实验与模拟结合揭示芦草沟组干酪根多尺度非均质性：页岩油转化反应性与稳定性的结构决定因素

针对芦草沟组上下段干酪根结构差异影响页岩油转化的关键科学问题，研究人员通过固态13 C NMR、XPS、Py-GC/MS等多尺度实验与量子化学计算相结合，揭示了线性亚甲基链与支链脂肪环的结构差异如何调控烃类生成路径，为页岩油原位转化工艺优化提供了分子级理论依据。

　　

在新疆准噶尔盆地芦草沟组页岩油开发取得突破的背景下，科学家们发现上下段干酪根分子结构的显著差异直接影响原油品质，但具体机制仍是未解之谜。这种认知缺口严重制约了页岩油高效转化技术的精准设计。为此，中国科学院稳定支持的基础研究领域青年团队联合中国石油大学（北京）克拉玛依校区的研究人员，在《Fuel》发表了一项开创性研究。

研究团队采用¹³
C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）等关键技术，对取自Jimsar凹陷上下段的干酪根样本进行系统分析。通过构建C₃₀₄
H₅₀₂
O₂₀
N₁₀
S和C₃₀₅
H₄₄₀
O₁₁
N₆
S分子模型，结合分子动力学模拟和量子化学计算，首次从电子层面揭示了结构-反应性的内在关联。

碳骨架特征
固态¹³
C NMR显示上段干酪根以线性亚甲基链为主（占比63.2%），而下段富含支链脂肪环（达41.8%）。这种结构差异导致上段更易发生脱烷基反应生成轻质油，而下段因芳环缩合度高抑制热裂解。

杂原子赋存状态
XPS分析表明氮硫元素主要以吡啶/噻吩等芳香杂环形式存在，在低温阶段会捕获自由基延缓反应。量子计算揭示芳环氧原子可形成亲电取代位点，而脂环因C_单键
C键解离能较低更易发生开环反应。

电子效应调控
HOMO-LUMO轨道分布显示，上段干酪根的取代基电子效应和共轭作用使特定碳原子成为反应热点，这种位点特异性可解释其更高的烃类产率（较下段提升28%）。

该研究建立了干酪根分子结构-反应活性的定量关系模型，突破传统仅关注生物前驱体的局限。提出的"芳环取代度调控脱烷基效率，脂环开环能决定裂解路径"新机制，为芦草沟组页岩油分层开发提供了理论框架。研究发展的多尺度表征-模拟联用方法，对复杂有机质能源转化研究具有范式意义。国家自然科学基金（22008187）和甘肃省科技计划（22JR5RA045）支持了这项开创性工作。