生烴動(dòng)力學(xué)模擬在頁(yè)巖油原位轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用

張斌，于聰，崔景偉，米敬奎，李化冬，賀飛

（1.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司油氣地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；3.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院頁(yè)巖油研發(fā)中心，北京 100083）

0 引言

美國(guó)頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)獲得巨大成功，大大推動(dòng)了全球頁(yè)巖油氣的油氣勘探開(kāi)發(fā)[1-8]。中國(guó)海相頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)取得重大成效，陸相頁(yè)巖油能否成功目前已廣為業(yè)界所關(guān)注[9-11]。總體而言，中國(guó)發(fā)育的陸相頁(yè)巖受熱演化程度控制，發(fā)育中高與中低成熟度兩種類(lèi)型頁(yè)巖油。近年來(lái)，針對(duì)中高成熟度頁(yè)巖層系，前人已在頁(yè)巖油氣資源潛力、滯留烴含量、頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)等方面開(kāi)展了大量研究[12-14]。近期采用水平井體積壓裂技術(shù)，在多個(gè)盆地獲得重要發(fā)現(xiàn)，證實(shí)中高成熟度頁(yè)巖油具有良好的油氣勘探前景。中低成熟度富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系因成熟度偏低、生成的烴類(lèi)物質(zhì)相對(duì)局限，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系中大量有機(jī)質(zhì)尚未轉(zhuǎn)化，通過(guò)后期人工加熱使其轉(zhuǎn)化生烴，潛力非常大。2005年以來(lái)，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司與殼牌公司開(kāi)展了合作研究，評(píng)價(jià)了中低成熟度富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化潛力，探索了原位加熱轉(zhuǎn)化方法，研究認(rèn)為[10]，適合原位轉(zhuǎn)化的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖有機(jī)碳含量（TOC）必須高于6%，鏡質(zhì)體反射率（Ro）以0.5%～1.0%最佳；中國(guó)中低成熟度陸相頁(yè)巖油原位轉(zhuǎn)化技術(shù)可采資源量石油約（700～900）×108t，天然氣約（60～65）×1012m3，潛力巨大。

由于原位加熱需要消耗其他能源。一般來(lái)說(shuō)，加熱溫度越高，加熱時(shí)間越長(zhǎng)，能量消耗越大。本文沒(méi)有對(duì)巖石熱導(dǎo)率等其他因素開(kāi)展討論，不能準(zhǔn)確計(jì)算原位加熱所需要的能量。在中低成熟度頁(yè)巖地下原位加熱過(guò)程中，溫度過(guò)低或加熱時(shí)間過(guò)短，有機(jī)質(zhì)難以規(guī)模生烴；溫度過(guò)高或加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則可能造成過(guò)度加熱，不僅增加不必要的能量消耗，而且致使大量液態(tài)烴裂解成氣，影響經(jīng)濟(jì)效益。因此，確定適宜的加熱溫度或升溫程序，以最小的能量消耗獲取最高的油氣轉(zhuǎn)化效率，是提升中低成熟度頁(yè)巖開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵問(wèn)題。

生烴動(dòng)力學(xué)是油氣生成理論的重要組成部分，其核心原理是阿倫尼烏斯方程所表示的時(shí)間-溫度互補(bǔ)效應(yīng)，即將烴源巖生烴過(guò)程視為若干個(gè)串連或并列的化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室快速升溫模擬獲取烴源巖生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)，應(yīng)用這些參數(shù)計(jì)算地質(zhì)條件下緩慢升溫過(guò)程中的成烴轉(zhuǎn)化率，為研究油氣生成溫度和時(shí)間提供重要依據(jù)[15-25]。頁(yè)巖油地下原位加熱轉(zhuǎn)化，其過(guò)程與實(shí)驗(yàn)室生烴動(dòng)力學(xué)模擬相似。本文將生烴動(dòng)力學(xué)理論和方法應(yīng)用到頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化效率求取，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬，獲得生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)，然后計(jì)算富有機(jī)質(zhì)中低成熟度頁(yè)巖原位人工加熱生烴所需要的溫度和時(shí)間，為頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化提供依據(jù)。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)

