含铁矿物在有机质成烃中的作用机理研究

The formation mechanism of oil and gas are the basic theory for petroleum exploration and development, among which the catalysis of various inorganic elements and minerals on hydrocarbons generation from sedimentary organic matter is a key scientific issue. Iron-bearing minerals (pyrite and siderite) have active chemical properties, which are important mineral components in the hydrocarbon source rocks. Based on the principle of organic-inorganic interaction, introduction of iron, sulfur chemical speciation and related techniques, combined with classic mineralogy and hydrocarbon generation simulation technology, different types of kerogen or organic matter will be carried out the hydrocarbon generation simulation experiments by adding different ratios of iron-bearing minerals. By comparing the characteristics and variation of all kinds of products and isotopes before and after the simulation experiment, especially the change rules of iron and sulfur species based on Mössbauer spectrum and Synchronous Radiation Technology, kinetics of hydrocarbon generation, aimed at revealing the influence and effect mechanism of iron-bearing minerals on hydrocarbon generation, improving the theory and providing scientific basis for oil and gas resources assessment.

油气形成机理是支撑油气勘探和开发的基础理论，其中无机矿物和元素对沉积有机质成烃的催化作用是这些基础理论中的关键科学问题之一。含铁矿物（黄铁矿和菱铁矿）是烃源岩中无机矿物的重要类型之一，而且化学性质较为活泼，但在前人研究中并未得到重视和关注。本项目基于有机-无机相互作用原理，引进铁、硫元素化学种概念和技术，结合经典的岩石矿物学和加热模拟实验技术，选择不同类型的干酪根或生烃母质，开展添加不同比例含铁矿物的生烃模拟实验。通过对比加热模拟实验前后各类产物的组分、同位素等特征及变化规律，特别是基于穆斯堡尔谱技术和同步辐射技术的铁、硫的赋存状态变化和生烃动力学规律，旨在揭示含铁矿物对有机质生烃的影响及其作用机理，为完善油气成因理论和油气资源评价提供科学依据。

随着深部油气和非常规油气资源的勘探和开发，有机-无机相互作用包括无机矿物元素对油气形成的影响显得越来越重要，其中含铁矿物和过渡金属元素性质比较活泼，开展其在沉积有机质成烃作用的研究对认识油气形成过程具有一定的意义。结合资料调研，项目对四川盆地、吐哈盆地和准噶尔盆地东部的一些泥页岩和煤岩中的含铁矿物、其他矿物和主微量元素的丰度和结构特征进行了分析，选取比较典型的页岩和煤岩开展了添加含铁矿物和金属元素的加热模拟实验，对比了气态、液体和固体残渣等产物的变化规律，揭示了含铁矿物和金属元素等对有机质生烃的影响和机理，研究主要认识：含铁矿物在烃源岩中分布比较广泛，但其分布非常不均一，如四川盆地研究层位黄铁矿在0.4-13.1%，微观以草莓状形态为主，部分样品含有菱铁矿且含量低于1%；吐哈盆地-准东一带研究的烃源岩中菱铁矿为0.1-18%，黄铁矿主体含量低于2%。一般情况，黄铁矿较多的样品，其菱铁矿含量少，甚至没有，含菱铁矿较多的样品黄铁矿含量较少或不含有。加热模拟实验发现，含铁矿物大体上有利于有机质的成熟，使气态烃干燥系数降低，有助于轻质液态烃的生成，一些样品生烃高峰提前。含铁矿物可以引起有机质生成气态烃的碳氢同位素分馏，大体上使得甲烷等气态烃的碳同位素有变重的趋势，或先轻后重，部分样品氢同位素大体上有变轻的趋势。含铁矿物除了催化作用，在加热模拟实验中高温度阶段，菱铁矿向磁铁矿转化，有利于氢气的产生，为后续加氢过程提供氢源；黄铁矿向磁黄铁矿转化，有利于自由基的形成。另外，低温长时间的加热模拟实验结果显示地质催化作用整体有利于烃类的形成，压力对有机质生烃具有阻碍作用。这些研究认识有利于丰富有机-无机相互作用和补充沉积有机质成烃的理论体系，为油气资源勘探开发提供参考。