煤岩热模拟产物演化特征与煤层气形成关系

为探讨煤岩中煤层气的热演化特征,选取柴达木盆地侏罗系未成熟煤岩样品进行加水热模拟实验,分析了煤岩气、液态产物及固体有机质的热演化特征。实验结果表明,气态烃可以形成于煤岩热演化的各个阶段,液态烃主要在生油窗范围内生成且生成量相对低。生油高峰时烃类气体中甲烷产率较低,之后迅速增加;重烃气体在大量生油阶段和高成熟阶段早期产率相对较高,之后开始降低。非烃类气体中二氧化碳的体积分数明显高于氮气的体积分数,均主要形成于生油阶段;氢气的体积分数普遍较高,随温度升高先降低后增高,最小值出现于生油高峰之后。煤岩能够生成气态烃和液态烃,总体具有较高的甲烷产率,远高于一般煤层实测的含气量,具备形成煤层气的物质基础。     

两种灰岩的生气特征比较研究

依据较纯灰岩和泥灰岩的加水热模拟实验结果,探讨了二者的生气特征。认为二者生气特征存在差异主要与有机质类型和岩石矿物成分有关。泥灰岩比纯灰岩所产气体中含有更多的甲烷、乙烷、异丁烷和异戊烷。在中、低温度段,泥灰岩所产气体的C1/ΣC+1、C2/C3值和所产氢气、氮气的量高于纯灰岩。氢气主要形成于较高和较低温度段,氮气主要形成于中、低温度段。二氧化碳含量与碳酸盐含量有关。在中、低温度段,纯灰岩的总气体、总烃气产率高于泥灰岩,当温度更高时,烃气产率大小则相反。     

鄂尔多斯盆地西缘奥陶系烃源岩热模拟试验研究

通过对鄂尔多斯盆地西缘奥陶系3类代表性的烃源岩即泥岩、泥灰岩和灰岩进行热模拟试验,不仅在室内再现了各类岩样的生烃演化过程及特点,而且为该地区生烃量计算提供了重要依据。试验结果表明,泥岩的生烃能力最强,最终产气率达527 m³/t_TOC,泥灰岩次之,最终产气率为512m³/t_TOC,纯灰岩最差,最终产气率仅267m³/t_TOC;气态烃的产出与热成熟度密切相关,较高的热演化程度对气态烃的生成是有利的。指出此次试验所选3个样品的液态烃产率均较低,生油高峰不明显,热模拟的抽提物产率曲线呈“漏斗状”,认为这种现象可能与样品所处演化阶段以及有机质含量较低有关。     

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。     

加水热模拟实验气态产物特征及演化规律研究

本文采用低温和时间加水热模拟实验方法，对东濮凹陷卫城地区下第三系低熟泥灰岩进行生、排烃实验研究，系统分析了气体的组成，产率变化特征及其成因，为定量评价不同演化程度的泥灰岩生气量提供了科学依据。对比了模拟实验结果与自然演化剖面的甲烷碳同位素变化异同，揭示了干酪根热降解生气的过程和机理。     

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。     

烃源岩中无机矿物对有机质生烃的影响

对华北下花园地区下马岭组及鄂尔多斯盆地延长组2组低成熟泥岩全岩及分离的干酪根样品开展有水热解实验,探讨了烃源岩源内无机矿物对有机质生烃及同位素分馏的影响。实验结果表明,两组全岩有水体系液态烃及气态烃产率不同程度低于干酪根有水体系,CO₂及H₂产率则明显偏高。同时,全岩有水热解体系气体产物异构烃含量相对较低,表明烃源岩中无机矿物的加入抑制了水-有机质的反应并一定程度上改变了反应途径。稳定同位素的分析结果表明,相同热演化程度下,2组全岩及相应干酪根热解生成的甲烷碳同位素变化不大,但前者生成的二氧化碳碳同位素显著升高,且气态烃氢同位素更低。表明全岩有水热解体系下,烃源岩中的无机矿物参与到有机质热解过程中,改变了CO₂产率及同位素组成,并存在H₂间接加氢作用。      

