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关于石油的形成和开采一些错误认知的更正

发布日期:2017-11-20   来源:矿道网   投稿者:liu   浏览次数:1502

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事实上黄铁矿、金云母、黄金是截然不同的三种矿物,虽然表面看上去都是“金灿灿”的,本质上三者是没有任何关系的。辨别也很容易,不需要每次都得记者采一些样品送到某权威机构才能确认。黄金作为延展性最好的金属矿物,单凭敲击矿物观察其是否会发生变形这一点就可以判断,黄铁矿和金云母在击打之下都会破碎,而黄金只会发生延展变形;除此之外,在单位重量上另两种矿物是远比不上黄金的,形态上三者也是大相径庭,颜色也不完全一致。

虽然表面泛着黄色光泽,但是金云母看上去更像是塑料薄片

黄铁矿化学式FeS2,是中药石髓铅的主要成分

像这种只看外表或者听信谣言就随意认定一种矿物而上当受骗的事情还有很多。其实黄铁矿和金云母在我们日常生活中是应用非常广泛的矿石材料:黄铁矿是制作硫酸和硫磺的主要原材料,金云母由于其绝缘性和耐腐蚀性而被广泛地应用于建筑、消防等行业。与我们如此息息相关,但是很多人却并不了解,这种地质常识匮乏的现象在我国非常普遍。类似地,石油作为与我们日常生活密切相关的一种化石原料,不仅仅是应用最广泛的燃料,也是许多化工产品如塑料、化肥的原材料,甚至是最重要的战略储备,但是石油对很多人而言依旧很陌生。石油是从哪来的?它是由什么构成的?它是怎么被开采出来并被我们使用的?诸如此类的问题想必很多人都不知道,又或者很多人以为的都是一些错误的认知。以下主要从石油的起源和开采两方面介绍这种于很多人来说既熟悉又陌生的黑色粘稠液体。

石油是由什么构成的

很多人对石油的印象都停留在“黑色的液体”这么一个概念上,实际上石油的颜色各异,从无色、黄色、褐色到黑色不等。因为石油是多种复杂有机物的混合物,以烃类(即由碳、氢元素组成的化合物)为主,混杂了许多非烃类的物质,所以并没有固定的组成,而常见的黑色主要是其中杂质的颜色。

不同地区的原油颜色各异,主要由胶质、沥青质的含量决定

那么问题就来了,这些烃类和非烃类混合物是怎么形成的呢,它们是从哪里来的呢?

要弄清这个问题,首先需要了解形成石油的原始物质,也就是石油母质的成因。

事实上,关于石油的确切成因至今学术界也没有完全统一的认识,对于石油的研究也是在不断发展的。目前对于石油的成因业界比较支持的观点是干酪根热解生烃说,即石油的母质是一种叫做干酪根的物质。

什么是干酪根?

干酪根是一种非常复杂的高分子聚合物,以C、H、O、N、S为主,没有固定的化学式。一般认为,来自海洋湖泊中的低等浮游生物,如菌藻类、低等动物等,以脂肪、有机酸、甾萜类(一种复杂有机化合物)等类脂化合物为主的生物有机质是形成干酪根的主要来源。它们随着无机质(主要为泥质)一起沉积并被保存下来,这时我们称之为沉积有机质。

干酪根作为生油母质,分子结构复杂

这些沉积有机质,伴随着沉积物的成岩演化过程,在较浅层的微生物作用下被水解,部分被细菌氧化消耗掉,大部分在地层压力下通过聚合、缩合作用,经历复杂的化学变化最后形成干酪根。

干酪根如何生油?

干酪根形成之后,伴随着地层埋藏深度的增大、温度的升高,在高温和催化剂的作用下,当达到一定的深度、温度时,开始大量裂解生成石油,并伴随产生一部分气体;如果埋藏深度继续加大、温度继续升高,残余的干酪根以及生成的部分石油就会进一步裂解生成以甲烷为主的低分子量烃类气体(与天然气成分类似);如果深度和温度还能加大,生成的石油和烷烃将会全部裂解成为甲烷,而干酪根最后会演化为石墨。

在这个过程中需要注意两点:首先,石油并不是一点一点慢慢积累形成的,而是在一定温压条件下“爆发式”地生成的,这个“爆发点”我们称之为“生油门限”;其次,上述所说的干酪根成油的几个过程并不是所有油藏形成时都会经历的,埋深大、温度高的盆地会更多地产出气体。这也可以很好地理解为什么像四川盆地盛产天然气,而有的盆地基本只出油,有的盆地油气皆产。

石油形成的条件

如上文所述,石油的母质是干酪根,干酪根生油需要一定的温度和埋藏深度,除此之外石油的生成还需要满足什么条件呢?

