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摘要：热模拟实验结合自然成熟演化特征进行的煤系烃源岩的生烃动力学研究被认为是一种生烃过程研究、生烃潜力预测的行之有效的方法。该方法在国外得到普遍重视，并广泛应用于含油气盆地烃源岩评价与油气组成预测研究中。本文重点对煤系烃源岩生烃动力学研究方法和进展进行阐述，认识到生烃动力学研究过程主要受实验方式、动力学模型及热史模拟三个方面的制约，指出当前生烃动力学研究适用范围及限制条件，对生烃动力学的实际应用具有重要意义，对提高烃源岩定量评价及生烃规律的分析精度具有一定的科研意义。
关键词：煤系烃源岩；生烃动力学；生烃动力学参数；地质应用
前言
煤系烃源岩有机质在成烃地质演化过程中受地温、时间等因素的综合作用，发生复杂的化学反应，而地质环境中煤的生烃反应和实验室可控条件下发生的化学反应具有相同的化学动力学性质。沉积盆地中有机质生烃过程可视为热力作用下的化学反应过程，可以用化学动力学方程来定量、动态描述。
1. 生烃动力学实验体系
国内外学者对干酪根、有机质组分及烃源岩全岩进行了不同热解体系程序升温热解实验，程序升温热解实验装置大致可分为开放体系和封闭体系。封闭体系指实验系统与外界环境之间存在能量的交换而无物质交换，主要应用于高成熟度天然气形成中的地质过程，常用的有金管-高压釜封闭体系和MSSV-2型热玻璃管封闭体系；开放体系指实验系统与外界环境之间既有能量交换也有物质交换，开放体系模拟地质条件下边生边排的地质过程，一般使用Rock-Eval热解仪。
卢家烂等（1995）指出，在不同的实验装置和实验条件下的实验结果的可比性差，不同评价方法得到的参数难以相互借鉴，实验条件明显地影响着实验模拟的结果。通常情况下的烃源岩生烃过程的研究一般选用程序升温热解实验，温度区间为300℃～600℃。多升温速率方法与模型拟合效果较好，单一升温速率方法则效果较差。张长春等（2008）研究发现恒温热解实验因热解温度相对较低，适合于低温生烃过程和有水参与的热解实验研究。李婷婷等（2011）通过对松辽盆地徐家围子地区煤样进行开放体系和封闭体系的恒速升温热模拟实验的研究发现：应用开放体系获得的动力学参数外推计算的生气门限对应时间要比实际生气门限对应时间偏早，应用密闭体系获得的动力学参数外推计算的生气门限对应时间要比实际生气门限对应时间偏晚。徐立恒等（2009）采用压力下黄金管封闭体系生烃模拟试验，利用松辽盆地徐家围子断陷沙河子组泥岩和煤成甲烷碳同位素动力学参数，对徐家围子生烃史进行研究。众多热解体系中选用哪种热解体系，应根据研究目的、样品情况等而定。
2. 生烃动力学地质应用
2.1 生烃动力学参数及模型选取
阿伦乌尼斯于1889年提出了反应速率常数与温度的关系式，即著名的阿仑尼乌斯方程：
生烃动力学参数计算实质是动力学模型的标定过程，即计算动力学模型中频率因子（A）和活化能（E）的分布情况，通过将转化率——温度（x-T）关系带入动力学模型，求出式中A和E。
在阿伦乌尼斯方程的基础上建立起一系列的生烃动力学模型，主要包括总包反应模型，活化能随转化率变化模型，最大反应速率模型，有限个平行一级反应模型等。总包反应模型：将复杂的反应过程用一个简单的反应来描述，归纳其热解实验结果，分析其自然演化程度。活化能随转化率变化模型：实质是将干酪根的热解过程视为一系列串联的具有不同活化能、频率因子的反应。最大反应速率模型：在恒速升温的热解过程中，干酪根数量随反应逐渐减少，温度随反应逐渐升高，热解反应速率由小变大，再变小。有限个平行一级反应模型：将有机质成烃反应视为若干个具有不同活化能同时发生反应的平行一级反应。目前在研究烃源岩热解生烃过程中，一般假设指前因子固定，而活化能服从某种函数形式的分布来简化计算过程。
傅家谟（1995）认为串联一级反应和平行一级反应模型可以用于所有类型干酪根热解的全过程。周建伟等（2009）从动力学角度进行研究验证了采用平行一级反应模型计算的转化率与试验值一致。王民等（2011）依据23块烃源岩样品生烃热模拟试验数据，对不同动力学模型进行对比，发现用活化能服从离散分布的平行一级反应模型描述有机质生烃过程最合适。当前广泛地应用于生烃动力学参数的计算的软件主要包括美国加州大学劳伦斯·利物莫尔国家实验室开发的Kinetics软件、法国万奇技术公司开发的动力学研究软件以及大庆石油学院卢双舫教授在20世纪90年代初开发并经十多年逐步完善的标定软件。
