科研進(jìn)展
干酪根分子結(jié)構(gòu)對多尺度解析油氣生成關(guān)鍵機(jī)制研究獲新進(jìn)展
干酪根作為烴源巖中有機(jī)質(zhì)的主要組成部分，是油氣生成的母質(zhì)，其復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)直接影響油氣的生成效率和性質(zhì)。干酪根分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜異質(zhì)性及其與生烴反應(yīng)活性之間的關(guān)系，是油氣地球化學(xué)研究中的核心科學(xué)問題之一。明確干酪根分子結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)轫搸r油的高效開發(fā)提供理論支撐和技術(shù)保障。
中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西安工程大學(xué)、西安交通大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)，以新疆準(zhǔn)噶爾盆地二疊系蘆草溝組干酪根為研究對象，系統(tǒng)闡明了蘆草溝組干酪根并非均質(zhì)大分子，而是由多種結(jié)構(gòu)單元組成，包括長鏈脂肪族碳、支鏈和飽和環(huán)結(jié)構(gòu)，以及多種芳香族環(huán)和雜原子官能團(tuán)。這種復(fù)雜的分子異質(zhì)性不僅深刻影響熱裂解過程中的反應(yīng)路徑，還決定了生成油氣的產(chǎn)率和化學(xué)性質(zhì)。
研究團(tuán)隊(duì)采用多種先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，結(jié)合分子動力學(xué)模擬和量子化學(xué)計(jì)算，全面揭示了蘆草溝組干酪根內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)單元的分布特征及其對油氣生成的調(diào)控作用。分析顯示，干酪根中的脂肪族碳主要以長鏈線性亞甲基為主，部分區(qū)域富含高度支鏈和飽和環(huán)結(jié)構(gòu)，芳香族碳則表現(xiàn)出不同程度的取代和聚合。氧、氮、硫等雜原子以多種化學(xué)態(tài)存在，尤其芳香族雜環(huán)結(jié)構(gòu)對電子分布和化學(xué)反應(yīng)活性影響顯著。這些微觀結(jié)構(gòu)差異使干酪根在熱裂解時(shí)表現(xiàn)出不同的反應(yīng)傾向和產(chǎn)物特征，進(jìn)而影響油氣的組成和物理性質(zhì)。
模擬結(jié)果表明，長鏈脂肪族結(jié)構(gòu)賦予干酪根較強(qiáng)柔韌性，促進(jìn)芳香單元的非共面排列，有利于熱裂解反應(yīng)的進(jìn)行。而富含支鏈和飽和環(huán)的區(qū)域則通過π-π堆積增強(qiáng)分子間作用力，提高整體熱穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)致密性。這種多尺度的分子結(jié)構(gòu)差異有效解釋了不同干酪根生成油氣在黏度、密度及組分上的顯著差異，揭示了干酪根分子結(jié)構(gòu)對油氣生成性能的決定性作用。
該研究系統(tǒng)揭示了二疊系蘆草溝組干酪根復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)及其對油氣生成的深刻影響，深化了對陸相烴源巖成烴機(jī)理的理解，揭示了分子結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，為熱解反應(yīng)機(jī)理提供了微觀電子學(xué)基礎(chǔ)，推動了頁巖油生成理論的創(chuàng)新。該研究成果為優(yōu)化頁巖油熱解轉(zhuǎn)化工藝、提升油氣產(chǎn)率及改善油品質(zhì)量提供了理論支撐，有助于推動我國非常規(guī)油氣資源的綠色高效開發(fā)。
研究成果以Multiscale Elucidation of kerogen heterogeneity in Lucaogou Formation based on experiment and simulation: Structural Determinants of reactivity and stability for shale oil conversion為題發(fā)表于國際權(quán)威期刊Fuel上。西北研究院李友杰博士研究生為論文第一作者，陶輝飛研究員和李中平研究員為論文通訊作者。本研究得到中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)穩(wěn)定支持項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金和甘肅省科技計(jì)劃項(xiàng)目的資助。
論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.fuel.2025.135898
蘆草溝頁巖干酪根模型的3D分子構(gòu)象
蘆草溝頁巖干酪根的固態(tài)核磁共振譜圖及其擬合曲線