結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)適合原位轉(zhuǎn)化的重點(diǎn)地區(qū)評(píng)價(jià)，本文選取了埋藏相對(duì)較淺、成熟度相對(duì)較低、生油潛力高的松遼盆地西北部白堊系嫩江組嫩一段（1號(hào)樣品）、鄂爾多斯盆地西南部三疊系延長(zhǎng)組7段（2號(hào)樣品）、柴達(dá)木盆地古近系下干柴溝組上段（3號(hào)樣品）和準(zhǔn)噶爾盆地東部吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組（4號(hào)樣品）共4個(gè)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖樣品開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，樣品信息如表1所示。

表1 烴源巖樣品初始地球化學(xué)參數(shù)

首先對(duì)上述 4個(gè)樣品進(jìn)行常規(guī)巖石熱解、有機(jī)碳及鏡質(zhì)體反射率分析，獲得有關(guān)烴源巖樣品有機(jī)質(zhì)豐度、類(lèi)型和成熟度等基本地球化學(xué)參數(shù)[25]。其次開(kāi)展生烴動(dòng)力學(xué)模擬。使用的儀器是Rock-Eval 6，升溫過(guò)程為：將熱解儀溫度快速升高到300 ℃，恒溫3 min除去游離烴，然后分別以 10 ℃/min、20 ℃/min、30 ℃/min、40 ℃/min和50 ℃/min的升溫速率將熱解溫度提高到600 ℃，獲取樣品在不同升溫速率條件下的產(chǎn)烴率曲線(xiàn)，作為生烴動(dòng)力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。地質(zhì)體是一個(gè)半開(kāi)放體系，烴源巖在地下原位加熱轉(zhuǎn)化過(guò)程中，一方面生成的油氣會(huì)從烴源巖中排出進(jìn)入鄰近的粉砂巖或者砂巖夾層中，尤其是受高溫高壓的影響，其排烴效率較高；另一方面在加熱的同時(shí)附近會(huì)有開(kāi)發(fā)井及時(shí)開(kāi)采生成的油氣，因此頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化過(guò)程中油氣的排驅(qū)通道應(yīng)該是暢通的，油氣主要來(lái)自于干酪根的初次裂解，液態(tài)烴二次裂解所占比例并不高。因此使用Rock-Eval熱解儀模擬的動(dòng)力學(xué)參數(shù)可以用于頁(yè)巖原位加熱。

為了對(duì)比烴源巖油氣產(chǎn)率，將柴達(dá)木盆地西部古近系巖心（3號(hào)樣品）處理成干酪根（用鹽酸和氫氟酸除去大部分礦物），開(kāi)展黃金管熱模擬實(shí)驗(yàn)，其升溫過(guò)程為：將金管內(nèi)溫度從室溫快速升高到 250 ℃，恒溫30 min，然后以20 ℃/h的速率升溫至預(yù)設(shè)的目標(biāo)溫度，然后迅速冷卻至室溫。目標(biāo)溫度分別為300 ℃、310 ℃、320 ℃、330 ℃、340 ℃、350 ℃、360 ℃、370 ℃、380 ℃、390 ℃、400 ℃、410 ℃、420 ℃、430 ℃、440 ℃、450 ℃、475 ℃和500 ℃。待冷卻至室溫后，剪開(kāi)黃金管，用二氯甲烷抽提獲得液態(tài)烴，從而獲得不同溫度條件下干酪根生成油的數(shù)量。

以上實(shí)驗(yàn)分析均在中國(guó)石油油氣地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

