“石油来自生物遗骸”是骗局吗?科技袁人Lite




























      


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导读



石油究竟是怎么形成的?这是一个复杂的问题,为此袁老师发动“无中生友”技能召唤了他的朋友:地质学科普作家“云舞空城”。在“星球科学评论”公众号上他们发布了一篇文章:《油价暴跌对我们意味着什么?》,感兴趣的同学们可以自己去看哦~
目前标准的理论认为石油是由生物遗骸沉积形成的不可再生资源;但存在一种争议,认为石油是地壳内本身的碳无机生成的,可以再生,如果这种说法成立,那当然是件大好事,但它并没有通过实践的考验。
最近国际社会都在承受油价暴跌带来的影响,除了疫情和大国竞争,还有更深层次的原因。对于大多数国家来说,石油储量低、勘探和开采困难是一个大问题,而且传统能源总会有枯竭的一天。只有发展可控核聚变,掌握新时代能源技术,才能成为王者,而我们需要担心的,是传统能源到底还能支撑多久?

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部分评论:

玉虚龙宇君的小号

我们今年见证了多少前所未有的历史了?奥运延期,鹰酱感染率世界第一,五次熔断,瑞幸咖啡估价跌八成,高考居然也能延期。都被誉为前所未有百年难遇。可以说今年真的是魔幻的一年!

努力奋斗小阿洁:

石油是指气态、液态和固态的烃类混合物,具有天然的产状。石油又分为原油、天然气、天然气液及天然焦油等形式,但习惯上仍将“石油”作为“原油”的定义用。

石油是一种粘稠的、深褐色液体,被称为“工业的血液”。地壳上层部分地区有石油储存。主要成分是各种烷烃、环烷烃、芳香烃的混合物。是地质勘探的主要对象之一。

石油的成油机理有生物沉积变油和石化油两种学说,前者较广为接受,认为石油是古代海洋或湖泊中的生物经过漫长的演化形成,属于生物沉积变油,不可再生;后者认为石油是由地壳内本身的碳生成,与生物无关,可再生。石油主要被用来作为燃油和汽油,也是许多化学工业产品,如溶液、化肥、杀虫剂和塑料等的原料。

古埃及、古巴比伦人在很早以前已开采利用石油。“石油”这个中文名称是由北宋科学家沈括第一次命名的。

果老板:

石油工程的表示最近石油一跌热度狂升,

然而油价和石油本身关系并不大,现阶段石油的确是越开越多….搞勘探的兄弟们牛逼ho,现在这玩意就是金融,大庄家就那些产油大国。



精彩呈现:

谈论油价,先来搞清其中的科学原理 | 袁岚峰

我们正处在一个天翻地覆的时代。除了席卷全球的新冠病毒疫情之外,最近还有一件大事,是石油价格崩盘。
 

近期国际两大油价波动曲线 | WTI油价和布伦特油价是两种最重要的原油价格指数,本轮下跌从3月9日(周一)开始,至3月18日双双降至最低点。图源@Oilprice.com

两者叠加,导致美国股市10天之内4次熔断。89岁的巴菲特都不禁要感叹:我实在是太年轻了!
 

巴菲特:我还是太年轻了……

石油价格为什么崩盘?它将把历史的车轮带向何方?许多人都能讲出不少道理,如沙特与俄罗斯的减产谈判破裂,沙特打击美国的页岩油产业,沙特王储上演宫斗大戏等等。很好,不过这些都属于人跟人斗。要深入理解石油问题,我们就应该首先理解其中的科学原理。
 

夕阳下的采油机 | 如血残阳下的采油机,是否预示着一个行业快要消亡?
图源@VCG

我的朋友“云舞空城”是一位热心的地质学科普作家,他和一群志同道合的朋友们在运营一个科普机构“星球研究所”,他们写了很多图文并茂、质量上乘、发人深省的文章。最近,星球研究所在“星球科学评论”的公众号中发了一篇《油价暴跌对我们意味着什么?》(油价暴跌对我们意味着什么?),风云之声也转载了(油价暴跌对我们意味着什么?| 星球科学评论)。下面,我就来结合此文与我的一些了解,跟大家分享一下。

最基本的问题是:石油是怎么来的?

