㈠ 石油和天然氣礦床
由於石油和天然氣具有燃燒充分、發熱量高、比重小、流動性、易於開采、運輸方便和成本低廉等優點，近年來的開采量和需求量迅猛增長。據統計，在工業較發達國家的能源消費結構中，煤炭的地位由90%跌至30%左右，而石油、天然氣則上升到65%～75%。
石油和天然氣還是合成纖維、塑料、合成橡膠、化肥、農葯等化學工業最主要的原料。石油和天然氣的化工產品，目前約有50餘種。從石油和天然氣中尚可提取大量的硫，有些還可提取氦、氬、汞。因此，人稱它們為「工業的血液」。
一、石油的基本特徵和成因
1.石油的組成和性質
石油主要是由多種碳氫化合物構成的混合物。純粹由碳和氫兩種元素組成的化合物，稱為碳氫化合物（烴）。烴可以分成幾個族。石油主要是烷烴（CnH2n+2）、環烷烴（CnH2n）、芳香烴（CnH2n-6）所組成。此外，石油中還含有少量的非烴類，如硫、氮、氧等，但含量很低（表10-1）。非烴組成對石油的質量影響很大。原油中含硫＜0.5%為低硫原油；含硫＞0.5%為高硫原油。在石油灰分中還含有30多種微量元素，其中以釩和鎳含量最高。
表10-1 石油和天然氣的化學組成
石油是有機化合物的混合物，因而沒有固定的物理常數，多為墨綠色、深褐色至黑色，具明顯的氣味，輕質石油有芳香味，濃而黑的石油有瀝青味，少數含硫、氮多的有惡臭味，密度一般在0.75～1.00 g/cm3之間；石油的粘度主要取決於其化學組成，烷烴和溶解氣的含量高則粘度小，環烷烴含量高則粘度大；石油難溶於水，卻易溶於許多有機溶劑；在紫外光照射下顯出熒光，這可作為確定岩石是否含油的標志。此外，石油的導電性差，是電阻率測井中用來尋找油藏確定油層的依據。
2.石油的形成
關於石油的成因，長期以來曾有無機說與有機說的爭論，現在已普遍承認石油是有機成因的。那麼生油的原始物質是什麼？人們曾指出石油直接起源於活的有機體，並認為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，特別是藻類被認為是最佳的生油物質。而對沉積岩的研究則表明，各種沉積物中均不同程度的含有機質：泥質岩平均為2.1%，碳酸鹽岩中為0.2%，砂岩中為0.05%。目前，已能從沉積有機質中提取氨基酸、類脂物、糖類物質以及烴類和瀝青組分，但它們只佔有機質中很少的一部分，而絕大部分是高分子殘渣——干洛根。干洛根指存在於沉積岩和沉積物中不溶解於有機溶劑的有機質。干洛根可從脂肪、碳水化合物、蛋白質及腐殖酸中產生。1962年亨特首次在隔氧條件下加熱干洛根獲得烴類化合物。爾後提出了干洛根熱降解成油的觀點，這一認識得到廣泛的重視和認同。
石油的生成取決於：①大量的有機物質來源；②有利於有機質保存的還原環境；③促使有機質向石油轉化所需要的合適溫度、壓力以及細菌、放射性作用等。當有機質在埋深過程中由於溫度的升高達到一定程度時，就會有大量烴類產生；因此，長期穩定下沉的深坳陷是形成石油的最主要地質構造條件。只有當沉積物下沉到相當大的深度，才能保證溫度和壓力升高到足以使有機物熱解轉化成為石油。
二、天然氣的基本特徵和成因
廣義的天然氣泛指存在於自然界中的一切氣體，狹義的天然氣則指分布於沉積圈中或地殼上部的各種天然氣，其主體是聚集成氣藏的烴氣。人們一般所指的天然氣，即是那些與石油有成因聯系的烴類為主的氣藏中的天然氣。
1.天然氣的化學組成
氣藏中天然氣的主要成分是烴類（表 10-1），通常甲烷為主，次為重烴氣，其中以C2H6、C3H8最常見。非烴氣在大多數氣藏中都為次要組分，常見為N2、CO2、H2S、CO、SO2、H2、Hg以及微量或痕量的惰性氣體等。有時這些非烴氣也可以成為天然氣的主要組成，並形成非烴氣藏，如我國廣東三水盆地的CO2氣田，CO2高達99.53%。
2.天然氣的成因類型
