一種烴源巖有機碳熱解分析裝置與方法與流程
2023-07-05 02:06:36
本發明屬於油氣勘探開發技術領域，具體涉及烴源巖有機質豐度測定，是一種對烴源巖的有機碳含量(toc)及其有機質構成實施分析測試的裝置與方法，適用於一般熱演化程度至高熱演化程度泥頁巖的巖石熱解參數分析與toc測定。
背景技術：
烴源巖的有機碳含量是評價其油氣地質條件的基礎性地球化學參數。巖石熱解分析是獲得烴源巖生烴潛力參數的基本技術手段，同時也是獲得烴源巖有機碳含量的一種快速、經濟的方法，對於一般成熟度烴源巖的效果良好。對於高演化烴源巖來說，需要750℃-800℃的熱解溫度才能實現其乾酪根的完全熱裂解，因此傳統的600℃最高熱解溫度所測得的巖石熱解分析數據不能反映其真實的生烴潛力，熱解烴(s2)參數值嚴重偏小，同時也直接導致按照經驗公式用熱解參數計算的有機碳含量與直接測定值偏差嚴重。然而，當前的國產巖石熱解分析儀的最高熱解溫度只能達到600℃，對於高成熟度烴源巖只能用法國生產的rock-evalⅵ巖石熱解分析儀等國外儀器進行熱解分析。國外巖石熱解儀不僅價格昂貴，而且耐用性差，零部件易損壞、專屬性很強，給維修帶來不便，維修及時率很差。我國頁巖氣勘探開發的主要對象是熱演化程度達到高成熟至過成熟階段的泥頁巖，然而，當前這種設備與技術狀況使巖石熱解分析這一經濟、快捷的技術手段不能有效地服務於我國頁巖氣等高演化油氣資源的勘探開發工作，影響了工作效率。
技術實現要素：
鑑於上述問題，本發明的目的是提供一種烴源巖有機碳熱解分析裝置，其最高熱解溫度高，能夠適用於一般熱演化程度至高熱演化程度泥頁巖的有機碳分析。
本發明的另一目的是提供一種基於上述烴源巖有機碳熱解分析裝置的分析方法，其能夠適用於一般熱演化程度至高熱演化程度泥頁巖的有機碳分析，分析結果準確度高。
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案：
一種烴源巖有機碳熱解分析裝置，它包括依次連接的熱解單元、氧化單元、淨化單元、檢測單元，以及用於裝置的操作與控制、數據採集與處理的控制處理單元；
該熱解單元包括第一控溫腔和內部的熱解爐，該熱解爐包括耐溫1000℃的鎧裝加熱絲；該氧化單元包括第二控溫腔和內部的氧化管，該第二控溫腔包括耐溫1000℃的鎧裝加熱絲；該淨化單元包括氣體降溫腔及內部的水分祛除組件及固體顆粒祛除組件，該水分祛除組件及固體顆粒祛除組件串聯置於該氣體降溫腔內；該檢測單元包括檢測器駐留腔及內部的紅外檢測器；
該第一控溫腔一端通過氣體管道與氣路轉換開關連接，另一端通過氣路管道與該氧化管的進氣端連接；該氣路轉換開關分別連接氦氣管道和氧氣管道；該氧氣管道還設有帶氣路開關的氧氣支管，該氧氣支管也連接至該氧化管的進氣端；該氧化管的出氣端通過氣體管道與該水分祛除組件的進氣端連接；該固體顆粒祛除組件的出氣端與該紅外檢測器的進氣端連接，該紅外檢測器的出氣端與大氣連通。
進一步的，所述控制處理單元通過傳感器及數字通信埠與所述熱解單元、氧化單元、淨化單元、檢測單元連接。
進一步的，所述氧氣管道和氦氣管道上均設有穩流閥。
進一步的，所述氧氣管道接氧氣源或者空氣源，所述氦氣管道接氦氣源。
一種利用上述分析裝置進行烴源巖有機碳熱解分析的方法，它包括下列步驟：
(1)有機質熱解
打開氦氣管道和氧氣管道，調節氣路轉換開關，使氦氣通入第一控溫腔；設定第一控溫腔的升溫程序及第二控溫腔溫度；稱取100～120mg粒度200目以下的烴源巖樣品粉末，置於熱解爐中；在50℃至800℃溫度範圍內，以階梯式程序升溫方式控制熱解爐的溫度，使烴源巖樣品中有機質在氦氣流下依次發生揮發、蒸發與熱裂解，並在熱裂解完成後，調節氣路轉換開關，使氧氣通入第一控溫腔，將殘餘有機質在空氣(或氧氣)流下完全氧化；