标准理论是,来自古代生物的遗骸,主要是浮游生物。比如说,海藻的作用就比鲨鱼大得多。在古代海洋或湖泊形成的地层里,这些生物遗骸与泥沙一起形成岩石。经过百万年的沧桑巨变,在高温高压下,产生各种碳氢化合物。
 

石油成因简单示意图 | 有机成因仍是国际学术界公认的石油成因,目前世界各国都使用该学说指导石油生产;无机成因仅能解释部分天然气的形成,尚未发现无机成因的石油,详情可参考《油价暴跌对我们意味着什么?的文献[2,24]。
图源@WSGS | 美国怀俄明州地调局[3],有改动

中文对碳氢化合物有一个非常聪明的称呼“烃”,它是“碳氢”的反切注音。这些烃类物质中,重的就是石油,轻的就是天然气。

这些油气再在地下经过复杂的运移过程,聚集在具有储存能力的地层里,就成为了油气田。

其实,这个标准理论你可能早就听说过了。许多人想问的,是这个标准理论是不是错的。自从我上网以来,已经很多次见到了无机生油说,即认为石油来自无机起源,而不是生物残骸。

无机生油说引起人们的兴趣,是因为按照这种理论,石油就不会耗尽了,地球在源源不断地生成石油。这种文章的标题,经常类似这样:《石油枯竭骗局?》、《三百年惊天骗局:石油竟不是埋在地下生物变成的!》。这些文章经常说,有机生油说没有科学实证,是精心编制的谎言,是西方的阴谋等等。

这到底是怎么回事呢?

实际上,如果无机生油说成立,那当然是大好事,科学界欢迎还来不及呢。但问题在于,它没有通过实践的考验。

到目前为止,无机生油说没有指导一个油田勘探成功,反而打废了不少探井。现在所有的油田,都是在有机生油说的指导下勘探成功的。这就很尴尬了。

无机生油说的理由何在呢?例如经常见到这样的说法:“按照石油化石学说,要生成该油田已产出的,需要一个长宽高各30公里的立体空间,在里面填满恐龙肉,而且还要100%转化为石油。这简直是荒谬至极。”

其实,我们前面已经说了,石油大部分来自海藻这样的浮游生物,而不是恐龙这样的大型动物。还有,一个油田的石油并不是全部在当地生成的,而是从其他地方产生以后聚集过来的。

最近,还有人在我的微博下评论说:“什么年代了,还说石油是动物遗骸形成的?骗人的谎言不应该再重复啊。”我只好回复他一句:“你有本事就去劝各大石油公司改变勘探理论。”(https://weibo.com/3710258141/IARdKxE2U

我以前批评过认为美国登月是骗局的、认为中国的载人航天是骗局的、认为中国的量子通信是骗局的、认为“地球是个球”是骗局的、认为进化论是骗局的(我们应该如何纪念登月(一)为什么登月阴谋论是荒谬的 | 袁岚峰),等等等等,各种阴谋论实在太多了。其实所有这些阴谋论,背后的心理原因都是相似的,就是不愿意学习,把自己的无知当作别人造假的证据。
 

平地球理论

关于石油的起源,云舞空城在知乎写了一个图文并茂的回答(https://www.zhihu.com/question/57768048/answer/155104802)。其中包括了对有机无机争论的详细介绍,还列出了不少参考文献,欢迎大家去看。
 

云舞空城在知乎上关于石油起源的回答

需要注意的是,以上说的是无机来源的石油没有发现。但无机来源的天然气,是完全可以存在的。例如中国松辽盆地的昌德气藏,就是一个有充分地球化学证据的无机成因的天然气藏。对于这种发现,学术界就很欢迎。

