溯源石油:石油天 然气的前世今生

2016-06-28  来自: 延安中 榆石化有限公司 浏览次数:695

    一些文 学作品曾将油田描述为“地下油海”和“地下油河”。不少人 也认为地下的油田像地面的海、湖一样储存着石油。其实不是这样。石油是“石头里的油”,像水浸 透在海绵里一样浸透在石头的孔隙与缝洞里。

  天然气 作为石油的气态形式,在地下 的情况和石油一样,也储存 在岩石的孔隙与缝洞里。不同的是,天然气 比液态石油的分子更小,能渗进 石油的岩石都能渗进天然气,石油渗 不进去的一些岩石却能渗进天然气。

  那么,油气是如何生成的?

  从大约5亿年前 地球上出现生命开始,石油也 准备着登上历史舞台。最早的 地球生命诞生在海洋,然后逐 渐演化并向陆地发展。生长在 海洋或湖泊里的动植物死亡后,其“遗体”伴随着 水中的泥沙一起慢慢沉入水底并逐渐堆积起来,而后在 微生物的参与下发生腐烂分解形成沉积有机质。在这一过程中,部分有 机质被微生物直接分解,形成以 甲烷为主的生物气。经过漫长的地质岁月,最终这 些有机质与泥沙一起被压实并形成沉积岩。微粒沉积“淤泥”压实后 形成的沉积岩称为泥岩,像书一 样具有页理的称为页岩,砂粒沉 积压实后形成的沉积岩称为砂岩,并可根 据砂粒的大小分为粉砂岩、细砂岩、砂岩、粗砂岩等。有机质 一般富集在泥岩或页岩中,所以,富含有 机质的泥岩或页岩被称为烃源岩。砂岩中 有机质含量一般较低,通常是油气的储集体。

  随着地壳的不断下降,海洋或 湖泊中沉积的岩层越来越厚,那些富 含有机质的泥岩或页岩逐渐被深埋,经受的 温度也随着深度的加大而逐渐升高。一旦达到合适的温度,有机质 就开始热分解或热裂解,生成石油和天然气。随着沉 积地层的持续下沉,有机质 埋藏的深度加大,温度越来越高,当温度 超过一定界限时,原先形 成的石油将裂解生成天然气和残留的固体沥青。随着油 气在泥岩有机质中不断生成,它们在 泥岩的微小孔隙中越积越多,积聚的 压力也越来越大,最终突破泥岩阻力,通过泥 岩的微小孔缝运移出来。于是,这些从泥岩中“逃逸”出的油 气进入砂岩层中。在浮力的作用下,它们在 砂岩的连通孔隙或断裂、裂缝等 通道中继续向上移动(称为运移),直至遇 到致密地层不能再移动时,便在这 些砂岩或裂缝中积聚起来。如果向 上运移过程中没有遇到致密的阻隔地层,它们便 会到达地表散失掉。这些油 气运移到孔隙度、渗透性 良好的岩石孔隙和裂缝中时,形成常规油气资源,进入到 比较致密的砂岩中便形成致密油气藏。

  地下的 石油和天然气储存在具有一定孔隙度和渗透性的砂岩层中,我们称 这类岩层为储集层。如果地 下储集层中储存了油气,就成为含油气层;工业开 采的含油气层被称为产油气层。油藏的形成,除了需要储集层外,还必须有圈闭。所谓的圈闭,就是一 个盛装油气的容器,就好像人居住的房子;同时,存储油 气的圈闭还需要有能封住油气,使其不 至于散失的非渗透性泥岩等盖层,才能使进入圈闭“房子”的油气 保存下来并形成油气藏。圈闭是 油气藏形成的基础,是发现油气藏的场所。这个储存油气的“房子”必须在 油气生成和运移到此处之前就“盖好”;否则,若油气通过时还没有“房子”可住,就会继续前行,寻找其 他住所或者散失。因此,只有当生油层、储集层、盖层自 身具有良好的性能,且它们 之间形成恰当的组合,才能形成油气藏。

