可燃有机矿床6.ppt

第六节可燃有机（岩）矿床,一、定义指有机成因的、可以燃烧的矿产，包括煤、油页岩、石油和天然气。又可称为生物沉积矿床。由于它们都是由植物和动物的残骸形成的，目前在国际上常称为“化石燃料”。,可燃有机岩的矿产类型,可燃有机岩的成因复杂，物态多样，如呈固态（煤、油页岩），液态（石油），气态（天然气）。人们通常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）,可燃有机矿产的重要意义,可燃有机矿产在世界国民经济中占有极为重要的地位，尤其是被人称为“黑色的金子”、“工业的真正粮食”的煤，以及“工业的血液”的石油，不仅是冶金、发电、运输工业的最必须的资源，而且是国防工业、化学工业、轻工业等不可缺少的原料。现代能源主要是煤和石油提供的，是现代化建设最重要的物质基础。据统计，世界各国每年开采的矿产，无论是在产量或产值上，可燃有机矿产就占3/4。,煤,煤，不仅是民用、发电、交通运输的动力原料，而且也是冶炼工业必需的原料；通过炼焦所得焦碳、焦炉气和焦油、经过再加工，就可以制造出化肥、塑料、合成纤维、合成橡胶、炸药、农药、苯、甲烷、酚等几百种的产品和化工原料。另外，煤（或煤灰）中常含有V，U，Ga等稀有、稀土、放射、分散元素。所以又是发展尖端工业、国防工业的重要的原料。李四光教授在他的遗嘱中叮嘱人们要注意综合利用煤中的伴生元素，并说否则我们的后代会指责我们现在毫无知识地将煤中比煤贵重得多的稀散放射元素白白地扔掉了。,石油,石油的重要性与煤的相似，（70年代的中东石油战争）（中东几个靠石油致富的国家，）如沙特阿拉伯，70年代时的人均收入为1.5万美元，而美国仅8千美元。另外，还有伊朗、伊拉克、科威特以及欧洲诸国如挪威、苏联，非洲的埃及等。有的人作过形象的比喻如果说美英德法等经济发达国家象城里的资本家的话，那么这些靠石油发达的国家就象农村的土富豪。即他们不是靠科技致富而是依赖矿产资源发富的。,二、煤,1、煤的概念以及煤矿床的特点概念主要是指在沼泽盆地中堆积的大量植物（高等、低等植物）的遗体残骸，在地质作用下，经成岩作用形成的固体可燃有机矿产。煤是一种由多种有机化合物和少量无机物质所组成的复杂混合物，是植物遗体经过复杂的生物化学、物理化学作用转变而成的。,煤矿床的特点（1）产出的环境煤矿床产于一定时代温暖潮湿气候带的沉降盆地内，赋存于沼泽相或湖泊沼泽过渡相的黑色或灰黑色沉积岩系中。（2）矿床层位稳定，产状与沉积岩层一致，是典型的沉积矿床。,（3）矿体呈层状，似层状，有的呈透镜状，但总体形状规则，层位稳定，分布面积广。（4）煤矿石以块状、薄层状构造为主。（5）氧化性由于有机组分极易氧化，所以煤矿层的地表露头仅见氧化残余，如呈灰白色的黏土线。,2、煤的形成,（1）聚煤的先决条件在自然界中不是有了植物就一定能形成煤。只有当植物与合适的气候条件、地理环境和地壳运动都完全具备时，才能发生聚煤作用，生成有工业价值的煤层。人们把这些影响聚煤作用发生的地质因素叫做聚煤的先决条件。这些先决条件是,①聚煤的植物条件成煤的原始物质,植物是成煤的原始物质。煤是从植物的遗体转变而成的。因此只有当地球上有了植物生长和堆积，才具有成煤的原始材料和进一步转变成煤的可能。,植物的演化与煤的形成,植物是不断地由低等向高等发展演化着。每当一种新的种属大量繁殖时，就有利于煤的形成和聚集。并构成地质历史上的聚煤期。