溯源石油:石油天然氣的前世今生

2016-07-27  來自: 延安中榆石化有限公司 瀏覽次數:849

    一些文學作品曾將油田描述為“地下油海”和“地下油河”。不少人也認為地下的油田像地面的海、湖一樣儲存著石油。其實不是這樣。石油是“石頭里的油”,像水浸透在海綿里一樣浸透在石頭的孔隙與縫洞里。

  天然氣作為石油的氣態形式,在地下的情況和石油一樣,也儲存在巖石的孔隙與縫洞里。不同的是,天然氣比液態石油的分子更小,能滲進石油的巖石都能滲進天然氣,石油滲不進去的一些巖石卻能滲進天然氣。

  那么,油氣是如何生成的?

  從大約5億年前地球上出現生命開始,石油也準備著登上歷史舞臺。最早的地球生命誕生在海洋,然后逐漸演化并向陸地發展。生長在海洋或湖泊里的動植物死亡后,其“遺體”伴隨著水中的泥沙一起慢慢沉入水底并逐漸堆積起來,而后在微生物的參與下發生腐爛分解形成沉積有機質。在這一過程中,部分有機質被微生物直接分解,形成以甲烷為主的生物氣。經過漫長的地質歲月,最終這些有機質與泥沙一起被壓實并形成沉積巖。微粒沉積“淤泥”壓實后形成的沉積巖稱為泥巖,像書一樣具有頁理的稱為頁巖,砂粒沉積壓實后形成的沉積巖稱為砂巖,并可根據砂粒的大小分為粉砂巖、細砂巖、砂巖、粗砂巖等。有機質一般富集在泥巖或頁巖中,所以,富含有機質的泥巖或頁巖被稱為烴源巖。砂巖中有機質含量一般較低,通常是油氣的儲集體。

  隨著地殼的不斷下降,海洋或湖泊中沉積的巖層越來越厚,那些富含有機質的泥巖或頁巖逐漸被深埋,經受的溫度也隨著深度的加大而逐漸升高。一旦達到合適的溫度,有機質就開始熱分解或熱裂解,生成石油和天然氣。隨著沉積地層的持續下沉,有機質埋藏的深度加大,溫度越來越高,當溫度超過一定界限時,原先形成的石油將裂解生成天然氣和殘留的固體瀝青。隨著油氣在泥巖有機質中不斷生成,它們在泥巖的微小孔隙中越積越多,積聚的壓力也越來越大,最終突破泥巖阻力,通過泥巖的微小孔縫運移出來。于是,這些從泥巖中“逃逸”出的油氣進入砂巖層中。在浮力的作用下,它們在砂巖的連通孔隙或斷裂、裂縫等通道中繼續向上移動(稱為運移),直至遇到致密地層不能再移動時,便在這些砂巖或裂縫中積聚起來。如果向上運移過程中沒有遇到致密的阻隔地層,它們便會到達地表散失掉。這些油氣運移到孔隙度、滲透性良好的巖石孔隙和裂縫中時,形成常規油氣資源,進入到比較致密的砂巖中便形成致密油氣藏。

  地下的石油和天然氣儲存在具有一定孔隙度和滲透性的砂巖層中,我們稱這類巖層為儲集層。如果地下儲集層中儲存了油氣,就成為含油氣層;工業開采的含油氣層被稱為產油氣層。油藏的形成,除了需要儲集層外,還必須有圈閉。所謂的圈閉,就是一個盛裝油氣的容器,就好像人居住的房子;同時,存儲油氣的圈閉還需要有能封住油氣,使其不至于散失的非滲透性泥巖等蓋層,才能使進入圈閉“房子”的油氣保存下來并形成油氣藏。圈閉是油氣藏形成的基礎,是發現油氣藏的場所。這個儲存油氣的“房子”必須在油氣生成和運移到此處之前就“蓋好”;否則,若油氣通過時還沒有“房子”可住,就會繼續前行,尋找其他住所或者散失。因此,只有當生油層、儲集層、蓋層自身具有良好的性能,且它們之間形成恰當的組合,才能形成油氣藏。

