【摘要】：熱模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于模擬沉積有機(jī)質(zhì)在地質(zhì)條件下的成烴過程。傳統(tǒng)研究往往基于時(shí)溫補(bǔ)償原理將熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接外推到地質(zhì)條件下,然而這一研究方法的可靠性在近來受到了很多質(zhì)疑。越來越多的研究現(xiàn)象表明煤的成烴過程并非簡(jiǎn)單由一系列相互平行獨(dú)立的一級(jí)反應(yīng)組成,而是一個(gè)存在不同組分相互作用的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過程。然而受限于煤固相化學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制及動(dòng)力學(xué)過程研究一直進(jìn)展緩慢。溫度作為煤成烴過程中最重要的影響因素,研究其對(duì)于煤成烴作用的影響及其背后的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制,對(duì)于煤成烴的理論研究及熱模擬實(shí)驗(yàn)的地質(zhì)應(yīng)用都具有重要意義。本文采用等溫?zé)崮M實(shí)驗(yàn)方案對(duì)不同溫度下煤的成烴過程進(jìn)行模擬,通過詳細(xì)的熱模擬產(chǎn)物產(chǎn)率及組成分析,對(duì)比了不同溫度下煤成烴過程間的關(guān)聯(lián)與差異。進(jìn)而通過顯微熒光和傅里葉變換紅外光譜(FTIR)詳細(xì)分析了煤的顯微組分和化學(xué)結(jié)構(gòu)熱演化特征,深入分析了不同溫度下煤中不同組分的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制,從而揭示不同溫度下煤成烴化學(xué)反應(yīng)機(jī)制的差異,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合理論分析進(jìn)一步探討其動(dòng)力學(xué)原理。本文的主要認(rèn)識(shí)包含以下幾個(gè)方面:(1)550℃高溫?zé)崮M實(shí)驗(yàn)中煤的生氣作用大幅增強(qiáng),而熱模擬固相殘?jiān)亩螣峤夥治鰠s表明450-500℃熱模擬實(shí)驗(yàn)中煤樣的殘余生烴潛力基本可以忽略不計(jì),遠(yuǎn)不足以成為550℃時(shí)煤成氣產(chǎn)率大幅上升的主要來源。因此,可以推斷高溫?zé)崮M實(shí)驗(yàn)中煤的成烴過程與中低溫條件下并非連續(xù)遞進(jìn)的,該階段煤成氣產(chǎn)率的大幅增加應(yīng)該主要來源于煤成烴反應(yīng)路徑的改變。此外,高溫條件下煤成烴氣相產(chǎn)物組成特征同樣不符合中低溫條件下煤成烴氣相產(chǎn)物組成特征的演化規(guī)律。(2)對(duì)熱模擬煤樣進(jìn)行顯微及顯微熒光分析發(fā)現(xiàn),不同顯微組分的熱演化特征存在顯著差異。325℃前煤成烴以殼質(zhì)組解聚生油作用為主,325℃后瀝青組分開始大規(guī)模降解生烴。鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組在低溫階段較為穩(wěn)定,其中鏡質(zhì)組從400℃左右開始參與降解生烴,鏡質(zhì)體表面隨生烴生成大量氣孔結(jié)構(gòu),而惰質(zhì)組結(jié)構(gòu)則要到500℃以上的高溫階段才發(fā)生明顯變化,該階段鏡質(zhì)體表面氣孔結(jié)構(gòu)含量進(jìn)一步大幅上升。(3)通過FTIR對(duì)熱模擬煤樣官能團(tuán)含量和化學(xué)結(jié)構(gòu)熱演化特征進(jìn)行研究分析發(fā)現(xiàn),成烴過程中脂肪族自由基生成飽和烴所需的自由氫主要來源于脂肪族芳構(gòu)化和芳香族縮聚兩種途徑。不同溫度下煤成烴反應(yīng)路徑的差異主要體現(xiàn)在自由氫的產(chǎn)生機(jī)制方面,中低溫條件下以脂肪族芳構(gòu)化反應(yīng)為主,高溫條件下以芳香族脫氫縮聚反應(yīng)為主。(4)對(duì)熱模擬殘?jiān)M(jìn)行Rock-Eval分析發(fā)現(xiàn),脂肪族芳構(gòu)化反應(yīng)會(huì)生成熱穩(wěn)定性較高的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致煤的二次熱解生烴速率曲線向高溫方向發(fā)生偏移。對(duì)煤在等溫?zé)崮M及二次熱實(shí)驗(yàn)過程中的總成烴潛力及脂肪族芳構(gòu)化程度進(jìn)行計(jì)算分析發(fā)現(xiàn),煤的成烴潛力在很大程上取決于煤成烴過程中脂肪族結(jié)構(gòu)的芳構(gòu)化程度,芳構(gòu)化程度越高,成烴潛力損失越大。(5)綜合煤樣熱模擬氣、液、固各相產(chǎn)物分析結(jié)果,對(duì)煤成烴過程中不同組分的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征展開理論分析,探討了煤成烴二級(jí)反應(yīng)機(jī)制的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理,并嘗試將其應(yīng)用于熱模擬實(shí)驗(yàn)地質(zhì)應(yīng)用的分析。
【圖文】：

