CN107219245B - 一种烃源岩有机碳热解分析装置 - Google Patents
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Abstract
一种烃源岩有机碳热解分析装置，装置包括热解单元、氧化单元、净化单元、检测单元、控制处理单元；热解单元包括第一控温腔和热解炉，氧化单元包括第二控温腔和氧化管，净化单元包括气体降温腔及串联的水分祛除组件、固体颗粒祛除组件，检测单元包括检测器驻留腔及内部的红外检测器；第一控温腔一端通过气体管道与气路转换开关连接，另一端通过气路管道与氧化管的进气端连接；气路转换开关分别连接氦气管道和氧气管道；氧气管道还设有带气路开关的氧气支管，氧气支管也连接至氧化管的进气端；氧化管的出气端通过气体管道与水分祛除组件的进气端连接；固体颗粒祛除组件的出气端与红外检测器的进气端连接，红外检测器的出气端与大气连通。
Description
技术领域
本发明属于油气勘探开发技术领域，具体涉及烃源岩有机质丰度测定，是一种对烃源岩的有机碳含量(TOC)及其有机质构成实施分析测试的装置，适用于一般热演化程度至高热演化程度泥页岩的岩石热解参数分析与TOC测定。
背景技术
烃源岩的有机碳含量是评价其油气地质条件的基础性地球化学参数。岩石热解分析是获得烃源岩生烃潜力参数的基本技术手段，同时也是获得烃源岩有机碳含量的一种快速、经济的方法，对于一般成熟度烃源岩的效果良好。对于高演化烃源岩来说，需要750℃-800℃的热解温度才能实现其干酪根的完全热裂解，因此传统的600℃最高热解温度所测得的岩石热解分析数据不能反映其真实的生烃潜力，热解烃(S2)参数值严重偏小，同时也直接导致按照经验公式用热解参数计算的有机碳含量与直接测定值偏差严重。然而，当前的国产岩石热解分析仪的最高热解温度只能达到600℃，对于高成熟度烃源岩只能用法国生产的Rock-Eval VI岩石热解分析仪等国外仪器进行热解分析。国外岩石热解仪不仅价格昂贵，而且耐用性差，零部件易损坏、专属性很强，给维修带来不便，维修及时率很差。我国页岩气勘探开发的主要对象是热演化程度达到高成熟至过成熟阶段的泥页岩，然而，当前这种设备与技术状况使岩石热解分析这一经济、快捷的技术手段不能有效地服务于我国页岩气等高演化油气资源的勘探开发工作，影响了工作效率。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种烃源岩有机碳热解分析装置，其最高热解温度高，能够适用于一般热演化程度至高热演化程度泥页岩的有机碳分析。
本发明的另一目的是提供一种基于上述烃源岩有机碳热解分析装置的分析方法，其能够适用于一般热演化程度至高热演化程度泥页岩的有机碳分析，分析结果准确度高。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种烃源岩有机碳热解分析装置，它包括依次连接的热解单元、氧化单元、净化单元、检测单元，以及用于装置的操作与控制、数据采集与处理的控制处理单元；
该热解单元包括第一控温腔和内部的热解炉，该热解炉包括耐温1000℃的铠装加热丝；该氧化单元包括第二控温腔和内部的氧化管，该第二控温腔包括耐温1000℃的铠装加热丝；该净化单元包括气体降温腔及内部的水分祛除组件及固体颗粒祛除组件，该水分祛除组件及固体颗粒祛除组件串联置于该气体降温腔内；该检测单元包括检测器驻留腔及内部的红外检测器；
