中国石油学会
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神奇的旅行——石油的自述·我的传奇之二

原创
石油知识

远古生命来自于浩瀚的海洋,又回归到阴冷的地下。在来与去之间留下了什么呢?石油,传承着生命的轮回。我是生命的死亡,但我不甘心死亡。屏住呼吸,我在阴暗的地下忍受着高温高压的酷炼,一待就是亿万年。

腐朽是我的前世,黑金是我的今生。在无氧的时空隧道里,我背负着来生的信念,默默地聚集着正能量,终于化腐朽为神奇,支撑起人类现代的文明。

“宇宙蛋”里孕育的生命

宇宙最初的源头是一个所谓的“宇宙蛋”,它凝聚了所有的时空质能,孕育着未来物质世界的一切,包括天体和生命。大约150亿年以前,“宇宙蛋”在一场无与伦比的大爆炸中诞生了宇宙。宇宙内部爆炸残留物之间互相作用,在形成星球的同时也逐渐形成了星系,其中一个星系叫银河系,银河系中有一颗恒星叫太阳,围绕着太阳转的还有八大行星,其中有一个就是人类的家园——地球。

地球在诞生之初是没有生命的,当时的地球离太阳比较远。随着地球离太阳越来越近,处在了太阳系中最适合生命萌生的位置,并且地球的构成物质符合生命的萌生要素,在接收到宇宙中外界物质的加盟后,地球开始出现原始海洋。

原始海洋经过漫长时间孕育了原始生命,开始了漫长的生命进化,一直到5.4亿年前的寒武纪时期,出现了一次生命大爆发现象,地球上的生物突然丰富多彩起来,生物的种类成几何级数增长。

细菌或绿色植物通过光合作用将二氧化碳和水转化成有机物质,作为食物链的底层,各种动物以此为食也逐渐繁盛起来。花开花落、生死轮回中,生命怎样在地球上留下痕迹而万古流芳呢?

我的家在哪里?

“地下油海”和“地下油河”是文人墨客形容地下石油的常用词汇,久而久之,很多人认为地下的石油就是像海、湖一样。好像从地上打个洞,弄一台水泵,就可以轻轻松松地往上抽油了。

不是这样的。别忘了,石油工业除了是世界上资本密集的行业,同时也是技术密集的行业。

石油,顾名思义,是石头里的油,它像海绵里的水一样,浸透在石头里。可是,石头那么坚硬,油能渗进去吗?

油气的生成与保存

其实,自然界里的石头也不是铁板一块,无缝可钻的。经常户外活动的人应该知道,山上的岩石有着各种各样的裂缝和大大小小的孔洞。即使没有被风化或者破坏的石头,它们的内部也存在着各种各样的缝缝洞洞,只是有的比较大,肉眼就可以看到,有的却很小,要借助放大镜、显微镜才能看得清。比如,你在磨刀的砂石上浇上几滴水,一会儿这些水就没有了,表面只留下一片湿漉漉的痕迹。这就证明,像磨刀石那么坚实的石头也有许多肉眼看不出来的孔隙。

岩石的缝缝洞洞就是我的家。缝缝洞洞越多越大,岩石里可以装的石油就越多;缝缝洞洞之间相互连通得越好,我在岩石里流动也越容易。

天然气在地下存在的情况也和石油一样,储存在岩石的缝缝洞洞里。不同的是天然气是气体,它比液态的石油更会“钻空子”,能渗进石油的岩石都能渗进天然气,即使石油进不去的岩石,有的对天然气也是畅通无阻的。

岩石孔洞中的油、水分布示意图

石油行业将凡是能够储集石油及天然气的岩石层都称为储集层。显而易见,储集层是指具有储集能力的岩石层,但并不是说有储集能力的岩石层中就一定会有石油或天然气,具备了储集的能力,还要有石油或天然气钻进来储集,才能称为储油(气)层。能够储集油气的空间称为圈闭,储集了油气之后的圈闭称为油气藏。

