干酪根作为烃源岩中有机质的主要组成部分，是油气生成的母质，其复杂的分子结构直接影响油气的生成效率和性质，干酪根生烃是一个复杂的有机地球化学过程，干酪根分子结构的复杂异质性及其与生烃反应活性之间的关系，是油气地球化学研究中的核心科学问题。突破这些难点不仅需要多学科交叉的技术手段，还需系统的实验与模拟结合。明确干酪根分子结构，能够为页岩油的高效开发提供坚实的理论支撑和技术保障。

 2025年6月7日，中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心联合西安工程大学和西安交通大学的科研团队，在国际权威期刊《Fuel》发表了题为《Multiscale Elucidation of kerogen heterogeneity in Lucaogou Formation based on experiment and simulation: Structural Determinants of reactivity and stability for shale oil conversion》（中文译名：《基于实验与模拟的多尺度干酪根异质性解析：页岩油转化的结构决定因素》）的系统研究成果。该研究以新疆准噶尔盆地二叠系芦草沟组干酪根为研究对象，系统揭示了芦草沟组干酪根并非均质大分子，而是由多种结构单元组成，包括长链脂肪族碳、支链和饱和环结构，以及多种芳香族环和杂原子官能团。这种复杂的分子异质性不仅深刻影响热裂解过程中的反应路径，还决定了生成油气的产率和化学性质。

 研究团队采用核磁共振（NMR）、X射线光电子能谱（XPS）、热解气相色谱-质谱联用（Py-GC/MS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）等多种先进实验技术，结合分子动力学模拟和量子化学计算，全面揭示了芦草沟组干酪根内部不同结构单元的分布特征及其对油气生成的调控作用。深入分析显示，干酪根中的脂肪族碳主要以长链线性亚甲基为主，部分区域富含高度支链和饱和环结构；芳香族碳则表现出不同程度的取代和聚合。氧、氮、硫等杂原子以多种化学态存在，尤其芳香族杂环结构对电子分布和化学反应活性影响显著。这些微观结构差异使干酪根在热裂解时表现出不同的反应倾向和产物特征，进而影响油气的组成和物理性质。

 量子化学计算进一步揭示，氧原子通过诱导和共轭效应增强芳香环邻对位碳的电子密度，使这些位置成为优先的亲电攻击位点；饱和环结构因较低的碳-碳键解离能，更易发生开环反应，启动自由基链式裂解过程。最高占据分子轨道和最低未占据分子轨道的空间分布反映了不同结构单元的反应活性差异，揭示了热裂解过程中分子键断裂与重组的微观机制。此外，分子动力学模拟构建的三维干酪根大分子模型成功再现了实验观察到的结构异质性和热稳定性差异。模拟结果表明，长链脂肪族结构赋予干酪根较强柔韧性，促进芳香单元的非共面排列，有利于热裂解反应的进行；而富含支链和饱和环的区域则通过π-π堆积增强分子间作用力，提高整体热稳定性和结构致密性。这种多尺度的分子结构差异有效解释了不同干酪根生成油气在黏度、密度及组分上的显著差异，揭示了分子结构对油气生成性能的决定性作用。

该研究系统揭示了二叠系芦草沟组干酪根复杂的分子结构及其对油气生成的深刻影响，具有重要的科学和应用价值。一方面，深化了对陆相烃源岩成烃机理的理解；另一方面，揭示了分子结构与电子性质之间的内在联系，为热解反应机理提供了微观电子结构特性理论基础，推动了页岩油生成理论的创新。此外，研究成果为优化页岩油热解转化工艺、提升油气产率及改善油品质量提供了理论支撑，有助于推动我国非常规油气资源的绿色高效开发。

本研究的第一作者为中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心李友杰博士研究生，通讯作者为陶辉飞研究员和李中平研究员。本研究得到了中国科学院基础研究领域青年团队稳定支持项目（YSBR-017）、国家自然科学基金（No. 22008187）和甘肃省科技计划项目（22JR5RA045）的资助。

附图：

图1. 芦草沟页岩干酪根模型的3D分子构象

 图2. 芦草沟页岩干酪根的固态核磁共振谱图及其拟合曲线

图3. (a) 准噶尔盆地吉木萨尔地区井位位置；(b) 吉木萨尔地区芦草沟组详细地层柱状示意图

文章信息：

Li, Y., Tao, H., Lu, Z., Wang, Q., Yan, M., Xie, Z., & Li, Z. (2025). Multiscale elucidation of kerogen heterogeneity in Lucaogou Formation based on experiment and simulation: Structural determinants of reactivity and stability for shale oil conversion. Fuel, 401, 135898. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2025.135898