油氣成因是指促使沉積有機質向油氣轉化的動力，主要有細菌作用、催化作用、熱力作用及放射性作用等。
基本介紹
- 中文名：油氣成因
- 外文名：origin of oil and gas
- 學科：石油地質學
- 發展階段：無機、早期、晚期、現代成因四個
- 物質基礎：生油母質和乾酪跟
- 動力：細菌、催化、熱力、放射性作用
發展階段,成因理論,物質基礎,地質環境,動力,
發展階段
油氣成因理論的發展大致經歷了四個階段，即無機成因說、早期有機成因說、晚期有機成因說和以晚期有機成因為主但兼顧其它因素貢獻的成烴理論。由於石油工業早期找到的更多的是油，因此早期的油氣成因理論更多關注的是油的成因問題。但現代的石油成因理論應既包括油也包括氣。
油氣的無機成因說
無機成烴說認為，油氣是由無機化合物經化學反應形成的。它們或者是由地球深部高溫條件下原始碳或其氧化態經還原作用形成，如門捷列夫（1876）提出的碳化說，庫德梁采夫（1951）提出的“岩漿說”；或者是在宇宙（地球）形成初期即已經存在，後來隨著地球冷卻被吸收並凝結在地殼的上部，由這些碳氫化物沿裂隙溢向地表過程中便可形成油氣藏。如索柯洛夫（1889）、Gold等提出的宇宙說。這一觀點在二十世紀三十年代之前占支配地位。
按照這一學說，無機成因油氣不僅存在，而且遠景巨大，將有可能比有機成因的油氣潛力大得多，其蘊藏量幾乎是取之不盡的（陳滬生，1998）。較典型的有如對中東油氣富集的認識：波斯灣地區幾十個油氣田分布在一條500英里長的地帶，占地球表面積不到2%，卻擁有世界可采儲量的50%以上。這些油氣藏顯示了很寬的地質年齡譜；而且烴類產在構造和地層變化都很大的環境中，各種圈閉都是嚴重泄漏的，油氣滲流隨處可見，且由來已久；顯然是一種過度供給的情形。這裡的石油組成極為相同，因而推測它們是同一來源。但這個來源是什麼呢？不少地質學家認為可能是地幔來的無機成因烴源。
油氣的早期有機成因說
石油有機成因的早期說認為，石油是由沉積物（岩）中的分散有機質在早期的成岩作用階段經生物化學和化學作用形成的。即這一學說認為，石油是在近現代形成的，由許多海相生物中遺留下來的天然烴的混合物，即它僅僅是生物體中烴類物質的簡單分離和聚集。由於此時的有機質還埋藏較淺，故也被稱為淺成說。這一學說在十九世紀末期即被提出，但在上世紀三十年代到六十年代，受到更多的關注。
概括起來，支持油氣（早期）有機成因學說的主要證據有：
（1）99%以上的石油產自於與有機質密切有關的沉積岩，產油的儲層岩系與富含有機質的細粒岩石有密切的關係。
（2）許多生物標記化合物，如卟啉、異戊二烯型烷烴、甾烷、萜烷，在原油中的普遍存在及石油的旋光性強烈支持其有機成因。
上述具有特徵、複雜結構的生物標記化合物只可能由生命過程合成。無機過程雖然也能合成具有旋光性的手性碳原子結構，但它所合成的左旋、右旋結構一般相當，從而表現不出旋光性，只有生命體中才能選擇性的合成單一的結構，而體現出旋光性。
（3）石油和動植物殘體之間的組成及碳同位素組成的相近性提供了兩者之間成因聯繫的進一步證據。
（4）在近代沉積物（如深海鑽探計畫（DSDP）的取樣中）和有關的生物體中存在烴類及有關的化合物。如Smith（1954）引進先進分析技術，首次在現代沉積物中發現了烴類。這是一次飛躍性的突破，為此獲得了諾貝爾獎。
（5）部分油氣區的勘探實際顯示，形成較早的圈閉（如淺於600m）有油氣聚集，而較晚的圈閉則為空圈閉，表明了石油的早期生成和早期運移、聚集、成藏。
