油燃而生 第5期 | “茧”中油气形成的三部曲——生成、运移与聚集
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《油气简史》
（第二版 富媒体）
油燃而声 第4期
（科普解说词见文章末尾）
石油与天然气的生成
人类共同的母亲——地球，已经很老很老了，它大约 45 亿岁了。地球是由厚厚的岩石圈包围的，那么石头里面的石油和天然气是从哪里来的呢？科学家们说，距今大约30亿年前，地球上出现了原始生命。在那个时候，我们今天生活的陆地大部分地方还是茫茫的大海和内陆湖泊。大约30亿年前，海洋 中大量的动植物生命（有机物）沐浴着阳光，生生不息，在养分丰富的水体中生长、搏杀，死亡之后的躯体（残体或遗骸）与泥、沙一起慢慢地下沉，沉积到海底或者湖底，沉积在海底或者湖底的这些生物、泥、沙等，统称为沉积物。日积月累，早期的沉积物被后期源源不断聚集的沉积物埋藏封存。在不同的环境中，沉积物厚度不等，可达几十米甚至上万米，与堆积时间等有很大关系。
▲数亿年前海洋中的生物
▲数亿年前陆地上的生物（左图，才林，2017）
随着时间的不断推移，沉积物埋藏深度逐渐增加，上覆物质的重量不断增大，温度和压力也持续变高，发生沉积物不断被压缩、水分逐渐排出等物理化学变化，松散可塑性强的沉积物逐渐固结， 形成坚硬的岩石，科学家把这种岩石叫作沉积岩。
有一种富含大量生物等有机质的沉积岩，在地下深处沉睡了几千万年甚至上亿年，经历着复杂的物理、化学变化，使沉积物中的那些有机质“躯体”被缓慢地加热，绝大部分慢慢地一点一点开始分解、重新组合并演化形成新的有机化合物 —— 干酪根（Kerogen）（见知识小讲堂），又经历了漫长时间的“孕育”（温度、缺氧环境），干酪根开始分解，最终有的孵化出了液体 , 有的孵化出了气体，这些液体和气体就是通常大家所熟知的石油和天然气兄妹，干酪根就好像是孕育婴儿的子宫。后来，科学家为了纪念这位干酪根“母亲”所做出的伟大贡献， 将石油和天然气的“出生地”进行了重新命名，将“富含有机质、大量生成油气与排出油气的岩石”称为烃源岩，也称为生油岩。石油和天然气在“原生家庭”烃源岩中生成之后，一部分就从家中“跑”出来，就像孩子长大了会离开父母，开始自己新的生活，石油和天然气也踏上了它们的旅途，组建自己的家庭，这类油气通常称之为常规油气。然而，有的“孩子”长大后不愿意离开家，这些“啃老族”孩子和母亲挤在原来的致密泥页岩 “房子”里面，成了我们今天熟知的页岩油和页岩气，科学家称之为非常规石油和天然气，也简称为非常规油气。
石油与天然气的转移
由于地球地壳的持续压力和运动，挤压沉积岩中的空隙，使得早期蕴藏于其中 的石油和天然气排出。而石油和天然气是由氢和碳原子组成的碳氢化合物，密度较小，往往容易发生向上的运移。石油与天然气这对兄妹离开家后，结伴同行。它们所行走的“道路”比较特殊—— 通过岩石中空隙，从埋藏相对较深的沉积岩向上覆岩层慢慢运动，经过一定距离的 长途跋涉后，部分到了地表，此时石油与天然气“兄妹”的命运不同：石油蒸发掉水分变成黑漆漆的沥青；而“妹妹”天然气最惨，变成甲烷气体挥发到空气中不见了踪影。只有少部分无法逃逸到地表的石油和天然气，在地表之下寻找封闭的聚集场所， 逐渐聚集，越积越多，这种油气聚集的密闭“房子”，科学家也称其为“圈闭”。
石油与天然气的聚集
油、气从烃源岩出来后，还找到了新的“小伙伴”——地下水， 经过运移后，油、气、水三个小伙伴需要找地方安顿下来，必须找到适合自己居住的“房子”，在陌生的岩层中“安家”。房子的屋顶有“密封盖”盖住油气防止向上散失；房子的四周有“遮挡墙”以阻止油、气、水的侧向移动。“密封盖”和“遮挡墙” 都是材质非常致密的岩层，里边几乎没有空隙。另外，“遮挡墙”也可能是由特殊的构造作用，例如，褶皱、断层等所形成的。值得注意的是，石油、天然气和水是“宅”在砂粒与砂粒之间的“小房间”（孔隙和裂缝）里，而不是躺在一个很大很宽敞的池塘里， 房间直径一般为毫米、微米级大小，大的一般也就一个铅笔芯那么大， 科学家称其为孔隙。我们把这种能够储集石油、天然气或水的岩层称为储集层。常见储集岩岩石类型是砂岩和碳酸盐岩，有些储集层比较特殊，比如烃源岩、火山岩和变质岩等。