地下圈闭

储集油气的圈闭优劣主要体现在三个方面:一是圈闭规模,即圈闭最大有效容积,这决定了储集油气的场所的大小,当然是越大越好了;二是圈闭内储集层厚度及孔隙性能,同样的,储集层的厚度大且其中的缝缝洞洞又多又大,能够储集的石油当然就多了;三是圈闭盖层及上倾方面遮挡的严密性。有了足够的储集空间,这只是能够形成良好油气藏的必要条件,如果周围的岩石密封性不好,油气运移到圈闭中接着又跑掉了,也不能形成良好的油气藏。

我的多彩前生

每年,从初春到深秋,我们生活的大地万紫千红,各种各样的植物、动物把地球装饰得多姿多彩。你可曾想到,与现代生活密切相关的黄色、黑色、褐色的石油会是由它们变成的!

石炭纪生物复原图

在地质历史中,陆上的生物丰富无比,大到恐龙、原始哺乳动物,小到草木花朵,乃至肉眼看不到的被子植物的花粉与裸子植物的孢子体;水体中的生命也缤纷多彩,有鱼类、贝类、蜗牛、浮游动植物等,它们是装点大地、海洋的主体,也是构成地球上有机物的基础。

在陆地,各种动物、植物死亡之后,往往被其他动物吃掉或被风吹雨淋很快腐烂、分解。而在水体中,由于水层的保护,水底安静的环境、缺氧等条件,可以大大缓解甚至防止生物体的腐败。

在占地球表面75%的水体中,生活着大量的微生物和微体生物。据推算,一个硅藻体在不受任何阻碍的条件下,一天之内即可繁殖到和地球一样大小! 据推算,海洋中的浮游生物每年的死亡量可达5500亿吨。它们在海水中大量生存,被科学家称为“生物雨”,而死亡后向海底飘落则形成了“尸体雨”。还有大量的生物遗骸被河流和风源源不断地携带到海洋与湖泊中,并不断地沉降到底部,它们就是沉积有机质。

形成油气的各种藻类

通向石油的驿站——干酪根

在水体中,生物死亡以后,体内的主要成分如碳水化合物、蛋白质、类脂物、木质素等会先后遭受不同程度的分解与破坏。分解产物一部分成了另外一些生物的“点心”,另一部分则被分解成了二氧化碳和水。剩下的部分,是生物原始数量的极少部分,没有经历完全的生物再循环和物理化学分解而进入沉积物中,变成了沉积有机质。

早期的沉积有机质不断地被埋藏到较深的部位。在正常的地质条件下,需经过5000-10000年才能形成1米厚的沉积层。在这段时期,细菌活动引起的发酵作用,使有机物中的纤维素、蛋白质和多糖大分子被降解。大多数有机质在这一阶段聚合成不溶于有机溶剂的有机物,地质学家称其为“干酪根”。

干酪根

干酪根形成示意图

干酪根(Kerogen),这个词一看就是音译的,来源于希腊语。之前也被翻译成“油母质”,这倒是意译。Kero有蜡的意思,原始含义就是“能生成油或蜡状物的物质”。后来含义又混乱了……直到20世纪60年代,才明确规定为沉积岩中的不溶有机质。它泛指一切能生成油气或者煤炭的有机质。它并不是某一种有具体成分的物质,而是一种有机高分子聚合物。干酪根的含碳量在70%~90%,含氢量在3%~11%,含氧量在3%~24%。地球化学家根据干酪根的元素组成将其划分为I型、II型和III型。

干酪根生物来源及分类

干酪根是地球上有机碳最重要的存在形式,地壳中干酪根总量约为3000万亿吨。这个数字可能不太直观,那么下面的数据就形象多了:干酪根的总量大致相当于全球煤炭总储量的1000倍和石油总储量的16000倍!

生油岩中的干酪根分解生成油气

那么为什么要研究这种范围很宽的东西呢?因为,干酪根是煤、石油和天然气的前体。也就是说,它可以生成煤、石油和天然气!