  由于油、气、水的密度差异,油气藏 中通常是天然气在顶部,液态油居中,水在最下面。如果地 壳活动过于强烈,油气藏 保存条件不够好,油气藏 中的油气会随着断裂向上运移散失,也可能 由于盖层被风化剥蚀而使油气存储直接暴露地表,从而遭受破坏。就像一 个装满石油的碗却没有盖子,千百年 来暴露在地表的石油,历经风吹日晒,最终都会消失不见。密度更小的天然气,则会直 接散失到空气中。(刘飏)



 常规和 非常规油气资源形成示意图

  生物遗体(浮游生物、细菌、高等植物)等伴随泥沙沉淀下来。随着时间的流逝,在细菌
的参与下,这些遗 体被分解成为有机质,甚至有 的被分解形成生物气。

  随着沉积层越来越厚,下部的 沉积物在上覆沉积物的压力下被压扁、固结,形成沉积岩。
先前形 成并保留下来的部分有机质与泥砂一起被压实,形成富 含有机质的生油岩。

  随着地壳运动,海水退去,沉积岩地层形成褶皱,并产生断裂。当富含 有机质的生油岩随着地壳
    沉降达到一定深度时,开始生成大量油气。油气充满生油岩,随后沿 着断裂或裂缝向上运移,
    当油气 充满与生油岩紧密相连的致密岩石后,便形成 了非常规油气藏。

  剩余的 油气运移到合适的部位,由于上 部及四周具有致密非渗透的盖层遮挡,油气无法继续向
其他部 位运移而被圈闭其中,最终形 成天然气居顶部、石油居中、水居底 部的常规油气藏。

  油气生成条件

  广义的 石油是存在于地下岩石孔隙或裂缝中的以液态烃或气态烃为主的可燃有机矿产。液态石油又称为原油,气态烃 通常称为天然气。

  油气形 成的物质基础是有机质。有机质是生物物质(主要包括浮游植物、细菌和高等植物)死亡后的遗体,通过沉 积作用进入沉积物中并被埋藏下来。

  油气的 形成需要充足的沉积有机质、适当的温度、压力、时间、细菌等 物理和化学及生物化学条件。

  有机质:有机质 是油气形成的物质基础。能够形 成油气的有机质主要是水生生物,如藻类,或者高 等植物的表皮蜡质、花粉等。有机质 一般被保存在泥岩或页岩中。

  温度:温度是 油气形成过程中最重要的因素。在沉积盆地中,有机质 开始生油的温度通常在60摄氏度至120摄氏度之间,随着有 机质的埋藏时间而不同。液态石 油生成的终止温度一般不高于170摄氏度,天然气 的生成与生成液态石油相伴,终止温 度高于液态石油,但一般不高于230摄氏度。换言之,油气的 生成只出现于有限的温度范围,温度过 低或过高都不利于油气形成。

  时间:时间在 油气生成中也起到重要作用,时间与温度可以互补,但温度占首要位置。在很低的温度下,时间通常起不了作用,也就是说,如果有 机质处于很低的温度条件下,不管经 历多长时间也不能生烃。

  压力:随着沉 积物埋藏深度增加,上覆地层厚度增大,沉积物的温度、压力随之升高。压力升 高将促进化学反应。然而,压力对 油气生成的作用比较小,在某些 情况下可以促进油气生成,但在某 些条件下又可以抑制油气生成。

  细菌:对油气生成来讲,最有意 义的是厌氧细菌。细菌对 有机质的分解与性质改造起重要作用。同时,在低温 度下分解有机质时,还可以 产生以甲烷为主的生物气。

  催化剂:催化剂 是一种化学反应加速剂。通常认 为能够起催化剂作用的是黏土矿物,其在油 气生成过程中可以起到促进油气生成和裂解的作用。

  油气藏形成——地质条件“六字诀”

  油气藏 是油气聚集的基本单位,是油气勘探的对象。石油和 天然气在形成初期呈分散状态,存在于生油气地层中。它们必须经过迁移、聚集才 能形成可供开采的工业油气藏。这就需 要具备一定的地质条件。这些条件可以概括为“生、储、盖、圈、运、保”六个字。

  生油气层:是指具 备生油条件的地层。它富含有机质,是还原环境下沉积的,结构细腻、颜色较深,主要由 泥质岩类和碳酸盐类岩石组成。生油气 层可以是海相的,也可以是陆相的。另外,生油气 层还必须具备一定的地质作用过程,即达到 成熟才能有油气的形成。

