烃源岩不同性质有机酸的分离及其检测方法

杜佳宗，何 蓓，蔡进功*，雷天柱，刘 庆，谢忠怀

1. 同济大学 海洋地质国家重点实验室，上海 200092；2. 中国科学院 地质与地球物理研究所 油气资源研究重点实验室，兰州 730000；3. 中国石油化工股份有限公司 胜利油田分公司勘探开发研究院，东营 257015

1 前言

有机质是泥岩烃源岩中重要组成部分，在演化过程中会生成大量的有机酸（Seewald, 2003）。有机酸是重要的生烃母质，Maher等（2008）对硬脂酸的生烃模拟实验表明，有机酸脱羧及之后的裂解是有机质生烃的重要过程。最近Bu等（2017a）利用蒙脱石—硬脂酸复合体进行生烃模拟，发现CO2和低分子气态烃共同增加，也表明有机酸脱羧作用可促进烃类生成。此外，有机酸还会参与复杂的有机—无机相互作用，Ramos和Huertas（2013，2014）矿物溶解实验表明小分子有机酸(如乳酸和柠檬酸)可以促进矿物溶解。Li等（2016）对烃源岩蒙脱石伊利石化的研究表明，有机酸的生成可以改变蒙脱石伊利石化机制，该结论也被Du等 (2019) 模拟实验结果证实。因此关注烃源岩中有机酸的特征对深化认识有机质生烃和有机—无机相互作用等都具有重要的意义。

在泥质烃源岩中90%以上有机质是与粘粒矿物相复合的（Leithold et al., 2005; Dickens et al., 2006），并且有机质在粘土矿物中有不同的赋存特 征（Tyson, 1995; Zhu et al., 2014, 2018）。游离有机质赋存在矿物之间的孔隙中（卢龙飞等, 2013; Angst et al., 2017），以物理吸附的方式与矿物结合（Ransom et al., 1998; Salmon et al., 2000）， 由于结合较弱，可利用索氏抽提将该类有机质与矿物相分离。矿物结合有机质以化学吸附方式与矿物结合，如吸附在粘土矿物层间（Keil et al., 1994; Keil and Cowie, 1999; Satterberg et al., 2003; Zimmerman et al., 2004），是沉积有机质的主要赋存方式(Mayer, 1994), 并且结合紧密，不能利用索氏抽提与粘土矿物分离。有机酸作为烃源岩中最为重要的一类有机质，各类官能团的存在使得其具有很强的活性（Keil and Mayer, 2014），既可以进入粘土矿物层间与粘土矿物结合（如赖氨酸）（Kitadai et al., 2009; Du et al., 2019），也可以吸附在粘土矿物外表面（如硬脂酸）（Bu et al., 2017a, b），还可以赋存于矿物孔隙之间，由此可见，有机酸同样具有多种赋存形式。前人根据有机酸赋存态的差异建立了多种分类方法，如将烃源岩中的脂肪酸划分为沥青脂肪酸、干酪根脂肪酸、强干酪根脂肪酸（史继扬和向明菊, 2000; 孟仟祥等, 2005）；按不同的处理方式分为游离酸、碱解酸、酸解酸和强结合态酸（卢龙飞等, 2011）。但这些方法划分出的不同类型有机酸的定性和定量检测存在难题。目前常见的检测方法有离子色谱法、气相色谱—质谱法等。离子色谱法具有分析速度快、精度高、分辨率高等诸多优点，但缺点在于仅能够对能溶于水的有机酸进行检测。气相色谱—质谱法虽然简单快速，但易受无机物的干扰。因此现有有机酸划分方案和有机酸检测方法具有矛盾性，即划分出的不同有机酸类型难以利用现有检测方法进行定性和定量研究，使得开展烃源岩有机酸特征研究具有很大的局限性。同时现有的检测方法只针对特定固体酸类型具有很好检测效果，而对泥页岩中各种类型有机酸不能进行全面检测。因此本文立足于检测手段的可行性，根据有机酸性质和赋存态特征，建立有效和系统的有机酸分离和检测方法，全面获取烃源岩中不同类型有机酸特征，为深入认识有机质生烃和有机—无机相互作用奠定基础。