尽管如此,在发现它巨大的作用之前,人们对它的研究却很少。因为它基本不溶于有机溶剂,而且相当复杂。后来人们发现这东西能生成石油,才对其投入了极大的热情开始研究它。

从有机质到干酪根,主要得益于细菌的降解作用,而干酪根进一步演变成石油则主要靠温度。在地温不超过60℃的较浅地层处,干酪根中氧和硫元素的含量下降,液态烃的形成量极少,干酪根形成了一些极为复杂的大分子碎片;当地温超过60℃以后,前一阶段形成的大分子碎片因其化学键的进一步断裂,形成了更小的碎片,干酪根中开始产生碳氢化合物,进入石油生成的主要阶段;随着埋藏深度的加大,或者由于岩浆活动等原因,当地温达到120℃以上时,干酪根中的烃基几乎全部消失,液体烃遭受破坏,低分子甲烷气大量产生……

可以说,石油的生成是干酪根为适应环境不断调节、改造自身的过程。

坎坷运移路

现在,我们已经知道了石油是在地下岩石中生成的,也是在地下岩石中储集的,那生产石油和储集石油的岩石,是同一个岩石体吗?

初生油、气被压榨进入储层

一般情况下不是这样的。生产石油的岩石,专业上称为生油岩(也叫烃源岩),储集石油的岩石,称为储集岩。一般油气在生油岩产出后,需要经过一定时间、一定距离的运移,才能到达储集岩层,并在此聚集下来。油气从生油岩跑出来的过程叫一次运移。对于大多数的油气藏,其中的油气聚集不是从生油岩直接流过来的,很多经历了二次、三次甚至更多次的运移,从一个油气藏运移到另外一个油气藏。

运移期间,有一些油气能顺利到达下一个据点储集起来形成新的油气藏,还有一些因为各种各样的原因,中途逸散了,消失地无影无踪。要形成一个优质的油气藏,期间经历的“磨难”实不足为外人道也。

奇妙的组合

油气藏是我的“家”。要组成这个完整的“家”,需要具备六个条件:一是家里要有主人,那就是我喽,因此,需要有生油层才能有我;二是家里必须有让我满意的硬件设施,我大老远从生油岩跑过来,不给我安排一个好地方能行吗,那就需要有储集层了;三是还要有墙壁和屋顶为我遮风挡雨,也就是需要盖层和遮挡层防止我逸散;四是需要有运动条件,我才能从生油层经过长途跋涉进入“家门”;五是家里的空间要足够大,有足够的缝缝洞洞让我栖身,也就是圈闭条件必须满足我的体量,要不然我还要继续往前跑;六是我住的地方必须要稳定,三天两头的地震,没事搞搞地质运动,那我可没有办法老老实实待在家里,不是跑到别人家里,要不就会直接逸散。

要想形成油气藏,给我一个完整的家,这六大条件缺一不可。这就是石油地质家所谓的油气藏形成六大要素——生、储、盖、运、圈、保。

油气藏形成的主要条件

百年石油未决案

日常生活中,各种各样的媒体对石油都冠以“化石燃料”的称呼。这其实是基于这样一种认识:石油是由远古时期生物(包括动物与植物,尤以浮游生物为主)生成的。这就是石油的“有机成因”理论,这一理论指导了现代石油工业的发展。

长期以来,在石油地质界还存在一种观点,认为石油是无机成因的。如果从俄罗斯著名化学家门捷列夫算起,油气无机成因的假说提出也已有100多年了。

石油无机成因观点认为,在石油的形成过程中,率先上涌的岩浆,由于在地壳裂缝中所受的压强极小而大幅度地发生热膨胀,形成大量的岩浆气,按照一定的组分组成气体分子,比如乙炔、水等。

岩浆中不断析出的气体,不仅使裂隙中的压强和温度不断升高,而且使裂隙中形成的烃类分子的密度连续增大,它们的内聚力不断加强,导致烃类分子趋向于形成复杂的结构。即乙炔→乙烯→甲烷→乙烷→丙烷→丁烷。当裂隙中碳氢化合物气体浓度进一步升高时,就会使低碳类烃聚合为高碳烷烃,进而发生相态变化,也就是说,气体的烃类变成了液体的烃类——石油。石油在形成的初期,因为颗粒极小,可以随着热量而向上运动,它们在裂隙的上方大量聚合,融合成更大的油珠。当密度大的油珠进一步融合,其重量将大于岩浆气体热膨胀时所产生的推力,于是纷纷坠落或沿着裂隙壁面流向裂隙的底部并溢出岩浆。

