可燃有機巖礦床是指有機成因的，可燃有機礦產。按其存在狀態可分為3類：固體燃料礦床，如煤、油頁巖等；液態燃料礦床，如石油等；氣體燃料礦床，如天然氣等。根據其成因的不同將這類礦產分為三類：腐植類：泥炭、煤（褐煤)、煙煤、無煙煤；腐泥類：藻煤，石煤、油頁巖；瀝青類：石油、天然氣、石蠟（石油的衍生物）可燃有機巖礦產在國民經濟建設中占有十分重要的地位，現代能源主要由石油、煤、天然氣提供。此外，可燃有機巖礦產還是化工和醫藥的重要原料，單從石油中可提煉出1000多種產品。

第十二章可燃有機巖礦床

第十二章可燃有機巖礦床第一節煤礦床第二節石油和天然氣第三節油頁巖第四節煤層氣第五節油砂一、煤礦床的概念、特點煤(coal)是指在沼澤盆地中堆積的大量植物（包括高等植物和低等植物）的遺體殘骸，經過沉積成巖作用形成的固態可燃礦產。根據成煤植物性質不同可分為2類：①腐殖煤，由高等植物在沼澤盆地中形成，包括褐煤、煙煤和無煙煤等；②腐泥煤，由低等植物在湖沼中形成，包括藻煤、石煤等。煤礦床產于地質歷史上溫暖潮濕的氣候帶的沉降盆地內，分布面積廣；產于一定時期沼澤相或湖沼過渡相黑色或灰黑色沉積巖系內，層位穩定，產狀與沉積巖層一致；礦體多呈層狀或似層狀，亦可呈凸鏡狀或豆莢狀；礦石以塊狀、薄層狀構造為主，煤層中的有機組分極易氧化，經氧化后殘留的部分主要是一些粘土礦物，多表現為灰白色粘土線。二、成煤作用1.泥炭化作用植物遺體轉化為泥炭是在微生物參與下發生的一個非常復雜的生物化學作用過程。早期植物遺體在沼澤淺部多氧環境下，植物的組成部分中有些被徹底分解，變成氣體和水分；另一部分在微生物的作用下分解成簡單的有機化合物；未遭受分解的部分，特別是穩定組分被保留。接下來，在沼澤水的覆蓋下出現缺氧，早期保留下來的植物成分經厭氧細菌的分解及早期分解產物的化學合成作用轉化為腐殖酸、腐殖酸鹽類及瀝青等；這些合成物質與部分分解的和尚未分解的植物遺體，同沼澤中的泥質混合在一起形成泥炭。2.腐泥化作用

有些低等植物如藻類等機體以脂肪和蛋白質為主，繁殖在湖泊或較深的沼澤中，死亡后遺體下沉水底，經分解形成腐泥。腐泥與泥炭不同，腐泥中瀝青質多，泥炭中腐殖質多。3.煤化作用

由泥炭向褐煤、煙煤和無煙煤的轉變稱為煤化作用。煤化作用包括成巖作用和變質作用兩大階段。沼澤中堆積的泥炭和腐泥被泥沙等沉積物覆蓋后標志著煤化作用的開始。在上覆沉積物靜壓力作用下，泥炭層發生壓實、脫水、孔隙度減少和增碳等一系列變化，逐漸固結、煤化而轉變成比重較大，較致密的褐煤。這一過程即為煤化中的成巖作用過程（圖）。當褐煤層繼續受到地殼下降運動的影響而逐漸埋深時，溫度和壓力也不斷增加，引起煤層內部分子結構、物理化學性質等方面的變化，表現在結構更緊密、密度增大，并產生了粘結性，顏色變深至黑色，光澤增強，腐殖酸消失，碳質增加，褐煤逐漸變成煙煤。褐煤變成煙煤的過程是一種淺變質過程。煙煤進一步變質就成了無煙煤。無煙煤呈致密塊狀，硬度大，金屬光澤，具導電性。三、煤的形成條件（1）植物條件煤是植物遺體變成的，有了植物才有成煤的可能。從全球煤的形成歷史看，只有在植物大量繁殖時期才有大規模煤層的形成，如我國的石炭紀-二疊紀、侏羅紀和第三紀分別是孢子植物、裸子植物和被子植物繁殖的極盛時期，相應地也是最主要的3個聚煤時期。（2）氣候條件潮濕、溫暖的氣候最有利于植物的生長和繁殖，但也有些煤形成于較冷的潮濕環境中，如岡瓦納大陸的二疊紀煤。潮濕氣候又加快植物的腐爛，同時迅速被沼澤水淹沒，使植物遺體與大氣水隔開，避免遭完全氧化而得以保存。（3）地理條件形成大面積的煤層必須具備發生大面積沼澤化的自然地理條件；寬緩的低洼地區最為理想，主要有濱海平原、內陸大湖泊、寬廣河谷、大河口三角洲、海灣瀉湖和山間盆地等。（4）構造條件地殼保持長時期平穩緩慢下降是形成較厚煤層的重要構造條件，地殼下降速度與植物埋藏和聚積速度大致平衡最為理想。同一沼澤中能形成多個煤層的條件是地殼在總體下降過程中能發生多次升降或間歇性下降。四、煤的物質組成及煤巖分類1．煤的物質組成煤的化學組成可分為有機質和無機質兩大類，其中有機組分主要為碳、氫、氧、氮等元素組成的化合物，是組成煤的主體部分；無機質包括水分和礦物雜質，是影響煤質量的有害組分。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質。煤中碳含量越高，發熱量越大，煤質也越好。通常碳含量隨著煤變質程度的加深而增高。