可燃有机矿床总结

1、第十二章 可燃有机矿床l 可燃有机矿产是有机物成因的、可以燃烧的矿产，包括煤、油页岩、石油和天然气。一、煤和油页岩l (一)煤和油页岩矿床的概念和特点 煤和油页岩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，在地质作用下，经成岩作用形成的固态可燃矿产。 l 通常以成矿物质的不同分为两类:l 1) 腐植类: 泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤， l 2) 腐泥类: 藻煤、石煤及油页岩。 （一） 矿床特点:l 1)煤和油页岩矿床都是产于地史上温暖潮湿气候带的沉降盆地内，分布面积很广。l 2)矿床产于一定时代的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。l

2、3)矿体多呈层状或似层状，亦有凸镜状或豆荚状等。l 4)矿石以块状、薄层状构造为主。l 5)煤和油页岩中的有机组份极易氧化，所以地表露头仅见氧化残余物，主要是一些粘土矿物，故煤层地表呈现灰白色粘土线，油页岩地表风化后则呈纸状构造。 (二)煤和油页岩的形成l 首先需要有大量植物的持续繁殖;其次是植物遗体不致全部氧化分解，能够保存下来并转化为煤。具备这样条件的场所就是沼泽环境。 1·泥炭化作用l 第一阶段：植物遗体暴露在空气中，或在沼泽浅部多氧条件下，由于微生物和氧的作用遭受氧化和分解，产生气体和水份 +腐植酸 + 未遭受分解的稳定的组份。l 第二阶段，在沼泽水的覆盖下，出现缺氧的条件，

3、经过第一阶段保留下来的植物成分和分解产物，经过复杂的生物化学变化合成为腐植酸、沥青等新产物。l 腐植酸和沥青质的形成作用，实质上是凝胶化作用。l 植物在弱氧化至还原坏境和厌氧细菌的参与下，其木质纤维组织一方面进行生物化学变化，一方面进行胶体化学变化，二者同时发生，导致物质成分和物理结构两方面都发生变化。 2·腐泥化作用l 低等植物和低等动物生活在湖泊、海湾和泻湖中，当它们死亡后，在水体表层和下沉到湖底的过程中，先遭受一定程度的氧化分解作用。当其沉到水底以后，由于水层和随后沉积物的覆盖，转而处于还原坏境，这时浮游生物的主要成分，如脂肪和蛋白质等即在厌氧细菌的作用下进行腐泥化作用。l 腐

4、泥化作用与泥炭化作用的区别在于: 1) 形成腐泥的低等植物和浮游生物皆富含脂肪和蛋白质 2) 腐泥化作用进行时介质的pH 值在8 左右，这主要与蛋白质分解产生的氨有关。 3 ）介质的氧化还原电位亦远高于泥炭化作用，因而细菌的活动微弱，生物遗体的分解较缓慢。 l 在这样的条件，首先在湖底形成一种含水很高的絮状胶体物质腐胶质，然后再进一步脱水、压实即形成腐泥。l 与泥炭相比，腐泥的氢含量高，而氧含量低，腐泥中富含沥青质，故亦称这一过程为沥青化作用。 3·煤化作用l 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。l 煤的成岩作用是由经生物化学变化形成

5、的泥炭，在以压力为主，并包括温度因素在内的影响下，出现压实、脱水、增碳、孔隙度减少等一系列变化，逐渐固结、煤化而转变成年轻褐煤的过程。这一过程发生在地下浅处，大致在200一400m的深度内。 l 煤的变质作用：当褐煤继续受到地壳运动的影响，使其下降到更深处，在温度和压力不断增加的影响下l 烟煤 无烟煤 石墨。l 石墨则已完全不具备煤的一切特性。(三)煤和油页岩的物质组成l 1·煤的物质组成及煤岩分类l 煤是一种不均一的物质，其成分很复杂。从化学组成上，分为有机质和无机质两部分。有机质组份主要是C、H、O、N、S、P等元素， 无机质主要指水份和矿物杂质，它们在煤中的含量愈低愈好。l 从

6、煤岩组成上，煤中的有机质主要由植物残体组成的形态分子：有木质组织碎片，孢子、花粉、角质层、树脂和藻类等；基质则为无一定外形和轮廓的有机胶体。l 煤中上述形态分子和基质的相互配置和含量情况是不同的，根据形态分子和基质 (凝 胶化物质)的比例和配合关系，可将煤分为四种煤岩成分。 (1) 镜煤 l 肉眼观察呈黑色，光泽强，性脆，具贝壳状断口，具垂直层理方向的裂隙。在薄片中呈桔红褐色，呈均一体，凝胶化物质一般约占95%以上。它的挥发份和含氢量高，灰份低，粘结性强。含镜煤成分较多的烟煤宜炼焦。 (2) 暗煤 l 肉眼观察呈灰色或黑褐色，光泽暗淡，坚硬，致密，含灰份较多，韧性较大，断口粗糙不规则。在薄片中

