第十章 可燃有机岩矿床

可燃有机岩矿床是指有机成因的，可燃有机矿产。按其存在状态可分为3类：固体燃料矿床，如煤、油页岩等；液态燃料矿床，如石油等；气体燃料矿床，如天然气等。根据其成因的不同将这类矿产分为三类：腐植类：泥炭、煤（褐煤)、烟煤、无烟煤；腐泥类：藻煤，石煤、油页岩；沥青类：石油、天然气、石蜡（石油的衍生物）可燃有机岩矿产在国民经济建设中占有十分重要的地位，现代能源主要由石油、煤、天然气提供。此外，可燃有机岩矿产还是化工和医药的重要原料，单从石油中可提炼出1000多种产品。

第十二章可燃有机岩矿床

第十二章可燃有机岩矿床第一节煤矿床第二节石油和天然气第三节油页岩第四节煤层气第五节油砂一、煤矿床的概念、特点煤(coal)是指在沼泽盆地中堆积的大量植物（包括高等植物和低等植物）的遗体残骸，经过沉积成岩作用形成的固态可燃矿产。根据成煤植物性质不同可分为2类：①腐殖煤，由高等植物在沼泽盆地中形成，包括褐煤、烟煤和无烟煤等；②腐泥煤，由低等植物在湖沼中形成，包括藻煤、石煤等。煤矿床产于地质历史上温暖潮湿的气候带的沉降盆地内，分布面积广；产于一定时期沼泽相或湖沼过渡相黑色或灰黑色沉积岩系内，层位稳定，产状与沉积岩层一致；矿体多呈层状或似层状，亦可呈凸镜状或豆荚状；矿石以块状、薄层状构造为主，煤层中的有机组分极易氧化，经氧化后残留的部分主要是一些粘土矿物，多表现为灰白色粘土线。二、成煤作用1.泥炭化作用植物遗体转化为泥炭是在微生物参与下发生的一个非常复杂的生物化学作用过程。早期植物遗体在沼泽浅部多氧环境下，植物的组成部分中有些被彻底分解，变成气体和水分；另一部分在微生物的作用下分解成简单的有机化合物；未遭受分解的部分，特别是稳定组分被保留。接下来，在沼泽水的覆盖下出现缺氧，早期保留下来的植物成分经厌氧细菌的分解及早期分解产物的化学合成作用转化为腐殖酸、腐殖酸盐类及沥青等；这些合成物质与部分分解的和尚未分解的植物遗体，同沼泽中的泥质混合在一起形成泥炭。2.腐泥化作用

有些低等植物如藻类等机体以脂肪和蛋白质为主，繁殖在湖泊或较深的沼泽中，死亡后遗体下沉水底，经分解形成腐泥。腐泥与泥炭不同，腐泥中沥青质多，泥炭中腐殖质多。3.煤化作用

由泥炭向褐煤、烟煤和无烟煤的转变称为煤化作用。煤化作用包括成岩作用和变质作用两大阶段。沼泽中堆积的泥炭和腐泥被泥沙等沉积物覆盖后标志着煤化作用的开始。在上覆沉积物静压力作用下，泥炭层发生压实、脱水、孔隙度减少和增碳等一系列变化，逐渐固结、煤化而转变成比重较大，较致密的褐煤。这一过程即为煤化中的成岩作用过程（图）。当褐煤层继续受到地壳下降运动的影响而逐渐埋深时，温度和压力也不断增加，引起煤层内部分子结构、物理化学性质等方面的变化，表现在结构更紧密、密度增大，并产生了粘结性，颜色变深至黑色，光泽增强，腐殖酸消失，碳质增加，褐煤逐渐变成烟煤。褐煤变成烟煤的过程是一种浅变质过程。烟煤进一步变质就成了无烟煤。无烟煤呈致密块状，硬度大，金属光泽，具导电性。三、煤的形成条件（1）植物条件煤是植物遗体变成的，有了植物才有成煤的可能。从全球煤的形成历史看，只有在植物大量繁殖时期才有大规模煤层的形成，如我国的石炭纪-二叠纪、侏罗纪和第三纪分别是孢子植物、裸子植物和被子植物繁殖的极盛时期，相应地也是最主要的3个聚煤时期。（2）气候条件潮湿、温暖的气候最有利于植物的生长和繁殖，但也有些煤形成于较冷的潮湿环境中，如冈瓦纳大陆的二叠纪煤。潮湿气候又加快植物的腐烂，同时迅速被沼泽水淹没，使植物遗体与大气水隔开，避免遭完全氧化而得以保存。（3）地理条件形成大面积的煤层必须具备发生大面积沼泽化的自然地理条件；宽缓的低洼地区最为理想，主要有滨海平原、内陆大湖泊、宽广河谷、大河口三角洲、海湾泻湖和山间盆地等。（4）构造条件地壳保持长时期平稳缓慢下降是形成较厚煤层的重要构造条件，地壳下降速度与植物埋藏和聚积速度大致平衡最为理想。同一沼泽中能形成多个煤层的条件是地壳在总体下降过程中能发生多次升降或间歇性下降。四、煤的物质组成及煤岩分类1．煤的物质组成煤的化学组成可分为有机质和无机质两大类，其中有机组分主要为碳、氢、氧、氮等元素组成的化合物，是组成煤的主体部分；无机质包括水分和矿物杂质，是影响煤质量的有害组分。煤的主要成分及特征如下：（1）碳，是煤中最主要的成分和最主要的可燃物质。煤中碳含量越高，发热量越大，煤质也越好。通常碳含量随着煤变质程度的加深而增高。