(2)熱解產物氧化
通過第二控溫腔將氧化管加熱到600℃至800℃，打開氧氣支管的氣路開關，使從熱解爐流出的熱解產物在有氧氣流下全部氧化為co2；
(3)氧化產物檢測
步驟(2)中得到的氣體通入淨化單元，除去水分和固體顆粒後，送入檢測單元，利用紅外檢測器對產出的co2進行在線檢測；
(4)測試數據處理
①將50℃～90℃，90℃～300℃，300℃～800℃的熱解產物依次劃分為氣態烴、游離烴、裂解烴；將熱裂解完成後可氧化的有機質劃分為殘餘有機質；
②通過實施標準物質測試，將氣態烴、游離烴、裂解烴和殘餘有機質測試數據分別與傳統巖石熱解分析儀的s0、s1、s2、s4參數值相關聯，獲得與傳統巖石熱解分析儀相一致的烴源巖巖石熱解分析參數數據；
③在用標準物質對測試數據進行校準的基礎上，將烴源巖樣品中氣態烴、游離烴、裂解烴的有機碳含量及殘餘有機質含量的測試數據進行加和，獲得與用碳硫儀傳統測試結果相一致的烴源巖總有機碳含量數據。
進一步的，所述氦氣管道和氧氣管道內的輸出壓力為0.5mpa。
進一步的，所述步驟(1)、(2)、(3)、(4)通過控制處理單元進行。
進一步的，所述控制處理單元為計算機。
本發明的有益效果是：本發明裝置的最高熱解溫度達到850℃，可以實現高演化烴源巖乾酪根的完全熱裂解，並且通過將傳統巖石熱解儀對於各熱解溫度階段熱解產物的氫火焰離子信號檢測(fid)轉變為對於其碳信號的檢測，使得測試數據直接體現烴源巖的有機碳含量(toc)，無需通過經驗公式進行計算，避免了因為樣品性質差異帶來的誤差；同時，基於烴源巖巖石熱解分析的原理與技術方法，本發明裝置的巖石熱解參數可以與傳統巖石熱解儀的巖石熱解參數一一對應，具備傳統巖石熱解儀的分析測試功能，因而可以獲得烴源巖生烴潛力參數。
附圖說明
圖1是本發明烴源巖有機碳熱解分析裝置的結構框架示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖進一步說明本發明的具體實施方式。
如圖1所示，本發明提供一種烴源巖有機碳熱解分析裝置，它包括依次連接的熱解單元、氧化單元、淨化單元、檢測單元，以及用於裝置的操作與控制、數據採集與處理的控制處理單元15。該控制處理單元15通過傳感器與該熱解單元、氧化單元、淨化單元、檢測單元連接。
該熱解單元包括第一控溫腔1和內部的熱解爐2，該熱解爐2包括耐溫1000℃的鎧裝加熱絲。該氧化單元包括第二控溫腔3和內部的氧化管4，該第二控溫腔3包括耐溫1000℃的鎧裝加熱絲。該淨化單元包括氣體降溫腔5及內部的水分祛除組件6及固體顆粒祛除組件7，該水分祛除組件6及固體顆粒祛除組件7串聯置於該氣體降溫腔5內。該檢測單元包括檢測器駐留腔8及內部的紅外檢測器9。
該第一控溫腔1一端通過氣體管道與氣路轉換開關10連接，另一端通過氣路管道與該氧化管4的進氣端連接。該氣路轉換開關10分別連接氦氣管道11和氧氣管道12，該氧氣管道12接氧氣源或者空氣源，該氦氣管道11接氦氣源，氦氣管道11和該氧氣管道12上分別設有穩流閥a、穩流閥b。該氧氣管道12還設有帶氣路開關13的氧氣支管14，該氧氣支管14也連接至該氧化管4的進氣端。該氧化管4的出氣端通過氣體管道與該水分祛除組件6的進氣端連接。該固體顆粒祛除組件7的出氣端與該紅外檢測器9的進氣端連接，該紅外檢測器9的出氣端與大氣連通。
