干酪根熱解生烴分子模擬研究進(jìn)展

摘 要 【意義】干酪根是世界上最豐富的天然有機(jī)質(zhì)來(lái)源，研究干酪根的熱解對(duì)油頁(yè)巖的開(kāi)發(fā)利用具有重要的意義。傳統(tǒng)的熱解生烴模擬實(shí)驗(yàn)難以深入揭示干酪根熱解機(jī)理，而分子模擬方法可從原子分子水平上深入揭示干酪根熱解的微觀機(jī)理，是一種重要的研究手段?！具M(jìn)展】對(duì)干酪根熱解生烴的分子模擬研究進(jìn)展進(jìn)行了述評(píng)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別闡述了溫度、升溫速率、水、壓力、頁(yè)巖礦物組分對(duì)于干酪根熱解的影響。主要有：（1）構(gòu)建干酪根分子結(jié)構(gòu)模型最常用的方法是基于實(shí)驗(yàn)分析方法中獲得的元素、官能團(tuán)信息和結(jié)構(gòu)參數(shù)；（2）溫度、升溫速率、水、壓力、頁(yè)巖礦物組分對(duì)干酪根熱解產(chǎn)物分子數(shù)和組分均存在不同程度的影響，選擇合適的溫度和升溫速率可以使得頁(yè)巖油的產(chǎn)率達(dá)到最大；（3）H2O分子可促進(jìn)干酪根和重質(zhì)頁(yè)巖油的裂解，提高輕質(zhì)頁(yè)巖油和氣體的產(chǎn)率；（4）對(duì)比分子模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，分子模擬在定量描述方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，而在定性描述方面稍顯不足；（5）分子模擬通常采用提高模擬溫度的方法進(jìn)而縮短反應(yīng)時(shí)間來(lái)彌補(bǔ)地質(zhì)上的熱演化時(shí)間，這是目前分子模擬技術(shù)的缺陷之一；（6）干酪根的高溫模擬會(huì)產(chǎn)生大量的C2H4，這與實(shí)驗(yàn)事實(shí)和地質(zhì)概況不符，也是當(dāng)前分子模擬的不足之處?！菊雇空雇磥?lái)，干酪根熱解生烴分子模擬研究可在以下方面取得發(fā)展：（1）使用機(jī)器學(xué)習(xí)法快速構(gòu)建相對(duì)分子量達(dá)上百萬(wàn)，并且同時(shí)反映干酪根化學(xué)結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)的分子結(jié)構(gòu)模型；（2）建立富含頁(yè)巖礦物組分、地層水、有機(jī)酸以及無(wú)機(jī)鹽等多尺度且復(fù)雜的干酪根模型；（3）深入研究升溫速率、水的相態(tài)、地層水、壓力、礦物組分以及不同熱演化程度對(duì)干酪根熱解的影響；4）結(jié)合實(shí)際地質(zhì)概況探索低溫條件下干酪根的熱解生烴機(jī)制，進(jìn)而彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)—地質(zhì)—理論之間的鴻溝，為頁(yè)巖油和頁(yè)巖氣的勘探與開(kāi)發(fā)提供重要的參考信息和理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 干酪根；分子結(jié)構(gòu)模型；熱解機(jī)理；分子動(dòng)力學(xué)模擬；ReaxFF力場(chǎng)

第一作者簡(jiǎn)介 郭成波，男，1999年出生，碩士研究生，有機(jī)地球化學(xué)，E-mail： g1999gcb@163.com

通信作者 李美俊，男，教授，有機(jī)地球化學(xué)，E-mail： meijunli2008@hotmail.com

中圖分類號(hào) P618.13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

油氣是干酪根熱解生烴的產(chǎn)物，其熱解機(jī)理一直是受廣泛關(guān)注的重要基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的時(shí)溫補(bǔ)償原理，可以在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)提高模擬溫度，縮短反應(yīng)時(shí)間的方法來(lái)模擬有機(jī)質(zhì)在地質(zhì)條件下低溫漫長(zhǎng)的烴類生成過(guò)程。通過(guò)這種實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方法，一方面，為研究干酪根生烴動(dòng)力學(xué)機(jī)制、計(jì)算反應(yīng)速率、計(jì)算生烴量和確定生烴演化歷史等提供了可靠的實(shí)驗(yàn)與理論依據(jù)[1]；另一方面，對(duì)比了溫度[2?3]、升溫速率[4?6]、壓力[2，7]、水介質(zhì)[8?9]和催化劑[10?13]等因素對(duì)熱解生烴模擬實(shí)驗(yàn)的影響。然而，傳統(tǒng)的干酪根生烴模擬實(shí)驗(yàn)不僅面臨反應(yīng)條件復(fù)雜、難以確定分解溫度等諸多制約因素，而且由于缺乏有效的檢測(cè)工具來(lái)檢測(cè)不斷變化的自由基和中間體，導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)室條件下研究干酪根的詳細(xì)反應(yīng)過(guò)程和機(jī)理相當(dāng)困難[14]。分子模擬是一種利用計(jì)算機(jī)技術(shù)在原子水平上模擬分子結(jié)構(gòu)和行為，進(jìn)而分析分子體系的各種物理化學(xué)性質(zhì)的方法[15]，其逐漸成為理解在分子結(jié)構(gòu)中發(fā)生復(fù)雜反應(yīng)基本原理的有力手段。因此，將分子模擬應(yīng)用于干酪根熱解，可以在原子和分子水平上研究干酪根的性質(zhì)和生烴過(guò)程，并進(jìn)一步提高對(duì)干酪根熱解機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

本文在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，介紹了干酪根的分類和熱解特征、干酪根分子結(jié)構(gòu)模型研究現(xiàn)狀及分子模擬研究方法，并將利用分子模擬技術(shù)對(duì)干酪根進(jìn)行熱解模擬取得的一些認(rèn)識(shí)進(jìn)行了重點(diǎn)詳述，提出了存在的不足和未來(lái)的發(fā)展方向，以期對(duì)我國(guó)油氣勘探提供有益幫助。