巖石熱解和有機(jī)碳分析結(jié)果如表1所示。從中可以看出，4個(gè)樣品均具有較高的有機(jī)質(zhì)豐度。3號(hào)樣品烴源巖TOC值為4.69%，干酪根TOC值為34.84%；另外3個(gè)樣品TOC值均超過(guò)6%，最高可達(dá)19.17%，符合原位加熱轉(zhuǎn)化的有機(jī)質(zhì)豐度標(biāo)準(zhǔn)；巖石樣品熱解烴含量（S2）都很高，均超過(guò)30 mg/g，最高可達(dá)96.19 mg/g，指示烴源巖在高溫加熱條件下可形成的烴類(lèi)數(shù)量非常可觀(guān)。單位有機(jī)碳的生烴量（IH）也都很高，其中2號(hào)樣品最低，為502 mg/g，為Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)，其他均超過(guò)600 mg/g，最高可達(dá)840 mg/g，為Ⅰ型有機(jī)質(zhì)。類(lèi)型指數(shù)（S2/S3）均大于5，揭示所有烴源巖均為傾油型有機(jī)質(zhì)。烴源巖內(nèi)殘留游離烴含量（S1）普遍不高，多數(shù)小于10 mg/g，S1/TOC值一般都小于50 mg/g，表明未加熱條件下，烴源巖中的游離烴數(shù)量有限。3號(hào)樣品S1/TOC值相對(duì)較高，可能與咸化湖相烴源巖早期生烴有關(guān)。

烴源巖成熟度是富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖生烴潛力評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。對(duì)上述4個(gè)樣品均開(kāi)展了鏡質(zhì)體反射率測(cè)定，但由于湖相烴源巖中鏡質(zhì)體含量低，每個(gè)樣品測(cè)試點(diǎn)不足10個(gè)，結(jié)果僅供參考。本文綜合巖石熱解數(shù)據(jù)，對(duì)這4個(gè)樣品的成熟度做出初步判斷。1、2、3號(hào)樣品Tmax值均在435 ℃左右，IH值很高，S1值很低，指示烴源巖處于未成熟演化階段。4號(hào)樣品Tmax值為440 ℃，IH值高達(dá)840 mg/g，S1/TOC值僅為17 mg/g，對(duì)應(yīng)于低成熟演化階段。

以生烴模擬為基礎(chǔ)，應(yīng)用生烴動(dòng)力學(xué)方法，即可模擬地質(zhì)加溫條件下的油氣轉(zhuǎn)化率與加熱溫度和時(shí)間關(guān)系。本文使用的是平行一級(jí)反應(yīng)，其基本假設(shè)是干酪根生烴過(guò)程可以分解為若干個(gè)不同類(lèi)型組分生烴，這些組分發(fā)生相互獨(dú)立的平行化學(xué)反應(yīng)，每個(gè)反應(yīng)具有特有的熱穩(wěn)定性，即具有特有的生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)，干酪根生烴是這些不同組分生烴反應(yīng)的總和，每個(gè)組分反應(yīng)對(duì)總體生烴反應(yīng)的貢獻(xiàn)取決于該組分的豐度。該反應(yīng)可用以下公式表達(dá)[15-16]：

反應(yīng)速率ki可用阿倫尼烏斯方程表示[15-16]，即：

本文基于不同升溫速率獲得的產(chǎn)烴率曲線(xiàn)，應(yīng)用動(dòng)力學(xué)模擬軟件，計(jì)算烴源巖的活化能、指前因子等參數(shù)。該軟件詳細(xì)的生烴動(dòng)力學(xué)計(jì)算過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[15-18]。

通過(guò)生烴動(dòng)力學(xué)擬合計(jì)算，獲得 4個(gè)樣品的生烴活化能和指前因子（見(jiàn)圖1）。1號(hào)樣品熱解活化能最低，且相對(duì)分散，活化能分布范圍在155～210 kJ/mol，主峰為197 kJ/mol，加權(quán)平均數(shù)為192.61 kJ/mol，指前因子為1.96×1010s-1。2號(hào)樣品和3號(hào)樣品的活化能基本相近，2號(hào)樣品主峰為202 kJ/mol，占80%，其次是210 kJ/mol，占12%，活化能加權(quán)平均值為204 kJ/mol，指前因子為4.10×1010s-1；3號(hào)樣品活化能主峰為210 kJ/mol，占96%，加權(quán)平均值為209.45 kJ/mol，指前因子1.49×1011s-1。4號(hào)樣品活化能最高，且最集中，主峰為227 kJ/mol，占99%，加權(quán)平均值為227.09 kJ/mol，指前因子為1.82×1012s-1。

