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石油有机成因发展简史

已有 4255 次阅读 2019-6-23 15:50 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 石油, 成因, 有机成因, 简史

谈到石油的成因,首先我们需要知道石油是什么。石油是由多种碳氢化合物组成的复杂混合物。石油主要成分是碳和氢两种元素,另外含少量硫,氧以及氮元素。石油中也含有一些微量元素,这些微量元素近似自然界有机物中的元素。

石油颜色变化很大,从无色,淡黄色,淡红色,深褐色,一直到深黑色。颜色的不同主要是由于原油成分不同造成的。凝析油,轻质油油质含量高,一般呈浅色或金黄色。而重质油胶质,沥青质含量高,密度大,颜色深。超重油粘度高,难以流动,颜色呈深黑色。

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有人认为俄国百科全书式学者米哈伊尔·瓦西里耶维奇·罗蒙诺索夫 (Mikhail Vasilyevich Lomonosov  3) 最早提出石油的有机成因。罗蒙诺索夫不仅是一位科学家,也是语言学家,哲学家和诗人。他创办了俄国第一所大学 -- 莫斯科大学,在物理,化学,应用化学方面都做出了杰出贡献。1940年莫斯科大学改名为莫斯科罗蒙诺索夫国立大学来纪念其创立者。

罗蒙诺索夫在1757年指出:岩石中的石油源于埋藏在沉积物中动物残体,受温度升高和压力增加的影响,经过人们难以想象的时间跨度转换为岩石中的石油。

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米哈伊尔·瓦西里耶维奇·罗蒙诺索夫                                莫斯科罗蒙诺索夫国立大学

19世纪之前也有其他一些关于石油有机起源的设想,比如普鲁士王国学者德布赫(L. de Buch)在1801年提出石油源于动物残体,法国皇家科学院学者德邦达(M. Fougeroux de Bondaroy)在1770年提出石油源于植物。但这些都只是设想,并没有坚实的科学依据。

石油源于富含有机质沉积岩石的现代有机成因理论成形于19世纪末和20世纪初。1965年到1985年是石油有机成因理论最富有成果的20年,这期间油气形成机理得以清晰认识,原油中许多生物标记分子得以识别,对形成石油的中间物质干酪根的研究取得重大突破。通过对石油起源的认识发展出一些列油气勘探辅助方法,比如石油 -- 烃源岩关系,岩石快速热解分析评价烃源岩的有机质类型、丰度、成熟度与热演化程度,以及模拟石油形成和运移的数学模型。

法国石油研究院(IFP)和德国原子能研究院(KFA)是20世纪研究石油有机成因的中心,两个研究院有机地球化学所的创始人伯纳德·蒂索(Bernard Tissot)和迪特里希·威尔特(Dietrich Welte)是石油有机成因理论研究的领军人物。他们俩在1978年合作出版了第一部石油地球化学专著:石油形成和分布。该书是石油地球化学方面经典著作,后来于1984年和1996年不断再版。石油工业出版社于1982年出版了该书中文译本。

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对石油有机成因的研究存在三个不同研究方向,一个是地质学家从地质观测和分析方向研究石油的形成和累积机理;一个是有机地球化学方向,化学家应用20世纪60年代最新发明气相色谱分析仪和质谱仪等设备研究石油组分,识别沉积物和石油中的分子特征;还有一个研究方向是实验模拟,科学家在实验室模拟石油的形成。这三个研究方向的成果殊途同归,无可争议的指向石油的有机成因,确定有机成因理论在石油工业界的地位,并为石油勘探提供了坚实的理论基础,大大提高了石油勘探成功率。

1.       地质观测和分析

托马斯·斯特里·亨特(T.S. Hunt)是美国地质学家和化学家,他在地质领域最重要的贡献是对背斜的研究和认识。作为地质学家,他率先认识到背斜对石油储集的作用,他的背斜理论成为19世纪和20世纪初石油地质的基础。所谓背斜是指由于地层受应力挤压作用而形成的隆起弯曲,如果有致密盖层的存在,背斜可以成为很好的储油构造,因此早期油气勘探重点是寻找背斜构造。

通过对地层构造以及地层沉积物的大量观测和研究,亨特提出石油的有机成因设想,他在1863年指出北美古生代岩石中的有机质源于海洋植物和海洋动物残体,这些有机质转变为油气的过程与煤的形成类似。

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        托马斯·斯特里·亨特                                                                   背斜

俄国地质学家韦德纳斯基(Verdnasky)支持石油的有机成因,他基于大量的地质观测和实地勘察在1924年提出沉积岩石中的有机质经过热转化形成石油的设想。韦德纳斯基将石油的形成与地球生物圈和地质圈的交互作用联系起来,他被认为是俄国有机地球化学的创始人。

