西湖凹陷新生代煤系烃源岩生烃动力学研究_谢康珍

　第43卷第3期

　2015年

3月

CoalScienceandTechnology

煤炭科学技术

Vol．43　No．3　Mar.　

2015　

西湖凹陷新生代煤系烃源岩生烃动力学研究

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州　221116;2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室(中国矿业大学),江苏徐州　221116;3.中国地质调查局天津地质调查中心,天津　300170;4.北京大地高科煤层气工程技术研究院,北京　100040)

谢康珍1,2,朱炎铭1,2,司庆红3,黄辅强4

摘　要:为了探究西湖凹陷平湖组煤系烃源岩生烃潜力,优选出平湖组煤系烃源岩中煤、炭质泥岩和暗色泥岩样品各2块进行热模拟试验和生烃动力学研究,并模拟了2口井的生烃史。研究表明,煤和60kJ/mol之内,反应生烃持续时间较长;暗色泥岩有机质在距今37Ma进入生烃门限,煤和炭质泥岩在距今30Ma开始进入生烃期,10Ma以后开始进入大量生烃阶段,同时在生烃热演化过程中存在明显的二次生烃作用,可以此说明该区煤系烃源岩具有较大的生烃潜力。关键词:西湖凹陷;煤系烃源岩;生烃动力学;生烃史

中图分类号:TE132．1　　　文献标志码:A　　　文章编号:0253-2336(2015)03-0125-05

炭质泥岩活化能分布范围在20kJ/mol之内,体现了快速生烃过程;暗色泥岩活化能分布分布范围在

StudyonkineticsofhydrocarbongenerationfromCenozoic

CoalMeasuresofXihuDepression

XIEKang-zhen1,2,ZHUYan-ming1,2,SIQing-hong3,HUANGFu-Qiang4

ResourcesandReservoirFormationProcessMinistryofEducation(ChinaUniversityofMiningandTechnology),Xuzhou　221116,China;3.TianjinCenter,ChinaGeologicalSurvey,Tianjin　300170,China;4.BeijingDadiGaokeCoalbedMethaneEngineeringTechnologyResearchInstitute,Beijing　100040,China)

(1.SchoolofResourcesandEarthScience,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou　221116,China;2.KeyLaboratoryofCoalbedMethane

Abstract:InordertoinvestigatethehydrocarbongenerationpotentialandevolutionofPinghuFormation,coal,carbonaceousshaleanddarkmudstonesampleseachtwowerepreferredtoapplythermalsimulationexperimentandkineticscalculation,andtwowellshydrocarbongenerationhistoryweresimulated.Theresultsdemonstratedthattheactivationenergyofcoalandcarbonaceousmudstonedistributionwasandreflectingalongerhydrocarbongeneration.Theorganicmaterialfromdarkmudstonereachedoilandgasthresholdin37Ma,whilecoalandcarbonaceousshalereachedoilandgasthresholdin30Ma.Additionallygaspeakwasinthelast10Ma.Finally,thesecondhydrocar-bon-generationwaspresentinthermalevolutionofhydrocarbon.ThecoalmeasuresinXihuDepressionhavelargehydrocarbonpotential.Keywords:XihuDepression;hydrocarbonsourcerock;hydrocarbongeneratingkinetics;hydrocarbongeneratinghistory

within20kJ/mol,andreflectingarapidhydrocarbongeneration.theactivationenergyofdarkmudstonedistributionwaswithin20kJ/mol,

0　引　　言

　　烃源岩有机质在成烃地质演化过程中受地温、时间等因素的综合作用,发生复杂的化学反应,而地质环境中烃源岩的生烃反应和实验室可控条件下发此可采用室内控制试验条件的方法来模拟地质历史生的化学反应具有相同的化学动力学性质[1-4],因

