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    向全社會宣傳幔源油氣理論,改變中國石油工業格局

                                    ——幔源油氣理論和技術支撐大慶油田產量重上5000萬噸

    崔永強 1965年2月生,博士,高級工程師。工作單位:大慶油田勘探開發研究院。2001年于中國石油大學(北京)完成博士學位論文《松遼盆地無機成因氣成藏機理與模式研究》,2004年于北京大學完成博士后出站報告《松遼盆地深源油氣地質背景研究》,2018年發表《現代石油地質學——幔源油氣理論》。

    該尖晶石二輝橄欖巖來自《松遼盆地幔源油氣理論評價研究》課題組,為大慶油田產量重上5000萬噸提供了理論與技術依據。

    □ 崔永強 文/圖

    自然科學理論、實驗、宇宙探測、石油勘探開發實踐的進步及其取得的成就,使傳統石油地質學由科學假說提升為現代石油地質學科學理論成為可能。

    由于對石油生成問題的不同認識,人們提出石油有機成因和無機成因兩種假說。有機成因假說即石油來自沉積有機質,該富含沉積有機質的細粒沉積層即生油層。根據生油層的差別,以有機成因為核心的傳統石油地質學又派生出陸相成油理論和海相成油理論。

    基巖油氣藏的發現既挑戰了陸相生油理論,又挑戰了海相生油理論?;鶐r即發育于盆地基底的變質巖和火山巖,它們不具備有機成因所要求的沉積有機質。全球已超過30個盆地中發現了基巖油氣。全球基巖油氣藏石油儲量為248×108t,天然氣儲量為2681×108m3。因此,基巖油氣藏存在本身否定了石油有機成因假說,包括陸相生油理論和海相生油理論。

    前人已經在通往石油無機成因的道路上取得了豐碩的研究成果,石油來自地幔的概念已經取得越來越多的共識。

    認識幔源油氣

    門捷列夫在1876年最早提出“碳化鐵生烴說”。他認為地球深部的碳鐵化合物遇到水之后,“鐵或者其它金屬與水中的氧反應生成氧化物,水中的氫分離出來,一部分是游離的,在氧化過程中,原來與鐵結合在一起的碳也分離出來,與氫結合起來,生成碳氫化合物,這就是石油,它們一邊上升一邊冷卻,在接受它們的地層中冷凝成液并聚集成礦”。

    索柯洛夫在1889年也注意到石油和巖漿的成因聯系并提出石油生成的“宇宙說”,其依據是太陽系中行星天體光譜分析發現有甲烷,以及烴類化合物可由費-托合反應無機合成。他認為碳氫化合物是在地球尚處于熔融狀態時就已存在于大氣圈中,后隨著地球冷卻收縮凝結于地殼上部,并沿裂隙分離出來,當有孔隙性地層和其上被非滲透層覆蓋時則可聚集成油氣藏。

    庫德梁采夫在1951年繼承了門捷列夫和索柯洛夫的思想,提出“巖漿說”,認為碳氫化合物的是那些不只在行星和太陽上有,而且在地球的巖漿中也有的碳和氫形成的。在巖漿上升過程中,溫度逐漸降低,活性很強的甲炔基基團發生聚合作用,依次變為亞甲基(CH2)、甲基(CH3)、甲烷(CH4),最后形成烴類物質;一氧化碳也能直接合成烴類物質,且在高溫高壓下形成氫和其他元素參與的烴類化合物。

    克魯泡特金在1955年認為石油天然氣與烴類巖漿起源,其實并無關系,提出固態地球是由行星冷的宇宙塵和氣體組成的,這些氣體是指參加到組成地球和其他行星的原始物質中的氦、氮、碳氫化合物。由克魯泡特金本人主持的1976年、1985年、1991年全蘇《地球排氣作用與大地構造》學術會議,以及由德米特里耶夫斯基主持的2002年、2006年、2008年、2010年全俄和獨聯體國家《地球排氣作用:地球動力學、地球流體、石油與天然氣(碳氫化合物及生命)》學術會議,都強調了地球是冷球的思想。

