Zastosowanie metod termicznych TG/DSC do celów prospekcji naftowej

• Autorzy: Labus Małgorzata

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2019.01.01

Warianty tytułu

EN

Application of TG/DSC thermal methods in petroleum prospecting

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Metody termiczne pozwalają na badanie przebiegu reakcji chemicznych i przemian fazowych zachodzących w czasie ogrzewania lub chłodzenia substancji. Niektóre z nich pozwalają także wyznaczać parametry termodynamiczne i kinetyczne reakcji. Celem niniejszego artykułu było przeglądowe zaprezentowanie podstaw metodycznych analizy termograwimetrycznej (TG/DTG) i skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC), a także ich możliwości analitycznych. Przytoczone przykłady interpretacji otrzymanych krzywych w odniesieniu do próbek geologicznych, ze szczególnym uwzględnieniem skał łupkowych typu gas shale i skał macierzystych dla ropy naftowej, zostały wybrane z kilku publikowanych lub niepublikowanych opracowań. Badaniu poddawano sproszkowane próbki skał lub wypreparowany kerogen. Zaprezentowano przykład interpretacji składu mineralnego skały na podstawie termogramu analizy wykonanej w atmosferze utleniającej. Pokazano także, na przykładzie, porównanie analizy TG/DSC w atmosferze obojętnej z wynikami analizy Rock-Eval. Oprócz wysokiej korelacji otrzymanych wyników wykazano, że metody TG/DTG/DSC umożliwiają uzyskanie dodatkowych informacji w stosunku do podstawowej metody badawczej stosowanej w geologii naftowej, jaką jest Rock-Eval. Pozwalają one mianowicie uściślić stopień dojrzałości kerogenu, stwierdzić ewentualną wieloetapowość jego rozkładu, a ponadto obliczyć ilościowo (na podstawie krzywej TG) wielkość ubytku masy na poszczególnych etapach rozkładu. Przeprowadzenie eksperymentu TG/DSC w atmosferze utleniającej pozwala na określenie wielkości entalpii reakcji rozkładu materii organicznej zawartej w skale. Entalpia ta określona w przebadanych próbkach bardzo dobrze koreluje z parametrem TOC z analizy pirolitycznej Rock-Eval. Ostatni z zaprezentowanych przykładów odnosi się do procedury obliczania parametrów kinetyki rozkładu materii organicznej (energii aktywacji i stałej Arrheniusa), co w odniesieniu do kerogenu jest jednym z podstawowych zadań geochemii organicznej. Na podstawie przeprowadzonych analiz na próbkach oligoceńskich łupków menilitowych stwierdzono, że w tym przypadku metoda nieizotermiczna daje lepsze rezultaty.

EN

Thermal methods allow to examine the course of chemical reactions and phase changes occurring during heating or cooling of substances. Some of them also allow to determine the thermodynamic and kinetic parameters of the reaction. This article presents the basic methodology of TG and DSC methods, as well as their analytical capabilities. The aim of the article was to review the methodological bases of thermogravimetric analysis (TG/DTG) and differential scanning calorimetry (DSC) as well as their analytical capabilities. Examples of interpretation of curves obtained in relation to geological samples, with particular emphasis on gas shale and source rocks for crude oil, were selected from several published or unpublished studies. Powdered rock samples or separated kerogen were subjected to testing. An example of the interpretation of rock mineral composition based on a thermogram from analysis performed in an oxidizing atmosphere is presented. It also shows, for example, the comparison of TG/DSC (in an inert atmosphere) with Rock-Eval analysis results. In addition to the high correlation of the obtained results, it was shown that the TG/DTG/DSC methods allow to obtain additional information in relation to those from the basic research method used in oil geology, which is Rock-Eval. They allow to specify the degree of kerogen’s maturity, to determine the possible multistage character of its degradation, and also to quantify (based on the TG curve) the amount of mass loss at individual stages of the decomposition. Conducting the TG/DSC experiment in an oxidizing atmosphere allows the determination of the enthalpy of the reaction of the combustion of organic matter contained in the rock. This enthalpy determined in the samples tested, correlates very well with the TOC parameter from the Rock-Eval pyrolytic analysis. The last of the presented examples refers to the procedure for calculating the parameters of the kinetics of organic matter pyrolysis (activation energy and Arrhenius constant), which in relation to kerogen is one of the basic tasks of organic geochemistry. Based on the analyzes carried out on samples of oligocene Menilite Shales, it was found that in this case the non-isothermal method gives better results.