（2）氫，在煤中含量較少，但比較重要，其燃燒熱相當于同重量碳的4.2倍。煤中氫含量一般隨變質程度加深而減少。（3）氧，含量變化較大，并隨著煤化程度加深而減少，風化煤層中氧含量明顯增高。（4）氮，煤中氮含量較少，主要來自成煤植物中的蛋白質。（5）硫，是煤中最有害的雜質，燃燒生成SO2既腐蝕金屬設備，又污染環境。焦炭中混入硫，嚴重影響鋼材質量。煤中無機硫以黃鐵礦、石膏等形式存在。（6）磷，是煤中另一主要的有害雜質，以磷灰石和微量有機磷存在于煤中。煉鐵時，焦炭中的磷進入生鐵中使鋼鐵性能變脆。此外煤中還有砷、氯、汞、硒及氟等有害雜質，總體含量少，但局部集中時也易造成環境污染。2．煤巖分類煤巖＝植物殘留體組成的具一定形態分子(木質組織碎片、孢子、花粉、膠質層、樹脂、藻類等）＋基質（無一定形狀和輪廓的凝膠化物質）根據形態分子和基質的比例和配合關系，分為：鏡煤黑色、光澤強、質勻、性脆、具貝殼狀斷口，垂直層理方向裂隙發育。成分中凝膠化物質一般在95％以上，揮發分和含氫量高，灰分低，粘結性強。含鏡煤較多的煙煤宜煉焦。亮煤黑色但顏色比鏡煤稍淺，光澤較強，僅次于鏡煤，性較脆，有時具貝殼狀斷口，均一程度較鏡煤差，隱約可見微細層理。成分由多量凝膠化物質與少量形態分子組成。亮煤可用于煉焦。暗煤灰黑色，光澤暗淡，堅硬，致密，韌性較大，斷口呈不規則狀，不顯層理，成分中凝膠化物質較少，礦物質含量較多，形態分子多而復雜。暗煤不適合單獨煉焦。絲碳暗黑色，具纖維狀結構和絲絹光澤，形如天然木炭，硬度小，脆性大，染手。薄片中絲炭的植物組織、細胞結構保存清清楚，細胞腔常被礦物填充，碳含量高，氫含量低，灰分高，不宜煉焦。3．煤的分類工業分類：根據工業用途的不同，我國將煤分為10大類，除褐煤和無煙煤之外，某余8種統稱為煙煤，其主要特征和用途如下：褐煤顏色多呈褐色，光澤暗淡，有時可見到木質結構，比重最輕，含碳量及發熱量較低，含水分較多，揮發分大于40％，無粘結性。一般用于化工和民用。長焰煤在煙煤中煤化程度最低，呈褐黑色，瀝青光澤，燃燒時有較長的火苗，揮發分大于40％，膠質厚度在0~5mm之間，粘結性差，主要用于燃料及化工工業中干餾焦油。氣煤為低煤化煙煤，黑色，弱玻璃光澤，揮發分大于30％，膠質厚度5~25mm，粘結性較強，加熱時能產生大量氣體和較多的焦油，是制造煤氣的優質原料，也是良好的煉焦配煤。肥煤為中等煤化的煙煤，黑色，玻璃光澤，揮發分在25％左右，加熱時產生較多的膠質體，膠質最大厚度大于25mm，粘結性最強，是煉焦配煤的主要煤種。焦煤為中等煤化的煙煤，黑色，玻璃光澤，揮發分大于14%~30%，膠質最大厚度25~28mm，粘結性和出焦量均較好，是煉焦炭的最好用煤。瘦煤屬高等煤化煙煤，黑色，強玻璃光澤，揮發分14%~20%，膠質厚度0~12mm，粘結性弱，主要作煉焦配煤。弱粘煤屬低-中等煤化的煙煤，揮發分大于20%~37%，加熱時僅能產生少量膠質體，粘結性很弱，膠質厚度0~9mm，作燃料及氣化煤原料。不粘煤屬低-中等煤化的煙煤，揮發分大于20%~37%，無黏結性，作動力、民用氣化用煤。貧煤是煤化程度最高的一種煙煤，灰黑色，具極強玻璃光澤，揮發分大于10%~20%，加熱時不產生膠質體，無粘結性，燃燒火焰短，多為動力或民用煤。無煙煤是煤化程度及變質程度最高的煤種，呈灰黑色，似金屬光澤，硬度和比重在所有煤種中最大，火力耐久，含碳高而含氫最低，揮發分0~10%，為民用煤及化工用煤。五、煤層和含煤巖系1．煤層煤層(coalbed)是自然界中植物遺體聚集層經過成煤作用后形成的可燃有機巖層，是人們開采和利用的對象。煤層由煤與混入的礦物質或夾石組成。在含煤巖系正常層序中，直接伏于煤層下面的沉積表層稱為煤層的底板；直接蓋在煤層上面的沉積巖層稱為煤層的頂板。煤層底板主要是沼澤相的粘土巖，泥質巖和粉砂巖。底板中多富含植物根化石或痕木化石，表明它曾經是成煤植物生長的土壤。煤層頂板巖石由于沉積環境的不同可分為主要的兩類，即湖泊相的泥質巖、粉砂巖和淺海相的石灰巖和泥質巖；前者常含豐富的植物枝、葉化石，后者常保存較多的正常海相動物化石。煤層的厚度是指頂底板之間的垂直距離（圖10-2），目前按煤層可采厚度分為薄煤層（小于1.3m）、中厚煤層（1.3~3.5m）、厚煤層（大于3.5m）。煤層分不含夾石層的簡單結構煤層和含夾石層的復雜結構煤層。復雜結構煤層中夾石層少者幾層，多者十幾層至幾十層。