该第一控温腔一端通过气体管道与气路转换开关连接，另一端通过气路管道与该氧化管的进气端连接；该气路转换开关分别连接氦气管道和氧气管道；该氧气管道还设有带气路开关的氧气支管，该氧气支管也连接至该氧化管的进气端；该氧化管的出气端通过气体管道与该水分祛除组件的进气端连接；该固体颗粒祛除组件的出气端与该红外检测器的进气端连接，该红外检测器的出气端与大气连通。
进一步的，所述控制处理单元通过传感器及数字通信端口与所述热解单元、氧化单元、净化单元、检测单元连接。
进一步的，所述氧气管道和氦气管道上均设有稳流阀。
进一步的，所述氧气管道接氧气源或者空气源，所述氦气管道接氦气源。
一种利用上述分析装置进行烃源岩有机碳热解分析的方法，它包括下列步骤：
(1)有机质热解
打开氦气管道和氧气管道，调节气路转换开关，使氦气通入第一控温腔；设定第一控温腔的升温程序及第二控温腔温度；称取100～120mg粒度200目以下的烃源岩样品粉末，置于热解炉中；在50℃至800℃温度范围内，以阶梯式程序升温方式控制热解炉的温度，使烃源岩样品中有机质在氦气流下依次发生挥发、蒸发与热裂解，并在热裂解完成后，调节气路转换开关，使氧气通入第一控温腔，将残余有机质在空气(或氧气)流下完全氧化；
(2)热解产物氧化
通过第二控温腔将氧化管加热到600℃至800℃，打开氧气支管的气路开关，使从热解炉流出的热解产物在有氧气流下全部氧化为CO2；
(3)氧化产物检测
步骤(2)中得到的气体通入净化单元，除去水分和固体颗粒后，送入检测单元，利用红外检测器对产出的CO2进行在线检测；
(4)测试数据处理
①将50℃～90℃，90℃～300℃，300℃～800℃的热解产物依次划分为气态烃、游离烃、裂解烃；将热裂解完成后可氧化的有机质划分为残余有机质；
②通过实施标准物质测试，将气态烃、游离烃、裂解烃和残余有机质测试数据分别与传统岩石热解分析仪的S0、S1、S2、S4参数值相关联，获得与传统岩石热解分析仪相一致的烃源岩岩石热解分析参数数据；
③在用标准物质对测试数据进行校准的基础上，将烃源岩样品中气态烃、游离烃、裂解烃的有机碳含量及残余有机质含量的测试数据进行加和，获得与用碳硫仪传统测试结果相一致的烃源岩总有机碳含量数据。
进一步的，所述氦气管道和氧气管道内的输出压力为0.5MPa。
进一步的，所述步骤(1)、(2)、(3)、(4)通过控制处理单元进行。
进一步的，所述控制处理单元为计算机。
本发明的有益效果是：本发明装置的最高热解温度达到850℃，可以实现高演化烃源岩干酪根的完全热裂解，并且通过将传统岩石热解仪对于各热解温度阶段热解产物的氢火焰离子信号检测(FID)转变为对于其碳信号的检测，使得测试数据直接体现烃源岩的有机碳含量(TOC)，无需通过经验公式进行计算，避免了因为样品性质差异带来的误差；同时，基于烃源岩岩石热解分析的原理与技术方法，本发明装置的岩石热解参数可以与传统岩石热解仪的岩石热解参数一一对应，具备传统岩石热解仪的分析测试功能，因而可以获得烃源岩生烃潜力参数。
附图说明
图1是本发明烃源岩有机碳热解分析装置的结构框架示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供一种烃源岩有机碳热解分析装置，它包括依次连接的热解单元、氧化单元、净化单元、检测单元，以及用于装置的操作与控制、数据采集与处理的控制处理单元15。该控制处理单元15通过传感器与该热解单元、氧化单元、净化单元、检测单元连接。
该热解单元包括第一控温腔1和内部的热解炉2，该热解炉2包括耐温1000℃的铠装加热丝。该氧化单元包括第二控温腔3和内部的氧化管4，该第二控温腔3包括耐温1000℃的铠装加热丝。该净化单元包括气体降温腔5及内部的水分祛除组件6及固体颗粒祛除组件7，该水分祛除组件6及固体颗粒祛除组件7串联置于该气体降温腔5内。该检测单元包括检测器驻留腔8及内部的红外检测器9。
