长 73 小层和嫩江组页岩的地球化学特征及其差异化原位转化方案

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Geochemical characteristics of the Chang 7 3 submember and Nenjiang Formation shales and their differential in-situ conversion schemes

　　

# 摘要

中国低中成熟度页岩油资源丰富，是大幅增加原油产量的重要替代资源。原位转化是此类资源商业化开发的关键技术。长73层和嫩江组（K?n）是原位转化的两个优先目标层位。为了确定最优条件，本研究采用Rock-Eval和热解-气相色谱（Py-GC）逐步热解、烃类生成动力学模拟、X射线衍射（XRD）、低温N?吸附-脱附和薄片显微观察等方法，对页岩的烃类生成特征和物性演化进行了研究。结果表明，长73层页岩以Ⅱ?-Ⅱ?型有机质为主，孔隙系统以大孔为主，Py-GC热解产物中轻烃（C???）占比较高（71.6%–84.2%）。相比之下，K?n组页岩以Ⅰ型干酪根和微孔-中孔系统为特征，重烃（C???）占总裂解烃类的37.6%–38.8%。长73层的活化能分布范围比K?n组页岩更广，并具有明显的高活化能尾部。黏土矿物对原位转化有显著影响：吸附能力强的黏土矿物在低温下抑制烃类生成，而在高温下则与黄铁矿协同作用，催化有机质裂解。基于实验室热模拟与现场热传导特征之间的差异，两种页岩原位转化的理想加热窗口为300–370 °C。根据结构和地球化学特征的差异，本研究提出了差异化方案：长73层页岩的有机质和黏土矿物形成"互层结构"，具有较好的孔隙连通性和较高的轻烃比例，建议将页岩维持在温和的目标温度区间（320–340 °C）内至少100天，以实现充分的有机质转化并抑制过度的二次裂解。对于具有"复合结构"且黏土含量高的K?n组页岩，生成的烃类富含高碳数组分且流动性差，因此建议将页岩维持在相对较高温度区间（340–360 °C）内至少50天，通过重质组分的二次裂解来提高页岩油的流动性。

# 引言

近年来，中国已成为页岩油勘探开发的重要参与者。特别是，中国拥有丰富的湖相低中成熟度页岩油资源，具有巨大的开发潜力。页岩油资源的开发利用被广泛认为是推动中国原油产量阶梯式增长的关键领域[1,2]。壳牌公司的原位转化工艺（ICP）是一种有效的原位干馏方法，可用于页岩油的工业开发[3,4]。值得注意的是，壳牌在美国、约旦等地区已成功开展了一系列采用电热技术的现场试验[5,6]。目前，中国正处于电热驱动原位转化先导试验的准备阶段[7]。如果这些先导试验取得成功，中国年原油产量将在当前2亿吨的基准线上实现大幅增长[8,9]。

低中成熟度页岩的原位干馏技术旨在通过控制地下加热，将页岩中的有机质转化为可流动的油气，从而实现这些资源经济高效的开发[3,10]。然而，该技术的工业化应用仍面临多个关键挑战。加热方案的最优化设计是制约转化效率和影响技术经济可行性的关键瓶颈之一。目前，尚缺乏成熟的理论和技术体系来精确调控加热过程，以实现烃类转化效率最大化与能耗最小化的目标[11]。如果加热温度过低，干酪根难以有效热解生成烃类；如果加热温度过高，则可能导致有机质过度热解，不仅增加结焦风险，还显著提高能耗，严重影响开发的经济效益[12,13]。因此，为了在可接受的成本下实现最优烃类转化效率，需要根据页岩的基本地球化学特征精确定制加热温度[14]。

大多数用于原位转化的湖相页岩通常富含黏土矿物（包括伊利石、蒙脱石和高岭石）。这些矿物对传热传质和有机质转化的影响极为复杂[15,16,17]，进一步增加了原位转化加热方案设计的技术难度。黏土矿物的热导率显著低于石英和长石等脆性矿物；这种差异可能导致局部温度梯度，阻碍有机质转化。此外，在热演化过程中可能发生矿物反应，导致脱水（例如蒙脱石层间水和晶水的脱除）、相变（例如蒙脱石向伊利石转化）以及体积膨胀或收缩。这些矿物反应不仅消耗大量能量，还会破坏页岩储层渗透率，影响原位转化所产生的油气生成与运移[18,19]。此外，页岩地层中的黏土矿物（如蒙脱石和伊利石）容易与有机质形成有机-黏土复合物，从而限制烃类的自由运移[20,21]。同时，某些黏土矿物的催化作用可加速可溶性有机质裂解为低分子化合物（如气态烃），从而降低液态烃产率[22,23,24]。而且，在不同沉积环境中沉积的湖相页岩通常在矿物组成上表现出较强的非均质性，样品间和盆地间的差异显著。黏土矿物组成的变化使ICP关键运行参数（包括加热速率、目标温度和保温时间）的确定更加复杂，这是原位转化加热方案设计必须解决的核心挑战。

