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S04E17文明血脉:石油的产生与油气田的形成

 长夏江村 2019-04-26



知识就是力量,欢迎回到2049。

各位老板,当你开着农用三轮载着小妹妹去省城昆明的时候,当你为女神点上一圈心形蜡烛的时候,当你把头发梳成大人模样穿上一身帅气西装的时候,当你在夜晚要进行某种活动穿戴上某种防护装备的时候,当你为了生活又捡起地下的饮料瓶的时候,当你为了看清帅气的我扶了一下自己的塑料黑框眼镜的时候。不知你是否会想起石油,当然了是个正常人都想不到。那么今天不妨就让我为你讲述一个关于石油的故事,欢迎收看大型娱乐节目回到2049第四季第17集《文明血脉:石油的产生与油气田的形成》。

在人类文明发展的历史长河中,涌现出了许许多多促进人类文明进步的重大事件,比如有火的利用、青铜器的炼制、煤的发掘、电的发现、蒸汽机与内燃机的发明,以及计算机、互联网的普及等等等等,这些都对人类社会的文明进程产生了深刻的影响和巨大的促进作用,而在过去的一个多世纪中,石油无疑为文明的进步起到了最大的助力作用,这一大自然赋予我们的流动液体,绝对当得起“文明血脉”这一称号。

石油

溯及石油的历史,可谓十分久远,在两河流域书写在泥板的楔形文字中、在古埃及书写在石板上的象形文字中,以及在墨西哥阿兹特克文明书写在桦树皮上的绘画文字中,人们都找到了关于石油的记录。另外,在伊朗和伊拉克的考古发掘中,人们还发现了地沥青或沥青,被用于建筑、筑路、油漆、防水和医药等等,而沥青正是石油氧化的产物。至于油气苗的发现就更为普遍了,欧洲、日本、南美、印尼等地都有发现油气苗的历史记载。

我国最早的石油记载,首见于东汉班固所著的《汉书》中,在《汉书-地理志》中有记载:高奴,有洧水,可燃。这里的高奴是指今天的陕西延安东北一带,洧水是一条河的名称,现在它叫清涧河,可燃就是指水面上有可以燃烧的东西,这个东西就是石油。当然了,不论东西方,古人并没有什么地质勘探技术,石油天然气的发现完全都靠随机,而其主要依据便是油气苗,这个我们后面再说。

关于石油在古代的应用,最早就是占卜。由于古人认识自然的能力很差,生产力水平很低,所以最初发现油气苗这种陌生的东西,尤其是看到因油气苗而引起的大火时,会产生恐惧、疑虑、困惑、好奇等心理,并赋予其神秘色彩用来占卜吉凶。在国外的一些国家,石油在很早以前被称为“魔鬼的汗珠”、“普罗米修斯之血”、“发光的水”等等,在欧洲和中东地区,人们将大量的天然气苗当成“永恒之火”,致使拜火教盛行一时。另据历史记载,公元前1000年左右,有人在约旦河上游开始开发沥青,并掌握了用沥青掺和砂石修筑道路的技术。

我们的祖先在利用石油方面,似乎要聪明一些,这可能与我们长久以来的实用主义有很大关系。据《汉书》记载,早在2000多年前,西北地区的人民就知道漂浮在水面上的石油可以点燃,于是他们就把石油收集起来,拿回家点火照明。除了照明之外,在我国古代,石油还被用作润滑、防腐、制墨、医药等等,当然了还可以用于战争,最经典的案例就是赤壁之战,孙刘联军将石油灌入柴草,火烧了曹操的战舰,阻挡了曹操南下的脚步,三足鼎立由此形成。

石油这一名称最早出现于北宋,在此之前,石油曾被叫做可燃水、石漆、水肥、石脂水、黑香油等等。有人认为石油这个名称是沈括在《梦溪笔谈》中起的,不过现在的考证认为,早在沈括之前,在北宋文人李晔等编纂的《太平广记》中,就已经使用了石油一词。文中记载:石油井在延长县北90里,井出石油,取者以雉尾挹之,采入罐中,燃之如麻,多煤烟,为墨至佳,更疗疾病。意思就是,在延长县以北90里这个地方有石油,用鸡尾巴蘸着取出来,烧起来像麻线一样,可以用来制墨,也能用来治病。

更为牛逼的是,在北宋时期,我国甚至已经形成了最初的石油工业,当时,以钻探油气为目的的钻井技术,已经发展到成功地钻凿小口井,这种只有碗口大小的小口井被称为“卓筒井”。除此之外,北宋人民还知道对石油进行炼制和加工,当时政府就专门设有“猛火油作”,这可以说是最早的石油化工厂,用来将石油加工成军火。好了,关于古代的事儿就不多说了。我们还是要回到石油自身上来。