    上述關于烴類是否來源于巖漿的分歧,在杜樂天1996年提出的“烴堿流體地球化學”中得到統一。地幔流體是烴堿流體,烴類和堿類是烴堿流體的兩大組成部分。烴堿流體既可以交代地幔巖形成玄武巖巖漿,又可以交代地殼巖石和沉積巖形成中酸性火山巖。以超臨界態存在的地幔烴堿流體在上升過程中,不斷與圍巖發生交代作用,不斷從圍巖獲得金屬和硅質組分。在臨界溫度(水的臨界溫度是374.2℃)烴堿流體將轉化為含烴、含金屬、非金屬、稀土元素的熱液,這些熱液組分將在合適的溫壓和地層條件下分異形成金屬、非金屬、油氣礦藏。所以,金屬、非金屬礦床中伴生烴類,而石油中則富含大量的金屬、非金屬、稀土等不相容元素。

    石油和巖漿是地幔流體作用的不同產物,從深部斷裂上來的石油、從泥火山上來的石油和巖漿噴發通道上來的石油,它們都是源于烴堿流體。烴堿流體地球化學理論既支持了克魯泡特金地球是冷球的思想,又解釋了門捷列夫、索柯洛夫和庫德梁采夫觀察到的石油與巖漿的關系問題。從這個意義上說,烴堿流體地球化學原理就是中國版的石油無機成因理論。烴堿流體中的烴類組分就是幔源油氣的源頭。

    幔源油氣概念是現代石油地質學的核心。為了明確現代石油地質學與陸相生油理論、海相生油理論和以往無機成因理論的區別,本文提議用“幔源油氣理論”或“幔源油氣地質理論”來概括現代石油地質學。

    必須指出,來自鈾礦地質的地幔烴堿流體的概念已經為上地幔與軟流層地球化學研究、鈾礦地質研究和其他金屬非金屬礦產地質研究所證實。

    幔源油氣的生成和演化

    天然石油作為H-C體系的成員,由具有高還原性的烴類分子混合物組成,并且這些烴類分子具有高的化學勢,大部分呈液態,因而天然石油處在明顯的非平衡狀態。關于組成石油的烴類分子存在和起源的首要科學問題是:在什么樣的熱力學條件下,具有高化學勢和高還原性的分子是如何演化的?

    這是一個化學熱力學穩定性問題。這個問題與石油可能存在的巖石特征無關,也與在石油中發現的微生物的特性無關。

    建立在近代原子和分子理論、量子統計力學和眾數理論基礎之上的化學熱力學研究對上述問題給予回答。石油分子是C-H體系分子,而生物分子是C-H-O體系分子。所有C-H-O體系生物分子(以葡萄糖為代表,其分子式是C6H12O6)的化學勢(化學位、吉布斯自由能)都小于CH4的化學勢。C-H-O體系生物分子的質量越大其化學勢越低,而C-H體系烴類分子與之相反,質量越大其化學勢越高。熱力學第二定律禁止低化學勢分子向高化學勢分子發生自然演化。

    甲烷是唯一一種在標準溫壓條件下穩定的碳氫化合物。從甲烷形成正常烷屬烴只有在壓力大于3萬個大氣壓、溫度大于700℃時(相當于地下深度約100km)才有可能。因此,從氧化的有機分子,如碳水化合物(C6H12O6)形成較重的碳氫化合物在任何條件下都是不可能的。

    現代烴類起源的高壓實驗證明了門捷列夫的設想。所用的材料也是地球上最普通的大理石CaCO3、氧化亞鐵FeO和蒸餾水。與地幔條件相比,實驗中采用碳化合物CaCO3是氧化的、低化學勢的,所有這些使得系統更不容易將碳演化成重烷烴。實驗結果發現,當壓力低于1萬個大氣壓時,沒有重于CH4的烴類分子存在。當壓力大于3萬個大氣壓時,烴類分子開始演化。當壓力達到5萬個大氣壓同時溫度達到1500℃時,系統自發地產生具有天然石油分布特征的甲烷,乙烷,正丙烷等,直到正癸烷,乙烯,正丙烯,正丁烯,正戊烯。

    化學熱力學和高壓實驗研究是石油無機成因從假說邁向科學理論的重要轉折。熱力學第二定律指出C-H體系分子向C-H-O分子進化的不可逆性,從而徹底否定了石油來自生命的假設。同時也否定了費-托合成反應(包括在低壓下生命物質加氫)生成天然石油的可能性。因為低壓下完成的費-托合成高度受控,有用中間產物需要不斷移除,而在地層條件下,并不存在這樣的過程。