2 烃源岩中有机酸性质与有机质赋存态关系

2.1 有机质赋存态

烃源岩中的有机酸主要来源于有机质，前人的研究表明，有机质在烃源岩中不是孤立存在，而是与无机矿物密切共生，在地质环境中它们是一个不可分割的整体（苗建宇等, 1999; 张林晔等, 2003; 蔡进功等, 2009），有机质和无机矿物之间存在不同的键合方式，这构成了烃源岩中有机质赋存态的多样性（Kennedy et al., 2002; 蔡进功, 2004; Williams et al., 2005; Cai et al., 2007）。从传统的有机地球化学角度将烃源岩中的有机质分为可溶和颗粒有机质。颗粒有机质稳定，不会受到酸处理、碱处理和氧化剂氧化的影响，属于难溶性有机质。可溶有机质以物理吸附和化学吸附方式与粘土矿物相结合，造成了有机质赋存态的差异性。通常认为能够通过有机溶剂抽提得到的有机组分为游离态有机质，主要以非共价键吸附于矿物表面或束缚于矿物微孔隙（Zhu et al., 2016），吸附力以范德华力为主（Keil and Mayer, 2014）。矿物结合有机质以化学吸附方式与矿物结合，与矿物的分离无法通过有机溶剂抽提实现，需采用碱解、酸解、热降解或强氧化剂等方式处理（Eusterhues et al., 2003, 2005; Zhu et al., 2016）。结合态有机质形式多样，包括被碳酸盐结合或封裹、被粘土矿物吸附，以非共价键结合并被包络在非共价键缔合结构网络中等（宋一涛等, 2005）。相互作用方式包括配位体交换、阳离子桥、水桥、离子偶极和阳离子交换等（Keil and Mayer, 2014）。

2.2 有机酸性质及其与有机质赋存态关系

烃源岩作为无机矿物与有机质的集合体，其中含有多种类型的无机矿物，这为有机酸以不同方式与无机矿物键合奠定了基础。在土壤学和现代沉积物研究中，Zegouagh等（2000）将海洋表层沉积物中的有机酸分为溶剂抽提的游离态酸、传统皂化方法得到的碱解酸、相转移催化皂化得到的碱解酸、酸解得到的酸解酸以及热解得到的强结合态酸五种。卢龙飞等 （2011）对东海表层沉积物在溶剂抽提之后, 采用先碱解后酸解的相继处理手段分出三种赋存态, 以此解聚和离散粘土聚集体来释放更多的有机酸。另外，在对烃源岩中脂肪酸的检测中，有人将脂肪酸分为沥青脂肪酸、干酪根脂肪酸和强干酪根脂肪酸等（史继扬和向明菊, 2000; 孟仟祥等, 2005）。基于以上研究，可以认识到烃源岩中的有机酸类型多样，在不同的地质环境以及长期的地质埋藏过程中，经历复杂的地质作用，形成多种多样的赋存方式。

在烃源岩中常常按溶解性划分有机酸类型，分为水溶性、脂溶性和难溶性有机酸。其中，1到4个碳原子的有机酸能与水混溶，随着非极性烃基碳链的增长，分子相似性变差, 水溶性逐渐减小, 以致完全不溶于水。就溶于有机溶剂的情况而言,部分有机酸能够通过索氏抽提进入氯仿沥青“A”中，可将这部分有机酸称为脂溶性有机酸。而一些则需要通过高温条件下超长时间的抽提才会被部分抽提出来，部分学者将其称为“干酪根有机酸”（史继扬和向明菊, 2000; 孟仟祥等, 2005; 刘全有等, 2013），也可以称其为难溶性有机酸。研究表明有机酸分子表面存在多种配位基，能够与矿物表面形成多种配合物（吴宏海等, 2001），与金属氧化物、粘土等矿物之间存在阳离子交换、配位体交换、疏水性作用、熵效应、氢键作用和阳离子键桥等多种键合模式（Shen, 1999; Keil and Mayer, 2014），并且结合位点因作用机制而出现差异，既可以进入粘土矿物层间与粘土矿物结合（如赖氨酸）（Kitadai et al., 2009; Du et al., 2019），也可以吸附在粘土矿物外表面（如硬脂酸）（Bu et al., 2017a, b），还可以赋存于矿物孔隙之间，使得不同性质有机酸在不同赋存态有机质中均存在。

为了建立有效的有机酸分离方案，需考虑不同性质有机酸与有机质赋存态的关系。对于水溶性有机酸，由于其溶于水的性质，可知其与矿物结合强度差，利用简单的水洗即可从烃源岩中分离，因此主要存在于游离有机质中。此外，按照游离有机质和结合有机质的划分方法，游离有机质为通过有机质溶剂抽提出的有机质，由于游离有机酸同样溶于有机溶剂，因此在游离有机质还存在大量的脂溶性有机酸。而结合有机质为不能被有机溶剂抽提，只能利用酸解、碱解或氧化得到的有机质。在结合有机质中除了存在大量的难溶酸，水溶性和脂溶性有机酸由于粘土矿物层间保护等机制而不能被有机溶剂抽提，当经过酸解处理之后，这些有机酸从矿物层间释放，仍会溶于水或有机溶剂，因此在结合有机质中存在水溶性、脂溶性和难溶性三种有机酸（图1）。

