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●How to Cite this Article
Advances in Geo sciences
地球科学前沿
, 201
4
,
4
,
29
-
35
http://dx.doi.org/10.12677/ag.2014.41005
Published Online
February
201
4 (
http://www.hanspub.org/journal/ag
.html
)
OPEN ACCESS
29
Philosophical Thinking of Petroleum Generation
Xingzhou C he n
1
, Z
enyan Chen
2
,
Junsheng Li
3
1
China Un
iversity of Petroleum, Beijing
2
Department of Exploration Project Management, Liaohe
Oilfield Company
, PetroChina, Panjin
3
Poly Technologi es Inc., Beiji n g
Email:
lhlijsh@126. com
Received
: Nov. 20
th
, 2013; revised: Dec. 29
th
, 2013; accepte d: J an . 13
th
,
201
4
Copyrigh t © 201
4
Xingzhou Chen
et al
. This
is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits
unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. In accordance o
f the C reative Comm ons
Attribut
ion License all Copyrights © 201
4
are reserved for Hans and the owner of the intellectual property
Xingzhou Chen
et al
. All Copyright ©
201
4
are guarded b y l
aw and by Hans as a guardian.
Abstract:
This paper puts forward an argument of generating new hydr
ocarbon resources by heating up source rock
based on investigations and researches on theories of hydrocarbon generation, the real cases of exploration and deve
l-
opment, as well as the trend of technical development. Practices in oil and gas exploration and
development through
years have demonstrated that a huge amount of good hydrocarbon source rocks exist in the formations; the modern
theory of hydrocarbon generation believes that the process of kerogen degradation and hydrocarbon generation involves
t wo f
actors, temperature and time, which are co mplementary,
i.e.
if the te mperature i s very high, it is possible to gene
r-
ate o il and ga s eve n t hou gh th e ti me is shor t; i n the hi sto ry o f oil and gas expl ora tion, ma gma tic r ocks ha ve be en fo und
to be numerous in
the formations, and such rocks possess heat effect which can accelerate the maturation and hydr
o-
carbon generation process of source rock in adjacent formation; simulation experiments indicate that source rock can
generate oil and gas rapidly under higher temperature. Many thermal recovery techniques of heating up formations have
been applied such as cyclic steam stimulation, steam flood and
in situ
combustion. In the recovery of oil shale, three
types of heating technologies are employed including heat conduction, heat convection and heat radiation. These re-
searches and surveys have provided a technical imaginary space for generating hydrocarbon by heating up source rock.
It is believed through above researches that it is theoretically, pr actically and technically feasible to generate oil and gas
through heating up source rock. Technologies are destined to be found out to generate new hydrocarbon resources by
heating up source rocks along with fast development of science and technology and through long effort
s of all the
people, thus offering unexhausted energy momentum for humanity development.
Keywords:
Oil; Gas; Genera tion; Source Rock; Heating; Philosophical Thinking
生油的哲学思考
陈星州
1
,陈振岩
2
,李军生
3
1
中国石油大学,
北京
2
中国石油辽河油田公司勘探项目管理部,盘锦
3
保利科技有限公司石油部,北京
Email:
lhlijsh@126.com
收稿日期:
2013
年
11
月
20
日;修回日期:
2013
年
12
月
29
日;录用日期:
2014
年
1
月
13
日
摘
要:
在对油气生成理论、勘探开发中的实例及勘探开发技术发展趋势进行研究的基础上,提出了加热烃源
岩以生成新的油气资源的观点。多年的油气勘探开发实践证明,在地层中存在着为数众多的、良好的烃源岩;
现代生烃理论认为,在干酪根降解生成油气的过程中,涉及温度与时间两个因素,温度与时间可以互补,若温
度很高,即使时间较短,也可生成油气;在油气勘探开发过程中,在地层中发现了大量的岩浆岩,研究表明,
由于存在岩浆岩热效应,加速了其围岩中烃源岩的成熟和生烃作用;烃源岩生烃模拟实验证明,在温度较高的
生油的哲学思考
OPEN ACCESS
30
情况下,烃源岩可以快速生成油气;在油气开采实践中,已经采用了蒸汽吞吐、蒸汽驱以及火烧油层等加热油
层的方法。在油页岩的开采中,使用了传导加热、对流加热、辐射加热等
3
类加热技术。这些研究及探索工作
为加热烃源岩生成油气提供了技术上的想象空间。综合以上研究结果认为,从理论、实践和技术上,都证明了
通过加热烃源岩来生成油气资源具有一定的可行性,随着科学技术的飞速发展,通过全人类长期的努力,一定
会找到可以用来加热烃源岩以生成新的油气资源的技术方法,为人类的发展提供新的、不竭的能源动力。
关键词:
石油;天然气;生成;烃源岩;加热;哲学思考
1.