Słowa kluczowe

PL

termograwimetria TG/DTG; skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC); materia organiczna; skały łupkowe typu gas shale; łupki menilitowe

EN

termogravimetry TG/DTG; differential scanning calorimetry (DSC); organic matter; gas-shale; Menilite Shales

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2019
• Tom: R. 75, nr 1
• Strony: 3--9
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Labus Małgorzata

• Politechnika Śląska, Wydział Górnictwa i Geologii

Bibliografia

• Ballice L., Yüksel M., Saglam M., Schulz H., Hanoglu C., 1995. Application of infrared spectroscopy to the classification of kerogen types and the thermogravimetrically derived pyrolysis kinetic of oil shales. Fuel, 74: 1618–1623.
• Fan C., Yan J., Huang Y., Han X., Jiang X., 2015. XRD and TG-FTIR study of the effect of mineral matrix on the pyrolysis and combustion of organic matter in shale char. Fuel, 139: 502–510.
• Kok M.V., 2001. Thermal investigation of Seyitomer oil shale. Thermochimica Acta, 369: 149–155.
• Kosakowski P., Więcław D., Kotarba M.J., 2009. Charakterystyka macierzystości wybranych utworów fliszowych w przygranicznej strefie polskich Karpat Zewnętrznych. Geologia, 35: 155–190.
• Labus M., 2017. Thermal methods implementation in analysis of fine-grained rocks containing organic matter. J. Therm. Anal. Calorim., 129: 965–973.
• Labus M., Kierat M., Matyasik I., Spunda K., Kanis M., Janiga M., Bieleń W., 2018. Charakterystyka generacyjna warstw menilitowych w oparciu o zintegrowane wyniki analiz termicznych. Kraków: Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy. Materiały konferencyjne Geopetrol 2018.
• Labus M., Lempart M., 2018. Studies of Polish Paleozoic shale rocks using FTIR and TG/DSC methods. J. Petrol. Sci. Eng., 161: 311–318.
• Labus M., Matyasik I., 2018. Application of different thermal analysis techniques for the evaluation of petroleum source rocks. J. Therm. Anal. Calorim., DOI: 10.1007/s10973-018-7752-3.
• Lewan M.D., Kotarba M.J., Curtis J.B., Więcław D., Kosakowski P., 2006. Oil-generation kinetics for organic facies with Type-II and -IIS kerogen in the Menilite Shales of the Polish Carpathians. Geochimica et Cosmochimica Acta, 70: 3351–3368.
• Marshall C.P., Kannangara G.S.K, Wilson M.A., Guerbois J.P., Hartung-Kagi B., Hart G., 2002. Potential of thermogravimetric analysis coupled with mass spectrometry for the evaluation of kerogen in source rocks. Chemical Geology, 184: 185–194.
• Matyasik I., Słoczyński T., 2012. Obliczanie rozkładu energii aktywacji kerogenu w modelowaniu systemów naftowych niekonwencjonalnych złóż węglowodorów. Kraków: Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy. Materiały konferencyjne Geopetrol 2012.
• Schmidt C.M., Heide K., 2001. Thermal analysis of hydrocarbons in Paleozoic black shales. J. Therm. Anal. Calorim., 64: 1297–1302.
• Skala D., Korica S., Vitorović D., Neumann H.J., 1997. Determination of kerogen type using DSC and TG analysis. J. Therm. Anal., 49: 745–753.
• Warne S.St.J., Dubrawski J.V., 1989. Applications of DTA and DSC to coal and oil shale evaluation. J. Therm. Anal., 35: 219–242.
• Yusupova T.N., Petrova L.M., Mukhametshin R.Z., Romanov G.V., Foss T.R., Ganeeva Yu.M., 1999. Distribution and composition of organic matter in oil- and bitumen-containing rocks in deposits of different ages. J. Therm. Anal. Calorim., 55: 99–107.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).