石油和天然气化工

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石油是怎么形成的原理

发布时间:2021-10-29 05:46:48
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  石油的生成至少需要200万年的时间,在现今已发现的油藏中,时间最老的达5亿年之久。但一些石油是在侏罗纪生成。

  在地球不断演化的漫长历史过程中,有一些“特殊”时期,如古生代和中生代,大量的植物和动物死亡后,构成其身体的有机物质不断分解,与泥沙或碳酸质沉淀物等物质混合组成沉积层。

  由于沉积物不断地堆积加厚,导致温度和压力上升,随着这种过程的不断进行,沉积层变为沉积岩,进而形成沉积盆地,这就为石油的生成提供了基本的地质环境。

  大多数地质学家认为石油像煤和天然气一样,是古代有机物通过漫长的压缩和加热后逐渐形成的。按照这个理论石油是由史前的海洋动物和藻类尸体变化形成的。(陆上的植物则一般形成煤。)经过漫长的地质年代这些有机物与淤泥混合,被埋在厚厚的沉积岩下。

  在地下的高温和高压下它们逐渐转化,首先形成腊状的油页岩,后来退化成液态和气态的碳氢化合物。由于这些碳氢化合物比附近的岩石轻,它们向上渗透到附近的岩层中,直到渗透到上面紧密无法渗透的、本身则多空的岩层中。这样聚集到一起的石油形成油田。

  通过钻井和泵取人们可以从油田中获得石油。地质学家将石油形成的温度范围称为“油窗”。温度太低石油无法形成,温度太高则会形成天然气。

  油质(这是其主要成分)、胶质(一种粘性的半固体物质)、沥青质(暗褐色或黑色脆性固体物质)、碳质。石油是由碳氢化合物为主混合而成的,具有特殊气味的、有色的可燃性油质液体。严格地说,石油以氢与碳构成的烃类为主要成分。

  构成石油的化学物质用蒸馏能分解。原油作为加工的产品,有煤油、苯、汽油、石蜡、沥青等。严格地说,石油以氢与碳构成的烃类为主要成分。分子量最小的4种烃,全都是煤气。

  1、油气污染大气环境,表现为油气挥发物与其它有害气体被太阳紫外线照射后,发生理化反应污染;或燃烧生成化学烟雾,产生致癌物和温室效应,破坏臭氧层等。

  3、污染地下水,我们现在生活的水资源被污染,以至于地方性癌症村屡屡皆是,这石油污染地下水的恶果是日日严峻。

  输油管线腐蚀渗漏污染土壤和地下水源,不仅造成土壤盐碱化、毒化,导致土壤破坏和废毁,而且其有毒物能通过农作物尤其是地下水进入食物链系统,最终直接危害人类。

  石油进入土壤后,会破坏土壤结构,分散土粒,使土壤的透水性降低。其富含的反应基能与无机氮、磷结合并限制硝化作用和脱磷酸作用,从而使土壤有效磷、氮的含量减少。特别是其中的多环芳烃,因有致癌、致变、致畸等活性和能通过食物链在动植物体内逐级富集,它在土壤中的累积更具危害。

  石油的生成至少需要200万年的时间,在现今已发现的油藏中,时间最老的可达到5亿年之久。在地球不断演化的漫长历史过程中,有一些“特殊”时期,如古生代和中生代,大量的植物和动物死亡后,构成其身体的有机物质不断分解,与泥沙或碳酸质沉淀物等物质混合组成沉积层。由于沉积物不断地堆积加厚,导致温度和压力上升,随着这种过程的不断进行,沉积层变为沉积岩,进而形成沉积盆地,这就为石油的生成提供了基本的地质环境。

  大多数地质学家认为石油像煤和天然气一样,是古代有机物通过漫长的压缩和加热后逐渐形成的。按照这个理论石油是由史前的海洋动物和藻类尸体变化形成的。(陆上的植物则一般形成煤。)经过漫长的地质年代这些有机物与淤泥混合,被埋在厚厚的沉积岩下。在地下的高温和高压下它们逐渐转化,首先形成腊状的油页岩,后来退化成液态和气态的碳氢化合物。由于这些碳氢化合物比附近的岩石轻,它们向上渗透到附近的岩层中,直到渗透到上面紧密无法渗透的、本身则多空的岩层中。这样聚集到一起的石油形成油田。通过钻井和泵取人们可以从油田中获得石油。地质学家将石油形成的温度范围称为“油窗”。温度太低石油无法形成,温度太高则会形成天然气。虽然石油形成的深度在世界各地不同,但是“典型”的深度为四至六千米。由于石油形成后还会渗透到其它岩层中去,因此实际的油田可能要浅得多。

