科研進展
干酪根分子結構對多尺度解析油氣生成關鍵機制研究獲新進展
干酪根作為烴源巖中有機質的主要組成部分，是油氣生成的母質，其復雜的分子結構直接影響油氣的生成效率和性質。干酪根分子結構的復雜異質性及其與生烴反應活性之間的關系，是油氣地球化學研究中的核心科學問題之一。明確干酪根分子結構，能夠為頁巖油的高效開發(fā)提供理論支撐和技術保障。
中國科學院西北生態(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、西安交通大學科研團隊，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(tǒng)闡明了蘆草溝組干酪根并非均質大分子，而是由多種結構單元組成，包括長鏈脂肪族碳、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性不僅深刻影響熱裂解過程中的反應路徑，還決定了生成油氣的產率和化學性質。
研究團隊采用多種先進實驗技術，結合分子動力學模擬和量子化學計算，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態(tài)存在，尤其芳香族雜環(huán)結構對電子分布和化學反應活性影響顯著。這些微觀結構差異使干酪根在熱裂解時表現出不同的反應傾向和產物特征，進而影響油氣的組成和物理性質。
模擬結果表明，長鏈脂肪族結構賦予干酪根較強柔韌性，促進芳香單元的非共面排列，有利于熱裂解反應的進行。而富含支鏈和飽和環(huán)的區(qū)域則通過π-π堆積增強分子間作用力，提高整體熱穩(wěn)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(tǒng)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之間的內在聯(lián)系，為熱解反應機理提供了微觀電子學基礎，推動了頁巖油生成理論的創(chuàng)新。該研究成果為優(yōu)化頁巖油熱解轉化工藝、提升油氣產率及改善油品質量提供了理論支撐，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院基礎研究領域青年團隊穩(wěn)定支持項目、國家自然科學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
蘆草溝頁巖干酪根模型的3D分子構象
蘆草溝頁巖干酪根的固態(tài)核磁共振譜圖及其擬合曲線
