十二、岩石中的财富：能源和矿产资源-1(石油和天然气)

1.介绍

我们的史前祖先依赖自然环境中的食物和水便可生存。随着文明的到来，人类的需求发生了变化，需要矿物资源来制造建筑材料、武器和工具。今天的每个人要比我们的史前祖先多使用大约100倍的资源。人们使用资源的速度随工业化程度的不同而不同。一个工业化国家的居民平均消耗的资源是发展中国家居民的30倍。这些资源大多数是地质、大气或海洋过程的产物。

2.地球系统的能量来源

我们使用的所有能量都具有以下来源：

a.直接来自太阳：太阳核聚变产生的辐射以电磁波的形式穿过空间，这种能量可以直接转化为电，也可以用来加热水；

b.直接来自重力：月球和太阳的引力引起潮汐，潮汐引起的海水流动可以驱动涡轮机；

c.来自太阳辐射和重力：太阳辐射和重力共同作用，推动大气环流。由此产生的气流产生风力，为涡轮机提供动力。水被太阳辐射蒸发，吹过土地，以雨的形式落下。雨水使水流动，驱动水轮或涡轮机；

d.无机化学反应：某些无机化学反应产生的能量。例如，氢和氧结合会引起爆炸；

e.核裂变：放射性原子分裂成更小的原子，这个过程被称为核裂变；

f.来自地球内部的热量：地球内部之所以保持热度是因为它保留了地球最初形成时产生的大部分热量，还因为地球内部的放射性原子衰变产生额外的热量；

g.来自光合作用：藻类、蓝藻和绿色植物利用来自阳光的能量构建有机分子，这个过程称为光合作用。这些生物吸收能量并以化学键的形式储存在有机分子中，这些有机分子构成了它们的生物质。我们可以用化学式来表示光合作用的反应：

6CO2+12H2O+light→6O2+C6H12O6+6H2O

在工业革命之前，人类的大部分能源需求是通过燃烧生物质(通常是木头或粪便)来满足的。工业革命后，森林砍伐导致木材供应减少，社会转向化石燃料，即以石油、天然气或煤的形式埋藏在地下并保存下来的生物质，这提供了我们今天使用的大部分能源。这种燃料之所以占主导地位，是因为它的可获得性、可运输性和能量密度(一种材料每千克储存的可获得的能量)。我们可以通过燃烧化石燃料来获得能源。化石燃料燃烧是一个氧分子与一个碳氢化合物分子结合的化学反应(甲烷):

CH4+2O2→CO2+2H2O+heat+light

3.碳氢化合物：石油和天然气

3.1什么是碳氢化合物?

工业化社会现在主要依靠石油和天然气作为能源。这些物质就是碳氢化合物，由碳和氢原子组成的链状或环状分子。石油和天然气在粘度(流动能力)和挥发性(蒸发能力)方面是不同的。这些特征反映了碳氢化合物分子的大小。由小分子组成的碳氢化合物粘性更小，挥发性更强，大分子由于相互纠缠在一起粘度大，挥发性弱。天然气和石油都是由烃类组成的物质。天然气(小分子)在室温下以蒸汽形式存在，包括甲烷和丙烷，石油(大分子)在室温下以液体形式存在。

石油可以制成各种产品，包括汽油，一种由中等分子组成的水样液体，以及机油，一种由大分子组成的糖浆状液体。焦油在室温下是固态的，它由非常大的分子组成。

3.2烃源岩

石油和天然气的最大来源是从浮游生物细胞中分解出的有机化学物质，几乎所有的海洋或湖泊中都生长着浮游生物，但并不是所有沉积在海洋或湖泊底部的沉积物中都含有足够的浮游生物残骸来产生大量的碳氢化合物。此外，并非所有被埋的浮游生物都能转化为碳氢化合物，在特殊情况下才会形成大量的碳氢化合物。

首先，沉积物沉积地点的水中必须含有丰富的有机物质，使有机物茁壮成长；

其次，当浮游生物死亡时，在被海浪或水流冲走之前，它们必须在平静的水中与粘土一起沉积；

第三为了使有机分子不腐烂，有机物质沉淀的水中不能含有溶解氧。残留下来的有机物与粘土混合，产生一层黑色的有机软泥；

第四，有机软泥层必须被一层厚厚的沉积层埋藏，以便软泥在有机页岩中被固化。有机页岩由于含有有机成分而呈黑色，其中含有可以形成碳氢化合物的原材料，因此地质学家将其称为烃源岩。

为了使有机物质转化为碳氢化合物，烃源岩必须埋藏到2至4公里深，地层变得足够温暖(50℃-90℃)，将有机化学物质转化为称为干酪根的蜡质分子。如果岩石被埋得更深，温度上升到90℃到160℃，干酪根分子就会分解成石油和天然气分子，这个过程被称为生烃。