根據(jù)上述生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)，應(yīng)用平行一級(jí)反應(yīng)模型，即（3）式和（4）式，即可計(jì)算烴源巖在其他加熱條件下的原位成烴轉(zhuǎn)化率：

圖1 4個(gè)樣品的活化能直方圖

在本文中，由于是固定溫度下持續(xù)加熱，即Tu=T0，這會(huì)使得公式（3）無(wú)法計(jì)算。為了使公式（3）順利計(jì)算，令T0=Tu-1，計(jì)算方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。

圖2是2號(hào)樣品在5個(gè)不同的升溫速率下轉(zhuǎn)化率的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比，由圖2可見(jiàn)，在各個(gè)升溫速率下烴源巖轉(zhuǎn)化率的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值吻合較好，表明應(yīng)用該方法計(jì)算的結(jié)果基本可靠。另外 3個(gè)樣品也可以得到類(lèi)似的曲線(xiàn)，在此不再贅述。

將生烴動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算與黃金管模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者在 380 ℃之前基本一致，當(dāng)溫度超過(guò)380 ℃后，液態(tài)烴發(fā)生裂解（見(jiàn)圖3）。

圖2 2號(hào)樣品轉(zhuǎn)化率與加熱溫度的關(guān)系曲線(xiàn)

圖3 3號(hào)樣品黃金管熱模擬與生烴動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果對(duì)比

以 3號(hào)樣品為例，黃金管模擬實(shí)驗(yàn)表明，干酪根在 300 ℃開(kāi)始有少量液態(tài)烴產(chǎn)出，之后逐漸增多，至380 ℃時(shí)產(chǎn)油量最高，超過(guò)800 mg/g，成烴轉(zhuǎn)化率接近96%，之后液態(tài)烴開(kāi)始裂解，總量呈下降趨勢(shì)，450 ℃時(shí)降至200 mg/g以下。根據(jù)生烴動(dòng)力學(xué)計(jì)算，該樣品在溫度小于300 ℃時(shí)的成烴轉(zhuǎn)化率不足10%，至350 ℃時(shí)達(dá)到50%，380 ℃時(shí)即可達(dá)到98%。

通過(guò)鏡質(zhì)體反射率換算，樣品主生油期Ro值為0.7%～1.0%，Ro值大于 1.0%后液態(tài)烴開(kāi)始裂解，至Ro值大于1.5%液態(tài)烴產(chǎn)量低于200 mg/g（見(jiàn)圖4）。這一結(jié)果與經(jīng)典油氣生成模式相吻合，證實(shí)生烴動(dòng)力學(xué)模擬和黃金管模擬結(jié)果是可信的。

圖4 3號(hào)樣品液態(tài)烴產(chǎn)率與Ro的關(guān)系

3 討論

3.1 有機(jī)質(zhì)成烴轉(zhuǎn)化活化能與成熟度關(guān)系

烴源巖裂解生烴活化能與熱解最高峰溫度（Tmax）都反映了有機(jī)質(zhì)裂解生烴的難易程度，兩者均呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)接近0.83（見(jiàn)圖5）。由于數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)較少，該線(xiàn)性公式是否具有普遍意義還有待更多樣品的分析檢驗(yàn)。

