[发明专利]一种构建油页岩有机质结构模型的方法

摘要

本发明涉及一种构建油页岩有机质结构模型的方法，该方法包括如下步骤：通过碱‑氧氧化油页岩有机质，获得苯羧酸的收率，结合油页岩有机质的元素分析结果得到模型的初步分子量；根据苯羧酸的收率分布、¹³C NMR分析结果以及离子交换法得到的酚羟基含量的结果，构建油页岩有机质的芳核结构模型；在此基础上，结合油页岩有机质的元素分析、¹³C NMR分析、FTIR分析、XPS分析以及离子交换法得到的羧基含量的结果，构建出油页岩有机质的结构模型，并获得分子式和分子量；本方法具有客观性强、能反映油页岩有机质氧化产物苯羧酸生成及收率分布规律的特点。

主权项

1.一种构建油页岩有机质结构模型的方法，该方法包括下列步骤：(1)油页岩有机质中不同类型碳的定性与定量采用固体碳核磁共振波谱(13C NMR)对油页岩有机质中的碳进行定性与定量分析，在油页岩有机质的13C NMR谱图中，不同碳的13C NMR谱图位置为：终端甲基碳14ppm，芳环上的甲基碳19ppm～22ppm，终端甲基相连的亚甲基碳27ppm，烷基链上的亚甲基碳30.1ppm和33.5ppm，次甲基碳38ppm～42ppm，氧接亚甲基碳45ppm～60ppm，氧接芳碳相邻的质子碳105ppm～112ppm，质子芳碳112ppm～126ppm，桥接芳碳130ppm，烷基取代芳碳130ppm～145ppm，氧接芳碳150ppm～165ppm，羧基和酯基碳170ppm～180ppm，羰基碳180ppm～220ppm；对13C NMR谱图进行分峰拟合处理，得到各种类型碳的摩尔百分比，即各种碳率，通过对谱图总结分析，得出油页岩有机质的结构参数：芳碳率＝氧接芳碳相邻的质子碳率+氧接芳碳率+质子芳碳率+烷基取代芳碳率+桥接芳碳率，脂碳率＝终端甲基碳率+芳环上的甲基碳率+终端甲基相连的亚甲基碳率+烷基链上的亚甲基碳率+次甲基碳率+氧接亚甲基碳率，芳核平均结构尺寸＝桥接芳碳率/芳碳率，平均亚甲基链长度＝(终端甲基相连的亚甲基碳率+烷基链上的亚甲基碳率)/烷基取代碳率，芳环取代度＝(氧接芳碳率+烷基取代芳碳率)/芳碳率；(2)油页岩有机质中官能团类型的定性采用傅里叶红外光谱(FTIR)对油页岩有机质中的官能团类型进行定性分析；在红外光谱谱图中各官能团的位置为：2923cm‑1和2852cm‑1分别对应于CH2的不对称和对称伸缩振动，1452cm‑1对应于CH2的剪式振动或者CH3的不对称变形振动，3480cm‑1和1277cm‑1分别对应于羟基和芳香醚的伸缩振动，1612cm‑1对应于连接有酸性羟基的醌式结构中的C＝O键或者烯烃或芳烃的C＝C键的伸缩振动，1710cm‑1对应于羧基或者羰基中的C＝O键的伸缩振动；(3)油页岩有机质中N、S杂原子存在形式的定性与定量采用X射线光电子能谱(XPS)对油页岩有机质中N、S杂原子的存在形式进行定性与定量分析；通过对油页岩有机质XPS的N 1s谱图以及S 2p谱图进行分峰拟合处理，得出N、S不同存在形式的结合能及摩尔百分比；在油页岩有机质的N 1s谱图中，不同存在形式N的结合能为：吡啶398.8eV、氨基399.6eV、吡咯400.4eV、化学吸附的氮氧化物405.8eV，在油页岩有机质的S 2p谱图中，不同存在形式S的结合能为：脂肪硫163.3eV、芳香硫164.2eV、亚砜165.4eV、砜168.2eV；(4)油页岩有机质中羧基和酚羟基含量的测定采用离子交换法测定油页岩有机质中羧基和酚羟基的含量；(5)油页岩有机质的碱‑氧氧化制苯羧酸将所研究的油页岩，加入高温高压反应釜中，以NaOH或者KOH水溶液为介质，以氧气为氧化剂，在一定温度和时间下进行碱‑氧氧化，反应结束后，产物用无机酸酸酸化，过滤定容，然后用高效液相色谱分析苯羧酸的质量收率，并得到总质量收率；(6)油页岩有机质碱‑氧氧化产物苯羧酸的分布首先，将步骤(5)中氧化得到的不同苯羧酸的质量收率除以各自的分子量，得到摩尔收率；找出其中摩尔收率最小的苯羧酸，所有苯羧酸的摩尔收率除以摩尔收率最小的苯羧酸的摩尔收率，即可得到12种苯羧酸的摩尔分布；为了不使模型的分子量过大，且能反应出苯羧酸的分布特点，将产物中苯羧酸的摩尔分布再除以合适的数得到在模型中苯羧酸的分布，所述合适的数取决于计划所要的油页岩有机质结构模型的分子量大小；(7)模型分子量选取及各原子定量由步骤(6)所得的苯羧酸分布和每个苯羧酸分子量，计算出苯羧酸的总分子量，除以步骤(5)中油页岩有机质氧化得到的苯羧酸总质量收率，得到油页岩有机质结构模型的分子量；根据油页岩的元素分析数据，结合上述油页岩有机质结构模型的分子量，可确定模型中各种原子的个数；(8)油页岩有机质芳核结构模型的构建根据步骤(1)中的芳碳率计算出模型中芳碳的个数，从而得出桥接芳碳数，等于芳碳个数×芳核平均结构尺寸；根据芳碳以及桥接芳碳的个数定出油页岩有机质结构中芳香单环、芳香双环以及总的芳环的个数，其中，芳香双环个数＝桥接芳碳的个数/2，芳香单环个数＝(芳碳个数–10×芳香双环个数)/6，芳环个数＝芳香单环个数+芳香双环个数；芳环确定以后，油页岩有机质的芳核结构得以确定，即由芳香单环或者芳香双环组成；能生成苯羧酸的芳环母体结构上不能连接有氧原子，不能生成苯羧酸的芳环母体结构上均需连接氧，氧以酚羟基或者醚键的形式存在；芳环母体确定以后，可以构建油页岩有机质的芳核结构模型；另外，构建过程中与芳核结构相关的数据要满足步骤(1)中13C NMR谱图的分析结果以及步骤(4)中酚羟基含量测定的结果；(9)油页岩有机质结构模型的构建以步骤(8)中油页岩有机质的芳核结构模型为基础，结合油页岩的元素分析、13C NMR分析、FTIR分析、羧基含量测定以及XPS分析的结果构建出油页岩有机质的结构模型。