7、形态分子多而复杂，凝胶化物质较少，矿物质含量比较多。暗煤不适于单独炼焦。 (3) 亮煤l 它的一些性质介于镜煤和暗煤之间。光泽较强，仅次子镜煤，较脆易碎，内生裂隙发育，比重较小，有时也具贝壳状断口，均一程度较镜煤差，表面隐约可见微细层理。薄片观察由多量凝胶化物质与少量形态分子组成。亮煤可用以炼焦。 (4) 丝炭 l 色暗黑，具有明显的纤维状结构和丝绢光泽，外观象木炭，疏松多孔，硬度小脆度大，易碎染指。在薄片中，丝炭的植物组织，细胞结构保存清楚，细胞腔常为矿物填充。因此，灰份高，氢含量低，碳含量高，不宜炼焦。 2·油页岩的组成l 油页岩的物质组成为有机质和无机质两部分。l 有机质组份主

8、要是沥青质 (溶于CCl4)和油母质(不溶于CCl4)组成。另外还见有少量的未经充分分解，保留下来的低等生物遗体，是有机组分中的形态分子。l 油页岩中的无机组分主要是石英、长石、粘土、碳酸盐类以及黄铁矿等其它矿物。一般的油页岩有机质与无机质的比例为1:4。(四)煤层与含煤岩系l 1·煤层l 煤层是指泥炭层经过煤化作用，由有机质和矿物质转变而成的层状、似层状或多种复杂形态的地质体。2·含煤岩系l 含煤岩系简称煤系，亦有人称为含煤建造，是指聚煤盆地中的一套含煤层的沉积岩系。其岩性特点如下：l (1)在岩性组成上，主要为一套黑色、灰色及灰绿色为主的沉积岩层，从砾岩到泥岩。还经常伴

9、生有油页岩、铝土岩、黄铁矿、菱铁矿及耐火粘土等沉积矿产，反映它们是潮湿气候条件下的产物。l (2)在岩相组成方面，陆相、过渡相和海相都有，尤其是沼泽相和泥炭沼泽相的存在，是含煤岩系岩相组成上的一个重要特征。l (3)具有明显的旋回结构。l (4)含有丰富的植物化石，它们是研究含煤岩系形成时代的重要依据之一。l 根据上述特点，把含煤岩系大致分为两类:l 1)陆相含煤岩系：陆相含煤岩系形成于内陆地区，由山麓相、河流相、湖泊相、沼泽相和泥炭沼泽相组成。l 含煤岩系的岩性以碎屑岩为主，其中粗碎屑的比例显著增加，并且在横剖面上和垂直剖面上的变化都较为急剧复杂。l 根据陆相含煤岩系堆积时的地理环境可分为，

10、内陆山间盆地型和内陆盆地型。2)海陆交互相含煤岩系：l 海陆交替相含煤系，亦称近海型含煤岩系。l 面积的海侵、海退，海岸线移动。l 岩性和岩相在横向上比较稳定，垂向变化比较频繁，旋回结构清晰，大区域内容易对比。l 根据近海型含煤岩系的地理环境可分为:浅海型、滨海平原型和海湾型三类。l 浅海型：l 滨海平原型：l 海湾型 (五)聚煤盆地和煤田l 1·聚煤盆地l 聚煤盆地是指地史上为形成含煤岩系，提供沉积物场所的构造成因和非构造成因的盆地。l 聚煤盆地有侵蚀型和拗陷型两类。l (1) 侵蚀盆地 是指地表受侵蚀作用形成的盆地，属于非构造成因的。l (2) 拗陷盆地 是由于构造运动引起的基底

11、逐渐沉降，沉积物不断的补偿过程中形成的。 2·煤田l 煤田是指聚煤盆地中，同一地质时期形成的含煤岩系，并经后期改造保留下来的广大地区。 (六)聚煤期 l 就成煤的时代上来看，我国主要成煤期有四个:即石炭纪、二叠纪、侏罗纪和第三纪。l 就空间上看，上述四个主要成煤期所形成的煤田，在分布上也有一定规律性。l 早石炭世在华南开始有工业意义的煤层l 中石炭世除祁连山之东少数地区l 晚石炭世和早二叠世是我国最重要的成煤时期。主要分布在华北地台上，我国有三分之一的煤储量产于该煤系中。l 晚二叠世在华南是重要的成煤时期。主要分布在秦岭地轴和淮阳地盾以南，即主要在华南地台上，如乐平煤系。l 侏罗纪煤