​石油分子在约温度160℃以内较为稳定。如果温度进一步升高，石油分子将分解成天然气小分子，直到温度超过250℃，碳氢化合物失去所有的氢原子，剩下的纯碳结晶成石墨。石油形成和存活的有限温度范围称为生油窗。气体可以在更大的温度范围内形成，称为生气窗。因为蕴藏在石油和天然气分子中的能量被困在数百万年前生活在生物体的化学键中，石油和天然气是化石燃料。

3.3油气储量

地质学家把潜在可开采的地下石油和天然气称为烃类储备。如果大部分碳氢化合物以石油分子的形式存在，那它就是石油储备，而如果大部分是气体分子，那它就是天然气储备。根据烃类从地下泵出的难易程度，烃类储量进一步区分：

常规储量是指碳氢化合物可以相对容易地开采出来的储量：碳氢化合物的粘度必须相对较低、含有碳氢化合物的岩石必须是多孔的和可渗透的

非常规储量：碳氢化合物太粘而不能流动、碳氢化合物被锁在不透水的岩石中

3.4常规油气储量的形成

在烃源岩形成并通过油窗后，常规油气储量的开发需要另外两个步骤。

3.4.1运移到储集岩石中

你不能简单地在烃源岩上钻一口井然后把油抽出来，因为油不会流进井里。这是因为烃源岩具有低孔隙度和低渗透率，一层烃源岩不可能是常规储量。在常规储量中，石油或天然气位于储集岩石中，即具有高孔隙度和渗透率的岩石中。胶结程度低的砂岩往往是良好的储集岩石，因为它们具有高孔隙度(约35%)，而且它们的孔隙往往相互连通。地下的石油和天然气存在于固体岩石的孔隙中，它们不会积聚在地下湖泊或水池中。

为了进入储层的孔隙，油气必须首先从烃源岩进入储集岩，这种运移可能需要数千年到数百万年。石油和天然气运移是因为它们的密度比地下水小，所以它们的浮力导致它们上升。如果石油和天然气都存在于储集岩石中，天然气就会上升到石油之上。

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3.4.2圈闭和密封

如果石油和天然气能够相对容易地穿过储集岩石，它们可能到达地球表面并从名叫油渗的出口逸出。为了使地下油气储备存在，石油和天然气必须在地下形成圈闭。圈闭的形成需要两个条件。首先，密封岩(如页岩或岩盐等不透水的岩石)必须位于储集岩石之上，以防止碳氢化合物进一步上升。第二，密封岩和储集岩必须排列成一种封闭层，将烃类封闭在一个相对有限的区域内。地质学家识别出几种圈闭的形状。

3.5非常规油气储量的形成

非常规油气储备的形成无需油气运移到储集岩石或圈闭。地质学家区分了几种非常规储量:

3.5.1油页岩(oil shale)

由一层富含有机质的页岩组成，在页岩层中，化学反应产生干酪根，但温度从未达到足以使干酪根转化为石油或天然气的程度。

3.5.2沥青砂(tar sand)

一种砂岩，其孔隙中含有非常粘稠，无法流动的油(称为沥青)。当油气藏中的小分子蒸发或被微生物吞噬，从而只剩下大分子的残留物时，就形成了这种现象。

3.5.3页岩油(shale oil)

指油源岩中干酪根转化为油而油不运移的烃源岩层。

3.5.4页岩气(shale gas)

进入气窗的烃源岩层，它所含的大多数碳氢化合物都是以天然气的小分子形式出现的。

4.石油和天然气勘探和生产

4.1石油工业的诞生

在19世纪中期之前，“rock oil”(岩石油)，后来被称为petroleum(来自拉丁语petra，意思是岩石，oleum的意思是油)，只用于给车轴上涂油。这种石油是稀有的，昂贵的，只有在石油渗漏处才能找到。1854年，一群投资者雇佣Edwin Drake在Pennsylvania Titusville附近的一个渗漏处钻探石油。1859年8月27日，Drake和他的船员成功地在地下找到了石油。到了20世纪之交，人类文明已经离不开石油。最初，大多数石油被用来生产用于照明的煤油。当电取代煤油成为照明的首选能源时，人们开始使用石油作为发电的燃料，也用于汽车和卡车。

4.2现代的石油勘探

最早的油气田和天然气气田要么是通过寻找渗水，要么是靠运气发现的。最终，能源公司意识到他们可以雇佣地质学家，他们可以通过系统的勘探来识别源岩、储集岩和圈闭，从而找到新的油田。现代地质学家可以通过生成地震反射剖面来增加给定区域地下地层和构造的细节。

生成这样一个剖面涉及以下步骤：一辆特殊的振动卡车，或炸药爆炸，向地面发送人工地震波。波通过岩层之间的接触反射回地面，在地面上便携式地震仪记录下它们的到达，通过测量地震波产生和返回之间的时间，计算机可以计算出接触深度。

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4.3钻探碳氢化合物

钻工们使用旋转钻机(一个带有钻头的金属管子、一个镶嵌着硬质尖头的金属球钉)钻井。当钻头转动时，它把岩石磨成由粉末和碎片组成的岩屑。现代钻井每天可以穿透岩石50 100米。早期的钻井方法只能产生垂直钻孔，现今的技术可以控制钻头的路径，使孔可以成角度甚至水平。这种定向钻井已经变得非常精确，以至于钻井工使用操纵杆就可以控制钻头到达几公里外的地下目标。

