㈠ 石油和天然气矿床
由于石油和天然气具有燃烧充分、发热量高、比重小、流动性、易于开采、运输方便和成本低廉等优点，近年来的开采量和需求量迅猛增长。据统计，在工业较发达国家的能源消费结构中，煤炭的地位由90%跌至30%左右，而石油、天然气则上升到65%～75%。
石油和天然气还是合成纤维、塑料、合成橡胶、化肥、农药等化学工业最主要的原料。石油和天然气的化工产品，目前约有50余种。从石油和天然气中尚可提取大量的硫，有些还可提取氦、氩、汞。因此，人称它们为“工业的血液”。
一、石油的基本特征和成因
1.石油的组成和性质
石油主要是由多种碳氢化合物构成的混合物。纯粹由碳和氢两种元素组成的化合物，称为碳氢化合物（烃）。烃可以分成几个族。石油主要是烷烃（CnH2n+2）、环烷烃（CnH2n）、芳香烃（CnH2n-6）所组成。此外，石油中还含有少量的非烃类，如硫、氮、氧等，但含量很低（表10-1）。非烃组成对石油的质量影响很大。原油中含硫＜0.5%为低硫原油；含硫＞0.5%为高硫原油。在石油灰分中还含有30多种微量元素，其中以钒和镍含量最高。
表10-1 石油和天然气的化学组成
石油是有机化合物的混合物，因而没有固定的物理常数，多为墨绿色、深褐色至黑色，具明显的气味，轻质石油有芳香味，浓而黑的石油有沥青味，少数含硫、氮多的有恶臭味，密度一般在0.75～1.00 g/cm3之间；石油的粘度主要取决于其化学组成，烷烃和溶解气的含量高则粘度小，环烷烃含量高则粘度大；石油难溶于水，却易溶于许多有机溶剂；在紫外光照射下显出荧光，这可作为确定岩石是否含油的标志。此外，石油的导电性差，是电阻率测井中用来寻找油藏确定油层的依据。
2.石油的形成
关于石油的成因，长期以来曾有无机说与有机说的争论，现在已普遍承认石油是有机成因的。那么生油的原始物质是什么？人们曾指出石油直接起源于活的有机体，并认为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，特别是藻类被认为是最佳的生油物质。而对沉积岩的研究则表明，各种沉积物中均不同程度的含有机质：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、糖类物质以及烃类和沥青组分，但它们只占有机质中很少的一部分，而绝大部分是高分子残渣——干洛根。干洛根指存在于沉积岩和沉积物中不溶解于有机溶剂的有机质。干洛根可从脂肪、碳水化合物、蛋白质及腐殖酸中产生。1962年亨特首次在隔氧条件下加热干洛根获得烃类化合物。尔后提出了干洛根热降解成油的观点，这一认识得到广泛的重视和认同。
石油的生成取决于：①大量的有机物质来源；②有利于有机质保存的还原环境；③促使有机质向石油转化所需要的合适温度、压力以及细菌、放射性作用等。当有机质在埋深过程中由于温度的升高达到一定程度时，就会有大量烃类产生；因此，长期稳定下沉的深坳陷是形成石油的最主要地质构造条件。只有当沉积物下沉到相当大的深度，才能保证温度和压力升高到足以使有机物热解转化成为石油。
二、天然气的基本特征和成因
广义的天然气泛指存在于自然界中的一切气体，狭义的天然气则指分布于沉积圈中或地壳上部的各种天然气，其主体是聚集成气藏的烃气。人们一般所指的天然气，即是那些与石油有成因联系的烃类为主的气藏中的天然气。
1.天然气的化学组成
气藏中天然气的主要成分是烃类（表 10-1），通常甲烷为主，次为重烃气，其中以C2H6、C3H8最常见。非烃气在大多数气藏中都为次要组分，常见为N2、CO2、H2S、CO、SO2、H2、Hg以及微量或痕量的惰性气体等。有时这些非烃气也可以成为天然气的主要组成，并形成非烃气藏，如我国广东三水盆地的CO2气田，CO2高达99.53%。
2.天然气的成因类型
（1）生物成因气：亦称菌解气，是指在浅层低温的还原条件下的生物化学作用带内，由厌氧细菌等微生物分解有机质而形成的天然气（甲烷气）。通过现代海洋沉积物中的微生物对有机质的矿化作用研究表明，有机质形成甲烷是细菌的代谢作用过程。在喜氧细菌的代谢作用中，游离氧很快被消耗，形成缺氧环境。在厌氧细菌生活的环境中，细菌的发酵作用明显加强，生成甲烷的速率加大。因此，富含腐殖型和混合型有机质的浅海和海陆交替带的硫酸盐还原作用带以下深度，是生物气大量生成的有利环境。生物气在天然气工业中具有重要地位，占世界天然气总探明储量的20%以上。
