广州地化所、深地科学卓越创新中心揭示原油热裂解过程中荧光寿命的演化模式

  

  地质条件下,深层-超深层油藏和包裹体中的原油会发生不同程度的裂解。原油裂解过程中,其化学组分和生物标志化合物以及碳氢同位素均会随着裂解程度的增加而改变,基于这些变化的机地球化学参数通常用来于表征原油的裂解程度。然而,由于目前很难获取单个包裹体中的石油,这些参数也就不能用于表征单个包裹体油的热解程度。另外,由于轻质油/凝析油通常以低碳数饱和烃组分为主,特征生物标志化合物含量较低且热裂解过程中原油同位素分馏较小,导致这些参数也很难有效表征轻质油/凝析油的裂解程度。

  原油富含多环芳烃(PAHs),普遍具有荧光性。原油中PAHs的类型和浓度会随着原油裂解程度发生改变,故原油的荧光演化特征可用于表征原油和包裹体油的裂解程度。原油的荧光特征主要包括荧光颜色、发射波长、荧光强度和荧光寿命等参数。相对于其他荧光参数,原油的荧光寿命具有更高的稳定性和灵敏性。应用原油荧光寿命模式表征原油裂解过程具有快速、无损和精确高等优点,并且能够有效应用到轻质油/凝析油以及单个石油包裹体样品。
  鉴于此,yb体育网址田辉研究员团队借助不同来源原油的高温高压热模拟实验,揭示了原油热裂解过程中原油荧光寿命的演化模式,并在此基础上初步建立了应用原油荧光寿命参数表征原油裂解程度和示踪原油来源的新技术。研究结果表明,不同油源的原油荧光寿命值(τoil)存在差别,但在原油裂解过程中的演化规律相似。随着原油裂解程度的增加,原油的荧光寿命值先增加,在原油裂解率(Pc, %)达到40%左右,原油荧光寿命值逐渐减小,当原油Pc > 80%时,不同油源的原油具有相似的荧光寿命值(图1)。原油荧光寿命的演化主要受控于原油中芳烃组分的荧光寿命值(τaro)和饱和烃/芳烃比值(Rsat/aro)的变化(图2),因为这两者分别制约着原油的荧光量子产率和荧光猝灭程度。结合原油芳烃分子成熟度指标(例如,修正甲基菲指数PP-1),荧光光谱(例如,红绿比Q650/500)和红外光谱参数(例如,C=C键吸光度,A1600),利用原油的荧光寿命值可以划分具体盆地中的原油类型并识别同源不同裂解程度的原油(图3)。
   
图1. 不同来源原油荧光寿命的演化模式.(WC19为中深湖相原油;YJ33为河沼相原油)
  

 

图2. 原油裂解过程中荧光寿命值与其芳烃组分荧光寿命(a)和饱和烃/芳烃比值(b)相关性.
 
图3. 原油裂解过程中荧光寿命值与分子成熟度指标(修正甲基菲指数PP-1),荧光光谱参数(Q650/500)和红外光谱参数(A1600)相关性。
  该研究成果近期发表于国际期刊Organic Geochemistry上,得到了国家重点研发计划(2019YFC0605502),中国科学院战略性先导科技专项(A类)(XDA14010104)等基金的资助。
  论文信息:Cheng, Peng; Liu, Botong; Tian, Hui*; Xiao, Xianming; Gai, Haifeng; Zhou, Qin; Li, Tengfei; Liu, Dehan. Fluorescence lifetime evolution of crude oils during thermal cracking: Implications from pyrolysis experiments in a closed system. ORGANIC GEOCHEMISTRY, 2021, 159, 104273.

(有机地球化学国家重点实验室供稿) 

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