引言
随着石油勘探开发技术的飞速发展,在隐蔽油气
藏、火山岩油气藏及古潜山油气藏的勘探上取得了重
大的突破,找到了相当数量的油气资源。同时,油气
开采技术不断进步,有了更高的采收率,采出程度日
益提高。但是,我们所能找到的石油资源是有限的,
而人类对石油的需求是不断增长的。虽然世界各国为
开发利用新能源投入了大量的人力和物力
[1]
,但都替
代不了石油、天然气等化石燃料的地位。此外,石油
及天然气是现代化工的主要原料,具有不可替代的作
用。专家们预测,以目前的开采速度和石油消费速度,
在一、二百年后,我们将面临油气资源的枯竭
[2,3]
!
为了改变这种与世界经济发展态势相矛盾的油
气勘探现状,学者们不得不重新组织已有的知识体系,
不断深化对油气成因、油气成藏和油气分布规律的认
识,为油气勘探工作不断注入新的活力。地震地层学、
层序地层学、含油气系统、油气成藏动力系统等新理
论、新技术应运而生。每一次理论、技术的更新,都
推动了油气勘探事业的发展。尽管如此,找到的油气
资源,仍满足不了社会经济发展的需求。而且很多的
方案都是在如何寻找油气上做文章,而本文则在考虑
如何使油气再生成。那么,自然界是否还存在没有被
发掘的油气资源呢?回答是肯定的。美国石油地质学
家华莱士·
E
·普拉特在
1952
年发表的《找油的哲学》
一文中,明确指出:是我们的认识阻碍了石油勘探事
业的发展,石油首先是发现在人们的脑海里
[4]
!按照
华莱士·
E
·普拉特的思路,人们若能不断反思以往
通过实践获得的认识,必会有新的发现。
众所周知,油气成因是石油地质学中一个根本性
的问题,是油气勘探研究中的重点问题
[5-8]
。对油气成
因的认识,在一个多世纪中,走过了无机成油说、早
期有机成油说、晚期有机成油说和现代成油说四个阶
段。自
20
世纪
70
年代以来,现代油气成因理论逐渐
占主导地位。现代油气成因理论是以晚期有机成油为
主兼容早期成烃的理论体系。该理论体系把两者视为
统一生油过程的两个不同阶段,差别在于不同阶段的
成烃量和影响因素不同。
按照现代油气成因理论,晚期成烃是油气生成的
主体
[9]
。晚期成烃过程,是沉积物中的有机质,在成
岩作用晚期,首先形成干酪根,然后,随着埋深的增
大,在不断升高的热应力的作用下,干酪根逐步发生
催化裂解和热裂解,形成大量的原石油
(
或称为沥青,
包括烃类和非烃类
)
。在一定的条件下,这些石油从烃
源岩中运移出来,在储层中聚集,形成油气藏。这些
油气藏正是人们长期以来进行油气勘探的资源基础
和目标。这个资源基础有多雄厚?多数专家认为约占
成熟烃源岩总生烃量的
10
%~
20
%
。即是说,绝大部
分油气仍以游离态、吸附态滞留在烃源岩内部,这部
分资源远比从烃源岩中运移出来聚集成藏的量大得
多。
随着勘探发展,各地区勘探程度越来越高,以油
气藏为目标的勘探难度亦越来越大。于是人们就把注
意力转向成熟烃源岩内部的滞留油气
[10]
。在进行常规
油气藏勘探的同时,开始探索烃源岩内部的非常规油
气勘探,经多年的攻关,采用一系列先进的钻探、开
采技术,找到了大量的泥页岩油气资源。据报导,美
国
2009
年仅页岩气的产量就达
978
亿立方米
[11]
。当
前,世界主要产油气大国都大力开展页岩气勘探
[12]
。
地质学家通过研究认为页岩油气和常规油气一样具
有很大的勘探领域并研究了成藏模式
(
图
1)
。预计这一
领域油气资源的开发,将使前面预测的油气资源枯竭
的危机,又可推后几百年。
前人曾给我们留下富有哲理的警言
——
人无远虑,
必有近忧。此语同样适用于油气勘探。尽管当前尚有
成熟烃源岩提供的广阔勘探领域,但是,这部分资源
生油的哲学思考
OPEN ACCESS
31
Fig
ure
1.
