鄂爾多斯盆地山西組5#煤巖生烴熱模擬研究

劉冬冬，陳義才，王曉飛，魏新善，左智鋒.

(1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/成都理工大學(xué)，四川成都 610059；2. 成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都 610059；3. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018;4. 中國石油長慶油田分公司，陜西西安 710018)

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鄂爾多斯盆地山西組5#煤巖生烴熱模擬研究

劉冬冬1,2，陳義才1,2，王曉飛1,2，魏新善3，4，左智鋒3,4.

(1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/成都理工大學(xué)，四川成都 610059；2. 成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都 610059；3. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710018;4. 中國石油長慶油田分公司，陜西西安 710018)

山西組5#煤巖是鄂爾多斯盆地上古生界主要煤層之一。本文采用封閉體系對5#煤巖低成熟樣品在250～550℃的生烴演化過程進(jìn)行了熱模擬試驗(yàn)。模擬結(jié)果表明，低成熟5#煤巖樣品模擬溫度在250～325℃之間以產(chǎn)油為主，氣態(tài)烴產(chǎn)率較低，主要產(chǎn)出非氣態(tài)烴CO2；溫度超過300℃之后，液態(tài)烴產(chǎn)率下降，氣態(tài)烴產(chǎn)率增加，氣態(tài)烴以CH4、C2H6、C3H8為主要成分，非烴氣體主要為CO2和H2以及少量CO。

5#煤巖；熱模擬試驗(yàn)；煤成烴；山西組；鄂爾多斯盆地

晚奧陶世末期，加里東運(yùn)動使華北地臺整體隆起遭受1.3～1.5億年的地層剝蝕，形成廣闊的風(fēng)化夷平面，在區(qū)域性平緩古地形背景上，多旋回幕式海侵以及慢速海退有利于形成泥炭堆積[1-2]。鄂爾多斯盆地從本溪組、太原組到山西組，發(fā)育煤巖15～20層，按照煤層組合特點(diǎn)，一般劃分為10套煤層[2-4]。山西組沉積期，主要為淺水三角洲成煤環(huán)境，聚煤場所為泥炭沼澤及廢棄河道充填沼澤，發(fā)育1#煤巖～5#煤巖，其中5#煤巖厚度較大，一般為3～10 m，分布穩(wěn)定。鄂爾多斯盆地上古生界發(fā)育煤層、泥質(zhì)巖和灰?guī)r3種巖性烴源巖，其中煤層生烴強(qiáng)度大，是主力烴源巖[5-8]。為進(jìn)一步揭示鄂爾多斯盆地上古生界煤巖生烴演化規(guī)律，本研究選取山西組具有代表性的5#煤巖低熟樣品進(jìn)行熱壓模擬試驗(yàn)，對不同演化階段生成的液態(tài)烴、氣態(tài)烴組成及產(chǎn)率進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

1 試驗(yàn)煤巖樣品

熱壓模擬試驗(yàn)的煤巖樣品選自鄂爾多斯盆地北部的哈爾烏素煤礦，煤樣的層位是山西組5#煤巖。煤巖樣品的成熟度Ro為0.55%，熱解最高溫度Tmax為425℃，總有機(jī)碳含量TOC為73.30%，熱解生烴潛量(S1+S2)為156.87 mg/g，屬于高有機(jī)質(zhì)豐度的低成熟煤(表1)。根據(jù)巖石熱解和干酪根顯微組成資料，熱模擬煤巖樣品有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型。

表1 山西組5#煤巖樣品常規(guī)有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)表

2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)流程

生烴熱壓模擬試驗(yàn)是基于干酪根熱降解成烴理論和有機(jī)質(zhì)熱演化的時間-溫度補(bǔ)償原理來重塑干酪根的生烴演化過程。早在20世紀(jì)60年代，國外就有人開始進(jìn)行煤熱解成烴的模擬試驗(yàn)研究，并且對煤和混合型干酪根的各種顯微組分加水或無水熱解生烴模擬與自然演化進(jìn)行了比較[9-10]。我國于20世紀(jì)70年代初就開始對煤熱模擬演化試驗(yàn)進(jìn)行研究，20世紀(jì)80年代模擬試驗(yàn)技術(shù)日趨完善[11-13]。針對上古生界致密砂巖氣近距離運(yùn)聚成藏特點(diǎn)，本次試驗(yàn)采用密閉式高壓釜加水熱解方法模擬煤巖的生烴演化過程。

