煤成烃的生成和运移的模拟实验研究Ⅰ.气态和液态产物特征及其演化

在对两个褐煤样品同时进行生烃和排烃模拟实验的基础上,研究其气态和液态产物的量、组成及其演化规律。结合文献报道,论证了反应压力对气态和液态产物的量和组成存在的明显影响,探讨了褐煤的生、排油能力和运移的机理、效应以及成熟演化作用。      

两种热模拟体系下热解产物的相关性研究

对南宁褐煤在封闭体系和开放体系下开展了热模拟实验,并对其在2种热模拟体系下的氢气、气态烃和液态烃产率的演化特征以及相互关系进行了研究。结果表明,在煤岩热解生烃过程中,封闭体系下液态烃出现的温度区间为250～600℃,开放体系下液态烃出现的温度区间为250～550℃。通过氢气、气态烃和液态烃产率的对比分析,发现液态烃是影响有机质发生缩聚反应的主要因素。2种热模拟体系下,氢气和气态烃产率分别与液态烃产率呈负相关关系,而氢气和气态烃产率呈正相关关系,且三者的总演化趋势相同,说明有机质演化是一个稳定的过程,和自身化学键的键能密切相关。在高温阶段,2种热模拟体系下的气态烃产率基本相同,因此在计算生气量时,产气率数据的选择要考虑演化程度的影响。     

微量元素Mo对褐煤有机质热解成烃的影响

有机-无机相互作用是沉积盆地内普遍存在且不可改变的事实。本文采用热模拟实验方法,论述了微量元素Mo对褐煤样品热解生烃产物的影响。结果发现：Mo元素的加入,增大了褐煤热解气态产物的产率,却降低了液态烃类的产率,同时,Mo元素对热解液态抽提物族组分的组成也产生了一定的影响,使产物中芳烃的产率有所减小,从而导致了饱芳比的增加。     

济阳坳陷沙四段烃源岩模拟试验产物特征研究

烃源岩生烃模拟试验是确定烃源岩在不同演化阶段的生气量、产物变化特征的关键技术之一。利用济阳坳陷沙四段低熟烃源岩进行了生烃模拟试验,发现模拟过程中气态烃产率、液态烃产率随温度升高而增大,当温度超过400℃后,液态烃产率有降低的趋势,气态烃产率仍然大幅度增加;模拟固体产物的总有机碳、H／C原子比、热解生烃潜量(S1 S2)和氢指数(HI)等随温度的升高而降低。这些规律的得出,对于深入认识烃源岩的演化过程、沙四段资源量计算等具有重要的地质意义。     

煤成烃生成,运移模拟实验的固体残样特征及其演化

在对２个褐煤样品进行生烃和排烃模拟实验的基础上，本文从煤干酷根的元素组成、碳同位素组成和有机岩石学、热解气相色谱等方面探讨了模拟残样的特征及其演化，获得了对褐煤成烃演化规律和运移指标的有益认识。     

含铁矿物对褐煤生烃演化的催化作用

作为煤系烃源岩中重要的无机组分,含铁矿物对有机-无机相互作用和油气生成具有重要意义。对褐煤样品添加不同含铁矿物的加热模拟实验结果显示,菱铁矿对气态烃和液态烃（氯仿沥青“A”）均有催化作用,其中甲烷、气态C+4、液态饱和烃和非烃产率增加较显著。与菱铁矿一样,赤铁矿也能促进气态烃产率的增加,但却使褐煤液态烃的生成高峰推迟（350℃推迟至375℃）,且在450℃及其之后对液态烃的生成表现为抑制作用。应用穆斯堡尔谱对实验前后样品中铁元素化学种检测发现,从375℃开始,赤铁矿在褐煤生烃的过程中被还原为磁铁矿（Fe3O4）。菱铁矿在450℃的加热模拟实验后变成磁铁矿（Fe3O4）。其本质说明含铁矿物在中低温阶段对褐煤生烃具有吸附-催化作用,而在中高温阶段与有机质发生复杂的有机-无机反应。     