（2）氢，在煤中含量较少，但比较重要，其燃烧热相当于同重量碳的4.2倍。煤中氢含量一般随变质程度加深而减少。（3）氧，含量变化较大，并随着煤化程度加深而减少，风化煤层中氧含量明显增高。（4）氮，煤中氮含量较少，主要来自成煤植物中的蛋白质。（5）硫，是煤中最有害的杂质，燃烧生成SO2既腐蚀金属设备，又污染环境。焦炭中混入硫，严重影响钢材质量。煤中无机硫以黄铁矿、石膏等形式存在。（6）磷，是煤中另一主要的有害杂质，以磷灰石和微量有机磷存在于煤中。炼铁时，焦炭中的磷进入生铁中使钢铁性能变脆。此外煤中还有砷、氯、汞、硒及氟等有害杂质，总体含量少，但局部集中时也易造成环境污染。2．煤岩分类煤岩＝植物残留体组成的具一定形态分子(木质组织碎片、孢子、花粉、胶质层、树脂、藻类等）＋基质（无一定形状和轮廓的凝胶化物质）根据形态分子和基质的比例和配合关系，分为：镜煤黑色、光泽强、质匀、性脆、具贝壳状断口，垂直层理方向裂隙发育。成分中凝胶化物质一般在95％以上，挥发分和含氢量高，灰分低，粘结性强。含镜煤较多的烟煤宜炼焦。亮煤黑色但颜色比镜煤稍浅，光泽较强，仅次于镜煤，性较脆，有时具贝壳状断口，均一程度较镜煤差，隐约可见微细层理。成分由多量凝胶化物质与少量形态分子组成。亮煤可用于炼焦。暗煤灰黑色，光泽暗淡，坚硬，致密，韧性较大，断口呈不规则状，不显层理，成分中凝胶化物质较少，矿物质含量较多，形态分子多而复杂。暗煤不适合单独炼焦。丝碳暗黑色，具纤维状结构和丝绢光泽，形如天然木炭，硬度小，脆性大，染手。薄片中丝炭的植物组织、细胞结构保存清清楚，细胞腔常被矿物填充，碳含量高，氢含量低，灰分高，不宜炼焦。3．煤的分类工业分类：根据工业用途的不同，我国将煤分为10大类，除褐煤和无烟煤之外，某余8种统称为烟煤，其主要特征和用途如下：褐煤颜色多呈褐色，光泽暗淡，有时可见到木质结构，比重最轻，含碳量及发热量较低，含水分较多，挥发分大于40％，无粘结性。一般用于化工和民用。长焰煤在烟煤中煤化程度最低，呈褐黑色，沥青光泽，燃烧时有较长的火苗，挥发分大于40％，胶质厚度在0~5mm之间，粘结性差，主要用于燃料及化工工业中干馏焦油。气煤为低煤化烟煤，黑色，弱玻璃光泽，挥发分大于30％，胶质厚度5~25mm，粘结性较强，加热时能产生大量气体和较多的焦油，是制造煤气的优质原料，也是良好的炼焦配煤。肥煤为中等煤化的烟煤，黑色，玻璃光泽，挥发分在25％左右，加热时产生较多的胶质体，胶质最大厚度大于25mm，粘结性最强，是炼焦配煤的主要煤种。焦煤为中等煤化的烟煤，黑色，玻璃光泽，挥发分大于14%~30%，胶质最大厚度25~28mm，粘结性和出焦量均较好，是炼焦炭的最好用煤。瘦煤属高等煤化烟煤，黑色，强玻璃光泽，挥发分14%~20%，胶质厚度0~12mm，粘结性弱，主要作炼焦配煤。弱粘煤属低-中等煤化的烟煤，挥发分大于20%~37%，加热时仅能产生少量胶质体，粘结性很弱，胶质厚度0~9mm，作燃料及气化煤原料。不粘煤属低-中等煤化的烟煤，挥发分大于20%~37%，无黏结性，作动力、民用气化用煤。贫煤是煤化程度最高的一种烟煤，灰黑色，具极强玻璃光泽，挥发分大于10%~20%，加热时不产生胶质体，无粘结性，燃烧火焰短，多为动力或民用煤。无烟煤是煤化程度及变质程度最高的煤种，呈灰黑色，似金属光泽，硬度和比重在所有煤种中最大，火力耐久，含碳高而含氢最低，挥发分0~10%，为民用煤及化工用煤。五、煤层和含煤岩系1．煤层煤层(coalbed)是自然界中植物遗体聚集层经过成煤作用后形成的可燃有机岩层，是人们开采和利用的对象。煤层由煤与混入的矿物质或夹石组成。在含煤岩系正常层序中，直接伏于煤层下面的沉积表层称为煤层的底板；直接盖在煤层上面的沉积岩层称为煤层的顶板。煤层底板主要是沼泽相的粘土岩，泥质岩和粉砂岩。底板中多富含植物根化石或痕木化石，表明它曾经是成煤植物生长的土壤。煤层顶板岩石由于沉积环境的不同可分为主要的两类，即湖泊相的泥质岩、粉砂岩和浅海相的石灰岩和泥质岩；前者常含丰富的植物枝、叶化石，后者常保存较多的正常海相动物化石。煤层的厚度是指顶底板之间的垂直距离（图10-2），目前按煤层可采厚度分为薄煤层（小于1.3m）、中厚煤层（1.3~3.5m）、厚煤层（大于3.5m）。煤层分不含夹石层的简单结构煤层和含夹石层的复杂结构煤层。复杂结构煤层中夹石层少者几层，多者十几层至几十层。