如早古生代的石煤，就是自然界有了藻类等低等生物以后形成的。当然这时期的煤的质量很差。以后植物从水体向陆地演化，在世界上就相应地形成了石炭纪、侏罗纪、白垩纪和新近纪等几个重要的聚煤期。因此植物在自然界的演化和发展，对于煤的形成和聚集有直接关系。,②植物的堆积环境聚煤盆地,聚煤盆地形成煤系的沉积盆地。按成因可分为a、非构造成因（山间）剥蚀盆地（图12-6）。b、构造成因坳陷盆地（a）波状坳陷盆地基底较连续，煤系分布广（图12-7）。（b）断陷盆地基底不连续，煤系沿同生断裂带状分布。（图12-8）,聚煤盆地断陷盆地,聚煤盆地断陷盆地,聚煤盆地,死亡植物必须与空气隔绝，以免被氧化破坏，有利于在缺氧环境下经受厌氧细菌的作用，经过生物化学逐渐转变为泥炭。沼泽是最理想的环境。沼泽可以在滨海沿岸平原形成，也可以发育在内陆湖泊的滨岸或低洼地区。在这样的地理环境中，植物繁茂，不断有植物的生、死、兴、衰。由于沼泽环境中的植物营养条件、介质酸碱度以及氧化还原环境的不同，所形成的泥炭的性质也有所差异。最后也就形成不同的物质和种类的煤。因此有人把沼泽称为聚煤的“摇篮”。,③聚煤的构造条件若要形成一定的泥炭层并被覆盖保存下来进而转变为煤，要求泥炭沼泽的底盘在地壳运动的影响下，处于不断下沉的构造环境中。,沉积盆地的构造演化与煤的形成,当沼泽下沉的速度和泥炭堆积的速度保存平衡状态时，堆积的植物遗体就会补偿、充填地壳下降造成的空间，而地壳依然是泥炭沼泽条件。如果这种平衡长期持续，就能堆积很厚的泥炭。沼泽底盘下降速度超过泥炭堆积的速度，或底盘急剧下降，使沼泽水体加深转化为湖泊或其他地理环境时，泥炭堆积就会停止，而泥砂等其它沉积物将泥炭层覆盖。相反，如果该地处于上升隆起阶段，则沼泽化便结束，形成高耸的大陆隆起，接受风化，不利于植物的大量发育。,④、我国重要的聚煤期（成煤时代）北方C3、P1、J、（R）南方C1、P2、J、R,（2）成煤作用煤的形成从化学或生物化学的角度来讲，成煤作用以及成油的机理是一致的。但由于成煤成油的物质基础不同，形成的产物还不尽相同。因此成煤作用和成油作用除了大体一致以外，还有各自的独特的地方。,成煤作用,当自然界具备成煤的上述先决条件时，植物遗体就逐渐转变为煤，从植物遗体形成煤的转化过程叫做成煤作用。根据成煤作用的性质和特点将成煤作用分为泥炭化（腐泥化）作用期和煤化作用期。,①泥炭化作用期,在地表条件下，沼泽环境中的植物遗体在微生物的参与下进行的生物化学作用形成泥炭的地质作用，叫泥炭化作用。植物的遗体在沼泽盆地堆积后，要经过一系列成煤作用才能成为煤。成煤作用的初始阶段就是泥炭化作用。在这一过程中有机组分的变化是十分复杂的。,泥炭化过程的生物化学作用可以大致分为两个阶段,第一阶段分解、氧化阶段当堆积在沼泽表面（暴露在空气中）的植物遗体，在多氧和厌氧细菌的作用下，其中的纤维素、木质素等有机组分经过氧化和分解作用，一部分被彻底破坏变成气体和水分，另一部分则转变为简单的有机化合物，而未遭受到分解的稳定组分则继续留在沼泽中。,第二阶段合成阶段随着植物遗体的不断堆积和分解，原来暴露在大气中的植物遗体由于水体的覆盖而处于缺氧环境之中。因此在堆积物的下部由氧化环境逐渐转变为弱氧化、甚至还原环境。那在早期经过氧化分解和水解作用形成的各种产物之间经过复杂的生物化学合成作用转变成新的多水和富含腐植酸的腐植物质。这种腐植物质即是泥炭煤的前身的主要组成部分。,在泥炭化过程中，如果第一阶段的氧化分解作用充分进行，一直进行到底，植物遗体将会遭到破坏，变为气体和液体而逸去。