煤系烴源巖生烴動(dòng)力學(xué)研究方法及地質(zhì)應(yīng)用探討

司慶紅 司馬獻(xiàn)章 張超 王善博 奚曉謙

摘要：熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合自然成熟演化特征進(jìn)行的煤系烴源巖的生烴動(dòng)力學(xué)研究被認(rèn)為是一種生烴過(guò)程研究、生烴潛力預(yù)測(cè)的行之有效的方法。該方法在國(guó)外得到普遍重視，并廣泛應(yīng)用于含油氣盆地?zé)N源巖評(píng)價(jià)與油氣組成預(yù)測(cè)研究中。本文重點(diǎn)對(duì)煤系烴源巖生烴動(dòng)力學(xué)研究方法和進(jìn)展進(jìn)行闡述，認(rèn)識(shí)到生烴動(dòng)力學(xué)研究過(guò)程主要受實(shí)驗(yàn)方式、動(dòng)力學(xué)模型及熱史模擬三個(gè)方面的制約，指出當(dāng)前生烴動(dòng)力學(xué)研究適用范圍及限制條件，對(duì)生烴動(dòng)力學(xué)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義，對(duì)提高烴源巖定量評(píng)價(jià)及生烴規(guī)律的分析精度具有一定的科研意義。

關(guān)鍵詞：煤系烴源巖；生烴動(dòng)力學(xué)；生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)；地質(zhì)應(yīng)用

前言

煤系烴源巖有機(jī)質(zhì)在成烴地質(zhì)演化過(guò)程中受地溫、時(shí)間等因素的綜合作用，發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，而地質(zhì)環(huán)境中煤的生烴反應(yīng)和實(shí)驗(yàn)室可控條件下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)具有相同的化學(xué)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。沉積盆地中有機(jī)質(zhì)生烴過(guò)程可視為熱力作用下的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，可以用化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程來(lái)定量、動(dòng)態(tài)描述。

1. 生烴動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)體系

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)干酪根、有機(jī)質(zhì)組分及烴源巖全巖進(jìn)行了不同熱解體系程序升溫?zé)峤鈱?shí)驗(yàn)，程序升溫?zé)峤鈱?shí)驗(yàn)裝置大致可分為開(kāi)放體系和封閉體系。封閉體系指實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與外界環(huán)境之間存在能量的交換而無(wú)物質(zhì)交換，主要應(yīng)用于高成熟度天然氣形成中的地質(zhì)過(guò)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(kāi)放體系指實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與外界環(huán)境之間既有能量交換也有物質(zhì)交換，開(kāi)放體系模擬地質(zhì)條件下邊生邊排的地質(zhì)過(guò)程，一般使用Rock-Eval熱解儀。

盧家爛等（1995）指出，在不同的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性差，不同評(píng)價(jià)方法得到的參數(shù)難以相互借鑒，實(shí)驗(yàn)條件明顯地影響著實(shí)驗(yàn)?zāi)M的結(jié)果。通常情況下的烴源巖生烴過(guò)程的研究一般選用程序升溫?zé)峤鈱?shí)驗(yàn)，溫度區(qū)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(zhǎng)春等（2008）研究發(fā)現(xiàn)恒溫?zé)峤鈱?shí)驗(yàn)因熱解溫度相對(duì)較低，適合于低溫生烴過(guò)程和有水參與的熱解實(shí)驗(yàn)研究。李婷婷等（2011）通過(guò)對(duì)松遼盆地徐家圍子地區(qū)煤樣進(jìn)行開(kāi)放體系和封閉體系的恒速升溫?zé)崮M實(shí)驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)：應(yīng)用開(kāi)放體系獲得的動(dòng)力學(xué)參數(shù)外推計(jì)算的生氣門(mén)限對(duì)應(yīng)時(shí)間要比實(shí)際生氣門(mén)限對(duì)應(yīng)時(shí)間偏早，應(yīng)用密閉體系獲得的動(dòng)力學(xué)參數(shù)外推計(jì)算的生氣門(mén)限對(duì)應(yīng)時(shí)間要比實(shí)際生氣門(mén)限對(duì)應(yīng)時(shí)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(yàn)，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(dòng)力學(xué)參數(shù)，對(duì)徐家圍子生烴史進(jìn)行研究。眾多熱解體系中選用哪種熱解體系，應(yīng)根據(jù)研究目的、樣品情況等而定。

2. 生烴動(dòng)力學(xué)地質(zhì)應(yīng)用

2.1 生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)及模型選取

阿倫烏尼斯于1889年提出了反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系式，即著名的阿侖尼烏斯方程：

