液态烃阶段与凝析油气-湿气阶段:一是液态烃阶段。液态烃阶段又称为“液态窗”阶段,所谓“液态窗”是指液态烃类能够大量形成并保存的温度区间。根据开采油气田的经验数据和实验结果,发现液态烃类开始大量形成的温度是65.6℃,当温度超过148.9℃时,液态烃类受到破坏,变成热解类型的天然气,因此把地层埋深在65.6℃~148.9℃温度范围称为液态烃的窗口。液态烃阶段的镜质组反射率值一般确定为0.5%~1.3%,促使干酪根转化的最活跃因素是热催化作用,黏土矿物的催化作用可以降低干酪根的成熟温度,进一步促进石油生成。由于干酪根发生热降解,其中杂原子键破裂产生的二氧化碳、水、氨气、硫化氢等挥发物质散失,从而使干酪根的碳原子含量相对增加,因此出现了大量低分子液态烃,气态烃数量较少。对于腐泥型干酪根而言,这一阶段的气态烃通常热解在液态烃中,形成石油伴生气。大量烃类的形成使干酪根的H/C原子比快速降低。干酪根降解形成的烃具有中到低分子量,不仅正烷烃碳原子数及分子量递减,奇数碳优势消失,而且环烷烃及芳香烃原子数也开始递减,且多环及多芳香核烃类化合物显著减少。二是凝析油气和湿气阶段。该阶段地层埋藏深度达到3000米~3500米,地温一般在130℃~180℃时,与液态烃阶段相比,烃源岩有机质热演化程度进一步升高,达到高成熟阶段。干酪根在高成熟阶段,继续断开杂原子官能团和侧链,除生成少量水、二氧化碳和氮气外,主要反应是大量C-C链断裂,包括环烷的开环和破裂。液态烃裂解使C25以上高分子正烷烃含量渐趋于零,脂肪族相对增加,含杂原子的胶质含量减少,沥青质组分则转换为焦沥青或固态残渣。烃源岩有机质在高成熟阶段主要形成天然气,液态烃数量较少,且往往热解在气态烃中。由于烃源岩一般处于半封闭状态,早期形成的液态烃往往难以通过初次运移完全排出烃源岩,残余的液态烃也随着干酪根发生热裂解而形成甲烷及其气态同系物低分子正烷烃。由此可见,烃源岩中气态烃有一部分直接来自干酪根的裂解,而另一部分则来自液态烃的裂解。前者称为初次裂解气,后者称为二次裂解气,又可称为原油裂解气。另外,由于烷烃及低分子量烃逐渐增多,胶质和沥青质逐渐减少乃至消失,因而引起石油密度降低,颜色变浅,在地下条件适当时,还可形成凝析气。

——过熟阶段。过熟阶段相当于有机质的变质作用阶段,埋藏深度在3500米~4000米,对应的镜质组反射率大于2%,相应的煤阶为无烟煤阶段,对应温度在200℃~300℃左右。在这一阶段,液态石油几乎全部消失,天然气的生成主要靠干酪根芳香核结构上连接的短烷基支链的热裂解作用。该阶段干酪根的生烃潜力已经非常低,所以形成的天然气有限,少部分天然气通过液态石油裂解而生成。同时,该阶段天然气主要由甲烷组成,重烃很少,主要为干气,所以也称为干气阶段。□

(作者单位:自然资源部缅甸维加斯娱乐集团地质调查局油气资源调查中心)

网站编辑:宫莉

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