  非生物成油的理论这个理论认为在地壳内已经有许多碳,有些这些碳自然地以碳氢化合物的形式存在。碳氢化合物比岩石空隙中的水轻,因此沿岩石缝隙向上渗透。石油中的生物标志物是由居住在岩石中的、喜热的微生物导致的。与石油本身无关。在地质学家中这个理论只有少数人支持。一般它被用来解释一些油田中无法解释的石油流入,不过这种现象很少发生。

  美国休斯顿一家石油勘探公司提出一个新理论:所有的石油都是从古老的岩石中生成的,而并非通常认为的埋藏在地下的死亡动物或者植物等有机体在压力和热的作用下分解转化而成。这一观点得到3位俄罗斯同行的赞同,但相关论文在美国《国家科学院院报》上一发表,便引起广泛争议。

  该公司负责人肯尼认为,从岩层断裂处释放出 的地热,使埋藏于地底100公里深处的碳化无机物和水在高温高压作用下产生了碳氢化合物,所有的石油都是通过这种方式形成的,而且现在还有大量的矿点未被发掘。

  石油地理学家已经部分接受了这一观点。美国地理调查部门的麦克·卢万表示,有一部分石油来自无机物,这一点毋庸置疑。但对于肯尼提出的“石油不可能由浅层岩石中的有机物形成”这一论断,他则坚决反对。新泽西州矿产及矿产资源部的布雷恩·布里斯特认为,肯尼的观点是对有机化学理论以及几十年来在石油地理化学领域所进行的研究的蔑视。

  目前普遍认同的理论是,埋藏在地下的远古时代未被细菌分解的有机物在一定温度、压力条件下,经过几百万年的演变,形成了可供开采的石油。微生物将地表以下的有机物转化为碳氢化合物,剩下的埋藏在深层地底的有机物则在温度和压力下经过分解及复杂的化学反应生成石油。通常具有商业价值的油田都位于地表以下500米-700米深处,最深的油井在约6公里深的地底。而10公里以下的更深处则根本不会有石油或天然气。

  肯尼认为,浅层地表形成的低压条件更容易产生甲烷,而不是较重的碳氢化合物。他在实验室中将氧化铁、卵石和水加热至900摄氏度高温时得到重碳氢化合物。据此他认为,稳定的石油只有在30000个大气压条件下,也就是100公里以下的地底才能形成。

  在日常生活中,我们常用“化石燃料”来称呼石油、煤炭、天然气等经过千百万年才形成的,埋藏在地层中的能源。在煤层中,人们早已发现了树木的性状和由树木的脂类物质形成的琥珀等直接证据,表明煤炭确是由死去的植物变成的;对于天然气,石油地质工作者们也已证明,它们可以由石油、甲烷细菌的生物化学作用、煤炭的分解作用而形成,还可以从地下深处的岩浆中释放出来富含甲烷的“无机成因天然气”。石油是由古代生物(包括动物与植物,尤以浮游生物为主) 生成的,既有机成因,这一点也被大多数学者认同。然而,随着全球范围内石油勘探难度的增加和人们对油田的认识加深,越来越多的现象用“石油有机成因”的理论无法解释,长期失宠的无机成油理论又重新受到世界石油地质家的普遍重视。

  近年来,传统石油地质理论和长期从事油气勘探的专家学者们遇到的许多问题,难以用传统的石油“有机成因理论”圆满地解释:

  一、一些地区为什么找到了大约15亿年前形成的石油?而按照传统的石油地质与生物学理论,当时的生物量似乎并不足以形成石油。为什么在不含生物的地层中也能找到石油?比如加拿大阿尔伯塔省的阿塔巴斯河区和美国堪萨斯的克拉富特———普鲁斯油田,都是在没有富含生物的沉积岩层。

  它们的分布显然受地球板块的边界控制,比如美国在洛杉矶的逆掩断裂带上就发现了19个油田。为什么一些油气田都与大山脉相邻——那里大多是板块或者地块的结合带。我国新疆克拉玛依油田在著名的“克——乌大断裂带”附近就找到了十余个油气田,而离开这条断裂带就很难发现油气田。

  三、为什么世界上的大型、超大型油气田大多集中分布?比如中东地区,这仅仅用“那里的海相地层可以更多地富集有机质”的观点解释恐怕难以令人信服。

  四、为什么大型油气田的分布区内,往往地热值都较高?而且大油田的地层深部大多存在着一个地幔柱—那是油藏与地下深处相通的证据。

  五、为什么世界上许多油田的汞含量都很高?其含量高于大气中含量的几十到几百倍。为什么一些油气区中的的氦含量也高得惊人(比如我国四川南部天然气田中的氦的比例相当高,经过提纯后可以生产工业性氦)?为什么在世界许多大型铅锌矿中都发现了大量碳质沥青?而铅锌矿富集的主要原因就是地壳深部的热液上涌。

