ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2008, № 3, с. 3-5
УДК 541.6:553.98:620.18
МОДЕЛЬ МАГМАТИЧЕСКОГО ТЕРМОЛИЗА УГОЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА В НЕДРАХ (краткое сообщение)
© 2008 г. Ю. М. Королёв *, С. Г. Гагарин **
* Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН, Москва
E-mail: korolev@ips.ac.ru
** ФГУП "Институт горючих ископаемых - научно-технический центр по комплексной переработке
твердых горючих ископаемых", Москва E-mail: s-g-gagarin@yandex.ru Поступила в редакцию 12.07.2007 г.
На основе комбинированной системы уравнений передачи тепла от магматической интрузии к угольному пласту и кинетики термических превращений угля построена модель контактового термолиза, иллюстрированная генерацией нефтяных углеводородов в недрах при термолизе сапропелевого вещества богхеда.
Как известно, формирование пластов ископаемых углей в недрах в отдельных случаях сопровождалось воздействием на них силлов и даек, внедрявшихся в угленосную толщу магматических пород. Высокие температуры магматических интрузий приводили к так называемому контактовому метаморфизму угля, результаты которого широко проявились, например, в Тунгусском и Таймырском бассейнах, а также в Кузнецком бассейне (Томь-Усинский район), на месторождениях Северо-Востока России и других регионов [1, 2].
Предполагали [3], что палеотепловые потоки магмы интрузий могли активизировать незавершенные ранее превращения угля с формированием на основе сапропелевого органического вещества (ОВ) залежей углеводородов. В работах [4, 5] нефтеобразование рассматривают как двух-этапный процесс, на первом этапе которого происходит полимеризация ОВ биогенного или абиогенного генезиса с образованием полинафтеновой составляющей угля, регистрируемой рентгенографически. Этот этап представляет собой типичный процесс регионального метаморфизма. Второй этап - разложение полинафтенового компонента под действием температуры >400°С с образованием жидких, в частности нафтеновых углеводородов нефтяного ряда.
Ниже изложены результаты моделирования второго этапа на примере термолиза в недрах ОВ оленекского богхеда, практически полностью представленного полинафтеновой фазой Нф. Предполагали, что теплоперенос от интрузии с темпе-
ратурой 800-1000°С к пласту богхеда (мощностью 1 м) через прослой породы (10 м) описывается уравнением теплопроводности [6]:
dt
дт
_ a(t)
_ X (t)
{ div[X( t) grad( t)]},
(1)
где т - время; §гаё(0 - градиент температуры; ¿Мг] - дивергенция величины г; А,(0 и а(г) - температурные функции соответственно теплопроводности и температуропроводности, связанные между собой соотношением а = АДрср), в котором р - плотность; ср - теплоемкость. Теплопроводность пород (например, для Сибирской платформы [3]) находится в интервале 2-4 Вт • м-1 • К-1, что покрывает возможное влияние температуры на ее величину, поэтому для породы принято промежуточное постоянное значение \.Оск = 3 Вт • м-1 • К-1 (аГОск = 0.0025 м2/ч). В таком приближении уравнение (1) запишется как
dt,
rock
д21
дт
_ а
rock
rock
д x
(2)
где х - расстояние от внешней границы интрузии. Для природных ОВ физико-химические свойства изучены более детально [7]; в проведенных расчетах приняты зависимости, полученные для углей. Распределение температуры в слое ОВ опишется уравнением
d t o
а org (t) д
дт Kg(t) dx
X (t)dtorg X°rg(t) дx
4
КОРОЛЁВ, ГАГАРИН
Параметры температурного поля пласта ОВ и оценки средней степени ожижения богхеда под воздействием интрузии
т, ч
Палеотемпература пласта, °С
100 150
г (°С) в слое ОВ* аср, % г (°С) в слое ОВ* аср, %
1 2 1 2
0
0.5 1
1.5
2 4 6 8 10 12
100 121 124 127 129 134 137 140 142 144
Температура интрузии 800°С
100 102 105 107 109 116 121 124 127 129
0
1.4
2.9 4.3 5.7 11.3
16.7 21.9 27.0
31.8
150 169 173 175 177 182 185 187 189 191
Температура интрузии 1000°С
150 152 154 156 158 165 169 172 175 177
0
3.9 7.8 11.4
15.0
28.1 39.4 49.0 57.9 64.3
0 100 100 0 150 150 0
0.5 127 102 1.4 176 152 4.0
1 131 106 3.0 180 155 7.8
1.5 134 109 4.4 183 158 11.5
2 137 112 8.6 185 161 15.1
4 144 121 11.4 192 169 28.3
6 148 127 17.0 196 175 39.8
8 151 131 20.6 199 179 49.6
10 154 135 23.5 201 182 57.9
12 156 138 25.8 203 185 65.0
* 1 - На границе породы и ОВ (подошва пласта); 2 - в пласте на удалении в 20 см от подошвы.