但這一學說也存在明顯的弱點和不足，主要體現在：
（1）於沉積物和生物體中發現的烴類和原油中的烴類存在非常大的差別，例如，許多現代沉積物中的正構烷烴存在明顯的奇偶優勢，但絕大多數原油中的
正構烷烴卻沒有奇偶優勢。
（2）存在於生物體和年青沉積物中的烴類數量太少，遠不足以形成勘探所發現的商業性的石油聚集。據保守估計，要形成商業性的石油聚集，沉積物中的烴濃度至少需要幾百ppm以上，而事實上，沉積物中烴濃度小於幾十ppm。
（3）大多數原油產自於埋深1000m以深的產層中，而不是像淺成說所期待的哪樣產於較淺處。因此它也不能很好地指導油氣勘探實踐。
因此，儘管也有人直到上世紀九十年代還堅持認為，石油主要是有機質在淺埋的早期階段生成並運移、聚集、成藏的，現今多數油藏顯示成熟的特徵是它們在儲層中進一步熟化的結果，但絕大多數的證據並不支持大量石油的早期生成。
油氣的晚期有機成因說
晚期有機成因說認為，併入沉積物中的生物聚合體首先在生物化學和化學的作用下，經分解、聚合、縮聚、不溶等作用，在埋深較大的成岩作用晚期成為地質大分子－乾酪根，之後，隨著埋深的進一步增大，在不斷升高的熱應力的作用下，乾酪根才逐步發生催化裂解和熱裂解形成大量的原石油（或稱為瀝青，包括烴類和非烴類），在一定的條件下，這些原石油從生成它的細粒岩石中運移出來，在儲層中聚集成為油氣藏。與早期成因說相同的是，它也認為油氣源於有機質，但不同的是，它認為石油不是生物烴類的簡單分離和聚集，而是先形成乾酪根，之後在較大的埋深和較高的地溫條件下才在熱力的作用下轉化形成。它也被稱為深成說（此時有機質的埋深已經較大）和乾酪根成烴說（有機質先形成乾酪根，乾酪根再生油氣）。
這一學說的主要立論依據除了上節提到的早期成烴說的前4點依據和和3條不足之處外，還有：
（1）大量的實驗室內的熱模擬實驗已經證實，乾酪根在實驗室受熱時，的確可以產生大量類似於油的烴類和非烴類產物。
（2）自然地質剖面的實際資料顯示，富含有機質的沉積岩中的烴類含量在達到一定的深度後開始大量升高。
自Tissot等人提出並證明乾酪根晚期成烴說之後，這一理論在指導油氣勘探，提高油氣勘探成功率方面發揮了巨大的作用，曾經被認為與石油地質學和地球物理勘探一道構成了現代油氣勘探的三大理論支柱。可以說，油氣地球化學（早期為石油地球化學）作為一門單獨的學科從油氣地質學中獨立出來正是以乾酪根成油學說的提出和完善為標誌的。
但是，乾酪根成烴學說在有效地指導油氣勘探的同時，也存在一些尚待解決的問題：
（1）在有些地質條件下，在乾酪根成烴理論以為的難以大量成油的淺埋條件下，的確生成並排出、聚集了與正常乾酪根成熟油相比具有明顯不同特徵的未熟油。生物甲烷氣可以大量生成，更是早已證實的非乾酪根成烴過程，而生物氣的儲量可能已經占到世界天然氣儲量的1/4(Rice等，1981）。我國已在柴達木盆地找到儲量超過一千億方的大型生物氣田。
（2）勘探中也的確發現一些油氣（主要是天然氣）存在無機成因的蹤跡，如氣體碳同位素系列的倒轉現象、幔源的伴生氣等。不過，迄今為止，尚沒有一個油氣田被確切地證明為屬於無機成因。
（3）近些年來的國內外的一些學者的探索還顯示，在有機質成烴的過程中，可能與周圍的無機體系存在物質交換，如深部地熱流體可能為有機質成烴提供了補充氫源，從而提高了有機質的產烴率（相當於有機無機作用共同成烴，以有機作用為主）。氫同位素的分析已經揭示，有機質的氫同位素受環境水的氫同位素的影響，這至少表明，水體中的氫可能與有機質中的氫存在交換反應。模擬實驗也揭示，有水或加氫的條件下，有助於提高有機質在受熱過程中的成烴量，表明無機成分也可以參與有機質的成烴過程。
