談論油價，先來搞清其中的科學原理 | 袁嵐峯_風聞

導讀

希望傳統能源工作者的努力取得更大的成效，為人類爭取時間，支撐到新時代。等到可控核聚變出來，我們才能衝出地球。待到山花爛漫時，她在叢中笑。

我們正處在一個天翻地覆的時代。除了席捲全球的新冠病毒疫情之外，最近還有一件大事，是石油價格崩盤。

近期國際兩大油價波動曲線 | WTI油價和布倫特油價是兩種最重要的原油價格指數，本輪下跌從3月9日（週一）開始，至3月18日雙雙降至最低點。圖源@Oilprice.com

兩者疊加，導致美國股市10天之內4次熔斷。89歲的巴菲特都不禁要感嘆：我實在是太年輕了！

巴菲特：我還是太年輕了……

石油價格為什麼崩盤？它將把歷史的車輪帶向何方？許多人都能講出不少道理，如沙特與俄羅斯的減產談判破裂，沙特打擊美國的頁岩油產業，沙特王儲上演宮斗大戲等等。很好，不過這些都屬於人跟人鬥。要深入理解石油問題，我們就應該首先理解其中的科學原理。

夕陽下的採油機 | 如血殘陽下的採油機，是否預示着一個行業快要消亡？

圖源@VCG

我的朋友“雲舞空城”是一位熱心的地質學科普作家，他和一羣志同道合的朋友們在運營一個科普機構“星球研究所”，他們寫了很多圖文並茂、質量上乘、發人深省的文章。最近，星球研究所在“星球科學評論”的公眾號中發了一篇《油價暴跌對我們意味着什麼？》（油價暴跌對我們意味着什麼？），風雲之聲也轉載了（油價暴跌對我們意味着什麼？| 星球科學評論）。下面，我就來結合此文與我的一些瞭解，跟大家分享一下。

最基本的問題是：石油是怎麼來的？

標準理論是，來自古代生物的遺骸，主要是浮游生物。比如説，海藻的作用就比鯊魚大得多。在古代海洋或湖泊形成的地層裏，這些生物遺骸與泥沙一起形成岩石。經過百萬年的滄桑鉅變，在高温高壓下，產生各種碳氫化合物。

石油成因簡單示意圖 | 有機成因仍是國際學術界公認的石油成因，目前世界各國都使用該學説指導石油生產；無機成因僅能解釋部分天然氣的形成，尚未發現無機成因的石油，詳情可參考《油價暴跌對我們意味着什麼？》的文獻[2，24]。

圖源@WSGS | 美國懷俄明州地調局[3]，有改動

中文對碳氫化合物有一個非常聰明的稱呼“烴”，它是“碳氫”的反切注音。這些烴類物質中，重的就是石油，輕的就是天然氣。

這些油氣再在地下經過複雜的運移過程，聚集在具有儲存能力的地層裏，就成為了油氣田。

其實，這個標準理論你可能早就聽説過了。許多人想問的，是這個標準理論是不是錯的。自從我上網以來，已經很多次見到了無機生油説，即認為石油來自無機起源，而不是生物殘骸。

無機生油説引起人們的興趣，是因為按照這種理論，石油就不會耗盡了，地球在源源不斷地生成石油。這種文章的標題，經常類似這樣：《石油枯竭騙局？》、《三百年驚天騙局：石油竟不是埋在地下生物變成的！》。這些文章經常説，有機生油説沒有科學實證，是精心編制的謊言，是西方的陰謀等等。

這到底是怎麼回事呢？

實際上，如果無機生油説成立，那當然是大好事，科學界歡迎還來不及呢。但問題在於，它沒有通過實踐的考驗。

到目前為止，無機生油説沒有指導一個油田勘探成功，反而打廢了不少探井。現在所有的油田，都是在有機生油説的指導下勘探成功的。這就很尷尬了。

無機生油説的理由何在呢？例如經常見到這樣的説法：“按照石油化石學説，要生成該油田已產出的，需要一個長寬高各30公里的立體空間，在裏面填滿恐龍肉，而且還要100%轉化為石油。這簡直是荒謬至極。”

其實，我們前面已經説了，石油大部分來自海藻這樣的浮游生物，而不是恐龍這樣的大型動物。還有，一個油田的石油並不是全部在當地生成的，而是從其他地方產生以後聚集過來的。