（2）与成油作用有关的天然气：指分散的有机质（干洛根）在热降解成油过程中，与石油一起形成的甲烷为主的天然气，也包括液态烃在过成熟阶段热裂解形成的甲烷气。由于这种天然气在成因上和分布上与石油关系密切，又称为油型气。油型气通常有三类：①油田气，指溶解于原油中的气体和从原油中析出呈游离状态的气体；②气田气，是一种与石油没有伴生关系的甲烷气，产于与石油大体相同的构造中；③凝析气，是一种含有凝析物（油）的气体，这种气体冒出地面后，由于温度和压力的下降，会析出液态凝析物，它是一种轻质的、淡黄色液态烃，称为凝析油。
（3）煤层气：也称煤型气，是指煤在煤化过程中变质作用阶段所形成的天然气，是赋存于煤层中的自生自储式非常规天然气。煤矿开采过程中不时涌出或爆炸的瓦斯，就是煤层气。在实际应用中，有人也称之为煤成气。从真正意义上讲，煤成气是指煤或煤系有机质在天然热力作用下生成的热解气，多聚集于煤层之外其他储层中。
煤层气作为一种新兴、洁净、高效的能源，已被世界上许多国家开发利用。世界煤炭资源非常丰富，因此煤层气潜量巨大。就目前所知，在世界发现的26个最大气田中，有16个是煤层气气田，其最终探明储量占26个最大气田总探明储量的72.2%。煤层气将成为今后世界上开发的最主要能源矿产之一。
近年来，随着洁净煤技术热潮在全球范围内的兴起，煤炭地下气化技术得到了迅猛发展。煤炭地下气化就是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热化学作用而产生可燃气体的过程。这种人为的使煤产生的可燃气不属于天然气范畴，但对煤的洁净和充分利用以及替代天然气资源具有变革性意义。
（4）天然气水合物：天然气水合物是近年来发现的一种新能源，预计40年或50年后将大部分替代行将枯竭的石油和天然气。天然气水合物是由碳氢气体（主要是甲烷气）与水分子组成的一种冰状固体物质，在低温（＜10t）、高压（＞10 MPa）下由有机质形成并储存于深海底之下的浅层沉积物孔隙内，大陆上永久冻土带也有大量天然气水合物。据估算，其资源量为（1.8～2.1）×1016m3，相当于全球石油、天然气和煤总资源量的两倍，其总量之大足以成为未来相当长时期内世界开发利用的潜在能源。
（5）无机成因气：泛指在沉积作用过程中捕获的气体、岩石受热分解以及遭受变质后的脱气、岩浆析出气等各种无机成因的天然气。形成气藏的主要是CO2气。
三、油气藏和油气显示
1.油气藏的形成
油气藏是油气聚集的最基本单位。它的形成首先要有产生大量油气的生油（气）岩（烃源岩）；其次要有具渗透性的储集岩，以容纳从生油岩中运移出来的油气；第三要有储集岩与非渗透性盖层或其他遮挡因素所组成的圈闭，以捕捉和聚集油气。
（1）生油（气）岩：指可能产生或已产生石油（气）的岩石。由生油（气）岩组成的地层叫生油（气）层。在一定地质时期内所形成的生油（气）岩与非生油（气）岩的岩性组合，叫生油（气）岩系。生油（气）岩都是富含有机质的细粒沉积岩，以暗色的泥质岩和泥晶碳酸盐岩类为主。世界上所有大型油气田差不多都和泥岩、泥灰岩密切相关。在实际工作中，要准确地鉴定或定量地评价生油（气）岩，通常要进行有机质丰度、有机质类型、有机质成熟度指标及有机质转化指标等方面的测试和研究。
（2）储集岩：指能够储存石油和天然气，又能输出油气的岩石。由储集岩构成的地层，称储集层或储层。储集岩必须同时具备良好的孔隙性和渗透性。砂岩的孔隙度高，并且渗透性能好，因而是良好的储集层。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层。目前世界上已发现的油气，99%以上储集在沉积岩储层中，其中又以碎屑岩和碳酸盐岩储集层为主。碎屑岩储集层包括砂砾岩、砂岩、粉砂岩及未胶结或胶结松散的砂层；碳酸盐岩储集层的岩石类型主要为粒屑灰岩、生物骨架灰岩等。