水对不同生烃模拟实验系统产物的影响

通过总结分析水对不同生烃模拟实验体系实验产物演化机理的影响,进一步明确了水在有机质演化过程中的作用。生烃模拟实验系统的发展历程为:开放体系→封闭体系→半开放体系,实验介质也由无水模拟发展到加水模拟。研究表明半开放体系下的加水生排烃模拟实验更贴近常规油气实际地质演化过程。液态水在不同温度具有不同的性质,常温液态水(一般T100℃)、高温液态水(200~374.5℃)及超过临界点(临界温度T=374.5℃和临界压力P=22.1MPa)的超临界状态水的物理和化学性质均存在较大差异。实验中模拟温度一般都高于200℃,水在不同实验系统条件下具有不同的存在状态,对模拟产物也有不同作用。总体来讲,封闭体系下,水对生烃演化有一定的促进作用,并且气态烃产率与加水量呈正相关关系,而液态烃产率在加水量相当于岩样的20%~50%时最大;相对而言,半开放体系下,高压水蒸汽介质更有利于气态烃的生成,而高温高压条件下的临界态水则更有利于液态烃的生成和保存。所以,综合前人实验结果,总结水介质参与下的不同生烃模拟实验系统产物特征,将为明确水对有机质演化机理的作用提供重要的理论依据。     

煤中单组分湿式高压釜热模拟实验研究——以海拉尔盆地伊敏组褐煤为例

该文对海拉尔盆地伊敏组(J₃)煤中的有机显微组分进行了湿式高压釜热模拟实验研究。结果表明,基质镜质体是最为重要的生烃母质,其主要成烃期为270～330℃,最大生液态烃量为19mg/g、生气态烃量为256mL/g;孢子体的主要成烃期为300～380℃,最大生液态烃量为40mg/g、生气态烃量为265mL/g;而丝质体生液态烃极少,在300℃时最大也达不到2mg/g,生气态烃量为120～160mL/g。另外该方法与无水该条件下的热模拟相比,排烃高峰温度大为降低,一般要低50～100℃;      

流体压力对半开放体系有机质模拟生烃产率和镜质体反射率的影响

为了解压力对有机质热演化和成烃过程的影响,利用高压生烃模拟仪,在一定半开放体系中,对采自钻孔的泥质烃源岩样品进行了恒压与增压2个系列的生烃模拟实验。恒压系列中,沥青、热解油和气态烃产率高峰分别出现在350℃、520℃和520℃,产率依次为6.17mg/g、12.07mg/g和4.14mL/g,对应镜质体反射率(R_O)分别为0.9%、3.0%和3.0%,排烃次数分别为4次、21次和21次。增压系列中,沥青、热解油和气态烃产率高峰分别出现在350℃、500℃和520℃,产率依次为12.56mg/g、24.87mg/g和2.59mL/g,对应R_O值分别为1.1%、3.1%和3.1%,对应排烃次数分别为5次、43次和44次。表明在半开放体系中,排烃次数受到温度和排烃压力阈值的共同控制,温度升高引起生烃强度增加,在同一排烃压力阈值条件下,体系内压力不断上升,达到排烃压力阈值上限,导致排烃次数增加,而排烃次数增加可能有利于液态烃的形成。流体压力的升高可能会促进沥青和热解油的形成,导致液态烃产率升高。同时,流体压力的升高也可能不利于气态烃的形成,会降低气态烃产率。流体压力对有机质R_O值的影响在不同温度阶段不尽相同,400~500℃区间R_O值随流体压力升高明显增加。     

微量元素对褐煤有机质热解成烃的影响

有机-无机相互作用是沉积盆地中普遍存在且不可改变的事实.采用热模拟实验方法,考察了钼、硒和锆等微量元素对褐煤样品热解生烃产物的影响.分析结果表明,除硒元素外,随着钼元素和锆元素的加入,褐煤有机质气态产物的生成量显著提高.通过对液态抽提物的分析,发现微量元素钼、锆和硒均能明显地促进饱和烃和芳烃的降解,从而降低了它们的产率,并在一定程度上加速了有机质的成熟.     

鄂尔多斯盆地山西组低成熟度页岩生烃热模拟

为查明鄂尔多斯盆地古生界二叠系山西组页岩生烃过程中产物的变化规律及影响因素,揭示页岩生烃潜力,选取了鄂尔多斯盆地东缘山西组地层低成熟度富有机质页岩样品,采用密封黄金管—高压釜体系,在50 MPa围压下,以20℃/h和2℃/h的升温速率进行生烃热模拟实验,测定气态烃和液态烃的产量及气态烃的碳同位素组成,分析不同升温速率下实验产物的演化规律,探讨碳同位素特征及成因,并建立了山西组页岩生烃模式。研究表明:(1)相对低的升温速率有利于烃类气体的生成;(2)相对低的升温速率下,液态烃产率和最大产率对应的温度都较低;(3)温度对热解气碳同位素有明显影响,而升温速率对热解气碳同位素并无明显影响。建立了鄂尔多斯盆地山西组页岩生烃模式。生烃热模拟结果显示鄂尔多斯盆地山西组页岩生烃潜力较好。     