  储层:是能够 储存石油和天然气,又能输出油气的岩层。它具有 良好的空隙度和渗透率,通常由砂岩、石灰岩、白云岩,以及裂隙发育的页岩、火山岩和变质岩构成。

  盖层:指覆盖 于储油气层之上、渗透性差、油气不易穿过的岩层,起着遮挡作用,以防油气外逸。页岩、泥岩、蒸发岩 等是常见的盖层。

  圈闭:就是储 集层中的油气在运移过程中,遇到某种遮挡物,使其不 能继续向前运动,而在储 层的局部地区聚集起来。这种聚 集油气的场所就叫圈闭,如背斜、穹隆圈闭,或断层 与单斜岩层构成的圈闭等。

  运移:指油气 在生油气层中形成后,因压力作用、毛细管作用、扩散作用等,使之转 移到有孔隙的储油气层中。一般认为,转移到 储油气层的油气呈分散状态或胶状。由于重力作用,油气质 点上浮到储油气层顶面,但还不能大量集中,只有当 构造运动形成圈闭时,储油气层的油、气、水,在压力、重力及 水动力等作用下,继续运 移并在圈闭中聚集,才能成 为有工业价值的油气藏。

  保存:油气要 保存必须有适宜的条件。只有在 构造运动不剧烈、岩浆活动不频繁、变质程 度不深的情况下,才利于油气保存。相反,张性断裂大量发育,剥蚀深度大,甚至岩浆活动的地区,油气是无法保存的。

 盆地——油气的“聚宝盆”

  盆地主 要是由于地壳运动形成的。在地壳运动作用下,地下岩 层受到挤压或拉伸,变得弯曲或产生断裂,导致部分岩石隆起,部分下降。如果下 降的部分被隆起的部分包围,盆地的雏形就形成了。

  在隆起的地方,地壳中 比较软弱的部分,或者是 岩石层中比较容易被风化剥蚀的部分,在受到 挤压时会剧烈地弯曲成褶皱,升起成 为环绕盆地的山脉。有的是 地壳中比较坚硬的部分,被挤压时整块地抬升,形成了高原。盆地内 部的地壳或者岩石层,通常是 地壳或岩石层中比较稳定的部分,在发生地壳运动时,常常会 大面积地缓慢上升或下降。抬升运 动可以形成高原,而下沉则形成盆地。盆地形成以后,经过风化、水流、生物等自然力的改造,使得盆 地四周突出的部分被侵蚀,破坏得较快。其产物被风、水流携 带到盆地内部又沉积了下来,使得盆 地内部慢慢地被充填,“盆底”变高了。如果盆地形成以后,当地的 地壳运动依然很强烈,就可以 迅速把盆地填满。但这个“快速过程”,往往需要几十万年。

  许多盆 地在形成以后还曾经被海水或湖水淹没过,像四川盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地等,都遭遇了这样的经历。后来,随着地壳的不断抬升,加上泥沙淤积,盆地内部的海、湖慢慢地退却干涸,只剩下 一些河水或小溪。但是,在这些海、湖、河流中 生活过的大量生物,死亡以 后被埋入淤泥中,从而成为形成石油、煤炭的物质基础,这就是 科学家们非常关注盆地研究的重要原因。盆地中 的岩石沉积大多相对完整而连续。此外,生活在那里的动物、植物死 后也比较容易保存成化石,所以,盆地也 是古生物学家们寻找化石的好去处。

  另外,还有一些盆地,主要是由地表外力,比如风力、雨水等 破坏作用而形成的。

  石油和 天然气的形成和富集成藏也与构造运动有十分密切的关系。油气通 常形成并赋存在沉积岩中,相对独 立连片分布的沉积岩,往往被 油气勘探者称为含油气盆地。这种含 油气盆地的形成与分布是构造运动的必然产物。我国已 故地质学家黄汲清早就指出:“找油的 一个前提是按地质构造特点进行构造分区,然后按 构造单元讨论生油、储油和含油气远景。”石油和 天然气作为地壳中流体的部分,其形成、运移和 保存受控于地质体的发展变化,涉及大地构造、构造地质等基础科学,对地质 体的构成和演化认识越深刻,油气地 质的特殊性也越容易被掌握。