整個(gè)熱模擬實(shí)驗(yàn)裝置主要由高溫高壓生烴反應(yīng)系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、排烴系統(tǒng)、自動(dòng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、產(chǎn)物分離收集系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。其中，高溫高壓生烴反應(yīng)系統(tǒng)最提供達(dá)７００°Ｃ的恒溫加熱條件，圓柱形樣品艙可以放置１２０－１５０邋ｇ巖石樣品，樣品上下置有一塊石英砂薄板，模擬地下烴源巖上下的砂巖儲(chǔ)層，同時(shí)可通過氣態(tài)和液態(tài)產(chǎn)物而固體顆粒通過。液壓控制系統(tǒng)一方面提供上覆靜巖壓力（可達(dá)２００邋ＭＰａ），－方面注入高模擬地層孔隙條件（可達(dá)１２０邋ＭＰａ）。為實(shí)時(shí)精確控制反應(yīng)體系的溫度和壓力，自動(dòng)控制據(jù)采集系統(tǒng)利用多個(gè)溫度、壓力傳感器對(duì)體系的溫壓情況進(jìn)行監(jiān)控，并將信息傳輸至計(jì)終端上進(jìn)行反饋和自動(dòng)控制。產(chǎn)物分離收集系統(tǒng)包括真空泵和氣液分離裝置，可將各種的熱模擬產(chǎn)物進(jìn)行分離，進(jìn)而分別收集并進(jìn)行后續(xù)分析。逡逑．２．２實(shí)驗(yàn)方案逡逑將煤樣破碎成粒徑ｌ－２ｃｍ的碎塊，均勻混合，盡量減小物質(zhì)成分不均勻可能導(dǎo)致的實(shí)差。將樣品在烘箱中５０°Ｃ恒溫２４ｈ烘干后，稱取一定量樣品加入樣品艙中，上下各加一

（２）固相損失率逡逑隨著煤成烴過程的進(jìn)行，煤樣固相結(jié)構(gòu)經(jīng)成烴反應(yīng)不斷轉(zhuǎn)化為小分子相的氣、液相產(chǎn)物。逡逑圖２．３為熱模擬實(shí)驗(yàn)中煤樣固相損失率與成烴轉(zhuǎn)化率隨熱模擬溫度升高的變化曲線圖，其中逡逑固相損失率為固相殘?jiān)?jīng)氯仿抽提后相對(duì)原始樣品的重量損失百分比。成烴轉(zhuǎn)化率則為熱模逡逑擬過程中煤成烴氣、液相產(chǎn)物相對(duì)原始樣品的重量百分比，其中液相產(chǎn)物包括排出油及氯仿逡逑抽提出的殘留油部分。隨熱模擬溫度升高，煤樣固相損失率的演化呈現(xiàn)出明顯的多階段性。逡逑此外，煤樣固相損失率與成烴轉(zhuǎn)化率隨熱模擬溫度升高基本呈現(xiàn)出一致的變化規(guī)律。３００Ｔ：以逡逑前，煤樣的固相損失率與成烴轉(zhuǎn)化率均較低，表明該階段煤的成烴作用較弱。３００－３５ＣＴＣ階段，逡逑固相損失率由７．７４％快速上升到了邋２２．３１％，而煤樣的成烴轉(zhuǎn)化率同樣呈大幅上升趨勢(shì)，，這表逡逑明該階段發(fā)生了強(qiáng)烈的生烴作用，導(dǎo)致固相結(jié)構(gòu)快速降解生成氣、液相產(chǎn)物。逡逑１２逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O622.1

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本文編號(hào)：2662581