夾石層的巖性主要有炭質泥巖、泥質巖、砂巖，其次有粘土巖、石灰巖和砂巖，有時可見到油頁巖、菱鐵礦層、火山碎屑巖等2．含煤巖系含煤巖系是指聚煤盆地中的一套含有煤層的沉積巖系，簡稱煤系，也有人稱為含煤建造。通常具有以下特點：①是一套黑色、灰黑色為主的沉積巖，包括礫巖、砂巖、泥質巖和煤層，有時也見灰巖、粘土巖、火山碎屑巖等；②煤的沉積環境主要是沼澤，因而煤系中一般都含有沼澤相沉積建造；③具明顯的旋回結構，即在剖面上可見到巖性、巖相等按一定規律交替出現；④含豐富的植物化石，且多集中于煤層附近，底板多見根化石，頂板多為葉化石。（1）近海型煤系：近海型煤系的沉積區，地形多比較簡單，主要為濱海平原、瀉湖、海灣及淺海等。這類地區地殼多發生頻繁的升降運動，即使幅度較小，也可引起較大面積的海進和海退，淺海和陸相沼澤相交替出現。近海型煤系分布面積廣，巖相穩定，巖石組合較簡單，旋回較清楚，煤層也穩定，對比容易，我國華北石炭-二疊紀及華南晚二疊世煤系，均為重要的近海型煤系（圖10-3）。（2）內陸型煤系：內陸型煤系的沉積區為內陸地區，主要有內陸盆地、山間盆地及山前盆地等。煤系分布范圍小，且全由陸相沉積物組成，其中粗碎屑比例顯著增加，在煤系地層剖面上可見到各種陸相沉積呈現有規律的變化。在內陸盆地，煤系底部為河床相或湖濱三角洲相的各種粒度的砂巖，往上是河漫灘相粉砂巖，再往上則為沼澤相泥巖和煤層，煤層之上是深湖相的粘土巖和粉砂巖。在山間盆地和山前盆地，河床相砂巖之下多出現山麓相礫巖。這類煤系中煤層數目變化大，厚度穩定性較差，結構比較復雜，煤層對比難（圖10-4）；我國中、新生代煤系絕大部分屬于內陸型煤系，如東北、西南及陜北等地區（侏羅-第三紀）、新疆天山北麓（早、中侏羅世）。1．聚煤盆地是指在同一構造單元內為含煤巖系提供沉積場所的盆地。按成因聚煤盆地可分成侵蝕盆地和坳陷盆地。（1）侵蝕盆地：盆地的形成與構造運動無關，完全是由侵蝕作用而形成的，其特點是盆地基底常起伏不平，形成的煤系厚度小，變化大，分布零星，我國云南省第三紀的一些煤田中常見這種類型（圖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殼的構造運動，構造運動引起基底逐漸沉降，沉降物不斷地補償過程中形成的聚煤盆地。擠壓作用引起的坳陷盆地：這類盆地常形成波狀起伏的坳陷，盆地坳陷范圍大，沉降幅度中間大、邊部小，形成的煤系中間厚，最厚可達數百米，向兩邊逐漸變薄（圖10-6）。（3）斷陷盆地：斷塊升降作用產生的聚煤盆地，其特點是盆地一側或兩側有斷裂分布，基底面不連續（圖10-7）。遼寧省阜新煤盆地屬斷陷盆地，為侏羅紀以后斷裂帶長期活動造成斷塊下陷造成。煤系由一套洪積、沖積和湖相陸源碎屑巖組成，巖性厚度變化都很大。2．煤田指聚煤盆地經后期構造改造后保留下來的產煤區域。一個聚煤盆地被后期構造改造后常分隔成若干個煤田。煤田面積變化大，從數平方公里至數百平方公里，最大可達上千平方公里。3．我國主要的成煤時代我國主要的成煤時期為石炭紀、二疊紀、三疊紀、侏羅紀、白堊紀和第三紀；其中以晚石炭-早二疊世、侏羅紀和第三紀最為重要，主要聚煤期、地理分布及主要特點如下（表10-1）。

第十二章可燃有機巖礦床第一節煤礦床第二節石油和天然氣第三節油頁巖第四節煤層氣第五節油砂石油（oil）又稱原油，是一種從地下開采出的可燃液體礦產。石油經分餾后可以得到石油醚、汽油、煤油、柴油、潤滑油和瀝青殘留物。石油是重要的燃料，被稱為“工業的血液”，同時也是化工原料，是各種洗滌劑、合成纖維、合成橡膠、塑料以及農藥、化肥、醫藥等方面的原料。天然氣（naturalgas）通常指油氣田氣或氣田氣（不包括煤層氣），其化學成分以甲烷為主，其次為乙烷、丙烷、丁烷及少量的CO2、CO、H2S、N2、He及其他氣體。天然氣由于其熱值高、燃燒充分、熱效率高、運輸方便，在工業和民用燃料、動力等方面得到越來越廣泛的應用，同時也是化工產品、人造蛋白質及醫藥的原料。石油和天然氣1．石油的化學成分石油是主要由烷烴、環烷烴和芳香烴組成的混合物。烷烴是石油的重要成分，其分子通式是CnH2n+2，分子具直鏈結構。烷烴中比較簡單的化合物有甲烷、乙烷、丙烷，它們的分子結構如下：烷烴中最復雜的分子有60多個碳原子。在常溫常壓下甲烷到丁烷是氣體，戊烷到15烷為液體，16烷以上為固體。