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​在钻井过程中，工人们将由水和粘土组成的泥浆泵入钻杆中心。泥浆从钻头末端的孔中流出，然后回流到管道和孔之间。泥浆使钻头冷却，并将岩屑冲洗出井眼，泥浆也阻止了处于巨大压力下的碳氢化合物从岩石中冲出来。钻井泥浆可以降低了井喷的概率。井喷是灾难性的，因为它们将碳氢化合物泄漏到陆地上，或将其释放到空气中，燃烧成大火。

在钻井过程中，钻工使用吊杆(塔)将重钻杆一段段吊入。在陆地上，钻井井架可以安装在一块干净的土地上。为了开采大陆架上的油田，钻井工人们建造了海上钻井平台，钻杆在穿过海底之前必须从平台上通过水中放下。

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当完成钻井时，工人们用另一种管代替钻杆，这种管叫做套管，然后他们用混凝土把套管和井壁之间的空隙填满，以密封井壁。接下来，工人们使用一种小型炸药在含油气层的层面上刺穿套管和混凝土。最后，他们安装了一个泵，将石油或天然气从地下抽到地面。

直接从地下提取的石油称为原油。一旦它被提取出来，它就被储存在储罐中，直到可以通过油轮或管道运输到炼油厂。在炼油厂，工人们在一个叫做蒸馏塔的垂直管道中加热原油，将原油分离成几种不同的碳氢化合物。较小(较轻)的分子上升到柱的顶部，较大(较重)的分子停留在柱的底部。天然气从塔顶出口流出，汽油和机油从塔中出口流出，焦油在塔底收集。大部分焦油用于塑料的生产。如果需要的话，工人可以通过高温加热大分子，使其“破裂”成更小的分子。

简单的抽水只能把常规石油储备的30%抽出地面。能源公司通常使用二次开采技术，以开采出多达20%以上的石油。其中一项技术，水力压裂技术，可以产生新的裂缝，并打开原有的裂缝，从而提高岩石的渗透性。用水力压裂法压裂油井或气井，钻井工将流体(90%的水、9.5%的沙子和0.5%的其他材料(如洗涤剂、杀菌剂和防锈剂))，压入钻孔封闭的部分，并增加流体的压力，直到钻孔周围的岩石破裂。然后泵出液体，一些沙子残留下来，使裂缝无法紧密闭合，石油或天然气就会从岩石中流入裂缝，并顺着钻孔向上流动。

5.石油和天然气在哪里出现

5.1常规油气储量

常规的石油和天然气储量(相对容易开采)并不是随机分布在地球上的。这些储量有的沿被动边缘分布(陆上和海上)，有的在裂谷盆地中，有的在陆内盆地中，有的在褶皱冲断带中。

目前，与波斯湾接壤的国家拥有世界上最大的石油储量。该地区的常规储量几乎占世界的60%。现在位于中东的大部分地壳在白垩纪时期(145Ma-66Ma)位于热带地区。这些地区浅水水域的生物生产力很高，在这些水域中积累的泥浆中富含有机物质，成为极好的烃源岩。沙层覆盖了烃源岩，最终形成了多孔砂岩，成为储集岩。后来，造山过程抬升并折叠了这些岩层，从而产生了圈闭。

5.2非常规油气储量

在过去20年里，能源公司开始加大对从非常规储量中提取碳氢化合物的关注。由于从这些储备中获取碳氢化合物的成本很高，只有在石油价格高的时候，它们的使用才会产生效益。让我们来看看几个非常规储备的例子，看看如何提取它们所含的碳氢化合物。

5.2.1页岩油和页岩气

仍然存在于不渗透烃源岩中的碳氢化合物(有机页岩)只能通过定向钻井和水力压裂来提取。定向钻井允许钻井工向水平页岩层钻孔，然后在页岩层内将钻孔延伸数公里，以获取大量页岩。钻完井后，工人们对整个水平井进行水力压裂。页岩油和页岩气的主要储量分布在美国，然而，钻井中的井喷造成了严重的环境问题。

5.2.2焦油砂

在世界各地的一些地方，存在着大量的焦油砂。由于高粘度，焦油砂中的沥青不能直接从地下泵出。为了从近地表的焦油砂矿床中获取碳氢化合物，生产商会挖露天矿井，然后在炉中加热提取的砂岩，直到碳氢化合物变得不那么粘稠，可以从砂中分离出来并重新填充。大约900公斤焦油砂可以生产1桶石油。为了从焦油砂的深层沉积物中提取石油，生产商在焦油砂中平行钻两个井：他们向一口井中注入蒸汽或溶剂来液化石油，然后从另一口井中泵出石油。

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5.2.3油页岩

为了从油页岩中获得可用的燃料，生产商要么将其开采并加热，使其所含的干酪根转化为石油和天然气，然后从页岩中分离出来；要么必须在地下加热，使其流入钻井中并被提取。