    幔源油氣的運移和聚集

    克魯泡特金在1958年指出,“有機成因說除了說明應該在沉積巖中尋找石油以外,就別無所有了”?!八荒芙o出適用于任何油區的找油原則”。由此可見,有機成因說把以往石油勘探成果歸功于自己,并以此證明有機成因的正確性,這種說法并沒有遵循實事求是的原則。傳統石油地質學的核心工作就是優選圈閉。有機成因理論無法回答圈閉中是否有油。從而把科學勘探降級為簡單的試錯行為。世界石油勘探成功率為10%~30%,是通過試錯獲得的。

    “世界上99%以上的油氣田都分布在沉積巖區,這些沉積巖中都存在富含有機質的細粒沉積物”,這一地質事實曾經是石油有機成因的三個立論依據之一?,F已查明,沉積盆地對應上地幔軟流層隆起,上地幔軟流層隆起越高,沉積盆地含油氣豐度越大。

    因為沉積盆地的形成不是孤立的沉積現象,它是地殼構造運動的結果。盆地中所發育巨厚的沉積體需要由下伏地層提供相應的沉積空間。由于上地殼的剛硬性質,相應沉積空間只能通過中地殼塑性層的側向流動來提供。而中地殼和沉積層之間的密度差又必然導致重力失衡,這一重力虧空須由上地幔軟流層隆起加以彌補。所以,上地幔軟流層隆起與沉積盆地的形成是相輔相成的事件,是重力均衡作用的必然結果。上地幔軟流層隆起必然導致地幔烴堿流體向軟流層隆起頂部富集,同時上地幔軟流層隆起又會造成上地幔剛性巖石圈的張性破裂,軟流層中的地幔烴堿流體將會通過這些張性破裂進入地殼和沉積層,其中烴類組分或被地層捕獲形成油氣藏,或上升到盆地地表,進入盆地水體或者逸散到大氣中。

    門捷列夫于140年前正確指出:石油礦床的分布均與山脈的山脊走向相平行?,F代盆地勘探中,人們也總結出“一條裂縫一個礦”的正確結論,并識別出“油源斷裂”和“氣源斷裂”。遺憾的是,由于以往缺乏構造理論的支持,人們無法進一步把斷裂控制油氣的現象作為油氣來源于深部的直接地質證據。大陸層控構造理論的創立解決了這個問題,它證明與深部缺乏溝通的盆地缺乏油氣。例如,南秦嶺前陸盆地,由于南秦嶺上地殼底部剛硬的結晶基底向北秦嶺中地殼塑性層快速順層俯沖,造成盆地底部形成雙層剛性上地殼,阻礙了深部流體上升到沉積盆地,導致沉積盆地油氣缺乏。大陸層控構造理論針對中國大陸東部、中部、西部的不同構造特點,提出控制幔源油氣的構造地質模式,即中國大陸東部斷陷盆地盆-山系控油模式,以松遼盆地、渤海灣盆地為例,油氣藏定位于壓剪性正斷層附近;中國大陸中部壓陷盆地仰沖型沖疊造山帶控油模式,以鄂爾多斯盆地為例,油氣藏定位于逆沖斷層附近;中國大陸西部壓陷盆地厚皮縱彎隆起帶控油模式,以準噶爾盆地、塔里木盆地、四川盆地為例,油氣定位于逆沖斷層附近。厚皮縱彎隆起的真空抽吸作用是壓陷盆地富集油氣的動力源泉。隨著盆地構造活動的不斷發生,深部油氣資源將源源不斷地向沉積盆地和已開發油氣藏供給。

    大陸層控構造理論(李揚鑒等,1996)比較完整地闡述了地幔構造、地殼構造與沉積層構造的形成和演化關系。在把構造地質學由幾何學和運動學層次提升到動力學和流變學層次的同時,對推動石油地質學發展做出重要貢獻。

    完成油氣藏在斷陷盆地沉積層花狀斷裂體系內精確定位研究的是俄羅斯中央地球物理研究院齊穆爾基耶夫和他領導的團隊。他們利用三維地震技術在西西伯利亞盆地葉特-普羅夫油田侏羅系勘探中獲得了探井成功率100%的實踐成果。他們于2005年~2008年間相繼部署37口探井并全部獲得工業油流,其中239號井獲得日產油700t、日產氣49×104m3的最高產量。

    齊穆爾基耶夫等人開發的小斷距基底走滑斷層控制油氣模型,明確油氣分布在走滑斷裂帶1.5公里以內、儲層應力應變狀態不同決定其油氣產量不同。為石油勘探開發提供了強大的技術支持。如果說實踐是檢驗真理的唯一標準,那么,100%的探井成功率則證明了幔源油氣理論的真理性。