一、石油的化學成分和物理性質環烷烴的分子通式為CnH2n，分子具環狀結構，例如環己烷（C6H12）的結構是：環本身相當穩定，但環上的氫原子容易被甲基替換，例如生成甲基環戊烷，化學式為(CH2)4·CHCH3。環烷烴的物理及化學性質和烷烴相似，也比較穩定。環烷烴環內的碳原子可以多到30多個。石油中最多的是環戊烷（C5H10）和環己烷（C6H12）。常溫常壓下環丙烷（C3H6）和甲基環丙烷（C4H8）為氣體，其他單環的環烷烴都是液體。芳香烴也叫苯烴，其通式為CnH2n-6，例如苯(C6H6)，是石油芳香烴中最常見的物質，結構是：苯中的氫有時被甲基取代，生成甲苯或二甲苯。石油中除烴外，還含有數量不多的硫、氫、氧的非烴化合物。非烴化合物中重要的硫化物是硫化氫和有機硫化物。石油中以C、H、O、S、N等元素含量最多，此外還有Fe、Al、Mg、Cu、Pb、Zn等30多種元素。碳平均含量為82%~87%，氫平均含量為11%~14%，其余元素一般不超過1%。2．石油的物理性質——由于石油是有機化合物的混合物，所以不會有固定的物理常數。其一般的物理性質如下：①顏色多為黑綠色、深褐色、黑色；②原油多具有明顯的氣味，輕質石油有芳香味，濃而黑的石油有瀝青味，少數含硫和氮的多有臭味；③密度一般在0.75~1.00g/cm3之間，大多數比水輕；④粘度取決于石蠟的含量，變化較大；⑤發熱量大，燃燒時放熱量約為(4.2~5)×107J/kg；⑥為非導電體，電阻率為1011~1018Ω／cm。1．石油和天然氣成因多年來關于石油和天然氣成因一直存在有機成因說和無機成因說2種觀點。隨著生產實踐和科學研究的進一步深入，目前有機成因說得到了廣泛的承認。主要依據是：①迄今已發現的油氣田絕大部分分布于沉積巖中，油氣中主要化學成分各種烴類與沉積巖中分散的烴類十分相似；②主要成油時代往往是地史中生物大量繁殖時期。但石油和天然氣究竟是由哪類有機物質轉化的，即生油原始物質是什么？人們曾提出石油和天然氣直接起源于活的有機體，細菌是促使烴類化合物轉變為更多類石油烴的主要營力。海洋生物，特別是海洋中通過光合作用產生的大量藻類，被認為是最佳的生油物質。由于在20世紀60年代發現現代沉積物中藻類合成烴類-正烷烴（C24-C34正烷烴）具有奇碳優勢，而原油中無此種優勢。因此認為，現代沉積物不可能生成大規模的石油。二、石油和天然氣的形成作用20世紀60年代曾認為石油的生油母質來源于脂肪酸。朱格爾和艾斯馬（1964）用二十二烷酸在膨潤土參加下加熱到200℃獲得了一系列烷烴衍生物，衍生物以nC21烷烴為主，并含有少量高碳原子數的烷烴。但由于現代和古代巖石中有機質的脂肪酸含量均極低，因此脂肪酸作為大量石油的生油母質觀點與地質事實不符。對沉積巖的研究表明，各種沉積物中均含有一定數量的有機質。其中，泥質巖平均為2.1%，碳酸鹽巖中為0.2%，砂巖中為0.05%。目前已能從沉積有機質中提取氨基酸、類脂物、醣類物質、烴類及瀝青組分，但它們只占有機質中很少一部分，而絕大部分是高分子殘渣-干酪根。干酪根系指存在于沉積巖和沉積物中不溶解于有機溶劑的有機質。干酪根可以從脂肪、碳水化合物、蛋白質以及腐殖酸的一部分產生出來。1962年享特首次在隔氧條件下加熱干酪根獲得了烴類化合物，爾后提出了“干酪根熱降解成油”觀點，根據很多沉積盆地中干酪根和烴類含量變化關系研究，干酪根熱降解成油觀點正在被廣泛的接受。從KazuoTaguchi（1988）圖解中（圖10-13）可以直觀地了解石油的形成過程。從圖10-13可以看出，石油、天然氣烴類的形成可以來自3個方面：①通過生物合成作用形成的高分子烴類，由于不穩定，大部分在沉積期間被分解，對石油形成意義較小；②沉積物中有機質經轉化形成中-高分子烴類，但數量少，在形成石油中只占百分之幾；③有機質轉化成干酪根的烴類，是形成石油的主體。近年來，隨著實驗技術的不斷提高，通過對干酪根的熱解實驗，進一步揭示了干酪根隨埋深的增加變化的規律，圖10-14表示了干酪根演化成烴模式。從0~1km屬于成巖作用干酪根未熟化階段，該階段從生物聚合隨埋深增大發生生物化學降解作用，形成部分甲烷及殘留瀝青；從1~3.5km屬于成巖期后的后生作用，由于地溫隨埋深一起增大，干酪根發生熱降解，干酪根分解為液態石油、氣態甲烷和“濕氣”；3.5km以下由于靜壓力較大，溫度較高，發生變質作用，烴類完全成為氣態或石墨（非有機質）。2．