  由于油、氣、水的密度差異,油氣藏中通常是天然氣在頂部,液態油居中,水在最下面。如果地殼活動過于強烈,油氣藏保存條件不夠好,油氣藏中的油氣會隨著斷裂向上運移散失,也可能由于蓋層被風化剝蝕而使油氣存儲直接暴露地表,從而遭受破壞。就像一個裝滿石油的碗卻沒有蓋子,千百年來暴露在地表的石油,歷經風吹日曬,最終都會消失不見。密度更小的天然氣,則會直接散失到空氣中。(劉飏)

中國石油



 常規和非常規油氣資源形成示意圖

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  生物遺體(浮游生物、細菌、高等植物)等伴隨泥沙沉淀下來。隨著時間的流逝,在細菌
的參與下,這些遺體被分解成為有機質,甚至有的被分解形成生物氣。
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  隨著沉積層越來越厚,下部的沉積物在上覆沉積物的壓力下被壓扁、固結,形成沉積巖。
先前形成并保留下來的部分有機質與泥砂一起被壓實,形成富含有機質的生油巖。

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  隨著地殼運動,海水退去,沉積巖地層形成褶皺,并產生斷裂。當富含有機質的生油巖隨著地殼
    沉降達到一定深度時,開始生成大量油氣。油氣充滿生油巖,隨后沿著斷裂或裂縫向上運移,
    當油氣充滿與生油巖緊密相連的致密巖石后,便形成了非常規油氣藏。
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  剩余的油氣運移到合適的部位,由于上部及四周具有致密非滲透的蓋層遮擋,油氣無法繼續向
其他部位運移而被圈閉其中,最終形成天然氣居頂部、石油居中、水居底部的常規油氣藏。

  油氣生成條件

  廣義的石油是存在于地下巖石孔隙或裂縫中的以液態烴或氣態烴為主的可燃有機礦產。液態石油又稱為原油,氣態烴通常稱為天然氣。

  油氣形成的物質基礎是有機質。有機質是生物物質(主要包括浮游植物、細菌和高等植物)死亡后的遺體,通過沉積作用進入沉積物中并被埋藏下來。

  油氣的形成需要充足的沉積有機質、適當的溫度、壓力、時間、細菌等物理和化學及生物化學條件。

  有機質:有機質是油氣形成的物質基礎。能夠形成油氣的有機質主要是水生生物,如藻類,或者高等植物的表皮蠟質、花粉等。有機質一般被保存在泥巖或頁巖中。

  溫度:溫度是油氣形成過程中最重要的因素。在沉積盆地中,有機質開始生油的溫度通常在60攝氏度至120攝氏度之間,隨著有機質的埋藏時間而不同。液態石油生成的終止溫度一般不高于170攝氏度,天然氣的生成與生成液態石油相伴,終止溫度高于液態石油,但一般不高于230攝氏度。換言之,油氣的生成只出現于有限的溫度范圍,溫度過低或過高都不利于油氣形成。

  時間:時間在油氣生成中也起到重要作用,時間與溫度可以互補,但溫度占首要位置。在很低的溫度下,時間通常起不了作用,也就是說,如果有機質處于很低的溫度條件下,不管經歷多長時間也不能生烴。

  壓力:隨著沉積物埋藏深度增加,上覆地層厚度增大,沉積物的溫度、壓力隨之升高。壓力升高將促進化學反應。然而,壓力對油氣生成的作用比較小,在某些情況下可以促進油氣生成,但在某些條件下又可以抑制油氣生成。

  細菌:對油氣生成來講,最有意義的是厭氧細菌。細菌對有機質的分解與性質改造起重要作用。同時,在低溫度下分解有機質時,還可以產生以甲烷為主的生物氣。

  催化劑:催化劑是一種化學反應加速劑。通常認為能夠起催化劑作用的是黏土礦物,其在油氣生成過程中可以起到促進油氣生成和裂解的作用。

  油氣藏形成——地質條件“六字訣”

  油氣藏是油氣聚集的基本單位,是油氣勘探的對象。石油和天然氣在形成初期呈分散狀態,存在于生油氣地層中。它們必須經過遷移、聚集才能形成可供開采的工業油氣藏。這就需要具備一定的地質條件。這些條件可以概括為“生、儲、蓋、圈、運、保”六個字。

  生油氣層:是指具備生油條件的地層。它富含有機質,是還原環境下沉積的,結構細膩、顏色較深,主要由泥質巖類和碳酸鹽類巖石組成。生油氣層可以是海相的,也可以是陸相的。另外,生油氣層還必須具備一定的地質作用過程,即達到成熟才能有油氣的形成。