许多人可能听说过,在有机生油说的内部,还有海相生油与陆相生油之争。根据传统的海相生油理论,中国被认为是贫油国。中国地质学家提出了陆相生油理论,发现了大庆油田,甩掉了贫油国的帽子。
 

贝加尔湖冬季景观 | 贝加尔湖从渐新世(距今2303-3390万年前)开始形成,1600米深(最深处达1637米)的湖水下,有超过8000米厚的沉积物,人们已经证实其中正在生烃,这是现代陆相生油的一个实例,详见《油价暴跌对我们意味着什么?》的文献[6]。图源@VCG

这当然是一个伟大的成就。不过我们应该搞清楚,这两个学派之间并不是排斥的关系,而是互补的关系。还有,这里说的陆相,是陆地上的湖泊,而不是单纯的陆地。此外,人们经常说大庆油田是在陆相生油理论指导下发现的,真的是这样吗?我们后面来解释。

古代海洋形成的地层里容易发现石油,这个现象在二十世纪初就发现了,这就是海相生油学说。

现在石油储量靠前的国家,大部分都曾在最近2亿年中被海洋覆盖。为什么说大部分呢?因为中国就是一个例外。

在2018年的石油探明储量排行榜中,中国排在第13位,储量是259亿桶,占全球的1.6%。石油界习惯使用桶作为单位,1吨约等于7桶,不同品质的原油折算的比例不同。排第一第二的委内瑞拉和沙特阿拉伯,储量是3033亿桶和2977亿桶,分别是中国的11.7倍和11.5倍。
 

2018年世界石油资源探明储量排行 | 制图@陈睿婷 | 星球科学评论

这种差距的原因,是海水退出中国的年代比较早,中国的油气资源绝大部分形成于湖泊环境。中国地质学家发现湖泊也可以成油,这已经非常了不起了。但湖泊跟海洋相比,无论是面积、存续时间、承载的生物量还是油气生成潜力,毕竟都相去甚远。这个先天不足,注定了中国不是石油巨人。

我以前在调研煤炭的时候,发现地球上煤炭的分布比较均匀,基本上面积大国就是煤炭大国。例如,煤炭储量的前五位是美国、俄罗斯、中国、澳大利亚、印度,加拿大也排在第10位。但石油的分布,就非常不均匀。委内瑞拉的面积91.6万平方公里,不到中国的1/10,但石油储量超过中国的10倍,这找谁说理去!

不过,石油分布不均匀的最大受害者并不是中国。中国的石油储量排在第13位,相当于隋唐好汉排行榜中秦琼的位置,跟领头羊只差一个量级。秦叔宝遇到李元霸、宇文成都、裴元庆,好歹还能过上一两招。印度才真叫惨,比中国又低了一个量级。在隋唐演义里,就属于被秒杀的小兵了。所以当中国为石油自给率发愁的时候,看看印度就知道什么叫幸福了。

有趣的是,中国在石油储量上的排名只相当于秦琼,在石油产量上的排名却相当于罗成——第7位。
 

2018年主要产油国的石油产量排行 | 中国以全球第13位的探明储量,生产了全球第7位的石油,产量与储量发生倒挂。制图@陈睿婷 | 星球科学评论

这是怎么做到的呢?因为中国的石油工作者采用了各种技术手段来弥补地质上的先天不足,通过注水、注气、注入表面活性剂等等尽可能地把石油驱赶到地面。用专业术语说,这叫做提高采收率。实际上,地下的石油有相当部分是采不上来的,采收率就是采上来的石油占储量的比例。中国的储量低,就只好在提高采收率上拼命做文章。

这很有技术含量,不过也大大抬高了成本。正如一个笑话,有人能从石头里榨出油来,——因为他是收税的。现在大庆油田采出来的油,就是在大量的水中漂着一星半点油花儿。这也太难了,无怪乎大庆市去造沃尔沃汽车了。

在这方面,我们又要慨叹命运不公了。沙特的石油不但比我们多一个量级,而且很多油井居然是自喷井,打个洞就自动往外冒!还有,沙特原油的品质也比中国的强,大部分是轻质油,容易炼制。

不过炼油的能力,就不见得掌握在这些国家手里了。不少产油大国,由于缺乏炼油技术,只能出口原油进口成品油,一被人卡脖子就抓瞎了。甚至自己国内政局一乱,就连原油都采不出来,守着金饭碗要饿死。大家一听就知道这是哪些国家了吧?

