天涯补刀：天然气是如何形成的？

lameihua

　　俄乌战争爆发以后，欧洲被迫停止从俄罗斯进口天然气，价格暴涨……

　　另外，现在的美国已经基本实现能源独立，其中的关键就是天然气……

　　原本，大家的关注点都在石油上，但是这次天然气似乎成了很多人关注的焦点，有人在后台留言，让我科普下天然气。

　　我想了下，觉得有这个必要。

　　今天我们就给大家普及下天然气是如何形成的。

　　从字面上理解，“天然气”就是指天然存在的气体，比如氧气、二氧化碳、氮气等。但是，在石油地质学中，所谓的“天然气”通常指油田气和气田气。

　　我们普通人口中的“天然气”其实就是家里煮饭、洗澡用的天然气，其主要成分是甲烷。

　　甲烷是非常常见的一种气体，只不过我们大多数人没有留意而已。

　　我们经常看到，在沼泽地、污水沟或粪池里，有气泡冒出来，拿着火柴就可把它点燃……由于这种气体最先在沼泽里面发现的，所以被称为“沼气”。

　　沼气的主要成分就是甲烷。

　　沼气和天然气的区别就在于甲烷含量的多少：沼气中的甲烷比例在50-80%之间，天然气中的甲烷比例在85%以上。

　　年纪稍微大点的朋友一定知道，以前的农村非常流行建设沼气池的：只要将粪便、杂草、污泥等垃圾倒进一个密封的池子里面，要不了多久就能生成沼气。

　　为什么这些东西放到一起会生成甲烷？

　　因为这些物质里面都含有有机质。

　　什么叫做“有机质”？

　　“有机”的表面意思就是：有生机，有生命。

　　所谓的“有机质”就是指：来源于有生命的物质。

　　有生命的东西叫什么？

　　叫做“生物”。

　　生物有哪些？

　　生物就是指有生命的物种，包括动物、植物、细菌、真菌等。

　　有机质主要是由有机化合物组成的。

　　有机化合物主要是由碳元素、氢元素组成，所有的生命体都含有机化合物。

　　甲烷就是由碳、氢元素组成的最简单的有机化合物。

　　动植物都是有机物，含有大量的碳氢元素，所以你把粪便、杂草等放到密封的池子里面，通过一段时间与空气隔绝，在适宜的温度、PH值下，经过微生物的发酵作用产生甲烷。

　　上面说了这么多概念就是要告诉大家一点：无论是石油，还是天然气，其实都是由大量动植物的“尸体”在一定温度、压力等条件下经过复杂的化学反应，最终才生成的。

　　这时就出现一个问题：哪里含有大量动植物的尸体？

　　粘土里。

　　动植物死后就变成泥了，所以泥里面就含有大量的有机物。

　　比如，河里的淤泥里就含有大量的有机物，土壤里面也含有大量的有机物。

　　如果把粘土埋到地下几百米、甚至几千米的地方，经过不断的压实，它就变成岩石了，这种岩石我们把它叫做“粘土岩”。

　　粘土岩分为两种，它们分别叫做泥岩和页岩。

　　说到这，我相信稍微聪明点的朋友就知道我们到正题了。

　　这些年，美国石油和天然气的产量不断增加，主要就是发现了页岩油和页岩气。

　　泥岩和页岩有什么区别？

　　大家看看下面的两个图：

　　泥岩就是黑乎乎的一团，没有什么层理；

　　页岩就像书一样，一页一页的——下面这张图就是油页岩。

　　泥岩和页岩都是非常常见的，很多风景区就有很多的页岩。

　　大家了解完泥岩和页岩后，我们还要给大家普及一种岩石：砂岩。

　　所谓的砂岩其实就是砂石和一些乱七八糟的东西混合到一起，经过不断地压实，发生物理、化学作用，最终形成的一种岩石。

　　比如，河里有沙子，那些沙子里面有泥和一些其它的物质，把它们不断地压实，最后就成了砂岩。

　　哪里的有机质最多？

　　泥里的有机质最多。

　　哪里的泥最多？

　　湖里、海里的泥最多。

　　为什么？

　　因为湖、海都比较深，河流会把泥带到湖里和海里，一层一层沉积下来，越积越深，最后那些泥就成了泥岩和页岩（海里就形成碳酸盐岩）。

　　我们重点和大家说陆地河流和湖泊里面的泥岩和页岩，海里碳酸盐岩产生石油和天然气的原理和陆地上河流湖泊是大同小异。

　　现在我们举个例子：假设有一个非常深的湖，湖的四周有很多河流，夏天来临了，高山上的积雪融化，洪水带着沙、泥不断涌入湖里……

　　大家看下面的图：河水带着沙泥流向湖里，比较粗的沙子水流带不动，所以就靠近岸边沉积下来了，然后是细砂、粉砂，最外面的就是泥了。

　　现在，冬季来临了，河水一下子就小了，这时一些沙子就无法被带到湖里，只有泥比较轻，能被带到湖里……这样，泥就覆盖在沙子上……

　　夏季又来了，水流大了，水又带着沙子盖在泥上……

　　就这样，日复一日、年复一年，最终就会形成一层沙子、一层泥的结构！

　　这些沙子和泥越积越深，慢慢地就变成泥岩和砂岩。

　　随着压力和温度的不断升高，在漫长的时间内，泥岩里面的大量有机质在复杂化学反应下，就慢慢地变成石油和天然气了。

　　由于泥岩非常的致密，它是没有办法储存油气的，于是那些油气就运移到砂岩中……

　　下面图中的生油岩就是泥岩、运载岩就是砂岩。

　　由于气的密度比较小，所以它就聚集在砂岩孔隙的最上方，油在下方，水在最下方……

　　这里面的气就是我们所说的天然气了。

　　了解这些内容后，大家就很容易理解了：如果你想要找油气田，应该到哪里找？

　　对的，到盆地里面找。