（3）盖层：指位于储集层之上，能对储集层起封隔作用、阻止油气向上逸散的岩层。组成盖层的岩石为不具渗透性的岩石，如泥岩、页岩、蒸发岩。其中，泥岩和页岩盖层常与碎屑岩储集层伴生，而蒸发岩盖层则多与碳酸盐岩储集层并存。
（4）油气的运移：有机物质转变成油气只是提供了形成油气藏的物质来源，只有使分散状态的油气经过运移而大量聚集后才能形成油气藏。油气的运移就是油气在地壳中因自然因素引起的移动。引起油气运移的动力因素有：上覆沉积负荷不断增加，导致压实作用而形成流体运动；由于埋藏深度增加，在温度升高的热力作用下，流体膨胀造成流体运动；其他动力因素，如粘土矿物脱水作用、毛细管作用、水动力作用等。油气从生油（气）岩中向外运移的过程，称为初次运移。油气脱离生油（气）岩后在储集层内运移，称二次运移。只有当储集层具有一定的倾角以及构造运动形成圈闭时，储集层中的油气和水才能在动压力、重力及水力等因素作用下继续向岩层上倾方向运动，直至遇到能捕获油气的圈闭，油气聚集起来形成油气藏。
（5）圈闭和油气藏：圈闭亦称油（气）捕，指能阻止油气在储集层中继续运移并将其聚集起来的空间场所。圈闭必须具备储集层、盖层和一定的遮挡（或封闭）条件。根据控制圈闭形成的地质因素，圈闭可分为3种基本类型（图10-4）：Ⅰ类为构造圈闭，为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；Ⅱ类为岩性圈闭，为储集层岩性横向变化造成的圈闭，包括透镜体圈闭、岩性倾向尖灭圈闭、生物礁圈闭；Ⅲ类为地层圈闭，是一组不渗透性岩层，不整合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。通常最重要的圈闭是背斜构造，油气常聚集在背斜的顶部。
图10-4 圈闭的类型及油气藏类型示意图
聚集了一定数量油和气的圈闭，称油气藏。如果圈闭中仅聚集了石油，称油藏；只聚集了天然气，称为气藏。储量可供工业开采的油气藏，称为工业油气藏。一个地区，只有具备生油层、储油层、盖层、圈闭等基本条件，并且油气经运移进入圈闭聚集，才会形成油气藏。
2.油气显示
油气显示是指石油、天然气以及石油衍生物在地表的天然露头，有时也包括钻井岩芯或矿井巷道中见到的含油气迹象。其中，石油衍生物是指由石油演变而来的一系列有机矿物。常见的宏观直接油气显示有：由地下沿断层或其他通道向上运移而透出地表的液态原油，称为油苗，随地下水渗出或随泥浆涌出，呈薄膜状浮于其表面者，称为油膜；气苗通常在水中或泥浆中呈连续或断续的气泡冒出，有时从土壤或岩石中直接溢出，并可嗅到特殊的气味，甚至听到嗤嗤的响声；被液态原油浸染的岩石通常为砂岩，含油砂岩分为油砂和油斑，油砂指全部被原油所浸润的砂岩，油斑则指局部被原油浸染的砂岩；地下高压的天然气挟带地下水、泥砂、岩块喷出地表，所携带的泥砂等固体物质在溢出口形成锥状堆积体，即泥火山，实际上，泥火山是气苗的一种特殊形式；地表岩石含有石油沥青矿物（地蜡和沥青）属于固体显示。油气显示对油气藏的调查勘探工作具有重要意义。
四、油气田和含油气盆地
在地表同一块面积下，油气藏类型和数目可以是单一的，也可以是多组合的，即存在着不同圈闭类型或同种圈闭的多个油气藏。一般把受单一地质因素控制的同一面积内油气藏的总和称油气田。如果在同一面积下，圈闭中只聚集了石油或天然气，则称为油田或气田。
含油气盆地指有过油气生成，并运移聚集成为工业油气田的沉积盆地。含油气盆地在其地质发展演化的某一时期为沉积坳陷区，在同一盆地内或若干生油期，有相似的油气聚集过程。沉积盆地的基底可以是古老变质岩系或老的沉积岩层，其上有含油沉积盖层。在横向上常表现有分割性，隆起和凹陷相间。凹陷区往往是有利的生油环境，而隆起区则对油气聚集非常有利。
发现和勘探油气田首先要对该地区的含油气远景作出正确的评价，评价的内容主要有：①区域构造条件，含油气盆地的内部构造特征；②区域地层关系、生油层、储油层、盖层的组合条件；③油气圈闭条件，尤其是构造圈闭类型和特征；④油气藏的保存条件；⑤油气显示。