魔法の旅：オイルの自伝、私の伝説パート2

古代の生命は広大な海からやって来て、冷たい地中に戻ってきました。来ることと去ることの間に何が残るでしょうか?石油は生命の循環を受け継いでいます。私は生命の死ですが、死ぬつもりはありません。私は息を止めて、何十億年もの間、暗い地下の極度の熱と圧力に耐えてきました。

腐敗は私の過去の人生であり、黒い金は私の現在の人生です。酸素のない時空のトンネルの中で、私は来世への信仰を抱き、静かにポジティブなエネルギーを集め、最終的に腐敗を魔法に変えて、現代の人類文明を支えました。

「宇宙の卵」の中の生命

宇宙の根源は、いわゆる「宇宙卵」であり、あらゆる時空、物質、エネルギーを凝縮し、天体や生命など、未来の物質世界のあらゆるものを生みだすものである。約150億年前、「宇宙の卵」は前例のないビッグバンによって宇宙を生み出しました。宇宙内部の爆発の残骸は互いに相互作用し、惑星を形成すると同時に徐々に銀河も形成されました。銀河の1つは天の川銀河と呼ばれています。天の川には太陽と呼ばれる星があります。太陽の周りを回る惑星は 8 つあり、そのうちの 1 つが人類の故郷である地球です。

地球が最初に誕生したとき、そこには生命は存在せず、太陽から比較的遠く離れていました。地球が太陽に近づくにつれて、太陽​​系における生命の出現に最も適した位置にあり、地球を構成する物質は生命の出現に必要な要素を満たしています。宇宙からの外部物質の添加を受けて、地球上に原始的な海が出現し始めました。

太古の海は長い時間をかけて原始的な生命を生み出し、生命の長い進化の始まりとなりました。生命の大爆発が起こったのは、5億4000万年前のカンブリア紀になってからでした。地球上の生物は突如として豊かで色彩豊かになり、種の数は飛躍的に増加しました。

細菌や緑の植物は光合成によって二酸化炭素と水を有機物に変換します。食物連鎖の底辺として、さまざまな動物がそれを餌として徐々に繁栄していきます。花が咲いたり散ったり、生と死が繰り返される中で、生命はどのようにして地球に痕跡を残し、永遠に生き続けるのでしょうか。

私の家はどこですか？

「地下油海」や「地下油川」は、文学者や詩人が地下の石油を表現するためによく使う言葉です。時が経つにつれ、地下の石油は海や湖のようなものだと多くの人が信じるようになりました。地面に穴を掘ってウォーターポンプを手に入れれば、簡単に油を汲み上げることができるようです。

そうではありません。石油産業は世界で最も資本集約的な産業であるだけでなく、最も技術集約的な産業でもあることを忘れないでください。

石油は、その名の通り、石の中に油が入ったものです。スポンジの中の水のように石の中に浸透します。しかし、石は非常に硬いので、油が浸透できるでしょうか?

石油とガスの生産と貯蔵

実際、自然界の石は穴を開ける必要のない固い鉄ではありません。アウトドア活動をよくする人は、山の岩にはさまざまな大きさの割れ目や穴があることを知っているはずです。風化や損傷を受けていない石であっても、内部にはさまざまな亀裂や穴があり、その中には肉眼で見える大きなものもあれば、虫眼鏡や顕微鏡を使わないとはっきりと見えないほど小さなものもあります。たとえば、ナイフを研ぐために砂岩の上に水を数滴垂らすと、しばらくすると水は消え、表面には濡れた跡だけが残ります。これは、砥石のように硬い石であっても、肉眼では見えない多くの気孔があることを証明しています。

岩の割れ目や穴が私の家です。亀裂や穴の数や大きさが増すほど、岩石に含まれる石油の量も増えます。亀裂や穴が互いによくつながっているほど、石油が岩石内を流れやすくなります。