所以世界的格局是,有些国家有大量的油,但自己不会采,不会炼,就等着躺倒让外国技术人员帮他们采。中国是既会采也会炼,非常努力,但缺油。因为世界上容易开采和品质高的石油,大多早就被欧美占了。

中国作为后起国家,只能在世界上努力挥锄头,找一些边边角角。我们的祖先当年错过了大航海时代,代价延续到现在。就这还老有人说,中国不出去航海是因为没有需求,——小农思想害死人啊!

下面,我们来解释一下,大庆油田是不是在陆相生油理论指导下发现的。

其实,陆相生油理论可以追溯到二十世纪三四十年代。那时中国有陕西延长油矿,它是延长油田的前身;甘肃老君庙油矿,它是玉门油田的前身;以及新疆独山子油矿,它是克拉玛依油田的前身。这些是中国石油工业的开端,在抗日战争中发挥了作用。

早期的石油地质学家们基于实践,提出了陆相生油的概念。不过直到五十年代,这种理论都是猜想大于实践,远不足以与海相生油理论分庭抗礼。

许多人以为,陆相生油理论是李四光提出的。其实这里有些误解,陆相生油理论主要的提出者,是黄汲清、谢家荣、潘钟祥等人。李四光当然是伟大的地质学家,不过他的研究方向是构造地质学,而不是石油地质学。这两者在外行听起来好像差不多,但在内行看来就好比立体几何与概率论,有联系,但不一样。大家习惯于把地质界的功劳都归于李四光,是因为他在解放后担任地质部长、中科院副院长,有领导功绩。
 

李四光
 

黄汲清
 

谢家荣
 

潘钟祥

此外,即使是陆相生油的提出者们,最初也认为海相生油的条件要更加优越,在勘探中更值得重视。时至今日,我们已很难考证,当年那些爬冰卧雪、白手起家的石油工作者们,究竟是以什么为指导找到大庆油田的,是陆相生油的模糊猜测,还是综合当时的各种勘探经验?但至少有一点可以肯定,在大庆油田发现之后,陆相生油理论就获得了坚实的证据,真正成为了科学,指导了以后的勘探工作。
 

王进喜

所以,对于整个故事合理的说法是:在李四光的领导下,中国地质学家们根据勘探实践,提出了陆相生油理论,并以此为指导,找到了许多油气田,摘掉了贫油国的帽子。

此外,大庆油田是不是完全的陆相生油,也一直有不同意见。近年来一些研究认为,形成大庆油田的松辽古湖可能存在间断性的大规模海侵,这可能有助于生油。

当然,这些都是细节问题。基本的图景是,中国的科学家和铁人王进喜等石油工作者发挥了高度的创造性和艰苦奋斗精神,为共和国的工业化打下了基础。我们的每一步前行,都是他们殚精竭虑拼出来的。让我们对他们致以崇高的敬意!

下面的问题是:听说沙特想打击美国的页岩气产业,美国近年来经历了页岩气革命,这个革命是真的吗?