半开放体系下流体压力对烃源岩HTHP模拟产物产率及镜质体反射率的影响

为探究半开放体系中流体压力对烃源岩热演化和成烃过程的影响,利用高温高压（HTHP）模拟仪,在一定半开放体系中,对采自钻孔的泥岩样品进行恒压和增压2个系列的生烃模拟实验。恒压实验中沥青、热解油和气态烃产率高峰分别出现在350℃、450℃和520℃,产率依次为1.82mg/g、4.86mg/g和2.67mL/g,对应镜质体反射率（R_O）分别为0.68%、1.72%和3.0%。增压实验中,沥青、热解油和气态烃产率高峰也分别出现在350℃、450℃和520℃,产率依次为0.56mg/g、5.41mg/g和2.61mL/g,对应R_O值分别为0.56%、2.42%和2.74%。表明在半开放体系中,流体压力的升高虽不利于沥青形成,但可能会通过促进热解油的形成,从而使总液态烃产率升高。同时,流体压力的升高可能不利于气态烃的形成,会降低气态烃产率。指示在不同的热演化阶段,流体压力对有机质热演化和成烃过程有不同的影响。此外,增压实验中所得残渣总有机碳（TOC）含量均低于恒压实验,表征生烃潜力的相关指标S₂、I_H、H/C也均低于恒压实验,表明高流体压力虽可提高有机质成烃效率,但在促进有机质成油的同时也降低了残渣的生烃潜力。不同热演化阶段流体压力对有机质成熟度的相关指标T_max值和R_O值也有不同影响,热解油大量生成阶段T_max值、R_O值随流体压力升高明显增加。     

新汶地区煤系烃源岩生烃热模拟实验研究

采用囊式生烃封闭装置系统进行煤系烃源岩热模拟实验的分析研究,对新汶地区二叠系煤系烃源岩样品开展了产烃特征的分析,实验表明石炭系煤系烃源岩具有较好的生烃潜力,气态烃产率随温度变化而不同。将生烃阶段划分为连续生烃和二次生烃两种形式。连续生烃过程生成的天然气干燥系数低于二次生烃过程。从500℃~550℃开始,二者干燥系数又趋于一致,主要以生成甲烷为主。当二次生烃现象越多,总产气量就越少。     

藻干酪根在碳酸盐岩与泥岩中成烃特征对比

通过加水热模拟分析了藻干酪根在碳酸盐岩和泥质岩介质下成烃特征的异同。碳酸盐岩与泥质岩液态产物族组成的饱和烃气相色谱及固体干酪根的特征仅有微弱差异；在泥质岩加水介质中的气体产率明显小于碳酸盐岩,其主要原因在于碳酸盐岩介质中大量CO₂的形成；粘土矿物对气态烃的催化作用具体表现为把不饱和的烃类通过加氢催化转化为饱和烃类,对低分子的甲烷表现出较为明显的催化效应；碳酸盐岩则对于不饱和烃和甲烷的催化作用不如粘土岩,但对较重气态烃的生成却比较有利。在大量生油之前碳酸盐岩生油量高于泥质岩,生油高峰时两者总液态产物产率几乎相等,泥质岩生油高峰与碳酸盐岩基本一致或稍晚。      

四川盆地页岩气地球化学特征及资源潜力

页岩气是绿色低碳清洁的非常规天然气资源。我国页岩气资源丰富,加快页岩气勘探开发,对于改善中国能源结构、实现中国“2030年碳达峰、2060年碳中和”目标具有重要现实意义。四川盆地奥陶系五峰组—志留系龙马溪组是当前中国页岩气勘探开发的重点层系。通过对四川盆地威远、长宁、昭通、涪陵及威荣等地区五峰组—龙马溪组页岩气实验分析,系统分析了五峰组—龙马溪组页岩气地球化学特征,探讨了页岩气成因、碳氢同位素倒转原因及页岩气来源,展望了盆地页岩气资源勘探前景。结果表明：①五峰组—龙马溪组页岩气为典型干气,碳氢同位素均呈负序列分布,长宁、昭通与涪陵地区烷烃气碳同位素组成相对威远、威荣地区更重、具有更高热演化程度,稀有气体为典型壳源成因。②五峰组—龙马溪组页岩气为高—过成熟阶段热成因油型气,主要为原油裂解气和干酪根裂解气的混合气,烷烃气碳氢同位素倒转主要由高—过成熟阶段原油裂解气与干酪根裂解气的混合、高演化阶段地层水与甲烷交换作用等原因造成。③五峰组—龙马溪组页岩气的甲烷碳同位素值与下志留统龙马溪组泥岩干酪根碳同位素值较为匹配,符合碳同位素分馏规律δ¹³C_干酪根>δ¹³C_油>δ¹³C_烷烃气。④四川盆地海相、海陆过渡相和陆相页岩气资源总量约为41. 5×10¹² m³,资源前景广阔。     