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        韦德纳斯基

壳牌石油地质学家菲利普(Philippi, G. T.),法国石油研究院蒂索和路易斯(Louis, M.)以及法国斯特拉斯堡大学阿尔布雷希特教授(Albrecht)等许多地质研究人员在20世纪60年代对大量富含有机质的沉积岩取芯样品进行了研究和分析。他们利用钻井取芯手段(即利用钻井取芯钻头将地下一定长度岩石完整取出地面)在不同沉积盆地不同深度地层进行取芯,获取大量烃源岩,然后对烃源岩中有机质进行化学分析。

他们采用的分析方法是用有机溶剂抽取岩芯有机质中可溶解部分,有机质中可溶解部分的主要成分是脂肪族和芳香族化合物,统称为沥青。沉积有机质中剩大量不可溶解部分,有机质中不可溶解部分被称为干酪根,主要由碳,氢,氧,以及少量氮元素和硫组成,氮元素含量比生成干酪根的生物体氮元素含量要少得多,但硫元素平均含量比生物体要高。通过对大量不同沉积盆地,不同沉积物,不同深度,不同地温梯度,不同年代以及不同沉降速度取芯样品的分析表明:碳氢化合物的形成随沉积有机质的不断埋藏加深而增加,在浅层沉积物中抽取的碳氢化合物成分与油田中生产的原油成分差别很大,但随着埋藏深度的增加,其相似度越来越高。只有沉积物埋藏深度超过1千米到2千米,所产生的碳氢化合物组分才会与油田中生产原油组分相近。

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前苏联地质学家同期也获得与西方地质学家一致的结论。卡尔采夫 (A.Kartsev), 索科洛夫 (V.Sokolov)和瓦索伊维奇(N.assoievich)20世纪60年代对前苏联境内沉积盆地进行了大量取芯观测和分析 ,他们的观测和分析结果表明地层温度和埋藏时间是控制生油和生天然气的主要因素。

地质学家用有机溶剂从近代浅层沉积物有机质中只能抽取非常少量可溶解部分,近代沉积物有机质中存在大量不可溶解有机质,即干酪根。随着地质时代沉积物埋藏加深,温度逐渐增加,干酪根发生热裂解,沉积有机质中可溶解部分增加,不可溶解部分干酪根减少。温度低于50摄氏度生成的碳氢化合物很少,但当埋藏深度大于1500米左右,温度大于60摄氏度左右时干酪根大量转化为石油和湿气。而当埋藏深度大于3500米左右,温度大于180摄氏度左右时石油会发生裂解,生成大量凝析油和湿气。

2.       有机地球化学

阿尔弗雷德·特雷布斯  Alfred E. Treibs)出生于美丽的德国宝石小镇伊达尔-奥伯施泰因,这个小镇距离特里尔市一个小时车程,以生产宝石出名。小镇现在有着占地 500 多平米的宝石体验世界,展出40 多家宝石生产商和珠宝公司的首饰、宝石和矿石。

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          阿尔弗雷德·特雷布斯                                         伊达尔-奥伯施泰因宝石体验

特雷布斯在慕尼黑工业大学师从1930年诺贝尔奖化学家获得者汉·费舍尔学习化学。1936年特雷布斯发现石油与沉积岩中发现的有机分子卟啉与植物叶绿素分子化学结构非常相似,这个发现首次无可置疑的揭示石油的有机成因。特雷布斯在慕尼黑工业大学做了大量有机地球化学基础研究,他被公认为西方有机地球化学之父,1936年也被认为是有机地球化学学科的诞生年。1979年地球化学学会在特雷布斯80岁生日之际建立了特雷布斯奖,以纪念这位对有机地球化学做出卓越贡献的先驱。

将地质与有机化学成功结合起来的另一位先驱是帕克·特拉斯克(Parker Trask)。特拉斯克1899年出生于美国马萨诸塞州的斯普林菲尔德,18岁即从得克萨斯大学毕业,获得数学学士学位。20岁开始学医,在加州大学伯克利分校获得硕士学位。后来转向地质,24岁从加州大学伯克利分校毕业获地质学博士学位。他领导的美国石油协会与美国地质调查局合作项目在二十世纪30年代对35千多个地下取芯样品以及钻井井壁碎屑进行了化学与物理属性分析和研究。该项目持续了10年,其目的是确定这些从不同地下地层取得的样品与地下储藏石油的关系,以便获得识别石油油源的线索。烃源岩这一概念由此诞生,石油源于含有机质烃源岩的观念在北美石油地质界得以确认。但那时对石油形成机理还并不清楚。

