中国煤系热解参数及其与有机碳的相关性

煤系热解参数及其与有机碳的相关性

摘要　通过对煤系热解参数之间及其与有机碳含量的研究，分析了煤系热解参数与有机碳的关系，认为煤系热解参数及有机碳含量变化范围均较宽，不同热解参数之间具有一定的相关性。S1、S2和S1＋S2与有机碳具正相关关系，基本可以用于评价有机质丰度。热解类型指数S2／S3、氢指数、氧指数和S3明显地受有机碳的影响，尤其S2／S3受到的影响更为明显，这样就影响有机质类型的评价。给出了各参数间的相关关系式，这对于煤系烃源岩的生烃定量评价具有一定参考价值。　　关键词　煤系　热解　参数　有机碳　相关系数　　中国图书资料分类法分类号　P59

THE PYROLYSIS PARAMETERS AND THEIR CORRELATION WITH　　THE ORGANIC CARBON IN COAL-BEARING STRATA

Gao Gang　(Petroleum University)

Abstract　Based on the study of the pyrolysis (Rock-eval) parameters and their correlation with the organic carbon content in coal-bearing strata,the relationships among the pyrolysis parameters and organic carbon are is considered that the pyrolysis parameters and organic carbon content have the wider variation ranges,and there are some correlation among the different pyrolysis e positive correlation among S1,S2 and S1＋S2 with the organic carbon could be used basically to evaluate the abundance of organic e indexes of pyolysis type,S2／S3,hydrogen,oxygen and S3 are obviously under the influence of the organic carbon,especially,the S2／S3 index,thus,the evaluation of the organic matter type is influenced e correlation given in this paper have certain reference value for the quantitative hydrocarbon-generated evaluation of source rocks in coal-bearing strata.　Keywords　coal-bearing strata;pyrolysis;parameter;organic carbon;correlation coefficient

1　引言　　煤系能够生烃早已为人们所公认［1，2，3，4］，有关煤系与油气的关系［3］、煤成油气形成机理、煤成油气的组成、类型、运移、演化及形成条件等［5］已经进行了大量工作。在研究煤系烃源岩时，人们也逐渐提出了煤系烃源岩的有机质丰度评价标准［6］。在煤系有机质丰度评价标准中主要使用的有机质丰度参数有热解S1＋S2、TOC，在进行有机质类型评价时用到了热解氢指数、氧指数和S2／S3，而这些参数主要用于评价泥质烃源岩。煤系的有机质丰度往往变化范围宽，不像泥质烃源岩具有相对窄的变化范围。这样煤系过高的有机质丰度就会影响这些热解参数，从而使得泥质烃源岩的评价方法不能直接用来评价煤系烃源岩，而应该考虑有机质丰度的影响。本文将从有机碳与热解参数的关系探讨有机碳含量对于热解参数的影响，并得出一系列相应的定量关系式，对煤系烃源岩的定量评价会有一定的参考价值。　　2　煤系热解(Rock-Eval)参数与有机碳特征　　对煤系生油岩样品进行了热解(Rock-Eval)和有机碳分析，通过热解可直接得到S1、S2、S3、Tmax4个参数，结合TOC数据可以计算出氢指数(HI)、氧指数(OI)和产率指数(S1／(S1＋S2))。样品主要为暗色泥岩、碳质泥岩和煤。样品有机碳含量最小为0.28%，最大达到45.9%，平均值为7.59%，小于2%的占50%左右。热解S1在0.04～9.06 mg／g之间，平均1.144 mg／g，小于1 mg／g的样品占到了74.06%，可见比较低；热解S2在0.03～144.97 mg／g，平均16.82 mg／g，小于2 mg／g的样品占到了63%，但分布明显高于S1；热解S1＋S2从0.07 mg／g变化至154.03 mg／g，小于2 mg／g占55.6%，平均17.97 mg／g；产率指数S1／(S1＋S2)最小0.046，最大0.636，小于0.1的占40.7%，平均值为0.202，显示了研究区煤系成熟度不是很高，这与镜质体反射率反映的结果是基本一致的。热解S3最小值为0.07 mg／g，最大值为4.71 mg／g，平均0.82 mg／g。类型指数S2／S3从0.068～61.95，平均13.88，小于5的样品占有55.6%，所以总体看有机质类型基本为Ⅲ1Ⅲ2型。热解氢指数最小值为8.24 mg／g，最大值为315.84 mg／g，平均113.97 mg／g，小于100 mg／g的占到了61.6%，反映了以Ⅲ2型有机质为主的特征。热解氧指数除个别样品大于200 mg／g外，主要在4.24～79.07 mg／g之间，平均值为21.79 mg／g，显示为较低值。　　3　热解参数间的相关性　　煤系各热解参数之间有较好的相关性。首先S1与各参数之间有相关性，其关系如图1。由于各参数均有较大的变化范围，所以横坐标与纵坐标均采用了对数坐标，后面的几幅图也采用了对数坐标。　　由图1可见，S1与其它热解参数的相关性不尽一致，有的较好，有的相对较差。其中与S2、S1＋S2、HI的相关性较好，相关关系式分别为：