熱壓模擬試驗(yàn)裝置為無錫石油地質(zhì)研究所研制的YDH-Ⅰ型熱壓儀。YDH-Ⅰ型熱壓模擬試驗(yàn)儀的最高工作壓力為25 MPa，最高工作溫度為600℃，控溫準(zhǔn)確度為±2℃，高壓釜體積為0.5×10-3cm3，樣品室體積為0.25×10-3cm3，真空度為0.067 Pa，儀器連續(xù)工作實(shí)際溫度漂移為±4℃。煤巖樣品用量為10～20 g，顆粒大小為1～10 mm，同時加入樣品重量為10%～20%的去離子水。

試驗(yàn)中稱取一定重量的煤巖樣品和去離子水放入樣品室中，連同筒體頂蓋放入高壓釜內(nèi)，密封后，充入不小于5 MPa 的N2，放置水中試漏，待不漏后，放出N2并用真空泵抽空再充N2，反復(fù)3～5次，最后抽空。模擬溫度分別為250℃、275℃、300℃、325℃、350℃、375℃、400℃、425℃、500℃和550℃共10個溫度點(diǎn)。每個樣品的升溫速率為1 ℃/min，達(dá)到模擬溫度再恒溫24 h后降至實(shí)驗(yàn)室溫度，收集計(jì)量模擬的氣相與液相產(chǎn)物。熱解氣首先通過液氮冷卻的液體接收管，再通過冰水冷卻的冷凝管，最后用計(jì)量管收集計(jì)量熱解氣的體積。為避免輕質(zhì)組分的損失，用低沸點(diǎn)的CH2Cl2萃取液體接收管中的水和凝析油，直到有機(jī)相無色。高壓釜內(nèi)壁、管道吸附的液態(tài)烴稱為輕油，用CH2Cl2清洗揮發(fā)溶劑后稱重。模擬固體殘樣先用CH2Cl2清洗出液態(tài)烴，再用CHCl3抽提固體殘樣得到瀝青“A”，將二者合并后統(tǒng)稱殘留油。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 氣相產(chǎn)物

山西組5#煤巖樣品熱模擬試驗(yàn)的氣相產(chǎn)物由非烴氣體與烴類氣體組成(表2)。非烴氣體主要為CO2和H2以及少量的CO。非烴氣體中的CO2主要來自干酪根中羧基或脂基的分解，H2主要與有機(jī)質(zhì)裂解時加氫反應(yīng)受到阻礙有關(guān)，可以按H2和C摩爾數(shù)為2∶1折算為CH4。氣態(tài)烴產(chǎn)物主要為CH4、C2H6和C3H8，其中CH4含量(去除非烴氣體)為50%～90%，C2H6含量為10%～23%，C3H8含量為8%以下。

當(dāng)模擬溫度增加到325～375℃時，氣態(tài)烴產(chǎn)率隨著溫度的增加而增加。5#煤巖的氣體產(chǎn)物中仍然以CO2為主，其含量為50.75%；CH4及濕氣含量呈逐漸增加趨勢，達(dá)到36.75%。氣態(tài)烴累計(jì)產(chǎn)率也相應(yīng)增加，但是增加幅度較小。

模擬溫度升高到550℃時，5#煤巖熱模擬試驗(yàn)中氣體產(chǎn)物中的CO2含量為30.03%；濕氣含量顯著降低，降到1.35%；CH4含量為53.61%。氣態(tài)烴累計(jì)產(chǎn)率進(jìn)一步增加，達(dá)到116.92 kg/t(TOC)。