　　盆地的四周都是高山，在亿万年前，它们就可能是一个湖泊，里面就可能有大量的泥岩，就有生成石油和天然气的可能。

　　比如，整个四川就是一个大盆地。四川就有很多的石油和天然气。

　　目前，世界范围内的绝大多数油气田都分布在盆地中。

　　我们上面说的这种模式是伴随着油田的，既有石油，又有天然气，这种模式叫做“油田气”。

　　一般来说，这种模式下，天然气的量是相对比较少的，以开发石油为主。

　　比如，大庆油田也有一些天然气，但是那个气量比较少，利用价值比较低——大庆油田由无数个小油田组成的，有些小油田的天然气比较少，没有收集价值，直接排放到空气中会污染空气，所以更多的时候就把它直接烧掉了。

　　那么，纯粹的气田是如何产生的？

　　假设有一个油田，它埋在地下1000米的深度，里面都是石油。但是随着时间的延长，油田上方还不断有沉积，慢慢将这个油田压到地下5000米，甚至10000米的深度……

　　这个时候会发生什么？

　　埋得越深、压力就越大，温度就越高……

　　在高温、高压下，石油就发生裂解，变成了天然气——正常情况下，每向下100米，地层温度上升到3-4°C，10000米的地方，温度就是350°左右。

　　所以，一般情况下，气田都比较深，因为越深的地方温度和压力就越高，就很难以石油的形式存在了。

　　比如，我们在塔里木油田就发现了大量的气田，它们的深度在8000米左右。

　　再比如，中东地区石油非常丰富，油田深度一般在1400米左右。但是，在波斯湾有个世界上最大的气田——南帕尔斯天然气田。

　　南帕尔斯气田是这个世界上已经发现的最大气田，它归伊朗和卡塔尔共有，深度在3000米左右。

　　还有中国发现的最大规模海相整装高含硫气田就是四川的普光气田，深度大概在5000米左右。

　　上面说的这些油气田中的石油和天然气都是储存在砂岩中的，还有另外一种油田气。

　　大家还记得我们在文章开头说的页岩油和页岩气吗？

　　页岩是粘土岩的一种，里面也含有大量的有机质，也能生成石油和天然气。

　　那么，页岩油和页岩气又是怎么回事呢？

　　这时，我们要回到上面的一个图：河流携带泥沙流入湖泊或大海，砂在靠近岸边的地方沉积下来，泥比较轻，所以在比较远的地方沉积下来……

　　这时就会出现一种情况：在深湖区或深海区，根本就没有砂岩，全部是泥。

　　这些泥被不断压实后就变成了泥岩和页岩。

　　泥岩可以生成石油，但是它是无法储存石油和天然气的，所以它只能运移到具备储存能力的砂岩中。

　　页岩则不一样，页岩也可以生成石油和天然气，而且它像书一样，是一页一页的，在每页之间就有了一定的孔隙或裂缝，那些孔隙和裂缝就可以储存石油和天然气，这就是所谓的“页岩油”和“页岩气”。

　　砂岩里面有孔隙，所以石油和天然气能相对比较容易被开采出来。但是，泥岩和页岩里面含有大量的束缚水，里面的石油和天然气是很难被开采出来的。

　　一块砂岩，里面有很多孔隙，那些孔隙里面储存一些水，这些水是可以流动的，所以叫做“自由水”。但是，泥岩里面含有一些矿物质，孔隙里面的水被束缚住了，无论如何它都是无法流动的，所以才叫做“束缚水”。

　　砂岩里面的水可以自由流动，所以我们可以注水开发，甚至注气开发，但是页岩就不一样了，页岩里面的束缚水把整个孔隙都堵死了，不能自由流动，所以你是很难注水开发的。

　　页岩比较致密，依靠常规开发能产出的石油或天然气是非常少的，所以需要采取水平井和大型压裂——把页岩压成无数条裂缝，彼此之间相互沟通，然后油气才能出来。

　　另外，由于无法通过注水等方式补充能量，所以它的产量递减速度非常快。

　　正常的油气田，通过补充能量开发，能开采五年、十年，甚至更久，但是页岩油气田可能只开发几年就报废了，大量的石油和天然气无法被开采出来。

　　美国大量开采页岩油和页岩气，好坏参半吧。

　　好的是，在短期内开采出来大量的石油和天然气；坏的是，由于目前的技术还不能满足开发需求，等于是在破坏性开采。

　　总之，现在页岩油、页岩气的开发技术还不成熟，极容易造成大量的浪费。

　　至于我们中国，也有大量的页岩油和页岩气！

　　根据2004-2006年中国油气资源评价结果，中国页岩气资源7199.4亿吨，可采资源2432.4亿吨；页岩油资源476.4亿吨，可采资源159.7亿吨。

　　当然了，这个数量只是根据泥岩、页岩的面积和厚度估算出来，其数据与真实数据可能差异极大；另外，这些油气资源到底分布在地下哪个位置也是不确定的，需要进行不断地勘探。

　　但是，不管怎么说，这个数据还是非常可观的，就算按照估算打个半折，然后再打个半折，那也有500亿吨以上——目前，中国每年消耗大概7亿吨石油和1亿吨天然气。

　　我们也在研究页岩油、页岩气的开发，但是由于我页岩油埋深在3000米左右，远深于美国的1000米左右，所以勘探、开发难度都比较大，开发成本比较高。所以，总体上有进展，但是规模还不太大。

　　我相信我们的科技人员一定能攻克这些难题的，一旦攻克了，将来我们就再也不怕石油和天然气上再被人卡脖子了。

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