夹石层的岩性主要有炭质泥岩、泥质岩、砂岩，其次有粘土岩、石灰岩和砂岩，有时可见到油页岩、菱铁矿层、火山碎屑岩等2．含煤岩系含煤岩系是指聚煤盆地中的一套含有煤层的沉积岩系，简称煤系，也有人称为含煤建造。通常具有以下特点：①是一套黑色、灰黑色为主的沉积岩，包括砾岩、砂岩、泥质岩和煤层，有时也见灰岩、粘土岩、火山碎屑岩等；②煤的沉积环境主要是沼泽，因而煤系中一般都含有沼泽相沉积建造；③具明显的旋回结构，即在剖面上可见到岩性、岩相等按一定规律交替出现；④含丰富的植物化石，且多集中于煤层附近，底板多见根化石，顶板多为叶化石。（1）近海型煤系：近海型煤系的沉积区，地形多比较简单，主要为滨海平原、泻湖、海湾及浅海等。这类地区地壳多发生频繁的升降运动，即使幅度较小，也可引起较大面积的海进和海退，浅海和陆相沼泽相交替出现。近海型煤系分布面积广，岩相稳定，岩石组合较简单，旋回较清楚，煤层也稳定，对比容易，我国华北石炭-二叠纪及华南晚二叠世煤系，均为重要的近海型煤系（图10-3）。（2）内陆型煤系：内陆型煤系的沉积区为内陆地区，主要有内陆盆地、山间盆地及山前盆地等。煤系分布范围小，且全由陆相沉积物组成，其中粗碎屑比例显著增加，在煤系地层剖面上可见到各种陆相沉积呈现有规律的变化。在内陆盆地，煤系底部为河床相或湖滨三角洲相的各种粒度的砂岩，往上是河漫滩相粉砂岩，再往上则为沼泽相泥岩和煤层，煤层之上是深湖相的粘土岩和粉砂岩。在山间盆地和山前盆地，河床相砂岩之下多出现山麓相砾岩。这类煤系中煤层数目变化大，厚度稳定性较差，结构比较复杂，煤层对比难（图10-4）；我国中、新生代煤系绝大部分属于内陆型煤系，如东北、西南及陕北等地区（侏罗-第三纪）、新疆天山北麓（早、中侏罗世）。1．聚煤盆地是指在同一构造单元内为含煤岩系提供沉积场所的盆地。按成因聚煤盆地可分成侵蚀盆地和坳陷盆地。（1）侵蚀盆地：盆地的形成与构造运动无关，完全是由侵蚀作用而形成的，其特点是盆地基底常起伏不平，形成的煤系厚度小，变化大，分布零星，我国云南省第三纪的一些煤田中常见这种类型（图10-5）。

六、聚煤盆地、煤田（2）坳陷盆地：盆地的形成直接受控于地壳的构造运动，构造运动引起基底逐渐沉降，沉降物不断地补偿过程中形成的聚煤盆地。挤压作用引起的坳陷盆地：这类盆地常形成波状起伏的坳陷，盆地坳陷范围大，沉降幅度中间大、边部小，形成的煤系中间厚，最厚可达数百米，向两边逐渐变薄（图10-6）。（3）断陷盆地：断块升降作用产生的聚煤盆地，其特点是盆地一侧或两侧有断裂分布，基底面不连续（图10-7）。辽宁省阜新煤盆地属断陷盆地，为侏罗纪以后断裂带长期活动造成断块下陷造成。煤系由一套洪积、冲积和湖相陆源碎屑岩组成，岩性厚度变化都很大。2．煤田指聚煤盆地经后期构造改造后保留下来的产煤区域。一个聚煤盆地被后期构造改造后常分隔成若干个煤田。煤田面积变化大，从数平方公里至数百平方公里，最大可达上千平方公里。3．我国主要的成煤时代我国主要的成煤时期为石炭纪、二叠纪、三叠纪、侏罗纪、白垩纪和第三纪；其中以晚石炭-早二叠世、侏罗纪和第三纪最为重要，主要聚煤期、地理分布及主要特点如下（表10-1）。

第十二章可燃有机岩矿床第一节煤矿床第二节石油和天然气第三节油页岩第四节煤层气第五节油砂石油（oil）又称原油，是一种从地下开采出的可燃液体矿产。石油经分馏后可以得到石油醚、汽油、煤油、柴油、润滑油和沥青残留物。石油是重要的燃料，被称为“工业的血液”，同时也是化工原料，是各种洗涤剂、合成纤维、合成橡胶、塑料以及农药、化肥、医药等方面的原料。天然气（naturalgas）通常指油气田气或气田气（不包括煤层气），其化学成分以甲烷为主，其次为乙烷、丙烷、丁烷及少量的CO2、CO、H2S、N2、He及其他气体。天然气由于其热值高、燃烧充分、热效率高、运输方便，在工业和民用燃料、动力等方面得到越来越广泛的应用，同时也是化工产品、人造蛋白质及医药的原料。石油和天然气1．石油的化学成分石油是主要由烷烃、环烷烃和芳香烃组成的混合物。烷烃是石油的重要成分，其分子通式是CnH2n+2，分子具直链结构。烷烃中比较简单的化合物有甲烷、乙烷、丙烷，它们的分子结构如下：烷烃中最复杂的分子有60多个碳原子。在常温常压下甲烷到丁烷是气体，戊烷到15烷为液体，16烷以上为固体。一、石油的化学成分和物理性质环烷烃的分子通式为CnH2n，分子具环状结构，例如环己烷（C6H12）的结构是：环本身相当稳定，但环上的氢原子容易被甲基替换，例如生成甲基环戊烷，化学式为(CH2)4·CHCH3。