石油和天然氣形成的地質條件（1）物源和保存條件：大量的有機質來源和保存有機質的還原環境，沉積物中的有機質是生油的物質基礎，其含量主要取決于沉積在水底的有機質的數量和保存條件，淺海瀉湖及海灣湖盆以及三角洲地帶是有利環境，濱海區海浪作用強，不利于有機物堆積和保存，深海區水體深，有機物質含量少。合適的深度和適宜的溫度的還原環境有利于有機質發生生油化學變化。這種環境還要有穩定性，因為生油化學反應需要足夠的時間。（2）構造條件：長期緩慢下降的深坳陷是形成石油的有利構造條件，長期緩慢下降的沉積盆地才能有大量有機質的帶入，并和同時形成的沉積物一起埋藏起來。只有沉積物下降到相當的深處才能保證溫度和壓力升高，使有機物質熱解轉化成石油。含油盆地沉積厚度一般很少小于1~2km，我國東部含油盆地沉積厚度都在6~7km上。強烈的地殼構造運動對石油的生成和保存都不利。但地殼長期緩慢下沉過程中伴隨著周期性的振蕩運動可以造成有利于生油和儲層沉積層的交替，形成有利的生油層、儲油層和蓋層的組合。3．生油層能生成石油和天然氣的巖層為生油層(sourcebed)。在一定地質時期內，具相應巖性-巖相特征的一系列生油層與其所夾的非生油層的組合稱為生油層系。如果在生油層系中有儲集層存在，那么生油層系就稱為含油層系。細粒沉積層是良好的生油層，主要是泥質巖類和碳酸鹽巖類。泥質巖類包括泥巖、頁巖、泥質粉砂巖等，它們是在安靜缺氧環境下一定深度的穩定水體中形成的。浮游生物和陸源有機膠體與泥質沉積物一起大量堆積，并向油氣轉化，這類巖石因富含有機質及低鐵化合物而顏色發暗。我國酒泉、柴達木和準噶爾各油氣盆地主要生油層多半是灰黑、深灰、褐色和灰綠色的泥質巖類。碳酸鹽巖類生油層以富含有機物質的石灰巖、生物灰巖和泥灰巖為主，多呈黑色、深灰色和灰色，隱晶至粉晶結構，厚層至塊狀，含黃鐵礦、菱鐵礦和生物化石。我國四川盆地在二疊紀和三疊紀的石灰巖中形成。生油層主要特征見表10-2。三、石油和天然氣的運移和儲集1．石油和天然氣的運移

石油生成后，呈分散狀態存在于生油層內，要形成油礦（油藏），還需要通過各種外力作用，首先將生油巖中分散的石油小液珠運移到一定石油圈閉（油捕）中聚集并保存形成油藏。使石油運移的主要作用是壓力、浮力、毛細管作用、水的流動等。壓力包括靜壓力和擠壓應力。靜壓力是造成油氣運移的主要因素，生油巖層被上覆靜壓力慢慢地壓實，巖石孔隙度隨之降低，使其中的流體被擠出，流到壓力較小的有孔隙的地方。有人作過估算，泥質沉積物埋深350m時能擠出50％的水，埋深1200m時能擠出85％的水。當生油巖層受到擠壓應力作用時，巖石褶皺變形也可以擠出一部分流體。浮力也有助于流體運移，因為油氣比水輕，由于重力分異而浮于水面，多孔傾斜巖層最易造成油氣沿傾斜巖層上升，發生富集。毛細管的作用是由于油、氣、水與巖石之間具有不同的表面張力和潤濕程度。當流體與巖石接觸時，界面上的毛細管力總是指向潤濕性小的流體；由于水比石油更易潤濕巖石，所以在油、水相接觸時界面向水突出，并產生指向石油的毛細管力。巖層中小孔隙內的毛細管力比大孔隙的大，于是在大小孔隙間形成了毛細管壓力差，而壓力差指向大孔隙，這樣對巖石潤濕性較強的水就把石油從小孔隙中驅趕到大孔隙中去。泥質巖的孔隙比砂巖小，而毛細管將砂巖中的水吸出來，同時將油氣擠入到砂巖中去。這種運移作用在油氣運移初期起了很大作用。水流動過程中產生驅動力，帶動油氣一起流動，加速石油的運移，這樣的水流可由擠壓或自流產生。細菌活動產生有機酸和碳酸，能使碳酸鹽巖溶解，其中的油氣分離出來；碳酸鹽巖的溶解擴大空間使石油易于流動；溶解過程中放出CO2產生壓力驅趕石油運移。2．石油和天然氣的儲集石油和天然氣在具有儲集層特性的特定部位聚集。凡是具備良好孔隙性和滲透性，能夠儲集油氣都可作為儲集層（reservoir）。孔隙性和滲透性的好壞直接影響油氣的富集程度和產量，所以儲集層是形成油氣的必要條件之一。儲集層主要有二類：（1）陸源碎屑巖類儲集層：包括礫巖、砂巖和粉砂巖等。世界上約59％的較大油、氣田儲集在此類巖層中，其孔隙度高，砂巖平均超過25％，其他的在12%~25%之間，貫通性強，是理想的儲油層。這類巖層在我國中生代陸相含油、氣盆地中廣泛分布。（2）碳酸鹽巖儲集層：包括石灰巖、白云巖、礁灰巖和生物碎屑灰巖等，其儲集空間主要是溶洞及次生裂隙。世界上較大的油、氣田的儲量約4％產在這類巖層中，如中東地區一些特大型油田。我國碳酸鹽巖地層分布廣泛，應加強油氣地質研究。另外還有其他類型的儲集層，如火成巖、變質巖和泥巖等，當這類巖石裂隙、片理及破碎帶發育時，也可成為儲油層。