▲气、油、水“居住空间”分配
找到“房子”或者孔隙以后，油、气、水需要“分配空间”相邻居住。由于气体密度较小，会浮到“房间”的顶部形成游离气，占据“房子”顶部岩层的空隙；石油密度居中（与淡水密度大小差不多），会浮在盐水上面，位居“房子”的中央 形成油藏；盐水密度最大，会沉入“房子”的底部，所以，油、气、水由于密度的差异而分离。所以通常看到的油气藏分布是气体在“房子”最顶部，气体的下面是油和含天然气的油，油的下面是盐水。由屋顶、遮挡墙和油气储集体三部分所构成的“房子”形成一个油气储藏区域， 就是地质科学家称为的“圈闭”。圈闭是将分散的油气捕获在一起并最终形成油气聚集的有效空间。不过，并非任何圈闭中都有油气，有些圈闭没有油气运移进来， 就没有油气的聚集，因此，圈闭就是空的。一旦有足够数量的油气进入圈闭，占据圈闭的一部分或充满圈闭，便形成了聚集油气的“聚宝盆”，就是石油人所说的“油气藏”。“聚宝盆”中油气储量可达到千亿立方米，甚至上万亿立方米。
▲圈闭的类型
另一方面，还有一部分留在母岩中的“啃老族”——称其为页岩油气。它们的居住条件很差，单个的房子只有几纳米到几微米，非常狭小而密闭，它没有屋顶和遮挡墙，但是没有断层，也不需要“圈闭”，只能乖乖地、安稳地待在“页岩”里静静地睡大觉，无法到处活动， 直到被发现。显然，页岩也是一个“房子”，一个特殊的“束缚”油气的“房子”。过去人们都不把页岩当作油气有效储层来看待，以为它就只是生油的，生出来以后必须脱离母体，然后运移一段距离，在较好的、孔隙大的储层岩石里聚集起来，等着我们去发现。然而，今天页岩油气的发现改变了传统的勘探找油找气的思路和视野，拓展了油气勘探开发的新领域。
通常，把在古海洋环境沉积岩里面聚集的油（气）资源称为海相油（气）资源；把在古陆地河流、古湖泊等环境沉积岩里面聚集的油（气）资源称为陆相油（气）资源；把在古海洋与古陆地接触过渡 环境沉积岩里面聚集的油（气）资源称为海陆过渡相油（气）资源。20 世纪初，传统石油地质理论普遍认为石油为海洋生物生成。从世界范围看，古代海洋形成的沉积地层里更容易发现石油。世界上产油量多，储量规模最大、最丰富的含油区在中东地区，石油产量、储量占世界石油总产量、储量的 70% 以上，而这一地区生油岩也都是海相地层。在地质历史演化进程中，沉积环境都历经了沧海桑田，石油资源量名列前茅的国家中，2 亿前古环境被大范围海洋覆盖，为油气藏形成创造了有利条件。例如，沙特阿拉伯，1.9 亿年前的侏罗纪它的国土还是位 于热带附近的温暖浅海，并一直持续到后来的白垩纪（距今约 1 亿 4550 万年）。这一现象在20世纪初就已发现，被称作“海相生油”学说。
长期以来，传统石油地质理论认为石油仅仅为海洋生物生成。但世界不同地区经历过截然不同的地质演化史，因此不同国家有全然不同的石油资源禀赋。20世纪50年代末，中国的石油工作者发现了大庆油田，其所在地区于白垩纪时是面积广大的淡水湖泊——与“海相生油”对应——地质学家把陆上湖泊环境生成油气称之为“陆相生油”，是对“海相生油”学说的继 承与发展。中国已发现的油气资源 绝大多数形成于陆上湖泊环境。大庆油田的发现说明了陆相油气藏的形成不仅是可能的，而且可以形成大中型乃至特大型油田。自大庆油田发现之后，我国相继发现了大港、辽河油田、 江汉油田、二连油田等，陆相沉积生油均占据了很大比例。海、陆生成油气的差异，最关键的是海相油气生成环境与陆相油气生成环境的差异。受规模、面积、存续的时间、承载的生物量、油气生成潜力等因素影响，陆 上湖泊难与海洋相提并论，这一先天不足注定陆上地层油气资源更复杂，远不如海洋地层油气资源丰富，远不如海洋油气资源的品质好。需要指出的是，时至今日，科学家对油气生成的争论一直都非常激烈，也从来没有停止过。