回答是:真的。

2004年前后,美国开始大规模的页岩气勘探开发,后来延伸到开采方式相似的页岩油和致密油气。最初,有些人认为这是一场骗局。但事实的发展确实是,美国的石油产量扶摇直上,在2018年超过了沙特与俄罗斯,夺回了世界第一。
 

美国、沙特阿拉伯和俄罗斯的近年石油产量变化图 | 2008年,美国石油产量止跌转升,成为世界能源格局中最大的黑马。制图@陈睿婷 | 星球科学评论(风云之声注:按照不同的统计方式,分别有报道称美国石油产量夺回世界第一是在2017年和2018年)

下面我们来解释一下,页岩气是什么。岩石在微观层面就像海绵,内部分布着大量的孔隙。油气和水,就储存在孔隙中。
 

电子显微镜下的石英砂岩 | 视场宽度4毫米,大块的颗粒是石英砂粒,表面附着了一些黏土矿物。黑色的空间即为砂岩颗粒之间的孔隙。图源@EMGS (中土东部地质协会,一个英国民间自发的地质工作者及爱好者协会,详见emgs.org.uk)

常规的油气,储存在直径较大的孔隙里。较大是多大呢?微米的量级。1微米等于10的-6次方米,即1/1000毫米。油气在这样的粗管子里易于流动,传统技术就可以开采。
 

流体在沉积物孔隙中的流动示意图 | 流体在孔隙内储存和流动,孔隙喉道的尺寸是制约流动的重要指标。图源@苏黎世联邦理工学院(ethz.ch),有改动

而页岩油气和致密油气,储存在直径较小的孔隙里。较小的意思,是纳米的量级。1纳米等于10的-9次方米,即1/1000微米。油气在这么细的管子里不易流动,传统技术难以开采。所以页岩气虽然早就存在亿万年了,但以前并不算有效储量。
 

油气类型与储集空间孔喉直径的关系示意图 | 从常规油气到非常规的致密和页岩油气,一个本质区别就是储集空间的孔喉直径不同,而造成这一不同的原因则是不同储集岩石的地质特征不同。图源@《油价暴跌对我们意味着什么?》的文献[7]
 

常规油气藏与非常规油气藏示意图 | 非常规油气藏的规模一般大于常规油气藏,特征也有很大差异,因此需要不同的开采技术,如图中的水平井。图源@WSGS | 美国怀俄明州地调局,《油价暴跌对我们意味着什么?》的文献[3],有改动

页岩气革命有两项关键技术,一个叫水平井,一个叫压裂。

水平井的意思顾名思义,跟传统的垂直井相对。
 

水平井和垂直井的区别示意图 | 垂直井只能有效利用一小片地层,但水平井可以利用很大一片地层。图源@conchoenergy.net,有改动

压裂的意思是把地下的一大片地层打碎,让里面的油气释放出来。前面我们提到那个收税官从石头里榨出油来的笑话,但压裂干的正是这样的事情!
 

经过压裂的水平井网相当于打碎了一层地层 | 地面只需要少数的井场,就可以通过特殊的钻井方式制造井网,然后压裂一大片地层,高效汲取油气。图中白色的“絮状物”表示地下岩石中的压裂缝,可见“打碎地层”所言非虚。图源@fractracker.org,《油价暴跌对我们意味着什么?》的文献[10]

传统的垂直井只能利用一小片地层,而水平井加压裂可以利用很大一片地层。这就是“大力出奇迹”!

李安导演过一部电影,叫做《比利·林恩的中场战事》,2016年上映。主角比利·林恩是一位年轻的美军士兵,从伊拉克打仗回来。有一位页岩气资本家,对他的班长说:如果美国的页岩气技术进一步改进,我们就可以自给自足能源,你们就不需要为了占有伊拉克的石油而去当兵了。班长大怒,反唇相讥道:我们就是因为享受杀人、享受战争,才去当兵的。你开采你的能源,我们杀我们的人,两不相犯。
 

《比利·林恩的中场战事》

现在的结果是,美国的能源确实自给自足了,而美国的士兵继续在伊拉克享受战争。2018年,美国的致密油和页岩油占据石油产量的60%,致密气和页岩气占据天然气产量的70%,已经成了主力。近年来大家经常听到美国想对欧洲甚至中国出口油气,原因就在于此。
 

