干酪根在地質(zhì)溫壓條件下發(fā)生裂解生成烴類(lèi)化合物，并通過(guò)排烴及之后的運(yùn)聚形成油氣藏。在排烴過(guò)程中，干酪根與烴類(lèi)化合物分子間有著較強(qiáng)的相互作用，導(dǎo)致部分化合物在烴源巖中富集，直接影響排烴效率及油氣性質(zhì)。同時(shí)，隨著熱演化程度的增加，干酪根對(duì)烴類(lèi)分子的束縛能力也會(huì)出現(xiàn)變化。開(kāi)展不同成熟度條件下干酪根與烴類(lèi)間相互作用研究對(duì)烴源巖排烴、油氣資源評(píng)價(jià)意義重大。
已有研究多采用溶脹法評(píng)估干酪根對(duì)不同烴類(lèi)化合物的吸附能力，該方法對(duì)具體化合物滯留能力的研究效果較好，但其實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性是的開(kāi)展系列化合物研究的難度和成本均較大，且易受化合物特殊性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)誤差影響，也難以準(zhǔn)確揭示不同烴類(lèi)與干酪根相互作用的內(nèi)在機(jī)理。為此，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士后梁天在鄒艷榮研究員和彭平安院士的指導(dǎo)下，首次通過(guò)分子模擬及分子對(duì)接技術(shù)研究了干酪根對(duì)飽和烴吸附能力隨熱成熟度的演化特征，并探究了其內(nèi)在作用機(jī)理。
研究團(tuán)隊(duì)選用生油能力最強(qiáng)的蘆草溝組Ⅰ型干酪根為研究對(duì)象，通過(guò)黃金管熱模擬技術(shù)開(kāi)展生烴實(shí)驗(yàn)，制備出不同成熟度的干酪根樣品。再通過(guò)元素分析及固體核磁共振檢測(cè)，建立三維分子模型（圖1）并計(jì)算出不同成熟度干酪根分子與鏈烷烴分子間的吉布斯自由能分布，以此為基礎(chǔ)評(píng)估分子間作用力。
圖1 下馬嶺干酪根三維分子模型
研究發(fā)現(xiàn)，正構(gòu)烷烴化合物隨著分子量的增加與干酪根分子間相互作用力分為三個(gè)主要階段：C2-C13階段內(nèi)隨著分子量的增加，正構(gòu)烷烴與干酪根分子結(jié)合力逐漸增加；C14-C20階段內(nèi)分子間相互結(jié)合最為緊密；C21-C30階段內(nèi)，隨著正構(gòu)烷烴分子量的增加，結(jié)合能力在波動(dòng)逐漸減弱。這說(shuō)明，正構(gòu)烷烴中C14-C20化合物更傾向于在干酪根中發(fā)生富集，難以發(fā)生排烴作用（圖2）。
圖2 不同成熟度干酪根與正構(gòu)烷烴分子對(duì)接結(jié)果
除分子量外，甲基的相對(duì)含量也是影響分子間作用力的關(guān)鍵因素。圖1顯示出成熟度0.75（Easy%Ro）的干酪根殘?jiān)c正構(gòu)烷烴分子間吉布斯自由能最低，圖3所示的甲基相對(duì)含量分布也印證這一觀點(diǎn)。
圖3 干酪根甲基相對(duì)含量隨成熟度變化情況
為進(jìn)一步確定甲基相對(duì)含量對(duì)分子間相互作用力的影響，選擇了6個(gè)C16異構(gòu)體作為配體開(kāi)展分子對(duì)接研究，結(jié)果表明干酪根與烷烴分子間作用力與烷烴分子甲基數(shù)量呈正比（圖4）。
圖4 干酪根與異構(gòu)C16分子對(duì)接結(jié)果
?。▓D中Type1，3，5，7異構(gòu)分子甲基數(shù)量分別為3，5，7，9；Type8，9甲基含量均為4）
上述結(jié)果表明，干酪根與鏈烷烴發(fā)生相互作用的過(guò)程中，分子量及甲基的相對(duì)含量是影響分子間作用力的重要因素，這導(dǎo)致在排烴過(guò)程中異構(gòu)C14-C20化合物傾向于在干酪根中發(fā)生富集作用，而其他的鏈烷烴則更容易從烴源巖中排出形成油氣藏。
研究成果近期發(fā)表在期刊《Chemical Geology》。本研究得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)A類(lèi)（XDA14010102）的資助。
論文信息：
Tian Liang(梁天), Zhao-Wen Zhan(詹兆文), Yan-Rong Zou(鄒艷榮), Xiao-Hui Lin(林曉慧), Yun Shan(單云), Ping’an Peng(彭平安). 2023. Research on type I kerogen molecular simulation and docking between kerogen and saturated hydrocarbon molecule during oil generation. Chemical Geology 617 121263. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2022.121263
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