先后有几十种假说被提出来，不过，归纳起来主要为两大学派——有机生油学派（石油是由自然界的有机物生成的）和无机生油学派（石油是由自然界的无机物生成的）。尽管争论一直在继续，但目前还是有机生油学派占了主流。大 多数科学家认为：绝大部分的油气是由沉积有机质（动植物遗体等）经过埋藏演化形成的。自然界的生物，不论高等生物还是低等生物，也不论是水生生物还是陆生生物，它们都是由脂肪、蛋白质、碳水化合物等化合物组成的，上述物质在适当的环境条件（如温度和埋藏时间、细菌及矿物催化作用、地层压力）下，都可以转变为石油和天然气。科学研究表明，油气的形成至少要经过 200 万年，目前已发现的最古老的油气形成于 5 亿年以前。
👇科普介绍内容👇
地下岩石、流体
以及岩石与流体的故事
俗话说，上天容易，入地难。那我们又是如何知道地层中到底储存了多少石油和天然气呢？到底有没有工业开采价值呢？这跟地下岩石中有大量肉眼“看得见”和“看不见”的孔孔、洞洞、缝缝有关，石油、天然气就主要储存在这些孔隙里。
当人们勘探发现深埋地下的油气藏之后，接下来就要将蕴藏在地下岩层中的“油气”成功采掘出来。采掘过程和结果不仅与“藏”油气的岩石性质有关，还与油气本身的性质以及岩石-流体间相互作用有很大关系。
地质学家把岩石中所有孔孔、洞洞、缝缝的体积与岩石总外观体积之比叫做“孔隙度”，孔隙度越大，石油、天然气的“家”就越大，说明岩石储藏石油、天然气的能力越强。另外，组成岩石的颗粒大小不同、形状不同、颗粒间的接触方式不同，孔隙形态也不同，所能够容纳的流体体积也不同，即孔隙度也不同。一般地，时代越老、埋藏越深的岩石孔隙度越低。
根据岩石中这些孔孔、洞洞之间的连通情况，岩石中的孔隙可以被分为连通孔隙和不连通孔隙，孔隙的连通情况直接决定了油气的流动能力，油藏工程师们更感兴趣的也是连通孔隙。虽然地层岩石中的微小孔隙很多只有微米级大小，与头发丝尺寸差不多，有的甚至更小，只有头发丝几百分之一。但由于地下岩层面积很大、很厚，所以储存在这些岩石微小孔隙中的所有油气体积总量可能是相当大的。
储层孔隙度是决定油气藏规模和开采价值的重要特征。是否所有岩石孔隙空间都是被石油和天然气所占据呢？地质学家们发现，油或气总是与地层水共同占据着地下岩石中的孔隙空间；也就是说，无论是油藏还是气藏，地下岩石孔隙中除了原油、天然气之外，还总是含有一定量的地层水。
到底有多少孔隙空间里面储存了原油、天然气呢？这将直接关系到原油和天然气的储藏量和可采量。为了描述地下岩石孔隙中油、气、水所占据的比例，人们提出了“流体饱和度”的概念，把储层岩石孔隙中某一种流体所占据的体积百分比定义为这种流体的饱和度。很显然，某一种流体的饱和度值越高，说明岩石中储藏的这种流体就越多。
确定了地下岩层中油、气流体的储藏量之后，接下来的任务就是想方设法地将油、气采掘到地面来，这就必然涉及到流体在地层中的流动，那么，流体在地层中又是如何流动的呢？前面我们讲到，地下岩石看似铁板一块，实际上有大量的孔、洞、缝，其中连通的孔、洞、缝的存在，使得流体在看似不透气的岩石中的流动成为可能。在一定的压力差作用下，流体可以从一个孔隙流向另一个孔隙，并最终找到合适的路径流到井底。如同高速公路和羊肠小道的车速存在明显差别一样，不同岩石中的孔洞数量、形状、连通关系、矿物等存在差异，导致岩石中流体的穿透能力也大不相同。
为了定量化描述不同岩石中流体透过能力的不同，科学家提出了“绝对渗透率”的概念来度量。岩石的绝对渗透率反映了流体在岩石中流动的难易程度，它是岩石本身的一种固有属性，它的数值只和岩石本身的性质有关，例如孔隙喉道大小、形状和弯曲程度等，而与所通过的液体性质无关。