生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算實(shí)質(zhì)是動(dòng)力學(xué)模型的標(biāo)定過(guò)程，即計(jì)算動(dòng)力學(xué)模型中頻率因子（A）和活化能（E）的分布情況，通過(guò)將轉(zhuǎn)化率——溫度（x-T）關(guān)系帶入動(dòng)力學(xué)模型，求出式中A和E。

在阿倫烏尼斯方程的基礎(chǔ)上建立起一系列的生烴動(dòng)力學(xué)模型，主要包括總包反應(yīng)模型，活化能隨轉(zhuǎn)化率變化模型，最大反應(yīng)速率模型，有限個(gè)平行一級(jí)反應(yīng)模型等?？偘磻?yīng)模型：將復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程用一個(gè)簡(jiǎn)單的反應(yīng)來(lái)描述，歸納其熱解實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析其自然演化程度?；罨茈S轉(zhuǎn)化率變化模型：實(shí)質(zhì)是將干酪根的熱解過(guò)程視為一系列串聯(lián)的具有不同活化能、頻率因子的反應(yīng)。最大反應(yīng)速率模型：在恒速升溫的熱解過(guò)程中，干酪根數(shù)量隨反應(yīng)逐漸減少，溫度隨反應(yīng)逐漸升高，熱解反應(yīng)速率由小變大，再變小。有限個(gè)平行一級(jí)反應(yīng)模型：將有機(jī)質(zhì)成烴反應(yīng)視為若干個(gè)具有不同活化能同時(shí)發(fā)生反應(yīng)的平行一級(jí)反應(yīng)。目前在研究烴源巖熱解生烴過(guò)程中，一般假設(shè)指前因子固定，而活化能服從某種函數(shù)形式的分布來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。

傅家謨（1995）認(rèn)為串聯(lián)一級(jí)反應(yīng)和平行一級(jí)反應(yīng)模型可以用于所有類型干酪根熱解的全過(guò)程。周建偉等（2009）從動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行研究驗(yàn)證了采用平行一級(jí)反應(yīng)模型計(jì)算的轉(zhuǎn)化率與試驗(yàn)值一致。王民等（2011）依據(jù)23塊烴源巖樣品生烴熱模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)不同動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)用活化能服從離散分布的平行一級(jí)反應(yīng)模型描述有機(jī)質(zhì)生烴過(guò)程最合適。當(dāng)前廣泛地應(yīng)用于生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算的軟件主要包括美國(guó)加州大學(xué)勞倫斯·利物莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的Kinetics軟件、法國(guó)萬(wàn)奇技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的動(dòng)力學(xué)研究軟件以及大慶石油學(xué)院盧雙舫教授在20世紀(jì)90年代初開(kāi)發(fā)并經(jīng)十多年逐步完善的標(biāo)定軟件。

2.2 地質(zhì)應(yīng)用

在沉積盆地形成和發(fā)展過(guò)程中，盆地的熱體制是動(dòng)態(tài)變化的。具體到某一盆地某一地區(qū)，由于地質(zhì)歷史中的升溫速率不同，生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)需要結(jié)合地質(zhì)溫度、地質(zhì)時(shí)間等進(jìn)行模擬，才能實(shí)現(xiàn)地質(zhì)上的應(yīng)用。

近年來(lái)，美國(guó)PRA公司研制的BasinMod盆地模擬軟件系統(tǒng)將古熱流法與鏡質(zhì)組反射率化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合，在每個(gè)時(shí)間段上應(yīng)用反演過(guò)程中的熱動(dòng)力學(xué)模型，正演計(jì)算出不同地質(zhì)歷史時(shí)間上模型或理論古溫標(biāo)值，進(jìn)而與實(shí)測(cè)古溫標(biāo)值相比較，通過(guò)目標(biāo)函數(shù)來(lái)決定迭代過(guò)程，更加科學(xué)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(jié)合埋藏史算出各地層的溫度場(chǎng)③利用有關(guān)的鏡質(zhì)組反射率模型，計(jì)算某一地層的理論鏡質(zhì)組反射率。檢驗(yàn)熱模擬是否符合地質(zhì)實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)：若實(shí)測(cè)鏡質(zhì)組反射率與理論鏡質(zhì)組反射率擬合較好，則認(rèn)為給定的地溫史可以反映實(shí)際經(jīng)歷的地溫史；如果擬合結(jié)果不好，則修正給定的地溫史直到擬合較好。