可以说,虽然现在石油已经被贴上了传统能源与污染的标签,但它依然与我们的生活息息相关,我们的衣食住行没有一刻可以离得开石油,用一句套话说就是:石油及其化工产品在国民经济中发挥着重要作用。具体表现为下面这几大方面:首先,石油是能源与能量的主要提供者,由石油炼制的汽油、柴油、煤油、重油,是交通工具以及各种锅炉的主要燃料,同时,石油也是世界范围内电力的主要来源。其次,石油化工产品是被称为三大材料之一的高分子合成材料的主要原料,它创造了合成塑料、合成橡胶与合成纤维。除此之外,石油化工还提供了绝大多数的有机化工的原料。第三,石油化工也促进了农业的发展,这主要表现为石油化工提供了占化肥总量80%的氮肥,同时,农用塑料薄膜、农药,以及大量农业机械所需的各类燃料,都来自石油化工。第四,各个工业部门都离不开石油化工产品,其中包括金属加工业、建材工业、纺织工业、电子工业、现代国防与航天工业、炸药工业、制药业等等等等不胜枚举。所以我们说,当人类经历了渔猎社会、畜牧社会、农业社会而进入工业社会后,石油就不仅仅是工业的血液,更是人类文明社会的血液。石油就像血液一样将各种养分,通过各种途径输送到现代社会的各个领域,滋润和促进着人类社会文明的不断进步。

那么石油究竟是什么?它是怎样形成的?我们该去哪找它?又怎样找到它?找到之后又如何将它们拿到手?拿到手之后又怎样变成对我们有用的东西?接下来我们就来一一解答。

首先是石油究竟是什么?一句话就是:石油是赋存于地下岩石孔隙中的,以碳氢化合物为主要成分的液态可燃矿产。由此可见,石油是一种液态物质。从地下采出来的石油,在没有经过加工提炼之前被称为原油,原油中的化学元素主要有碳、氢、氧、氮、硫等,其中碳和氢约占95%-99%,剩下的氧、氮、硫和其他微量元素,只占总含量的1%-5%。以上所有这些元素大多以化合物的形态出现,我们把石油中名目繁多的化合物分为两大类,一类是由碳、氢元素组成的化合物,也就是碳氢化合物,也被称为烃类化合物,比如有环烷烃、烷烃和芳烃等等,这是原油的主要成分。另一类是含氧、氮、硫的非烃化合物,比如含氧的酚、含氮的卟啉,含硫的硫醇等等。

另外,从刚才的定义中我们也可以看出来,石油是赋存于地下岩石孔隙之中的矿产,其存在的状态并不是“地下油河”、“地下油湖”或“油海”。我们知道,岩石是天然产出的具有一定结构和产状的矿物集合体,它包括孔隙和岩石实体两大部分,而其中的孔隙正是石油与天然气赋存的空间。岩石的孔隙有大有小,大的直径可达数米甚至更大,比如碳酸盐岩中的溶洞,而小的孔隙其直径以微米计量,用放大镜才能看得到。另外,除了孔隙之外,岩石的裂缝也可能是石油的赋存之所。

虽然我们印象中的石油都是黑色的,但其实原油具有丰富多彩的颜色,除了黑色之外,还有白色、淡黄色、褐色、墨绿色等等。石油的基本物理性质有密度、黏度、凝固点,以及在荧光灯照射下发出的颜色各异的荧光。石油的相对密度介于水和天然气之间,一般为每升0.75-1kg。黏度是反应石油流动特征的参数,黏度越大,越难流动,开采和运输就越困难。凝固点指的就是当石油开始不再流动时的温度。总的来看,石油的物理性质与其化学成分及含量有关,比如凝固点就与蜡的含量有关,蜡含量越高,原油的凝固点就越高,也就越难流动和运输。

我们了解石油的化学成分和物理性质的目的,是为了寻找它、改造它和利用它。比如原油的某些物理化学性质,保留了其形成时的特性,专业人员通过潜心研究,可以追溯它的形成、变迁和分布规律,从而找到更多的石油。还比如,可以通过给高黏度的原油加温以降低其黏度,从而使它变得容易流动,达到多采油的目的。

第二个问题:石油的形成。你可能想不到的是,虽然人类发现、利用石油已达数千年之久,也虽然在过去的一个多世纪中,石油成为了工业的血液、文明的血脉。但石油究竟是如何形成的,至今在科学界仍是一个争论不休的重大问题。总的来看,目前学术界主要有三种不同的观点,分别是:无机成因说、有机成因说与成因二元论。

先来看无机成因说。所谓的无机物就是与生物活动无关的东西,石油的无机成因说出现于18世纪后期至上世纪中叶,包括碳化说、宇宙说、岩浆说与陨石说等。这一假说认为,石油的生成是宇宙天体中简单的碳化合物、氢化合物,或地下深处岩浆中所含的碳和氢,以无机方式合成的。在地球形成初期,这些简单的碳化合物、氢化合物被岩浆或岩石所吸收,然后转入地壳深处,经过高温高压和复杂的化学作用后,逐渐使得分散的、少量的碳与氢化合物集合起来形成了碳氢化合物,当岩浆上升冷凝时,便分离出了石油,这些石油会沿着裂缝、断裂,运移到地下各处形成油藏。

