煤层气生成过程中的矿物/金属元素催化作用

论文摘要

本文基于黔西-滇东地区上二叠统煤样,采用油气地球化学、煤岩学、矿物学、催化化学等的理论与方法,以原煤及原煤+黄铁矿和（或）过渡金属元素Mo的催化生气热模拟实验为主要手段,探讨了煤中矿物/金属元素催化生气的行为、过程和地球化学机理,取得如下创新性认识:第一,鉴识了黔西-滇东晚二叠世煤中具有潜在催化生气作用的矿物和金属元素的产出特征。煤中含有理论上具有催化作用的矿物和过渡金属元素,矿物以黄铁矿和高岭石最为常见,Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Y、Z r等的算术平均含量高于中国煤平均值。其中,多数煤样中单一或多种过渡金属元素含量高于全国平均值3倍以上,Mn、Ni、Co的含量存在较大差异。第二,发现煤中矿物/过渡金属元素使原煤有机质具有更大的生烃潜力。黄铁矿对甲烷具有显著的正催化作用;同时加入黄铁矿和Mo时,煤层气含有更多数量的重烃气,并有利于烯烃的产出;Mo对C7～14具有显著的催化作用,但同时有黄铁矿的参与则会使C7～C14产率降低;黄铁矿/Mo的加入,影响到芳烃的产率高峰;较高的过渡金属单质含量对煤中本身含有的硫元素转化为H2S气体有抑制作用。在中～高温度范围内,催化剂对有机质生烃具有催化作用,升温条件能明显影响黄铁矿对芳烃、饱和烃和沥青质的催化作用,反映古地温场条件是催化生烃的一个重要影响因素。此外,随着模拟温度的增加,4个样品系列均表现出Pr/nC17、Ph/nC18和Pr/Ph比值降低的共同特征。第三,就催化生烃过程中碳同位素的演化规律取得某些新的认识。研究发现,催化气δ13C1变化范围与华南煤层气δ13C1分布范围一致,黄铁矿与Mo的加入明显使δ13C1偏重。模拟温度增加,甲烷同位素经历了先变轻再变重的过程。同一温阶产生的甲烷及其同系物,具有δ13C1<δ13C2<δ13C3的特征。第四,分析了煤中矿物/金属元素催化生烃的动力学过程,建立了催化成因煤层气判识模式。该模式由矿物/元素地球化学和油气地球化学指标构成。计算了催化生气过程中甲烷及总气态烃生成的动力学参数,发现原煤+矿物/金属元素可降低生气所需要的反应活化能,从而对甲烷生成起到催化作用。结合研究区上二叠统煤层埋藏-受热史,估算了不同地质时期煤的原始催化产气率。在此基础上,综合煤中矿物种类、过渡金属元素含量和煤的热演化程度,初步预测了区内煤层气富集区带分布。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• Extended Abstract
• 图清单
• 表清单
• 1 研究基础
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 问题的提出
• 1.4 研究方案
• 2 研究区地质-地球化学背景
• 2.1 含煤地层和煤层
• 2.2 构造及其演化历史
• 2.3 煤的岩石学特征
• 2.4 煤的地球化学分析
• 2.5 小结
• 3 煤中矿物与微量元素的地球化学特征
• 3.1 煤中矿物
• 3.2 煤中微量元素及其组合
• 3.3 煤中过渡金属元素及催化矿物
• 3.4 催化矿物/金属元素分布与煤级的关系
• 3.5 小结
• 4 矿物/金属元素催化生气模拟实验
• 4.1 材料和方法
• 4.2 模拟气态产物的产率与组成
• 4.3 模拟液态烃的产率与组成
• 4.4 矿物/金属元素催化作用
• 4.5 小结
• 5 矿物/金属元素催化生气动力学分析
• 5.1 模拟气生成与有机成熟度关系
• 5.2 催化作用下的烷气碳同位素分馏特点
• 5.3 气态烃生成的催化动力学分析
• 5.4 催化生气地质历史模拟
• 5.5 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 创新性研究成果
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集