这时泥炭则不能形成。但是由于泥炭沼泽水的覆盖和植物遗体的厚度增加，使正在分解的遗体逐渐与地表大气隔绝，并由于植物本身存在的防腐和杀菌成分以及其遗体在转变过程中分解放出的气、液体等，能促使植物遗体的氧化分解常常不充分的。,腐泥化作用,在还原环境中低等植物和低等动物转变为腐泥的作用，叫腐泥化作用。腐泥是腐泥煤的前身。形成腐泥的原始物质是富含脂肪和蛋白质的浮游生物如藻类、微生物类。由于原始物质的来源不同，其化学组成亦不同腐泥较泥炭的含氢量高，含氧量低，泥炭以腐植酸为主、而腐泥中则富含沥青质，因此腐泥化作用又称为沥青化作用。如果在腐泥形成过程中，同时沉积的矿物杂质（无机质）较多，并超过了一定的数量，这种腐泥就是油页岩的前身。,②煤化作用期,即指由泥炭向褐煤、烟煤和无烟煤的转变称为煤化作用。煤化作用又包括有机成岩作用和变质作用两大阶段。,A、有机成岩阶段,经过泥炭化（以及腐泥化）作用形成的泥炭层、腐泥层，由于地壳的运动，使其缓慢下降而被泥沙等其它的沉积物覆盖，泥炭、腐泥因此与空气隔绝，在压力和温度等因素的影响下，泥炭层（或腐泥层）发生压实、脱水、增炭、空隙度减少等一系列的物化变化，逐渐固结成褐煤。这一过程大约发生在200〜400米深处。,B、有机变质阶段,如果继续受到地壳运动的影响，使其下降到地下更深处，在温度和压力不断增高的情况下，煤化作用进一步加深，煤的内部结构和物理化学性质作有规律的变化；例如颜色加深，光泽变强、炭含量不断增高，挥发性物质和氢含量减少，结构更加紧密。比重加大到1.26〜1.35，褐煤逐渐转变为烟煤无烟煤。,由泥炭转变成褐煤的过程称“有机成岩作用阶段”，由褐煤转变成烟煤、无烟煤的过程又称为“有机变质阶段”，如果无烟煤再进一步变质（深变质）就形成了石墨，石墨则不具备有机质的一切特征。,成煤作用示意图,腐泥化作用示意图,三、油页岩,1、定义由低等生物转化而成的、含灰分高的腐泥质页岩，即狭义的油页岩。油页岩是一种固态的可燃有机岩，为一种腐泥成因的富含有机物的致密页状岩石，从定义可知，油页岩有一个很重要的性质就是它经过干馏后可以产生石油。,当把油页岩低温干馏时，就可以得到汽油、柴油、润滑油、石蜡、沥青及氨水、硫化沥青等一系列化工原料。当将其高温干馏时，可以得到高温气体和可供提取多种工业原料的焦油等产品。因此，油页岩不仅可以用做燃料，提供能源，而且也是制造“人工石油”的重要的矿产资源。,2、油页岩的组成由无机组分和有机组分两大部分组成。有机组分又可以分为沥青质（即可以溶于有机溶剂氯仿、四氯化碳等的有机质）以及干酪根kerogen，又称油母质，不溶于有机溶剂的有机质）；无机组分主要是石英、长石、黏土、碳酸盐类的矿物等。,油页岩,油页岩的外表呈灰白色、黄棕色、褐色、黑灰色、黑色等多种颜色，一般颜色越浅含油率越高，通常暗淡无光泽，但指甲刻画时可留下光泽的油迹。油页岩富含韧性，可以用刀切割，薄片具弹性，甚至可以直接点燃。,油页岩与煤的区别仅在于油页岩中的矿物质含量较高，灰分大于33，煤中的灰分小于33，有机质的C/H小于10，但含油率高，N和P也较高，由于有机组成中不含或含微量的原质沥青（小于12），在自然状态下不溶于有机溶剂，只有加热后才溶解，因此有人将油页岩称为“热解沥青油页岩”。,3、油页岩的成因一般认为油页岩是由细粒的矿物碎屑和低等动植物的残体腐烂的有机质同时沉积而成的，其形成的机理与腐泥煤相同，即在有丰富的有机质来源和有利于厌氧细菌活动的还原条件下形成的。