巖石樣品在熱解爐2中隨著第一控溫腔1溫度的上升發生揮發、蒸發與熱裂解，生成一些氣態、液態的烴類。同時，固定流速的氦氣在穩流閥a的控制下，經由氣路轉換開關10，通過氣體管道進入熱解爐2；當熱解爐2的溫度穩定在設定的最高溫度後，切換氣路轉換開關10，切斷氦氣供應，讓氧氣(或空氣)在穩流閥b的控制下，以設定流速通過氣體管道進入熱解爐2，使殘餘有機質在空氣(或氧氣)流下完全氧化；如此同時，氣路開關13關閉。在熱解爐2中生成的氣態烴和液態烴類在氦氣流的帶動下，經過氣體管道進入氧化管4，與經由穩流閥b，氣路開關13，氧氣支管14的設定流速氧氣(或空氣)流混合，在第二控溫腔3提供的600℃至800℃溫度下被氧化為co2。氧化管4和熱解爐2中生成的co2和水在氦氣流的帶動下，通過氣體管道進入氣體降溫腔5，依次通過水分祛除組件6和固體顆粒祛除組件7，祛除其中的固體顆粒和水。經淨化後的含co2氣體通過氣體管道進入檢測器駐留腔8，被紅外檢測器9檢測。對標準物質進行分析，在用標準物質的參數值對測試數據進行校準的基礎上進行樣品數據的綜合處理，獲得其s0、s1、s2、s4、toc各項指標參數的值。
本發明還提供一種利用上述分析裝置進行烴源巖有機碳熱解分析的方法，具體來說，它包括下列步驟：
(1)有機質熱解
打開氦氣管道11和氧氣管道12，該氦氣管道11和氧氣管道12內的輸出壓力為0.5mpa；調節氣路轉換開關10，使氦氣通入第一控溫腔1；設定第一控溫腔1的升溫程序及第二控溫腔3溫度；稱取100～120mg粒度200目以下的烴源巖樣品粉末，置於熱解爐2中；在50℃至800℃溫度範圍內，以階梯式程序升溫方式控制熱解爐2的溫度，使烴源巖樣品中有機質在氦氣流下依次發生揮發、蒸發與熱裂解，並在熱裂解完成後，調節氣路轉換開關10，使氧氣通入第一控溫腔1，將殘餘有機質在空氣(或氧氣)流下完全氧化；
(2)熱解產物氧化
通過第二控溫腔3將氧化管4加熱到600℃至800℃，打開氧氣支管14的氣路開關13，使從熱解爐2流出的熱解產物在有氧氣流下全部氧化為co2；
(3)氧化產物檢測
步驟(2)中得到的氣體通入淨化單元，除去水分和固體顆粒後，送入檢測單元，利用紅外檢測器9對產出的co2進行在線檢測；
(4)測試數據處理
①將50℃～90℃，90℃～300℃，300℃～800℃的熱解產物依次劃分為氣態烴、游離烴、裂解烴；將熱裂解完成後可氧化的有機質劃分為殘餘有機質；
②通過實施標準物質測試，將氣態烴、游離烴、裂解烴和殘餘有機質測試數據分別與傳統巖石熱解分析儀的s0、s1、s2、s4參數值相關聯，獲得與傳統巖石熱解分析儀相一致的烴源巖巖石熱解分析參數數據；
③在用標準物質對測試數據進行校準的基礎上，將烴源巖樣品中氣態烴、游離烴、裂解烴的有機碳含量及殘餘有機質含量的測試數據進行加和，獲得與用碳硫儀傳統測試結果相一致的烴源巖總有機碳含量數據(toc)。
上述步驟(1)、(2)、(3)、(4)通過控制處理單元15進行，例如計算機。
以下列舉若干實施例，對本發明進一步說明。
實施例1
樣品描述：牛蹄塘組泥頁巖。
測試條件：第一控溫腔1升溫程序：起始溫度50℃，恆溫1分鐘後以20℃/分鐘速率升溫至90℃，恆溫1分鐘；以50℃/分鐘速率升溫至300℃，恆溫5分鐘；以50℃/分鐘速率升溫至800℃，恆溫1分鐘。第二控溫腔3溫度650℃。氣體降溫腔5溫度＜100℃。氦氣流速18ml/min，空氣流速20ml/min。紅外檢測器9波長4.26微米。
測試結果：s0:0.00mg/g；s1:0.08mg/g；s2:0.61mg/g；s4:25.04mg/g；toc:2.57％。