碳化说最具代表性的支持者便是门捷列夫,根据实验结果,门捷列夫认为,石油是地下深处的重金属碳化物与下渗的地下水相互作用而生成的,其发生的具体反应为:重金属碳化物与水,在高温高压下,生成了金属氧化物与石油蒸汽。而石油蒸汽在地壳中上升的过程中,冷凝在地层的孔隙中,这就是石油形成的碳化说。从化学的角度看,碳化说没有什么问题,但它的致命弱点是,重金属碳化物以及水,是很难穿过软流圈而渗透到地下深处的,所以碳化说的形成条件很值得怀疑。

到了19世纪晚期,俄国化学家索洛柯夫又提出了宇宙说,这是无机起源派的另一典型代表。宇宙说的依据在于:在一些天体中发现有碳氢化合物,比如它们就广泛地存在于水星、木星、土星、天王星、海王星等的大气层中。借此,索洛柯夫认为,碳氢化合物是宇宙所固有的,早在地球还处于熔融阶段时,它们就已经存在于地球的大气中,后来随着地球的冷却,这些存在于大气中的碳氢化合物被吸附并凝结在地壳上部,再之后,由于一系列作用,它们聚集起来便形成了油气藏。这个假说也存在问题,那就是地球早期即使存在碳氢化合物,但它们的结构简单、分子量小,而我们现在所发掘石油的分子量大且结构十分复杂。

总之,虽然从理论与实验中,人们可以通过无机方法合成某些烃类,或在火山喷发中也发现有沥青,甚至在岩浆中还找到了为数极少的石油,但无机成因说却有着一些无法解释的现象。除了以上提到的之外,还有三大现象是无机成因说所无法解释的。首先,世界上几乎所有的油气田,都产于有机物丰富的沉积岩中,而不是有机物贫乏的岩浆岩或变质岩中。其次,在石油中,人们发现了许多指示有机成因的生物标记化合物,比如血红蛋白、叶绿素等等。第三,石油成分中具有旋光性,而这正是生物所特有的性质。所以,现在只有极少数学者仍坚持石油的无机成因说,不过它还并没有被完全否定。

下面我们再来看看有机成因说。事实上,早在无机成因说出现之前,有机成因说便已出现。而在无机成因说兴起的同时,有机成因学派也相继提出了一些方案、证据和观点,并逐渐占据了上风。有机成因说认为,油气是由生物死亡形成的有机物转变而成的。早在18世纪中叶,俄国百科全书式的科学家罗蒙诺索夫就提出了蒸馏说,该假说认为,石油是煤在地下经受高温蒸馏的产物。由于煤是植物遗体演变的产物,所以蒸馏说便成为了石油有机成因说最早的科学论断之一。

罗蒙诺索夫

而在18世纪60年代以后,有机成因说中又先后出现了动物说、植物说和腐泥说等学说,其所针对的都是形成石油的原始物质。动物说认为,石油主要由低等动物形成,而植物说的主角则是藻类,比如蓝藻、甲藻、绿藻和硅藻等等。

进入到20世纪后,相对于无机成因说学派,有机学派的优势日趋明显,主要原因就在于,人们在石油中找到了生物的直接证据,也就是卟啉和旋光性。而到了1906年,经化学家波东尼的发展,动植物混成说崭露头角,并构成了现代有机生油说的雏形。波东尼认为,注意啊不是郭冬临,他认为,动植物都是成油的原始材料,它们同矿物质点一起形成了“腐泥岩”,腐泥岩经过天然蒸馏便形成了石油。

在混成说基本确立之后,人们开始转而关注有利于生油的生物化学成分,于是出现了脂肪说与蛋白质说。苏联石油地质学家古布金认为,这方面不用去撕,事实上,不论是脂肪还是蛋白质,各种生物化学组成均可参与生油,它们可以是来自海洋的动植物残体,也可以是来自陆地携入的生物所分解的产物,含有这些分散有机质的腐泥就是将来生油的母岩,母岩早期由于细菌的作用,而产生分散状态的石油,晚期由于负荷加大,将油水一起挤入多孔地层,继而油水按比重分开,就形成了油藏。至此,完整的生油理论得以确立。

古布金

而在有机生油理论形成之后,又一个新的问题出现了,那就是石油是早期生成的还是晚期生成的呢?所谓的早期是指沉积物形成的初期,而晚期则是指沉积物经成岩作用形成岩石后的阶段。在上世纪50年代前后,早期生油说相当活跃,这是因为,科学家在现代沉积物中发现了烃类,进而得出石油在沉积早期便已形成的结论。不过,早期生成的石油与晚期生成的石油相比,无论是在质量上还是数量上,都存在着巨大的差异。于是在上世纪六七十年代,科学家通过生油母岩的详细研究,认为只有当母岩埋藏到一定深度和温度时,生物有机质才会显著地大量产生石油,这就是晚期生油说。晚期生油说在学术界中赢得了大多数人的支持,而近几十年来,由于石油有机化学和近代沉积学的发展,以及世界各国大规模石油勘探活动的开展,积累了丰富的资料,使得石油晚期有机成因理论日趋完善,现在已经成为了指导油气勘探的最基本理论之一。