一個完善的油氣成因理論應該反映勘探實踐及相關研究揭示的上述事實。這就是現代的油氣成因理論。
成因理論
現代油氣成因理論認為：石油主要是由有機質生成的。生物有機質沉積後首先在生物化學和化學的作用下，經分解、聚合、縮聚、不溶等作用，在埋深較大的成岩作用晚期成為地質大分子－乾酪根，之後，隨著埋深的進一步增大，在不斷升高的熱應力的作用下，乾酪根才逐步發生催化裂解和熱裂解形成大量的原石油。但是，也有一部分有機質（主要是類脂化合物）不經過乾酪根就直接以可溶有機質（相當於原石油）的形式存在於富含有機質的細粒岩石中，在乾酪根在熱力的作用下開始大量生油之前，這一部分的數量通常很少，不足以排出並聚集成為有工業價值的油藏，但是在有利的條件下（如樹脂體、木栓質體等特殊類型有機質的富集、強烈的微生物活動和改造等，這些將在以後展開論述），有機質也可以在淺埋的階段早期生成較多的油氣，並排出、聚集成為具工業意義的油藏。而天然氣的生成實際上是一個從有機質沉積後直到其生氣潛力被徹底消耗之前一直在進行的過程。但它的大量生成集中在兩個階段，一是由乾酪根受熱生成，但它大量生成所需的熱力條件高於乾酪根成油，二是淺埋的早期階段在厭氧微生物作用下可以大量生成。但多數情況下，由於淺埋時保存條件不佳，所生成的相當部分生物氣都散失殆盡，必需有良好的保存條件配合，才能大規模成藏。如我
國的柴達木盆地由於高鹽度的沉積環境和較低的溫度抑制了淺表微生物的發育和繁殖，使生物氣的生成期滯後到保存條件較好的埋深較大的條件下。而俄羅斯的西西伯利亞盆地生物氣的大量富集則與寒冷的氣候和水合甲烷氣提供的優質保存條件有關。同時，在有機質轉化成烴的過程中，可能有無機組分（如地熱流體和環境中的水）的參與和加入，對天然氣來說，尤其是非烴氣，可能有幔源氣的貢獻。純無機過程（機理）的成烴雖然不能完全排除，但迄今尚沒有一個有商業價值的油氣田的實例，因此，它尚不能成為指導油氣勘探的實用理論。
按照這一理論，有機質的早期成烴說和晚期成烴說就被統一起來了，它們實際上只是有機質成烴過程的兩個階段，只不過不同階段的成烴量和影響因素不同，一般以後一階段產烴為主。同時，在有機質成烴的過程中，可能有無機組分的參與和加入。
物質基礎
一、生油氣母質及其化學組成
根據油氣有機成因理論，生物體是生成油氣的最初來源。生物死亡後的殘體經沉積作用埋藏於水下的沉積物中，經過一定的生物化學、物理化學變化形成石油和天然氣。其中細菌、浮游植物、浮遊動物和高等植物是沉積物中有機質的主要供應者。在不同沉積環境中不同類別生物體的天然組合，決定了沉積物中有機質的組成和類型。生成油氣的沉積有機質主要由類脂化合物、蛋白質、碳水化合物以及木質素等生物化學聚合物組成，它們都具有比較複雜的化學結構(如圖)。下面簡要介紹這些化合物的組成和分布特徵。
(一)脂類
又稱類脂化合物，是生物體維持其生命活動不可缺少的物質之一。主要包括一些化學結構與油脂不同，但物態和物理性質與其相似的化合物，如磷脂、街類和菇類等。儘管它們配化學組成千差萬別，但卻具有共同的特性，即不溶於水而溶於低極性的有機溶劑。動植物中的油脂是最重要的脂類，油脂大量分布於動物皮下組織、植物的抱子、種子及果實中。細菌和藻類也含有豐富的脂類。此外，還有角質、孢粉質等，它們存在於高等植物中。
(二)蛋白質