  儲層:是能夠儲存石油和天然氣,又能輸出油氣的巖層。它具有良好的空隙度和滲透率,通常由砂巖、石灰巖、白云巖,以及裂隙發育的頁巖、火山巖和變質巖構成。

  蓋層:指覆蓋于儲油氣層之上、滲透性差、油氣不易穿過的巖層,起著遮擋作用,以防油氣外逸。頁巖、泥巖、蒸發巖等是常見的蓋層。

  圈閉:就是儲集層中的油氣在運移過程中,遇到某種遮擋物,使其不能繼續向前運動,而在儲層的局部地區聚集起來。這種聚集油氣的場所就叫圈閉,如背斜、穹隆圈閉,或斷層與單斜巖層構成的圈閉等。

  運移:指油氣在生油氣層中形成后,因壓力作用、毛細管作用、擴散作用等,使之轉移到有孔隙的儲油氣層中。一般認為,轉移到儲油氣層的油氣呈分散狀態或膠狀。由于重力作用,油氣質點上浮到儲油氣層頂面,但還不能大量集中,只有當構造運動形成圈閉時,儲油氣層的油、氣、水,在壓力、重力及水動力等作用下,繼續運移并在圈閉中聚集,才能成為有工業價值的油氣藏。

  保存:油氣要保存必須有適宜的條件。只有在構造運動不劇烈、巖漿活動不頻繁、變質程度不深的情況下,才利于油氣保存。相反,張性斷裂大量發育,剝蝕深度大,甚至巖漿活動的地區,油氣是無法保存的。

中國石油

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    盆地——油氣的“聚寶盆”

  盆地主要是由于地殼運動形成的。在地殼運動作用下,地下巖層受到擠壓或拉伸,變得彎曲或產生斷裂,導致部分巖石隆起,部分下降。如果下降的部分被隆起的部分包圍,盆地的雛形就形成了。

  在隆起的地方,地殼中比較軟弱的部分,或者是巖石層中比較容易被風化剝蝕的部分,在受到擠壓時會劇烈地彎曲成褶皺,升起成為環繞盆地的山脈。有的是地殼中比較堅硬的部分,被擠壓時整塊地抬升,形成了高原。盆地內部的地殼或者巖石層,通常是地殼或巖石層中比較穩定的部分,在發生地殼運動時,常常會大面積地緩慢上升或下降。抬升運動可以形成高原,而下沉則形成盆地。盆地形成以后,經過風化、水流、生物等自然力的改造,使得盆地四周突出的部分被侵蝕,破壞得較快。其產物被風、水流攜帶到盆地內部又沉積了下來,使得盆地內部慢慢地被充填,“盆底”變高了。如果盆地形成以后,當地的地殼運動依然很強烈,就可以迅速把盆地填滿。但這個“快速過程”,往往需要幾十萬年。

  許多盆地在形成以后還曾經被海水或湖水淹沒過,像四川盆地、塔里木盆地、準噶爾盆地等,都遭遇了這樣的經歷。后來,隨著地殼的不斷抬升,加上泥沙淤積,盆地內部的海、湖慢慢地退卻干涸,只剩下一些河水或小溪。但是,在這些海、湖、河流中生活過的大量生物,死亡以后被埋入淤泥中,從而成為形成石油、煤炭的物質基礎,這就是科學家們非常關注盆地研究的重要原因。盆地中的巖石沉積大多相對完整而連續。此外,生活在那里的動物、植物死后也比較容易保存成化石,所以,盆地也是古生物學家們尋找化石的好去處。

  另外,還有一些盆地,主要是由地表外力,比如風力、雨水等破壞作用而形成的。

  石油和天然氣的形成和富集成藏也與構造運動有十分密切的關系。油氣通常形成并賦存在沉積巖中,相對獨立連片分布的沉積巖,往往被油氣勘探者稱為含油氣盆地。這種含油氣盆地的形成與分布是構造運動的必然產物。我國已故地質學家黃汲清早就指出:“找油的一個前提是按地質構造特點進行構造分區,然后按構造單元討論生油、儲油和含油氣遠景。”石油和天然氣作為地殼中流體的部分,其形成、運移和保存受控于地質體的發展變化,涉及大地構造、構造地質等基礎科學,對地質體的構成和演化認識越深刻,油氣地質的特殊性也越容易被掌握。