    幔源油氣上升的動力

    杜樂天(1987)結合鈾礦地質實際,把地球排氣理論進一步深化提高,終于發展成為幔汁(HACONS)理論。把地球排氣作用定義為超臨界態地幔烴堿流體自地球深部自發向上、向外的輻射排放。

    幔汁在地球內部是垂直分帶的,自深向淺順次如下:地核中儲存有巨量的氫;內核中有固態FeH存在;外核液態Fe中又可以溶解大量H、H2,這在冶金上早已熟知。內外地核的強大氫流是地幔流體的發源地及后盾。氫流向上輻射的驅動力是壓力差、溫度差、黏度差、質量差、密度差、濃度差。當氫流向上穿透下、中地幔時,會把大量分散的活性很大的陽離子(在高壓下它們從鎂氧化物及硅酸鹽晶格中被擠出并處于活化態)萃取并攜帶向上,其中最重要的萃取組分是Li,Na,K,Rb,Cs(呈氫化物形式),故稱此時的幔汁為氫型幔汁(H—HACONS);當H—HACONS繼續上穿到上地幔時,由于一路上萃取大量堿金屬而演化成堿型幔汁(A—HACONS)。上地幔軟流層(體)、異常地幔及玄武巖漿、金伯利巖等的成因皆取決于A—HACONS的滲入、富化和交代。當此地幔流體繼續向上進入地殼后則進一步演化為氧型幔汁(O—HACONS)。地殼中的低速體和酸性巖漿就是由它造成的。

    幔汁理論較為完整地解釋了地球排氣的物質來源、動力來源和及其所引起的各種地質作用。這個理論所涉及的各個細節將對地球形成和演化研究產生重大推動作用。眾所周知,大洋沒有一塊前侏羅紀洋殼,地球正在經歷大規模不對稱膨脹。對大洋開裂和地球膨脹過程中物質和能量來源的深入探索,將有助于對地球排氣和地球形成與演化的理解。

    已發現油氣藏的儲量供給

    地球排氣或幔汁輻射是地球演化的必然過程,在這個過程中幔源油氣對將沉積盆地和已發現油氣藏儲量進行源源不斷地補充。

    在門捷列夫時代,人們已經注意到了各油田產量遞減的事實,有人提出所有油田最終都會枯竭的看法。門捷列夫根據自己的研究提出:“至今在巴庫周邊的地下深處,仍在持續生成石油,這些石油起源于滲入地球內部深處的水,以氣態的形式通過地球深部所具有的裂縫到達上部地層,蓄積在石油儲層中”?!霸诤荛L一段時間里,巴庫油田存在著找到新的巨大的石油礦床的可能性”。他敏銳地觀察到,賓夕法尼亞的油田是向平面擴展的,從1859年起,擴展長度超過200俄里(約合200km);而和賓夕法尼亞產量相當的巴庫油田(年產量約50萬普特,約合8190t),則表現為油井的深度不斷加深,1880年時該油井深80俄丈(約合171m),到1902年已經達到150俄丈(約合320m)。

    庫德梁采夫在1951年指出,因為巖漿中形成石油的過程在不斷進行著,古老的油氣通過擴散作用早已逸散消失,所以,所有的油藏,包括寒武紀地層中的油藏,都是年輕的油藏。并且,依靠石油才在地球上產生了生物,石油中含有生物所需要的一切化學元素,因此,石油不是來自有機物質,恰好相反,有機物質卻是來源于石油。

    加利福尼亞海灣中部的Guaymas盆地熱液噴口石油14C年齡平均僅為4692a,證明石油正在生成。中國近海的PL19-3油田的天然氣沿垂直斷裂在不斷地逸散,而PL19-3油田卻仍有巨大儲量,表明自成藏以來一直有深部油氣補給。老油田產量超過儲量的例子如美國墨西哥灣尤金島330區塊油田于1971年發現,到1997年底已采出原油1.59×108m3,而當時計算的可采儲量僅4880×104m3,表明原油一直有新的補給,油氣組分也有變化;俄羅斯伏爾加—烏拉爾盆地的羅馬什金油田可采儲量20×108t,到2002年已累計產油30×108t。另外,格羅茲尼油區的一些油田(如老格羅茲尼、十月、馬爾戈別克等油田)累計采油量早已超過了可采儲量。