Continuity of reservoir accumulation pattern
图
1.
连续性油气藏成藏模式图
总有尽时,之后,地下是否还存在未被发掘的油气资
源呢?按照石油地质理论的现代成因说,应该说,由
地质演化产生的赋存于地下的油气资源,基本上是没
有了!但是我们能否采用人工的办法使尚未进入生油
门限的有机质快速成油气呢?这正是本文要讨论的
议题。
长期来,生油研究的主要对象是埋藏较深
(
进入生
油门限
)
的成熟烃源岩。人类的油气勘探实践,亦都是
在充分利用自然界赋存的油气资源基础上展开的。实
际上,其上覆地层内,照样含有分布广、丰度高的有
机质富集层段,只是由于埋藏浅、热演化程度低,基
本上仍保持有机质的原始状态。它们虽未能演化成油
气,成为油气资源,却是一个富含油气资源基础
(
生烃
母质
)
的庞大领域。若能通过人工措施对地层加热,使
这部分有机质快速生成油气,将具有难以估量的潜力。
我们认为这是可能的。
2.
有理论依据
凡持晚期有机成油说的学者,以
B
·蒂索
[13]
为代
表,都认同干酪根转化成石油是一个降解过程,即有
机质转化成油气是有机质的热降解过程。该过程基本
符合化学动力学的一级反应。其中涉及温度与时间两
个因素,温度是第一要素,与温度相比,时间居于次
要地位。温度与时间是可以互补的。若温度很高,即
使时间较短,也可收到同一效果。
据有关专家研究,有机质产生石油的温度,每增
加
10
℃,反应速度可增加
1~2
倍
[14]
。若 按
1
倍计,假
定在
110
℃的地层条件下
5000
万年所形成的石油量,
在
120
℃的地下温度作用下,仅需用
2500
万年。世界
各地含油气盆地的实际资料,也都证实这种关系,源
岩地层越新,受热时间越短,生油温度门限越高,反
之亦然。例如,西加拿大盆地上泥盆统生油门限温度
为
50
℃,巴黎盆地下侏罗统为
60
℃,我国东营盆地
古近系为
93
℃,美国洛杉矶盆地新近系为
115
℃
[15]
。
自然界的有机质成油气演化是极其缓慢的过程,
人类不可能等待目前低于生油温度门限的富有机质
地层,依靠地质演化达到成熟状态后,再来勘探这部
分油气。人们必须采用速成的办法来解决这一问题。
按照化学动力学原理,温度与时间的互补关系,假定
我们用人工的办法,快速使地层大面积增温,同时添
加一定的催化剂
[16,17]
,层段内的有机质就可以快速转
化为石油或天然气。若能达到所需要的温度,有机质
就有可能在很短的时间内生成油气。应该说:人工加
热地层,快速生成油气,在理论上是成立的。
3.
有现实中的例子
3.1.