天然ガスは石油と同じように地下に存在し、岩の割れ目や穴に蓄えられています。違いは、天然ガスは気体であり、液体の石油よりも「抜け穴を見つける」可能性が高いことです。石油を貫通できる岩石は天然ガスも貫通できます。石油が貫通できない岩石でも、天然ガスは通過できる場合があります。

岩石の孔隙における油と水の分布の模式図

石油業界では、石油や天然ガスを貯蔵できるあらゆる岩石層を貯留層と呼んでいます。言うまでもなく、貯留層とは貯蔵能力のある岩層を指しますが、貯蔵能力のある岩層に石油や天然ガスが存在するということではありません。貯蔵能力がある場合、石油または天然ガスを掘削して貯蔵しなければ、石油（ガス）層と呼ばれることはありません。石油やガスを貯蔵できる空間をトラップと呼び、石油やガスを貯蔵したトラップを油ガス層と呼びます。

地下の罠

石油とガスの貯留層の品質は、主に 3 つの側面に反映されます。1 つ目は、トラップのサイズ、つまりトラップの最大有効容積です。これによって、石油とガスが貯蔵される場所のサイズが決まります。もちろん、大きいほど良いです。 2 番目は、貯留層の厚さとトラップ内の細孔の多孔度です。同様に、貯留層が厚くなり、貯留層内の亀裂や穴の数や大きさが増すほど、より多くの石油を貯蔵することができます。 3番目は、トラップのキャップロックとアップディップシールドの密閉性です。十分な貯蔵スペースがあることは、良好な石油・ガス貯留層を形成するための必要条件にすぎません。周囲の岩石がしっかりと密閉されていない場合、石油とガスはトラップに移動して逃げてしまい、良好な石油とガスの貯留層を形成できません。

私の多彩な過去の人生

毎年、春先から晩秋にかけて、私たちが住む地球は色とりどりの花で溢れ、様々な植物や動物が地球を色鮮やかに彩ります。現代生活に深く関係する黄色、黒、茶色の油が、これらから変換できると考えたことはありますか?

石炭紀の生物復元地図

地質学の歴史を通じて、恐竜や原始的な哺乳類から植物や花、さらには被子植物の花粉や裸子植物の胞子など肉眼では見えないものまで、陸上には信じられないほど豊かな生命が存在してきました。水中の生物も色彩豊かで、魚、貝、カタツムリ、プランクトン、植物などがあり、これらは陸地と海の主な彩りであり、地球上の有機物の基礎でもあります。

陸上では、さまざまな動物や植物が死んだ後、他の動物に食べられたり、風や雨によって急速に腐って分解されたりすることがよくあります。水域では、水層の保護、水底の静かな環境、酸素不足などの条件により、生物の腐敗を大幅に軽減したり、防止したりすることができます。

地球の表面積の75％を占める水の中には、数多くの微生物や微生物が生息しています。珪藻類の体は、何の支障もなく1日で地球と同じ大きさにまで増殖できると推定されています。海中のプランクトンの年間死滅量は5,500億トンに達すると推定されています。彼らは海水中に大量に生息しており、科学者たちはこれを「生物の雨」と呼んでいます。そして、死後は海の底に浮かんで「死体の雨」を形成します。また、河川や風によって海や湖に運ばれ、海底に沈み続ける生物の残骸も大量に存在します。それらは堆積性有機物です。

石油やガスを生成するさまざまな藻類

ケロゲン：石油への入り口

水域では、生物が死ぬと、その体内の炭水化物、タンパク質、脂質、リグニンなどの主要成分が、さまざまな程度の分解と破壊を順次受けます。分解産物の一部は他の生物の「おやつ」となり、残りは二酸化炭素と水に分解されます。残りの、元の生物数のごく一部は、完全な生物学的リサイクルと物理化学的分解を経ずに堆積物に入り、堆積性有機物になります。

