根据热成熟度，中国陆相页岩油可分为中-高成熟度页岩油（Ro=1.0%～1.5%）和中-低成熟度页岩油（Ro＝0.5%～1.0%）（杜金虎 等，2019; 胡素云 等，2020）。中-高成熟度页岩油已经处于液态，可动烃比例高、地层压力大，依靠水平井体积压裂技术可以实现经济有效开发（胡素云 等，2020; 赵文智 等，2020; 邹才能 等，2020）。而中-低成熟度页岩，由于干酪根尚未进入生烃主期，可动烃比例低。油粘度高、流动性差，需要考虑加热、注气等技术提高油的流动性（金之钧 等，2019）。目前，中-低成熟度页岩油资源规模效益开发利用的可行方式是地下原位加热转化技术（王子杰 等，2020; 赵文智 等，2018），即利用水平井电加热轻质化技术实现页岩中重质油、沥青和各类有机物大规模转化为轻质油、凝析油、气态烃，同时通过加热使得页岩层间微裂缝大规模形成或增加，使油气疏导能力也得到提升。
地下原位转化的资源潜力由尚未转化有机质的生烃潜力和已生成尚未排出的滞留烃量共同决定（赵文智 等，2018）。目前利用生烃动力学计算原位加热产物的研究主要是基于干酪根样品（Brandt, 2008; Hou et al., 2022; 张斌 等，2019）。但中-低成熟度烃源岩中已经存在生成的重烃，可以用溶剂抽提得到（Behar et al., 2010），即可抽提沥青受热裂解也会大量生烃。因此，中-低成熟度页岩原位转化产物有两个来源：干酪根和可抽提沥青。目前研究对可抽提沥青对原位转化产物的贡献和影响涉及较少，使得工业界难以对原位加热的产物、数量及来源比例进行准确评价。另一方面，如何确定适当的加热温度和加热时间，以最小的能源消耗得到最佳的油气产物组合和最大的开发资源，通过合适的原位加热方式获得最大的经济效益也是工业界面临的现实问题。
针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室孙宇博士在导师王云鹏研究员和刘金钟研究员及中石化勘探开发研究院王益维高工指导下，提出中-低成熟度页岩原位转化需考虑可抽提沥青的生烃潜力和影响，并通过实验对比了不同升温速率、不同升温路径（先慢速后快速、先快速后慢速）、恒温加热三种情况下干酪根和抽提沥青的生烃组分特征，明确了产物中来自干酪根的贡献率和不同升温情况的产率。
研究将干酪根产物占总产物的比例定义为干酪根贡献率（图1）。在不同升温速率下，初始阶段时99%的甲烷产物来自干酪根。除287~332℃外，随着温度的升高，干酪根贡献率不断降低，600℃时降至27.27%，说明随着温度升高，原位加热中甲烷产物主要来自抽提沥青。
先慢速后快速加热（T1-5）和先快速后慢速加热（T5-1）两种加热方式的气体产物曲线在300℃处交错，在310～347℃范围内, 先快速后慢速加热过程的甲烷和C2-5含量高于先慢速后快速加热产物 （图1）。先慢速后快速加热方式下， C6-14的干酪根贡献率含量中从99 %开始持续降低,而先快速后慢速加热方式下C6-14的干酪根贡献率含量始终低于12%，说明高温条件下原位转化过程中的C6-14主要由抽提沥青生成。
（T1、T2 和 T3 分别代表以1°C/天、3°C/天和5°C/天的升温加热方式; T1-5和T5-1分别代表先以1°C/天加热至300°C，然后再以5°C/天加热；先以5°C/天加热至300°C，然后再以1°C/天加热。）
图1 不同升温加热方式下原位产物各组分干酪根贡献率
在恒温加热方式下，所有组分的干酪根贡献率均随温度的升高而降低（图2）。300、350和400℃恒温加热条件下生成甲烷中干酪根贡献率分别为55.22 %、40.22 %和31.26 %，生成的C2-5和C6-14干酪根贡献率最终降至2 %，表明恒温条件下烃类产物主要来源于抽提沥青。
图2 不同恒温加热方式下原位产物各组分干酪根贡献率
在1℃/天、3℃/天和5℃/天升温速率下达到最大产量温度分别为420℃、430℃和436℃。加热产物组成随温度变化，在加热最终阶段，重质组分发生裂解，含量降低，生成CO2和其他非烃气体，总烃产量降低。恒温加热方式的温度也控制着总烃产量，恒温300℃、350℃和400℃加热的最大总烃产量分别为10.90 mg/g、22.71 mg/g和21.29 mg/g。恒温400℃时最终总烃产量降至17.99 mg/g，表明原位加热的温度设定需要避免温度过高或过低。
总烃产量相似时，1℃/天的升温速率下加热到最大温度（420℃）的时间约为1.1年，而先快速后慢速加热反方式仅需0.48年，可节省226天。相比之下，在350℃和400℃的恒温加热温度下，达到最大产量的时间分别为5年和1.15年。因此，推荐原位转化采用先快速后慢速加热方式。
图3 不同加热方式下总烃和CO2产率特征
本研究明确了中-低成熟度页岩油原位转化过程产物有两个来源：干酪根和可抽提沥青。随着温度升高，甲烷和C2-5等产物的干酪根贡献率逐渐降低，产物主要来自可抽提沥青。原位加热过程中不同加热方式达到最大产率的时间和升温速率不同，本研究推荐先快后慢加热方式。上述研究结果对于我国陆相中低成熟度页岩油开发方案制订具有重要的指导意义。
本研究受到国家自然科学基金（42273053，42203054）和地球多圈层作用油气富集理论项目（THEMSIE04010104）资助。相关研究成果近期发表在国际热解领域期刊Journal of Analytical and Applied Pyrolysis。
论文信息：
Yu Sun（孙宇）, Yiwei Wang（王益维）, Jinzhong Liu（刘金钟）,Yunpeng Wang（王云鹏）. A pyrolysis study of kerogen and extracted bitumen from a lacustrine shale of the Shahejie Formation and implications for in-situ conversion processes. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2024, 183, 106735.
论文链接（https://doi.org/10.1016/j.jaap.2024.106735）
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