岩浆活动对烃源岩成熟度的影响
在世界各地的沉积盆地中,岩浆岩的分布十分广
生油的哲学思考
OPEN ACCESS
32
泛,如在中国辽河盆地东部凹陷,东营组包含
20
余
套岩浆岩,分布面积达
600
km
2
,最大厚度达
1072
m(
沟
1
井
)
,单层最大厚度达
327
m(
大
33
井
)
,如果溶
融岩浆的平均温度为
1000
℃,当这些岩浆降到
100
℃
时,可以释放出高达
7.68 ×
10
20
卡的热量
[18]
。据估算,
10
m
厚的玄武岩,冷却所需时间大约
7a
[19]
。对岩浆
侵入体散热过程的数值模拟表明,岩浆侵入后在较短
时间
(50a
)
内温度达到最大值
(
可达
700
℃
)
,随后,急
剧降低,在岩浆发生侵位后
10
,
000a
年时,围岩温度
与正常沉积所产生的温度相差不大
[20]
。
由于存在岩浆岩热效应,提高了所在地区的地温
梯度,如在辽河盆地岩浆岩发育区的
2200
~
3200
m
埋
深范围内的地温梯度为
4.25
℃
/100
m
,而辽河盆地的
平均地温梯度为
3.5
℃
/100
m
。岩浆作用为沉积盆地提
供了新的热源,对有机质的生烃进程和生烃量产生重
要影响,加速烃源岩的成熟和生烃作用。根据对辽河
盆地
30
个
R
o
样品分析结果的统计,得到深度和
R
o
的关系,当
R
o
= 0.5%
时,深度为
2711.9
m
,说明当生
油层埋深达到
2700
m
时,烃源岩开始生烃。据邱家
骧研究
[21]
,当温度高于
250
℃时,生烃时间明显提前。
在岩浆岩热效应的作用下,辽河盆地岩浆岩发育区
7
个样品的色谱分析显示,其
OEP
指标出现异常,在
1754
m
处
R
o
达到
0.5%
,与岩浆岩不发育地区相比,
生油门限深度提高
1000
m
左右
(
图
2
、表
1)
。对侵入
岩发育区煤的地球化学特征研究表明,在岩浆热力作
用下,有机的化学成分超前于结构成熟
[22]
。岩浆岩对
烃源岩的影响范围与岩浆岩的厚度有关,一般认为可
以达到岩浆岩厚度的
2~4
倍。对
118
m
厚的侵入体与
围岩有机质成熟度
(
R
o
)
演化的数学模拟结果,岩浆侵
入体对围岩有机质的影响范围可达
300
m
。侵入体的
存在使得生烃进程加快,短时间内快速生烃,距离烃
源岩越远对生烃的进程影响越小,侵入体厚度越大对
生烃进程影响也越显著。
3.2.
生烃模拟实验研究
生烃母质及演化过程中所受的温度、压力和受热
R
o
OEP
30
C
βα
αβ
0.4
0.5 1.0 2.6 0 0.1 0 1
1300
1500
1700
1900
井深
(m)
C
29
ααα
S
/(
S + R
)
Fig
ure
2. O rg anic geochem ical m ap
图
2
.
有机地化示意图
Tab
le
1.
Organic geochemical maturity parameter
表
1
.
有机地化成熟度参数表
井号
深度
(m)
R
o
(%)
OEP
T
max
(
˚
C)
饱
+
芳
备注
大
11
-
15
1754
0 .50
0.91
446
57.04
上
覆
火
山
岩
大
33
2242
0.51
1.1 6
450
54.54
大
33
2397
1.23
579
68.49
荣
16
1676
0.54
436
44.00
桃
17
2487
0.58
大
17
2397
0.49
2.1 9
4.36
45.39
远离火山岩
大
15
2463
0.49
1.6 5
40.72
生油的哲学思考
OPEN ACCESS
33
时间等是影响烃源岩生烃潜力的关键因素。沉积有机
质在向石油演化的过程中,符合化学动力学原理,虽
然漫长的自然演化过程无法重复,但根据干酪根热降
解成烃原理和有机质热演化的时间
–
温度补偿原理,
可以在实验室中模拟油气的生成。
通过热模拟实验研究认为,未进入高、过成熟阶
段的烃源岩因构造运动等因素使其上升或被剥蚀,地
温下降,生烃过程停止。当再次下降达到一定温度时,
未耗尽的有机质可再次生烃
[23]
,即二次生烃。
世界范围内克拉通盆地普遍存在二次生烃现象,
对海相烃源岩二次生烃热模拟实验研究也表明,中国
的多旋回叠合盆地中,烃源岩时代古老,受构造沉积