實施例2
樣品描述：合山組碳質泥頁巖。
測試條件：第一控溫腔1升溫程序：起始溫度50℃，恆溫1分鐘後以20℃/分鐘速率升溫至90℃，恆溫1分鐘；以50℃/分鐘速率升溫至300℃，恆溫5分鐘；以50℃/分鐘速率升溫至800℃，恆溫1分鐘。第二控溫腔3溫度650℃。氣體降溫腔5溫度＜100℃。氦氣流速18ml/min，空氣流速20ml/min。紅外檢測器9波長4.26微米。
測試結果：s0:0.03mg/g；s1:0.16mg/g；s2:2.55mg/g；s4:38.21mg/g；toc:4.09％。
實施例3
樣品描述：龍潭組煤。
測試條件：第一控溫腔1升溫程序：起始溫度50℃，恆溫1分鐘後以20℃/分鐘速率升溫至90℃，恆溫1分鐘；以50℃/分鐘速率升溫至300℃，恆溫5分鐘；以50℃/分鐘速率升溫至800℃，恆溫1分鐘。第二控溫腔3溫度650℃。氣體降溫腔5溫度＜100℃。氦氣流速18ml/min，空氣流速20ml/min。紅外檢測器9波長4.26微米。
測試結果：0.05mg/g；s1:0.13mg/g；s2:9.05mg/g；s4:590.67mg/g；toc:59.99％。
實施例4
樣品描述：侏羅系碳質泥巖。
測試條件：第一控溫腔1升溫程序：起始溫度50℃，恆溫1分鐘後以20℃/分鐘速率升溫至90℃，恆溫1分鐘；以50℃/分鐘速率升溫至300℃，恆溫5分鐘；以50℃/分鐘速率升溫至600℃，恆溫1分鐘。第二控溫腔3溫度650℃。氣體降溫腔5溫度＜100℃。氦氣流速18ml/min，空氣流速20ml/min。紅外檢測器9波長4.26微米。
測試結果：0.08mg/g；s1:0.89mg/g；s2:9.48mg/g；s4:26.40mg/g；toc:3.68％。
實施例5
樣品描述：飛仙關組泥灰巖。
測試條件：第一控溫腔1升溫程序：起始溫度50℃，恆溫1分鐘後以20℃/分鐘速率升溫至90℃，恆溫1分鐘；以50℃/分鐘速率升溫至300℃，恆溫5分鐘；以50℃/分鐘速率升溫至600℃，恆溫1分鐘。第二控溫腔3溫度650℃。氣體降溫腔5溫度＜100℃。氦氣流速18ml/min，空氣流速20ml/min。紅外檢測器9波長4.26微米。
測試結果：s0:0.04mg/g；s1:0.21mg/g；s2:7.79mg/g；s4:9.76mg/g；toc:1.78％。
綜上所述，本發明烴源巖有機碳熱解分析裝置與方法，其具有下列優點：
(1)最高熱解溫度能夠達到850℃，適用於一般熱演化程度至高熱演化程度泥頁巖的有機碳分析；
(2)通過將傳統巖石熱解儀對於各熱解溫度階段熱裂解產物的氫火焰離子信號檢測(fid)轉變為對於其碳信號的檢測，使得測試數據直接體現烴源巖的有機碳含量，無需通過經驗公式進行計算，避免了因為樣品性質差異帶來的烴源巖有機碳含量數據誤差；
(3)基於烴源巖巖石熱解分析的原理與技術方法，本發明裝置的巖石熱解參數可以與傳統巖石熱解儀的巖石熱解參數一一對應，具備傳統巖石熱解儀的分析測試功能，因而可以獲得烴源巖生烴潛力參數；
(4)一次測試就能獲得烴源巖的s0、s1、s2、s4熱解參數和toc指標，操作便捷，測試效率高。
上述實施例僅示例性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。本發明還有許多方面可以在不違背總體思想的前提下進行改進，任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。