超临界水原位转化低成熟度页岩的机理研究：从岩心尺度到分子尺度的多尺度解析

为解决低成熟度页岩油传统开采效率低、环境污染严重的问题，中国科学院研究人员通过超临界水（SCW）原位转化实验，揭示了SCW促进页岩油高效提取的宏微观机制。研究发现SCW通过增强裂缝和溶蚀矿物提升储层渗透性，同时抑制焦炭形成并提高脂肪烃含量，为页岩油绿色开发提供了新策略。

　　

在全球能源转型背景下，页岩油作为重要接替资源备受关注，但低成熟度页岩因有机质转化率低、重质组分含量高，传统开采技术面临效率与环保双重挑战。超临界水（SCW）因其独特的溶解性和反应活性，被视为页岩油绿色开发的潜在解决方案，但其从岩心到分子尺度的转化机制尚不明确。

中国科学院的研究团队以鄂尔多斯盆地长7段低成熟度页岩为研究对象，通过批次反应器模拟SCW原位转化过程，结合多尺度表征技术，系统解析了SCW作用下页岩有机质-储层协同演化规律。研究采用岩心样品而非传统粉末样品，更真实反映地质条件下SCW的传质-反应过程。

关键技术方法

1. SCW反应系统：使用DK-III批次反应器，在375°C、23 MPa条件下进行12-48小时实验，监测压力、温度动态变化；
2. 多尺度表征：包括有机岩石学（偏光显微镜）、孔隙结构（FE-SEM、N₂吸附）、矿物组成（XRD）；
3. 分子组成解析：通过柱色谱分离SARA组分（饱和烃、芳香烃、胶质、沥青质），结合GC×GC/TOF-MS和FT-ICR-MS分析油品分子多样性；
4. 干酪根结构表征：采用固体¹³C NMR、FTIR、XPS联合解析化学键演变。

研究结果

1. 储层宏观机制：SCW在12小时内快速降解干酪根（HGP降低83.3%），通过溶蚀碳酸盐矿物和形成微裂缝（>10 μm）提升渗透性，但48小时后焦炭堵塞微孔；
2. 产物分布规律：36小时为关键转折点，此时 expelled oil（排出油）产量达峰值（640.5 mg/g TOC），且脂肪烃占比提升至65%，而 retained oil（滞留油）中沥青质含量从43%降至6%；
3. 分子转化路径：干酪根依次经历三个阶段——初期裂解生成N_3-4S₁O_2-5类化合物（DBE=6），中期二次裂解产生C_8-13正构烷烃，末期缩合形成高DBE（>15）含氮芳烃；
4. 环境效应：SCW的氢供体特性抑制焦炭生成，反应36小时后DOM（溶解有机质）中羧酸含量降低50%，实现原位脱杂原子。

结论与意义
该研究首次建立了SCW转化页岩的"岩心-分子"跨尺度评价流程，证实36小时为最优反应时间，此时油品质量和产量达到平衡。SCW通过双重机制——宏观上改善储层渗流能力，微观上促进脂肪烃生成——为低成熟度页岩经济高效开发提供了理论基础。未来需重点攻关有机-无机相互作用机理和工程放大问题，推动该技术向工业化应用迈进。成果发表于能源领域顶级期刊《Fuel》，对保障我国非常规油气安全具有战略意义。