2.2 地质应用
在沉积盆地形成和发展过程中，盆地的热体制是动态变化的。具体到某一盆地某一地区，由于地质历史中的升温速率不同，生烃动力学参数需要结合地质温度、地质时间等进行模拟，才能实现地质上的应用。
近年来，美国PRA公司研制的BasinMod盆地模拟软件系统将古热流法与镜质组反射率化学动力学模型相结合，在每个时间段上应用反演过程中的热动力学模型，正演计算出不同地质历史时间上模型或理论古温标值，进而与实测古温标值相比较，通过目标函数来决定迭代过程，更加科学合理。热史模拟步骤为：①重建地层埋藏史②给定地温史（地温梯度史或热流史），结合埋藏史算出各地层的温度场③利用有关的镜质组反射率模型，计算某一地层的理论镜质组反射率。检验热模拟是否符合地质实际的标准：若实测镜质组反射率与理论镜质组反射率拟合较好，则认为给定的地温史可以反映实际经历的地温史；如果拟合结果不好，则修正给定的地温史直到拟合较好。
3. 总结和认识
（1）国内外学者对生烃动力学热解体系进行大量研究，经归纳发现：程序升温热解更适合煤系烃源岩生烃过程的研究。泥岩中有机质生排烃环境主要是开放体系，而煤有机质生排烃环境是密闭体系或者半密闭体系。
（2）国内外学者大多数学者倾向于平行一级反应模型作为生烃动力学模型更贴合实际情况。频率因子和活化能是将实验室热解与地质条件下实际升温过程相结合的本质参数。 （3）具体到某一盆地某一地区，热史拟合的精准程度制约生烃动力学的应用。目前较可靠的研究热史方法是将盆地演化模型和有机质热演化程度指标结合起来，拟合计算盆地的古地温。
参考文献：
[1] 陈建平，赵长毅，何忠华.煤系有机质生烃潜力评价标准探讨[J].石油勘探与开发，1997，24（1）：1-5.
[2] 李贤庆，肖贤明，TangY，等.库车坳陷侏罗系煤岩生烃动力学研究[J].新疆石油地质，2003，24（6）：487-490.
[3] 李婷婷，王民，卢双舫，等.开放体系和密闭体系恒速升温实验条件下有机质生烃动力学特征对比及意义[J].吉林大学学报，2011，41（4）：1040-1047.
[4] 刘金钟，唐永春.用干酪根生烃动力学方法预测甲烷生成量之一例[J].科学通报，1998，43（11）：1187-1190.
[5] 卢双舫.有机质成烃动力学理论及其应用[M].北京：石油工业出版社，1996：136.
[6] 卢家烂，傅家漠，秦匡宗.干酪根地球化学[M].广州：广东科学出版社，1995：474-517.
[7] 彭平安，邹艳荣，傅家谟.煤成气生成动力学研究进展[J].石油勘探与开发，2009，36 （3）：297-306.
[8] 饶松，胡圣标，汪集旸.有机质生烃动力学参数研究进展[J].地球物理学进展，2010，25（4）：1424-1432.
[9] 王东良，李欣，李书琴，等.未成熟-低成熟煤系烃源岩生烃潜力的评价-以塔东北地区为例[J].中国矿业大学学报，2001，30（1）：317-321.
[10] 王民，卢双舫，董奇，等.有机质生烃动力学模型对比[J].中国石油大学学报，2011，35（3）：12-18.
[11] 王英超，靳永斌，等.生烃动力学与碳同位素动力学研究进展综述[J].新疆石油科技，2015，25（1）：75-78.
[12] 张长春，陶伟，张馨，等.吐哈盆地丘东次凹低熟气的生成与动力学研究[J].沉积学报，2008，26（5）：857-863.
[13] 周建伟，钟宁宁.地质体中沉积有机质的模拟生烃动力学研究[J].河南化工，2009，26（1）：18-21.
[14] 张辉，彭平安，刘大永，等.开放体系下有机质与有机碳、氢、氮损失动力学研究[J].地质学报，2008，82（5）：710-720.
[15] Quigey T M， Mackenzie A S.TheTemperature of Oil and Gas For mation in The Sub-Surface [J]. Nature，1988，333（9）：549-553.