时期烃源岩生烃演化过程。目前已对西湖凹陷进行了大量的勘探工作,明确了新生代煤系烃源岩的特征及分布情况[5],但对烃源岩生烃动力学方面缺乏分析研究。笔者选用平湖组煤系烃源岩对其进行热模拟试验,并进行了生烃动力学分析,平湖组煤系烃源岩为好-很好烃源岩,且处于西湖凹陷新生代地层的底部,受热演化程度高,生烃潜力大[6-7],因此

收稿日期:2014-11-04;责任编辑:曾康生　　DOI:10.13199/j.cnki.cst.2015.03.029基金项目:国家科技重大专项资助项目(2008ZX05023-01-08)

作者简介:谢康珍(1989—),女,山东菏泽人,硕士研究生。Tel:15152117168,E-mail:xkzcumt@http://wendang.chazidian.com

引用格式:谢康珍,朱炎铭,司庆红,等.西湖凹陷新生代煤系烃源岩生烃动力学研究[J].煤炭科学技术,2015,43(3):125-129.

XIEKang-zhen,ZHUYan-ming,SIQing-hong,etal.StudyonkineticsofhydrocarbongenerationfromCenozoicCoalMeasuresofXihuDepres-sion[J].CoalScienceandTechnology,2015,43(3):125-129.

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选用平湖组煤岩在一定程度上可代表西湖凹陷新生代煤系烃源岩的生烃潜力。模拟平湖组顶底界面的煤岩、炭质泥岩和暗色泥岩生烃史,分析西湖凹陷新生代煤系烃源岩生烃总体特征。

30mL/min,空气流量为400mL/min[14]。最后通过热解氢指数HI(裂解烃质量S2/有机碳质量TOC,mg/g)估算干酪根生烃转化率。样品有机地球化学特征见表1。

Ro/%

mL/min,载气氦气流量为35mL/min,氢气28~

1　试验方案与样品

　　在进行热模拟试验中要求所用样品的成熟度低、有机质丰度高。本次试验样品为西湖凹陷平湖0．70%[8],母质类型为Ⅱ2-Ⅲ型[9-10]。

组煤系烃源岩,镜质组反射率Ro为0．55%~　　研究选取西湖凹陷平湖组不同井位、不同深度

表1　平湖组原岩样品有机地球化学特征

样品号12

岩性煤煤

TOC/%

生烃潜量/(mg·g-1)S1

S2

8．172．594．891．281．30

128．52174．5633．7346．226．127．09

S1+S2(mg·g-1)

218226288310199200HI/

0．4765．10

的煤系烃源岩样品多件,包括煤样品、炭质泥岩样品及暗色泥岩样品,采用硫碳分析仪和Rock-Eval热解仪[11-12]进行有机碳测试及热解参数分析。根据有机碳测试结果筛选出生烃潜力相对高、成熟度相对低的分别来自平湖组顶底的煤、炭质泥岩及暗色以此尽量接近地质条件,增加试验的有效性。泥岩各2个样品,共6个样品用于热模拟试验[13],　　煤系烃源岩的热模拟试验依据时间—温度补偿原理,用高温快速的实验室热解条件模拟低温缓慢地质条件下的埋藏过程。本次热模拟试验采用开放体系,试验仪器选用Rock-Eval热解仪。将样品放入炉温为200℃的热解炉中保持恒温3min测得游50℃/min的升温速率程序升温分析裂解烃含量S2,并记录在不同时间对应瞬时产烃火焰离子化检测响应值,S1+S2为烃源岩总的生烃潜量。二氧化碳进入温度390℃。热解氦气流量为100离烃含量S1,在温度200~600℃,分别按照10、

3炭质泥岩0．6011．704炭质泥岩0．5714．905暗色泥岩0．586暗色泥岩0．62

3．073．55

0．7377．2012．81

136．69187．3736．3251．117．408．39

2　结果与讨论

2．1　干酪根生烃转化率参数

　　干酪根的活化能和指前因子的分布情况必须通过对不同升温条件下的生烃转化率进行分析才能确定。计算产烃累计FID响应值,并作为标准化试验条件下生烃转化率。生烃转化率随着温度升高而增加,为了便于对比不同样品之间的生烃转化率,将样10、50℃/min升温速率下不同样品的生烃转化率1所示。

