海相煤系烴源巖熱解碳同位素生烴動力學研究

王憲峰，戴鴻鳴

（西南石油大學 地球科學與技術學院，四川成都 610500）

由于天然氣組成簡單，許多重要的成因信息，如天然氣及其潛在源巖的性質和熱成熟度、運移路徑、混源氣以及氣藏的運聚和散失史等，不得不依賴于其同位素比值。但以往的判別關系式是基于不同的實測數據（對應著不同的母質和運、聚、散歷史）經回歸得到的經驗式，它們分別只能適用于相近的地質條件下[1-3]。

如果能夠模擬生烴反應模擬有機質在高壓條件下的受熱過程，根據實驗中生烴量、組分變化、碳同位素分餾情況與受熱時間、受熱溫度的關系定量地表述出天然氣形成及運移、擴散過程中的同位素分餾，短時間內恢復地質條件下漫長的生烴過程，則由現今的同位素組成結合基本的地質條件來反演其生、運、聚、散成藏史將成為可能[4]。

1 地質概況

楊家巖剖面位于廣元市蒼溪縣，構造上位于川東北蒼溪-巴中低緩構造帶。該區的雷口坡組與下伏下三疊統嘉陵江組上部整合接觸，與上覆須家河組第一段呈角度不整合接觸[5]。近年來該區多口井在雷四段試獲中-高產工業氣流，預示該區雷口坡組具有商業性的勘探潛力。

2 實驗方法及樣品

2.1 樣品

熱模擬實驗和生烴動力學研究采用低成熟度且TOC含量高的煤樣品進行，樣品有機質含量高、熱演化程度較低，適用于做熱模擬實驗的樣品，實驗樣品的基本地球化學參數見表1。

表1 TOC含量及熱解數據

2.2 實驗流程

（1）熱模擬實驗

原巖樣品在氬氣保護下封入金管，金管放置于高壓釜中，通過高壓泵對高壓釜充水，高壓水使金管產生柔性變形，從而對樣品施加壓力。樣品封裝在氬氣保護下進行，確保沒有空氣污染之后使用電弧焊焊封金管。然后分別以20℃/h和2℃/h的升溫速率對樣品進行加熱。壓力為5MPa（壓力波動小于0.5MPa）。溫度為100～600℃（各個高壓釜溫度波動小于1℃）。

（2）熱解氣態烴的收集分析

含有樣品的金管在加熱結束后，取出。檢測內容為氣體、烴類（C6-C14）2個部分。金管放入真空系統，使氣體釋放到真空系統中。真空系統與GC7890氣相色譜在線連接，采用真空采樣環進樣，一次進樣可完成C1-C5烴類氣體和CO、CO2、H2、N2和O2的分析。氣體成分分析采用安捷倫7890N氣相色譜儀。

3 結果與討論

由于時間與溫度的互補關系，較低的升溫速率（即2℃/h的升溫條件）會使得實驗時間更加的充分，宏觀表現為：升溫速率較小的條件下（2℃/h）的甲烷及總烴氣量的產率較升溫速率高條件（20℃/h）下的產率高，慢速升溫實驗條件下的甲烷轉化率曲線相較于快速升溫條件總是滯后，20℃/h的總氣轉化率在高溫階段相較2℃/h更高，主要原因可能是大量的非烴氣體（如H2S等）在高溫階段易受熱分解，較低的反應速率使得這一過程進行得更加充分而導致總氣轉化率有所下降。

根據樣品裂解模擬實驗中烴類化合物產率變化，可以將樣品裂解的過程分為3個階段：①隨著樣品熱解溫度的持續增大，當溫度達到一定的生烴門限溫度時，樣品便開始大量熱解或熱催化降解生烴，對應實際地質過程中熱催化生油氣階段，此時甲烷以及C2-5氣態烴產率很低。②當熱解溫度的上升，熱模擬溫度達到450～500℃，對應實際地質過程中熱裂解生濕氣階段，這時的模擬溫度超過了液態烴類物質的臨界溫度，大量的C—C鍵斷裂，生成的液態烴急劇減少。③當溫度大于500℃時，此時對應有機質演化的過成熟階段，此階段生烴潛力逐漸枯竭，氣態烴組分向干氣演化，已形成的重烴與液態烴會逐漸裂解成熱力學上最穩定的甲烷。

圖1 不同升溫條件下楊家巖剖面煤熱解氣態烴（右）及總油氣（左）轉化率與溫度關系圖

化學動力學模型是生烴史分析的關鍵，動力學模型的優劣會直接影響計算結果。成烴反應可由平行一級反應來描述[8]：對于干酪根（KEO）成油過程由一系列（NO個）平行反應來構成，每個反應對應的活化能為EOi，指前因子AOi，原始生烴潛量為XOi0，i=1，2，3，…，i=1，2，3，…，NO。根據Arrhenius公式不難求出NO個平行反應的總生油量則為：

將上述生烴動力學參數帶入到實際的地質升溫速率下，即可以計算任意一個地質時期的氣態烴組分累計轉化率[10]。然后借用Sweeney提出的鏡質體反射率參數的計算，對模擬實驗的熱演化程度進行定量：

公式（2）中，F代表不同溫度點所對應的反應率。不同升溫速率條件下煤氣態烴產量略有不同。甲烷、重烴氣產率變化及總油、總氣轉化率如圖2所示。

主生氣期內所產天然氣應占據烴源巖生氣潛力的80%。根據此原則，確定烴源巖天然氣生氣轉化率為10%進入生氣主氣期，生氣轉化率為90%時主氣期結束。從圖2可以看出，在該模擬實驗的條件下，煤樣品產生甲烷的主生氣期的RO值主要介于1.15%～2.89%之間，C2-5的主生氣期為0.80%～1.80%之間。

圖2 氣態烴的產率和計算曲線擬合

4 結論

隨著熱解實驗的進行，甲烷產量一直呈持續增長的趨勢，其他烴類氣體均存在一個生氣值峰，隨后產量開始下降，這與高溫時期重烴氣體熱解成甲烷及非烴類氣體有關。甲烷主氣期Ro值為1.15%～2.89%，乙烷-戊烷主氣期Ro值為0.80%～1.80%。

在開展熱模擬實驗數據具體應用時，應注意研究區烴源巖的埋藏演化史，剖析地質條件，綜合考慮地球化學參數演變的原因及其實驗自身帶來的一些影響，提高與實際地質環境的適用性。