环烷烃的物理及化学性质和烷烃相似，也比较稳定。环烷烃环内的碳原子可以多到30多个。石油中最多的是环戊烷（C5H10）和环己烷（C6H12）。常温常压下环丙烷（C3H6）和甲基环丙烷（C4H8）为气体，其他单环的环烷烃都是液体。芳香烃也叫苯烃，其通式为CnH2n-6，例如苯(C6H6)，是石油芳香烃中最常见的物质，结构是：苯中的氢有时被甲基取代，生成甲苯或二甲苯。石油中除烃外，还含有数量不多的硫、氢、氧的非烃化合物。非烃化合物中重要的硫化物是硫化氢和有机硫化物。石油中以C、H、O、S、N等元素含量最多，此外还有Fe、Al、Mg、Cu、Pb、Zn等30多种元素。碳平均含量为82%~87%，氢平均含量为11%~14%，其余元素一般不超过1%。2．石油的物理性质——由于石油是有机化合物的混合物，所以不会有固定的物理常数。其一般的物理性质如下：①颜色多为黑绿色、深褐色、黑色；②原油多具有明显的气味，轻质石油有芳香味，浓而黑的石油有沥青味，少数含硫和氮的多有臭味；③密度一般在0.75~1.00g/cm3之间，大多数比水轻；④粘度取决于石蜡的含量，变化较大；⑤发热量大，燃烧时放热量约为(4.2~5)×107J/kg；⑥为非导电体，电阻率为1011~1018Ω／cm。1．石油和天然气成因多年来关于石油和天然气成因一直存在有机成因说和无机成因说2种观点。随着生产实践和科学研究的进一步深入，目前有机成因说得到了广泛的承认。主要依据是：①迄今已发现的油气田绝大部分分布于沉积岩中，油气中主要化学成分各种烃类与沉积岩中分散的烃类十分相似；②主要成油时代往往是地史中生物大量繁殖时期。但石油和天然气究竟是由哪类有机物质转化的，即生油原始物质是什么？人们曾提出石油和天然气直接起源于活的有机体，细菌是促使烃类化合物转变为更多类石油烃的主要营力。海洋生物，特别是海洋中通过光合作用产生的大量藻类，被认为是最佳的生油物质。由于在20世纪60年代发现现代沉积物中藻类合成烃类-正烷烃（C24-C34正烷烃）具有奇碳优势，而原油中无此种优势。因此认为，现代沉积物不可能生成大规模的石油。二、石油和天然气的形成作用20世纪60年代曾认为石油的生油母质来源于脂肪酸。朱格尔和艾斯马（1964）用二十二烷酸在膨润土参加下加热到200℃获得了一系列烷烃衍生物，衍生物以nC21烷烃为主，并含有少量高碳原子数的烷烃。但由于现代和古代岩石中有机质的脂肪酸含量均极低，因此脂肪酸作为大量石油的生油母质观点与地质事实不符。对沉积岩的研究表明，各种沉积物中均含有一定数量的有机质。其中，泥质岩平均为2.1%，碳酸盐岩中为0.2%，砂岩中为0.05%。目前已能从沉积有机质中提取氨基酸、类脂物、醣类物质、烃类及沥青组分，但它们只占有机质中很少一部分，而绝大部分是高分子残渣-干酪根。干酪根系指存在于沉积岩和沉积物中不溶解于有机溶剂的有机质。干酪根可以从脂肪、碳水化合物、蛋白质以及腐殖酸的一部分产生出来。1962年享特首次在隔氧条件下加热干酪根获得了烃类化合物，尔后提出了“干酪根热降解成油”观点，根据很多沉积盆地中干酪根和烃类含量变化关系研究，干酪根热降解成油观点正在被广泛的接受。从KazuoTaguchi（1988）图解中（图10-13）可以直观地了解石油的形成过程。从图10-13可以看出，石油、天然气烃类的形成可以来自3个方面：①通过生物合成作用形成的高分子烃类，由于不稳定，大部分在沉积期间被分解，对石油形成意义较小；②沉积物中有机质经转化形成中-高分子烃类，但数量少，在形成石油中只占百分之几；③有机质转化成干酪根的烃类，是形成石油的主体。近年来，随着实验技术的不断提高，通过对干酪根的热解实验，进一步揭示了干酪根随埋深的增加变化的规律，图10-14表示了干酪根演化成烃模式。从0~1km属于成岩作用干酪根未熟化阶段，该阶段从生物聚合随埋深增大发生生物化学降解作用，形成部分甲烷及残留沥青；从1~3.5km属于成岩期后的后生作用，由于地温随埋深一起增大，干酪根发生热降解，干酪根分解为液态石油、气态甲烷和“湿气”；3.5km以下由于静压力较大，温度较高，发生变质作用，烃类完全成为气态或石墨（非有机质）。2．