X,即可得生烃转化率X与温度T的关系,结果如图品从200℃升温到600℃,以50℃为间隔实时记录

图1　热模拟样品生烃转化率-温度关系曲线

　　从图1可知,达到开始有效生烃转化率为10%126

达到90%时的温度则3种岩性相当。暗色泥岩最先到达有效生烃转化率10%,其温度最低,而完成生烃

时的温度是煤和炭质泥岩相当,均大于暗色泥岩;而

转化率90%时三者的温度相当,则暗色泥岩有效生烃活化能跨度最大,其生烃能力较强,生烃量较大。　　同一样品达到相同温度时,50℃/min的升温速率下的煤系烃源岩生烃转化率明显低于10℃/min升温速率对应的生烃转化率;同一样品达到相同生烃转化率时,50℃/min升温速率下的煤系烃源岩对应的温度明显高于10℃/min升温速率对应的温度,呈现出煤系烃源岩生烃过程的时温互补关系。2．2　生烃动力学参数

　　油气的生成是烃源岩中有机质向烃类转换的过程,即干酪根的热降解作用过程,这是在地质时间尺度上发生的化学反应。在实验室高温、快速条件下

得到的该化学反应动力学参数(指前因子A和活化能E)可以认为与地质演化过程形似,因而试验得到的动力学参数,可以根据时间-温度补偿原理对具体盆地某一套烃源岩生烃演化历史进行模拟和重现。随温度的升高,有机质中化学键按照活化能增大的次序相继发生断裂,因此可以用活化能的分布来表示化学键断裂过程中产生的油气数量。

　　本次研究采用开放体系Rock-Eval测试平台对利用Kinetics2000软件对热解数据进行动力学模拟计算,得到动力学结果(指前因子A和活化能E)如图2所示

。

西湖凹陷平湖组煤系烃源岩干酪根进行热解分析,

图2　热模拟样品指前因子及活化能分布

　　总体上,西湖凹陷新生代煤和炭质泥岩活化能分布范围较窄,相对集中,充分反映了一个快速生烃的过程;暗色泥岩活化能分布范围比较大,相对分散,说明其生烃过程长于煤和炭质泥岩,生烃持续时间长[16],也说明其干酪根母质的非均质性。以干酪根生烃转化率10%~90%为干酪根的有效生烃区间,暗色泥岩的生烃能量跨度也最大,反映出暗色泥岩的生烃过程伴随着平湖组整个热演化过程。

处于低成熟阶段,生烃门限出现在7Ma以后,尚未173mg/g(TOC)。底界面生烃转化率较高,可达60%~88%,生烃量为136~199mg/g(TOC),大量生气主要出现在10Ma以来[17],成熟度较高,生烃潜量不大,为27~90mg/g(TOC)。两口井顶界面煤岩样品生烃转化率相近,N井略大;但T井底界面生烃转化率较N井大,己接近生烃极限。

　　平湖组顶底界炭质泥岩样品的生烃史实测及模拟结果分别如图3c和图3d所示。炭质泥岩样310mg/g(TOC)。顶界炭质泥岩的生烃转化率为18%~20%,生烃量为46~58mg/g(TOC),生烃潜量为230~242mg/g(TOC),与煤岩样品相比略高,两口井样品生烃门限均在7Ma以后。底界炭50%~80%,生烃量为155~250mg/g(TOC),生

127

质泥岩进入大量生烃阶段,生烃转化率达到品比煤岩样品生烃期略晚,最大生烃量为288~进入大量生烃阶段,具有较大生烃潜量,为165~

3　煤系烃源岩生烃史模拟

　　结合N井和T井平湖组顶底界面地层受热史,结合各样品生烃动力学参数,依据时温互补原理,模拟两井平湖组顶底界面煤生烃史,如图3所示。平湖组顶底界煤岩样品的生烃史实测及模拟结果分别197~226mg/g(TOC)。顶界面煤岩生烃转化率较如图3a和图3b所示。总的来说,最大生烃量为