    烴類的高壓起源研究否定了煤和天然氣水合物生物成因。從煤和石油的化學成分來看,二者并無本質的區別。由此可以得到煤來自石油的基本結論。該結論基于大家公認的石油瀝青化和瀝青煤化的基本事實。詳細論證請參見本文作者《論煤的無機成因》。

    為大慶油田產量重上5000萬噸提供支撐

    現代科學理論和實驗、航天探測和勘探開發實踐已經證明石油的大規模存在不以生命物質的存在為前提;石油于地球100km以下的深部由先存的碳氫元素合成;熱力學第二定律禁止C-H-O體系的生物分子在任何條件下向C-H體系烴類分子發生自然演化;烴類在地幔條件下是地幔烴堿流體的組成部分;在地幔烴堿流體上升的過程中,由于流體與圍巖發生堿交代作用,并在臨界溫度轉化成富含金屬、非金屬和稀土元素的石油熱液;石油熱液在上升通道中將發生分異,形成金屬、非金屬、稀土和油氣礦藏;斷陷盆地油氣上升通道是小斷距基底走滑斷層,成藏于該斷層控制的花狀斷裂體系內部;油氣分布距離花狀斷裂不超過2km;壓陷盆地油氣上升通道是仰沖型沖疊造山帶內部的逆沖斷層,并成藏于逆沖斷層附近;進入斷陷盆地水體的剩余石油熱液將經歷分異作用形成化學沉積層和油層,油層將由于水化和氧化作用進一步轉化為石油瀝青;石油瀝青經歷埋藏和熱解將轉化為煤層。進入大洋水體和陸地凍土帶的天然氣將在合適的溫壓條件下形成天然氣水合物。大洋熱液噴口、大洋和陸地泥火山是地球現代排氣的窗口,其強大的供給能力證明盆地和油氣藏正在接受深部油氣的供給。

    傳統石油地質學基本要素——生、儲、蓋、運、圈、保已經發生了變化。沉積盆地中的“生油層”已經不存在了,這里的“生”應定義為“石油生成”或“生油”,討論石油如何在地幔條件下生成的問題。儲量可再生性應列為生油研究的重要內容。沉積盆地中的“儲集層”也已發生變化,不是沉積盆地所有的孔滲發育層位都能富集油氣,而是局限于“氣源斷裂”和“油源斷裂”附近且不超過2km的地方。這里的儲集空間無論發育程度如何都要經歷深部烴堿流體的改造,并且油氣富集的程度受控于儲層本身的應力應變條件。儲層研究需要增加至少三項內容:堿交代作用、應力應變狀態、在斷裂體系中的位置。關于“蓋”,以往特指蓋層,即沉積盆地的致密層,如泥頁巖、膏巖和鹽巖,現在更應注意油氣藏封蓋的相對性。

    構造地質學在石油地質學各要素研究中占有特殊重要的地位。垂向斷層對油氣藏的控制作用,要求石油運移問題研究必須由以往的側向運移問題轉向垂向運移問題。而優選圈閉的工作需由靜態的圈閉研究轉向特殊構造位置與圈閉關系研究。

    總之,俄國、蘇聯、俄羅斯和烏克蘭的無機成因研究、我國烴堿流體地球化學研究、我國大陸層控構造研究、美俄化學熱力學理論和高壓實驗研究、俄羅斯小斷距基底走滑斷層控制油氣的研究、美歐航天探測和國內外大量石油勘探開發實踐所取得的成就已經為建立現代石油地質學理論——幔源油氣地質理論做好了理論、技術、實驗和實踐準備。

    綜上可見,幔源油氣理論和技術為大慶油田產量重上5000萬噸提供了支撐。理論基礎:所有工業油氣均來自地幔,且源源不斷向上供給,大慶油田仍然具有巨大的生產潛力。2015年大慶長垣中部北2-丁5-斜25井獲日產油70方的自噴井,2021年大慶長垣南部葡斜4347井獲日產油102方的自噴井。技術路線:斷陷盆地油氣藏控制因素已經研究清楚,即小斷距基底走滑斷裂控制油氣藏。走滑斷層本身即供油通道,工業油氣藏主要分布在距走滑斷裂1.5公里的范圍內。具體措施:在油田綜合含水97%大慶長垣上,部署2000口、深度2000米~3000米、日產100噸的高產井。


    (正文完) 本文原文鏈接:http://www.madisoncountytimes.com/roll/20210817/8723.html
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