初期の堆積性有機物は、継続的により深い場所へ埋もれていった。通常の地質学的条件下では、1メートルの厚さの堆積層が形成されるまでに5,000年から10,000年かかります。この期間中、細菌の活動によって引き起こされる発酵により、有機物中のセルロース、タンパク質、多糖類の高分子が分解されます。この段階では、ほとんどの有機物が有機溶媒に溶けない有機物に凝集し、地質学者はこれを「ケロゲン」と呼びます。

ケロゲン

ケロジェン形成の模式図

ケロゲン、この単語は明らかに音訳であり、ギリシャ語から来ています。以前は「kerogen」と翻訳されていましたが、これは文字通りの翻訳です。ケロとはワックスを意味し、その本来の意味は「油やワックス状の物質を生成できる物質」です。その後、その意味は再び混乱しました... 堆積岩中の不溶性有機物として明確に定義されたのは 1960 年代になってからでした。石油、ガス、石炭を生成できるすべての有機物を指します。特定の成分を含む物質ではなく、有機高分子ポリマーです。ケロジェンの炭素含有量は70%～90%、水素含有量は3%～11%、酸素含有量は3%～24%です。地球化学者は、元素組成に基づいてケロジェンをタイプ I、II、III に分類します。

ケロジェンの生物起源と分類

ケロジェンは地球上で最も重要な有機炭素の形態であり、地球の地殻内のケロジェンの総量は約 300 兆トンです。この数字は直感的にわかりにくいかもしれないので、次のデータはより鮮明です。ケロジェンの総量は、世界の石炭総埋蔵量の 1,000 倍、石油総埋蔵量の 16,000 倍にほぼ相当します。

根源岩中のケロゲンが分解して石油とガスを生成する

では、なぜこれほど幅広い分野を勉強するのでしょうか?ケロジェンは石炭、石油、天然ガスの原料だからです。つまり、石炭、石油、天然ガスを生成できるのです！

それにもかかわらず、その強力な効果が発見されるまで、それに関する研究はほとんど行われていませんでした。基本的に有機溶媒に溶けず、非常に複雑だからです。その後、人々はこのものから石油を生産できることを発見し、熱心に研究し始めました。

有機物がケロジェンに変化する過程は主に細菌による分解によるものですが、ケロジェンがさらに石油に変化する過程は主に温度に依存します。地温が 60°C を超えない浅い地層では、ケロジェン中の酸素と硫黄の含有量が減少し、形成される液体炭化水素の量は極めて少なく、ケロジェンは非常に複雑な高分子断片を形成します。地温が60℃を超えると、前段階で形成された高分子断片は化学結合のさらなる切断により小さな断片を形成し、ケロジェン中に炭化水素が生成され始め、石油生成の主要段階に入ります。地中深くなるにつれ、あるいはマグマの活動などにより、地表温度が120℃以上になると、ケロジェン中の炭化水素基がほぼ消滅し、液体炭化水素が破壊され、多量の低分子メタンガスが発生します。

石油の生成は、ケロジェンが環境に適応するために絶えず調整され、変化するプロセスであると言えます。

凸凹した交通道路

石油は地下の岩石の中で生成され、貯蔵されていることはすでに知られています。では、石油を産出する岩石と石油を貯蔵する岩石は同じ岩体なのでしょうか?

一次石油とガスは貯留層に押し出される

通常はそうではありません。石油を生産する岩石は専門的には根源岩（炭化水素根源岩とも呼ばれる）と呼ばれ、石油を貯蔵する岩石は貯留岩と呼ばれます。一般的に、石油とガスは根源岩から生産された後、貯留岩に到達してそこに蓄積されるまでに、一定の時間と距離を移動する必要があります。石油とガスが根源岩から流出するプロセスは、一次移動と呼ばれます。ほとんどの石油・ガス貯留層では、石油・ガスの蓄積は根源岩から直接流れ出るわけではありません。それらの多くは、ある石油・ガス貯留層から別の石油・ガス貯留層へと二次的、三次的、あるいはそれ以上の移動を経験しています。