石油和天然气形成的地质条件（1）物源和保存条件：大量的有机质来源和保存有机质的还原环境，沉积物中的有机质是生油的物质基础，其含量主要取决于沉积在水底的有机质的数量和保存条件，浅海泻湖及海湾湖盆以及三角洲地带是有利环境，滨海区海浪作用强，不利于有机物堆积和保存，深海区水体深，有机物质含量少。合适的深度和适宜的温度的还原环境有利于有机质发生生油化学变化。这种环境还要有稳定性，因为生油化学反应需要足够的时间。（2）构造条件：长期缓慢下降的深坳陷是形成石油的有利构造条件，长期缓慢下降的沉积盆地才能有大量有机质的带入，并和同时形成的沉积物一起埋藏起来。只有沉积物下降到相当的深处才能保证温度和压力升高，使有机物质热解转化成石油。含油盆地沉积厚度一般很少小于1~2km，我国东部含油盆地沉积厚度都在6~7km上。强烈的地壳构造运动对石油的生成和保存都不利。但地壳长期缓慢下沉过程中伴随着周期性的振荡运动可以造成有利于生油和储层沉积层的交替，形成有利的生油层、储油层和盖层的组合。3．生油层能生成石油和天然气的岩层为生油层(sourcebed)。在一定地质时期内，具相应岩性-岩相特征的一系列生油层与其所夹的非生油层的组合称为生油层系。如果在生油层系中有储集层存在，那么生油层系就称为含油层系。细粒沉积层是良好的生油层，主要是泥质岩类和碳酸盐岩类。泥质岩类包括泥岩、页岩、泥质粉砂岩等，它们是在安静缺氧环境下一定深度的稳定水体中形成的。浮游生物和陆源有机胶体与泥质沉积物一起大量堆积，并向油气转化，这类岩石因富含有机质及低铁化合物而颜色发暗。我国酒泉、柴达木和准噶尔各油气盆地主要生油层多半是灰黑、深灰、褐色和灰绿色的泥质岩类。碳酸盐岩类生油层以富含有机物质的石灰岩、生物灰岩和泥灰岩为主，多呈黑色、深灰色和灰色，隐晶至粉晶结构，厚层至块状，含黄铁矿、菱铁矿和生物化石。我国四川盆地在二叠纪和三叠纪的石灰岩中形成。生油层主要特征见表10-2。三、石油和天然气的运移和储集1．石油和天然气的运移

石油生成后，呈分散状态存在于生油层内，要形成油矿（油藏），还需要通过各种外力作用，首先将生油岩中分散的石油小液珠运移到一定石油圈闭（油捕）中聚集并保存形成油藏。使石油运移的主要作用是压力、浮力、毛细管作用、水的流动等。压力包括静压力和挤压应力。静压力是造成油气运移的主要因素，生油岩层被上覆静压力慢慢地压实，岩石孔隙度随之降低，使其中的流体被挤出，流到压力较小的有孔隙的地方。有人作过估算，泥质沉积物埋深350m时能挤出50％的水，埋深1200m时能挤出85％的水。当生油岩层受到挤压应力作用时，岩石褶皱变形也可以挤出一部分流体。浮力也有助于流体运移，因为油气比水轻，由于重力分异而浮于水面，多孔倾斜岩层最易造成油气沿倾斜岩层上升，发生富集。毛细管的作用是由于油、气、水与岩石之间具有不同的表面张力和润湿程度。当流体与岩石接触时，界面上的毛细管力总是指向润湿性小的流体；由于水比石油更易润湿岩石，所以在油、水相接触时界面向水突出，并产生指向石油的毛细管力。岩层中小孔隙内的毛细管力比大孔隙的大，于是在大小孔隙间形成了毛细管压力差，而压力差指向大孔隙，这样对岩石润湿性较强的水就把石油从小孔隙中驱赶到大孔隙中去。泥质岩的孔隙比砂岩小，而毛细管将砂岩中的水吸出来，同时将油气挤入到砂岩中去。这种运移作用在油气运移初期起了很大作用。水流动过程中产生驱动力，带动油气一起流动，加速石油的运移，这样的水流可由挤压或自流产生。细菌活动产生有机酸和碳酸，能使碳酸盐岩溶解，其中的油气分离出来；碳酸盐岩的溶解扩大空间使石油易于流动；溶解过程中放出CO2产生压力驱赶石油运移。2．石油和天然气的储集石油和天然气在具有储集层特性的特定部位聚集。凡是具备良好孔隙性和渗透性，能够储集油气都可作为储集层（reservoir）。孔隙性和渗透性的好坏直接影响油气的富集程度和产量，所以储集层是形成油气的必要条件之一。储集层主要有二类：（1）陆源碎屑岩类储集层：包括砾岩、砂岩和粉砂岩等。世界上约59％的较大油、气田储集在此类岩层中，其孔隙度高，砂岩平均超过25％，其他的在12%~25%之间，贯通性强，是理想的储油层。这类岩层在我国中生代陆相含油、气盆地中广泛分布。（2）碳酸盐岩储集层：包括石灰岩、白云岩、礁灰岩和生物碎屑灰岩等，其储集空间主要是溶洞及次生裂隙。世界上较大的油、气田的储量约4％产在这类岩层中，如中东地区一些特大型油田。我国碳酸盐岩地层分布广泛，应加强油气地质研究。另外还有其他类型的储集层，如火成岩、变质岩和泥岩等，当这类岩石裂隙、片理及破碎带发育时，也可成为储油层。