生成石油的必要地质条件

从生物有机质到沉积有机质,再到最后干酪根的形成是油气生成的初始过程,也是最关键的一步。什么样的环境下可以较好地保存生物有机质,并使沉积有机质高效地转换为干酪根就是生成石油的必要地质条件。一般来讲需要满足以下几点:

1 长期稳定下沉的大地构造背景——良好的盆地;

2 足够数量和一定质量的原始有机质——良好的原材料;

3 较快的沉积速度并配合还原性的封闭古地理环境,如深湖和浅海封闭环境——良好的保存原材料条件;

4 合适的受热和埋藏历史——良好的温度和深度。

能满足上述几个条件的盆地,基本就可以产生可观的石油资源了。

顺便一提,除了温度和深度,细菌、催化剂、放射性等因素也是影响石油生成的重要因素:细菌对沉积物的水解和生物酶作用能促进其形成脂肪酸、氨基酸等有机质;有机酵母和一些粘土矿物对热裂解反应有催化作用;放射性元素可以造成局部地温增高促进热解。不过这些都不是最主要的,因为干酪根生油是一个热降解的过程,所以温度才是其中最有效和最持久的控制因素。如果达不到生成油气所需要的温度,即便拥有再多的干酪根也无法生油。

恐龙会不会是形成石油的母质?

综上想必大家对石油的形成过程已经大致了解了,虽然普遍认可的形成石油的原始有机物质主要是低等浮游生物,也有很多人猜想,曾经称霸地球的恐龙会不会也是形成石油的原材料呢?

实际上,这和很多人对地球历史认知的一个误区有关,认为在人类出现以前,一直是恐龙在统治整个地球。其实纵观整个人类目前已知的地球演化历史,不仅人在地球上存在的时间长度不值得一提,恐龙存在的时间也不长。在恐龙之前就已经有很多生物存在了上亿年,恐龙灭绝之后也有很多新物种的出现,一定要把“恐龙为石油做了多少贡献”当做一个课题来研究是没有任何意义的。

距今2.3亿年的三叠纪起,恐龙称霸地球约1.5亿年,白垩纪末全部灭绝

再退一步说,分析前面所陈述的生成石油的必要条件中,关于“快速的沉积速度并配合还原性的封闭古地理环境”这关键性一条,恐龙就难以满足。恐龙繁盛的侏罗纪和白垩纪时期,地球环境温和适宜,陆生高等植物发达,是爬行动物为主的陆生动物大发展时期。在这个阶段大部分恐龙都是在陆地上生活的,即便有大量恐龙死亡,也很难满足快速沉积、还原封闭这两个条件。看过《侏罗纪公园》的人也都知道,那时候不乏像霸王龙这样的凶残肉食性恐龙,一旦有其他恐龙死亡,其尸体肯定很快就会被分食,哪里会有埋藏的时间呢?

有人可能会说恐龙最后不都大量灭绝了么,这样有机质应该很充沛了吧,总有满足条件的吧?对于这一点笔者不能给出否定的答案,但是恐龙灭绝的原因至今仍是一个谜,谁也不知道恐龙是瞬间死亡还是慢慢减少的。但就如前面所说,其实每一个地质年代的更替都会有一些物种的灭亡和一些新物种的诞生,恐龙只不过在这些物种中体型较大一些而已。或许有一些恐龙最后成为了地下石油的一小部分,但那也只是一小部分,相较于漫长地质年代中那些数不尽的浮游生物,恐龙为此所做的贡献,实在不值一提。

地球上最早的生物出现在约35亿年前,为简单的单细胞生物,此后相当长时间里简单生命体长期存在于地球的蓝色汪洋之下

距今6亿年的寒武纪,以三叶虫为代表的海洋无脊椎动物繁盛,在寒武纪末期基本灭绝

直到距今4.28亿年前,才出现最早的陆生动植物,而到距今3.5亿年的石炭纪,陆生生物才得以飞跃发展,至此海洋生命已称霸地球近30亿年

其他生油理论

早在17世纪科学家就开始了对石油成因的探索,发展至今主要形成了两大派别。一类是以地下深处简单无机物(如H2O、CO2、H2)在高温高压的条件下化学反应生油为核心思想的无机成因说;另一类是以保存在沉积物中的生物有机质逐步转化生油为核心认识的有机成因说。两大派别对石油成因的认识截然不同,长期以来两大学说针锋相对。尽管随着科技的进步和发展,有机成因说逐渐完善,其理论体系也逐渐为学界主流观点所接纳,但仍然有部分学者坚持无机生油理论。

无机生油理论主要是认为地下石油天然气资源主要来源于无机物的化学反应生成的有机质,其过程可能发生在地球深部或其他特殊环境中。无机生油理论的论点和对有机生油理论的质疑主要体现在世界油气资源分布极度不均匀以及实验证明在一定条件下可以由无机质生成有机质(这也是生命由来的原因)。一些折中的科学家认为,一些分布在深层低分子量的碳氢类化合物(如天然气)有可能是由于无机成因生成的,而更为复杂的液态有机质(如石油)更有可能是由生命体转换而来,即有机成因生成的。