移動の過程で、一部の石油とガスは次の拠点に無事到達し、貯蔵されて新たな石油とガスの貯留層を形成しますが、一部はさまざまな理由で途中で逃げ出し、跡形もなく消えてしまいます。高品質の石油・ガス層を形成するために、その過程で経験する「困難」は、部外者の想像を超えるものである。

素晴らしい組み合わせ

石油とガスの貯留層は私の「家」です。この完全な「家」を形成するには、6 つの条件が必要です。まず、家には所有者、つまり私がいなければなりません。したがって、私が存在するためには石油を生成する層がなければなりません。第二に、家には私を満足させるハードウェア設備がなければなりません。私は石油を産出する岩からずっとやって来たのに、どうして良い場所を与えてもらえないのでしょうか?これには貯留層が必要です。 3番目に、風雨から身を守るための壁と屋根が必要です。つまり、逃げるのを防ぐためにキャップ層とシールド層が必要です。第四に、石油生産層からの長い旅の後に「家」に入ることができるように、移動のための条件が整っていなければなりません。第五に、家の中の空間は私が住むのに十分な広さ、十分な隙間や穴がなければなりません。つまり、囲いの条件が私のサイズに合っている必要があります。そうでなければ、私は走り続けなければなりません。 6番目に、私が住んでいる場所は安定していなければなりません。数日おきに地震があり、地殻変動が起きるようでは、正直家に居られなくなります。誰かの家に走るか、直接逃げるかのどちらかです。

石油やガスの貯留層を形成し、完全な住処を与えるためには、これら 6 つの条件が不可欠です。これらは、石油地質学者が石油とガスの貯留層形成の 6 つの主要要素と呼んでいるものです (生成、貯蔵、覆土、輸送、囲い込み、保護)。

石油・ガス層の形成に必要な主な条件

100年前の石油事件

日常生活では、さまざまなメディアが石油を「化石燃料」と呼んでいます。これは実際には、石油は古代の生物（動物や植物、特にプランクトンを含む）によって生成されたという理解に基づいています。これが、現代の石油産業の発展を導く石油の「有機起源」理論です。

石油地質学界では長い間、石油は無機起源であるという見解がありました。有名なロシアの化学者メンデレーエフから数えると、石油とガスの無機起源の仮説は100年以上も提唱されてきました。

石油の無機起源説では、石油が形成される過程で、最初に上昇したマグマが地殻の亀裂で受ける極めて小さな圧力により大量の熱膨張を起こし、アセチレン、水などの特定の成分に応じたガス分子で構成される大量のマグマガスが形成されるとされています。

マグマからのガスの継続的な放出により、亀裂内の圧力と温度が継続的に上昇するだけでなく、亀裂内に形成される炭化水素分子の密度も継続的に増加します。それらの凝集力は強まり続け、炭化水素分子は複雑な構造を形成する傾向があります。つまり、アセチレン → エチレン → メタン → エタン → プロパン → ブタンです。亀裂内の炭化水素ガスの濃度がさらに高まると、低炭素炭化水素が重合して高炭素アルカンとなり、相変化が起こります。言い換えれば、気体炭化水素は液体炭化水素、つまり石油になります。油生成の初期段階では、粒子が非常に小さいため、熱によって上方に移動することがあります。これらは亀裂の上に大量に集まり、より大きな油滴に融合します。高密度の油滴がさらに合体すると、その重量がマグマガスの熱膨張によって発生する推力よりも大きくなるため、油滴は亀裂の壁に沿って亀裂の底まで落下または流れ、マグマとともに溢れ出します。

石油は、亀裂内の圧力、温度、炭化水素ガスの濃度が非常に高い基準に達した場合にのみ形成されるため、マグマから分離されたガスは、マグマを離れるとすぐに非常に高い圧力にさらされ、原子レベルで安定した構造を形成するだけでなく、すぐに炭化水素に結合されます。そのため、マグマガスの一部は上昇の過程で石油に結合し、その量が増加し続け、徐々に石油層が形成される可能性があります。