该第一控温腔1一端通过气体管道与气路转换开关10连接，另一端通过气路管道与该氧化管4的进气端连接。该气路转换开关10分别连接氦气管道11和氧气管道12，该氧气管道12接氧气源或者空气源，该氦气管道11接氦气源，氦气管道11和该氧气管道12上分别设有稳流阀A、稳流阀B。该氧气管道12还设有带气路开关13的氧气支管14，该氧气支管14也连接至该氧化管4的进气端。该氧化管4的出气端通过气体管道与该水分祛除组件6的进气端连接。该固体颗粒祛除组件7的出气端与该红外检测器9的进气端连接，该红外检测器9的出气端与大气连通。
岩石样品在热解炉2中随着第一控温腔1温度的上升发生挥发、蒸发与热裂解，生成一些气态、液态的烃类。同时，固定流速的氦气在稳流阀A的控制下，经由气路转换开关10，通过气体管道进入热解炉2；当热解炉2的温度稳定在设定的最高温度后，切换气路转换开关10，切断氦气供应，让氧气(或空气)在稳流阀B的控制下，以设定流速通过气体管道进入热解炉2，使残余有机质在空气(或氧气)流下完全氧化；如此同时，气路开关13关闭。在热解炉2中生成的气态烃和液态烃类在氦气流的带动下，经过气体管道进入氧化管4，与经由稳流阀B，气路开关13，氧气支管14的设定流速氧气(或空气)流混合，在第二控温腔3提供的600℃至800℃温度下被氧化为CO2。氧化管4和热解炉2中生成的CO2和水在氦气流的带动下，通过气体管道进入气体降温腔5，依次通过水分祛除组件6和固体颗粒祛除组件7，祛除其中的固体颗粒和水。经净化后的含CO2气体通过气体管道进入检测器驻留腔8，被红外检测器9检测。对标准物质进行分析，在用标准物质的参数值对测试数据进行校准的基础上进行样品数据的综合处理，获得其S0、S1、S2、S4、TOC各项指标参数的值。
本发明还提供一种利用上述分析装置进行烃源岩有机碳热解分析的方法，具体来说，它包括下列步骤：
(1)有机质热解
打开氦气管道11和氧气管道12，该氦气管道11和氧气管道12内的输出压力为0.5MPa；调节气路转换开关10，使氦气通入第一控温腔1；设定第一控温腔1的升温程序及第二控温腔3温度；称取100～120mg粒度200目以下的烃源岩样品粉末，置于热解炉2中；在50℃至800℃温度范围内，以阶梯式程序升温方式控制热解炉2的温度，使烃源岩样品中有机质在氦气流下依次发生挥发、蒸发与热裂解，并在热裂解完成后，调节气路转换开关10，使氧气通入第一控温腔1，将残余有机质在空气(或氧气)流下完全氧化；
(2)热解产物氧化
通过第二控温腔3将氧化管4加热到600℃至800℃，打开氧气支管14的气路开关13，使从热解炉2流出的热解产物在有氧气流下全部氧化为CO2；
(3)氧化产物检测
步骤(2)中得到的气体通入净化单元，除去水分和固体颗粒后，送入检测单元，利用红外检测器9对产出的CO2进行在线检测；
(4)测试数据处理
①将50℃～90℃，90℃～300℃，300℃～800℃的热解产物依次划分为气态烃、游离烃、裂解烃；将热裂解完成后可氧化的有机质划分为残余有机质；
②通过实施标准物质测试，将气态烃、游离烃、裂解烃和残余有机质测试数据分别与传统岩石热解分析仪的S0、S1、S2、S4参数值相关联，获得与传统岩石热解分析仪相一致的烃源岩岩石热解分析参数数据；
③在用标准物质对测试数据进行校准的基础上，将烃源岩样品中气态烃、游离烃、裂解烃的有机碳含量及残余有机质含量的测试数据进行加和，获得与用碳硫仪传统测试结果相一致的烃源岩总有机碳含量数据(TOC)。
上述步骤(1)、(2)、(3)、(4)通过控制处理单元15进行，例如计算机。