储集层上面必须有不透水的盖层。最常见的盖层是泥岩和页岩，致密的石灰岩、白云岩和石膏也可作为盖层，甚至胶结很好的细粒砂岩也可作为盖层。3．石油和天然气的地质圈闭进入到储集层中的油气，在运移过程中遇到了遮挡，使其不能继续向前运动而聚集成油、气藏，这种聚集油气的场所称为圈闭（oiltrap）。圈闭的形成必须同时满足3个条件：①良好的储油层；②不透水的盖层；③遮挡物，遮挡物的形成是使油气最终聚集、定位成油、气藏的关键。遮挡物可以由盖层本身的拱形弯曲形成，如背斜遮挡，也可以是断层、地层不整合面、不透水岩层等。通常将油气圈闭分为构造圈闭、地层圈闭和岩性圈闭3类，以下介绍几种常见的圈闭。（1）背斜圈闭：是世界上已知油、气田中最重要的一种圈闭类型（图10-15）。油气在储集层内进行运移过程中，当遇到倾斜反向的地方，油气将趋向于在背斜顶部聚集，然后向其翼部漫延。背斜越宽缓，聚油面积也越大。科威特布尔干油田、我国大庆油田、酒泉老君庙油田都属于背斜圈闭油田。（2）断层圈闭：由于断层可造成地层的相对位移和岩石破碎，并可与地层中透水层相通，另一方面断层的错位又可使储集层与不透水层相接触而造成遮挡，同时断层泥也是很好的遮挡物（图10-16）。我国酒泉白杨河油田和准噶尔盆地的克拉玛依油田都属于断层圈闭油田。

（3）岩丘圈闭：埋于地下较深处的盐类岩层具较强的可塑性，经褶皱作用造成底劈或刺穿构造，并向上覆岩层运动形成盐丘（图10-17）。岩体向上运动时常可冲破上覆岩层，然后在地壳缓慢下降过程中与周围地层一起接受沉积。不透水的岩体成为较理想的遮挡物，主要在岩丘两侧储集层形成封闭的单斜圈闭。中东和罗马尼亚常见这种圈闭油田。

（4）不整合面圈闭：不整合是一种常见的圈闭，下面倾斜的地层被上面的地层覆盖，使油气在不整合面之下聚集（图10-18）。（5）礁灰岩圈闭：礁灰岩中含有大量孔隙和极好的渗透率，为良好的储油层，当它们被页岩等封闭时成为很好的圈闭构造。在墨西哥、美国、中东等地区均发现了与礁灰岩有关的大油田。（6）砂体圈闭：主要是河流冲积扇、三角洲、河床、滨海砂丘、砂坝等形成的砂体，它们具有很高的孔隙率和很好的渗透性，在被其他的不透水岩层超覆时，形成砂体圈闭，是油气良好的储集场所。四、油气盆地时、空分布规律1．油气盆地空间分布规律——目前全世界已发现工业油、气盆地约160个，其中25个盆地集中了已知石油总量的86％，按照其形成的动力学背景，可分为以下几种类型：（1）复合型盆地：位于克拉通内部，平面呈线状或椭圆形，剖面形态不对称，具有多旋回沉积特征，盆地形成经历了多期拉伸和挤压作用，多以拉伸作用为主。如美洲、澳大利亚及西伯利亚地区的油气盆地，这类盆地约含有世界油气储量的25％。（2）坳陷型盆地：位于开阔海洋至内海或海湾，形态为不对称大型线状盆地。此类盆地含油、气丰富，油气储量分别占世界油气总储量的54％和38％，主要有中东、委内瑞拉、墨西哥湾、加勒比海等大油、气盆地及中国南海油、气盆地。（3）裂谷型盆地：位于靠近克拉通或其内的盆地，包括地堑和半地堑型盆地，如利比亚的锡尔特油盆。这类盆地虽不多，但却含有世界已知石油储量的12％。（4）走滑拉分型盆地：大型走滑断裂活动引起地块沉降，形成拉分型盆地，为窄的菱形状盆地，盆地边界为走滑断裂及其次级断裂，沉积中心由走滑断裂旁侧向外迁移，形成叠瓦状沉积组合，柴达木油气盆地为典型的拉分型盆地，其形成受阿尔金北东向左行走滑及其次级的柴达木周边右行走滑断裂控制。目前在郯-庐断裂分布区发现了一些受中生代郯-庐断裂左行走滑控制的拉分型含油、气盆地，研究有待进一步深入，拉分型油、气盆地近几年才受到关注，其储量难以评估。（5）弧前和弧后型盆地：分布在弧型会聚板块边缘，常形成盆地群，盆地中一般堆积有第三系的碎屑沉积，也是很重要的生油盆地。2．油、气盆地时间分布规律——从世界范围看，主要的成油时代集中在古生代、中生代和第三纪。（1）古生代约占世界石油储量的14％和天然气的29％；石油主要蕴藏在泥盆-石炭纪地层中，天然气集中于二叠纪地层中。油、气区主要集中在欧洲，北美、中东和北非，是在稳定克拉通中的海盆环境形成的。（2）中生代约占世界石油储量的54％和天然气的44％，以白垩系油、气储量最大，主要分布在：①凹陷盆地，具世界性特点；②造山前缘地区（整个美洲西部）；③被动大陆边缘（澳洲、非洲及南美洲）。（3）第三纪约占世界石油储量的32％和天然气的27％，主要集中在中东海湾地区（世界70％以上特大型油田产于本区），美洲加勒比海、欧洲、西亚及澳洲会聚板块前缘地带。我国油、气形成时代主要为中生代和和第三纪，少数为古生代，盆地类型包括复合型、裂谷型、拉分型及坳陷型等，以陆相油、气盆地为主。著名的油田有大庆、胜利、辽河、大港、中原、克拉玛依等。第十二章可燃有机岩矿床第一节煤矿床第二节石油和天然气第三节油页岩第四节煤层气第五节油砂