  中國油氣資源的特點

  中國的油氣資源狀況,具有四個明顯特點。

  一是油氣資源總量比較豐富。在1993年全國二次油氣資源評價基礎上,2000年以來,中國石油、中國石化、中國海油先后對各自探區部分盆地,重新進行油氣資源評價研究。根據階段成果的匯總,目前我國石油資源量約1040億噸,天然氣資源量約47萬億立方米。通過對不同類型盆地油氣勘查、新增儲量規模分析,測算出我國石油可采資源量為150億噸至160億噸,天然氣可采資源為10萬立方米至14萬立方米。按照國際上(油氣富集程度)通常的分類標準,我國在世界103個產油國中,屬于油氣資源“比較豐富”的國家。

  二是油氣資源地理分布不均,主要集中在大盆地。根據石油可采資源量的分析,陸上石油資源主要分布在松遼、渤海灣、塔里木、準噶爾和鄂爾多斯五大盆地,共有石油可采資源114.4億噸,占陸上總資源量的87.3%。海上石油資源分布在渤海為9.2億噸,占海域的48.7%。而天然氣資源量主要分布在鄂爾多斯、四川、塔里木、東海、鶯歌海五大盆地,共有天然氣可采資源8.8萬立方米,占中國天然氣總資源的62.8%,為今后發現大中型油氣田指出了勘查的主攻方向。

  三是東部含油氣區是我國石油的主要生產基地。其原油產量占全國的80.7%,探明石油儲量占全國儲量的73.9%。探明天然氣儲量占22.7%,以油多氣少為特色,但天然氣年產量卻占全國年產量的41.4%。

  四是中國中部含油氣區屬于克拉通過渡型盆地,構造活動相對穩定,沉積盆地大,但數量不多。主要有鄂爾多斯、四川、楚雄等大型盆地,具有豐富的天然氣;石油儲量很少,僅占全國儲量的5%。

  油氣“流徙”——油氣的運移

  地下一座座“天然倉庫”,雖然具備了儲藏油和氣的條件,但庫里卻不一定有油氣,只有當油氣被運進來后,它們才能成為油氣藏。

  油氣有兩次運移,即初次運移和二次運移。

  初次運移是指生油層生成的石油、天然氣,向鄰近有孔隙、裂縫、溶洞等儲集空間的儲集層的運移。運移的方向,可以向上、向下或向四周,把分散的星星點點的石油、天然氣,初步集中起來。

  初次運移主要動力是壓力,是來自沉積物本身的重量。地層在沉積過程中逐漸加厚,本身重量也逐漸加大。沉積物在壓力作用下,體積由大變小,由松散變致密,已生成的油氣受到擠壓就從生油層中隨同水一起,被排擠到儲集層中。實驗證明,油氣從生油層中排出,地層壓力使巖石破裂,產生微裂隙,油氣沿微裂隙排出后,壓力下降,裂隙封閉。新的沉積物又使壓力增加,巖石再次破裂,排出油氣。這就是幕式排烴的過程,即油氣不斷生成不斷排出的過程。

  二次運移是指油氣在儲集層中的運移。來自生油層的“油滴”“氣泡”,在儲集層微細的通道中運動著,走著彎彎曲曲的道路,克服前進中的阻力,運移的速度是很緩慢的。

  二次運移的通道主要是孔隙、裂縫、溶洞、不整合面和斷層。在儲集條件良好的海相砂巖里,油氣運移阻力小、速度快、運移距離長,如同汽車疾駛在高速公路上。在物性差的儲集層里,油氣運移十分艱難,運移距離短,在生油區及周邊的圈閉即可形成油氣聚集。

  油氣·問答

  問:目前,奧陶系發現的油氣資源為何比白堊系和侏羅系少?

  答:首先,奧陶紀時期生物的種類和數量相對較少,且當時的海洋以陸表海居多,生物死亡后容易被氧化,難以形成生油所需要的有機質。

  其次,奧陶系地層古老,經歷地質事件多,被破壞嚴重。

  第三,奧陶系埋藏較深,而侏羅系和白堊系埋藏淺,油氣發現相對容易。

  問:縱觀全球,奧陶系油氣資源以氣為主,但為何能在塔里木盆地的奧陶系中找到油?