1nS1=0.595 762 1nS2－1.442 33；1nS1=0.668 061 1n(S1＋S2)－1.659 46；1nS1=0.015 257 1HI－2.740 63。

相关系数分别为0.95、0.97、0.94；与S3之间也有较好的相关性，关系式为：

S1=1.752 72S3－0.294 458，

相关系数为0.81；与OI的相关性最差，相关关系式为：

1nS1=－0.806 128 1nOI＋1.337 69，

相关系数仅0.62；当S1小于1.1 mg／g时，它与S1／(S1＋S2)之间有较差的相关性，关系式为：

1nS1=－1.369 73 1n(S1／(S1＋S2))＋3.748 6，

相关系数为0.74，当S1大于1.1 mg／g时，S1／(S1＋S2)没有太大的变化。从图1还可见到，S1与S2、S1＋S2、S3和HI均为正相关关系，而与OI和S1／(S1＋S2)为负相关关系。在地层中，S1的增加往往与成熟度的增加有关，而成熟度的增加常常导致S2和S3的降低，据此推测，S1应该与S2和S3呈负相关关系。但前已述及，煤系有机碳含量变化大，S1的增加往往有机碳也高，而有机碳高往往就导致了S2和S3也高。所以S1与S2和S3的关系还受有机碳的影响。S1＋S2同时受有机质类型、有机质丰度和有机质成熟度的影响。所研究的煤系有机质类型比较单一，成熟度也不是很高，所以S1与S1＋S2的正相关关系与有机碳对它们的正向影响是一致的。S1与OI、S1／(S1＋S2)的负相关关系是符合一般规律的，OI代表了单位有机质的含氧量，随着成熟度的进行，其含量逐渐降低；S1／(S1＋S2)受有机质丰度和成熟度的双重影响，它随S1增加而降低是双重因素影响的结果。

图1　热解S1与其它热解参数相关关系图

热解S2与除S1之外的其它参数之间的关系见图2。由图可见，S2与S1＋S2、S2／S3、和S1／(S1＋S2)的相关性最好，相关系欧美时段受库存近1.5万吨的增量打压探至全日低点2037.5美元/吨数分别达到1.0、0.90和0.91，关系式分别为：

1nS2=1.095 6 1n(S1＋S2)－0.342 258；1nS2=1.090 84 1n(S2／S3)－0.830 862；1nS2=－2.684 23 1n(S1／(S1＋S2))－4.620 34。

当S2小于11 mg／g时，与OI有一定的相关性，相关系数为0.70，关系式为：

1nS2=－1.400 52 1nOI＋4.824 12；

当OI大于11 mg／g时，OI趋于稳定。S2与S3具有线性关系，相关系数为0.84，关系式为：

S2=29.015 753S3－6.990 32。

图2　热解S2与其它参数之间的相关关系图

另外，S2与S1＋S2、S2／S3和S3呈正相关关系，与OI、S1／(S1＋S2)呈负相关关系，与S1＋S2的关系符合一般规律，而S2／S3一般表示有机质类型的好坏，其值越大，表示有机质类型越好，反之，则有机质类型越差。S2越大，反映岩石的生烃潜力越高，从而有机质类型越好，所以S2与S2／S3的关系也符合一般规律。S3表示单位岩石中有机质的含氧量，与有机质类型有关，一般S2越大，反映有机质类型越好，S2应该越高，S3应该越低，反之，S2应该越低，S3应该越高。上述S2与S3的关系说明了S3除与有机质类型有关外，还与其它因素有关。　　同样，岩石生烃潜力S1＋S2与S1／(S1＋S2)、S3和S2／S3也有较好的相关性；与S1／(S1＋S2)的负相关关系符合一般规律，相关系数为0.89，关系式为：