表2 山西組5#煤巖樣品熱模擬試驗(yàn)中氣體產(chǎn)物及組成

山西組5#煤巖模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，在模擬溫度為275～350℃(Ro小于1.3%)時，煤巖氣態(tài)烴累計(jì)產(chǎn)率很低；當(dāng)Ro大于1.3%后，產(chǎn)氣率開始顯著增加，CH4和重?zé)N(C2-5)的產(chǎn)量都顯著增長，煤巖有機(jī)質(zhì)分子中的側(cè)鏈脫落或變短，C2-5脂肪鏈產(chǎn)生，不斷生成烴類氣體。但當(dāng)熱模擬試驗(yàn)溫度增加到425℃(Ro為1.8%)時，濕氣產(chǎn)率開始降低，干氣產(chǎn)率開始持續(xù)增加；這是由于C2-5中的脂肪鏈斷裂，重?zé)N裂解生氣，CH4產(chǎn)率增高進(jìn)入干氣階段。

圖1 煤巖樣品氣態(tài)烴產(chǎn)率演化曲線Fig.1 Evolution curves of gaseous hydrocarbon yield in coal samples

一般煤巖及陸源有機(jī)物大量生成天然氣的Ro為1.0%[14]。山西組5#煤巖熱模擬試驗(yàn)中大量生氣的Ro為1.5%～2.0%(圖1)。大量生氣的Ro較高，除了樣品本身成熟度可能存在一定影響外，更主要的原因是煤巖樣品的顯微組分中鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量比較高，屬于過渡組合型煤。過渡組合型煤只有在高演化煤階段才能形成大量氣態(tài)烴[15]。煤巖有機(jī)顯微組成決定了有機(jī)質(zhì)成烴的化學(xué)動力學(xué)性質(zhì)。山西組煤巖干酪根裂解生烴動力學(xué)參數(shù)研究表明，煤巖干酪根裂解的頻率因子在4.0×1015s-1左右，活化能總體偏高，主頻率在(63～67)×4184 J/mol之間，接近于C—C鍵斷裂所需的活化能[16]。根據(jù)干酪根成烴化學(xué)動力學(xué)原理，干酪根形成大量氣態(tài)烴的活化能越高，所需要的地層溫度就越高，成熟度Ro也隨之升高。

3.2 液相產(chǎn)物

山西組5#煤巖樣品的總液態(tài)烴產(chǎn)率在375℃之前隨溫度的升高不斷增加，總液態(tài)高峰的產(chǎn)率為52.60 kg/t(TOC)。當(dāng)溫度超過375℃后，隨熱模擬溫度進(jìn)一步升高，總液態(tài)烴產(chǎn)率逐漸下降(表3)。熱模擬試驗(yàn)的凝析油與輕油產(chǎn)量從250℃開始隨溫度升高而增大，在350℃時達(dá)到最高峰，兩者產(chǎn)率分別為29.96 kg/t(TOC)和15.04 kg/t(TOC)。隨著熱模擬溫度進(jìn)一步升高，凝析油與輕油產(chǎn)率逐漸下降。殘留油產(chǎn)量在250～325℃間隨溫度升高而增加，在325℃高峰時的產(chǎn)率為13.29 kg/t(TOC)。煤巖樣品模擬試驗(yàn)中當(dāng)溫度超過400℃之后，殘留油產(chǎn)率快速降低。

表3 山西組5#煤巖樣品熱模擬試驗(yàn)中液態(tài)烴產(chǎn)率Table3 Liquid hydrocarbon yield in thermal simulated test of 5# coal samples in Shanxi formation

4 煤巖生烴演化模式

煤系有機(jī)質(zhì)在淺埋埋藏過程中，在缺氧低溫(30～60℃)環(huán)境下，孔隙水介質(zhì)由酸性轉(zhuǎn)變?yōu)橹行灾寥鯄A性，有利于甲烷菌的生長繁殖。甲烷菌的大量繁殖將產(chǎn)生一定數(shù)量的生物成因氣。現(xiàn)代淤泥、泥炭、現(xiàn)代植物及第四系泥質(zhì)巖樣品的生物成因氣模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示，生物成因氣產(chǎn)率在(20～90)[m3/t(TOC)]之間，其中Ⅲ型有機(jī)質(zhì)的生物成因氣產(chǎn)率為(20～40)[m3/t(TOC)][17-18]。