近年来的世界石油出口格局变化 | 十年间,美国石油出口占据的市场份额快速增长。制图@陈睿婷 | 星球科学评论

其实,按照某些推算,页岩气储量最高的国家是——中国。2013年,美国能源信息署(EIA)就是这样估计的。
 

EIA根据公开资料测算的主要国家页岩气和致密油技术可采储量排名 | 技术可采储量是指在当前技术条件可供开发的资源量,大于探明储量,且无视经济性。EIA原文里,左表使用的是“页岩油”,但结合实际报道,应改为“致密油”更加合适。图源@EIA | 美国能源信息署,《油价暴跌对我们意味着什么?》的文献[16-17]

中国确实在积极地对页岩气和致密油气展开勘探和研究。
 

近年国内页岩/致密油气勘探进展的相关报道 | 四川和重庆有着丰富的页岩气储量。截取自@上观新闻网,《油价暴跌对我们意味着什么?》的文献[25]

我就和科大近代力学系的卢德唐教授研究组合作过,用分子模拟研究天然气在纳米孔隙中的运动。
 

与“页岩气革命”相关的若干术语做关键词的论文数量变化图 | 2008年以来,以“页岩气”为关键词的论文数量大增,2012年后,以“致密油”为关键词的论文数量大增,这体现了我国学界紧跟世界页岩/致密油气潮流。制图@陈睿婷 | 星球科学评论

2018年,中国的非常规油占原油总产量的10%,非常规气占天然气总产量的34%,其中大部分来自页岩气和致密油。这可以算是有益的补充,不过比例就远远低于美国。这是为什么呢?

首先,在地质禀赋方面就有差距。陆相地层的油气潜力不如海相,又回到这个先天不足了。中国也有古老的海相地层,不过通常埋得比较深,地层变形破坏比较严重,油气保存条件比较差,不利于开发。

然后,中国的地震活跃带与页岩油气分布区重合度比较高,有人担心压裂诱发地震。也有一些研究认为,压裂与地震没有关联。无论如何,我们需要更多的研究。
 

中国主要的页岩油气和致密油气分布 | 图上可见四川及川东地区、山西、陕西、华北、东北和西北地区都有分布。图源@《油价暴跌对我们意味着什么?》的文献[18]

还有,压裂需要大量的水,中国的水资源也不富裕。

此外,资源区地形复杂,自然条件艰苦等等。

最后,在石油巨头们的斗争下,近年来油价处于低位。中国的页岩油气在这种背景下,只能是惨淡经营,能活下来就不错了。你看大家都只说沙特想打击美国的页岩气产业,从来没说想打击中国的,对不对?实在是不值得巨头去打击啊。大象打架,草地遭殃。
 

中石化胜利油田采油工转产谋生的相关报道 | 类似的事情近年来在全国多个油田都有发生。截取自@《中国能源报》,《油价暴跌对我们意味着什么?》的文献[15]

但从整个国家的视角看来,低油价对中国是好事,因为我们是最大的石油进口国。具体某一个部门的损失,总可以通过整个社会产出提高后的再分配补偿回来。用经济学术语说,这叫做“帕累托改进”。这对美国不见得可行,对中国却完全是可行的,——现在感受到社会主义的好处了吧?

最后,欢迎大家关注我们的账号“科技袁人”。人类如果不能进步到以新能源为主,就无法持续存在下去。希望传统能源工作者的努力取得更大的成效,为人类争取时间,支撑到新时代。等到可控核聚变出来,我们才能冲出地球。待到山花烂漫时,她在丛中笑。
 

无限春光里的采油机 | 春天是希望的季节,页岩/致密油气革命的浪潮,是否能为这个行业带来新的春天?我们拭目以待。图源@VCG



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背景简介本文【科技袁人LITE】“石油来自生物遗骸”是骗局吗?的介绍,视频发布于2020年4月3日(https://www.bilibili.com/video/BV1d54y1R7bk)。
责任编辑陈昕悦


文章转载自微信公众号:风云之声

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