Energia aktywacji utworów warstw menilitowych i jej implikacje dla procesu generowania węglowodorów w Karpatach

• Autorzy: Spunda Karol , Słoczyński Tomasz

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2022.05.01

Warianty tytułu

EN

Activation energy of rocks of Menilite Beds and its implications for the hydrocarbon generation in the Carpathians

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule zaprezentowano procedurę obliczeń energii aktywacji kerogenu utworów warstw menilitowych oraz implikacje wynikające z jej zróżnicowania dla przebiegu procesu generowania węglowodorów w karpackim systemie naftowym. Powstawanie węglowodorów w skałach następuje w wyniku rozpadu złożonych związków organicznych (głównie związków węgla, wodoru i tlenu) budujących kerogen na cięższe i lżejsze węglowodory frakcji olejowej i gazowej. Proces jest reakcją termokatalityczną, której dynamika determinowana jest między innymi przez energię aktywacji kerogenu. Energia aktywacji jest jednym z podstawowych parametrów wejściowych implementowanych do numerycznych modeli systemów naftowych, dlatego jej oznaczenie jest bardzo istotne dla rzetelnego odtworzenia tego procesu, zachodzącego w naturalnych warunkach geologicznych i w skali czasu geologicznego. Obliczeń energii aktywacji dokonano na podstawie wyników oznaczeń parametrów kinetycznych reakcji krakingu kerogenu, który to kraking przeprowadzono w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych przy użyciu analizatora pirolitycznego Rock-Eval. Eksperyment polegał na nieizotermicznej pirolizie skał zawierających kerogen i rejestrowaniu szybkości reakcji (tempa generowania węglowodorów) w całym zakresie temperaturowym pirolizy. Energię aktywacji (Ea) i stałą Arrheniusa (A) obliczano z równania Arrheniusa, opisującego zależność stałych szybkości reakcji od temperatury. Do obliczeń wykorzystano model dyskretnej dystrybucji energii aktywacji (Ea) ze stałą wartością stałej Arrheniusa (A). Rozkład optymalizowano iteracyjnie metodą regresji liniowej i nieliniowej. Dla każdego z reagentów, o początkowej masie x0i, obliczono dyskretną wartość energii aktywacji (Eai). W tym przypadku i-ta reakcja równoległa odpowiadała wiązaniom chemicznym, które muszą zostać rozbite energią aktywacji (Eai) w cząsteczkach kerogenu. Optymalizacji rozkładu energii aktywacji dokonano przy użyciu oprogramowania Kinetics2015.

EN

The article presents the procedure for calculating the kerogen activation energy of rock of the Menilite Beds which are considered the main source rock of the Carpathian petroleum system. The formation of hydrocarbons in rocks occurs as a result of breakdown of complex organic compounds (mainly carbon, hydrogen and oxygen compounds) which build kerogen into heavier and lighter oil and gas hydrocarbons. This process is a thermocatalytic reaction, the dynamics of which is determined, inter alia, by the kerogen activation energy. The activation energy is one of the basic input parameters implemented into numerical models of petroleum systems. For this reason, the determination of the activation energy is very important for a reliable reconstruction of the hydrocarbon generation process in natural geological conditions and on the geological time scale. Activation energy calculations were made on the basis of the results of measurements of kinetic parameters of the kerogen cracking reaction, which (kerogen cracking) was carried out under controlled laboratory conditions using a Rock-Eval pyrolyser. The experiment consisted in non-isothermal pyrolysis of rocks containing kerogen and recording the rate of reaction (rate of hydrocarbon generation) over the entire temperature range of pyrolysis. The activation energy (Ea) and pre-exponential factor (A) were calculated using the Arrhenius equation describing the dependence of the reaction rate constants on the temperature. Discrete distribution of activation energies (Ea) model with a constant value of the pre-exponential factor (A) was used for the calculations. The energy distribution was optimized by iterative linear and non-linear regression. The discrete activation energy (Eai) was calculated for each reactant with an initial mass x0i. In this case, the “i-th” parallel reaction corresponds to chemical bonds that must be broken with an energy equal to Eai in the kerogen molecules. The activation energy distribution was optimized using the Kinetics2015 software.

Słowa kluczowe

PL

energia aktywacji; stała Arrheniusa; stała szybkości reakcji; Rock-Eval; warstwy menilitowe

EN

activation energy; pre-exponential factor; reaction rate constant; Rock-Eval; Menilite Beds

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 78, nr 5
• Strony: 327--335
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys.