最近，還有人在我的微博下評論説：“什麼年代了，還説石油是動物遺骸形成的？騙人的謊言不應該再重複啊。”我只好回覆他一句：“你有本事就去勸各大石油公司改變勘探理論。”（https://weibo.com/3710258141/IARdKxE2U）

我以前批評過認為美國登月是騙局的、認為中國的載人航天是騙局的、認為中國的量子通信是騙局的、認為“地球是個球”是騙局的、認為進化論是騙局的（我們應該如何紀念登月（一）為什麼登月陰謀論是荒謬的 | 袁嵐峯），等等等等，各種陰謀論實在太多了。其實所有這些陰謀論，背後的心理原因都是相似的，就是不願意學習，把自己的無知當作別人造假的證據。

平地球理論

關於石油的起源，雲舞空城在知乎寫了一個圖文並茂的回答（https://www.zhihu.com/question/57768048/answer/155104802）。其中包括了對有機無機爭論的詳細介紹，還列出了不少參考文獻，歡迎大家去看。

雲舞空城在知乎上關於石油起源的回答

需要注意的是，以上説的是無機來源的石油沒有發現。但無機來源的天然氣，是完全可以存在的。例如中國松遼盆地的昌德氣藏，就是一個有充分地球化學證據的無機成因的天然氣藏。對於這種發現，學術界就很歡迎。

許多人可能聽説過，在有機生油説的內部，還有海相生油與陸相生油之爭。根據傳統的海相生油理論，中國被認為是貧油國。中國地質學家提出了陸相生油理論，發現了大慶油田，甩掉了貧油國的帽子。

貝加爾湖冬季景觀 | 貝加爾湖從漸新世（距今2303-3390萬年前）開始形成，1600米深（最深處達1637米）的湖水下，有超過8000米厚的沉積物，人們已經證實其中正在生烴，這是現代陸相生油的一個實例，詳見《油價暴跌對我們意味着什麼？》的文獻[6]。圖源@VCG

這當然是一個偉大的成就。不過我們應該搞清楚，這兩個學派之間並不是排斥的關係，而是互補的關係。還有，這裏説的陸相，是陸地上的湖泊，而不是單純的陸地。此外，人們經常説大慶油田是在陸相生油理論指導下發現的，真的是這樣嗎？我們後面來解釋。

古代海洋形成的地層裏容易發現石油，這個現象在二十世紀初就發現了，這就是海相生油學説。

現在石油儲量靠前的國家，大部分都曾在最近2億年中被海洋覆蓋。為什麼説大部分呢？因為中國就是一個例外。

在2018年的石油探明儲量排行榜中，中國排在第13位，儲量是259億桶，佔全球的1.6%。石油界習慣使用桶作為單位，1噸約等於7桶，不同品質的原油折算的比例不同。排第一第二的委內瑞拉和沙特阿拉伯，儲量是3033億桶和2977億桶，分別是中國的11.7倍和11.5倍。

2018年世界石油資源探明儲量排行 | 製圖@陳睿婷 | 星球科學評論

這種差距的原因，是海水退出中國的年代比較早，中國的油氣資源絕大部分形成於湖泊環境。中國地質學家發現湖泊也可以成油，這已經非常了不起了。但湖泊跟海洋相比，無論是面積、存續時間、承載的生物量還是油氣生成潛力，畢竟都相去甚遠。這個先天不足，註定了中國不是石油巨人。

我以前在調研煤炭的時候，發現地球上煤炭的分佈比較均勻，基本上面積大國就是煤炭大國。例如，煤炭儲量的前五位是美國、俄羅斯、中國、澳大利亞、印度，加拿大也排在第10位。但石油的分佈，就非常不均勻。委內瑞拉的面積91.6萬平方公里，不到中國的1/10，但石油儲量超過中國的10倍，這找誰説理去！

不過，石油分佈不均勻的最大受害者並不是中國。中國的石油儲量排在第13位，相當於隋唐好漢排行榜中秦瓊的位置，跟領頭羊只差一個量級。秦叔寶遇到李元霸、宇文成都、裴元慶，好歹還能過上一兩招。印度才真叫慘，比中國又低了一個量級。在隋唐演義裏，就屬於被秒殺的小兵了。所以當中國為石油自給率發愁的時候，看看印度就知道什麼叫幸福了。