成熟度同時(shí)影響著活化能分布的集中程度。從 4個(gè)典型樣品來(lái)看，1號(hào)樣品成熟度最低，其活化能也最低，且頻率分布最為分散，主峰權(quán)重占70.84%，低于主峰的權(quán)重占25.67%；而4號(hào)樣品成熟度最高，活化能也最高，主峰權(quán)重占98.86%。這可能反映出未成熟有機(jī)質(zhì)早期生烴階段可溶有機(jī)質(zhì)存在一定貢獻(xiàn)，而進(jìn)入低成熟—成熟演化階段，則以干酪根生烴為主，生烴活化能相對(duì)集中。

圖5 4個(gè)樣品活化能與熱解最高峰溫度的關(guān)系

3.2 升溫速率對(duì)有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化速率的影響

以2號(hào)樣品為例，圖6是Rock-Eval熱模擬獲得的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化率與加熱溫度、加熱時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)，可以看出，5條加熱溫度與轉(zhuǎn)化率關(guān)系曲線(xiàn)趨勢(shì)基本一致，生烴階段大體平行，慢速升溫靠左，快速升溫靠右；升溫速率越慢，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率所需要的溫度越低。如要達(dá)到50%的轉(zhuǎn)化率，升溫速率為10 ℃/min時(shí)需要450 ℃，而升溫速率為50 ℃/min時(shí)則需要480 ℃，二者相差30 ℃。5條加熱時(shí)間與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系曲線(xiàn)則呈現(xiàn)明顯差異，即升溫速率越快，曲線(xiàn)越陡；快速升溫靠左，慢速升溫靠右；升溫速率越慢，要達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率所需要的時(shí)間越長(zhǎng)。同樣是達(dá)到50%的轉(zhuǎn)化率，以50 ℃/min的升溫速率僅需要8 min，而以10 ℃/min的升溫速率則需要20 min。

圖6 同一樣品（2號(hào)樣品）不同升溫速率生烴轉(zhuǎn)化率與加熱溫度（a）、時(shí)間（b）的關(guān)系曲線(xiàn)

3.3 頁(yè)巖地下恒溫加熱轉(zhuǎn)化的溫度

地下原位加熱有兩種升溫方式：恒溫加熱和持續(xù)升溫加熱。關(guān)于恒溫加熱，最重要的是確定加熱溫度?；谇拔乃⒌?4個(gè)樣品的生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)，分別計(jì)算了4個(gè)樣品在250 ℃、270 ℃、290 ℃、300 ℃、310 ℃和330 ℃加溫條件下的轉(zhuǎn)化率，在較長(zhǎng)的加熱時(shí)間內(nèi)（本文模擬計(jì)算假定的最長(zhǎng)時(shí)間為 300 d），可以得出4個(gè)樣品的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)（見(jiàn)圖7）。

加熱溫度過(guò)低，并不能有效促進(jìn)烴類(lèi)轉(zhuǎn)化；如加熱溫度為250 ℃時(shí)，加熱300 d后，除1號(hào)樣品轉(zhuǎn)化率達(dá)到60%外，其他樣品轉(zhuǎn)化率均低于40%（見(jiàn)圖7a）。加熱溫度達(dá)到270 ℃時(shí)，加熱300 d后，1號(hào)樣品轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%，2號(hào)和3號(hào)樣品轉(zhuǎn)化率在80%左右，4號(hào)樣品仍低于40%（見(jiàn)圖7b），轉(zhuǎn)化率仍然不高。當(dāng)溫度增加到300 ℃時(shí)，只需經(jīng)過(guò)50 d加熱，1、2、3號(hào)樣品轉(zhuǎn)化率均已超過(guò) 90%，4號(hào)樣品也達(dá)到了 65%以上（見(jiàn)圖7d）。而當(dāng)溫度達(dá)到330 ℃時(shí)，則1、2、3號(hào)樣品在5 d內(nèi)轉(zhuǎn)化率超過(guò)90%，4號(hào)樣品也在10 d后達(dá)到90%（見(jiàn)圖7f）。