蛋白質是生物體中一切組織的基本組成部分，是生物體賴以生存的物質基礎。在生物體的細胞中，除水外，80%以上的物質為蛋白質。蛋白質約占動物乾重的50%，同時它是生物體中含氮化合物的主要成分。據統計，地球表面每年合成的有機質中蛋白質占1/3- 1/4。但在沉積岩中卻很少發現完整的蛋白質，這是由於蛋白質是一種性質不穩定的有機化合物，在酸、鹼或酶的作用下，發生水解形成胺基酸而被破壞。
(三)碳水化合物
碳水化合物又稱糖類，是自然界中分布極廣的有機物質，也是一切生物體的重要組成之一。幾乎所有的動物、植物、微生物體都含有碳水化合物，其中在植物中含量最多。碳水化合物的元素組成為碳、氫和氧。碳水化合物按其水解產物可分為單糖、雙糖和多糖。多糖是天然高分子化合物，在自然界分布很廣，一般不溶於水，個別能在水中形成膠體溶液。植物中的纖維素、澱粉、樹膠，動物體內的糖原，昆蟲的甲殼等都是由多糖構成。多糖中對沉積有機質最有意義的是纖維素。通常，纖維素、半纖維素和木質素總是同時存在於植物的細胞壁中，構成植物支撐組織的基礎。在藻類、放射蟲等低等水生生物中沒有或很少有纖維素，但有類似的藻酸、果膠等。
(四)木質素和丹寧
木質素和丹寧都具有芳香結構的特徵。木質素是植物細胞壁的主要成分，在高等植物中可由芳香醇脫水縮合而成。木質素的性質十分穩定，不易水解，但可被氧化成芳香酸和脂肪酸。在缺氧水體中，在水和微生物的作用下，木質素分解，可與其他化合物生成腐殖質。
丹寧的組織和特徵介於木質素與纖維素之間，主要出現在高等植物中。此外，還有一系列酚類和芳香酸及其衍生物廣泛分布在植物中。它們是沉積有機質中芳香結構的主要來源，也是成煤的重要有機組分。
二、乾酪根
石油及天然氣來源於沉積有機質。早在古生代以前，地球上就出現了生物，隨著地質歷史的進展，生物廣泛地發育和繁衍起來。現在地球上動物、植物種類繁多，數量很大，化學成分異常複雜。但是，大量動物、植物死亡後，多遭氧化破壞，對生成石油及天然氣的原始物質而言，仍以沉積岩中的分散有機質為主。沉積物(岩)中的沉積有機質經歷了複雜的生物化學及化學變化，通過腐泥化及腐殖化過程形成乾酪根，成為生成大量石油及天然氣的先驅。
地質環境
地殼上原始有機質的數量很大、種類繁多、結構複雜。欲使這些有機質轉化為石油烴類，其堆積、保存和轉化過程必須處於適宜的地質環境—沉積盆地。沉積岩中的有機質要向石油轉化必須經歷一個碳、氫不斷增加而氧不斷減少的過程，即為一個去氧、加氫、富集碳的過程。C. E. ZoBell研究了不同成岩階段的沉積有機質和石油的元素組成，結果表明隨埋藏深度的加大，氧、氮、硫、磷逐漸減少，而碳、氫相對富集。所以，原始有機質的堆積、保存和轉化過程，必須是在還原條件下進行，而還原環境的形成及其持續時間的長短則受當時的地質及能源條件所制約。
一、油氣生成的地質環境
原始有機質在陸地表面難以保存。大氣中的氧自由出入，有機質易被氧化破壞。當原始有機質在比較廣闊的長期被水(海水或湖水)淹沒的低洼地區沉積下來，水體起著隔絕空氣的作用，即使水體含有一定量氧氣，一部分有機質被氧化而消耗後，其他大量有機質仍然能夠保存下來並向油氣轉化。但是，這種有利於有機質堆積、保存和轉化的地質環境，並不是到處都有，它們受到區域大地構造和岩相古地理等條件的嚴格控制。
(一)大地構造條件
板塊構造學說認為地球表層是由若干個岩石圈板塊拼合而成。這些岩石圈板塊的水平運動中包含著垂直構造運動的性質，因而在地質歷史上能夠形成各種類型的沉積盆地，為油氣生成、聚集提供了有利場所。
