黑龍江省賓縣青山口組頁巖野外露頭剖面 張婧雅 攝

頁巖革命：從儲(chǔ)油層向生油層進(jìn)軍

“石油”一詞最早見于宋代沈括所著的《夢溪筆談》，是指從巖石中生出的油。地下的石油儲(chǔ)存在哪里呢？原來，石油賦存于巖石的孔隙里。雖然地下的巖石看起來非常堅(jiān)硬而致密，實(shí)際上其內(nèi)部蘊(yùn)藏著千千萬萬個(gè)孔隙。比如，當(dāng)你把水滴到一塊巖石上時(shí)，水滴會(huì)緩慢滲到巖石的內(nèi)部，而油氣便是存在于這些互相連通的巖石孔隙和微裂縫中，就好像海綿中的水一樣。巖石的孔隙極小，用肉眼很難分辨，只能借助電子顯微鏡進(jìn)行觀察。

世界上的石油大部分產(chǎn)自砂巖、碳酸鹽巖這兩類有著較大孔隙和裂縫的巖石，通常稱為“常規(guī)油”。而頁巖油，顧名思義，指的是在富有機(jī)質(zhì)頁巖層系中產(chǎn)出的石油資源。二十世紀(jì)三四十年代，科學(xué)家們真正確認(rèn)了黑色頁巖中富含大量能夠生成石油的沉積有機(jī)質(zhì)，于是富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖便成了勘探家的“寵兒”，幾乎所有的石油勘探工作都要從尋找黑色頁巖開始。但是由于頁巖內(nèi)部的孔隙空間極小，孔隙直徑一般小于100納米，僅是一根頭發(fā)絲的七百分之一，是常規(guī)砂巖孔徑大小的幾十分之一，因此并不能存儲(chǔ)大量的石油。一直以來，頁巖雖被認(rèn)為是很好的生油巖，但不是優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)油和產(chǎn)油層。直到21世紀(jì)初，美國成功在頁巖層系中實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的石油開采，掀起了一場席卷全球的“頁巖革命”。頁巖油的成功開采，對于石油地質(zhì)學(xué)理論是一個(gè)重大的突破，石油鉆機(jī)開始從儲(chǔ)油層向生油層進(jìn)軍。

富有機(jī)質(zhì)頁巖：生成油氣的最佳地

頁巖是頁巖油的“起源之地”。當(dāng)我們拿起一塊頁巖仔細(xì)觀察時(shí)便會(huì)發(fā)現(xiàn)，頁巖的層面像黑板一樣平整光滑，表面極為細(xì)膩，但是在垂直于層面方向可以看到，巖石沿平行層面方向易于裂開成片狀，呈現(xiàn)出像“書頁”一樣的構(gòu)造，我們稱之為“頁理”。正是由于其獨(dú)特的頁理構(gòu)造，頁巖因此而得名。

頁巖常形成于海洋或湖泊等靜水環(huán)境中。地表的風(fēng)化沉積物經(jīng)水流的搬運(yùn)作用進(jìn)入地形相對低洼的廣闊湖泊或海洋，一些細(xì)小的黏土礦物會(huì)隨水流漂浮很遠(yuǎn)，受到水流的微弱改造作用，在安靜的水體環(huán)境中緩慢沉降。海洋和湖泊中發(fā)育著大量比魚蝦還要小很多的浮游生物和藻類。比如，直徑不足兩微米的藍(lán)細(xì)菌、原綠球藻和嗜甲烷菌，它們雖然體積很小，卻是水域生態(tài)系統(tǒng)中的“超級(jí)明星”。這些微小的生物就像是小小的加工廠，可以通過光合作用和化能自養(yǎng)作用產(chǎn)生能量，是海洋和湖泊里面的生產(chǎn)者。當(dāng)這些微生物死亡后，它們的身體就會(huì)沉到水底，形成大量的有機(jī)質(zhì)。當(dāng)沉積物顆粒沉降到湖泊或海洋底部時(shí)，它們便會(huì)與這些有機(jī)質(zhì)一同在適宜的條件下埋藏保存下來，形成富有機(jī)質(zhì)頁巖。在經(jīng)歷一系列復(fù)雜的生物化學(xué)變化過程后，生成頁巖油。富有機(jī)質(zhì)頁巖是生成油氣的最佳地，頁巖油的“家”便安在其中。