油页岩（oilshale）和煤一样也是一种固态可燃有机矿产。将油页岩进行低温干馏，可以获得汽油、柴油、煤油、润滑油、石蜡、沥青以及氨水、硫化沥青等一系列化工原料；将油页岩进行高温干馏，可获得焦油等。所以油页岩是石油和天然气的补充或后备资源。1．油页岩的基本特征油页岩的物质组成分为有机质和无机质两部分。有机质主要是油母（不溶于CCl4），也有一些沥青（溶于CCl4）。无机质主要是很细的石英、粘土矿物和碳酸盐矿物。油页岩颜色为浅褐、绿、暗褐至黑色，通常颜色愈深含油率愈高。油页岩无光泽，但指甲刻画会留下具光泽的油迹；富韧性和弹性。油页岩薄片可直接点燃，火焰高，发出沥青臭味。油页岩比重较一般泥页岩小（约1.71~2.13），含油率愈高的油页岩比重愈小。2．油页岩的形成作用形成油页岩的有机质来源，主要是来自湖海中的藻类、菌类、动物类（如放射虫、软体及节肢动物、鱼类及腕足类）及高等植物的部分遗体。成因上，油页岩与腐泥煤基本相同，沉入水底的生物遗体首先发生生物化学分解作用。在成岩作用期间，发生生物化学降解作用，随着温度和压力的逐渐增加有机质最后形成干酪根（油母与沥青）。油页岩主要形成于亚热带的浅海、泻湖及湖泊环境，大部分油页岩呈薄层状或厚约几毫米的纹层状产出，由细碎屑和有机质交互组成。浮游藻类等生物的季节性或年度性大繁殖是形成有机纹理层的重要原因。富含氧的表层水使浮游生物等得以生长，缺氧的底层水使有机质能够被保存。第十二章可燃有机岩矿床第一节煤矿床第二节石油和天然气第三节油页岩第四节煤层气第五节油砂煤层气煤层气（coalbedgas）又称煤层甲烷（coalbedmethane），是一种由煤生成，以CH4为主的非常规气。煤矿在开采过程中不时涌出或爆炸的“瓦斯”就是煤层气。通过对大量煤层气体的研究和测定可知，煤层气是包括无机气体成分、C1~C6正构烷烃、异构烷烃、环烷烃和芳烃气体成分在内的一种混合气体，但以甲烷为主，一般占气体组成的80％~90％以上，乙烷以上重烃气体含量较低，一般小于5％。N2和CO2往往是含量仅次于CH4的气体成分，分别可达20％~5％和5％以下。煤层气是一种洁净能源，勘查开发利用煤层气有助于改善能源结构和生态环境。煤层气作为一种新能源开发利用，具有极大的经济价值和社会效益。迄今为止，世界上开展煤层气勘查、开发和研究的国家和地区已达30余个，但只有美国进入了商业性工业生产，成功地建立了煤层气工业体系，加拿大和澳大利亚也有所突破。截止2001年，美国圣胡安、黑勇士皮申斯、粉河等盆地煤层气生产井有14000余口，年产量已达480亿m3，超过全国天然气年总产量的5%。我国是世界第一产煤大国，煤层多，分布面积广。20世纪80年代以来，煤炭、石油和地矿系统以及有关高校和研究单位进行了一系列煤层气重大研究和勘探开发工作，在近30个矿区施工煤层气参数井或开发试验井约210口，先后在山西柳林、三交、石楼、乡宁、晋城、寿阳，辽宁铁法、阜新，淮南新集，陕西韩城等地区获得工业气流，提交了约1000亿m3的工业储量，同时取得了一批理论研究成果，概略地查明了我国煤层气资源的分布赋存格局。煤炭源于陆生高等植物，煤的原始有机物质主要是碳水化合物、木质素，成煤作用由泥炭化和煤化作用2个阶段完成。由植物-泥炭-褐煤-烟煤-无烟煤，是经过未成岩-成岩-变质作用-泥炭化-煤化的全过程。泥炭化阶段（成岩期前），有机质在低温(<50℃)和近地表氧化环境中，由于细菌的作用，生成少量甲烷及二氧化碳，呈水溶状态或游离状态而散失。褐煤阶段已经进入成岩阶段，属煤化作用的未变质阶段。此期是干酪根的未成熟期，地温在50℃左右，镜质体反射率Ro≈0.5％，有机质热降解作用已经开始并且逐步加深，生物化学作用逐步减弱，主要生成甲烷及其他挥发物。一、煤层气的形成作用烟煤阶段的长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤属煤化作用的低-中变质阶段，Ro为0.5％～2.0％。