碳酸盐岩沉积层中影响天然气保存的化学机理研究
碳酸盐岩地层中常伴有硫酸盐岩的沉积,在一定温度和压力下,干酪根降解生成的烃类与硫酸盐岩接触后发生热化学还原反应(ThermochemicalSulfateReduction,以下简称TSR)。TSR反应属于有机-无机相互作用范畴,一方面通过H2S酸性气藏的形成,对天然气保存及其演化产生重要影响;另一方面H2S气体与大量金属氧化物反应生成硫化物矿床,对硫的循环产生深远影响。 利用高压釜反应装置,对气态烃和硫酸钙反应体系以及金属硫化物生成体系分别进行了热模拟实验,借助于先进的分析技术,确定了反应发生的可能性和途径,进行了热力学和动力学研究,并对反应机理进行...
碳酸盐岩地层中常伴有硫酸盐岩的沉积,在一定温度和压力下,干酪根降解生成的烃类与硫酸盐岩接触后发生热化学还原反应(ThermochemicalSulfateReduction,以下简称TSR)。TSR反应属于有机-无机相互作用范畴,一方面通过H2S酸性气藏的形成,对天然气保存及其演化产生重要影响;另一方面H2S气体与大量金属氧化物反应生成硫化物矿床,对硫的循环产生深远影响。 利用高压釜反应装置,对气态烃和硫酸钙反应体系以及金属硫化物生成体系分别进行了热模拟实验,借助于先进的分析技术,确定了反应发生的可能性和途径,进行了热力学和动力学研究,并对反应机理进行了探讨。在此基础上,将温度外推至地质温度下,得到了TSR反应在地质条件下的反应半衰期,根据实际地质条件中地温梯度和沉降速率,得到了气态烃和硫酸钙反应转化率x随埋藏时间t和埋深H的变化关系,并结合川东地区飞仙关组对模拟实验结果进行了实例验证。 模拟实验结果表明,当温度低于400℃时,气态烃和硫酸钙在短时间内难以反应,当温度超过400℃以后,气态烃和固态硫酸钙可以发生反应,能够产生高浓度的硫化氢气体、碳酸钙和水。气态烃和硫酸钙反应体系的吉布斯自由能△rG都小于零,说明这些反应在热力学上都是可行的,能够自发进行,升高温度对气态烃和硫酸钙反应有利。与模拟实验温度450-700℃相对应的地质温度大约为160-200℃,这证明了反应主要发生在深埋地质体中,影响天然气的保存。根据动力学计算结果,甲烷和硫酸钙反应的活化能为152.919kJ/mol,甲烷和含硫酸钙源岩反应的活化能为197.565kJ/mol,乙烷和硫酸钙反应的活化能为130.953kJ/mol,丙烷和硫酸钙反应的活化能为120.582kJ/mol。 硫化氢和氧化铁反应的含水体系和非水体系的研究表明,反应属于低温反应,温度和水介质的影响较大,反应产物是铁的多硫化物,组成随温度的不同而异,但是不同的反应体系都证明了黄铁矿是铁硫化合物中最稳定的存在形式。反应的吉布斯自由能△rG小于零,说明反应在热力学上是可行的,能够自发进行,升高温度对反应不利。由于反应温度较低,该反应在地质条件下可以发生,对于天然气的保存和硫的循环具有重要意义。根据动力学计算结果,非水体系中FeS2的生成活化能为26.164kJ/mol,Fe2O3的消失活化能为24.389kJ/mol。含水体系中FeS2的生成活化能为21.902kJ/mol,Fe2O3的消失活化能为21.237kJ/mol。 在TSR反应的地质应用中,根据动力学参数,将温度外推至地质温度,得到CH4-CaSO4反应体系200℃时硫酸钙的半衰期为1.44×106年。结合有关的地质参数计算发现,如果地质体升温速率越大,达到相同的反应转化率所需的埋藏时间越短,对应的埋藏深度也越浅。根据四川盆地东北部三叠系飞仙关组计算结果,当气态烃和硫酸钙的反应转化率达到1%时,埋深为3795m,而当转化率达到17%时,埋深为4581m。
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作者: 岳长涛
学科专业: 化学工程与技术
授予学位: 博士
导师姓名: 李术元
学位年度: 2004
语 种: chi
分类号: TE122 TE132