在板塊相互作用帶上，板塊的離散運動和聚斂運動都包含有垂直構造運動。但是，純粹的轉換運動則不帶垂直運動性質。可見只有前兩種板塊運動才與沉積盆地的形成密切相關:在離散板塊分離處，伴隨著洋殼生成，地殼變薄引起下沉、彎曲，出現張性環境中的各種沉積盆地;在聚斂板塊接合處，伴隨著洋殼消亡、陸殼增厚和碰撞造山帶上升，沿著造山帶的翼部出現許多沉積盆地。在時間順序上，某一盆地在不同時期可以發生在不同類型的環境中，也可以逐漸過渡。
(二)岩相古地理條件
國內外油氣勘探實踐證明:無論海相或陸相，都可能具備適合於油氣生成的岩相古地理條件。在海相環境中，一般認為淺海區及三角洲區是最有利於油氣生成的古地理區域。在淺海大陸架範圍內，水深一般不超過200m，水體較寧靜，陽光、溫度適宜，生物繁盛，尤其各種浮游生物異常發育，死亡後不需經過太厚的水體即可堆積下來;在三角洲發育部位，陸源有機質源源搬運而來，加上原地繁殖的海相生物，致使沉積物中的有機質含量特別高，是極為有利的生油區域;至於海灣及渴湖，因有半島、群島、沙堤或生物礁帶與大海相隔，攜帶大量氧氣的洶湧波濤難以侵入，新的氧氣不易補給，在這種半閉塞無底流的環境中，也對保存有機質有和。在這些淺海區域，浮游生物特別發育，屬於II型乾酪根;若有陸源有機質加入，則可見到II型與III型乾酪根的混合產物。波斯灣盆地的中之新生界，西西伯利亞的侏羅系、白聖系，墨西哥灣的中、新生界，以及我國四川盆地的志留系、二疊系、三疊系都屬於淺海環境的產物。而在濱海區和深海區，不利於有機質保存和油氣生成。在濱海區，海水進退頻繁，浪潮作用強烈，不利於生物繁殖和有機質的堆積保存;深海區生物本來就少，死後下沉至海底需經歷巨厚水體，易遭氧化破壞，加上離岸又遠，陸源有機質需經長途搬運，早被淘汰氧化，都不利於有機質的堆積和保存。
(三)古氣候條件
古氣候條件也直接影響生物的發育。年平均溫度高、日照時間長、空氣濕度大，都能顯著增強生物的繁殖能力。所以，溫暖濕潤的氣候有利於生物的繁殖和發育，是油氣生成的有利外界條件之一。
上述各項條件都對形成適於有機質繁殖、堆積、保存的環境產生綜合性的影響，相互之間有密切聯繫。其中大地構造條件是根本的，它控制著岩相古地理及古氣候的特徵。所以，我們在研究任何區域油氣生成條件時，必須從區域大地構造特徵入手。
二、物理化學條件
適宜的地質環境為有機質的大量繁殖、堆積和保存創造了有利的地質條件，但有機質向石油及天然氣演化還必須具備適當的溫度、時間、細菌、催化劑、放射性等物理、化學及生物化學條件。
近幾年來，世界各國的油氣勘探經驗和許多學者的重要研究成果，證明溫度與時間是在油氣生成全過程中至關重要的一對因素。其他因素(如細菌、催化劑、放射性物質等)也有一定的影響。
在沉積有機質降解演化為石油及天然氣的全過程中，溫度自始至終都是一個極為活躍的控制因素。在地質環境裡，地熱是取之不盡、用之不竭的最佳能源，無論油氣的生成、運移或破壞，都離不開溫度的制約。在世界各國的油氣勘探中，成功的經驗和失敗的教訓，追根求源，也往往是同溫度作用有關;尤其是在海上開展油氣勘探，鑽探成本高，必須在現代數字地震勘探的基礎上，進行有機質的熱成熟度分析，作出早期油氣資源預測，圈定油氣生成的有利區塊，選擇鑽探對象，以便提高鑽探成功率。當代許多石油地質學家和石油地球化學家紛紛致力於研究溫度在地質歷史上與油氣生成和破壞過程的關係，相繼發表了許多重要論著，極大地推動了這個領域的研究。
1.作用機理
