如何加快页岩气开发？试试力学人的这个研究成果

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早在2019年，中国科学院力学研究所的赵亚溥研究团队构建了我国深层页岩的三维干酪根大分子模型，引起了学术界关注。

国际能源领域期刊《Global Challenges》还把这个干酪根分子结构作为了封面图片刊发，足以见科学界对这个分子模型的重视。

国际学术刊物《Global Challenges》2019年第5期的封面

（图片来源：文献[1]）

不仅如此，他们还深入研究了干酪根热演化过程，这些研究成果已被成功应用到油田现场开发。美国工程院院士、油藏工程研究所所长、国际石油工程师协会四大最高奖获得者 Firoozabadi 评价说，“至少可以将受限甲烷的采收率提高15%”。

干酪根是什么？构建它的分子模型为什么重要？这得从我们熟悉的石油和天然气说起。

干酪根是什么?

干酪根，是 Kerogen 的音译，而Kerogen 则来源于希腊语。听名字很多人容易将它联想成奶酪类的食物，其实它和奶酪毫无关联。干酪根是石油和天然气（以下简称“油气”）的主要生成母质，可以理解为，它是油气的“母亲”。

干酪根是亿万年前的生物（包括浮游植物、细菌、高等植物和浮游动物）死亡后，在各种不同的外部环境下埋入地层、并经历了压实、高温高压等地质事件，在百万年量级以上的历史过程中逐渐演化而来的。它在特定温度、压力、催化剂等条件下可以转化成为石油和天然气。

干酪根是地球上有机碳存在的最重要形式，主要由碳（C）、氢（H）、氮（N）、氧（O）等元素组成，还含有少量的硫（S）等。地壳中干酪根总量约为3×1015吨，大约相当于石油总储量的16000倍。

干酪根在沉积岩中生成演化过程图示

（图片来源：文献[1]）

大家可能早已知晓，页岩油气是一种重要的战略资源，主要赋存在地下数千米深的页岩体内部。而页岩则是一种沉积岩，由黏土物质经过压实作用、脱水作用、重结晶作用等硬化而形成，因形如书页而得名。页岩是一种重要的烃源岩，富含有机质、能够大量生成并排出油气，习惯上也称作“生油岩”。

页岩油气主要以吸附态的形式存在于沉积岩中的干酪根、黏土颗粒表面，或以游离态存在于天然裂缝和孔隙中，还有极少量以溶解状态储存在干酪根和沥青质中。

页岩油气是非常规油气资源，页岩储层本身非常致密、埋藏极深，油气资源蕴藏其中，很难开采出来。因此，传统的油气勘探开采理论已不适用，这造成了现阶段页岩油气采收率低的问题，是有待攻克的一个工程科学难题。

构建干酪根的分子结构为什么重要？

既然干酪根是油气的主要母质，那搞清楚干酪根的结构和热演化过程，我们就可以评估油气的生成潜力，降低页岩油气开发成本，甚至还有可能人工加速油气演化过程。

需要强调的是，干酪根是对于沉积岩中不溶有机质的一种通称，而非是对一类或一族有机化合物的严格、确切的界定。从这个意义上讲，干酪根没有一个严格确切的固定化学结构，因此也不存在干酪根的单一化学结构模式。

因此，科学家只是尽可能对各种有代表性的干酪根进行研究，包括不同成熟度、不同类型等。这样，需要事先掌握特定干酪根的分子结构。

这里的“成熟度”是什么意思呢？

干酪根能产多少油气主要看它的“成熟度”，或者说，要看干酪根所处地质阶段。按照从低到高的顺序，成熟程度可分为三个阶段：成岩作用阶段 (diagenesis) ，深成作用阶段 (catagenesis) 和准变质作用阶段 (metagenesis) 。成熟度直接采用干酪根分子中的原子比 H/C 和 O/C 来界定，是判断“有多少油气、能产多少油气”的关键指标。科学家按照成分中的 H/C 和 O/C 原子比，把干酪根分为三种类型：