[16] Ungerer P，Pelet R.Extrapolation of Kinetics of Oil and Gas .Forma tion from Laboratory Experiments to Sedimentary Basins[J] .Na ture ，1987.
[17] TissotB P， Welte D H. Petroleum Formation and Occurrence（Second Revised andEnlarged Edition）[M].Berlin ， Heidelberg ，New York ： SpringerVerlag，1984.
关键词：煤系烃源岩；生烃动力学；生烃动力学参数；地质应用
前言
煤系烃源岩有机质在成烃地质演化过程中受地温、时间等因素的综合作用，发生复杂的化学反应，而地质环境中煤的生烃反应和实验室可控条件下发生的化学反应具有相同的化学动力学性质。沉积盆地中有机质生烃过程可视为热力作用下的化学反应过程，可以用化学动力学方程来定量、动态描述。
1. 生烃动力学实验体系
国内外学者对干酪根、有机质组分及烃源岩全岩进行了不同热解体系程序升温热解实验，程序升温热解实验装置大致可分为开放体系和封闭体系。封闭体系指实验系统与外界环境之间存在能量的交换而无物质交换，主要应用于高成熟度天然气形成中的地质过程，常用的有金管-高压釜封闭体系和MSSV-2型热玻璃管封闭体系；开放体系指实验系统与外界环境之间既有能量交换也有物质交换，开放体系模拟地质条件下边生边排的地质过程，一般使用Rock-Eval热解仪。
卢家烂等（1995）指出，在不同的实验装置和实验条件下的实验结果的可比性差，不同评价方法得到的参数难以相互借鉴，实验条件明显地影响着实验模拟的结果。通常情况下的烃源岩生烃过程的研究一般选用程序升温热解实验，温度区间为300℃～600℃。多升温速率方法与模型拟合效果较好，单一升温速率方法则效果较差。张长春等（2008）研究发现恒温热解实验因热解温度相对较低，适合于低温生烃过程和有水参与的热解实验研究。李婷婷等（2011）通过对松辽盆地徐家围子地区煤样进行开放体系和封闭体系的恒速升温热模拟实验的研究发现：应用开放体系获得的动力学参数外推计算的生气门限对应时间要比实际生气门限对应时间偏早，应用密闭体系获得的动力学参数外推计算的生气门限对应时间要比实际生气门限对应时间偏晚。徐立恒等（2009）采用压力下黄金管封闭体系生烃模拟试验，利用松辽盆地徐家围子断陷沙河子组泥岩和煤成甲烷碳同位素动力学参数，对徐家围子生烃史进行研究。众多热解体系中选用哪种热解体系，应根据研究目的、样品情况等而定。
2. 生烃动力学地质应用
2.1 生烃动力学参数及模型选取
阿伦乌尼斯于1889年提出了反应速率常数与温度的关系式，即著名的阿仑尼乌斯方程：
生烃动力学参数计算实质是动力学模型的标定过程，即计算动力学模型中频率因子（A）和活化能（E）的分布情况，通过将转化率——温度（x-T）关系带入动力学模型，求出式中A和E。
在阿伦乌尼斯方程的基础上建立起一系列的生烃动力学模型，主要包括总包反应模型，活化能随转化率变化模型，最大反应速率模型，有限个平行一级反应模型等。总包反应模型：将复杂的反应过程用一个简单的反应来描述，归纳其热解实验结果，分析其自然演化程度。活化能随转化率变化模型：实质是将干酪根的热解过程视为一系列串联的具有不同活化能、频率因子的反应。最大反应速率模型：在恒速升温的热解过程中，干酪根数量随反应逐渐减少，温度随反应逐渐升高，热解反应速率由小变大，再变小。有限个平行一级反应模型：将有机质成烃反应视为若干个具有不同活化能同时发生反应的平行一级反应。目前在研究烃源岩热解生烃过程中，一般假设指前因子固定，而活化能服从某种函数形式的分布来简化计算过程。
傅家谟（1995）认为串联一级反应和平行一级反应模型可以用于所有类型干酪根热解的全过程。周建伟等（2009）从动力学角度进行研究验证了采用平行一级反应模型计算的转化率与试验值一致。王民等（2011）依据23块烃源岩样品生烃热模拟试验数据，对不同动力学模型进行对比，发现用活化能服从离散分布的平行一级反应模型描述有机质生烃过程最合适。当前广泛地应用于生烃动力学参数的计算的软件主要包括美国加州大学劳伦斯·利物莫尔国家实验室开发的Kinetics软件、法国万奇技术公司开发的动力学研究软件以及大庆石油学院卢双舫教授在20世纪90年代初开发并经十多年逐步完善的标定软件。
2.2 地质应用