有趣的是，中國在石油儲量上的排名只相當於秦瓊，在石油產量上的排名卻相當於羅成——第7位。

2018年主要產油國的石油產量排行 | 中國以全球第13位的探明儲量，生產了全球第7位的石油，產量與儲量發生倒掛。製圖@陳睿婷 | 星球科學評論

這是怎麼做到的呢？因為中國的石油工作者採用了各種技術手段來彌補地質上的先天不足，通過注水、注氣、注入表面活性劑等等儘可能地把石油驅趕到地面。用專業術語説，這叫做提高採收率。實際上，地下的石油有相當部分是採不上來的，採收率就是採上來的石油佔儲量的比例。中國的儲量低，就只好在提高採收率上拼命做文章。

這很有技術含量，不過也大大抬高了成本。正如一個笑話，有人能從石頭裏榨出油來，——因為他是收税的。現在大慶油田採出來的油，就是在大量的水中漂着一星半點油花兒。這也太難了，無怪乎大慶市去造沃爾沃汽車了。

在這方面，我們又要慨嘆命運不公了。沙特的石油不但比我們多一個量級，而且很多油井居然是自噴井，打個洞就自動往外冒！還有，沙特原油的品質也比中國的強，大部分是輕質油，容易煉製。

不過煉油的能力，就不見得掌握在這些國家手裏了。不少產油大國，由於缺乏煉油技術，只能出口原油進口成品油，一被人卡脖子就抓瞎了。甚至自己國內政局一亂，就連原油都採不出來，守着金飯碗要餓死。大家一聽就知道這是哪些國家了吧？

所以世界的格局是，有些國家有大量的油，但自己不會採，不會煉，就等着躺倒讓外國技術人員幫他們採。中國是既會採也會煉，非常努力，但缺油。因為世界上容易開採和品質高的石油，大多早就被歐美佔了。

中國作為後起國家，只能在世界上努力揮鋤頭，找一些邊邊角角。我們的祖先當年錯過了大航海時代，代價延續到現在。就這還老有人説，中國不出去航海是因為沒有需求，——小農思想害死人啊！

下面，我們來解釋一下，大慶油田是不是在陸相生油理論指導下發現的。

其實，陸相生油理論可以追溯到二十世紀三四十年代。那時中國有陝西延長油礦，它是延長油田的前身；甘肅老君廟油礦，它是玉門油田的前身；以及新疆獨山子油礦，它是克拉瑪依油田的前身。這些是中國石油工業的開端，在抗日戰爭中發揮了作用。

早期的石油地質學家們基於實踐，提出了陸相生油的概念。不過直到五十年代，這種理論都是猜想大於實踐，遠不足以與海相生油理論分庭抗禮。

許多人以為，陸相生油理論是李四光提出的。其實這裏有些誤解，陸相生油理論主要的提出者，是黃汲清、謝家榮、潘鍾祥等人。李四光當然是偉大的地質學家，不過他的研究方向是構造地質學，而不是石油地質學。這兩者在外行聽起來好像差不多，但在內行看來就好比立體幾何與概率論，有聯繫，但不一樣。大家習慣於把地質界的功勞都歸於李四光，是因為他在解放後擔任地質部長、中科院副院長，有領導功績。

李四光

黃汲清

謝家榮

潘鍾祥

此外，即使是陸相生油的提出者們，最初也認為海相生油的條件要更加優越，在勘探中更值得重視。時至今日，我們已很難考證，當年那些爬冰卧雪、白手起家的石油工作者們，究竟是以什麼為指導找到大慶油田的，是陸相生油的模糊猜測，還是綜合當時的各種勘探經驗？但至少有一點可以肯定，在大慶油田發現之後，陸相生油理論就獲得了堅實的證據，真正成為了科學，指導了以後的勘探工作。

王進喜

所以，對於整個故事合理的説法是：在李四光的領導下，中國地質學家們根據勘探實踐，提出了陸相生油理論，並以此為指導，找到了許多油氣田，摘掉了貧油國的帽子。

此外，大慶油田是不是完全的陸相生油，也一直有不同意見。近年來一些研究認為，形成大慶油田的松遼古湖可能存在間斷性的大規模海侵，這可能有助於生油。

當然，這些都是細節問題。基本的圖景是，中國的科學家和鐵人王進喜等石油工作者發揮了高度的創造性和艱苦奮鬥精神，為共和國的工業化打下了基礎。我們的每一步前行，都是他們殫精竭慮拼出來的。讓我們對他們致以崇高的敬意！

