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广元地区天然沥青的化学结构特征与分子模拟

2、地球化学 > 专题10：油气地球化学

广元地区天然沥青的化学结构特征与分子模拟
梁天1,2，邹艳荣1，蔡玉兰1，林晓慧1,2
1.中国科学院广州地球化学研究所 广州510640；
2.中国科学院大学 北京10039
天然沥青是石油在自然界长期演化的产物，是一种有机碳含量高的大分子化合物。作为石油演化过程中的产物，其拥有较高的生烃潜力，能够反映母质石油的地球化学特点。同时，富集的天然沥青还有着重要的工业价值，可以开采利用。本次研究针对天然沥青的化学结构特征，并建立了天然沥青的分子模型，从分子的角度了解其结构特征与二次生烃潜力。
研究使用的沥青样品来自四川盆地北部，广元地区沥青围岩露头。将沥青样品研磨至120目(0.125mm)，用二氯甲烷/甲醇(93/7)试剂抽提72-360小时，并在期间更换试剂，直到抽提器内试剂清澈无色。烘干抽提样品后对样品再次研磨，并用密度为1.6g/cm3的溴化锌溶液进行浮选，去除黄铁矿、石英等矿物，用去离子水洗净纯净的沥青样品并烘干。对样品进行元素分析，沥青反射率检测，拉曼光谱，Rockeval，FTIR，NMR，XRD等检测，分析天然沥青的成熟度，化学结构等特征，研究初步得到以下结论：
(1)利用Rockeval，拉曼光谱及沥青反射率对沥青成熟度进行分析发现，拉曼光谱在计算低成熟度样品时由于荧光干扰会有所偏差，但可以较准确检测高成熟度的沥青样品；Rockeval的Tmax值对于计算低成熟度(Ro＜3.0)样品时较为准确，当成熟度高于3.0后，Tmax值难以准确计算沥青成熟度，沥青反射率能够较为稳定的反映天然沥青的成熟度特征；
(2)通过核磁共振分析，对广元地区天然固体沥青化学结构的桥碳占比(XBP)、平均脂链长度(Cn’)、芳碳边缘碳占比(χedge)以及平均芳环簇碳数(nC)进行了计算，以准确反映固体沥青的化学结构特征。通过元素分析建立了C、H、N、O、S五种元素的相对的占比，并建立了每100碳原子的对应关系；
(3)通过对该地区沥青样品结构分析发现，本次研究的广元地区固体沥青主要分为两种：高生烃潜力型和低生烃潜力型。高生烃潜力的沥青样品结构中拥有更多的脂肪族碳及更长的脂链结构，而低生烃潜力的沥青样品脂肪族碳更少，链长明显更短。在氢指数、S2等相关参数方面也支持这一分类；
(4)通过对结构对沥青样品进行分类发现，导致这一现象的主要原因或许是沥青烃源岩的区别。此次研究发现，低生烃潜力沥青的有机质类型偏向Ⅱ-Ⅲ型有机物，因此该地沥青可能有二叠-三叠烃源岩的产物混入，形成了混合有机质；高生烃潜力沥青样品拥有较长的脂链，在来源方面更加偏向下寒武统烃源岩；
(5) 研究建立了天然沥青的分子模型。与干酪根及煤样品相比，沥青的分子结构更小，但同等成熟度下的沥青样品的芳碳数量多于干酪根结构，芳环簇也大于干酪根结构的芳环簇，Ro=0.64时沥青分子模型中的芳环簇便可达到四环，从分子结构的角度研究天然固体沥青的化学特征。
本次研究以广元天然沥青为研究对象，以成熟度及结构测试为主要数据依据，运用相关软件建立了天然沥青的分子结构模型，模型参数与实际试验参数基本一致，证明了该方法的可行性。还对分子结构参数进行了相应的计算比对，增加了该分子模型的准确性。并尝试从结构的角度分析固体沥青的烃源岩，拓展有机质结构应用领域。

主要参考文献：
Zhou, Q., Xiao, XM., Pan, L., Tian, Hui., 2014. The relationship between micro-Raman spectral parameters and reflectance of solid bitumen. International Journal of Coal Geology. 121, 19-25.