除了黏土矿物外，页岩油的组成对页岩油开发性能具有关键控制作用。轻组分含量低和原油粘度高是限制页岩油流动性的关键因素[25,26]。原位转化的核心功能是快速提高有机质的热成熟度，促进轻烃的生成，从而提高页岩油的流动性。此外，页岩孔隙结构、有机质类型和有机质丰度等因素共同调控原位转化过程中烃类的生成和排驱行为。然而，湖相盆地沉积环境的差异导致页岩矿物组成和储层物性存在明显的非均质性。因此，原位转化条件必须相应调整，这进一步凸显了实施差异化原位转化方案的必要性。

本研究选取延长组长73层（鄂尔多斯盆地）和嫩江组（松辽盆地）的页岩样品及其分离干酪根作为核心研究材料。通过多组加热速率的Rock-Eval热解实验获取热解动力学参数。利用逐步热解-气相色谱（Py-GC）系统分析了系列设定热解温度下热解产物的烃类组成。此外，通过X射线衍射（XRD）、低温N?吸附-脱附和薄片岩石学显微观察等一系列互补分析技术，揭示了黏土矿物在热演化过程中的反应机制，深入探讨了矿物组成、孔隙结构、有机质类型和有机质丰度对原位转化过程中烃类生成行为的影响。本研究成果有望为长73层和嫩江组低中成熟度页岩的差异化原位转化方案制定提供依据。

## 小节摘要

**地质背景**

中国的湖相页岩主要分布于中生代至新生代湖相盆地。鄂尔多斯盆地是一个典型的克拉通盆地，其地质演化和沉积特征表明，该盆地经历了从 Paleozoic 稳定克拉通阶段到中生代大陆裂谷阶段的构造转变。鄂尔多斯盆地经历了多期构造活动和相关沉积作用，在晚三叠世形成了大型断陷湖相沉积。

**样品**

从鄂尔多斯盆地渭北隆起Z40井延长组长73层采集了5个页岩样品。从松辽盆地嫩江组采集了2个页岩样品：一个来自朝阳沟台地C01井，另一个来自齐家-古龙凹陷A01井。所有样品的采集位置见图1。

**Rock-Eval热解**

称取约50 mg页岩粉末，使用Rock-Eval 6热解仪进行分析。实验过程……

**地球化学特征**

尽管两个盆地的页岩均沉积于半深湖至深湖相沉积相，但由于地质条件和控制因素的不同，其岩性、矿物组成和有机地球化学特征在纵向上和横向上均表现出较强的非均质性（表2、表3）。长73层页岩以发育良好的纹层为特征[41]，并局部夹有富粉砂层；Z40-17样品还含有一个薄层……

**影响热解烃类组成的因素**

有机质丰度是评估页岩油资源潜力的重要基础。研究表明，随着TOC含量的增加，烃类生成潜力（S?+S?）和残留烃含量均显著增加[51]。裂解烃类产量与其TOC含量之间观察到强正相关关系。长73层的页岩样品，如Z40-19样品和Z40-24样品，具有较高的TOC含量，其裂解烃类产量也相应较高……

## 结论

本研究调查了延长组长73层页岩和嫩江组页岩的基本地球化学特征和烃类生成动力学。基于上述结果，得出以下结论：

（1）在相同热演化阶段，长73层页岩裂解烃类中低碳数烃（C???）的比例始终高于嫩江组页岩。这一差异主要可归因于……

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益关系或关系可能影响本文所述工作的客观性。

## 致谢

本工作由国家自然科学基金委（U22B6004，42572184）和中国石油集团勘探开发研究院科研与技术开发项目（RIPED）（2022yjcq03）资助。

## 作者

金凯来 | 李永新 | 廖宇红 | 刘威 | 林焕宇 | 王福 | 郑义军 | 赵文志

中国科学院广州地球化学研究所，地球内部深部过程与资源国家重点实验室，广东广州510640，中国