及热演化史的控制,具有间歇性、多期次、多阶段的
动态生烃过程,二次生烃作用普遍发生
[24]
。
对济阳坳陷和昌潍坳陷深层烃源岩的热模拟实
验研究认为,烃源岩在进入成熟演化阶段后仍具有生
油气的潜力,烃源岩的原始有机碳含量对油气的生成
量有影响
[25]
。经历过一定温度生烃过程的烃源岩样品
二次生烃时,在较低温度下
(
不高于一次生烃经历的温
度
)
就有烃类生成。经历过一次生烃的烃源岩再次生烃
时起步更快。
烃源岩进行生烃模拟试验发现,模拟过程中气态
烃产率、液态烃产率随温度升高而增大
(
图
3)
,当温度
超过
400
℃后,液态烃产率有降低的趋势,气态烃产
率仍然大幅增加
[26]
。生烃高峰的出现与起始成熟度密
切相关,起始成熟度低则二次生烃的生烃高峰出现位
置靠前,生烃量大。在成熟度
R
o
<
2%
的范围内,无
论二次生烃样品的起始成熟度如何,也不管其早期演
化是否达到生烃高峰,二次生烃均存在一个生烃的高
峰阶段。
二次生烃量与初始成熟度和二次生烃演化程度
(
终止成熟度
)
密切相关。烃源岩随着演化程度的增加,
累计生烃量逐渐增大,生烃潜力不断降低,直至耗尽。
热模拟显示二次生烃反应活化能的演化经历了
4
个阶段
[27]
:
1)
残留烃释放阶段
2)
热降解
–
中间产物积聚阶段
3)
解聚
–
裂解阶段
4)
热裂解阶段
镜质体反射率
(
R
o
)
的测试结果,在
350
℃
~
400
℃,
R
o
从
0.7%
左右增加到
1.3%
左右,表明深层烃源岩样
品在
350
℃
~
400
℃温度段从低成熟阶段进入高成熟阶
段,有机质开始以热解生烃为主,开始大量生气:当
温度达到
450
℃时,所测样品的
R
o
最高已经达到
1.94%
,说明有机质演化达到了过成熟阶段,此时气
态烃的产率为
20
mL/mg
左右。
4.
有技术发展的支持
在油气开采尤其是稠油油藏的开采实践中,我们
已经采用了许多技术对地下的石油加热,如电加热杆
采油,蒸汽吞吐
[28]
、蒸汽驱
[29]
,以及火烧油层
[30]
等等。
它们在加热石油的同时,也加热了地层,例如,蒸汽
Fig
ure
3.
Hydrocarbon generation curves of hydrocarbon source rock
thermal simulation
图
3.
烃源岩热模拟生烃曲线图
生油的哲学思考
OPEN ACCESS
34
吞吐的蒸汽温度可以达到
300
℃
[31]
,水平方向上的影
响范围可达
38
m
;蒸汽驱的温度也可以达到
200
℃
[32]
,
水平方向上可影响到几千米;火烧油层时,井底地层
温度可达
500
℃以上
[33,34]
,水平方向上也可以影响几
千米以上。
在油页岩的开采中,干酪根必须转化为可流动的
石油和天然气,因此需要在相当大的区域内供给足够
的热量,以使高温分解在合理的时间内发生,从而完
成该转化过程。按照油页岩层受热方式的不同,
可分
为传导加热、对流加热、辐射加热
3
类技术
[35]
。
传导加热技术:目前主要利用传导加热方式加热
页岩层的技术主要有壳牌石油公司的地下转化工艺
技术
(ICP)
、美孚石油公司的
Elect rofrac TM
技术和
IEP
公司的
GFC
技术等。
对流加热技术:目前主要利用对流加热方式加热
页岩层的技术主要有中国太原理工大学的对流加热
技术、雪弗龙的
Crush
技术和
EGL
技术等。
辐射加热技术:
LLNL
公司利用无线射频的方式
加热页岩。
Raytheon
公司的
RF/CF
技术则是先将射频
发射装置置于地下油页岩层中,进行加热,然后把向
页岩层中通入超临界
CO
2
把热解生成的烃气载到采油
井
,
被抽到地面上冷凝,回收。
为了实现人工快速生成石油的目标,就需要对大
面积、厚层未熟烃源岩加热。虽然当前的技术条件尚
不成熟,但上述技术已给了我们重要启示,即用人工
的办法是可以加热地层的,这使石油成为可再生资源
变为现实。今后,随着科学技术的飞速发展,集全人
类的智慧
[36]
,通过几十年乃至几百年的努力,总会找
到相应的新技术、新方法,有效地解决这个技术难题。
这就是我们的思考。
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