__油气资源分布极不均匀,中东地区富集了大量的石油资源,而俄罗斯富集了大量的天然气资源,北美国家也拥有客观的油气储量,而其他国家油气资源分布较少

如果石油真的为无机成因或部分天然气资源为无机成因,那么今后我们的勘探领域将有可能进行部分调整,油田地质工作者的勘探视野也将更加开阔,而__潜在的油气资源也将不可估量。

石油的存在形式

前文讲述了石油的形成,接下来我们来说一下石油在地下的保存形态。

我们知道石油是一种液体,那石油是以什么样的状态存在的呢?关于这一点,很多人也有不少错误的认识。

错误观点一:石油像地下河一样存在于地下。

因为石油是液态的,产自地下,很多人就“顺理成章”地把它想成像地下河一样的存在。这其实是大错特错,且不说石油和地下河在地下的深度相差十万八千里,若是石油真的能像地下河一样流动自如,__的石油资源早就被开采殆尽了。

首先,石油在地层中形成后确实会发生移动,在地层压力的作用下向外运移。但这种运移不是如自来水一样流畅的,确切地说,是油滴的运移,油滴在岩石颗粒之间的移动(详情可参考《油气运移之旅》,石油知识2015年第4期)。这些岩石颗粒间的空间有大有小,再大往往也只是几毫米的空间,而小的甚至能达到纳米级别。最后,当它运移到动力和阻力平衡的时候就会停下来,汇集成油藏。这时的石油赋存状态,可以想象成一块油乎乎的石头,而不是像油库一般地存在。

石油是富集在岩石的孔隙中的,而非像油库一般存在

石油最常见的储集状态就是储存在岩石的孔隙或裂缝等空间当中,但这并非地下石油的唯一储存形式。美国的“页岩气革命”想必大家已经耳熟能详,而页岩气革命中的气体就是储存在页岩当中的。页岩的形态通俗得讲就像一本书一样,致密且“一页一页”得存在,而“页岩气”则主要是以吸附的形式存在于页岩当中。

在石油地质学中,石油在地下的储存条件包括生油层、储集层和盖层三个方面。举个简单的例子,储集层就类似于锅,生油层就类似于水龙头,用于生成和提供油气,而盖层就类似于锅盖,防止油气散失。常规的储层,就像锅中的海绵,将油气储存在孔隙当中;而页岩油气资源,就像锅中放置了一本书或一块木板,而油气资源主要是吸附在其中。这种吸附在岩石颗粒表面的油气,往往难以移动,这也极大地增加了开采的难度,提高了开采的成本,这也是以往技术不成熟时期未能大量开采页岩油气资源的原因。

石油及天然气的储存形式绝非仅有上述两种形式,此处不再一一叙述。

页岩的形态如同书页一般,而页岩油气资源主要以吸附的形式存在于页岩当中

石油是如何开采的?

错误观点二:石油和煤炭的开采差不多。

人们对于煤炭的开采比较熟悉可能得益于电视上的报道,还有就是像澳大利亚这样拥有浅层煤矿可以露天挖掘的地方,因此觉得石油也是和煤炭一样用类似的方法挖出来的。

石油是液态的化石燃料,单就这一点也不会是“挖”上来的,更何况石油存在的深度也是煤炭不能比的。对于液体的开采,自然是采用打井的方式,就像是打水井一样。因为石油富存的地层地压力一般很大,所以前期会利用地层本身的能量任其自然流出;在后期地压力下降后会架起井泵辅助开采。如果之后地层压力持续下降,还会采取一些措施对地层进行调整,比如用压裂的方法改造地层,使其孔缝变大,石油容易流动;用注水加压的方式驱油,突破地层阻力等等。

石油开采与煤炭开采大相径庭,左图为煤炭挖掘现场,右图为油田抽油机

错误观点三:石油开采很容易。

这个认识对于中东地区来说还算符合的,但是对于我国来说,尤其是我国东部的老油田来说,是非常荒谬的。因为种种原因,我国油气田的地质情况非常复杂,石油的勘探开发并不如国外那般容易,这也是历史上国外学者会给我国扣上“贫油”帽子的原因;长期靠注水驱油的方式开采导致我国东部油田地层含水非常严重,开采上来的大部分液体都是水,混着一点点油花;然后还要经过复杂的提炼才能最后变成加油站里出售的柴油汽油。

因为压裂注水等手段的使用使得在我国油气开采是一项非常高成本的投入,如何能够提高油气产量,增加生产效益,一直是我国石油地质人努力追寻的目标。

海上钻井平台比陆上钻井平台成本更高,一般在1亿美金以上

对于石油地质工作者来说,寻找油气藏、制定开发方案是本职工作,而地质科普也是我们的一份义务。不管是黄铁矿还是黄金,不管是煤炭还是石油,都是和我们息息相关的矿产资源,我们既然每天都在使用它们,那也应该有意识去了解它们。了解事物的本源,才能更好地掌握和运用,更不会被他人随意蒙骗。

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