科研進(jìn)展
干酪根分子結構對多尺度解析油氣生成關(guān)鍵機制研究獲新進(jìn)展
干酪根作為烴源巖中有機質(zhì)的主要組成部分，是油氣生成的母質(zhì)，其復雜的分子結構直接影響油氣的生成效率和性質(zhì)。干酪根分子結構的復雜異質(zhì)性及其與生烴反應活性之間的關(guān)系，是油氣地球化學(xué)研究中的核心科學(xué)問(wèn)題之一。明確干酪根分子結構，能夠為頁(yè)巖油的高效開(kāi)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隊聯(lián)合西安工程大學(xué)、西安交通大學(xué)科研團隊，以新疆準噶爾盆地二疊系蘆草溝組干酪根為研究對象，系統闡明了蘆草溝組干酪根并非均質(zhì)大分子，而是由多種結構單元組成，包括長(cháng)鏈脂肪族碳、支鏈和飽和環(huán)結構，以及多種芳香族環(huán)和雜原子官能團。這種復雜的分子異質(zhì)性不僅深刻影響熱裂解過(guò)程中的反應路徑，還決定了生成油氣的產(chǎn)率和化學(xué)性質(zhì)。
研究團隊采用多種先進(jìn)實(shí)驗技術(shù)，結合分子動(dòng)力學(xué)模擬和量子化學(xué)計算，全面揭示了蘆草溝組干酪根內部不同結構單元的分布特征及其對油氣生成的調控作用。分析顯示，干酪根中的脂肪族碳主要以長(cháng)鏈線(xiàn)性亞甲基為主，部分區域富含高度支鏈和飽和環(huán)結構，芳香族碳則表現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)結構對電子分布和化學(xué)反應活性影響顯著(zhù)。這些微觀(guān)結構差異使干酪根在熱裂解時(shí)表現出不同的反應傾向和產(chǎn)物特征，進(jìn)而影響油氣的組成和物理性質(zhì)。
模擬結果表明，長(cháng)鏈脂肪族結構賦予干酪根較強柔韌性，促進(jìn)芳香單元的非共面排列，有利于熱裂解反應的進(jìn)行。而富含支鏈和飽和環(huán)的區域則通過(guò)π-π堆積增強分子間作用力，提高整體熱穩定性和結構致密性。這種多尺度的分子結構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(zhù)差異，揭示了干酪根分子結構對油氣生成性能的決定性作用。
該研究系統揭示了二疊系蘆草溝組干酪根復雜的分子結構及其對油氣生成的深刻影響，深化了對陸相烴源巖成烴機理的理解，揭示了分子結構與電子性質(zhì)之間的內在聯(lián)系，為熱解反應機理提供了微觀(guān)電子學(xué)基礎，推動(dòng)了頁(yè)巖油生成理論的創(chuàng )新。該研究成果為優(yōu)化頁(yè)巖油熱解轉化工藝、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(dòng)我國非常規油氣資源的綠色高效開(kāi)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)院基礎研究領(lǐng)域青年團隊穩定支持項目、國家自然科學(xué)基金和甘肅省科技計劃項目的資助。
論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.fuel.2025.135898
蘆草溝頁(yè)巖干酪根模型的3D分子構象
蘆草溝頁(yè)巖干酪根的固態(tài)核磁共振譜圖及其擬合曲線(xiàn)