临清坳陷太原组煤系烃源岩生烃演化特征

通过对临清坳陷（东部）太原组低成熟煤系源岩加水热压模拟实验结果对比分析,发现生成的气态烃中二氧化碳的体积分数、甲烷体积分数、酸烷比及干燥系数在相同的温度点其数值差别明显,但具有相似的演化趋势;通过热模拟实验,结合研究区烃源岩特征,认为临清坳陷（东部）煤系源岩具备形成工业油气藏的物质基础。     

鄂尔多斯盆地延长组7段页岩全组分定量生烃模拟及原油可动性评价

页岩油和致密油是中国目前油气勘探的热点,页岩生烃模拟实验可为此类油气资源勘探提供重要数据。以鄂尔多斯盆地延长组7段（长7段）页岩为例,利用金管-高压釜模拟生烃装置,系统研究了Ⅱ型有机质在与"生油窗"对应的成熟度范围（Easy R_o 0.7%~1.6%）内生烃产物中的气体烃（C_1-5）、轻烃（C_6-14）、重烃（C₁₄₊）、各族组分,以及生烃残渣的地球化学特征。发现长7段页岩在生油期可同时生成2.35~103.91 mL/g的气体烃和10.83~88.24 mg/g的轻烃。重烃的生成高峰对应的Easy R_o约为1.0%,与其中的饱和烃、芳烃和非烃的高峰产率对应的成熟度非常接近。重烃中沥青质的产率在Easy R_o约1.35%后开始下降,说明沥青质在此后才开始大量裂解与固化。而对原油物性影响很大的轻重比[（气体烃+轻烃）/重烃]及气油比[气体烃/（轻烃+重烃）]随成熟度增加而不断增大,其增速分别在Easy R_o为1.05%~1.15%之后明显变快。在生油过程中,长7段页岩残渣HI值和H元素的大量减少、干酪根固体碳同位素的变重均发生在Easy R_o约1.00%之前。干酪根碳同位素的变化相对较小,在鄂尔多斯盆地可以作为母源指标。通过对生烃产物中6种常见生物标志物成熟度参数的对比,证实多环芳烃成熟度参数中的甲基菲指数（MPI）和甲基菲比值（F1）在整个生油窗内都与成熟度有很好的线性相关性,可用于鄂尔多斯盆地母源为长7段页岩的原油成熟度判识。生烃产物的各地球化学特征变化节点、以及成熟度指标可用于鄂尔多斯盆地长7段页岩油或相关致密油资源的可采性评价。     

深层烃源岩热模拟过程中气态烃产物变化特征――以济阳坳陷沙四段和昌潍坳陷孔二段烃源岩为例

对济阳坳陷沙四段和昌潍坳陷孔二段的泥岩样品进行热模拟实验并对其气态烃产物进行分析后表明,气态烃产率随热模拟温度升高而增大,350℃时开始急剧增大;产物中甲烷含量和C2―C5重烃含量均随模拟温度的升高而增大,C2-C5占C1-C2的比例呈降低趋势。对气态烃的稳定碳同位素进行分析后指出,甲烷碳同位素在350℃之前有所减小,当温度超过350℃后逐渐增大;C1―C4烃类气体碳同位素分布在-24．6‰～-42．6‰之间。还指出济阳坳陷和昌潍坳陷深层烃源岩在进入成熟演化阶段后具有生油气的潜力,但烃源岩的原始有机碳含量对油气的生成量有影响。     