12、系分布普遍，广布南北各省。但分布较零散，多成孤立煤盆地，因而各煤田间相似性较少，均为远海型煤田，储量约占全国之半。l 第三纪煤田在全国均有零星分布。一般北方含煤层较南方老，属陆相煤系，并与下伏基岩呈不整合接触，煤层厚，产状平缓，埋藏浅，多属褐煤或低级烟煤，如辽宁抚顺煤田。在广东、广西、台湾省也较重要。 (七)油页岩的矿床类型l 目前主要是根据形成油页岩的古地理环境分为:近海型和内陆湖泊型两类。 1、 近海型l 是指在近海的泻湖海湾、滨海三角洲外缘，以及其它滨海坏境下形成的油页岩。l 这类油页岩矿床一般是油页岩与碳酸盐类岩石共生，矿床分布面积广，矿层层数多。l 油页岩的含油率高，有的可高达24%

13、左右。l 是世界上已发现的主要矿床类型。我国著名的广东茂名油页岩矿床即属此类。2、内陆湖泊型l 这类油页岩矿床经常与煤共生，有时呈互层出现。矿层一般较厚，有的厚达数十米，但横向变化大。含油率一般较低。l 我国抚顺油页岩矿床亦很著名，它是在燕山运动后期形成的地堑盆地中形成的(图12 -14)。l 我国油页岩遍及20多个省区，时代上从泥盆纪到第三纪，尤其以侏罗白垩纪最为重要。总的分布是中生代主要集中于我国西部省区，第三纪则集中于东南沿海地区。二、石油和天然气l (一)石油l 1、概念及工业意义l 石油是一种可燃的液体矿产。天然石油也称原油，一般是绿色、棕色、黑色或稍带黄包的油脂状液体。比重介于0.

14、77一0.98之间，颜色愈深，比重愈大，称为重质石油。反之，颜色浅，比重小，称为轻质石油。l 纯粹由碳和氢两种元素组成的化合物叫做碳氢化合物，简称烃。烃可以分成几个族。石油主要是由烷族烃 (CnH2n+2)、环烷烃 (CnH2n)、芳香族烃 (CnH2n-6)所组成。此外，石油中还含有少量的非烃类，如硫、氮、氧等，在石油灰份中还含有30多种微量元素，其中以钒和镍最突出。 2·石油的成因l 1) 认为石油直接起源于活的有机体说，细菌是促使烃类化合物转变为更多类石油烃的主要营力。l 从现代沉积物中发现了类似原油的烃类组合后，这一观点被人们接受过，l 可由于在六十年代发现现代沉积物中的正烷

15、烃 (C24一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。l 2)六十年代进行的实验研究表明，脂肪酸加热后可以生成正烷烃。l 脂肪酸成油的观点开始受到重视。l 但是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。l 3)干洛根热降解成油说l 沉积物中含有一定数量的有机质，据统计，泥质岩中平均含有机质为2.1%，碳酸盐岩中含0.2%，砂岩中含0.05%。其中绝大多数是高分子残渣干洛根。l 干洛根系指“存在于沉积岩和沉积物中、不溶解于有机溶剂的有机质”。干洛根可以从脂肪、碳水化合物、蛋白质以及腐植酸

16、的一部分中产生出来。l 1962年亨特首次在隔氧条件下加热干洛根获得了烃类化合物。尔后提出干洛根热降解成油的观点。根据许多沉积盆地中干洛根和烃类含量变化关系研究，干洛根降解成油的观点正被广泛地重视。l 从干洛根的生油研究表明大量生油的转化温度是在50一150，深度在1500m以上。根据温度和深度条件，油气生成可分三个阶段:l 初期生气阶段，温度低于60一65，在正常的温度梯度下，大致从地表到1000一1500m左右。l 目前国内外广泛分布的以甲烷为主的成层天然气，如我国东部沿海第四纪浅层气，苏联西伯利亚气田等，埋藏都不超过1000m。l 主要生油阶段:温度一般在60一210之间，深度在2000

17、一4000m，尤以早期在2000m上下，温度在60一120为最大规模的生油期。l 石油裂解生气阶段：沉积物进一步深埋，有机质及烃类经受更高的温度和压力，产生热解、深度变质，最终产物是最稳定的甲烷和炭质残余。l 以上三个阶段是互相联系，逐渐过渡的，没有严格的统一深度界线；l 由于各地地热梯度的不同，三个不同阶段相应出现的深度也是不同的。l 有利于生油的地质环境要有大量的有机物来源，有利的还原坏境，有利于石油演化的 (埋藏深度和时间)温度等。l 长期稳定下沉的深坳陷是形成石油最主要的地质构造因素，长期下沉的沉积盆地就有可能有大量有机质的带入。沉积厚度大小，被认为是评价含油远景的因素，含油盆地在其主

