煤系烴源巖生烴動力學研究方法及地質應用探討

司慶紅 司馬獻章 張超 王善博 奚曉謙

摘要：熱模擬實驗結合自然成熟演化特征進行的煤系烴源巖的生烴動力學研究被認為是一種生烴過程研究、生烴潛力預測的行之有效的方法。該方法在國外得到普遍重視，并廣泛應用于含油氣盆地烴源巖評價與油氣組成預測研究中。本文重點對煤系烴源巖生烴動力學研究方法和進展進行闡述，認識到生烴動力學研究過程主要受實驗方式、動力學模型及熱史模擬三個方面的制約，指出當前生烴動力學研究適用范圍及限制條件，對生烴動力學的實際應用具有重要意義，對提高烴源巖定量評價及生烴規律的分析精度具有一定的科研意義。

關鍵詞：煤系烴源巖；生烴動力學；生烴動力學參數；地質應用

前言

煤系烴源巖有機質在成烴地質演化過程中受地溫、時間等因素的綜合作用，發生復雜的化學反應，而地質環境中煤的生烴反應和實驗室可控條件下發生的化學反應具有相同的化學動力學性質。沉積盆地中有機質生烴過程可視為熱力作用下的化學反應過程，可以用化學動力學方程來定量、動態描述。

1. 生烴動力學實驗體系

國內外學者對干酪根、有機質組分及烴源巖全巖進行了不同熱解體系程序升溫熱解實驗，程序升溫熱解實驗裝置大致可分為開放體系和封閉體系。封閉體系指實驗系統與外界環境之間存在能量的交換而無物質交換，主要應用于高成熟度天然氣形成中的地質過程，常用的有金管-高壓釜封閉體系和MSSV-2型熱玻璃管封閉體系；開放體系指實驗系統與外界環境之間既有能量交換也有物質交換，開放體系模擬地質條件下邊生邊排的地質過程，一般使用Rock-Eval熱解儀。

盧家爛等（1995）指出，在不同的實驗裝置和實驗條件下的實驗結果的可比性差，不同評價方法得到的參數難以相互借鑒，實驗條件明顯地影響著實驗模擬的結果。通常情況下的烴源巖生烴過程的研究一般選用程序升溫熱解實驗，溫度區間為300℃～600℃。多升溫速率方法與模型擬合效果較好，單一升溫速率方法則效果較差。張長春等（2008）研究發現恒溫熱解實驗因熱解溫度相對較低，適合于低溫生烴過程和有水參與的熱解實驗研究。李婷婷等（2011）通過對松遼盆地徐家圍子地區煤樣進行開放體系和封閉體系的恒速升溫熱模擬實驗的研究發現：應用開放體系獲得的動力學參數外推計算的生氣門限對應時間要比實際生氣門限對應時間偏早，應用密閉體系獲得的動力學參數外推計算的生氣門限對應時間要比實際生氣門限對應時間偏晚。徐立恒等（2009）采用壓力下黃金管封閉體系生烴模擬試驗，利用松遼盆地徐家圍子斷陷沙河子組泥巖和煤成甲烷碳同位素動力學參數，對徐家圍子生烴史進行研究。眾多熱解體系中選用哪種熱解體系，應根據研究目的、樣品情況等而定。

2. 生烴動力學地質應用

2.1 生烴動力學參數及模型選取

阿倫烏尼斯于1889年提出了反應速率常數與溫度的關系式，即著名的阿侖尼烏斯方程：

生烴動力學參數計算實質是動力學模型的標定過程，即計算動力學模型中頻率因子（A）和活化能（E）的分布情況，通過將轉化率——溫度（x-T）關系帶入動力學模型，求出式中A和E。

在阿倫烏尼斯方程的基礎上建立起一系列的生烴動力學模型，主要包括總包反應模型，活化能隨轉化率變化模型，最大反應速率模型，有限個平行一級反應模型等。總包反應模型：將復雜的反應過程用一個簡單的反應來描述，歸納其熱解實驗結果，分析其自然演化程度。活化能隨轉化率變化模型：實質是將干酪根的熱解過程視為一系列串聯的具有不同活化能、頻率因子的反應。最大反應速率模型：在恒速升溫的熱解過程中，干酪根數量隨反應逐漸減少，溫度隨反應逐漸升高，熱解反應速率由小變大，再變小。有限個平行一級反應模型：將有機質成烴反應視為若干個具有不同活化能同時發生反應的平行一級反應。目前在研究烴源巖熱解生烴過程中，一般假設指前因子固定，而活化能服從某種函數形式的分布來簡化計算過程。

傅家謨（1995）認為串聯一級反應和平行一級反應模型可以用于所有類型干酪根熱解的全過程。周建偉等（2009）從動力學角度進行研究驗證了采用平行一級反應模型計算的轉化率與試驗值一致。王民等（2011）依據23塊烴源巖樣品生烴熱模擬試驗數據，對不同動力學模型進行對比，發現用活化能服從離散分布的平行一級反應模型描述有機質生烴過程最合適。當前廣泛地應用于生烴動力學參數的計算的軟件主要包括美國加州大學勞倫斯·利物莫爾國家實驗室開發的Kinetics軟件、法國萬奇技術公司開發的動力學研究軟件以及大慶石油學院盧雙舫教授在20世紀90年代初開發并經十多年逐步完善的標定軟件。

2.2 地質應用

在沉積盆地形成和發展過程中，盆地的熱體制是動態變化的。具體到某一盆地某一地區，由于地質歷史中的升溫速率不同，生烴動力學參數需要結合地質溫度、地質時間等進行模擬，才能實現地質上的應用。

近年來，美國PRA公司研制的BasinMod盆地模擬軟件系統將古熱流法與鏡質組反射率化學動力學模型相結合，在每個時間段上應用反演過程中的熱動力學模型，正演計算出不同地質歷史時間上模型或理論古溫標值，進而與實測古溫標值相比較，通過目標函數來決定迭代過程，更加科學合理。熱史模擬步驟為：①重建地層埋藏史②給定地溫史（地溫梯度史或熱流史），結合埋藏史算出各地層的溫度場③利用有關的鏡質組反射率模型，計算某一地層的理論鏡質組反射率。檢驗熱模擬是否符合地質實際的標準：若實測鏡質組反射率與理論鏡質組反射率擬合較好，則認為給定的地溫史可以反映實際經歷的地溫史；如果擬合結果不好，則修正給定的地溫史直到擬合較好。

3. 總結和認識

（1）國內外學者對生烴動力學熱解體系進行大量研究，經歸納發現：程序升溫熱解更適合煤系烴源巖生烴過程的研究。泥巖中有機質生排烴環境主要是開放體系，而煤有機質生排烴環境是密閉體系或者半密閉體系。

（2）國內外學者大多數學者傾向于平行一級反應模型作為生烴動力學模型更貼合實際情況。頻率因子和活化能是將實驗室熱解與地質條件下實際升溫過程相結合的本質參數。

（3）具體到某一盆地某一地區，熱史擬合的精準程度制約生烴動力學的應用。目前較可靠的研究熱史方法是將盆地演化模型和有機質熱演化程度指標結合起來，擬合計算盆地的古地溫。

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