Twórcy

autor

Spunda Karol

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Słoczyński Tomasz

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Behar F., Vandenbroucke M., Tang Y., Espitalie J., 1997. Thermal cracking of kerogen in open and closed systems: determination of kinetic parameters and stoichiometric coefficients for oil and gas generation. Organic Geochemistry, 26(5–6): 321–339. DOI:10.1016/S0146-6380(97)00014-4.
• Benson S.W., 1968. Thermodynamical Kinetics. Wiley and Sons, London and New York.
• Burnham A.K., 2017. Global Chemical Kinetics of Fossil Fuels. How to Model Maturation and Pyrolysis. Springer International Publishing. DOI: 10.1007/978-3-319-49634-4.
• Burnham A.K., Braun R.L., 1985. General kinetic model of oil shale pyrolysis. In Situ, 9: 1–23.
• Burnham A.K., Sweeney J.J., 1989. A chemical kinetic model of vitrinite maturation and reflectance. Geochimica et Cosmochimica Acta, 53: 2649–2657. DOI: 10.1016/0016-7037(89)90136-1.
• Espitalie J., Ungerer P., Irwin I., Marquis F., 1988. Primary cracking of kerogens. Experimenting and modelling C1, C2–C5, C6–C15 and C15+. Organic Geochemistry, 13(4–6): 893–899. DOI: 10.1016/0146-6380(88)90243-4.
• Glasstone S., Laidler K.J., Eyring H., 1941. The theory of rate processes. McGraw-Hill.
• Hanbaba P., 1967. Reaktionskinetische untersuchungen zur kohlenwasswer-stoffenbildung aus stienkohlen bei niedrigen aufheizgeschwindigkeiten (0.001 bis 1 grd/min). PhD thesis, Tech. Hochschule Aachen, Germany.
• Hantschel T., Kauerauf A.I., 2009. Fundamentals of Basin and Petroleum Systems Modeling. Springer. DOI: 10.1007/978-3-540-72318-9.
• Jankowski L., Probulski J., 2011. Rozwój tektoniczno-basenowy Karpat zewnętrznych na przykładzie budowy geologicznej złóż Grabownica, Strachocina i Łodyna oraz ich otoczenia. Geologia, 37: 555–583.
• Juntgen H., van Heek K.H., 1975. Gas release from coal as a function of rate of heating. Fuel, 48: 103–117.
• Sowiżdżał K., Słoczyński T., Sowiżdżał A., Papiernik B., Machowski G., 2020. Miocene Biogas Generation System in the Carpathian Foredeep (SE Poland): A Basin Modeling Study to Assess the Potential of Unconventional Mudstone Reservoirs. Energies, 13(7), 18386. DOI: 10.3390/en13071838.
• Spunda K., 2020. Modelowanie 1D procesów generowania węglowodorów z warstw istebniańskich w profilu odwiertu nawiercającego utwory jednostki śląskiej. Nafta-Gaz, 76(2): 67–75. DOI:10.18668/NG.2020.02.01.
• Spunda K., Słoczyński T., Sowiżdżał K., 2021. Ocena wpływu nasuwającego się górotworu karpackiego na przebieg procesów naftowych w utworach jego podłoża w rejonie Rzeszowa. Nafta-Gaz, 77(6): 351–365. DOI: 10.18668/NG.2021.06.01.
• Sweeney J.J., Burnham A.K., 1990. Evaluation of a simple model of vitrinite reflectance based on chemical kinetics. AAPG Bulletin,74: 1559–1570.
• Sweeney J.J., Burnham A.K., Braun R.L., 1987. A model of hydrocarbon generation from Type I kerogen: application to Uinta Basin, Utah. AAPG Bulletin, 71: 967–985.
• Tegelaar E.W., Noble R.A., 1994. Kinetics of hydrocarbon generation as a function of the molecular structure of kerogen as revealed by pyrolysis-gas chromatography. Organic Geochemistry, 22(3–5): 543–574. DOI: 10.1016/0146-6380(94)90125-2.
• Tissot B., Espitalié J., 1975. L'evolution thermique de la matière organique des sédiments : applications d'une simulation mathématique. Potentiel pétrolier des bassins sédimentaires de reconstitution del'histoire thermique des sédiments. Rev. Inst. Fr. Pét., 30: 743-778. DOI: 10.2516/ogst:1975026.
• Tissot B.P., Welte D.H, 1984. Petroleum Formation and Occurrence. Second edition. Springer–Verlag, Berlin. DOI: 10.1007/978-3-642-87813-8.
• Ungerer P., Burrus J., Doligez B., Chenet P.Y., Bessis F., 1990. Basin evaluation by integrated two-dimensional modeling of heat transfer, fluid flow, hydrocarbon generation and migration. AAPG Bulletin, 74: 309–335.
• Ungerer P., Pelet R., 1987. Extrapolation of kinetics of oil and gas formation from laboratory experiments to sedimentary basins. Nature, 327: 52–54. DOI: 10.1038/327052a0.
• Van Krevelen D.W., 1961. Coal. Typology–Chemistry–Physics–Constitution. Elsevier, Amsterdam.
• Vandenbroucke M., Behar F., Rudkiewicz L.J., 1999. Kinetic modelling of petroleum formation and cracking: implications from high pressure, high temperature Elgin Field (UK, North Sea). Organic Geochemistry, 30: 1105–1125.
• Waples D.W., 1980. Time and temperature in petroleum formation: application of Lopatin’s method to petroleum exploration. AAPG Bulletin, 64: 916–926.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).