据国内外一些油页岩矿床的研究成果说明，植物的孢子花粉，低等生物的菌、藻类、动物类遗体都是形成油页岩的原始材料。,亦即这些有机质在厌氧细菌的活动下以及大量无机物粉沙、淤泥的掺合下，经过还原、分解和沥青化作用，就形成了含矿物杂质较多的腐泥质，即油页岩的前身。而后这些富含有机质的沉积层，在地壳运动的控制下沉隆到地壳的深部，受到上覆地层的压力和地热等因素的影响进行有机成岩作用和散失挥发份物质（在150℃的条件下）等物化作用，沥青质在原地聚集即形成油页岩矿层。,四、石油及天然气1、概念由油田开采出来的液态有机矿产称为天然石油或原油，是一种可燃的有机矿产。石油经过分馏、先后得到石油醚、汽油、柴油、润滑油，残余油渣统称为沥青。石油被称为“工业的血液”，是重要的能源，也是重要的化工原料，是化肥、炸药、农药以及合成纤维、合成橡胶、塑料和洗涤剂的重要原料。,2、石油的组成以及物化性质石油主要由碳氢化合物的混合物组成。其中，纯粹由C和H两种元素组成的有机化合物叫做碳氢化合物，或简称“烃”。烃可以分为几族，石油最重要的烃类有烷烃、环烷烃、芳香烃。此外石油还有许多非烃类（即除了C、H外，还含有O、P、N、S等“杂原子”）。,石油的物理性质颜色黑绿色、棕色、黑色、或稍带黄色。比重介于0.770.98之间，比水轻，其中颜色越深者，一般比重越大，称为重质石油，反之称为轻质石油，我国的石油比重一般介于0.850.9之间。粘度黏度的大小与石油的烃类组成有关，环烷烃粘度最大，其次为芳香烃、烷烃粘度最小。,荧光性石油在紫外线的照射下，可以产生荧光，成分不同的原油其发光颜色不同，因而作为油层对比的标志。旋光性大多数的石油具有旋转偏光面的能力。热值燃烧时，1050011700卡/公斤石油，比重小、热值大。电的特性石油的电阻为10111018欧姆/CM，是非导体，因此电阻率测井常用来测量石油的地下分布情况。,3、石油的成因石油的起源，有机成因的观点为人们所公认①生油的原始物质生油的原始物质是生活在水体中的各种微生物，如藻类和各种微生物，而对于生长在湖泊地带的高等植物对于生煤是重要的。,这些微生物个体很小，重量是微不足道的，但其繁殖的速度却快的惊人，一个细菌在24小时内就可繁殖1036个后代，其总量可达1.4*1017吨重。在世界海洋中，在海水面以下100米的厚的水层中，浮游生物在一年内就可以生产600亿吨有机碳。在水体中除了微生物外，还有鱼类动物等，但由于鱼类繁殖较慢。总的说来，一切有机质均可作为生油的原始质料，但是其中的海洋生物特别是藻类、微生物被认为是最佳的生油物质。,②生油的环境（生油条件）,A、保存条件大量繁殖的生物死亡后快速堆积在一起，构成生油的物质基础，这些死亡的生物堆积后要与空气隔绝，免遭氧化破坏。因此，当时如果具备一种稳定的下降环境，使泥质、沙质沉积物覆盖在生物遗体表面，起到良好的保护作用，使其在缺氧的还原环境中进行成油。反之，就会暴露在大气中发生缓慢的燃烧，变成CO2丧失掉。,B、温度与压力,随着生物不断死亡堆积以及泥、沙物质不断覆盖，层复一层，于是在深部和底部的沉积物就接受上覆沉积物和水体静压力的作用，同时温度也会升高。但是，压力温度太高太大，或太低太小，均不适于石油的生成。但到底多少适于生物遗体转变为石油，目前尚无确切的数据，据实际油井观察到的压力一般为100〜200大气压，个别可达300大气压。