以下列举若干实施例，对本发明进一步说明。
实施例1
样品描述：牛蹄塘组泥页岩。
测试条件：第一控温腔1升温程序：起始温度50℃，恒温1分钟后以20℃/分钟速率升温至90℃，恒温1分钟；以50℃/分钟速率升温至300℃，恒温5分钟；以50℃/分钟速率升温至800℃，恒温1分钟。第二控温腔3温度650℃。气体降温腔5温度＜100℃。氦气流速18mL/min，空气流速20mL/min。红外检测器9波长4.26微米。
测试结果：S0：0.00mg/g；S1：0.08mg/g；S2：0.61mg/g；S4：25.04mg/g；TOC：2.57％。
实施例2
样品描述：合山组碳质泥页岩。
测试条件：第一控温腔1升温程序：起始温度50℃，恒温1分钟后以20℃/分钟速率升温至90℃，恒温1分钟；以50℃/分钟速率升温至300℃，恒温5分钟；以50℃/分钟速率升温至800℃，恒温1分钟。第二控温腔3温度650℃。气体降温腔5温度＜100℃。氦气流速18mL/min，空气流速20mL/min。红外检测器9波长4.26微米。
测试结果：S0：0.03mg/g；S1：0.16mg/g；S2：2.55mg/g；S4：38.21mg/g；TOC：4.09％。
实施例3
样品描述：龙潭组煤。
测试条件：第一控温腔1升温程序：起始温度50℃，恒温1分钟后以20℃/分钟速率升温至90℃，恒温1分钟；以50℃/分钟速率升温至300℃，恒温5分钟；以50℃/分钟速率升温至800℃，恒温1分钟。第二控温腔3温度650℃。气体降温腔5温度＜100℃。氦气流速18mL/min，空气流速20mL/min。红外检测器9波长4.26微米。
测试结果：0.05mg/g；S1：0.13mg/g；S2：9.05mg/g；S4：590.67mg/g；TOC：59.99％。
实施例4
样品描述：侏罗系碳质泥岩。
测试条件：第一控温腔1升温程序：起始温度50℃，恒温1分钟后以20℃/分钟速率升温至90℃，恒温1分钟；以50℃/分钟速率升温至300℃，恒温5分钟；以50℃/分钟速率升温至600℃，恒温1分钟。第二控温腔3温度650℃。气体降温腔5温度＜100℃。氦气流速18mL/min，空气流速20mL/min。红外检测器9波长4.26微米。
测试结果：0.08mg/g；S1：0.89mg/g；S2：9.48mg/g；S4：26.40mg/g；TOC：3.68％。
实施例5
样品描述：飞仙关组泥灰岩。
测试条件：第一控温腔1升温程序：起始温度50℃，恒温1分钟后以20℃/分钟速率升温至90℃，恒温1分钟；以50℃/分钟速率升温至300℃，恒温5分钟；以50℃/分钟速率升温至600℃，恒温1分钟。第二控温腔3温度650℃。气体降温腔5温度＜100℃。氦气流速18mL/min，空气流速20mL/min。红外检测器9波长4.26微米。
测试结果：S0：0.04mg/g；S1：0.21mg/g；S2：7.79mg/g；S4：9.76mg/g；TOC：1.78％。
综上所述，本发明烃源岩有机碳热解分析装置与方法，其具有下列优点：
(1)最高热解温度能够达到850℃，适用于一般热演化程度至高热演化程度泥页岩的有机碳分析；
(2)通过将传统岩石热解仪对于各热解温度阶段热裂解产物的氢火焰离子信号检测(FID)转变为对于其碳信号的检测，使得测试数据直接体现烃源岩的有机碳含量，无需通过经验公式进行计算，避免了因为样品性质差异带来的烃源岩有机碳含量数据误差；
(3)基于烃源岩岩石热解分析的原理与技术方法，本发明装置的岩石热解参数可以与传统岩石热解仪的岩石热解参数一一对应，具备传统岩石热解仪的分析测试功能，因而可以获得烃源岩生烃潜力参数；
