干酪根成熟度

在石油勘探和开发中，了解地下有机质的成熟度对于确定油气资源的潜力至关重要。干酪根成熟度是评估有机质在地质时间尺度下受热和压力作用的程度的指标，它直接影响着油气的生成和保存。%~21%,破坏程度是原子弹的数倍，所以超级地震影响十分广泛，也是十分具破坏力

一、什么是干酪根？

干酪根是沉积岩中不溶于酸碱和非极性有机溶剂的分散有机物。

主要成分是碳、氢、氧、硫和氮。干酪根H/C和O/C原子比变化是有机质类型和有机质成熟度的综合结果，利用范氏图可将干酪根类型分为I、II和III型。I型为腐泥型，II型为混合腐殖-腐泥型，III型为腐殖型。

二、什么是干酪根成熟度？

干酪根成熟度指的是有机质在地质过程中经历热演化的程度，也即其受热和压力作用下的化学和物理变化程度。有机质是由植物和微生物残留物组成的，经过数百万年的埋藏和加热，它们逐渐转化为石油和天然气的原料。干酪根成熟度是石油地质学中一个关键的参数，它决定了油气形成的时间、地点和数量。

有机质（干酪根）的化学性质和物理性质在热演化过程中都会发生显著地变化（Vandenbroucke 和 Largeau, 2007）。有机质在生烃过程中经历了复杂的地质演化过程，根据其性质变化和产物，可将有机质热演化划分为四个典型的阶段（如下表）。

三、如何评估干酪根成熟度？

（1）有机质反射率（Ro）：有机质反射率是一种常用的评估干酪根成熟度的方法之一。它是通过测量有机质在显微镜下的反射亮度来确定的，反映了有机质受热演化的程度。随着成熟度的增加，有机质的反射率也会增加。

（2）热解产物分析：通过分析有机质在不同温度下的热解产物，可以了解有机质的成熟度。随着成熟度的增加，有机质产生的烃类物质会增多，其化学组成也会发生变化。

（3）有机质类型和分布：不同类型的有机质在不同的温度和压力条件下具有不同的热稳定性，因此它们的分布和类型也可以用来评估干酪根成熟度。

四、干酪根成熟度的重要性

（1）石油勘探指标：了解干酪根成熟度可以帮助地质学家确定哪些地层具有较高的油气潜力，从而指导石油勘探的方向和策略。

（2）油气资源评估：干酪根成熟度直接影响着地下油气的生成和保存，因此对于评估油气资源的数量和质量至关重要。

（3）钻井开发：了解地下岩石的干酪根成熟度可以帮助钻井工程师选择合适的钻井位置和方案，从而提高钻井的成功率和效率。

五、干酪根成熟度的影响

Zhang 等（2012）通过实验研究了不同成熟度的Barnett页岩（Ro= 0.58%、0.81%和2.01%）的吸附特征，认为成熟度显著影响页岩气的吸附量。Rexer 等（2014）通过实验研究 Posidonia 页岩样品发现成熟度是影响吸附量差异的主要因素之一，镜质体随机反射率（VRr）增加0.6%会导致甲烷吸附量增加 36%。

如图为温度 298K 时不同成熟度干酪根的等温吸附曲线对比图。由图可知，干酪根上的吸附量随成熟度的增加而增加。温度为 298K且压力为15MPa时，未成熟、成熟和过成熟的干酪根上甲烷的绝对吸附量分比为 1.22、2.41和 3.50mmol/g。相同条件下的过剩吸附量分别为 0.84、1.51 和 1.90 mmol/g。吸附量随成熟度增加的原因主要有两个方面：干酪根的比表面积随成熟度的增加而增加，导 致甲烷分子吸附量的增加；此外，随成熟度的增加干酪根的分子结构发生变化，芳香度的增加，从而增强了干酪根吸附甲烷的能力。

六、应用：

（1）王璐等人发现，一般情况下，页岩气中的甲烷含量为65%以上。因此对柴达木盆地水和有机物（如生烃有机物干酪根）的吸附影响作用做了实验结论得出：水对甲烷吸附的影响程度也与样品干酪根成熟度相关。如图所示，样品的甲烷吸附 AAD 与有机物的成熟度（S = TOC×R0）之间存在着良好的相关性。随着成熟度的增加，水对样品的甲烷吸附量影响呈现了减小趋势，两者线性相关系数为 0.84。一种解释是，对高熟干酪根来说，其有机结构中更好的孔隙连通性可能有利于孔隙内压力驱动气相运输，有利于甲烷在饱水孔隙中的运移（Zhang et al.,2010 ; Han et al.,2010）。另一种解释是，干酪根上的含氧官能团为水提供了主要的有效吸附位，而干酪根的熟化伴随着脱氧反应，使得吸附水量减小。

（2）赵天逸等人基于分子模拟结果分别计算了不同温度下，甲烷（CH4）在干燥干酪根上的绝对吸附量 （Absolute adsorption）和过剩吸附量（Excess adsorption），如图所示。分别为未成熟、成熟和过成熟的干酪根上的吸附等温曲线，其中虚线为过剩吸附量，实线为绝对吸附量。

由图可知，甲烷在干酪根上的吸附量随着压力的增加而增加，随着温度的增加而降低。压力为15MPa 时，甲烷在未成熟干酪根上的绝对吸附量分别为 1.22（298 K）、1.07（323 K）和 0.92 mmol/g（348 K）。成熟干酪根上的绝对吸附量分别为 2.41（298 K）、2.07（323 K）和1.82 mmol/g（348 K），过成熟干酪根上的绝对吸附量分别为 3.50（298 K）、3.07（323 K）和 2.69 mmol/g（348 K）。高温不利于吸附，这是因为体系温度的增加导致甲烷分子动能的增加，分子运动剧烈，难以被干酪根分子“捕获”。

参考文献

[1]王璐.饱和—非饱和页岩甲烷吸附特征研究[D].中国地质大学(北京),2018.

[2] Zhang TW, Ellis GS, Ruppel SC, et al. Effect of organic-matter type and thermal maturity on methane adsorption in shale-gas systems[J]. Organic Geochemistry, 2012, 47: 120-131.

[3] Rexer TF, Mathia EJ, Aplin AC, et al. High-Pressure Methane Adsorption and Characterization of Pores in Posidonia Shales and Isolated Kerogens[J]. Energy & Fuels, 2014, 28(5): 2886-2901.

[4]赵天逸.页岩气赋存方式及渗流规律研究[D].中国石油大学(北京),2020.

[5]尚福华.复杂构造区页岩储层特征及页岩气赋存[D].中国矿业大学,2022.

[6]王鹏.页岩油注CO2过程中重有机质沉积预测方法及应用[D].中国石油大学(北京),2023.