Расчеты вели численным методом от момента подхода интрузии к пласту, с шагом по времени Ат = 0.002 ч и разбивкой массивов породы (10 м) и ОВ (1 м) на 100 и 20 ячеек длиной 10 и 5 см соответственно. Полагали, что процесс термолиза ОВ протекает по закону первого порядка [8] с эффективной константой скорости, подчиняющейся уравнению Аррениуса
С(Нф; т} = С(Нф; т - Ат}ехр(-кАт),
(5)
к = к0ехр(-Еа/ЯТ),
(4)
где к0 - предэкспоненциальный множитель, ч-1; Еа - кажущаяся энергия активации, кДж/моль; Т-абсолютная температура, К; Я - газовая постоянная (8.31451 Дж • моль-1 • К-1). Для всех ячеек ОВ на каждом шаге по времени т вычисляли концентрацию рентгенографической фазы Нф по интегральной форме уравнения первого порядка:
где константа скорости к определяется по (4) для температуры г0Щ, рассчитанной по (3) для соответствующей ячейки ОВ к моменту времени т. Степень превращения (%) фазы Нф составит
а{Нф; т} = 100 (1 - С(Нф; т}/С(Нф; 0}, (6)
где С{Нф; 0} - содержание Нф в исходном ОВ. Для оленекского богхеда, выбранного в качестве моделируемого ОВ, С{Нф; 0} = 100%. При этом основные продукты термолиза - жидкие нефтяные углеводороды [9].
Результаты расчета температурного поля вблизи подошвы пласта ОВ и оценки средней степени ожижения аср (на весь пласт) под воздействием интрузии с температурой 800 и 1000°С приведены в таблице. Если подошва пласта про-
ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА < 3 2008
МОДЕЛЬ МАГМАТИЧЕСКОГО ТЕРМОЛИЗА УГОЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА В НЕДРАХ
5
гревается относительно быстро (скорость подъема температуры 3.7-4.2 град/ч), то прогрев пласта ОВ более медленный. При этом значения степени ожижения богхеда повышаются с ростом палео-температуры пласта и температуры интрузии. Вследствие высокой реакционной способности сапропелевого ОВ близлежащие к прогреваемой породе слои с повышенной температурой подвергаются ожижению в первую очередь. Генерированная нефть при отсутствии стока, по-видимому, может участвовать в ожижении последующих слоев ОВ по механизму термического растворения.
Таким образом, при воздействии магматической интрузии на соответствующее ОВ в недрах вполне вероятно протекание быстрого (относительно геологического времени) термолиза с образованием жидкоподвижных соединений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иванов Г.А. Угленосные формации (закономерности строения, образования, изменения и генетическая классификация). Л.: Наука, 1967. 409 с.
2. Богданова Л.А. // Метаморфизм углей и эпигенез вмещающих пород. Л.: Наука, 1968. С. 205.
3. Аммосов ИИ. // Петрология органических веществ в геологии горючих ископаемых. М.: Наука, 1987. С. 18.
4. Королев ЮМ. // Нефтехимия. 2001. Т. 41. № 4. С. 258.
5. Королев Ю.М. // Докл. РАН. 2002. Т. 382. № 3. С. 362.
6. Самарский А.А. Введение в численные методы. М.: Изд-во МГУ, 1978. 270 с.
7. Агроскин А.А., Глейбман А.Б. Теплофизика твердого топлива. М.: Недра, 1980. 256 с.
8. Гордадзе Г.Н. Термолиз органического вещества в нефтегазопоисковой геохимии. М.: ИГиРГИ, 2002. 336 с.
9. Королев Ю.М., Гагарин С.Г. // Нефтехимия. 2003. Т. 43. № 5. С. 334.
Model of the Magmatie Thermolysis of Coal Matter Deep in the Earth
(Short Communication)
Yu. M. Koroleva and S. G. Gagarinb
a Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis, Russian Academy of Sciences, Leninskii pr. 29, Moscow, 119991 Russia
e-mail: korolev@ips.ac.ru b Institute for Fossil Fuels, Leninskii pr. 29, Moscow, 119991 Russia e-mail: s-g-gagarin@yandex.ru Received July 12, 2007
A model of contact thermolysis was constructed based on a combined set of equations for heat transfer from a magmatic intrusion to a coal bed and the kinetics of thermal coal conversion. This model was illustrated by the generation of petroleum hydrocarbons deep in the earth by the thermolysis of the sapropelic matter of boghead.
ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА < 3 2008
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.