不过尽管如此,石油的晚期有机成因说也遭到了自己难以解决的矛盾,比如说,成油母岩干酪根组成中严重缺氢,没有氢就无法生成烃。还比如说,大量生物的突然死亡而又奇妙地聚集在一起,这很难理解。再者,虽然石油无机成因说面临一系列问题,但理论与实验,并不能完全模拟地球早期的环境,特别是随着科学技术的发展,支持无机成因说的证据也不断涌现,更为重要的是,在目前已经开发的油气田中,人们还真就找到了无机成因的石油和天然气。这些现象不得不让科学家采用辩证、全面的观点,重新思考石油的成因问题,于是便诞生了石油成因的二元论,石油既可以是有机成因的,也可以是无机成因的,而在一个油气田的油气,也可以是两种成因的油气混合而成的。可以说,石油成因的二元论开阔了人们的思维空间,也拓宽了寻找石油的范围,这一观点正在被越来越多的人们所接受。

好了,甭管石油是怎么形成的,既然好用,咱们找来用就行了,那么该如何寻找石油呢?前面说过,石油和天然气在地下是存在于岩石的孔隙、裂缝和溶洞之中的,当某一个岩层的孔隙中聚集了一定数量和规模的油气时,便形成了油气藏,孔隙中以石油为主时叫“油藏”,而以含气为主是就叫“气藏”。由一个或多个油气藏组成的一个产油气区,就被称作“油气田”。

所以,要想寻找到有开发价值的油气田,我们首先就要深入地了解一下石油的形成机制,地球这么大,不知道这一点就无异于大海捞针,根据目前占据主流的石油有机成因说,石油和天然气是由生物死亡后转变而生成的,所以接下来我们就来看看这些生物到底是怎么变成石油的,这些石油又是如何形成了油田。

根据生物学和地质学的研究,早在距今30多亿前,地球上就出现了生物,而随着地质历史的发展,生物的数量和种类越来越多,也越来越高级,生物的大量繁殖和死亡也从来没有停止过。这其中的藻类尤其生猛,比如说硅藻在适宜的条件下,8天内就可以繁殖10的36次方个后代,质量可达14亿亿吨,实在是不知道高到哪里去了。当然了,除了藻类,还有其他一些十分生猛的生物,总之,大量的生物,主要是海洋和湖泊中的浮游动植物、细菌、藻类以及陆生高等植物,在它们死亡后,其有机质的一部分被氧化变成二氧化碳散逸了,一部分则随着泥沙沉积下来形成了有机质,这些有机质便成为了生成油气的物质来源。

有了物质基础,要使沉积物中的有机质能够长期、稳定保存下来,为油气的生成做好准备,还需要一个特定的地质环境。我们知道“人往高处走,水往低处流”,泥沙和有机质是在水的携带下,到达一个低洼的地方便沉淀下来,所以有机质要想保存下来,首要的地质条件就是要有一个低洼的地形环境。这种低洼的地形,根据它们的规模和大小,可以分为盆地、坳陷、凹陷和洼陷等类型。从地质历史的角度看,如果地壳运动使得这些地区不断下沉,继续保持着低洼地形,那么它们就会长期接受富含有机质的沉积物,最终使地层厚度不断增大。这种富含有机质的地层就叫“生油(气)层”,也就是生成油气的地层。

要使有机质能很好地保存下来,除了特定的地质环境之外,还有一个必须具备的地质条件,这就是缺氧的“还原环境”。它要求接受沉积物后的洼地水体,保持封闭或半封闭状态,抑或者富含有机质的沉积物能迅速地被后来的沉积物所覆盖,使之与含氧的环境隔绝开来,这样的环境可以防止有机质的氧化与散逸。

综合以上两点我们就可以得知,有利于油气生成的环境,应该是湖泊中的深湖-半深湖环境,以及海洋中的海湾或浅海环境,事实上,目前的海上油气田,大都分布在浅海陆架区。那么为什么深海不是有利于油气生成的环境呢?其原因正在于深海洋盆区上覆沉积层一般较薄,有机质含量较低,而且温度特别低,这些都不利于石油与天然气的产生。

海上油气田

现在基本的地质环境具备后,我们就来看看有机质是如何转化为石油和天然气的。在生物遗体随泥沙一起沉积下来形成的有机质中,有一种特殊的物质叫做“干酪根”,这是一种高分子有机化合物,这哥们很是铁骨铮铮,既不溶于酸,也不溶于碱,还不溶于水和有机溶剂,性能特别稳定。而它正是生成石油和天然气的物质源泉。它赋存于生油层之中,在特定的温度、压力、时间和催化剂等条件下,就会转化为石油和天然气。