下面的問題是：聽説沙特想打擊美國的頁岩氣產業，美國近年來經歷了頁岩氣革命，這個革命是真的嗎？

回答是：真的。

2004年前後，美國開始大規模的頁岩氣勘探開發，後來延伸到開採方式相似的頁岩油和緻密油氣。最初，有些人認為這是一場騙局。但事實的發展確實是，美國的石油產量扶搖直上，在2018年超過了沙特與俄羅斯，奪回了世界第一。

美國、沙特阿拉伯和俄羅斯的近年石油產量變化圖 | 2008年，美國石油產量止跌轉升，成為世界能源格局中最大的黑馬。製圖@陳睿婷 | 星球科學評論（風雲之聲注：按照不同的統計方式，分別有報道稱美國石油產量奪回世界第一是在2017年和2018年）

下面我們來解釋一下，頁岩氣是什麼。岩石在微觀層面就像海綿，內部分佈着大量的孔隙。油氣和水，就儲存在孔隙中。

電子顯微鏡下的石英砂岩 | 視場寬度4毫米，大塊的顆粒是石英砂粒，表面附着了一些黏土礦物。黑色的空間即為砂岩顆粒之間的孔隙。圖源@EMGS （中土東部地質協會，一個英國民間自發的地質工作者及愛好者協會，詳見emgs.org.uk）

常規的油氣，儲存在直徑較大的孔隙裏。較大是多大呢？微米的量級。1微米等於10的-6次方米，即1/1000毫米。油氣在這樣的粗管子裏易於流動，傳統技術就可以開採。

流體在沉積物孔隙中的流動示意圖 | 流體在孔隙內儲存和流動，孔隙喉道的尺寸是制約流動的重要指標。圖源@蘇黎世聯邦理工學院（ethz.ch），有改動

而頁岩油氣和緻密油氣，儲存在直徑較小的孔隙裏。較小的意思，是納米的量級。1納米等於10的-9次方米，即1/1000微米。油氣在這麼細的管子裏不易流動，傳統技術難以開採。所以頁岩氣雖然早就存在億萬年了，但以前並不算有效儲量。

油氣類型與儲集空間孔喉直徑的關係示意圖 | 從常規油氣到非常規的緻密和頁岩油氣，一個本質區別就是儲集空間的孔喉直徑不同，而造成這一不同的原因則是不同儲集岩石的地質特徵不同。圖源@《油價暴跌對我們意味着什麼？》的文獻[7]

常規油氣藏與非常規油氣藏示意圖 | 非常規油氣藏的規模一般大於常規油氣藏，特徵也有很大差異，因此需要不同的開採技術，如圖中的水平井。圖源@WSGS | 美國懷俄明州地調局，《油價暴跌對我們意味着什麼？》的文獻[3]，有改動

頁岩氣革命有兩項關鍵技術，一個叫水平井，一個叫壓裂。

水平井的意思顧名思義，跟傳統的垂直井相對。

水平井和垂直井的區別示意圖 | 垂直井只能有效利用一小片地層，但水平井可以利用很大一片地層。圖源@conchoenergy.net，有改動

壓裂的意思是把地下的一大片地層打碎，讓裏面的油氣釋放出來。前面我們提到那個收税官從石頭裏榨出油來的笑話，但壓裂乾的正是這樣的事情！

經過壓裂的水平井網相當於打碎了一層地層 | 地面只需要少數的井場，就可以通過特殊的鑽井方式製造井網，然後壓裂一大片地層，高效汲取油氣。圖中白色的“絮狀物”表示地下岩石中的壓裂縫，可見“打碎地層”所言非虛。圖源@fractracker.org，《油價暴跌對我們意味着什麼？》的文獻[10]

傳統的垂直井只能利用一小片地層，而水平井加壓裂可以利用很大一片地層。這就是“大力出奇跡”！

李安導演過一部電影，叫做《比利·林恩的中場戰事》，2016年上映。主角比利·林恩是一位年輕的美軍士兵，從伊拉克打仗回來。有一位頁岩氣資本家，對他的班長説：如果美國的頁岩氣技術進一步改進，我們就可以自給自足能源，你們就不需要為了佔有伊拉克的石油而去當兵了。班長大怒，反唇相譏道：我們就是因為享受殺人、享受戰爭，才去當兵的。你開採你的能源，我們殺我們的人，兩不相犯。