隨著沉積有機質埋藏深度加大，地溫相應升高，生成烴類的數量應該有規律地按指數增長;換言之，在有機質向油氣轉化的過程中，溫度不足需用延長反應時間來補償。若沉積物埋藏太淺，地溫太低，有機質熱解生成烴類所需反應時間很長，實際上難以生成具商業價值的石油;隨著埋藏深度的增大，當溫度升高到一定數值，有機質才開始大量轉化為石油，這個溫度界限稱為有機質的成熟溫度或生油門限，這個成熟溫度所在的深度，即稱為成熟點。
2.時間一溫度指數(TTI )
1971年，原蘇聯學者H. B. JIorlaTHH首次提出時間一溫度指數的概念，用來表示時間與溫度兩種因素同時對沉積物中有機質熱成熟度的影響。但是，由於他採用了不準確的資料建立地質模型，計算結果與實際情況不符，遭到原蘇聯學者的廣泛批評。後來，美國學者D. W. Waples發現H. B. JIorlaTHH所提出的概念可取，套用美國資料將它發展、完善，於1980年正式系統地介紹了這一方法，告訴人們怎樣預測在一個沉積盆地內，何處何時烴類已經生成，以及液態烴將會裂解為氣態烴的深度。現在這一簡便實用的預測方法已被各國學者廣泛採用。
動力
有機質向油氣的轉化過程，是一個不斷吸收能量的過程。有利的地質條件，不但可以形成豐富的沉積有機質，同時也可以為沉積有機質向油氣轉化提供能量來源。促使沉積有機質向油氣轉化的動力主要有細菌作用、催化作用、熱力作用及放射性作用等。
- 細菌作用
細菌是地球上分布最廣、繁殖最快的一種微生物。按生活習性，可將細菌分為喜氧細菌、厭氧細菌和通性細菌三大類。細菌作用主要體現在兩個方面：一方面細菌本身是生油的原始物質，另一方面厭氧細菌可以促使有機質向油氣轉化。
在缺乏游離氧的還原條件下，厭氧細菌將有機質分解，產生相應的有機化合物，這些有機化合物又相互作用，進一步分解、聚合，可形成乾酪根。在這個過程中還可以生成甲烷等氣體。
細菌作用主要發生在沉積盆地水體的下部、未固結的沉積物及埋藏較淺的沉積岩中。隨著沉積物埋藏深度加大，地溫逐漸升高，當溫度超過100℃後，細菌作用就消失了。
2.催化作用
催化劑是一種引起或加速某種化學反應而本身並不參加反應的物質。在有機質向油氣轉化過程中，自然界存在無機和有機兩類催化劑。
粘土礦物是最主要的無機催化劑，它能加速沉積有機質向油氣轉化。用粘土做催化劑，在150~250℃的情況下，可以使脂肪酸去羧基，產生類似於石油的物質。實驗證明，在粘土礦物存在的情況下，將二十二烷酸加熱到275℃，經330 h後，得到的乙烷到戊烷各種烴類的產量是沒有粘土礦物存在情況下的3 ~6倍。
酵母是動植物和微生物產生的一種膠體物質，是一種有機催化劑，也能加速有機質的分解，它可促使蛋白質分解成胺基酸，碳水化合物水解成單糖。蘇聯格羅茲內油田井下剖面的酵母研究表明，在富含有機質的岩石中，酵母活動性最強，能加速生油反應的進行。
3.熱力作用
熱力作用主要體現在溫度和時間兩個方面，大量的油田實際和實驗室研究結果表明，在有機質向石油的轉化過程中，溫度是最持久和有效的作用因素，時間則可補償溫度之不足。高溫短時間的熱力作用與低溫長時間的熱力作用可以產生同樣的效果。但若溫度過低，即使經過相當長的時間，有機質也很難向石油轉化。只有當達到一定溫度之後，有機質才開始大最轉化為石油，這個溫度稱之為有機質的成熟溫度或門限溫度。溫度主要由地溫梯度和埋藏深度所決定，成熟溫度所在的深度稱為門限深度。因此，只有當沉積有機質埋藏到門限深度之後，乾酪根才能開始大量生成石油。
4.放射性作用
許多沉積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，所以在適於生油的泥岩、頁岩、泥質碳酸鹽岩中富集著大量的放射性物質。放射性作用可以提供游離氫的來源。