模擬試驗(yàn)中山西組5#煤巖樣品的成熟度Ro已經(jīng)達(dá)到0.55%，煤巖樣品中的生物成因氣在取樣及制樣過程中已經(jīng)散失殆盡。因此，在對低成熟煤巖樣品的熱壓模擬試驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，考慮到實(shí)際地層條件下煤層在未成熟階段的生物氣，建立山西組5#煤巖樣品模擬樣品的油氣生成演化模式(圖2)。

圖2 鄂爾多斯盆地上古生界山西組煤巖生烴模式Fig.2 Hydrocarbon generation mode of coal in Shanxi formation in Upper Paleozoic, Ordos Basin

鄂爾多斯盆地上古生界山西組5#煤巖生烴演化特征表現(xiàn)為早期生油、晚期生氣，持續(xù)生烴。在低成熟—成熟階段(Ro為0.5%～1.3%)，總液態(tài)烴產(chǎn)率大于氣態(tài)烴的產(chǎn)率，生油高峰在的Ro為1.3%附近。高成熟階段(Ro為1.3%～2.0%)，液態(tài)烴產(chǎn)率快速降低，氣態(tài)烴產(chǎn)率大量增加。過成熟階段(Ro大于2.0%)，氣態(tài)烴產(chǎn)率呈緩慢增加。

山西組5#煤巖低成熟和成熟早期的氣態(tài)烴累計(jì)產(chǎn)率非常低，只占總產(chǎn)氣量的5%～25%，并且由于液態(tài)烴的產(chǎn)率超過氣態(tài)烴的產(chǎn)率，烴類產(chǎn)物在地層條件下總體表現(xiàn)為液相。由于煤層對烴類的吸附能力較強(qiáng)，液態(tài)烴的初次運(yùn)移難度較大，大部分液態(tài)烴在熱演化不斷升高而裂解為天然氣后，通過微裂縫、分子擴(kuò)散等方式排烴。因此，對上古生界的氣源巖而言，山西組5#煤巖在Ro大于1.3%以后才能夠大量有效供烴。

5 結(jié)論

(1)山西組5#煤巖雖然為典型的Ⅲ型有機(jī)質(zhì)類型，但是具有早期生油、晚期生氣、持續(xù)生烴的特征。在低成熟—成熟階段(Ro=0.5%～1.3%)，以生油為主、生氣為輔；高成熟階段(Ro=1.3%～2.0%)，開始以生氣為主、生油為輔。

(2)山西組5#煤巖生氣高峰較晚，早期液態(tài)烴受到煤層吸附的影響，氣源巖在高成熟階段才能大量有效供烴。

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Thermal Simulation of Hydrocarbon Generation of 5#Coal of Shanxi Formation in Ordos Basin

Liu Dongdong1,2, Chen Yicai1,2, Wang Xiaofei1,2, Wei Xinshan3,4, Zuo Zhifeng3,4

(1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation/Chengdu University of Technology,Chengdu 610059, China; 2.College of Energy, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;3.State Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-Permeable Oil & Gas Fields,Xi＇an 710018, China; 4.PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi＇an 710018, China)

5#coal of Shanxi formation is one of the main coal seams in Upper Paleozoic of Ordos Basin. In this paper, the 5#coal low maturity samples was used to simulate the process of hydrocarbon generation at the temperature from 250 to 550 in a closed system. The simulation results showed that when the simulated temperature was at 250～325℃, the oil production of the low maturity 5#coal sample was high, and the yield of gaseous hydrocarbon was low, the main output was non-gaseous hydrocarbon CO2. But when the temperature exceeds 300℃, the yield of liquid hydrocarbon was decrease, the yield of gaseous hydrocarbon was increase, the gaseous hydrocarbons were mainly compose of CH4, C2H6and C3H8, the non-hydrocarbon gases are mainly CO2and H2, and a little CO.

5#coal; thermal simulation test; coal-derived hydrocarbon; Shanxi formation; Ordos Basin

地調(diào)項(xiàng)目“西部大型盆地碳酸鹽巖油氣成藏特征與勘探區(qū)帶優(yōu)選”(DD20160175-3)資助。

劉冬冬(1992—)，碩士研究生，研究方向?yàn)橛蜌獠氐刭|(zhì)。郵箱：591230053@qq.com.

P618.13

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