儲集層上面必須有不透水的蓋層。最常見的蓋層是泥巖和頁巖，致密的石灰巖、白云巖和石膏也可作為蓋層，甚至膠結很好的細粒砂巖也可作為蓋層。3．石油和天然氣的地質圈閉進入到儲集層中的油氣，在運移過程中遇到了遮擋，使其不能繼續向前運動而聚集成油、氣藏，這種聚集油氣的場所稱為圈閉（oiltrap）。圈閉的形成必須同時滿足3個條件：①良好的儲油層；②不透水的蓋層；③遮擋物，遮擋物的形成是使油氣最終聚集、定位成油、氣藏的關鍵。遮擋物可以由蓋層本身的拱形彎曲形成，如背斜遮擋，也可以是斷層、地層不整合面、不透水巖層等。通常將油氣圈閉分為構造圈閉、地層圈閉和巖性圈閉3類，以下介紹幾種常見的圈閉。（1）背斜圈閉：是世界上已知油、氣田中最重要的一種圈閉類型（圖10-15）。油氣在儲集層內進行運移過程中，當遇到傾斜反向的地方，油氣將趨向于在背斜頂部聚集，然后向其翼部漫延。背斜越寬緩，聚油面積也越大。科威特布爾干油田、我國大慶油田、酒泉老君廟油田都屬于背斜圈閉油田。（2）斷層圈閉：由于斷層可造成地層的相對位移和巖石破碎，并可與地層中透水層相通，另一方面斷層的錯位又可使儲集層與不透水層相接觸而造成遮擋，同時斷層泥也是很好的遮擋物（圖10-16）。我國酒泉白楊河油田和準噶爾盆地的克拉瑪依油田都屬于斷層圈閉油田。

（3）巖丘圈閉：埋于地下較深處的鹽類巖層具較強的可塑性，經褶皺作用造成底劈或刺穿構造，并向上覆巖層運動形成鹽丘（圖10-17）。巖體向上運動時常可沖破上覆巖層，然后在地殼緩慢下降過程中與周圍地層一起接受沉積。不透水的巖體成為較理想的遮擋物，主要在巖丘兩側儲集層形成封閉的單斜圈閉。中東和羅馬尼亞常見這種圈閉油田。

（4）不整合面圈閉：不整合是一種常見的圈閉，下面傾斜的地層被上面的地層覆蓋，使油氣在不整合面之下聚集（圖10-18）。（5）礁灰巖圈閉：礁灰巖中含有大量孔隙和極好的滲透率，為良好的儲油層，當它們被頁巖等封閉時成為很好的圈閉構造。在墨西哥、美國、中東等地區均發現了與礁灰巖有關的大油田。（6）砂體圈閉：主要是河流沖積扇、三角洲、河床、濱海砂丘、砂壩等形成的砂體，它們具有很高的孔隙率和很好的滲透性，在被其他的不透水巖層超覆時，形成砂體圈閉，是油氣良好的儲集場所。四、油氣盆地時、空分布規律1．油氣盆地空間分布規律——目前全世界已發現工業油、氣盆地約160個，其中25個盆地集中了已知石油總量的86％，按照其形成的動力學背景，可分為以下幾種類型：（1）復合型盆地：位于克拉通內部，平面呈線狀或橢圓形，剖面形態不對稱，具有多旋回沉積特征，盆地形成經歷了多期拉伸和擠壓作用，多以拉伸作用為主。如美洲、澳大利亞及西伯利亞地區的油氣盆地，這類盆地約含有世界油氣儲量的25％。（2）坳陷型盆地：位于開闊海洋至內海或海灣，形態為不對稱大型線狀盆地。此類盆地含油、氣豐富，油氣儲量分別占世界油氣總儲量的54％和38％，主要有中東、委內瑞拉、墨西哥灣、加勒比海等大油、氣盆地及中國南海油、氣盆地。（3）裂谷型盆地：位于靠近克拉通或其內的盆地，包括地塹和半地塹型盆地，如利比亞的錫爾特油盆。這類盆地雖不多，但卻含有世界已知石油儲量的12％。（4）走滑拉分型盆地：大型走滑斷裂活動引起地塊沉降，形成拉分型盆地，為窄的菱形狀盆地，盆地邊界為走滑斷裂及其次級斷裂，沉積中心由走滑斷裂旁側向外遷移，形成疊瓦狀沉積組合，柴達木油氣盆地為典型的拉分型盆地，其形成受阿爾金北東向左行走滑及其次級的柴達木周邊右行走滑斷裂控制。目前在郯-廬斷裂分布區發現了一些受中生代郯-廬斷裂左行走滑控制的拉分型含油、氣盆地，研究有待進一步深入，拉分型油、氣盆地近幾年才受到關注，其儲量難以評估。（5）弧前和弧后型盆地：分布在弧型會聚板塊邊緣，常形成盆地群，盆地中一般堆積有第三系的碎屑沉積，也是很重要的生油盆地。2．油、氣盆地時間分布規律——從世界范圍看，主要的成油時代集中在古生代、中生代和第三紀。（1）古生代約占世界石油儲量的14％和天然氣的29％；石油主要蘊藏在泥盆-石炭紀地層中，天然氣集中于二疊紀地層中。油、氣區主要集中在歐洲，北美、中東和北非，是在穩定克拉通中的海盆環境形成的。（2）中生代約占世界石油儲量的54％和天然氣的44％，以白堊系油、氣儲量最大，主要分布在：①凹陷盆地，具世界性特點；②造山前緣地區（整個美洲西部）；③被動大陸邊緣（澳洲、非洲及南美洲）。（3）第三紀約占世界石油儲量的32％和天然氣的27％，主要集中在中東海灣地區（世界70％以上特大型油田產于本區），美洲加勒比海、歐洲、西亞及澳洲會聚板塊前緣地帶。我國油、氣形成時代主要為中生代和和第三紀，少數為古生代，盆地類型包括復合型、裂谷型、拉分型及坳陷型等，以陸相油、氣盆地為主。著名的油田有大慶、勝利、遼河、大港、中原、克拉瑪依等。第十二章可燃有機巖礦床第一節煤礦床第二節石油和天然氣第三節油頁巖第四節煤層氣第五節油砂