  答:奧陶系比較古老,埋藏較深。油藏深埋后溫度較高,有機質演化程度高,容易變成氣。而塔里木盆地是“冷盆”,即地溫遞增幅度小,生油層演化程度不高,所以塔里木盆地奧陶系中的油沒有變成氣。

  問:塔里木盆地的志留系曾出現過大油氣藏(田)嗎?

  答:是的,塔里木盆地的志留系歷史上曾經有過大油氣藏(田)的形成,現今鉆探志留系發現的大面積分布的瀝青就是佐證。然而,早期形成的大油氣藏(田),后來因為劇烈的地殼運動,例如強烈的構造擠壓,導致油層從地下被抬升起來,同時,地面產生斷裂。與大氣和淡水接觸后,油層被生物降解,從而遭到破壞。

  問:目前,四川盆地50%的天然氣產量來自石炭系。這些氣是石炭系“親生”的嗎?

  答:四川盆地石炭系之下至少發育寒武系和志留系兩套區域性烴源巖。這兩套烴源巖曾產生過大量的天然氣。然而,由于烴源巖層系一般儲層比較少,即儲油的地方比較少,就像工廠沒有倉庫一樣,這些氣就被送到石炭系的“倉庫”里。因此,目前來自石炭系的大部分天然氣,其實是志留系或寒武系貢獻的。此外,寒武系和志留系自身具有很好的風干條件,還殘留了一些氣,即我們今天在四川的重點勘探對象——頁巖氣。

  問:從地質學的角度來看,鄂爾多斯盆地三疊系為什么會出現“井井見油,井井不流”的現象?

  答:有學者研究表明,鄂爾多斯盆地在早白堊世達到埋深,大量油氣資源在這一時期形成并排出進入三疊系地層,因此,鄂爾多斯盆地三疊系油氣資源可觀,從而形成“井井見油”的景象。然而,在油氣資源形成以后,鐵碳酸鹽膠結物等致使三疊系儲層致密化,導致油氣在儲層內無法流通,于是出現了“井井不流”的現象。

  問:侏羅系不僅僅油氣資源豐富,侏羅紀也是主要的成煤時期。煤炭和油氣是“近親”嗎?

  答:煤炭和油氣之間存在著千絲萬縷的聯系,比如,非常規油氣資源中的煤層氣就是由煤層產生并儲存在煤層里的天然氣。我國許多盆地的煤成油氣資源,也是由煤炭演變而來。因此,煤炭本身演化到一定程度可以部分生成油氣。但是,它們存在著本質差異。油氣的物質來源主要是微生物和藻類,而煤炭的物質來源主要是陸生植物。

  問:中東地區侏羅系油氣資源豐富,而我國吐哈盆地的侏羅系卻并不富裕。侏羅系的油氣資源分布為何“貧富不均”?

  答:中東地區侏羅系主要是海相沉積,地質條件相對簡單,地殼活動不太強烈,儲集層的孔隙、滲透性好,油氣資源豐富。而吐哈盆地是陸相沉積,地質條件復雜,構造活動強烈,油氣資源相對貧乏。

  問:白堊系是現今大型油田的主要生油層,既生成了中東等地區的海相油田,又生成了我國大慶等陸相油田。為什么中東地區是海相而我國東部地區是陸相?

  答:白堊紀時期的中東地區還是一片汪洋,而我國東部地區在這一時期已經抬升,海水退去,只留下一些湖泊、河流等。因此,中東地區是海相沉積,而我國是陸相沉積。

  問:為什么我國白堊系生成的石油比天然氣多?

  答:我國白堊系烴源巖埋藏較淺,有機質成熟度不高,剛好處于大量生油的階段。因此,大量石油在這一時期形成,而天然氣要在有機質成熟度比較高的時期才會大量生成。

  問:為什么渤海灣盆地沒有侏羅系、白堊系的油氣,反而是第三系的油氣資源富集?

  答:渤海灣地區在侏羅紀、白堊紀時期由于受到太平洋板塊的俯沖而抬升,并因此遭受剝蝕。在侏羅紀和白堊紀時期,渤海灣地區由于缺乏沉積而沒有形成有效的烴源巖。到了第三紀,渤海灣地區進入重要的成盆時期,形成了有效的烴源巖并在第三紀形成有效圈閉,因此渤海灣盆地第三系油氣資源富集。


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