まず、地球の深部には二酸化炭素を多く含む流体が大量に存在することが確認されています。これらの流体から放出される二酸化炭素は、上昇過程で水素と反応し、有名なフィッシャー・トロプシュ反応（一酸化炭素と水素を原料として適切な条件下で炭化水素を生成する反応）によって炭化水素を生成します。

第二に、地球の深部には水素を豊富に含む流体が大量に存在し、地球は絶えず水素を放出しています。無機水素鉱床は多くの場所で発見されており、地中深くに行くほど水素含有量が高くなります。中部・下部マントルと核には主に水素と水素化物が存在し、これがフィッシャー・トロプシュ反応の発生を物質的に保証しています。

第三に、フィッシャー・トロプシュ反応の円滑な進行を促進できる触媒が多くの堆積盆地に広く存在し、反応を可能にしている。

「石油の無機生成」論は、陸上であろうと海底であろうと、地殻深部に亀裂が形成される地質学的条件がある限り、そこに石油を生成する構造物が存在する可能性があると主張している。生成された石油と天然ガスは亀裂に沿って上昇し、大規模な油田とガス田に集まります。

有機起源説はほとんどの地質学者に認められ、世界中のほとんどの石油・ガス探査の実践を導いていますが、世界的に石油探査が困難になり、油田に対する人々の理解が深まるにつれて、石油の有機起源説では説明できない、または説明が難しい現象がますます増えています。長い間支持されていなかった無機起源説が、一部の石油地質学者の間で再び注目を集めている。主な理由は次のとおりです。

まず、約15億年前に形成された石油がいくつかの地域で発見されています。これのコンセプトは何ですか?従来の石油地質学および生物学の理論によれば、当時のバイオマスは石油を形成するのに十分ではなかったようです。生物が存在しない地層でなぜ石油が見つかるのでしょうか?

第二に、なぜ世界の大規模および超大規模の油田とガス田のほとんどが集中しているのでしょうか?当時、地球上で生物が存在していた場所はそこだけだったのでしょうか?

第三に、ほとんどの大規模な油田やガス田の地層の深部にマントルプルームが存在するのはなぜでしょうか?これは石油貯留層が地下深くまでつながっている証拠です。

第四に、伝統的な石油地質学理論では、石油の形成には少なくとも数百万年かかるとされています。しかし、アメリカのイエローストーン公園の温泉の有機物に関する研究では、石油が生成されるにはわずか数千年しかかからないことが分かりました。さらに、数週間太陽にさらされた後、メキシコ湾の海に浮遊する藻類は実際に液体の油滴を生成しました。

従来の石油地質学理論に疑問を投げかけるこれらの現象に直面して、人々は次のように信じる理由があるようだ。世界のいくつかの油田の石油は継続的に補充されているようだ。石油やガスの一部は地殻の深部から採掘される可能性がある。石油の生成、移動、蓄積は地震と関係している可能性があり、地震はまさに地殻変動の現れです。地下深くから石油やガスを「送る」ことはできるのでしょうか？

石油の有機起源と無機起源をめぐる大論争では、「有機起源説」が常に絶対的な優位を占めてきました。なぜなら、今日まで、世界中の大規模な油田とガス田はすべてこの説に基づいて発見されてきたからです。もちろん、この理論には、特定の問題に関しては独自の問題もあります。

現在、これら 2 つの理論は十分に統合されていません。石油とガスの源を正しく理解することは理論的な問題であるだけでなく、実践的な意義も持っています。その特定は石油探査の展開に戦略的な調整をもたらすでしょう。さらに、工業用石油の蓄積とその無機起源との関係が判明すれば、石油探査の範囲は大幅に拡大し、世界の石油埋蔵量が大幅に増加し、世界の原油生産の安定した成長が維持されることになる。これは、多くの科学者がこの重要な学術的問題に多大なエネルギーを注ぐ理由でもあります。

著者: 馬新富