海相煤系烃源岩热解碳同位素生烃动力学研究

王宪峰，戴鸿鸣

（西南石油大学 地球科学与技术学院，四川成都 610500）

由于天然气组成简单，许多重要的成因信息，如天然气及其潜在源岩的性质和热成熟度、运移路径、混源气以及气藏的运聚和散失史等，不得不依赖于其同位素比值。但以往的判别关系式是基于不同的实测数据（对应着不同的母质和运、聚、散历史）经回归得到的经验式，它们分别只能适用于相近的地质条件下[1-3]。

如果能够模拟生烃反应模拟有机质在高压条件下的受热过程，根据实验中生烃量、组分变化、碳同位素分馏情况与受热时间、受热温度的关系定量地表述出天然气形成及运移、扩散过程中的同位素分馏，短时间内恢复地质条件下漫长的生烃过程，则由现今的同位素组成结合基本的地质条件来反演其生、运、聚、散成藏史将成为可能[4]。

1 地质概况

杨家岩剖面位于广元市苍溪县，构造上位于川东北苍溪-巴中低缓构造带。该区的雷口坡组与下伏下三叠统嘉陵江组上部整合接触，与上覆须家河组第一段呈角度不整合接触[5]。近年来该区多口井在雷四段试获中-高产工业气流，预示该区雷口坡组具有商业性的勘探潜力。

2 实验方法及样品

2.1 样品

热模拟实验和生烃动力学研究采用低成熟度且TOC含量高的煤样品进行，样品有机质含量高、热演化程度较低，适用于做热模拟实验的样品，实验样品的基本地球化学参数见表1。

表1 TOC含量及热解数据

2.2 实验流程

（1）热模拟实验

原岩样品在氩气保护下封入金管，金管放置于高压釜中，通过高压泵对高压釜充水，高压水使金管产生柔性变形，从而对样品施加压力。样品封装在氩气保护下进行，确保没有空气污染之后使用电弧焊焊封金管。然后分别以20℃/h和2℃/h的升温速率对样品进行加热。压力为5MPa（压力波动小于0.5MPa）。温度为100～600℃（各个高压釜温度波动小于1℃）。

（2）热解气态烃的收集分析

含有样品的金管在加热结束后，取出。检测内容为气体、烃类（C6-C14）2个部分。金管放入真空系统，使气体释放到真空系统中。真空系统与GC7890气相色谱在线连接，采用真空采样环进样，一次进样可完成C1-C5烃类气体和CO、CO2、H2、N2和O2的分析。气体成分分析采用安捷伦7890N气相色谱仪。

3 结果与讨论

由于时间与温度的互补关系，较低的升温速率（即2℃/h的升温条件）会使得实验时间更加的充分，宏观表现为：升温速率较小的条件下（2℃/h）的甲烷及总烃气量的产率较升温速率高条件（20℃/h）下的产率高，慢速升温实验条件下的甲烷转化率曲线相较于快速升温条件总是滞后，20℃/h的总气转化率在高温阶段相较2℃/h更高，主要原因可能是大量的非烃气体（如H2S等）在高温阶段易受热分解，较低的反应速率使得这一过程进行得更加充分而导致总气转化率有所下降。

根据样品裂解模拟实验中烃类化合物产率变化，可以将样品裂解的过程分为3个阶段：①随着样品热解温度的持续增大，当温度达到一定的生烃门限温度时，样品便开始大量热解或热催化降解生烃，对应实际地质过程中热催化生油气阶段，此时甲烷以及C2-5气态烃产率很低。②当热解温度的上升，热模拟温度达到450～500℃，对应实际地质过程中热裂解生湿气阶段，这时的模拟温度超过了液态烃类物质的临界温度，大量的C—C键断裂，生成的液态烃急剧减少。③当温度大于500℃时，此时对应有机质演化的过成熟阶段，此阶段生烃潜力逐渐枯竭，气态烃组分向干气演化，已形成的重烃与液态烃会逐渐裂解成热力学上最稳定的甲烷。

图1 不同升温条件下杨家岩剖面煤热解气态烃（右）及总油气（左）转化率与温度关系图

化学动力学模型是生烃史分析的关键，动力学模型的优劣会直接影响计算结果。成烃反应可由平行一级反应来描述[8]：对于干酪根（KEO）成油过程由一系列（NO个）平行反应来构成，每个反应对应的活化能为EOi，指前因子AOi，原始生烃潜量为XOi0，i=1，2，3，…，i=1，2，3，…，NO。根据Arrhenius公式不难求出NO个平行反应的总生油量则为：

将上述生烃动力学参数带入到实际的地质升温速率下，即可以计算任意一个地质时期的气态烃组分累计转化率[10]。然后借用Sweeney提出的镜质体反射率参数的计算，对模拟实验的热演化程度进行定量：

公式（2）中，F代表不同温度点所对应的反应率。不同升温速率条件下煤气态烃产量略有不同。甲烷、重烃气产率变化及总油、总气转化率如图2所示。

主生气期内所产天然气应占据烃源岩生气潜力的80%。根据此原则，确定烃源岩天然气生气转化率为10%进入生气主气期，生气转化率为90%时主气期结束。从图2可以看出，在该模拟实验的条件下，煤样品产生甲烷的主生气期的RO值主要介于1.15%～2.89%之间，C2-5的主生气期为0.80%～1.80%之间。

图2 气态烃的产率和计算曲线拟合

4 结论

随着热解实验的进行，甲烷产量一直呈持续增长的趋势，其他烃类气体均存在一个生气值峰，随后产量开始下降，这与高温时期重烃气体热解成甲烷及非烃类气体有关。甲烷主气期Ro值为1.15%～2.89%，乙烷-戊烷主气期Ro值为0.80%～1.80%。

在开展热模拟实验数据具体应用时，应注意研究区烃源岩的埋藏演化史，剖析地质条件，综合考虑地球化学参数演变的原因及其实验自身带来的一些影响，提高与实际地质环境的适用性。