3. 總結(jié)和認(rèn)識(shí)

（1）國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生烴動(dòng)力學(xué)熱解體系進(jìn)行大量研究，經(jīng)歸納發(fā)現(xiàn)：程序升溫?zé)峤飧m合煤系烴源巖生烴過(guò)程的研究。泥巖中有機(jī)質(zhì)生排烴環(huán)境主要是開(kāi)放體系，而煤有機(jī)質(zhì)生排烴環(huán)境是密閉體系或者半密閉體系。

（2）國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多數(shù)學(xué)者傾向于平行一級(jí)反應(yīng)模型作為生烴動(dòng)力學(xué)模型更貼合實(shí)際情況。頻率因子和活化能是將實(shí)驗(yàn)室熱解與地質(zhì)條件下實(shí)際升溫過(guò)程相結(jié)合的本質(zhì)參數(shù)。

（3）具體到某一盆地某一地區(qū)，熱史擬合的精準(zhǔn)程度制約生烴動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用。目前較可靠的研究熱史方法是將盆地演化模型和有機(jī)質(zhì)熱演化程度指標(biāo)結(jié)合起來(lái)，擬合計(jì)算盆地的古地溫。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳建平，趙長(zhǎng)毅，何忠華.煤系有機(jī)質(zhì)生烴潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)探討[J].石油勘探與開(kāi)發(fā)，1997，24（1）：1-5.

[2] 李賢慶，肖賢明，TangY，等.庫(kù)車坳陷侏羅系煤巖生烴動(dòng)力學(xué)研究[J].新疆石油地質(zhì)，2003，24（6）：487-490.

[3] 李婷婷，王民，盧雙舫，等.開(kāi)放體系和密閉體系恒速升溫實(shí)驗(yàn)條件下有機(jī)質(zhì)生烴動(dòng)力學(xué)特征對(duì)比及意義[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，41（4）：1040-1047.

[4] 劉金鐘，唐永春.用干酪根生烴動(dòng)力學(xué)方法預(yù)測(cè)甲烷生成量之一例[J].科學(xué)通報(bào)，1998，43（11）：1187-1190.

[5] 盧雙舫.有機(jī)質(zhì)成烴動(dòng)力學(xué)理論及其應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，1996：136.

[6] 盧家爛，傅家漠，秦匡宗.干酪根地球化學(xué)[M].廣州：廣東科學(xué)出版社，1995：474-517.

[7] 彭平安，鄒艷榮，傅家謨.煤成氣生成動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展[J].石油勘探與開(kāi)發(fā)，2009，36 （3）：297-306.

[8] 饒松，胡圣標(biāo)，汪集旸.有機(jī)質(zhì)生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2010，25（4）：1424-1432.

[9] 王東良，李欣，李書(shū)琴，等.未成熟-低成熟煤系烴源巖生烴潛力的評(píng)價(jià)-以塔東北地區(qū)為例[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，30（1）：317-321.

[10] 王民，盧雙舫，董奇，等.有機(jī)質(zhì)生烴動(dòng)力學(xué)模型對(duì)比[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，35（3）：12-18.

[11] 王英超，靳永斌，等.生烴動(dòng)力學(xué)與碳同位素動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展綜述[J].新疆石油科技，2015，25（1）：75-78.

[12] 張長(zhǎng)春，陶偉，張馨，等.吐哈盆地丘東次凹低熟氣的生成與動(dòng)力學(xué)研究[J].沉積學(xué)報(bào)，2008，26（5）：857-863.

[13] 周建偉，鐘寧寧.地質(zhì)體中沉積有機(jī)質(zhì)的模擬生烴動(dòng)力學(xué)研究[J].河南化工，2009，26（1）：18-21.

[14] 張輝，彭平安，劉大永，等.開(kāi)放體系下有機(jī)質(zhì)與有機(jī)碳、氫、氮損失動(dòng)力學(xué)研究[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，82（5）：710-720.

[15] Quigey T M， Mackenzie A S.TheTemperature of Oil and Gas For mation in The Sub-Surface [J]. Nature，1988，333（9）：549-553.

[16] Ungerer P，Pelet R.Extrapolation of Kinetics of Oil and Gas .Forma tion from Laboratory Experiments to Sedimentary Basins[J] .Na ture ，1987.

[17] TissotB P， Welte D H. Petroleum Formation and Occurrence（Second Revised andEnlarged Edition）[M].Berlin ， Heidelberg ，New York ： SpringerVerlag，1984.