由于裂隙中的压强、温度和碳氢化合物的气体浓度达到相当高的标准后,才会形成石油,所以,岩浆析出的气体刚刚脱离岩浆就会遇到很高的压强,不仅在原子的层次上形成稳定的结构,而且迅速化合为碳氢化合物。于是,一部分岩浆气体在上浮过程中,就化合为石油,而且会不断地增加,渐渐地就可能形成油藏。

首先,已经证实,地球深层存在大量的富二氧化碳流体,这些流体排出的二氧化碳在上升的过程中,可以与氢气发生著名的费托反应(以一氧化碳和氢气为原料,在适当条件下生成烃类的反应)而生成烃类。

其次,在地球深部也存在大量的富氢流体,地球也在不断向外排氢,在很多地方已经发现这种无机成因的氢气藏,而且越向地球深部,氢的含量越高,到中下地幔和地核则主要是氢气和氢化物,这为费托反应的发生提供了物质保障。

再次,在很多沉积盆地中广泛存在能够促使费托反应顺利进行的催化剂,使得反应的发生成为可能。

“石油无机生成”论点认为,无论在陆地还是海底,只要地壳深部存在形成裂隙的地质条件,那里就可能存在生油构造,生成的石油与天然气沿着裂隙运移上来以后,可以聚集成大型油气田。

虽然有机成因理论被大多数地质家所认同,并指导了全球大多数油气勘探实践,但是随着全球范围内石油勘探难度的增加和人们对油田的认识加深,越来越多的现象用石油有机成因的理论无法或难以解释,长期失宠的无机成因理论又重新得到了部分石油地质家的关注。主要原因有以下几个方面:

一是有些地区找到了大约15亿年前形成的石油。这是什么概念呢?按照传统的石油地质与生物学理论,当时的生物量似乎并不足以形成石油。为什么在不含生物的地层中也能找到石油?

二是为什么世界上的大型、超大型油气田大多集中分布?难道当时的地球上,只有那些地方有生物吗?

三是为什么大型油气田的地层深部大多存在着一个地幔柱?这是油藏与地下深处相通的证据。

四是传统的石油地质理论认为,石油的生成至少需要数百万年以上的时间,但是,通过对美国黄石公园内热泉的有机质研究表明,生成石油的时间有几千年足矣!更有甚者,墨西哥湾水域漂浮的藻类经太阳暴晒数周后,竟有液态的油滴生成。

面对这些向传统石油地质理论挑战的现象,人们似乎有理由认为:世界上有些油田的石油似乎正在源源不断地得到补充;一些油气可能来自地壳深处;石油的生成、运移、聚集可能与地震有关,而地震恰恰是地壳运动的表征,它能把地下深处的油气“送”上来吗?

在石油有机成因与无机成因的大辩论中,“有机成因论”始终占据绝对优势,因为迄今为止,世界上所有的大型油气田都是在这一理论的指导下找到的。当然在一些具体问题上,这一理论也有无法自圆其说之处。

当前,这两种理论还没有得到很好的融合。正确认识油气的来源问题,不仅仅是理论问题,更具实践意义:它的确定将给石油勘探的部署带来战略性调整。而且,一旦工业性石油的聚集与无机成因的关系得以确定,则石油勘探的领域将会大大扩大,全球石油的储量也会极大地增加,进而使世界的原油产量保持稳步增长。这也是许多科学家对这一重大学术问题投入大量精力的原因。

作者:马新福

评论
CZH科普
少师级
正确认识油气的来源问题,不仅仅是理论问题,更具实践意义:它的确定将给石油勘探的部署带来战略性调整。
05.28
无限探索者
少傅级
正确认识油气的来源问题,不仅仅是理论问题,更具实践意义。
05.28
坦 荡 荡
贡士级
石油是不可再生资源,人类应当有序开发利用。
05.27