成烴轉(zhuǎn)化率與加熱時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系，加熱時(shí)間越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化率越高，但并非呈簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，而是隨著加熱時(shí)間的持續(xù)，轉(zhuǎn)化率曲線(xiàn)呈現(xiàn)早期快速增加、后期緩慢增加的趨勢(shì)，且 4個(gè)樣品的成烴轉(zhuǎn)化率有明顯差異。在實(shí)驗(yàn)室條件下，300 ℃被認(rèn)為是游離烴揮發(fā)的溫度，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)造成干酪根裂解而形成新的油氣。通過(guò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果加熱時(shí)間較長(zhǎng)，300 ℃條件下干酪根成烴轉(zhuǎn)化率較高。1號(hào)樣品加熱5 d轉(zhuǎn)化率即可超過(guò)50%，2號(hào)和3號(hào)樣品在加熱5 d后轉(zhuǎn)化率都可達(dá) 25%，4號(hào)樣品轉(zhuǎn)化率也達(dá)到 20%。當(dāng)持續(xù)加熱30 d后，1號(hào)樣品轉(zhuǎn)化率可達(dá)94%，2號(hào)樣品達(dá)到82%，3號(hào)樣品達(dá)到 83%，4號(hào)樣品轉(zhuǎn)化率達(dá)到 67%（見(jiàn)圖7d）。由此可見(jiàn)，如果采用恒溫加熱方式，不同地區(qū)發(fā)育的頁(yè)巖所需要的加熱溫度有所差異。針對(duì)本文中選用的樣品，持續(xù)加熱溫度建議在270～300 ℃，經(jīng)過(guò)50~300 d的加熱，可達(dá)到90%以上的轉(zhuǎn)化率。溫度過(guò)低（小于270℃）則轉(zhuǎn)化速率過(guò)低；管溫度過(guò)高（大于300 ℃）時(shí)在較短時(shí)間內(nèi)能達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率，但可能導(dǎo)致加熱過(guò)度，液態(tài)烴裂解，降低經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

圖7 4個(gè)樣品成烴轉(zhuǎn)化率與加熱時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)

3.4 頁(yè)巖地下持續(xù)升溫的轉(zhuǎn)化溫度

關(guān)于持續(xù)升溫加熱轉(zhuǎn)化，確定升溫速率是原位轉(zhuǎn)化過(guò)程中需要考慮的一項(xiàng)重要參數(shù)。殼牌公司針對(duì)美國(guó)綠河頁(yè)巖開(kāi)展的原位轉(zhuǎn)化先導(dǎo)試驗(yàn)，使用的加熱速率約15 ℃/月，大約經(jīng)過(guò)2年時(shí)間加熱到350 ℃[26-28]。根據(jù)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，較低的升溫速率（如3 ℃/月）可以降低生烴所需的溫度（300 ℃即可完成生烴），而較高的升溫速率（如 90 ℃/月）則需要更高的溫度（大約350 ℃）。

本文以鄂爾多斯地區(qū) 2號(hào)樣品為例，分別計(jì)算了1 ℃/月、3 ℃/月、15 ℃/月、60 ℃/月、90 ℃/月、150 ℃/月升溫速率下的成烴轉(zhuǎn)化率，起始溫度為40 ℃，終止溫度為400 ℃（見(jiàn)圖8）。可以看出，在慢速升溫條件下（1 ℃/月、3 ℃/月和 15 ℃/月），主生烴階段在225～325 ℃，225 ℃時(shí)成烴轉(zhuǎn)化率均小于5%。至 325 ℃時(shí)，成烴轉(zhuǎn)化率均超過(guò) 95%（見(jiàn)圖8a—圖8c）。而在快速升溫條件下（60 ℃/月、90 ℃/月和 150 ℃/月），主生烴階段在275～350 ℃，275 ℃時(shí)成烴轉(zhuǎn)化率均小于10%，至350 ℃時(shí)，轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%以上（見(jiàn)圖8d—圖8f）。