油頁巖（oilshale）和煤一樣也是一種固態可燃有機礦產。將油頁巖進行低溫干餾，可以獲得汽油、柴油、煤油、潤滑油、石蠟、瀝青以及氨水、硫化瀝青等一系列化工原料；將油頁巖進行高溫干餾，可獲得焦油等。所以油頁巖是石油和天然氣的補充或后備資源。1．油頁巖的基本特征油頁巖的物質組成分為有機質和無機質兩部分。有機質主要是油母（不溶于CCl4），也有一些瀝青（溶于CCl4）。無機質主要是很細的石英、粘土礦物和碳酸鹽礦物。油頁巖顏色為淺褐、綠、暗褐至黑色，通常顏色愈深含油率愈高。油頁巖無光澤，但指甲刻畫會留下具光澤的油跡；富韌性和彈性。油頁巖薄片可直接點燃，火焰高，發出瀝青臭味。油頁巖比重較一般泥頁巖小（約1.71~2.13），含油率愈高的油頁巖比重愈小。2．油頁巖的形成作用形成油頁巖的有機質來源，主要是來自湖海中的藻類、菌類、動物類（如放射蟲、軟體及節肢動物、魚類及腕足類）及高等植物的部分遺體。成因上，油頁巖與腐泥煤基本相同，沉入水底的生物遺體首先發生生物化學分解作用。在成巖作用期間，發生生物化學降解作用，隨著溫度和壓力的逐漸增加有機質最后形成干酪根（油母與瀝青）。油頁巖主要形成于亞熱帶的淺海、瀉湖及湖泊環境，大部分油頁巖呈薄層狀或厚約幾毫米的紋層狀產出，由細碎屑和有機質交互組成。浮游藻類等生物的季節性或年度性大繁殖是形成有機紋理層的重要原因。富含氧的表層水使浮游生物等得以生長，缺氧的底層水使有機質能夠被保存。第十二章可燃有機巖礦床第一節煤礦床第二節石油和天然氣第三節油頁巖第四節煤層氣第五節油砂煤層氣煤層氣（coalbedgas）又稱煤層甲烷（coalbedmethane），是一種由煤生成，以CH4為主的非常規氣。煤礦在開采過程中不時涌出或爆炸的“瓦斯”就是煤層氣。通過對大量煤層氣體的研究和測定可知，煤層氣是包括無機氣體成分、C1~C6正構烷烴、異構烷烴、環烷烴和芳烴氣體成分在內的一種混合氣體，但以甲烷為主，一般占氣體組成的80％~90％以上，乙烷以上重烴氣體含量較低，一般小于5％。N2和CO2往往是含量僅次于CH4的氣體成分，分別可達20％~5％和5％以下。煤層氣是一種潔凈能源，勘查開發利用煤層氣有助于改善能源結構和生態環境。煤層氣作為一種新能源開發利用，具有極大的經濟價值和社會效益。迄今為止，世界上開展煤層氣勘查、開發和研究的國家和地區已達30余個，但只有美國進入了商業性工業生產，成功地建立了煤層氣工業體系，加拿大和澳大利亞也有所突破。截止2001年，美國圣胡安、黑勇士皮申斯、粉河等盆地煤層氣生產井有14000余口，年產量已達480億m3，超過全國天然氣年總產量的5%。我國是世界第一產煤大國，煤層多，分布面積廣。20世紀80年代以來，煤炭、石油和地礦系統以及有關高校和研究單位進行了一系列煤層氣重大研究和勘探開發工作，在近30個礦區施工煤層氣參數井或開發試驗井約210口，先后在山西柳林、三交、石樓、鄉寧、晉城、壽陽，遼寧鐵法、阜新，淮南新集，陜西韓城等地區獲得工業氣流，提交了約1000億m3的工業儲量，同時取得了一批理論研究成果，概略地查明了我國煤層氣資源的分布賦存格局。煤炭源于陸生高等植物，煤的原始有機物質主要是碳水化合物、木質素，成煤作用由泥炭化和煤化作用2個階段完成。由植物-泥炭-褐煤-煙煤-無煙煤，是經過未成巖-成巖-變質作用-泥炭化-煤化的全過程。泥炭化階段（成巖期前），有機質在低溫(<50℃)和近地表氧化環境中，由于細菌的作用，生成少量甲烷及二氧化碳，呈水溶狀態或游離狀態而散失。褐煤階段已經進入成巖階段，屬煤化作用的未變質階段。此期是干酪根的未成熟期，地溫在50℃左右，鏡質體反射率Ro≈0.5％，有機質熱降解作用已經開始并且逐步加深，生物化學作用逐步減弱，主要生成甲烷及其他揮發物。一、煤層氣的形成作用煙煤階段的長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤屬煤化作用的低-中變質階段，Ro為0.5％～2.0％。