具体来看,在各种因素中,最为关键的是地下的温度。我们知道,地球内部是个巨大的热源体,富含干酪根的地层由于地壳持续下沉,温度不断升高,在缺氧的还原环境下,有机质逐渐向油气转化。由于在不同的深度范围内,物理、化学、生物等条件不同,致使有机质转化反应的性质及主要产物,都存在着明显的区别,所以有机质在向油气的转化过程中,具有着明显的阶段性。

第一阶段是生物化学生气阶段:当原始有机物质堆积之后,便开始了生物化学生气阶段,其深度范围是从沉积界面到数百米乃至1500米,温度介于10-60℃之间,以细菌活动为主,在这一阶段,生物遗体被分解,干酪根逐渐形成。由于埋藏深度较浅,温度、压力较低,此时的有机质除了形成少量烃类和挥发性气体,以及早期低熟石油之外,大部分都成为了干酪根保存在岩石中。该阶段生成的生物化学气可聚集起来形成大型气藏,由于埋藏浅,易于开发,具有一定的经济效益。

这里面我们要解释两个概念,这就是未熟油和低熟油,所谓的未熟油和低熟油是指由未成熟或低成熟的有机质所生成的石油。在石油的有机成因论中,我们用“有机质成熟度”这个指标,来表明有机质由于受温度、压力等地质条件的作用而演化的程度,常用它来表示有机质向石油和天然气转化的程度。而有机质成熟度的大小则用“镜质体反射率”R0来表示。这个镜质体是高等植物在形成煤质的过程中产生的一种物质,在实验室,可以通过仪器测定镜质体对光的反射强度,来确定其反射率的大小。在生物化学生气阶段,R0一般小于0.5%,这就是未成熟或低成熟阶段。目前,未熟油和低熟油的研究正在引起世界各国科学家的重视。

第二阶段是热催化油气阶段:当有机质的埋藏深度超过1500m-3500m,地温升至60-180℃,R0值达0.5%-1.5%时,这个阶段促使有机质转化为油气的最活跃因素是热催化作用。在适宜的温度下,黏土矿物的催化作用使干酪根发生降解,有机质开始大量迅速地转化为石油,成为主要的生油时期。由于这个阶段产生的烃类已经成熟,所以也被称作成熟生油气阶段。

从未成熟阶段到成熟阶段中,有一个有机质开始大量生成石油的时刻,该时刻对应的地下温度叫“生油门限温度”,对应的埋藏深度叫“生油门限深度”。这个时刻正是从未成熟阶段进入成熟阶段的分界线。生油门限深度与地温梯度有关,地温梯度高的地区,生油门限深度小,有机质开始大量生油的时间早。比如我国东北的松辽平原,此处的地温梯度就较高,生油门限深度仅为1200m,而我国西部的盆地普遍地温梯度低,生油门限深度深达2000-3000米。

第三阶段是热裂解生凝析气阶段:当沉积物的埋藏深度超过3500-4000m,地下温度达到180-250℃时,便超过了烃类物质的临界温度,液态烃类也就是石油会被裂解,生成湿气与凝析油。这是湿气是天然气的一种,我们可以理解为还比较潮湿的天然气,而这个凝析油也是一种烃类物质,在地下深处呈气态,而来到地表后,由于温度和压力的降低,凝析油会凝结为液态的轻质石油。在该阶段,R0值为1.5%-2%,也叫高成熟阶段。

第四阶段是高温生气阶段:当深度超过4000-7000m以上,温度超过250℃时,以高温高压为特征,已经形成的液态烃与重质烃开始强烈降解,变成最为稳定的甲烷气,与刚才的湿气相对,此时形成的便是干气。而干酪根残渣在释放出甲烷后会进一步缩聚,便形成了碳沥青和石墨,此时有机质的生烃能力消耗殆尽,R0值大于2.5%,也被称为成熟阶段。

除了温度这一最重要的因素之外,有机质向石油转化还与埋藏的时间长短有关,不过,温度和时间两个因素可以实现互补,也就是说,如果温度低一些但埋藏时间较长,或者高温高一些但埋藏时间较短,这两种情况对于干酪根转化成油的影响效果都是一样的。

不过事情到此还远没有结束。事实上,由有机质生成的石油和天然气,最初是呈分散状态赋存于生油气岩之中的,我们无法从地下开采出这些油气。而我们现在所开采的油气,都是大规模集中在一起并形成油气藏的油气田。也就是说,由有机质生成的油气必须经过运移并聚集起来,形成具有相当规模的油气藏,才值得我们去开采和利用,于是这就引出了下一个话题,也就是石油和天然气的运移。

我们知道,绝大多数的矿藏,比如铁矿、煤矿、铜矿等,它们在哪生成,就可以在哪找到,也就是一旦形成就原地不动了。不过,唯有石油与天然气不是如此。如果我们把石油的诞生地称为石油的故乡,那么找到石油的地方就是它最终的归宿地了,石油这种背井离乡而去外地落户的特征,就是油气的运移。油气之所以具有运移的特征,是因为它们是一种流体矿藏,其对温度、压力等地质条件十分敏感,而地球又处于不停的运动之中,温度、压力等地质条件是经常变化的,于是就造成了油气的运移。比如说存在于地面的油气苗,就是地下油气向地表运移的证据。正是由于油气具有运移的特征,便增加了我们寻找油气藏的难度。那么从科学上看,什么是油气的运移,是什么力量推动它运移,运移的状态又是怎样的呢?