1n(S1＋S2)=－2.369 73 1n(S1／(S1＋S2))－3.748 6；

与S3呈正相关系，即岩石生烃潜力越高，岩石含氧量越大，不符合一般规律，反映了S3与有机质丰度有密切关系，其关系式为：

S1＋S2=30.768 5S3－7.284 78，

相关系数为0.84。S1＋S2与类型指数呈正相关关系，即岩石生烃潜力越高，有机质类型越好，符合一般规律，相关系数为0.88，关系式为：

log(S1＋S2)=0.972 66 1n(S2／S3)－0.415 8。

由上述可见，煤系各热解参数之间普遍具有一定的相关性，这些关系有的符合一般规律，有的则不符合，反映热解参数除了相互之间的制约外，还受其它因素的影响。　　4　有机碳含量与热解参数之间的关系　　图3展示了有机碳与各热解参数之间的关系，可见有机碳与各热解参数之间均具有一定关系，总的来看，与热解S1、S2和S1＋S2的关系最好，并且呈正相关关系，其相关关系式分别为：

1n(TOC)=0.930 653 1nS1＋1.956 47；1n(TOC)=0.604 184 1nS2＋1.565 187；1n(TOC)=0.663 71 1n(S1＋S2)＋3.362 466；

相关系数分别为0.95、0.96和0.97，显示了高度的相关性，说明S1、S2和S1＋S2与有机碳有非常密切的关系。有机碳与S3的关系不如上述3个参数关系密切，但仍有一定关系，总体上，有机碳越高，S3越高，具有弱的正相关关系。此外，有机碳与S2／S3和HI均具有正相关关系，相关关系式分别为

1n(TOC)=0.612 029 1n(S2／S3)＋0.143 712；TOC=0.107 263HI－4.630 97；

相关系数分别为0.81和0.87。这两个参数均取决于有机质类型，不应该与有机碳有太大关系，但事实上显示具有一定关系，说明热解方法中表示类型的参数不仅与有机质类型有关 ，也与有机碳含量有关，因此在利用热解指标尤其是煤系热解指标评价有机质类型时应该谨慎从事。从图3还可以看出，有机碳与S1／(S1进入夏季后恶劣天气多发＋S2)和OI呈负相关关系，在TOC小于10%时这种关系尤为明显，此时，前者的关系要好于后者，相关关系式分别为

1n(TOC)=－1.511 35 1n(S1／(S1＋S2))－1.996 63；1n(TOC)=－0.863 132 1n(OI)＋3.529 06；

相关系数分别为0.82和0.67，当TOC大于10%时，这两个参数均趋于稳定。从上述有机碳与热解参数的关系可以看出，煤系热解参数均受到有机碳的影响，无论是热解有机质丰度参数、类型参数，还是成熟度参数均是如此，因此在利用热解参数对煤系地层有机质丰度、类型和成熟度进行评价时，就应该考虑有机质丰度的影响。

图3　有机碳与热解参数相关关系图

5　结论　　煤系热解参数及有机碳含量变化范围均比较宽。各热解参数之间具有一定的相关性，热解S1、S2和S1＋S2与有机碳呈正相关系，基本可以用于评价有机质丰度。热解类型指数S2／S3、氢指数、氧指数和S3明显地受有机碳的影响，尤其S2／S3受到的影响更为明显，因此在评价煤系有机质类型时还应该考虑有机碳含量对于热解参数的影响，而不能仅仅依据岩石的热解参数进行评价。上述各参数间的相关关系式使得煤系烃源岩的评价由定性达到了定量和半定量，对于煤系烃源岩的生烃定量评价具有一定参考价值。