此期是干酪根的成熟期，已經進入生油門限，沉積物埋深達到1000～4500m，地溫達50～150℃，有機質經過熱降解，有重烴、輕烴、甲烷及其他揮發物產出。煤化作用的后期是高變質階段，一般將貧煤與無煙煤劃在這一階段，Ro>2.0％，此期是干酪根過成熟期，地溫>150℃，埋深>4500m，熱降解產物主要是甲烷。煤巖是煤層氣的氣源巖，又是儲集巖。因為煤巖基質是由微細顆粒聯結在一起的，顆粒間有無數成巖作用中形成的細微孔隙。同時，煤巖在成巖過程中形成層理時，也形成垂直于層面的面割理和端割理，可將煤巖基質分割成大小不等的三維網格狀裂隙，相互連通構成一體。由于沉積或構造變動的影響，煤巖層又可形成更為復雜的各向相異的節理，有些形成穿層的大的裂隙通道，使煤巖自身形成一定的孔隙空間和滲濾通道，作為煤層氣藏（田）的儲集巖層。當然，由于煤巖類型的差別，同一含煤盆地不同的構造部位，或不同層位的儲集巖性能各不相同。二、煤層氣的運移與儲集煤化作用是沉積有機質腐殖型干酪根的熱降解過程。熱降解作用分離出來的CH4等揮發物一部分游離在煤巖的微孔隙及裂隙之中，一部分溶解在孔隙或裂隙的水中，還有一部分通過分子滲濾或微粒滲透，運移到煤層的頂、底板巖層或穿透頂、底板擴散到其他巖層之中。在烴類初次運移過程中，當滲濾通道有利，其他巖層又有良好的儲集空間的圈閉條件時，CH4

或其他揮發物質就會聚集儲存下來，形成氣藏（田），這就是一般意義的煤層氣藏（田）。煤層氣藏(田)產出的CH4絕大部分是煤巖層中的吸附氣，它的儲集量遠遠大于儲存在孔隙、裂隙中的游離氣和溶解氣。它的氣源巖是腐殖型的煤巖層，但它的儲集條件具有常規天然氣藏（田）的基本特征。并不是所有含煤區都可找到豐富的煤成氣田，煤成氣的形成必須滿足以下基本條件：（1）構造條件：是決定含煤盆地中形成煤氣田的首要因素。邊緣坳陷、褶皺帶中的多旋回盆地及長期緩慢下降的坳陷盆地對煤成氣的形成和保存非常有利。由于地殼抬升而造成強烈剝蝕的煤盆地煤埋藏很淺或直接出露地表，不利于形成煤成氣田。（2）沉積條件：與石油及油成氣類似，形成煤層氣需具備生氣巖、儲集巖和覆蓋巖的成氣、儲氣和封閉的配套體系。生氣巖是產生煤層氣的巖層，包括煤層和含煤建造，其厚度越大，有機質越豐富越有利于成氣作用。儲集巖是容納和儲集煤層氣巖石，其孔隙度高，滲透率大時，儲集煤層氣性能越好，如砂礫巖、細礫巖等。蓋層巖封閉儲集巖層，使煤層氣得以保存，理想的蓋層有①膏鹽類，其滲透率極低，具良好的可塑性能；②泥巖類，孔隙度雖高，但滲透率低；③致密砂巖，孔隙率和滲透率均較低。（3）熱力條件：由于煤層氣是在煤的成巖和變質作用過程中形成的，溫度條件至關重要。煤在埋藏到一定的深度后溫度升高，從成巖到變質，在這個過程中煤中有機質轉化成煤層氣或液烴類。三、煤層氣的形成條件第十二章可燃有機巖礦床第一節煤礦床第二節石油和天然氣第三節油頁巖第四節煤層氣第五節油砂

油砂（oilsand），是指地殼表層的碎屑物或巖石與其中所含的水和瀝青形成的混合物的統稱。油砂礦具有以下幾個特點：①通常含有80－90%的無機質（砂、礦物等）、3－6%的水和6－20%的瀝青，油砂瀝青是烴類和非烴類有機物質，是稠粘的半固體。②瀝青流動性極差，一般不能以打井開采原油、稠油的方法來獲取油砂瀝青。③油砂中的瀝青大部分溶于有機溶劑，而有別于油頁巖中有機質不能溶于有機溶劑。④油砂中的瀝青多來自降解作用，正構石臘族烴達到了幾乎耗盡的程度，因此飽和餾分中沒有或幾乎沒有正構石臘族烴。主要是由于生物降解、輕烴揮發、水洗、游離氧化等冷變質作用,造成油質中的石臘族烴降解和極性雜原子重組分（膠質、瀝青質）富集的結果。油砂是重要的石油天然氣的替代資源。據統計，世界油砂資源折合成重油約為300～600Gt，遠遠大于世界天然石油的探明儲量。2002年，世界將油砂資源計入石油儲量后，世界石油可采儲量年增17.6%，其中95%蘊藏分布在加拿大阿爾伯達省。據2005年最新資料統計，加拿大石油儲量可達1800億桶，僅次于沙特阿拉伯，位居世界第二。而在2002年以前，其僅僅排在世界原油儲量的第15位。這一變化并非由于加拿大在石油勘探領域獲得重大發現，而是其擁有世界可探明的95％的非常規原油資源——油砂。加拿大憑借其豐富的油砂資源以及先進的開采、提煉技術一躍成為世界第七大石油生產國。然而，對于油砂的開發利用目前還僅限于少數幾個國家。加拿大有兩家公司（Syncrude和Suncor）在進行大規模工業