对流加热原位转化开采技术是实现低熟页岩油商业化开采的主要方法之一,其中过热水蒸气是一种良好的加热剂,具有加热效率高、传热效率快、加热区域广的优势,因而受到普遍关注。过热水蒸气热解作用下低熟页岩干酪根化学结构的演变规律是明确油气产出机理的关键,但目前研究较少。为此,论文以新疆巴里坤矿区侏罗系八道湾组的低熟页岩为研究对象,基于过热水蒸气热解平台,开展不同过热水蒸气温度下的低熟页岩热解实验,从半焦产物中提取低熟页岩干酪根。在此基础上,联用一维高级固相¹³C-NMR和X射线光电子能谱技术实现过热水蒸气热解作用下干酪根化学结构的精细表征;通过构建的干酪根大分子结构模型,揭示不同过热水蒸气温度热解作用下干酪根化学结构的演变规律,主要研究成果如下: (1)新疆巴里坤页岩TOC为19.09%,R_o,max为0.53%,T_max和HI分别为439℃和724.4 mg/g,属于富有机质低熟页岩,干酪根类型为Ⅰ型,表现出良好的生油潜力。随着过热水蒸气温度的升高,有机元素C元素含量逐渐升高,H元素和S元素含量持续下降,O元素含量先下降后升高。有机地球化学分析结果表明350℃~400℃过热水蒸气热解温度是低熟页岩各项地球化学参数的跃变阶段,400℃时TOC下降占比59.3%,S₂下降占比93.4%,HI下降90%,热解温度超过400℃以后生烃潜力趋近于0。 (2)XPS实验结果显示:(1)随着过热水蒸气热解温度升高,不同类型的含硫官能团呈下降趋势,450℃硫铁矿硫基本消失,500℃有机硫已完全分解;(2)含氮官能团中吡啶含量持续增大,吡咯和季氮含量先升高后下降并在450℃达到最大值。 (3)高速¹³C直接极化/魔角旋转和直接极化偶极去相高级固相¹³C-NMR实验结果显示:(1)脂肪C-O含量先升高后下降并在350℃达到峰值,芳香C-O则随脂肪族基团脱除和芳构化作用呈现先降后升的变化趋势,羧基和羰基则在含氧基团重组和芳香缩合作用下于350℃~400℃和500℃~550℃温度阶段上升;(2)非质子化碳含量随着热解温度升高显著增加,而质子化碳呈现先增后减趋势并在450℃后因芳香环脱氢缩合显著减少;(3)随着过热水蒸气热解温度的升高,脂肪碳含量下降,芳香碳含量上升,两者形成明显的对称曲线,350℃是转化的关键节点。 (4)不同过热水蒸气热解作用后的干酪根二维大分子结构模型结果显示:(1)原始样品的干酪根分子式C₁₆₈H₂₄₈N₄O₁₉S₂;(2)25℃~350℃干酪根二维大分子结构变化主要以含氧官能、短脂肪侧链和小芳香簇的丢失为主;(3)350℃~400℃,干酪根的结构变化以脂肪长链的裂解以及芳香环的缩合反应为主;(4)400℃~550℃干酪根生烃力减小,芳香缩合反应还在继续,但反应较弱。