在沉积盆地形成和发展过程中，盆地的热体制是动态变化的。具体到某一盆地某一地区，由于地质历史中的升温速率不同，生烃动力学参数需要结合地质温度、地质时间等进行模拟，才能实现地质上的应用。
近年来，美国PRA公司研制的BasinMod盆地模拟软件系统将古热流法与镜质组反射率化学动力学模型相结合，在每个时间段上应用反演过程中的热动力学模型，正演计算出不同地质历史时间上模型或理论古温标值，进而与实测古温标值相比较，通过目标函数来决定迭代过程，更加科学合理。热史模拟步骤为：①重建地层埋藏史②给定地温史（地温梯度史或热流史），结合埋藏史算出各地层的温度场③利用有关的镜质组反射率模型，计算某一地层的理论镜质组反射率。检验热模拟是否符合地质实际的标准：若实测镜质组反射率与理论镜质组反射率拟合较好，则认为给定的地温史可以反映实际经历的地温史；如果拟合结果不好，则修正给定的地温史直到拟合较好。
3. 总结和认识
（1）国内外学者对生烃动力学热解体系进行大量研究，经归纳发现：程序升温热解更适合煤系烃源岩生烃过程的研究。泥岩中有机质生排烃环境主要是开放体系，而煤有机质生排烃环境是密闭体系或者半密闭体系。
（2）国内外学者大多数学者倾向于平行一级反应模型作为生烃动力学模型更贴合实际情况。频率因子和活化能是将实验室热解与地质条件下实际升温过程相结合的本质参数。 （3）具体到某一盆地某一地区，热史拟合的精准程度制约生烃动力学的应用。目前较可靠的研究热史方法是将盆地演化模型和有机质热演化程度指标结合起来，拟合计算盆地的古地温。
参考文献：
[1] 陈建平，赵长毅，何忠华.煤系有机质生烃潜力评价标准探讨[J].石油勘探与开发，1997，24（1）：1-5.
[2] 李贤庆，肖贤明，TangY，等.库车坳陷侏罗系煤岩生烃动力学研究[J].新疆石油地质，2003，24（6）：487-490.
[3] 李婷婷，王民，卢双舫，等.开放体系和密闭体系恒速升温实验条件下有机质生烃动力学特征对比及意义[J].吉林大学学报，2011，41（4）：1040-1047.
[4] 刘金钟，唐永春.用干酪根生烃动力学方法预测甲烷生成量之一例[J].科学通报，1998，43（11）：1187-1190.
[5] 卢双舫.有机质成烃动力学理论及其应用[M].北京：石油工业出版社，1996：136.
[6] 卢家烂，傅家漠，秦匡宗.干酪根地球化学[M].广州：广东科学出版社，1995：474-517.
[7] 彭平安，邹艳荣，傅家谟.煤成气生成动力学研究进展[J].石油勘探与开发，2009，36 （3）：297-306.
[8] 饶松，胡圣标，汪集旸.有机质生烃动力学参数研究进展[J].地球物理学进展，2010，25（4）：1424-1432.
[9] 王东良，李欣，李书琴，等.未成熟-低成熟煤系烃源岩生烃潜力的评价-以塔东北地区为例[J].中国矿业大学学报，2001，30（1）：317-321.
[10] 王民，卢双舫，董奇，等.有机质生烃动力学模型对比[J].中国石油大学学报，2011，35（3）：12-18.
[11] 王英超，靳永斌，等.生烃动力学与碳同位素动力学研究进展综述[J].新疆石油科技，2015，25（1）：75-78.
[12] 张长春，陶伟，张馨，等.吐哈盆地丘东次凹低熟气的生成与动力学研究[J].沉积学报，2008，26（5）：857-863.
[13] 周建伟，钟宁宁.地质体中沉积有机质的模拟生烃动力学研究[J].河南化工，2009，26（1）：18-21.
[14] 张辉，彭平安，刘大永，等.开放体系下有机质与有机碳、氢、氮损失动力学研究[J].地质学报，2008，82（5）：710-720.
[15] Quigey T M， Mackenzie A S.TheTemperature of Oil and Gas For mation in The Sub-Surface [J]. Nature，1988，333（9）：549-553.
[16] Ungerer P，Pelet R.Extrapolation of Kinetics of Oil and Gas .Forma tion from Laboratory Experiments to Sedimentary Basins[J] .Na ture ，1987.
[17] TissotB P， Welte D H. Petroleum Formation and Occurrence（Second Revised andEnlarged Edition）[M].Berlin ， Heidelberg ，New York ： SpringerVerlag，1984.