不同藻类热模拟实验的生烃特征对比

针对多细胞宏观底栖藻紫菜在不同演化阶段的生烃特征开展了封闭体系加水热模拟实验,并与浮游藻和单细胞藻类生烃特点进行了对比。实验结果表明:随着温度的升高,多细胞藻类的生烃率呈双峰分布,低熟阶段是釜壁轻质油的主要产出阶段;气携凝析油在成熟阶段达到生成高峰,气态烃与液态烃产率相当;高成熟阶段因为有机质裂解和液态产物的裂解,气态烃成为排出烃的主要组成部分。不同藻类的生烃高峰及产物的组分在不同成熟阶段各有特点,浮游藻类的脱氧反应主要发生在成熟阶段,而单细胞和多细胞藻类的脱氧反应主要发生在低成熟阶段。液态产物方面,浮游藻类和多细胞藻类在低成熟和成熟阶段以非烃质产物为主,而单细胞藻类以沥青质为主。高成熟阶段,单细胞藻类的芳烃比例明显增高,而饱和烃产率以多细胞底栖藻类为最高。不同藻类产生的液态产物在族组分上的差异,对资源评价的精度具有一定影响。      

褐煤煤化作用模拟实验

通过对吉林舒兰煤矿褐煤进行人工煤化模拟实验，探讨了煤化作用中不同温阶产物组分特征、气态产物甲烷碳同位素特征及煤成油和排油情况。指出温度是引起产物变化的主要原因，煤化作用中生成的气态产物主要是非烃、饱和烃和烯烃，低温阶段以非烃为主，甲烷含量随温度增加而增加，重烃气在４００～４５０℃达最大值；模拟气甲烷碳同位素随温度升高逐渐变重；煤不但可以生油而且可以排油，排油过程在３５０℃之前就开始了，在３７５～４２５℃排油量达最大值。     

渤海湾盆地东濮凹陷古生界煤成烃特征模拟实验研究

通过渤海湾盆地东濮凹陷石炭—二叠系煤系地层实际地质条件下煤的半开放体系加水热模拟实验研究,刻画了该区煤岩不同温压介质条件下生排烃特征及潜力。研究表明:（1）东濮凹陷石炭—二叠系煤具有极高的生烃潜力,最高产烃量达254 mg/g,其中气态烃总产率220 mL/g,液态烃最高产率为145.8 mg/g;（2）煤成油的演化呈峰形尖锐的单峰特征,生油高峰在325 ℃（R_o＝1.08%）,生成的液态烃类近40%排出煤体;（3）煤成气的演化呈多阶段性逐渐增大的特征,其中325~450 ℃和500~550 ℃2个区间气态烃类快速增加,前者主要缘于液态烃的大量裂解,后者是煤芳香结构进一步稠合生烃演化产生;（4）东濮凹陷石炭—二叠系煤既生油又生气,其煤成油潜力与吐哈盆地侏罗系煤相当,煤成气潜力与鄂尔多斯石炭—二叠系煤相当。      

有机烃类和油气田的通用定量模型

提出了液态烃和气态烃与生烃母岩关系的基本定量模型,地层中的液态烃和气态烃在沉降的不同阶段、烃类运移阶段以及成藏阶段,当温压条件发生变化时是相互影响的。根据原始有机质成因类型(腐泥质、腐殖质和腐泥-腐殖质),以及深部温压条件对烃类相态的影响,确定了天然气—凝析气—石油从开始生成(原生后生阶段)到变后生阶段这一系统中的定量变化。PVT所取烃类样品的系统计算表明,在有机质不同的后生演化阶段,液态烃和气态烃的体积比是很有特点的。因而也确定了地层条件下烃类系统的定量指标——天然气饱和度,原油体积分量以及地面标准条件下相应烃类的相态组分。     