（1）生物成因氣：亦稱菌解氣，是指在淺層低溫的還原條件下的生物化學作用帶內，由厭氧細菌等微生物分解有機質而形成的天然氣（甲烷氣）。通過現代海洋沉積物中的微生物對有機質的礦化作用研究表明，有機質形成甲烷是細菌的代謝作用過程。在喜氧細菌的代謝作用中，游離氧很快被消耗，形成缺氧環境。在厭氧細菌生活的環境中，細菌的發酵作用明顯加強，生成甲烷的速率加大。因此，富含腐殖型和混合型有機質的淺海和海陸交替帶的硫酸鹽還原作用帶以下深度，是生物氣大量生成的有利環境。生物氣在天然氣工業中具有重要地位，佔世界天然氣總探明儲量的20%以上。
（2）與成油作用有關的天然氣：指分散的有機質（干洛根）在熱降解成油過程中，與石油一起形成的甲烷為主的天然氣，也包括液態烴在過成熟階段熱裂解形成的甲烷氣。由於這種天然氣在成因上和分布上與石油關系密切，又稱為油型氣。油型氣通常有三類：①油田氣，指溶解於原油中的氣體和從原油中析出呈游離狀態的氣體；②氣田氣，是一種與石油沒有伴生關系的甲烷氣，產於與石油大體相同的構造中；③凝析氣，是一種含有凝析物（油）的氣體，這種氣體冒出地面後，由於溫度和壓力的下降，會析出液態凝析物，它是一種輕質的、淡黃色液態烴，稱為凝析油。
（3）煤層氣：也稱煤型氣，是指煤在煤化過程中變質作用階段所形成的天然氣，是賦存於煤層中的自生自儲式非常規天然氣。煤礦開采過程中不時湧出或爆炸的瓦斯，就是煤層氣。在實際應用中，有人也稱之為煤成氣。從真正意義上講，煤成氣是指煤或煤系有機質在天然熱力作用下生成的熱解氣，多聚集於煤層之外其他儲層中。
煤層氣作為一種新興、潔凈、高效的能源，已被世界上許多國家開發利用。世界煤炭資源非常豐富，因此煤層氣潛量巨大。就目前所知，在世界發現的26個最大氣田中，有16個是煤層氣氣田，其最終探明儲量佔26個最大氣田總探明儲量的72.2%。煤層氣將成為今後世界上開發的最主要能源礦產之一。
近年來，隨著潔凈煤技術熱潮在全球范圍內的興起，煤炭地下氣化技術得到了迅猛發展。煤炭地下氣化就是將處於地下的煤炭進行有控制的燃燒，通過對煤的熱化學作用而產生可燃氣體的過程。這種人為的使煤產生的可燃氣不屬於天然氣范疇，但對煤的潔凈和充分利用以及替代天然氣資源具有變革性意義。
（4）天然氣水合物：天然氣水合物是近年來發現的一種新能源，預計40年或50年後將大部分替代行將枯竭的石油和天然氣。天然氣水合物是由碳氫氣體（主要是甲烷氣）與水分子組成的一種冰狀固體物質，在低溫（＜10t）、高壓（＞10 MPa）下由有機質形成並儲存於深海底之下的淺層沉積物孔隙內，大陸上永久凍土帶也有大量天然氣水合物。據估算，其資源量為（1.8～2.1）×1016m3，相當於全球石油、天然氣和煤總資源量的兩倍，其總量之大足以成為未來相當長時期內世界開發利用的潛在能源。
（5）無機成因氣：泛指在沉積作用過程中捕獲的氣體、岩石受熱分解以及遭受變質後的脫氣、岩漿析出氣等各種無機成因的天然氣。形成氣藏的主要是CO2氣。
三、油氣藏和油氣顯示
1.油氣藏的形成
油氣藏是油氣聚集的最基本單位。它的形成首先要有產生大量油氣的生油（氣）岩（烴源岩）；其次要有具滲透性的儲集岩，以容納從生油岩中運移出來的油氣；第三要有儲集岩與非滲透性蓋層或其他遮擋因素所組成的圈閉，以捕捉和聚集油氣。
（1）生油（氣）岩：指可能產生或已產生石油（氣）的岩石。由生油（氣）岩組成的地層叫生油（氣）層。在一定地質時期內所形成的生油（氣）岩與非生油（氣）岩的岩性組合，叫生油（氣）岩系。生油（氣）岩都是富含有機質的細粒沉積岩，以暗色的泥質岩和泥晶碳酸鹽岩類為主。世界上所有大型油氣田差不多都和泥岩、泥灰岩密切相關。在實際工作中，要准確地鑒定或定量地評價生油（氣）岩，通常要進行有機質豐度、有機質類型、有機質成熟度指標及有機質轉化指標等方面的測試和研究。
（2）儲集岩：指能夠儲存石油和天然氣，又能輸出油氣的岩石。由儲集岩構成的地層，稱儲集層或儲層。儲集岩必須同時具備良好的孔隙性和滲透性。砂岩的孔隙度高，並且滲透性能好，因而是良好的儲集層。其次為石灰岩和白雲岩。裂隙發育的頁岩、變質岩和火山岩也可以作為儲集層。目前世界上已發現的油氣，99%以上儲集在沉積岩儲層中，其中又以碎屑岩和碳酸鹽岩儲集層為主。碎屑岩儲集層包括砂礫岩、砂岩、粉砂岩及未膠結或膠結鬆散的砂層；碳酸鹽岩儲集層的岩石類型主要為粒屑灰岩、生物骨架灰岩等。
