從三葉蟲的“同僚”到珍貴的油氣

○文／劉文匯 張海霞 王 杰

從三葉蟲的“同僚”到珍貴的油氣

○文／劉文匯 張海霞 王 杰

4億年前的遠古生物歷經地球的變遷，在多種因素的助推下，變成了今天的工業油氣藏。

當聳立在塔克拉瑪干沙漠腹地的鉆機轟鳴著鉆向地下6000多米時，你是否會想到，4億年前，也許正有一群筆石、腕足類生物在廣袤的低等微生物群中自由遨游……

穿越時空，回到4億年前，那時的地球正上演著海洋盛宴，陸地上沒有任何動物。在古生代之首—寒武紀時，海水異常溫暖，陽光、水分、溫度適宜，更多更高等的多細胞生物“出生”了。此時，除海洋微生物外，海藻、三葉蟲等硬殼無脊椎動物亦悉數登場。隨后在奧陶紀三葉蟲、腕足動物大規模繁殖以及在志留紀筆石、腕足類生物統治了地球。這些遠古生物歷經地球滄海桑田的神奇變遷后，成為今天在早古生代海相層系探尋工業油氣藏的“功臣”。

誰是生成油氣的“幸運兒”

近10年來，國內古生代海相層系發現了一批大中型油氣田。但新一輪資源評價結果顯示，該領域油氣探明率仍不足10%。其中下古生界資源潛力巨大，勘探程度更低。因此，加大勘探力度、創新油氣地質理論、發展勘探技術，以發現更多大油氣田，對我國油氣工業的可持續發展具有重要意義。

石油與天然氣是地球送給人類的貴重禮物，這份珍貴的禮物來自哪里？油氣地質學家認為，生油氣層可以是陸相的，比如我國大慶油田、勝利油田、大港油田等。它也可以是海相的，比如中東、北美、俄羅斯等全球一半以上的大型油氣田。與陸相層系相比，我國早古生代海相層系經年日久，蘊含著大量低等生物，但這些生物的生存環境與全球已發現的大油氣田沉積的湖相或海相淤泥不同，他們主要生活在以形成石灰石為主的碳酸鹽巖海底，這使得當時的生物群落以浮游生物為主，后期生物尸骸沉積會以另一種方式保存和演化，成為油氣的源頭。

4億年前，我國早古生代海相地層蘊含與三葉蟲同代的這些生物無疑是好的生油母質，但因時間久遠，大部分在巖石中的生物已無法成為能生烴的物質，錯過了最佳產油期。部分在巖石中埋藏的生物在歷經地殼升降、水平擠壓運動后，成為“幸運兒”，可以生成石油，然后就地或者運出后被再次高溫、高壓和流體作用而裂解成天然氣，成為現今工業油氣藏的來源。當然，一個當時形成的古油氣藏，也會由于地殼抬升、保存條件變差而逸散。

巖石生油的那些助推器

油氣的形成除了需要充足的沉積有機質，還需要能使沉積有機質轉化成石油的細菌作用，持續一定時間的適當的溫度、壓力、催化劑等物理、化學及生物化學條件。其中，溫度及其持續的時間是油氣形成過程中至關重要的因素。

石油地質學家把沉積有機質能夠轉化成液態石油的主要溫度壓力范圍稱為“生油窗”，它的深度區間與盆地的地溫梯度和含有機質巖石的年齡有關。一般而言，“生氣窗”范圍遠大于“生油窗”，這也是氣藏分布比油藏廣泛的主要原因。油氣的生成只出現于有限的溫度和深度范圍，溫度過低或過高都不利于油氣形成。隨著上覆地層厚度增大，沉積有機質的上覆壓力也會隨之升高，當然，壓力升高也將促進化學反應。然而，壓力對油氣生成的作用比較小，在某些情況下可以促進油氣生成，反之，在某些條件下亦可抑制油氣生成。

不過，時間本身在很低的溫度下不能起作用，有機質處于低溫條件下，不管經歷多長時間也不能生烴。概括地說，時間可以補償溫度，但溫度占據首要地位，是有機質生成油氣的決定性因素。