  六、1973年辽宁省大地震后,辽河油田的石油勘探形势突然好转,1986年产量突破1000万吨,一跃成为继大庆、胜利油田之后我国第三大油田。而且,辽河盆地内平均每平方公里年产原油近一万吨;山东胜利油田的面积仅为3000平方公里,但采出的原油已达3000万吨;玉门老君庙油田经过60 年的开采以后,已经采出了几倍于原来探明的地质储量,这些都是用常规的石油地质理论难以解释的。

  七、传统的石油地质理论认为,石油的生成至少需要数百万年以上的时间,但是,最新的实验室内热模拟试验表明,石油的生成并不需要太高的温度和压力,人们对美国黄石公园内热泉的有机质研究也表明,生成石油的时间有几千年足矣!更有甚者,墨西哥湾水域漂浮的藻类经太阳暴晒数周后,竟有液态的油滴生成。

  面对这些向传统石油地质理论挑战的现象,人们似乎有理由认为:世界上有些油田的石油似乎正在源源不断地得到补充;一些油气可能来自地壳深处;石油的生成、运移、聚集可能与地震有关,而地震恰恰是地壳运动的表征,它能把地下深处的油气“送”上来吗?

  油气生成可能是20世纪地质科学中争论得最为激烈的问题之一,而且是一个古老而敏感的问题,从俄罗斯著名化学家门捷列夫算起,油气无机成因的假说提出已有100多年了。

  从20世纪初开始,一批又一批的俄罗斯科学家不断地提出“石油无机生成”的理论和生成机制,其中影响较大的有库德良采夫、克鲁泡特金、萨尔基索夫、波尔菲里也夫和波实卡雷夫等;西方则有罗宾逊、古德、阿布拉加诺、萨特马里等。

  尽管持“石油无机生成”观点的学者也不少,但他们提出的“原理”归纳起来就是:石油来源于地幔,是地幔沿着地壳裂隙上涌过程中的衍生物。任何物体都是在特定的内力和外力作用下,处于力的动态平衡而显现的一种物质形态。在超高压和高温的条件下,地幔的原子、原子核、直至基本粒子等层次上的物质都是地壳中的任何物质无与伦比的,而且都是与地壳中的元素呈现出的性状不同的。所以地壳中不存在什么构成原油的碳氢化合物。但是在地壳裂开以后,那里地幔的超高压状态被打破,原来的稳定结构被破坏,使之发生热膨胀,不断地释放内能而蜕变为岩浆。沿着裂缝上涌的岩浆由于发生热膨胀而不断耗散内能,在特定的压强和温度下,重新达到内和外力平衡,进而演化出100多种元素。石油就是地幔发生热膨胀时,在特定的环境中形成的一种新物质形态。

  在石油的形成过程中,率先上涌的岩浆,由于在地壳裂缝中所受的压强极小而大幅度地发生热膨胀,形成大量的岩浆气,按照一定的组分组成气体分子,比如乙炔、水等。

  岩浆中不断地析出的气体,不仅使裂隙中的压强和温度不断升高,而且使裂隙中形成的烃类分子的密度连续增大,它们的内聚力不断加强,导致烃类分子趋向于形成复杂的结构。即乙炔→乙烯→甲烷→乙烷→丙烷→丁烷。当裂隙中碳氢化合物气体浓度以及裂隙中的压强进一步升高时,就会使低碳类烃聚合为高碳烃烷,进而发生相态变化,也就是说,气体的烃类变成了液体的烃类——石油。(这种)石油在形成的初期,因为颗粒极小,可以随着热而向上运动,它们到裂隙的上方大量聚合,就可以融合成更大的油珠。当密度大的油珠进一步融合,其重量将大于岩浆气体热膨胀时的所产生的推力,于是纷纷坠落或沿着裂隙壁面流向裂隙的底部并溢出岩浆。

  由于裂隙中的压强、温度和碳氢化合物的气体浓度达到相当高的标准后,才会形成石油,所以,石油淹没的岩浆析出的气体刚刚脱离岩浆就会遇到很高的压强,不仅在原子的层次上形成稳定的结构,而且迅速化合为碳氢化合物。于是,岩浆气体的一部分在石油里上浮的过程中,就化合为石油,而且会不断地增加,渐渐地就可能形成油藏