  中国油气资源的特点

  中国的油气资源状况,具有四个明显特点。

  一是油 气资源总量比较丰富。在1993年全国 二次油气资源评价基础上,2000年以来,中国石油、中国石化、中国海 油先后对各自探区部分盆地,重新进 行油气资源评价研究。根据阶段成果的汇总,目前我 国石油资源量约1040亿吨,天然气资源量约47万亿立方米。通过对 不同类型盆地油气勘查、新增储量规模分析,测算出 我国石油可采资源量为150亿吨至160亿吨,天然气可采资源为10万立方米至14万立方米。按照国际上(油气富集程度)通常的分类标准,我国在世界103个产油国中,属于油气资源“比较丰富”的国家。

  二是油 气资源地理分布不均,主要集中在大盆地。根据石 油可采资源量的分析,陆上石 油资源主要分布在松辽、渤海湾、塔里木、准噶尔 和鄂尔多斯五大盆地,共有石油可采资源114.4亿吨,占陆上总资源量的87.3%。海上石 油资源分布在渤海为9.2亿吨,占海域的48.7%。而天然 气资源量主要分布在鄂尔多斯、四川、塔里木、东海、莺歌海五大盆地,共有天然气可采资源8.8万立方米,占中国 天然气总资源的62.8%,为今后 发现大中型油气田指出了勘查的主攻方向。

  三是东 部含油气区是我国石油的主要生产基地。其原油产量占全国的80.7%,探明石 油储量占全国储量的73.9%。探明天然气储量占22.7%,以油多气少为特色,但天然 气年产量却占全国年产量的41.4%。

  四是中 国中部含油气区属于克拉通过渡型盆地,构造活动相对稳定,沉积盆地大,但数量不多。主要有鄂尔多斯、四川、楚雄等大型盆地,具有丰富的天然气;石油储量很少,仅占全国储量的5%。

  油气“流徙”——油气的运移

  地下一座座“天然仓库”,虽然具 备了储藏油和气的条件,但库里 却不一定有油气,只有当 油气被运进来后,它们才能成为油气藏。

  油气有两次运移,即初次 运移和二次运移。

  初次运 移是指生油层生成的石油、天然气,向邻近有孔隙、裂缝、溶洞等 储集空间的储集层的运移。运移的方向,可以向上、向下或向四周,把分散 的星星点点的石油、天然气,初步集中起来。

  初次运 移主要动力是压力,是来自 沉积物本身的重量。地层在 沉积过程中逐渐加厚,本身重量也逐渐加大。沉积物在压力作用下,体积由大变小,由松散变致密,已生成 的油气受到挤压就从生油层中随同水一起,被排挤到储集层中。实验证明,油气从生油层中排出,地层压力使岩石破裂,产生微裂隙,油气沿微裂隙排出后,压力下降,裂隙封闭。新的沉 积物又使压力增加,岩石再次破裂,排出油气。这就是 幕式排烃的过程,即油气 不断生成不断排出的过程。

  二次运 移是指油气在储集层中的运移。来自生油层的“油滴”“气泡”,在储集 层微细的通道中运动着,走着弯弯曲曲的道路,克服前进中的阻力,运移的 速度是很缓慢的。

  二次运 移的通道主要是孔隙、裂缝、溶洞、不整合面和断层。在储集 条件良好的海相砂岩里,油气运移阻力小、速度快、运移距离长,如同汽 车疾驶在高速公路上。在物性差的储集层里,油气运移十分艰难,运移距离短,在生油 区及周边的圈闭即可形成油气聚集。

  油气·问答

  问:目前,奥陶系 发现的油气资源为何比白垩系和侏罗系少?

  答:首先,奥陶纪 时期生物的种类和数量相对较少,且当时 的海洋以陆表海居多,生物死 亡后容易被氧化,难以形 成生油所需要的有机质。

  其次,奥陶系地层古老,经历地质事件多,被破坏严重。

  第三,奥陶系埋藏较深,而侏罗 系和白垩系埋藏浅,油气发现相对容易。

  问:纵观全球,奥陶系 油气资源以气为主,但为何 能在塔里木盆地的奥陶系中找到油?

