一种构建油页岩有机质结构模型的方法与流程

文档序号:12728447阅读:来源:国知局

技术特征:

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(取决于计划所要的油页岩有机质结构模型的分子量大小)得到在模型中苯羧酸的分布;

(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。

2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所用的固体核磁共振波谱的操作条件为:共振频率67.8MHz,13C的化学位移用外标物金刚烷来标定,脉冲宽度4μs,脉冲重复时间7s,连接时间2ms。

3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所用的傅里叶红外光谱的操作条件为:固体油页岩有机质与KBr以质量比1:100均匀混合并在研钵内充分研磨、压片,在常温下进行傅里叶红外光谱测试,实验扫描范围为4000cm-1~400cm-1,分辨率为2cm-1

4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所用的X射线光电子能谱的操作条件为:X射线激发源为单色器AlKα150W,光斑尺寸为500μm,测量通能为200eV,高分辨扫描通能为30eV。

5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所用的离子交换法测定羧基和酚羟基含量的操作条件为:①羧基含量的测定:0.5g油页岩有机质与100mL摩尔浓度为0.1mol/L的醋酸钙溶液在氮气气氛下离子交换24h,然后过滤混合物得到滤液,取10mL滤液,用摩尔浓度为0.05mol/L的氢氧化钠溶液滴定羧基,即可得出油页岩有机质中羧基(-COOH)的量;②酚羟基含量的测定:0.5g油页岩有机质与50mL摩尔浓度为0.1mol/L的氢氧化钡溶液在氮气气氛下离子交换24h,然后过滤混合物,将过滤得到的油页岩有机质滤渣与20mL摩尔浓度为0.2mol/L的盐酸在氮气气氛下离子交换30min,然后过滤混合物得到滤液,取10mL滤液,用摩尔浓度为0.05mol/L的氢氧化钠溶液滴定消耗的盐酸,根据交换Ba2+消耗的盐酸的量即可得到总酸度的量,酚羟基含量为总酸度与羧基含量之差。

6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,油页岩有机质的碱-氧氧化条件为:NaOH或者KOH与油页岩的质量比为1:1~5:1,水与油页岩的质量比为15:1~25:1,氧气压力为3MPa~7MPa,反应温度为180℃~260℃,反应时间为10min~180min;优选的条件为:NaOH与油页岩的质量比为3:1,水与油页岩的质量比为20:1,氧气压力为5.0MPa,反应温度为220℃,反应时间为60min。

7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所用的分析油页岩有机质氧化产物苯羧酸质量收率的高效液相色谱的操作条件为:采用二元梯度洗脱,流动相是乙腈与体积分数为0.1%的磷酸水,固定相为C18硅胶柱,检测器为波长235nm的紫外检测器,流动相的流量是1mL/min,柱温为35℃;二元梯度洗脱的条件是:0min(5%乙腈,95%磷酸水)—10min(20%乙腈,80%磷酸水)—12min(20%乙腈,80%磷酸水)—14min(5%乙腈,95%磷酸水)—18min(5%乙腈,95%磷酸水)。

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