,生油窗,开始生油的温度大约从60℃开始便可以有少量的油质生成，一般认为生油范围为50℃〜150℃，深度大于1500米。普西第三PuseyIII提出关于石油形成的“液态烃窗口”Oilwindow（或“生油窗”）的概念，他指出液态烃类在65.6℃时大量生成，而在高于148.9℃时液态烃则被破坏，形成气态烃。因此他认为在地温为65.6℃〜148.9℃之间有一个“液态烃类窗口”，它限制了石油生成和聚集的深度。,C、地质条件有利的生油地质环境是浅海的陆棚、海湾、泻湖和内陆大而深的湖泊。在这样的地区生油物质来源丰富，地壳长期缓慢下沉，陆源沉积物丰富，使得生物遗体迅速地为沉积物覆盖。,③干酪根的形成与生油作用,石油是沉积物中的不溶有机质“油母质”（干酪根kerogen亦译成“油母质”）在成岩作用的晚期直至变质作用的开始，经过热降解thermaldegradation作用生成的。,干酪根生油生气,简单地说来，干酪根是由生物的遗体（生油生气型干酪根则主要是水生生物如藻类、菌类等微生物遗体），经过腐烂分解，逐渐演化而成的，它是在沉积物经过压实、固结、成岩过程中在适当的周围环境和压力条件下形成的一种有机缩合物。这种有机缩合物对于周围环境条件（压力、温度等）处于相对稳定平衡状态。包括一切微生物、藻类、以及其它高等、低等生物在内的生物主要由蛋白质、氨基酸、脂肪族、碳水化合物、以及木质素、纤维素、树脂、丹宁等有机组分组成。,④生油生气的阶段性A、初期的生气阶段（生物甲烷阶段）该阶段以低温、低压和微生物作用为主要特点温度一般低于60℃〜65℃。从地表到10001500米的深度。在这一阶段中有机质尚未成熟，尚未大量转化为烃类，主要形成的新烃类是甲烷CH4，是有机质为嫌气细菌发酵产生的。据Hunt统计，在该阶段大约形成了7的气态烃，9的液态烃和4的沥青质。此阶段在有利的保存条件下，可形成生物气藏。,B、主要生油阶段（深成阶段）,该阶段温度大致60〜210℃，深度1500〜3000米，随着埋深加大，温度上升，有机质开始成熟。当达到一个门限温度时，干酪根开始大量热降解生成液态烃类物质。这就是生成石油的主要阶段，形成大量的石油和天然气。大规模的生油条件为60℃〜120℃。随着温度持续升高，CC键裂解加剧，残余的干酪根和已经形成的重烃继续在高温下热裂解。较轻的烃类C2-C8迅速增加，形成了凝析油和湿气（烃类气体中，常将比甲烷CH4重的C2-C4烃类的含量小于5、甲烷大于95者称为干气；而C2-C4烃类的含量大于5的烃类气体称为湿气。这阶段形成了82的气态烃、91的液态烃和96的沥青质。,C、石油裂解生气阶段（热裂解甲烷气阶段有机变质阶段）由于深埋作用进一步的加深，深度3000〜4000米，温度大于210℃。温度、压力不断加大，有机质以及生成的烃类经受更高的温度和压力，有机物中可以分解的组分基本析出，干酪根的结构继续发生重排、缩聚、干酪根和生油生气已近尾声，残余的少量烷基侧链断裂。主要发生条件是已经形成的液态烃又经热解，继续遭到破坏生成大量的甲烷。干酪根中的其它元素全部析出，部分碳也丧失，最后仅剩下碳质残余而形成最为稳定的石墨半石墨晶体产生热解，深度变质，该阶段可形成11的气态烃类。,油气生成条件示意图,4、油气藏的形成与其它金属非金属等固体矿产不同的是石油生成以后是呈分散状态，存在于生油层中，这时还不能称为可供利用的油气矿床。如果要形成油气矿藏还必须经过油气的运移和聚集过程。