《比利·林恩的中場戰事》

現在的結果是，美國的能源確實自給自足了，而美國的士兵繼續在伊拉克享受戰爭。2018年，美國的緻密油和頁岩油佔據石油產量的60%，緻密氣和頁岩氣佔據天然氣產量的70%，已經成了主力。近年來大家經常聽到美國想對歐洲甚至中國出口油氣，原因就在於此。

近年來的世界石油出口格局變化 | 十年間，美國石油出口佔據的市場份額快速增長。製圖@陳睿婷 | 星球科學評論

其實，按照某些推算，頁岩氣儲量最高的國家是——中國。2013年，美國能源信息署（EIA）就是這樣估計的。

EIA根據公開資料測算的主要國家頁岩氣和緻密油技術可採儲量排名  |  技術可採儲量是指在當前技術條件可供開發的資源量，大於探明儲量，且無視經濟性。EIA原文裏，左表使用的是“頁岩油”，但結合實際報道，應改為“緻密油”更加合適。圖源@EIA  | 美國能源信息署，《油價暴跌對我們意味着什麼？》的文獻[16-17]

中國確實在積極地對頁岩氣和緻密油氣展開勘探和研究。

近年國內頁岩/緻密油氣勘探進展的相關報道 | 四川和重慶有着豐富的頁岩氣儲量。截取自@上觀新聞網，《油價暴跌對我們意味着什麼？》的文獻[25]

我就和科大近代力學系的盧德唐教授研究組合作過，用分子模擬研究天然氣在納米孔隙中的運動。

與“頁岩氣革命”相關的若干術語做關鍵詞的論文數量變化圖 | 2008年以來，以“頁岩氣”為關鍵詞的論文數量大增，2012年後，以“緻密油”為關鍵詞的論文數量大增，這體現了我國學界緊跟世界頁岩/緻密油氣潮流。製圖@陳睿婷 | 星球科學評論

2018年，中國的非常規油佔原油總產量的10%，非常規氣佔天然氣總產量的34%，其中大部分來自頁岩氣和緻密油。這可以算是有益的補充，不過比例就遠遠低於美國。這是為什麼呢？

首先，在地質稟賦方面就有差距。陸相地層的油氣潛力不如海相，又回到這個先天不足了。中國也有古老的海相地層，不過通常埋得比較深，地層變形破壞比較嚴重，油氣保存條件比較差，不利於開發。

然後，中國的地震活躍帶與頁岩油氣分佈區重合度比較高，有人擔心壓裂誘發地震。也有一些研究認為，壓裂與地震沒有關聯。無論如何，我們需要更多的研究。

中國主要的頁岩油氣和緻密油氣分佈 | 圖上可見四川及川東地區、山西、陝西、華北、東北和西北地區都有分佈。圖源@《油價暴跌對我們意味着什麼？》的文獻[18]

還有，壓裂需要大量的水，中國的水資源也不富裕。

此外，資源區地形複雜，自然條件艱苦等等。

最後，在石油巨頭們的鬥爭下，近年來油價處於低位。中國的頁岩油氣在這種背景下，只能是慘淡經營，能活下來就不錯了。你看大家都只説沙特想打擊美國的頁岩氣產業，從來沒説想打擊中國的，對不對？實在是不值得巨頭去打擊啊。大象打架，草地遭殃。

中石化勝利油田採油工轉產謀生的相關報道 | 類似的事情近年來在全國多個油田都有發生。截取自@《中國能源報》，《油價暴跌對我們意味着什麼？》的文獻[15]

但從整個國家的視角看來，低油價對中國是好事，因為我們是最大的石油進口國。具體某一個部門的損失，總可以通過整個社會產出提高後的再分配補償回來。用經濟學術語説，這叫做“帕累託改進”。這對美國不見得可行，對中國卻完全是可行的，——現在感受到社會主義的好處了吧？

最後，歡迎大家關注我們的賬號“科技袁人”。人類如果不能進步到以新能源為主，就無法持續存在下去。希望傳統能源工作者的努力取得更大的成效，為人類爭取時間，支撐到新時代。等到可控核聚變出來，我們才能衝出地球。待到山花爛漫時，她在叢中笑。

無限春光裏的採油機 | 春天是希望的季節，頁岩/緻密油氣革命的浪潮，是否能為這個行業帶來新的春天？我們拭目以待。圖源@VCG