四川盆地二叠系不同类型烃源岩生烃热模拟实验

通过对四川盆地二叠系不同类型烃源岩（泥质灰岩、沥青灰岩、泥岩和煤）在加水封闭体系下的热模拟实验,结果表明不同类型干酪根之间产气率明显不同。Ⅰ型干酪根的泥质灰岩总产气率最高（4 226m³/t_TOC）,其次为沥青灰岩（2 445.5 mm³/t_TOC）,煤岩总产气率最低（459.3m³/t_TOC）,Ⅲ型干酪根的泥岩总产气率高于煤岩。泥质灰岩烃类气体产率仍然最高（765 m³/t_TOC）,其次为泥岩（606.1 m³/t_TOC）,[沥青灰岩最低。泥岩烃类气体产率高于沥青灰岩,可能与沥青灰岩中除去烃类遭受热裂解外,碳酸盐分解生成大量非烃气体（CO₂）有关,从而造成总产气率高,而烃类气体产率却偏低的现象。这样,沥青灰岩生成的烃类主要来源于分散有机质热裂解,而不是灰岩本身。不同类型气源生烃对比结果表明,Ⅰ型干酪根的泥质灰岩或Ⅲ型干酪根的泥岩有利于低温生烃,而煤岩和分散有机质生烃历程长,有利于后期天然气生成与聚集保存。     

鄂尔多斯盆地东南部山西组泥页岩生烃热模拟实验

鄂尔多斯盆地东南部页岩气资源潜力巨大,目前缺乏对山西组泥页岩生烃潜力的系统评价,因而制约了对该区烃源岩资源潜力的客观评价。通过高压釜-封闭式金管的生烃热模拟实验,分析烃源岩生烃过程,对比山1段和山2段的生烃潜力,生烃动力学拟合证明实验结果真实可靠。实验结果表明：①甲烷和非烃类气体具有相似产出特征,重烃气C_2-5和液态烃具有相似产出特征;②当R_O值为0.80%~1.08%时,液态烃达到产率峰值;当R_O值达到1.47%~1.81%时,重烃气C_2-5达到产率峰值;当R_O值超过3%,重烃气C_2-5几乎全部裂解,干燥系数接近1;③实验表明山2段属于更好的烃源岩,结合页岩气井地化数据,进一步确认山2段生烃潜力远远超过山1段,研究认为山2段更适合作为鄂尔多斯盆地海陆过渡相页岩气的有利勘探层段。     

鄂尔多斯盆地东南部延长组七段页岩发育特征及勘探潜力

鄂尔多斯盆地油气资源丰富,延长组七段(长七段)发育的优质烃源岩是该盆地页岩气的重点勘探层系。前期对盆地东南部长七段页岩发育特征缺乏系统分析,不能准确反映研究区页岩气勘探潜力。为此,以鄂尔多斯盆地东南部长七段页岩为研究对象,在页岩发育特征研究的基础上,综合采用岩相法和五项指标法,从页岩的生气潜力、储气潜力和开发潜力3个方面进行评价。岩相法用于评价储气潜力,通过页岩的总有机碳含量、脆性矿物(石英、长石和碳酸盐等)含量和黏土矿物相对含量,将长七段页岩划分为四大类,其中深色富有机质脆性页岩的开发潜力最高。五项指标法通过选用不同的五项指标组合,对生气潜力和开发潜力进行评价;其中,生气潜力评价指标为吸附气比例、有机质转化率、气体干燥系数、总有机碳含量和镜质组反射率;选取页岩的厚度、脆性矿物含量、地层压力系数、总有机碳含量和镜质组反射率五项指标分析页岩的开发潜力。综合2种方法获得的分析结果,优选出N3,N5,N6,N7和N10为研究区长七段页岩最有利的5个高勘探潜力层段。     

准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组烃源岩生烃动力学特征

准噶尔盆地玛湖凹陷及其周缘累计探明石油地质储量近30×10⁸ t,油源主要来自凹陷内的二叠系风城组碱湖相烃源岩。通过黄金管热模拟试验,并采用Kinetic软件进行计算,获得了玛湖凹陷二叠系风城组烃源岩的各类烃产率和动力学参数,建立了生烃模式,进而对该套烃源岩的生烃能力进行了综合评价。研究结果表明：①玛湖凹陷二叠系风城组碱湖相烃源岩总烃产率高达412.24 mg/（g·TOC）,其中液态烃类产率随温度升高先增加而后降低,高峰温度为420~460℃,气态烃产率持续增加,总产油率高于产气率,气态烃碳同位素具油型气特征。②风城组碱湖相烃源岩C₁,C₂—C₅,C₆—C₁₄,C₁₄₊的生成活化能主峰值分别为268 kJ/mol,255 kJ/mol,251 kJ/mol,247 kJ/mol。③玛湖凹陷风城组碱湖相烃源岩的生烃模式与国内外14个不同盆地具有相似性,均为早期出现生油高峰、晚期持续生气的特征,且单位TOC的生烃能力中等偏上。