从广义上说,油气在地层中的任何流动,都可以称为油气的运移。不过整体来看,油气的运移大致经历着这样的过程:油层中已经生成的分散的油气,通过运移集中起来形成油气藏;已经形成的油气藏在地壳运动作用下,可以再次发生流动,使原来的油气藏被破坏;被破坏的油气沿断裂流向地表逸散、氧化,成为人们可以观察到的油气苗;也可能流到别的地方重新聚集起来,形成“次生油气藏”。在这一链条中,油气的运移经历了从分散到集中的过程,其中主要包括两个阶段,这便是初次运移和二次运移。

我们先来看初次运移。初次运移是指生成的呈分散状态的油气,从生油层中向有相对大的孔隙、裂缝或溶洞的地层中的运移,后者被称为“储集层”或“运载层”。初次运移的方向是多方位的,可以向上、向下或向四周。可见,储集层将星星点点的分散的油气初步集中起来,这个过程就像是涓涓细流汇入江河一样。

图太难找了,这是一张万能图

而促使成熟油气从生油层向储集层流动的力量,主要是两个来源,一是压力,二是温度。随着地壳的不断下沉,上覆地层越来越多,压在生油层上的地层的重量越来越大,因重量增加而对生油层产生压力也越来越大,生油层在这个压力作用下被压缩,体积变小,孔隙减小,其中已生成的油气,从生油层中随同地层水一起,被挤到了储集层中去了。由于生油层颗粒细小,孔隙很小,而储集层孔隙大,裂缝发育,所以就更加有利于成熟油气在压力的作用下,从小孔隙的生油层向大孔隙的储集层发生运移。打个比方,这就好比是花生通过榨油机施加压力后榨出花生油一样。

另外,在生油层不断下沉的过程中,地下温度增高,生油层中已生成的油气和水体发生膨胀,这也可以产生压力,当这个压力增加到一定程度后,导致生油层破裂,产生裂缝,生成的油气和水于是便顺着裂缝被挤出生油层而进入储集层。之后,随着地壳的进一步下沉,未进入储集层的油气会进入下一次的温度升高阶段,生油层中油气水的体积再次逐渐膨胀,压力再次增大直到生油岩再次破裂,生油层中的油气再次被排出,进入储集层。这种机制和过程反复进行,生油层中的油气便不断地被排挤出进入储集层。通常情况下,生油层进入生油门限并有大量成熟油气生成之后,初次运移便开始了。

下面我们再来看二次运移。二次运移是指油气在储集层、断层或不整合面内的运移,是初次运移的继续。这其中的断层是由于地壳运动而使地层断开、错动,地层的连续性被破坏的一种地质现象。而不整合面是指由于地壳上升,地层遭到风化剥蚀,发生沉积中断,在纵向上形成了地质现象的不连续面,这就是所谓的不整合面,之后地壳又发生沉降,在不连续面之上又形成新的沉积地层。储集层、断层、不整合面的共同特征是孔隙或裂缝发育,连通性好,有利于油气在其中的流动。二次运移的方向都向着压力减小的方向进行,一般情况下,是由低部位向高部位运移,在二次运移过程中,如果遇到适宜的环境和条件,油气便聚集起来形成油气藏,否则会导致油气的散失。

二次运移的主要动力是浮力,而浮力来自于油气本身,由于油气的密度比水小,在水中有浮升的作用,所以当油气进入饱含水的储集层、断层或不整合面后,油气就在浮力的作用下由低处向高处运移。除了浮力之外,水动力以及构造运动产生的力,也是油气二次运移的动力。油气二次运移的方向受它们的控制,不一定是由低处向高处,不过基本法还是要遵守的,那就是向力减小的方向运移。

至于油气在运移过程中的状态,由于油和气不容易溶解在水中,所以,除了小部分油气可以在水中以溶液的状态运移外,大部分都是以油滴和气泡的形式在含水的储集层中进行运移的,所以由此可见,水就是油气运移的运载体。

就这样,大量的油滴、气泡在地下微细的通道中进行着运动。对初次运移来说,通道主要是相邻的储集层或生油层产生的裂缝。而对二次运移来说,通道主要是孔隙、裂缝、不整合面和断层。这些油滴和气泡随着水一起,走着弯弯曲曲的道路,克服重重阻力,在地下艰难地前行着。所以,运移的速度是相当缓慢的,绝对不是江河一般顺流而下。总的来看,一个油气藏从生成、运移到聚集成藏的时间,需要数以百万年甚至上亿年的时间,真的是为谁辛苦为谁忙。