頁巖油：在出生地就近“安家”

古龍頁巖油（左）與常規(guī)石油（右）樣品對比圖 張金友供圖

“頁巖油”和我們平日里所說的“常規(guī)油”有什么區(qū)別呢？傳統(tǒng)的石油成藏理論認(rèn)為，生油巖和儲(chǔ)油巖往往并不是同一個(gè)層系。生油巖孔隙較小，早期生成的油氣可以容納在自身的“小房子”里，但隨著生成的油氣越來越多，“小房子”變得十分擁擠，這會(huì)導(dǎo)致孔隙流體壓力急劇增加。當(dāng)達(dá)到巖石的破裂極限時(shí)，巖石會(huì)發(fā)生破裂而產(chǎn)生微裂縫，從而打開了油氣流動(dòng)的通道，之后油氣便開始了前途莫測的“漫漫旅途”。儲(chǔ)油巖的“房子”很大，油氣分子可以找到一個(gè)能容納它們的“大房子”安家。有的油氣分子只走了幾十米就駐足不前，有的則要旅行幾十公里才能安頓下來。我們將經(jīng)過“長途旅行”并在儲(chǔ)油巖中“安家”的石油稱為“常規(guī)油”。

頁巖中的有機(jī)質(zhì)在生成石油之后，有一小部分會(huì)排出、運(yùn)聚，從而形成常規(guī)油，但是大部分油氣受毛細(xì)管力、黏滯力等作用的束縛，并不能進(jìn)行“長途跋涉”，而是原地滯留在頁巖微米—納米級(jí)的孔隙和裂縫中，形成頁巖油，我們將這種聚集方式稱為“原位成藏”。如果說常規(guī)油是“嫁出去的女兒”在外安家，那么頁巖油就是“大胖小子生在家里”。雖然我們說頁巖油是“原位成藏”，但這并不代表它們并未發(fā)生“旅行”，只是“旅行”的距離相對較短，通常只在富有機(jī)質(zhì)頁巖層系內(nèi)部。古龍頁巖油就是一個(gè)很好的例子。它的突破，引起了科學(xué)界對原位成藏型頁巖油的廣泛關(guān)注，表現(xiàn)為地層整體含油、幾十公里廣泛連續(xù)分布，具有巨大的勘探開發(fā)潛力。

古龍頁巖油：顏色好油質(zhì)輕價(jià)值高

古龍頁巖巖芯 白云風(fēng) 攝

《夢溪筆談》記載的陜北石油呈黑色油膏狀。中東地區(qū)產(chǎn)出的石油主要為黏稠狀、黑褐色液體。在石油儲(chǔ)量居全球第一的委內(nèi)瑞拉，黑色的石油源源不斷地從馬拉開波湖湖畔的裂縫中溢出。黑龍江大慶古龍頁巖油有別于全球其他地區(qū)的黑色石油，我們稱之為“特立獨(dú)行”的頁巖油，它顏色好、油質(zhì)輕、價(jià)值高。

古龍頁巖油為半透明、亮黃色、甚至是草綠色的液體。現(xiàn)場石油工人拿著油樣說，這好像是我們平時(shí)喝的茶水飲料。古龍頁巖油密度小、黏度低，流動(dòng)性好，在開采過程中，還會(huì)伴有大量氣體產(chǎn)出，使頁巖油更易于在頁巖中流動(dòng)。相比于黑色石油，古龍頁巖油中還含有大量輕烴，經(jīng)過石油煉化可以得到更豐富的新產(chǎn)品，能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的煤油、汽油、柴油、溶劑油和潤滑油，經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高。

古龍頁巖油由億萬年前的生物孕育而成，如同一條巨龍蟄伏在松遼盆地腹地。如今，石油鉆機(jī)已將其喚醒，巨龍即將騰飛于世。

（作者：張婧雅系中國石油勘探開發(fā)研究院高級(jí)工程師，張金友、金艷鑫系大慶油田有限責(zé)任公司高級(jí)工程師）

責(zé)任編輯：魏敏