第5章生烃史试题.ppt

第五章 生烃史模型 油气生成机理回顾 化学动力学法 热解模拟法 化学动力学方程组的参数表(据Tissot,1984) 初次裂解动力学参数(据Espitalie等，1988，Ⅱ型干酪根) * 一、油气生成机理回顾 现代石油成因理论认为，沉积有机质的受热演化、成熟 生烃是油气的最主要来源，干酪根主要在温度的作用下发生 了结构组成的变化（降解—裂解），在其不同的热演化阶段， 随着不同的官能团从干酪根大分子上脱落、分离，将形成不 同的产物（气—油—气）。而低熟油等石油的特殊存在形式， 只不过是复杂的有机质母源中不同有机质组分生烃门限的先 后有所差别罢了，对该组分而言，应为已经成熟的标志。 根据自然条件或实验过程中，对某温度段前、后反应物与生成物的种类分析，可以认为，在可成烃组分的热演化过程中，某一温度段的反应特征是各种结构组分同时发生的平行反应。 达成这些共识，是求解成烃演化的前提。 二、化学动力学法 1960s，Tissot（1969）基于干酪根热降解成烃过程 应符合化学反应的动力学原理这一认识，建立了干酪根热 降解的化学动力学模型，并用于油气生成量的计算。经过 许多年的修改，该模型已从原来的单组分（烃）模型，发 展为现在多组分模型。 根据Espitalie等(1988)和Ungerer等(1988)提出的关 于初次裂解(primary cracking)的动力学原理，认为初次 裂解是指干酪根热降解成烃的过程。干酪根的热降解可视 为一系列不同活化能和频率因子的平行一级反应，用n个平 行一级反应所表示，如图4—1所示。 由图可见，干酪根的初次裂解不仅生成液态烃(C6— C14和C15+)，同时还伴有气态烃(Cl和C2—C5)。二次裂解(Secondary cracking)主要生成焦炭(coke)和甲烷气 (C1)。在地表条件下，C1代表甲烷气；C2—C5代表其它的 气态烃；C6—Cl4代表液态轻烃；C15+代表液态重烃。根据 初次裂解的原理，就能建立多组分(下文以四组分为例) 生烃动力学模型。 (一) 基本原理 传统的单组分动力学模型，通常采用Tissot的六 级反应法，即六个活化能和频率因子(表4—1)，其中原 始生烃潜量只有单一组分“烃”。多组分模型将原来单 一组分的原始生烃潜量分解为四个碳馏分(Cl、C2—5、C6— C14和C15+)的初始量(表4—2)。每个碳馏分都要考虑多个 平行一级反应，每个反应都遵循一级动力学规则和阿仑 尼乌斯(Arrhenius)原理。 1、 一级反应动力学方程 多组分平行一级反应动力学方程为： 式中，Xij——t时刻干酪根中第j种组分含第i种活化能的 物质的数量，kg／kgTOC；t——埋藏时间，Ma；ki——干酪根 中含第i种活化能的物质在初次裂解时的反应速率，Ma-1； m——平行一级反应级数，整数；n——干酪根初次裂解形成的 组分数，整数。 2、阿仑尼乌斯公式 多组分干酪根初次裂解反应速率，由下式表示： 式中，Ai——干酪根中含第i种活化能的物质的频率因子(Ma-1)； Ei——干酪根中含第i种活化能的物质的活化能(kcal／mol)； R—气体常数，1.986cal／(mol·?K)；T——古地温(?K)。 3、降解率史计算模型 在已知埋藏史和热史的基础上，即已知任一时刻的地温，联立上述二方程，就能求出任一埋藏时刻干酪根各组分的初次裂解程度，进而可求出任一时刻降解率。即： 式中，Dj(t)-干酪根中第j种组分在t时刻的降解率(%)；Xj0—— 干酪根中第j种组分的原始生烃潜量(kg／kg)；Xijo——干酪根中第j种组分含第i种活化能的物质的原始生烃潜量(kg／kg)。 对于不同类型的干酪根，分别按以上公式求取各干酪根多组分的降解率，再按各类干酪根在烃源岩中所占的比例，分别求取各组分的降解率的加权平均值，表达式为： 式中，Dj(t)-t时刻第j种组分干酪根的平均降解率(％)，Pe-烃 源岩中第e种类型的干酪根的含量占总干酪根的百分数(小数)。 Dje(t)——t时刻第e种类型的干酪根中j组分的降解率，％； q——烃源岩中干酪根类型数，整数。 因此，烃源岩中干酪根的总降解率为： 式中，D(t)——各类型干酪根的总降解率，％；n一干酪根的组 分数，整数。 图4—2为应用多组分初次裂解方法计算出的降解率史。 （二）生烃模型 在已知降解率史的前提下，求烃源岩生烃（各组分）强度的公式可写为： 式中Ej—烃源岩层中第j种组分的生烃强度(t／km2)；Dj1、Dj2—分别为 烃源岩层顶、底界第j种组分的降解率(％)；Dj0—现今时刻烃源岩层第 j种组分的平均降解率（％）； Z1、Z2—分别为现今时刻生油层顶