18、体部分沉积厚度不少于1500m。l 理想的情况是在长期下沉过程中伴随有一定的振荡运动，造成有利于生油和储油沉积层的交替，形成有利的生油层、储油层和盖层的组合。3·油气藏的形成l 油气藏是油气聚集最基本单位，是石油勘探的对象。油气藏的形成过程是石油从生油岩中挤出，进入孔隙性岩石中，经过运移到一定的部位 (圈闭)聚集后形成油气藏。 (1)生油岩 l 它们都是沉积岩，富含有机质，在还原环境中沉积的结构细腻的暗色岩石，分为泥质岩类和碳酸盐岩类两种类型。l 中东地区最重要的油田是第三纪海相油田。我国研究证明，陆相地层不但可以生油，而且可以形成相当大规模的油气聚集，从而发展了陆相生油理论。(2)

19、储集岩l (储油岩)指能够储存石油和天然气，又能输出油气的岩石。l 储集岩是具有良好孔隙度和渗透率的岩石，通常所见的储集岩是砂岩，其次为石灰岩和白云岩。裂隙发育的页岩、变质岩和火山岩也可以作为储集岩。(3)盖层 l 系指不具渗透性的岩石，如泥岩、泥灰岩，以及岩盐和石膏层等。它覆盖于储集岩之上，起着遮挡作用，防止油气外逸。 (4)运移 l 油气从生油岩中被挤出，进入油气藏的过程。l 油气藏形成后，又被断裂破坏时，油气如沿着断裂重新运移到新的圈闭中，聚集成新的油气藏。这叫做次生油气藏。 (5)圈闭 l 进入到储集层中的油气在运移的过程中，遇到某种遮挡物，使其不能继续向前运动，而在储集层的这一局部地

20、区聚集起来，这种聚集油气的场所称为圈闭。l 通常最重要的圈闭是背斜构造，油气常聚集在背斜的顶部。l 圈闭的形成有三个必备条件:1)储集层，2)盖层，3)封闭。l 根据圈闭形成的条件和生产上的习惯，圈闭可以划分为三大类 (图12-18)。l 构造圈闭：储集层在褶皱和断层作用下形成的圈闭。包括：背斜圈闭；断层圈闭；裂缝性圈闭；刺穿构造圈闭。l 岩性圈闭，储集层岩性横向变化造成的圈闭。包括：凸镜体圈闭；岩性倾向尖灭圈闭；生物礁圈闭。l 地层圈闭:它们总是和不整合或假整合在一起，即一组不渗透性岩层，不整合地覆盖在具有储集性岩石上面造成的圈闭。包括：不整合圈闭：潜伏剥蚀突起圈闭。 (6) 油气藏 l 当

21、圈闭中聚集了一定数量的油气之后，就形成油气藏。l 如果圈闭中只聚集了石油，则称油藏，同时聚集了油和气，则称油气藏。具有工业开采价值时称工业油气藏。l 圈闭是油气藏形成的决定因素。因此，可以用圈闭的成因类型来划分油气藏类型。即油气藏可分三大类:构造油气藏；岩性油气藏；以及地层油气藏。l 油气藏的上下为不渗透的岩石所限，有的仅在上面有不渗透性岩层，下面为水所限。油藏内可以适当地划分出天然气部分和含油部分。含气部分称气顶。位于石油下面的水称为底水；油水边界外的水称为边水。4·含油气盆地l 含油气盆地是指这样的油气聚集单元。l 它在地质发展的某个阶段为沉积的坳陷区;在同一盆地内有一个或若干成

22、油 (生油)期，并有相似的油气聚集过程。l 沉积盆地的基底在横向上常表现为分割性，即盆地的内部基底有起伏，或由于升降运动的不均衡造成的隆起和凹陷。凹陷区往往是有利的生油环境，而隆起区对油气聚集是有利的。油气分布在一定的二级构造背景下有规律地成群分布。l 就世界上已发现的油田资料表明，各个时代都可以产油，但油气主要蕴藏在中生代和第三纪地层中;l 据世界187个大油田和79个大气田的统计，比例如下:第三纪占24%;中生代占63%;古生代占13%。l 就产出的深度看，主要产于600一3000m。从地理分布来看，主要产于波斯湾，墨西哥湾、西伯利亚、尼日利亚、加蓬以及我国东北、华北地区等等。l 从大地构造看，油气的分布主要产于地台区和一些过渡区、山前坳陷带、以及地台区内的断陷盆地中。 (二)天然气l 1、天然气的概念l 天然气通常是指地壳中以烃类为主的天然气藏中的可燃气。 2、天然气的成因类型l (1)生物成因天然气 l 系指在生物化学作用带内有机质因微生物的发酵作用而形成的甲烷气，有时也包括早期低温降解作用形成的甲烷气。 (2)与成油作用有关的天