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       帕克·特拉斯克

1965年开始随着化学分析设备,尤其是气相色谱分析仪和质谱仪的的快速发展,有机地球化学取得巨大成就。有机地球化学家利用这些设备从石油和有机沉积物识别出数千种来自于生物体的分子,这些分子被称为生物标志分子。许多生物标志分子具有旋光性(注4),这正好解释了人们之前观测到的石油具有旋光性的原因。有机地球化学家基于对石油和有机沉积物分子识别技术建立起原油和烃源岩关系,对烃源岩进行定量评价,通过对比原油和烃源岩有机质主要标志分子的分布特征来识别烃源岩。

3.       实验室模拟

卡尔·恩格勒是德国化学家。他出生于1842年,1864年在弗莱堡大学获得博士学位。从1884年开始恩格勒投入对石油化学的研究,他对当时石油产地委内瑞拉,埃及和北美进行了实地考察。通过实地考察他提出石油源于古代动物脂肪的设想。为了证实他的设想,他在实验室进行了一系列模拟实验,验证是否可以在实验室用动物脂肪生成石油。他在实验室采用高温热解鱼,软体动物和鲸鱼油的方法来生成类似石油物质。但是通过对原油和恩格勒用高温裂解生成物质的对比表明两者存在明显差异,因此恩格勒的实验在当时不被科学界认可和接受。

 

 

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              卡尔·恩格勒

二十世纪60年代一些化学家继承了恩格勒实验思想。他们在高压釜中将富含有机质的未成熟沉积物进行高温裂解,然后用有机溶剂抽取裂解产物进行化学分析。他们的实验结果表明实验室裂解实验与石油在地下的生成有很大相似性。在实验室可以观察到干酪根的热成熟阶段。但是实验室实验产生的与石油类似物质含树脂和沥青质比地下石油含量高的多,而且含一些地下石油中没有的组分。由于实验条件与地下条件的巨大差别,人们不再试图用实验室来模拟石油的生成,而是将实验做其他不同应用。高温裂解实验在以下三方面的应用极富成效:烃源岩热成熟阶段特征;干酪根的结构研究,以及石油生成数学模型的标定。

法国石油研究院厄斯比特里尔(Espitalié)在1975年研发出岩石快速热解仪来对烃源岩进行连续热解分析(Rock-Eval)。其基本原理是在热解炉中对烃源岩进行升温,使烃源岩烃类和干酪根在不同温度区间挥发和热裂解,然后通过检测仪记录各温度区间产生的气态烃,液态烃,热解烃含量和峰值温度。应用烃源岩快速热解分析可以快速测量烃源岩样品有机质含量,类型以及成熟度,从而可以计算出烃源岩埋藏后的生油量。另外应用烃源岩快速热解分析结果可以帮助地质学家重建研究盆地石油生成过程,该方法逐渐成为石油勘探不同缺少的工具。

高温裂解实验第二个应用是认识干酪根的化学结构。通过实验室实验可以认识不同干酪根类型以及不同成熟度下干酪根化学结构。

法国石油研究院蒂索1973年提出计算干酪根热裂解生成油和天然气的数学公式,该公式含三个自由参数。实验室高温裂解实验可以获得高温短期条件下的自由参数值,然后通过外推可以得到地质条件下低温长期自由参数值,从而更精确计算干酪根热裂解生成油和天然气量。

西方有机生油理论早期偏重于海相生油,即烃源岩来自于海相地层。二十世纪20年代到40年代中国一批地质学家通过多年对陕西,四川等地石油地质勘探,提出了陆相地层生油理论,其中代表人物是中国老一代地质学家潘钟祥教授。潘钟祥1906年出生于河南,1931年毕业于北京大学地质系,1945年获美国明尼苏达大学地质博士学位。潘钟祥1941年在美国发表了《中国陕北和四川白垩系石油的非海相成因》论文,明确指出石油可以生成于河流,沼泽,以及湖泊等陆相沉积物。陆相生油理论在指导中国石油勘探方面起到了巨大的作用,1959年发现的大庆油田,60年代发现的胜利、大港、辽河三大油田都是在陆相生油理论指导之下获得勘探成功。

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          潘钟祥于美国

到二十世纪80年代,石油有机成因理论基本成熟,石油和天然气生成机理得到清晰认识,许多证实石油有机成因的标记分子得以识别,对干酪根的化学结构和类型有了明确理解,更重要的是有机成因理论对石油勘探提供了重要理论指导和实用工具,原油-烃源岩关系,岩石快速热解分析方法,以及模拟和计算石油生成和运移的数学模型等成了石油勘探不可缺少的工具。

3:有关罗蒙诺索夫生平请参见百度百科:https://baike.baidu.com/item/%E7%BD%97%E8%92%99%E8%AF%BA%E7%B4%A2%E5%A4%AB

4:能旋转偏振光偏振面的性质叫做旋光性。具有旋光性的物质叫做旋光物质或光活性物质。下图为旋光仪原理图

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