另外需要明确的是,二次运移与初次运移二者是连续的,自初次运移开始后,二次运移也开始了。不过,对油气聚集成藏最有意义的,是二次运移。估计说这么多你也懵了,我直接粗暴地给你总结一下你就明白了,其实很简单,初次运移就是油气从生油层转移到了储集层,主要动力是压力与温度,而二次运移则是在储集层、断层与不整合面内移动,在储集层与不整合面内由于浮力的原因,油气的运动可以在储集层某处得到聚集,从而形成具有开发价值的油气藏,而如果在运移过程中遭遇到断层,运移便会中断,油气就会散失,并在地表形成油气苗。

既然储集层是我们重点开发利用的区域,所以接下来我们就简单说一下这个储集层。我们经常可以听到油田或“油海”这样的称号,这很容易让我们产生错觉,以为石油会像湖泊和海洋那样在地下分布着,但真实情况并非如此。事实上,石油储存在岩石的孔隙、洞穴和裂缝之中,凡是具有孔、洞、缝,液体又可以在其中流动的岩石,都可以叫储集层,石油就是在储集层中储集和流动的,所以储集层也被称为“运载层”。从石油专业角度来看,我们用“孔隙度”和“渗透率”两个因素来衡量储集层的优劣,孔隙度的数值越大,表明储藏油气的空间越大,可以容纳较多的石油和天然气。而渗透率的数值越高,则表明孔隙、缝、洞之间的连通性好,油气容易运移,开发时容易采出来,可以获得较高的产量。

储集层的类型是多种多样的,不过大致可以分为三类,一是颗粒间的孔隙型储集层,二是溶蚀的洞穴型储集层,三是破裂的裂缝型储集层。这些储集空间有的大到肉眼可以看见,有的则细微到只有在显微镜下才能发现。这三种类型的储集层在我国也都有分布,可以分别对应大庆油田、任丘油田与四川气田。

不过,仅仅有储集层还不足以让油气保存起来,为了不使在储集层中运移的油气向上散失,或防止油气藏的油气向上渗漏逸散而被破坏,在储集层的上方,还需要有一套致密的、不渗透的连续地层,把储集层中的油气给保护起来,这就是所谓的“盖层”,常见的盖层有页岩、泥岩、盐岩、石膏等等,另外致密的火山岩、石灰岩甚至是砂岩也可以做盖层,反正能给摁住就行了。根据盖层的分布,可将其分为区域性盖层和局部性盖层,前者分布面积大,可以封盖住大面积的向上逸散的油气,在这样的地方,通常会形成大型油气藏。而后者面积较小,只能封盖小范围油气而形成小型油气藏。

影响盖层封油气能力的因素,除了盖层必须具有一定的厚度和面积外,关键还有盖层的致密性和渗透性。越致密、渗透性越差,封盖的油气就越多。另外,盖层的分布也要稳定,也就是厚度的变化不能太悬殊,一个地方厚,另一个地方薄,更不能有的地方有盖层,有的地方没有盖层。如果是这样的话,那么储集层上方就会出现天窗,油气就会在浮力的作用下,从天窗逸散出来,这就叫一块臭肉坏了满锅汤。最后,盖层还要求不受地壳运动的破坏,如果一个完整的盖层被地壳运动破坏得支离破碎,也就失去了盖层作用,所以世界上大的油气田,都处于地质较为稳定的区域。

很多时候大自然总是很慷慨地为我们提供便利,事实上,自然界的诸多事物之间,既相互联系,又相互作用,并且还往往形成巧妙的配合。就拿这个盖层来说,生油层和储集层常常出现相互叠加起来的情况,这样的结果是,当生油层中所生成的油气运移到储集层后,生油层就成为了保护其下部储集层中石油的保护层了。最终,当形成油藏后,自然也就成为了油藏的盖层。由于生油层一般都是暗色的泥岩,经地层压力压实后,会变成很致密、不渗透的岩层,所以大多数都会成为实际油藏中很好的盖层。

好,现在油气从生油层出来了,经过二次运移也到达了一些孔隙、溶洞或裂缝之中,上面还覆盖上了良好的盖层防止其逸散,不过事情还没完,油气要想形成工业性规模的聚集,成为具有开发利用价值的油气藏,还需要一个必备的条件,那就是油气在运移过程中,要遇到阻止其继续运移的遮挡物,并在遮挡物所围成的空间中聚集起来。这个遮挡物所围成的空间就像是一个仓库,它可以源源不断地接纳油气在其中聚集起来,最终形成油气藏。如果没有遮挡物及其周围的空间,那么油气将继续运移下去直到散失,这样一来,就不可能有油气藏的形成,这个聚集油气的空间就是所谓的“地质圈闭”。这个地质圈闭就像是一杯水倒扣在水盆中,当我们用一根吸管向杯中吹气的时候,就会把杯子里的水向外排出,而把气体集中起来。所以,地质圈闭就是油气运移的终点站和归宿地,是油气的富集场所,也是油气藏的所在地,当然也是石油工作者要寻找的主要目标。