此期是干酪根的成熟期，已经进入生油门限，沉积物埋深达到1000～4500m，地温达50～150℃，有机质经过热降解，有重烃、轻烃、甲烷及其他挥发物产出。煤化作用的后期是高变质阶段，一般将贫煤与无烟煤划在这一阶段，Ro>2.0％，此期是干酪根过成熟期，地温>150℃，埋深>4500m，热降解产物主要是甲烷。煤岩是煤层气的气源岩，又是储集岩。因为煤岩基质是由微细颗粒联结在一起的，颗粒间有无数成岩作用中形成的细微孔隙。同时，煤岩在成岩过程中形成层理时，也形成垂直于层面的面割理和端割理，可将煤岩基质分割成大小不等的三维网格状裂隙，相互连通构成一体。由于沉积或构造变动的影响，煤岩层又可形成更为复杂的各向相异的节理，有些形成穿层的大的裂隙通道，使煤岩自身形成一定的孔隙空间和渗滤通道，作为煤层气藏（田）的储集岩层。当然，由于煤岩类型的差别，同一含煤盆地不同的构造部位，或不同层位的储集岩性能各不相同。二、煤层气的运移与储集煤化作用是沉积有机质腐殖型干酪根的热降解过程。热降解作用分离出来的CH4等挥发物一部分游离在煤岩的微孔隙及裂隙之中，一部分溶解在孔隙或裂隙的水中，还有一部分通过分子渗滤或微粒渗透，运移到煤层的顶、底板岩层或穿透顶、底板扩散到其他岩层之中。在烃类初次运移过程中，当渗滤通道有利，其他岩层又有良好的储集空间的圈闭条件时，CH4

或其他挥发物质就会聚集储存下来，形成气藏（田），这就是一般意义的煤层气藏（田）。煤层气藏(田)产出的CH4绝大部分是煤岩层中的吸附气，它的储集量远远大于储存在孔隙、裂隙中的游离气和溶解气。它的气源岩是腐殖型的煤岩层，但它的储集条件具有常规天然气藏（田）的基本特征。并不是所有含煤区都可找到丰富的煤成气田，煤成气的形成必须满足以下基本条件：（1）构造条件：是决定含煤盆地中形成煤气田的首要因素。边缘坳陷、褶皱带中的多旋回盆地及长期缓慢下降的坳陷盆地对煤成气的形成和保存非常有利。由于地壳抬升而造成强烈剥蚀的煤盆地煤埋藏很浅或直接出露地表，不利于形成煤成气田。（2）沉积条件：与石油及油成气类似，形成煤层气需具备生气岩、储集岩和覆盖岩的成气、储气和封闭的配套体系。生气岩是产生煤层气的岩层，包括煤层和含煤建造，其厚度越大，有机质越丰富越有利于成气作用。储集岩是容纳和储集煤层气岩石，其孔隙度高，渗透率大时，储集煤层气性能越好，如砂砾岩、细砾岩等。盖层岩封闭储集岩层，使煤层气得以保存，理想的盖层有①膏盐类，其渗透率极低，具良好的可塑性能；②泥岩类，孔隙度虽高，但渗透率低；③致密砂岩，孔隙率和渗透率均较低。（3）热力条件：由于煤层气是在煤的成岩和变质作用过程中形成的，温度条件至关重要。煤在埋藏到一定的深度后温度升高，从成岩到变质，在这个过程中煤中有机质转化成煤层气或液烃类。三、煤层气的形成条件第十二章可燃有机岩矿床第一节煤矿床第二节石油和天然气第三节油页岩第四节煤层气第五节油砂

油砂（oilsand），是指地壳表层的碎屑物或岩石与其中所含的水和沥青形成的混合物的统称。油砂矿具有以下几个特点：①通常含有80－90%的无机质（砂、矿物等）、3－6%的水和6－20%的沥青，油砂沥青是烃类和非烃类有机物质，是稠粘的半固体。②沥青流动性极差，一般不能以打井开采原油、稠油的方法来获取油砂沥青。③油砂中的沥青大部分溶于有机溶剂，而有别于油页岩中有机质不能溶于有机溶剂。④油砂中的沥青多来自降解作用，正构石腊族烃达到了几乎耗尽的程度，因此饱和馏分中没有或几乎没有正构石腊族烃。主要是由于生物降解、轻烃挥发、水洗、游离氧化等冷变质作用,造成油质中的石腊族烃降解和极性杂原子重组分（胶质、沥青质）富集的结果。油砂是重要的石油天然气的替代资源。据统计，世界油砂资源折合成重油约为300～600Gt，远远大于世界天然石油的探明储量。2002年，世界将油砂资源计入石油储量后，世界石油可采储量年增17.6%，其中95%蕴藏分布在加拿大阿尔伯达省。据2005年最新资料统计，加拿大石油储量可达1800亿桶，仅次于沙特阿拉伯，位居世界第二。而在2002年以前，其仅仅排在世界原油储量的第15位。这一变化并非由于加拿大在石油勘探领域获得重大发现，而是其拥有世界可探明的95％的非常规原油资源——油砂。加拿大凭借其丰富的油砂资源以及先进的开采、提炼技术一跃成为世界第七大石油生产国。然而，对于油砂的开发利用目前还仅限于少数几个国家。加拿大有两家公司（Syncrude和Suncor）在进行大规模工业