●數億年前的海洋生物成為今天黑色石油的來源。

在油氣形成的過程中，別看細菌微小，威力卻很大。特別是在有機質的成巖作用、油氣生成及降解過程中對有機質的分解與性質改造起著重要作用。同時，在低溫下分解有機質，還可以產生以甲烷為主的生物氣。對油氣生成過程而言，最有意義的要數厭氧細菌。比如說，產甲烷菌就是一種厭氧細菌，它能“吃掉”有機質，再以排氣的方式把以甲烷為主的生物氣排出，同時在沉積時死亡的細菌加入沉積有機質中，使得生油氣的有機質變得更好。

催化劑是一種化學反應加速劑。它對油氣形成發揮的作用也不小，通常認為能夠起催化劑作用的是黏土礦物，它在油氣生成過程中可以起到促進油氣生成和裂解的作用。

對于年齡老、埋藏深的早古生代生物構成的有機質而言，細菌作用和催化作用已不是油氣形成的主要因素，能否形成現代仍有工業價值的油氣藏，也不是其是否達到生油窗的深度-溫度問題，而是其是否遠超過生油窗深度-溫度的問題。當然即便超過生油窗，它們必定經歷過生油過程，仍然有形成油氣藏的潛力。

儲存油氣的“大房子”

遠古時期海相層系古生物的遺骸被不斷分解、混合、沉積，在一定溫度和壓力的作用下，由分散到集中保存在“油

氣倉庫”中。要形成儲量豐富的油氣藏，主要取決于生油層、儲集層、蓋層、運移、圈閉和保存六個條件。

經過漫長的地質年代，那些富含有機質的巖層逐漸被深埋，經受的溫度也隨著深度的加大而逐漸升高。一旦達到合適的溫度，有機質就開始熱分解或熱裂解，生成石油和天然氣，這些油氣源的豐富程度從根本上控制著油氣資源的規模。就4億年前的早古生代海相層系而言，油氣由分散在巖石中的有機質不斷生成，它們在巖石的微小孔隙中越積越多，積聚的壓力也越來越大，最終突破巖石阻力，從中“逃逸”出的油氣進入到具有一定孔隙度和滲透性的碳酸鹽巖層中，這就是所謂的儲集層。它們是很早就埋在地下、相當于桂林山水中的溶洞和大量的裂縫，通過地下改造，它們成為油氣儲存的最好倉庫。

油藏的形成，除了需要儲集層外，還必須有圈閉。圈閉是盛裝油氣容器的外殼，就好像人類居住的房子，這個儲存油氣的“房子”必須在油氣生成和運移到此處之前就“蓋好”。而房子的質地必須使油氣進入后能得以保存。否則，若油氣通過時還沒有“房子”可住，或即便有空間但四處透風，就會繼續前行，尋找其他住所或者散失。因此，存儲油氣的圈閉需要盆地中大范圍分布的在地下以塑性為特征的石膏和石鹽巖層，或盡管歷經地球變化升降、擠壓后仍能獨善其身的泥巖“大被子”，這是工業油氣藏的保護神。研究表明，我國塔里木盆地、四川盆地和鄂爾多斯盆地等都存在上述4億年沉積層系中能夠形成大型油氣田的條件，并為近年來的勘探所證實。

4億年前與三葉蟲同時代的生物主要以低等水生生物為主，這些古老生物“出身好”，生成油氣的能力強。但問題是古老生物埋藏的地層深度大，地層壓力和溫度都較高，油氣形成、聚集、成藏過程復雜，是我國科技創新規劃“ 深空、深海、深地、深藍”中“深地”的重要研究對象。因此，認識數億年前生物生長環境、變化過程以及其形成油氣藏的生命歷程中是否有有規模的“大倉庫”和良好的保存條件，成為我們尋找更多、更大油氣田的追求，也是保障國家能源安全的必然。

責任編輯：趙 雪

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