一般情況下，在恒速升溫條件下主生烴期對(duì)應(yīng)的溫度均在225～350 ℃，升溫速率越快，所對(duì)應(yīng)的主生烴期溫度越高。因此，為提高經(jīng)濟(jì)效益，選擇相對(duì)較高的升溫速率（如60～150 ℃/月），即可在較短時(shí)間內(nèi)（2.5～6.0月）獲得較高的生烴轉(zhuǎn)化率。

以上研究主要針對(duì)4個(gè)典型地區(qū)的頁(yè)巖樣品進(jìn)行，由于樣品來(lái)自不同沉積盆地，其沉積環(huán)境、頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類(lèi)型與富集程度、熱演化程度差異較大，因此其活化能的分布也有很大差異。本文并沒(méi)有探討樣品的沉積環(huán)境、生烴組分特征等對(duì)成烴轉(zhuǎn)化率的影響，模擬實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果反映了樣品的生烴特征。因此，在具體地區(qū)開(kāi)展頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化先導(dǎo)試驗(yàn)之前，建議有針對(duì)性地開(kāi)展生烴動(dòng)力學(xué)模擬和計(jì)算，以獲得更加合理的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，為原位加熱轉(zhuǎn)化提供更加合理的加熱方案。

圖8 2號(hào)樣品不同升溫速率下成烴轉(zhuǎn)化率與加熱溫度的關(guān)系曲線(xiàn)

4 結(jié)論

不同地區(qū)發(fā)育的陸相頁(yè)巖生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)存在一定差異，基于本文所選樣品研究，成熟度是頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化重要的控制因素，成熟度越高，成烴反應(yīng)活化能越高，且越集中。

生烴動(dòng)力學(xué)模擬方法可以為中低成熟度頁(yè)巖原位加熱轉(zhuǎn)化率的求取提供重要參數(shù)，恒溫加熱條件下，較為理想的加熱溫度是270～300 ℃；溫度過(guò)低成烴轉(zhuǎn)化速率太慢，溫度過(guò)高盡管較短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%，但可能會(huì)導(dǎo)致加熱過(guò)度，增加不必要的能源消耗。

升溫速率也是持續(xù)升溫加熱需要考慮的重要參數(shù)。總體而言，在 1～150 ℃/月升溫速率范圍內(nèi)，主生烴期對(duì)應(yīng)的溫度為225～350 ℃。為提高經(jīng)濟(jì)效益，選擇相對(duì)較高的升溫速率（如 60～150 ℃/月），既可以避免加熱過(guò)程中不必要的能源浪費(fèi)，又可以在較短時(shí)間內(nèi)（2.5～6.0月）獲得較高的生烴轉(zhuǎn)化率。

本文沒(méi)有探討烴源巖的沉積環(huán)境、生烴組分特征等對(duì)成烴轉(zhuǎn)化率的影響，模擬實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果僅僅反映所選樣品本身的生烴特征。開(kāi)展中低成熟度陸相頁(yè)巖油原位轉(zhuǎn)化先導(dǎo)試驗(yàn)時(shí)，建議有針對(duì)性開(kāi)展生烴動(dòng)力學(xué)模擬和計(jì)算，獲得更加合理的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，為原位加熱轉(zhuǎn)化提供更加合理的加熱方案。

致謝：本文編寫(xiě)過(guò)程中得到了中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院胡素云教授、張水昌教授、朱如凱教授等的指導(dǎo)和幫助，商斐、姚立邈等協(xié)助完成了部分樣品采集工作，在此表示衷心地感謝！

符號(hào)注釋?zhuān)?/p>

Ai——第i種組分生烴反應(yīng)的頻率因子，s-1；D——升溫速率，℃/min；Ei——第i種組分反應(yīng)的活化能，kJ/mol；ki——第i種組分的反應(yīng)速率，mol/min；R——?dú)怏w常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；t——反應(yīng)時(shí)間，min；T——加熱溫度，℃；T0——初始溫度，℃；Tu——終止溫度，℃；X——干酪根累計(jì)轉(zhuǎn)化率，%；Xi——第i種組分的轉(zhuǎn)化率，%；Xoi——第i種組分的豐度，%。