盆地模拟油气初次运移压实排烃新模型研究

针对原盆地模拟压实排烃模型计算预测结果存在的矛盾,经过仔细的分析研究,对目前国内外沿用多年的利用热模拟产烃率计算烃源岩不同演化时期的生油量数学公式的合理性和准确性提出异议,并提出一种新的盆地模拟油气初次运移压实排烃和生烃模型。该模型利用了热模拟产烃率两个不同演化阶段的生烃特点及液态烃在高成熟～过成熟时期的不同气化率来计算生油量和排油量,解决了原来高成熟-过成熟阶段总排烃量逐渐减小,排烃中心发生偏移,生、排、残三者物质不平衡等不符合地质实际的现象。     

确定烃源岩有效排烃总有机碳阈值的方法及应用

针对油气地质学中排烃源岩难以识别的问题,依据生排烃原理,利用常规烃源岩有机碳和热解（Rock-Eval）分析测试参数,建立了判别排烃源岩的实用方法。该方法主要基于生烃量参数[I_HC=S₁/w（TOC）]和沥青转化率[w（A）/w（TOC）],判别排烃源岩的总有机碳阈值,高于该值的烃源岩即为排烃源岩。根据分析测试资料,对准噶尔盆地和三塘湖盆地二叠系芦草沟组、酒泉盆地营尔凹陷和青西凹陷白垩系下沟组以及鄂尔多斯盆地上三叠统延长组长7段的排烃源岩进行判别,判别效果较好,应用该方法时要求烃源岩的母质特征与热演化程度接近。由于气态烃易散失,所以采用的参数主要反映烃源岩中生成的液态烃量。该方法对于油源岩的判别更为有效。      

古生代未成熟藻干酪根水岩反应特征

本文通过对采自爱沙尼亚库克赛特奥陶系油页岩水岩反应过程的研究,探讨了未成熟藻干酪根的油气生成特征．通过对热模拟实验的分析发现,藻干酪根的生烃潜力是相当高的,但其未成熟油生成量却是相当低的,其水岩反应较好地再现了油气的演化过程与特征,很难形成规模性的油气藏.该藻干酪根液态富范围较宽,成熟阶段倾向于生油,不利于成气,且在生成的气中非烃占优势．在高成熟阶段由于油的裂解可大量生成轻质烃和凝析油,早期生成的气态烃较少,晚期气态烃量增加.气态产物中以CO₂占优势,气态烃中甲烷含量最高,仅含少量烯烃.在正异构烃的组成中,正构烃含量很高,导构烃含量较少.在液态产物中,热解油食量占优势,生油高峰在330℃附近.模拟时间对水岩反应有一定影响,模拟时间的延长利于油的裂解和气态烃的增加.      

腐殖煤的热降解机理和生烃率

腐殖煤的化学结构和热降解机理,目前仍是煤成气研究中的薄弱环节。本文根据我国腐殖煤、镜质组、石墨总共154个样品的煤岩学数据和煤化学数据,提出了褐煤结构式、腐殖煤热降解步骤、腐殖煤生烃率的模型,对腐殖煤元素组成的变化规津、镜质体反射率同原子比的关系、生烃门限、气态产物化学组成和δ¹³C值的变化趋势、煤成烃气藏和二氧化碳气藏的成因,进行了统一讨论,阐述了它们之间的内在联系。     

塔里木盆地东北缘孔雀河地区烃源岩演化特征及成藏条件研究

对孔雀河地区3套烃源岩地球化学、热演化参数统计分析表明：寒武系-奥陶系烃源岩分布广、有机质丰度高，演化程度为过成熟；石炭系-三叠系烃源岩主要分布在草湖凹陷，有机质丰度低，热演化程度为中-晚期；侏罗系烃源岩全区分布，有机质丰度高，除英吉苏凹陷部分区域进入生油门限，其它大部分区域热演化程度为未熟-低熟，生排烃量有限。通过对全区13口井单井盆地模拟研究，总结了孔雀河地区3套烃源的3种埋藏热演化模式，即持续深埋型、二次深埋型和早期深埋、晚期浅埋型，和2种生排烃模式，即多段式、单段式。通过生排烃模拟表明，本区生排烃量主要以寒武系-奥陶系烃源岩的生排烃量为主，其它2套烃源岩生烃区域局限且生烃量有限。指出孔雀河地区成藏组合研究应围绕寒武系-奥陶系这套主力生烃源岩生排烃史进行，其具有自生自储、下生上储2种成藏组合模式。综合研究认为寻找寒武系-奥陶系烃源岩主要生排烃期形成的古油藏、分析不同期次构造运动对古油藏破坏程度和研究不同期次断裂系统对油气的疏导、调整作用和对油气分布规律的控制是进一步深化该区勘探的关键。