  答:奥陶系比较古老,埋藏较深。油藏深埋后温度较高,有机质演化程度高,容易变成气。而塔里木盆地是“冷盆”,即地温递增幅度小,生油层演化程度不高,所以塔 里木盆地奥陶系中的油没有变成气。

  问:塔里木 盆地的志留系曾出现过大油气藏(田)吗?

  答:是的,塔里木 盆地的志留系历史上曾经有过大油气藏(田)的形成,现今钻 探志留系发现的大面积分布的沥青就是佐证。然而,早期形成的大油气藏(田),后来因 为剧烈的地壳运动,例如强烈的构造挤压,导致油 层从地下被抬升起来,同时,地面产生断裂。与大气和淡水接触后,油层被生物降解,从而遭到破坏。

  问:目前,四川盆地50%的天然 气产量来自石炭系。这些气是石炭系“亲生”的吗?

  答:四川盆 地石炭系之下至少发育寒武系和志留系两套区域性烃源岩。这两套 烃源岩曾产生过大量的天然气。然而,由于烃 源岩层系一般储层比较少,即储油的地方比较少,就像工 厂没有仓库一样,这些气 就被送到石炭系的“仓库”里。因此,目前来 自石炭系的大部分天然气,其实是 志留系或寒武系贡献的。此外,寒武系 和志留系自身具有很好的风干条件,还残留了一些气,即我们 今天在四川的重点勘探对象——页岩气。

  问:从地质学的角度来看,鄂尔多 斯盆地三叠系为什么会出现“井井见油,井井不流”的现象?

  答:有学者研究表明,鄂尔多 斯盆地在早白垩世达到埋深,大量油 气资源在这一时期形成并排出进入三叠系地层,因此,鄂尔多 斯盆地三叠系油气资源可观,从而形成“井井见油”的景象。然而,在油气资源形成以后,铁碳酸 盐胶结物等致使三叠系储层致密化,导致油 气在储层内无法流通,于是出现了“井井不流”的现象。

  问:侏罗系 不仅仅油气资源丰富,侏罗纪 也是主要的成煤时期。煤炭和油气是“近亲”吗?

  答:煤炭和 油气之间存在着千丝万缕的联系,比如,非常规 油气资源中的煤层气就是由煤层产生并储存在煤层里的天然气。我国许 多盆地的煤成油气资源,也是由煤炭演变而来。因此,煤炭本 身演化到一定程度可以部分生成油气。但是,它们存在着本质差异。油气的 物质来源主要是微生物和藻类,而煤炭 的物质来源主要是陆生植物。

  问:中东地 区侏罗系油气资源丰富,而我国 吐哈盆地的侏罗系却并不富裕。侏罗系 的油气资源分布为何“贫富不均”?

  答:中东地 区侏罗系主要是海相沉积,地质条件相对简单,地壳活动不太强烈,储集层的孔隙、渗透性好,油气资源丰富。而吐哈 盆地是陆相沉积,地质条件复杂,构造活动强烈,油气资源相对贫乏。

  问:白垩系 是现今大型油田的主要生油层,既生成 了中东等地区的海相油田,又生成 了我国大庆等陆相油田。为什么 中东地区是海相而我国东部地区是陆相?

  答:白垩纪 时期的中东地区还是一片汪洋,而我国 东部地区在这一时期已经抬升,海水退去,只留下一些湖泊、河流等。因此,中东地区是海相沉积,而我国是陆相沉积。

  问:为什么 我国白垩系生成的石油比天然气多?

  答:我国白 垩系烃源岩埋藏较浅,有机质成熟度不高,刚好处 于大量生油的阶段。因此,大量石 油在这一时期形成,而天然 气要在有机质成熟度比较高的时期才会大量生成。

  问:为什么 渤海湾盆地没有侏罗系、白垩系的油气,反而是 第三系的油气资源富集?

  答:渤海湾地区在侏罗纪、白垩纪 时期由于受到太平洋板块的俯冲而抬升,并因此遭受剥蚀。在侏罗 纪和白垩纪时期,渤海湾 地区由于缺乏沉积而没有形成有效的烃源岩。到了第三纪,渤海湾 地区进入重要的成盆时期,形成了 有效的烃源岩并在第三纪形成有效圈闭,因此渤 海湾盆地第三系油气资源富集。


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