(1)  I 型 (H/C > 1.25，O/C < 0.15) 是生成油气的主要类型；

(2)  Ⅱ 型 (H/C < 1.25，O/C = 0.03-0.18) 油气生成能力较好，但低于 I 型； 

(3)  Ⅲ 型 (H/C < 1, O/C = 0.03-0.3) 产油能力低，但它是大埋深页岩的主要产气来源。

干酪根的成熟度和三个类型的划分

（图片来源：文献[1]）

如何构建干酪根的分子结构？

干酪根的分子组分和结构到底是什么样子的？由于干酪根具有分子量大、官能团多样等特点，它十分复杂。这里展示赵亚溥团队成功构建的干酪根分子，这也是迄今为止国际上最大的干酪根分子，一个分子里包含有几千个原子！

干酪根分子结构三维分子模型（分子动力学模拟结果，其中：深紫为不饱和 C；黄色为H；红色为饱和碳；浅蓝为氧；深蓝为氮N；浅紫为硫S）

（图片来源：文献[1]）

重构干酪根分子结构工作是十分繁复与困难的，因为这种高分子聚合物具有无定形的非晶形态，又不溶于常用的溶剂，很难从页岩中分离出来。所以常规的化学方法无法奏效。

赵亚溥团队运用物理力学理论、分子动力学模拟计算并结合实验数据的方法，预测了干酪根组分及其结构特征。他们分别从松辽抚顺和鄂尔多斯等矿区获取了I 型（采自松辽抚顺矿区井下 600 米）， Ⅲ 型（采自鄂尔多斯矿区井下 3000 米）两类深部页岩样品。

页岩样品照片：(a) 海相页岩样品；(b) 陆相页岩样品

（图片来源：文献[1]）

首先，利用多种分析实验仪器（包括元素分析仪、X射线光电子能谱仪、红外光谱仪、13C核磁共振仪等）确定了其中的组分元素（C，H，O，N，S）和相应的百分比含量，还给出了有关元素化学态、官能团和骨架的信息。接着，结合热解等物理化学实验获得一些必要的微观分子信息。

当然，这么复杂的干酪根分子的构建是一个反复试错的过程。为了验证分子模型的可靠性，还要与实验结果进行比较。下面便是赵亚溥团队给出的中国松辽抚顺和鄂尔多斯两个矿区干酪根样品的分子结构。

构建的二维和三维干酪根分子结构：(a,b) 海相页岩（松辽抚顺样品），其分子式为C₆₁₂H₈₄₆N₁₀O₄₀S₇；(c,d) 陆相页岩（鄂尔多斯样品），其分子式为 C₈₅₃H₇₅₆N₈O₁₁₅S₆。

（图片来源：文献[1]）

结语

这项研究不仅为智能化高通量建立我国干酪根分子样本库及化学–力学性质分析平台奠定了坚实基础，而且可以加快我国页岩气的商业化开发的步伐。例如，人们可望采用页岩油的“地下炼油厂”模式。它是通过对页岩进行加热，大大地缩短油气地质演化过程，使页岩油能在较短的时间被开发出来和利用。

这项成果的背后，离不开技术的发展和进步。理论表明，干酪根构型数目是一个远大于 5^n/4 的天文数字（n 为碳原子数），因此干酪根结构模型重构是一个“组合爆炸”难题。如果采用传统的方法，组合过程繁琐，且工作量巨大。得益于机器学习方法，干酪根的重构过程变得也更容易。赵亚溥团队正在采用机器学习结合实验数据的智能化方法解决了这个难题。

我们期待力学人在这个领域做出更多的贡献。

参考文献：

[1] 黄先富，王晓荷. 干酪根？干酪根成熟度？力学是这样来研究的，全文链接：

http://www.imech.cas.cn/ztbd/lxyd2/xxzc/202103/t20210331_5987228.html 

[2] 傅家谟，秦匡宗主编.干酪根地球化学.广东科技出版社，广州，1995年

作者单位：中国科学院力学研究所

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