很显然，岩石渗透率的大小会影响地层中油水的流动快慢，进而影响到原油和天然气的最终采出量。此外，由于油气是在地下岩石中极为细小、弯弯曲曲的孔道中流动，流体与岩石的接触面积大小也会直接影响到流体的流动状态。科学家们把单位体积岩石中孔隙总的内表面积定义为“内比表面积”。地下岩石具有不可思议的巨大孔隙比表面积，一个长、宽、高均为1米的砂岩，它的孔隙空间内表面积大约与20个足球场的面积相当。科学家发现，组成岩石的颗粒越细，它的内比表面积值就越大，流体流动时和岩石表面的接触面积就越大，流体的流动阻力就越大，流体流动也就越困难。可想而知，油、气在地下极为细小的孔道中流动所需要克服的阻力有多大。
岩石的“孔隙度”和“饱和度”反映了岩石储存油气的能力，岩石的“渗透率”反映了岩石中油气流动能力的大小。地下储集岩层能形成具有工业开采价值的油气藏，必须具备这两个重要特性。
我们都知道，世界上找不到完全相同的两片叶子一样，其实地球上也不存在两块完全一模一样的岩石。由于不同岩石的组成和结构各不相同，岩石的各种物理-力学性质比如孔隙度、渗透率、电性、热学性质、弹塑性、脆性、韧性等随空间位置的不同也会有一定差异，我们把这一现象叫做岩石的“非均质性”。
地下油气藏中的石油、天然气能否成功被开采出来，除了与岩石的特征密切相关以外，还与流体的性质有很大关系。流体的黏度越大，流体流动性越差。例如“浓稠”的蜂蜜流动性就明显比“稀薄”的自来水差，液体的流动性也明显比更为“稀薄”的气体差，这也是为什么在地下油气藏中原油的流动性能明显好于地面。我们在日常生活中可以观察到，在一定压力条件下，气体会溶解于液体中，我们常见的碳酸饮料就是基于这一原理而制作的。我们知道，从地表向下，地层压力和温度都会随着深度的增加而增大，石油和天然气往往埋存于数百米到数千米深的地下岩层中，因此，在地下储层高压条件下，大量天然气就会溶解于原油中，这些溶解的天然气就像原油的润滑剂一样，会明显改善原油的流动能力。
不同类型油藏的地层原油中溶解气量也会有很大差异，这个“量”的大小和某一个特别的“压力值”直接相关。地层压力一旦低于这个“压力值”，原油中溶解的天然气就开始从原油中“逃逸”；反之，若地层压力高于这个压力值，也不会有更多的天然气再溶解到原油中，因为原油中的天然气已经很饱和了，再也“盛”不下更多的天然气。石油工程师把这个特殊的压力值称为“饱和压力”，在油藏的开采过程中，油藏工程师们往往会尽量维持地层压力高于这个“饱和压力值”，目的就是防止天然气从原油中“逃逸”出来，避免原油变“稠”而更难以被采掘。
地层深处的高温高压除了影响油、气粘度大小以外，对流体的体积也会产生明显影响。所有流体都有一定的可压缩性，液体的可压缩性相对较小，而气体的可压缩性则较大。我们知道，当我们用手去挤压装有一定气体的气球时，气球的体积会发生变化。其实，地下油、气、水在不同的压力和温度作用下，体积也会发生相应的变化。由于不同的油气藏其埋藏深度、地层压力和温度都不相同，即便是相同质量的流体，在不同油藏压力、温度下所占据的体积也会不同。
我们又该如何来比较不同油气藏所储存油、气量的多少呢？科学家们引入了流体体积系数的概念，简单来说，流体体积系数是指一定质量的流体在地下所占据的体积与在某个统一压力、温度条件下所占据的体积的比值。这个统一的温度压力条件一般被选定为标准状态，也就是1个大气压、20℃条件。利用流体体积系数，人们可以将不同地层压力、温度下流体所占据的体积转变为同一压力、温度条件下的体积，这样就可以实现不同油气藏之间的横向对比，我们平时在新闻报道中经常听到的“某地区发现探明地质储量为多少的气藏”，这个“地质储量”就是转换到统一条件下的地面体积。
对于原油和天然气来说，他们到底是在地下所占据的体积大还是在地面条件下所占据的体积大呢？对于不同的流体类型，这个答案并不统一。由于天然气具有很大的压缩性，当它从地下被采掘到地面后，气体体积往往会发生几十倍甚至几百倍的膨胀；换言之，天然气体积系数总是远远小于1。对于地下原油，它在地层压力、温度条件下一般都溶解有大量的天然气，而相同质量条件下气体所占据的体积要远大于液体，再加上液体的“热胀冷缩”效应，地下原油的体积总是大于地面体积。
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责任编辑：李 杰