地质圈闭的种类有很多,粗略来看可以分为三大类:一是由地壳运动形成的地层向上拱起,就好似一个倒扣的锅,这被称为“背斜构造”或“构造圈闭”;二是当两套不连续沉积的地层形成交叉形状时,会形成所谓的“地层不整合”状态,如果在不整合面上,由不渗透的地层起遮挡作用时,也会形成地质圈闭,这被称为“地层圈闭”或“不整合圈闭”;三是当储集层的四周被不渗透地层所包围并起到遮挡作用时,这被称为“岩性圈闭”。

构造圈闭

油气进入圈闭以后不断集中而增多,由于油、气、水的密度不同,便会在圈闭内进一步分异成三个层次,最轻的气在上面,较重的油在中间,最重的水在下面,成为一个完成的油气藏。一个大型的油气藏就可以单独成为一个油气田,也可以由多个油气藏组成一个油气田。至此,石油从生成、运移到进入圈闭中富集和分异,便完成了油气田形成的全过程。我国的大庆油田属于典型的构造圈闭,克拉玛依油田则以地层圈闭为主,而胜利油田则属于岩性圈闭。

总之,要想形成一个理想的、有工业价值的油气田,必须具备7大地质条件:一是要有充足的油气供给;二是必须具备畅通的运移条件;三是要有良好的储集条件;四是封盖条件要好;五是圈闭条件要优越;六是后期保存条件要好;七是生、储、盖、运、圈、保六大要素,在时间、空间上要相互配合。

这里面前五项之前都说过,我们简单来说一下第六和第七个条件。后期保存条件要好很好理解,因为其对油气藏是否可以保存至今,具有一票否决权,无论圈闭的成藏条件如何优越,后期的地壳运动都可以给予彻底的否定。事实上,从目前我们找到的油气藏来看,绝大多数都或多或少地受到过后期地壳运动的破坏,当然了,其破坏有轻有重,详细分析后期构造运动,对于正确认识圈闭的含油性具有重要意义。显而易见的是,圈闭聚集成藏后,地壳运动相对平静的地区,对油气藏保存至今十分有利。第七点,六大要素的完美配合,这也很重要,也就是说,并不是我们凑齐了六大要素,就一定可以形成具有工业价值的油气藏,这六大要素在时间与空间上的配合也至关重要。比如说在时间上,圈闭的形成必须先于或同时于油气大量运移的时期,如果圈闭形成晚了,它就会错过捕集油气的大好时机,即使这个圈闭十分完美,那也基本没用,你圈谁?这就好比是我弄个劳斯莱斯接你上班,结果劳斯莱斯中午12点才到你家门口,估计你早就6点坐大公交去了。而在空间上,有利的圈闭应该位于生油气区之中,或至少紧邻油气区,而且应位于油气大量运移的途径之上,油气在东北生成,你把圈闭搁西伯利亚同样没鸟用。总之,生油气区、储集层、盖层、圈闭四个静态因素,与油气生成、排出、运移、聚集和散失等动态过程,在时空的巧妙匹配,是圈闭聚集油气形成油气藏的关键。

妥了,最后再总结一下石油从生成到形成油气田的过程:大量生物死亡后,其遗体随着泥沙被水携带到低洼的地方并沉淀下来,随着地壳不断下沉,生物遗体不断被上覆地层所覆盖,在微生物作用下腐烂分解,形成包括干酪根在内的有机质,随着地壳的进一步下沉,有机质埋藏深度不断加深,地温不断升高,进入生油气门限深度后,由于温度、催化剂、压力和时间等因素的作用,有机质成熟,其中的干酪根发生降解和裂解,生成大量的石油和天然气。这些生成的石油和天然气在上覆地层压力和由于温度升高使之体积膨胀产生的压力作用下,随地层水被挤出生油层进入储集层。之后,油气在浮力、水动力、构造力等力的作用下,沿着储集层、断层和不整合面向圈闭中运移,并在圈闭中聚集起来,从而形成油气藏。当然了,地球永远处于运动之中,后期的构造运动也会导致油气藏的部分破坏或彻底破坏,使油气散失在地表形成油气苗,抑或是导致原来油气藏中的油气进一步运移到其他圈闭中,从而形成新的油气藏,这就是所谓的“次生油气藏”。

好了,本期内容比较专业,听没听懂就这么回事儿吧。很多时候,人类总以为自己可以与天抗争,但至少现在,抑或者在未来我们可以逆天改命,也要永远铭记,所有的一切都来自自然的馈赠。大自然的神奇,胜过万千的画笔,因为含蓄其中的,是兼容众生的情意!

最近节目被批判有点水,不知道这期算不算硬,我觉得基本可以了,硬到我自己现在都不知道说了些什么,一个三言两语就可以说得清的石油问题,我能给你扩展成这个样子,足以证明我确实颜值与实力并存,而且你以为这就完了?Naive,请看下集《文明血脉:石油的勘探、开采与加工》。

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