（3）蓋層：指位於儲集層之上，能對儲集層起封隔作用、阻止油氣向上逸散的岩層。組成蓋層的岩石為不具滲透性的岩石，如泥岩、頁岩、蒸發岩。其中，泥岩和頁岩蓋層常與碎屑岩儲集層伴生，而蒸發岩蓋層則多與碳酸鹽岩儲集層並存。
（4）油氣的運移：有機物質轉變成油氣只是提供了形成油氣藏的物質來源，只有使分散狀態的油氣經過運移而大量聚集後才能形成油氣藏。油氣的運移就是油氣在地殼中因自然因素引起的移動。引起油氣運移的動力因素有：上覆沉積負荷不斷增加，導致壓實作用而形成流體運動；由於埋藏深度增加，在溫度升高的熱力作用下，流體膨脹造成流體運動；其他動力因素，如粘土礦物脫水作用、毛細管作用、水動力作用等。油氣從生油（氣）岩中向外運移的過程，稱為初次運移。油氣脫離生油（氣）岩後在儲集層內運移，稱二次運移。只有當儲集層具有一定的傾角以及構造運動形成圈閉時，儲集層中的油氣和水才能在動壓力、重力及水力等因素作用下繼續向岩層上傾方向運動，直至遇到能捕獲油氣的圈閉，油氣聚集起來形成油氣藏。
（5）圈閉和油氣藏：圈閉亦稱油（氣）捕，指能阻止油氣在儲集層中繼續運移並將其聚集起來的空間場所。圈閉必須具備儲集層、蓋層和一定的遮擋（或封閉）條件。根據控制圈閉形成的地質因素，圈閉可分為3種基本類型（圖10-4）：Ⅰ類為構造圈閉，為儲集層在褶皺和斷層作用下形成的圈閉，包括背斜圈閉、斷層圈閉、裂縫性圈閉、刺穿構造圈閉；Ⅱ類為岩性圈閉，為儲集層岩性橫向變化造成的圈閉，包括透鏡體圈閉、岩性傾向尖滅圈閉、生物礁圈閉；Ⅲ類為地層圈閉，是一組不滲透性岩層，不整合覆蓋在具有儲集性岩石上面造成的圈閉，包括不整合圈閉、潛伏剝蝕突起圈閉。通常最重要的圈閉是背斜構造，油氣常聚集在背斜的頂部。
圖10-4 圈閉的類型及油氣藏類型示意圖
聚集了一定數量油和氣的圈閉，稱油氣藏。如果圈閉中僅聚集了石油，稱油藏；只聚集了天然氣，稱為氣藏。儲量可供工業開採的油氣藏，稱為工業油氣藏。一個地區，只有具備生油層、儲油層、蓋層、圈閉等基本條件，並且油氣經運移進入圈閉聚集，才會形成油氣藏。
2.油氣顯示
油氣顯示是指石油、天然氣以及石油衍生物在地表的天然露頭，有時也包括鑽井岩芯或礦井巷道中見到的含油氣跡象。其中，石油衍生物是指由石油演變而來的一系列有機礦物。常見的宏觀直接油氣顯示有：由地下沿斷層或其他通道向上運移而透出地表的液態原油，稱為油苗，隨地下水滲出或隨泥漿湧出，呈薄膜狀浮於其表面者，稱為油膜；氣苗通常在水中或泥漿中呈連續或斷續的氣泡冒出，有時從土壤或岩石中直接溢出，並可嗅到特殊的氣味，甚至聽到嗤嗤的響聲；被液態原油浸染的岩石通常為砂岩，含油砂岩分為油砂和油斑，油砂指全部被原油所浸潤的砂岩，油斑則指局部被原油浸染的砂岩；地下高壓的天然氣挾帶地下水、泥砂、岩塊噴出地表，所攜帶的泥砂等固體物質在溢出口形成錐狀堆積體，即泥火山，實際上，泥火山是氣苗的一種特殊形式；地表岩石含有石油瀝青礦物（地蠟和瀝青）屬於固體顯示。油氣顯示對油氣藏的調查勘探工作具有重要意義。
四、油氣田和含油氣盆地
在地表同一塊面積下，油氣藏類型和數目可以是單一的，也可以是多組合的，即存在著不同圈閉類型或同種圈閉的多個油氣藏。一般把受單一地質因素控制的同一面積內油氣藏的總和稱油氣田。如果在同一面積下，圈閉中只聚集了石油或天然氣，則稱為油田或氣田。
含油氣盆地指有過油氣生成，並運移聚集成為工業油氣田的沉積盆地。含油氣盆地在其地質發展演化的某一時期為沉積坳陷區，在同一盆地內或若干生油期，有相似的油氣聚集過程。沉積盆地的基底可以是古老變質岩系或老的沉積岩層，其上有含油沉積蓋層。在橫向上常表現有分割性，隆起和凹陷相間。凹陷區往往是有利的生油環境，而隆起區則對油氣聚集非常有利。
發現和勘探油氣田首先要對該地區的含油氣遠景作出正確的評價，評價的內容主要有：①區域構造條件，含油氣盆地的內部構造特徵；②區域地層關系、生油層、儲油層、蓋層的組合條件；③油氣圈閉條件，尤其是構造圈閉類型和特徵；④油氣藏的保存條件；⑤油氣顯示。