石油沿着断裂、断层从生油层运移到多孔的储油层中集中起来，在有良好的封闭条件下圈闭构造，天然气和石油就会聚集起来形成具工业价值的油气藏。圈闭能够容纳石油和天然气并使其富集的封闭或半封闭的场所。,油气藏的形成圈闭构造,油气运移的条件,由于石油和天然气是一种流体，当压力差、和浓度差、存在时即可引起油气的运移、造成油气运移的条件，归纳起来有压力上覆地层产生的静压力和构造变动引起的动压力；比重油、气、水的比重不同引起的油气的上地下水地下水活动引起的；细菌细菌活动引起的；毛细管毛细管作用；扩散扩散作用；,次生油气藏,如果油气藏形成以后，又被断裂破坏，油气可能沿着断裂再次运移，到达新的封闭聚集新的油气藏，称为次生的油气藏。如果油气沿着断裂或其它的原因运移上升到地表，形成油苗、气苗，它们是寻找石油的标志。,油、气藏,概括来讲，油气的存在首先要有产生大量石油的生油岩；其次要有多孔的渗透性好的储集岩，以容纳从生油岩中运移出来的石油；第三要有储集岩与不渗透盖层或其它遮挡因素所组成的圈闭，捕捉石油，使之能在圈闭中聚集。因此油气藏的形成是石油从生油岩中挤出，进入空隙性良好的岩石中，经过运移，到一定的部位（圈闭）后聚集形成的油气藏。若其中只聚集液态的石油，则称为“油藏”，同时有油和气的，则称为“油气藏”。,五、天然气,从广义上来说，天然气包括自然界中的各种产状的、各种成因的气体，如，气态的烃、CO2、H2S、N2以及惰性气体He、Ne等，包括火山的喷气，变质岩、岩浆岩释放的气体，按成因可分为烃类气体CH4、C2H6、C3H8、C4H10和非烃类气体CO2、H2S、N2、He,成因分类,①生物气是指在生物化学作用带内（相应于泥炭化作用带），有机质由微生物的群体发酵作用形成的天然气，即指在表面沉积物中的微生物的活动使有机质分解，形成的CO、H2S、NH3和N2等。,②油系气（与石油形成有关的烃类气体）包括了深成阶段形成的石油伴生气、湿气、凝析气以及有机质在变质阶段形成的石油裂解气。引起这种变化的主要因素，不是细菌类微生物而是温度、压力随着温度的持续升高干酪根侧链脱落，官能团消失以至热催化裂解，有机质组成中的H、N、O、S等分别以烃CO2、H2S、NH3等形式释放出来。并且，先生成的重烃类大分子化合物也由于温度、压力的升高，发生降解，降解成为小分子的有机化合物，即各种裂解成因的气体。,③煤系气（瓦斯）一般指煤系地层在煤化作用过程中生成的天然气。煤系地层中含有丰富的腐殖质有机质或呈集中状态（煤层、煤线等）或呈分散的状态。与生油过程平行的是，随着埋深加大，温度和压力的升高，成煤有机质经历了一系列的物化变化，形成煤化作用。,煤化作用的实质便是腐殖质有机质脱氧、富氢富碳的过程。其中不稳定的官能团，尤其是含氧官能团如羟基OH，甲氧基OCH3等。富氢的烷基侧链断裂以CH4、CO2、H2O、H2S等挥发性物质排出，而瓦斯Was是煤系气的一种，煤矿中的瓦斯主要由CH4、N2、CO2等为主。,石油及天然气形成作用示意图,思考题,1、腐植煤的形成需要具备哪些条件2、何谓聚煤盆地可分为哪些类型3、煤系可分为哪些类型有何共同特征煤层主要形成于何种沉积环境4、聚煤盆地、煤系、煤田及煤层等概念有何区别与联系5、含油（气）盆地有哪些类型一般具有哪些特征6、何谓油（气）藏形成油（气）藏需具备哪些条件7、生油层有何特征常为何种岩层8、储油层有何特征常为何种岩层9、盖层有何特征常为何种岩层10、何谓圈闭（构造）有哪些类型在油气藏的形成和勘查中有何意义,