高-过成熟阶段煤系烃源岩生烃潜力及生烃过程中的氢同位素分馏

Hydrocarbon potential and the associated hydrogen isotopic fractionation during the hydrocarbon generation process of high-over mature coal measures is a hot topic of the national and international oil/gas geochemical researches. A number of studies proposed that hydrocarbon generation was mainly during the mature stage of organic matter thermal evolution and the amount of hydrocarbon generated during the high-over mature stage was limited. However, more and more studies found that coal measures may still have some hydrocarbon potential during the high-over mature stage, and even a large amount of hydrocarbon can be generated. If water takes part in the hydrocarbon generation process, the hydrocarbon potential will greatly increase. However, few studies have been performed about the hydrocarbon potential and the associated hydrogen isotopic fractination of high-over mature coal measures. This project will use the hydrogen isotopic analyses and the kinetic isotopic fractionation of hydrogen isotope, combining with gold tube pyrolysis, to study the hydrogen isotopic fractionation during the high-over mature stage of hydrocarbon generation and quantify the hydrocarbon potential of high-over mature coal measures. All the abundant previous studies by us, including the fundmental studies on the kinetic isotope effect (KIE) of hydrogen isotope fractionation in natural gas systems, improvement of the analytical methods of the natural gas hydrogen isotopes and pyrolytic studies on the low mature and mature coal samples from the Kuqa depression, prove the practibility of this project. Due to the advantagement of our analytical methods, this will be the first time to use natural gas hydrogen isotopes to study the hydrocarbon potential and the associated hydrogen isotopic fractionation of high-over mature coal measures.

高-过成熟阶段煤系烃源岩生烃潜力及生烃过程中的氢同位素分馏是近年来国内外油气地球化学研究的一个重要方向。有研究认为，有机质生烃主要集中在成熟演化阶段，而在高过成熟阶段生烃量有限，但越来越多研究发现，在高过成熟阶段，煤系烃源岩可能还具有一定的生烃能力，甚至能生成大量的烃类。如果水参与生烃反应，可能会大幅度提高有机质生烃潜力。但目前还没有有关高过成熟阶段水对煤系烃源岩生烃潜力和氢同位素分馏的影响的报道。本项目将利用天然气氢同位素及其动力学分馏模拟，结合黄金管热模拟实验，研究生烃过程中伴随的氢同位素分馏，量化高过成熟阶段煤系烃源岩的生烃潜力。大量的前期工作，如天然气氢同位素动力学分馏模型的建立，天然气氢同位素实验分析方法的完善，库车坳陷低和高成熟煤样的热模拟实验等，都证实了本项研究的可行性。由于实验方法的优势，这将是首次利用天然气氢同位素研究高-过成熟阶段煤系烃源岩生烃潜力及其氢同位素分馏效应。

高-过成熟阶段煤系烃源岩生烃潜力及生烃过程中的同位素分馏是近年来国内外油气地球化学研究的一个重要方向。传统观点认为，有机质生烃主要集中在成熟演化阶段，而在高过成熟阶段生烃量有限。本项目利用黄金管热模拟装置，分别对一组低熟煤样（Ro%:~0.6%）和一组具有不同初始成熟度的煤样（Ro%: 2%~9%）进行了有水/无水、匀速升温/恒温热模拟实验。明确了高过成熟阶段煤系源岩具有一定生烃潜力，生气成熟度Ro%上限可达9%，理论生气上限可达350 m3/t煤。在高温条件下，水会促进重烃裂解，大大提升甲烷产量。无水条件下不同初始成熟度煤样的残余甲烷产率明显低于有水条件下的，但随热演化程度的增加，两者之间的差异逐渐变小。在Ro%为2%时，无水条件下的残余甲烷产率为70 ml/g TOC，而有水条件下的为140 ml/g TOC，几乎是无水条件下的一倍。无论在有水或无水条件下，过渡金属镍的加入使得有机质热解过程中发生了两种类型的催化反应，即有机质的催化裂解和费托反应，他们分别使大分子有机质和热解产生的CO2向甲烷转化，从而大幅增加甲烷产率。在温度达到450°C以上，乙烷和丙烷的碳同位素、乙烷的氢同位素都会发生反转，甲烷的碳氢同位素没有反转，这是由于干酪根内部的络合直链烃类在高温条件下的裂解生气造成的。该类络合的直链烃类相对于生气高峰时的干酪根主体分子具有较轻的碳、氢同位素组成，即相对亏损13C。体系中乙烷和丙烷的产率很低，少量亏损13C的乙烷和丙烷便可以造成其碳、氢同位素值的降低，而甲烷产率较高，直链烃裂解产生的亏损13C的甲烷不足以引起体系甲烷碳、氢同位素值的降低。随着热演化程度的增加，甲烷的碳同位素随煤样初始成熟度的增大而逐渐变轻，这是由于高过成熟阶段，热解生烃过程中的芳环开裂-缩聚作用而导致的同位素分馏。但在有水条件下，则发生自由基反应，水提供氢源，形成大量低分子烃类，使得产物甲烷δ13C与Ro%为正比关系，即产物甲烷的碳同位素随着Ro%的增加而变重。