低,为12%~18%,生烃量为24~32mg/g(TOC),

2015年第3期

煤炭科学技术

图3　西湖凹陷平湖组生烃史模拟结果

烃潜量为62~155mg/g(TOC)。

　　平湖组顶底界暗色泥岩样品的生烃史实测及模拟结果分别如图3e和图3f所示。与前2种样品模拟结果相比,暗色泥岩样品的生烃转化率与生烃量均大幅提高,进入生烃门限时间也较早。最大生烃量为199~210mg/g(TOC),平湖组顶界139~151mg/g(TOC),生烃潜量为48~60到90%以上,已接近生烃极限,生烃量为180~面暗色泥岩的生烃转化率达70%,生烃量为mg/g(TOC)。平湖组底界暗色泥岩生烃转化率达

　　综合各生烃期与生烃史分析西湖凹陷新生代煤系烃源岩油气特点:平湖组顶界煤系烃源岩煤和暗色泥岩生烃产率低,产率变化小,两产烃阶段中产率20%,第2产烃阶段涨幅约5%,表明平湖组顶煤系烃源岩生成的油气中以凝析油和重质油为主,成熟中质油较少。

　　平湖组底界煤系烃源岩第1生烃阶段产率涨幅约5%,第2产烃阶段转化率涨幅约15%,第3生烃阶段产烃转化率涨幅约10%,表明平湖组底煤系烃源岩生成的油气中以中质油为主,其次为轻质油、湿气,而凝析油和低熟油成分最少。

增幅相当;暗色泥岩第1生烃阶段产烃率涨幅约

190mg/g(TOC),生烃潜量为10~20mg/g(TOC)。与前2种岩性样品相比,暗色泥岩样品最大的区别在于没有明显的生烃期,生烃转化率呈线性增加。　　经N井与T井相比,取自T井的样品生烃转化

4　结　　论

　　通过烃源岩热模拟试验,对西湖凹陷新生代平湖组煤系烃源岩生烃转化率及活化能参数进行确定,运用这些参数并结合研究区地质条件对西湖凹陷新生代煤系烃源岩成烃动力学特征进行了研究,恢复了其生烃史,对生烃演化规律进行了分析,取得以下研究成果:

　　1)煤和炭质泥岩样品的活化能分布较集中,暗色泥岩活化能分布较分散,较易生烃。

　　2)暗色泥岩进入生烃期距今已37Ma,转化率呈线性增加;煤和炭质泥岩在距今30Ma开始进入生烃期,10Ma以后开始进入大量生烃阶段,生烃过程中生烃转化率变化明显,与活化能分布规律相一致。

　　3)西湖凹陷煤系烃源岩生烃过程中存在明显的二次生烃作用。总之西湖凹陷新生代煤系烃源岩具有较强的生烃的潜力,但是否能够形成一定规模

率较大,进入生烃门限的时间较早,生烃量较大。两口井底部样品生烃转化率相差较大,T井的样品明显高于N井样品,但顶部样品转化率相当。造成此现象的原因主要是2口井分布位置相差较远,热演化作用也不尽一致[18-19]。

　　生烃过程与煤系烃源岩活化能分布规律一致,暗色泥岩最易生烃,而煤和炭质泥岩生烃过程生烃转化率变化最明显。

　　西湖凹陷新生代煤系烃源岩热演化史从时间和温度上反映了其埋藏-受热过程,并对煤系烃源岩生烃作用有决定性的控制作用。同一生烃阶段,煤系烃源岩生烃转化率随着热演化程度呈现明显的线性关系;后一阶段煤系烃源岩生烃转化率起点明显高于前一热演化阶段结束时的煤系烃源岩转化率,说明煤系烃源岩在热演化过程中有明显的二次生烃现象[20-23]。128

谢康珍等:西湖凹陷新生代煤系烃源岩生烃动力学研究的油气田,受到储层特征及成藏作用的影响,需进一步研究。

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