新聞動態(tài)廣州地化所、深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心采用XRD揭示固體瀝青與液態(tài)烴溶脹過程中的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化
溶脹是固-液有機(jī)質(zhì)相互作用的重要現(xiàn)象，是油氣地球化學(xué)領(lǐng)域中研究固體有機(jī)質(zhì)生排烴能力的重要方法。以往的溶脹研究主要集中在固體有機(jī)質(zhì)體積變化以及溶解烴類物質(zhì)的能力上，尚缺乏微觀條件下固-液有機(jī)質(zhì)發(fā)生溶脹作用對固體有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)影響的認(rèn)識，難以全面的認(rèn)識溶脹作用的發(fā)生機(jī)理。同時，如何檢測溶脹過程中固體有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)變化也是困擾研究人員的重要技術(shù)難點(diǎn)。
中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所、深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士生梁天，在鄒艷榮研究員的指導(dǎo)下，發(fā)展了全新的溶脹及其表征技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)分段溶脹實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對不同溶脹率的樣品進(jìn)行X射線衍射分析（XRD），揭示了溶脹過程固體瀝青化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化、建立了結(jié)構(gòu)變化模型。
本研究選用烏爾禾（新疆）、火石嶺（四川）以及長巖（貴州）三地的天然固體瀝青為固體有機(jī)質(zhì)，選用正庚基苯（C13H20）與正十六烷（C16H34）作為液態(tài)有機(jī)質(zhì)，分別代表芳烴及飽和烴化合物。將固液有機(jī)質(zhì)以分階段混合的方式開展溶脹實(shí)驗(yàn)，依次向每個固體樣品中加入質(zhì)量遞增的液態(tài)有機(jī)質(zhì)，直到液態(tài)有機(jī)質(zhì)飽和溶解為止（圖1），即認(rèn)為固體瀝青已經(jīng)無法溶解更多烴類物質(zhì)。在保證樣品充分混合后，對混合樣品進(jìn)行XRD檢測，分析其結(jié)構(gòu)變化。
圖1 液態(tài)有機(jī)質(zhì)溶解量與瀝青溶脹率關(guān)系
實(shí)驗(yàn)表明，固體瀝青在與液態(tài)烴發(fā)生溶脹的過程中，變化最明顯的結(jié)構(gòu)單元是由脂肪碳所構(gòu)成的無定形碳部分（γ帶），在液態(tài)烴分子的作用下，固體瀝青樣品中的γ帶間距（dγ）逐漸縮小，表明烴類物質(zhì)溶解在這一結(jié)構(gòu)單元中，使其排列更加緊密、間距減??；而主要由芳碳堆疊而成的微晶部分（002帶）幾乎沒有受到溶脹作用的影響，這是由于其堆疊更加緊密，液態(tài)烴難以進(jìn)入該結(jié)構(gòu)單元并對其產(chǎn)生影響（圖2）。圖2中（d）、（e）、（f）顯示，三組固體瀝青樣品dγ值均隨著溶脹率的增加而降低，而d002、La、Lc三組結(jié)構(gòu)參數(shù)與溶脹率沒有明顯相關(guān)性。
圖2 固體瀝青樣品結(jié)構(gòu)參數(shù)隨溶脹率變化
研究還發(fā)現(xiàn)固體瀝青滯留液態(tài)烴的能力與固體瀝青的脂碳率成正比：瀝青樣品中脂碳率越高，滯留烴類的能力越強(qiáng)，這一點(diǎn)也印證了γ帶為主要留烴的結(jié)構(gòu)單元這一結(jié)論。同時，研究還發(fā)現(xiàn)固體瀝青對芳烴類化合物擁有更強(qiáng)的滯留能力，而飽和烴的滯留能力更低?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，建立了溶脹過程中固體瀝青結(jié)構(gòu)變化模型（圖3）。
圖3 溶脹過程中固體瀝青結(jié)構(gòu)變化模型
上述研究表明天然固體瀝青在與液態(tài)烴接觸時，脂碳率高的固體瀝青會在無定形碳的結(jié)構(gòu)單元中滯留更多的油，該結(jié)構(gòu)單元是影響固體有機(jī)質(zhì)留-排烴能力的關(guān)鍵，并且這一過程中會選擇溶解更多的含芳核類化合物。因而，在油氣資源生成、運(yùn)移的過程中，飽和烴更加容易脫離固體瀝青的束縛，聚集成藏。本研究結(jié)果對頁巖油留烴機(jī)理及其資源勘探開發(fā)具有重要意義。
近期該成果發(fā)表于國際期刊International Journal of Coal Geology，該研究獲得中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）（XDA14010103）和有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（SKLOG2020-1）等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.coal.2021.103778
（有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室供稿）