(4)一次测试就能获得烃源岩的S0、S1、S2、S4热解参数和TOC指标，操作便捷，测试效率高。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。本发明还有许多方面可以在不违背总体思想的前提下进行改进，任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (4)
1.一种利用烃源岩有机碳热解分析装置进行烃源岩有机碳热解分析的方法，其特征在于，它包括下列步骤：
1）有机质热解
打开氦气管道和氧气管道，调节气路转换开关，使氦气通入第一控温腔；设定第一控温腔的升温程序及第二控温腔温度；称取100～120mg粒度200目以下的烃源岩样品粉末，置于热解炉中；在50℃至800℃温度范围内，以阶梯式程序升温方式控制热解炉的温度，使烃源岩样品中有机质在氦气流下依次发生挥发、蒸发与热裂解，并在热裂解完成后，调节气路转换开关，使氧气通入第一控温腔，将残余有机质在空气或氧气流下完全氧化；
2）热解产物氧化
通过第二控温腔将氧化管加热到600℃至800℃，打开氧气支管的气路开关，使从热解炉流出的热解产物在有氧气流下全部氧化为CO2；
3）氧化产物检测
步骤2）中得到的气体通入净化单元，除去水分和固体颗粒后，送入检测单元，利用红外检测器对产出的CO2进行在线检测；
4）测试数据处理
①将50℃～90℃，90℃～300℃，300℃～800℃的热解产物依次划分为气态烃、游离烃、裂解烃；将热裂解完成后可氧化的有机质划分为残余有机质；
②通过实施标准物质测试，将气态烃、游离烃、裂解烃和残余有机质测试数据分别与传统岩石热解分析仪的S0、S1、S2、S4参数值相关联，获得与传统岩石热解分析仪相一致的烃源岩岩石热解分析参数数据；
③在用标准物质对测试数据进行校准的基础上，将烃源岩样品中气态烃、游离烃、裂解烃的有机碳含量及残余有机质含量的测试数据进行加和，获得与用碳硫仪传统测试结果相一致的烃源岩总有机碳含量数据；
其中：烃源岩有机碳热解分析装置包括依次连接的热解单元、氧化单元、净化单元、检测单元，以及用于装置的操作与控制、数据采集与处理的控制处理单元；
该热解单元包括第一控温腔和内部的热解炉，该热解炉包括耐温1000℃的铠装加热丝；该氧化单元包括第二控温腔和内部的氧化管，该第二控温腔包括耐温1000℃的铠装加热丝；该净化单元包括气体降温腔及内部的水分祛除组件及固体颗粒祛除组件，该水分祛除组件及固体颗粒祛除组件串联置于该气体降温腔内；该检测单元包括检测器驻留腔及内部的红外检测器；
该第一控温腔一端通过气体管道与气路转换开关连接，另一端通过气路管道与该氧化管的进气端连接；该气路转换开关分别连接氦气管道和氧气管道；该氧气管道还设有带气路开关的氧气支管，该氧气支管也连接至该氧化管的进气端；该氧化管的出气端通过气体管道与该水分祛除组件的进气端连接；该固体颗粒祛除组件的出气端与该红外检测器的进气端连接，该红外检测器的出气端与大气连通。
2.根据权利要求1所述的烃源岩有机碳热解分析的方法，其特征在于：所述控制处理单元通过传感器及数字通信端口与所述热解单元、氧化单元、净化单元、检测单元连接。
3.根据权利要求1或2所述的烃源岩有机碳热解分析的方法，其特征在于：所述氧气管道和氦气管道上均设有稳流阀。
4.根据权利要求1所述的烃源岩有机碳热解分析的方法，其特征在于：所述氧气管道接氧气源或者空气源，所述氦气管道接氦气源。
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