干酪根熱解生烴分子模擬研究進展

摘 要 【意義】干酪根是世界上最豐富的天然有機質來源，研究干酪根的熱解對油頁巖的開發利用具有重要的意義。傳統的熱解生烴模擬實驗難以深入揭示干酪根熱解機理，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理，是一種重要的研究手段。【進展】對干酪根熱解生烴的分子模擬研究進展進行了述評，并結合實驗結果，分別闡述了溫度、升溫速率、水、壓力、頁巖礦物組分對于干酪根熱解的影響。主要有：（1）構建干酪根分子結構模型最常用的方法是基于實驗分析方法中獲得的元素、官能團信息和結構參數；（2）溫度、升溫速率、水、壓力、頁巖礦物組分對干酪根熱解產物分子數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巖油的產率達到最大；（3）H2O分子可促進干酪根和重質頁巖油的裂解，提高輕質頁巖油和氣體的產率；（4）對比分子模擬結果與實驗結果發現，分子模擬在定量描述方面具有較大的優勢，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而縮短反應時間來彌補地質上的熱演化時間，這是目前分子模擬技術的缺陷之一；（6）干酪根的高溫模擬會產生大量的C2H4，這與實驗事實和地質概況不符，也是當前分子模擬的不足之處?！菊雇空雇磥恚衫腋鶡峤馍鸁N分子模擬研究可在以下方面取得發展：（1）使用機器學習法快速構建相對分子量達上百萬，并且同時反映干酪根化學結構和孔隙結構的分子結構模型；（2）建立富含頁巖礦物組分、地層水、有機酸以及無機鹽等多尺度且復雜的干酪根模型；（3）深入研究升溫速率、水的相態、地層水、壓力、礦物組分以及不同熱演化程度對干酪根熱解的影響；4）結合實際地質概況探索低溫條件下干酪根的熱解生烴機制，進而彌補實驗—地質—理論之間的鴻溝，為頁巖油和頁巖氣的勘探與開發提供重要的參考信息和理論指導。

關鍵詞 干酪根；分子結構模型；熱解機理；分子動力學模擬；ReaxFF力場

第一作者簡介 郭成波，男，1999年出生，碩士研究生，有機地球化學，E-mail： g1999gcb@163.com

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

中圖分類號 P618.13 文獻標志碼 A

0 引言

油氣是干酪根熱解生烴的產物，其熱解機理一直是受廣泛關注的重要基礎研究領域。根據化學反應動力學的時溫補償原理，可以在實驗室通過提高模擬溫度，縮短反應時間的方法來模擬有機質在地質條件下低溫漫長的烴類生成過程。通過這種實驗模擬的方法，一方面，為研究干酪根生烴動力學機制、計算反應速率、計算生烴量和確定生烴演化歷史等提供了可靠的實驗與理論依據[1]；另一方面，對比了溫度[2?3]、升溫速率[4?6]、壓力[2，7]、水介質[8?9]和催化劑[10?13]等因素對熱解生烴模擬實驗的影響。然而，傳統的干酪根生烴模擬實驗不僅面臨反應條件復雜、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工具來檢測不斷變化的自由基和中間體，導致在實驗室條件下研究干酪根的詳細反應過程和機理相當困難[14]。分子模擬是一種利用計算機技術在原子水平上模擬分子結構和行為，進而分析分子體系的各種物理化學性質的方法[15]，其逐漸成為理解在分子結構中發生復雜反應基本原理的有力手段。因此，將分子模擬應用于干酪根熱解，可以在原子和分子水平上研究干酪根的性質和生烴過程，并進一步提高對干酪根熱解機理的認識。

本文在查閱大量文獻的基礎上，介紹了干酪根的分類和熱解特征、干酪根分子結構模型研究現狀及分子模擬研究方法，并將利用分子模擬技術對干酪根進行熱解模擬取得的一些認識進行了重點詳述，提出了存在的不足和未來的發展方向，以期對我國油氣勘探提供有益幫助。