图1 不同性质有机酸与有机质赋存态的关系及分离检测方法Fig. 1 The relationship between organic acids with different properties and organic matters with different occurrence, as well as the separation and detection methods

3 检测方法现状

目前已有的有机酸检测，大致分为滴定法、液相色谱类、气相色谱—质谱法和高分辨率质谱法（表1）。滴定法应用较早（Pittman and Lewan, 1994），该方法利用中和反应原理，配置碱性溶液滴定含有机酸溶液，用指示剂显示反应终点，根据所用碱性溶液的含量，计算有机酸含量（罗文立等, 2013）。但该方法只能检测有机酸的总量，不能对有机酸碳数分布及类型进行测定，也不能具体检测出每种类型有机酸的含量，远远达不到目前研究所需要的检测要求。

表1 不同检测方法特点Table 1 Characteristics of different detection methods

液相色谱法、毛细管色谱法和离子色谱法是目前有机酸检测常用的方法，液相色谱法多用于油田水及干酪根热解液中低碳数酸的测定（程中第和应凤祥, 1995; 朱抱荃等, 1996; 薛莲等, 2011）；毛细管色谱法是在中空的毛细管内进行等速电泳，根据离子在电场中迁移速度的不同来达到分离的目的，柳常青等（1993）曾利用该方法检测了油田水中的有机酸，但其最大缺点是对长碳链有机酸的检测能力较弱。离子色谱法最早由Small 等（1975）开始利用，来对地层水中的羧酸阴离子进行检测，该方法逐渐被许多研究者采用（Fisher, 1987; Fisher and Boles, 1990; 曾溅辉等, 2007），它具有分析速度快、精度高、分辨率高等诸多优点。但这三种方法共同的缺点是只能对存在于水溶液中的液态有机酸进行检测，而烃源岩中的有机酸，尤其是很多大分子有机酸，是无法溶于水的，因此这些方法无法实现对烃源岩有机酸的全面检测。

气相色谱—质谱也是检测有机酸的一种常见方法，这种方法前期要对样品进行抽提，然后通过柱层析（Nishimura et al., 2006）或皂化萃取法（Willey et al., 1975）对其中的有机酸组分进行分离，并经甲酯化或硅烷化后进入气相色谱—质谱仪进行检测（卢龙飞等, 2011; Yamamoto et al., 2013; Hilts et al., 2014; Spangenberg et al., 2014; Tesi et al., 2014）。这种方法的缺点在于许多小分子的有机酸无法被气相色谱—质谱检测到，还有一些与干酪根大分子结合的有机酸也无法被抽提和检测，导致许多有机酸组分的丧失。

蒋启贵等（2014）利用傅立叶变换离子回旋共振质谱仪检测模拟实验生成油中的有机酸组分，采用ESI电离源和负离子模式，通过负离子电喷雾—高分辨质谱法分析检测出了十类主要杂原子化合物类型，主要为含氮和含氧化合物，其中，通过O2类化合物DBE的计算，认为样品中 DBE 值大于和等于1的基本属于羧酸物质，很好地指示了不同演化阶段脂肪酸、环烷酸和芳香酸的生成情况，该方法能够检测比较多类型的有机酸种类，但该方法目前还未能进行定量分析。

由此可见，现有研究方法分别针对不同类型的有机酸或有机酸的某些参数进行检测，但尚无一种方法能够对有机酸所有类型有机酸进行分析检测，因此想要对烃源岩中有机酸进行全面系统的检测，及必然需结合不同的分析方法。

4 不同性质有机酸分离和检测方法

根据不同性质有机酸在不同赋存态有机质中的分布特征，以及各类分析测试方法的优势所在，在此建立系统分离和检测方法，最大限度地提取和分离烃源岩中不同性质有机酸，并进行全面的检测。

对于游离有机质中的水溶性有机酸，由于其可溶于水，并且与矿物结合强度差（吴宏海等，2001），利用去离子水进行水洗即可从矿物中分离出来，并且由于脂溶性有机酸不溶于水，可使水洗分离出的有机酸中不含脂溶性有机酸。对于脂溶性有机酸的分离，利用水洗残渣，在索氏抽提器中以二氯甲烷作为溶剂进行抽提，脂溶性有机酸会进入到抽提物中（Zargari et al., 2015; Qi et al., 2019），之后对抽提物进行浓缩，利用皂化萃取的方法将其中的有机酸转化为有机酸盐提取出来（Willey et al., 1975）。经过上述操作之后已经将游离有机质中的水溶性和脂溶性有机酸进行分离，并且此时抽提残渣中只剩下结合有机质。

前人利用多种方法进行结合态有机酸的分离和检测（表2），如利用高压釜并在高温条件下对残渣进行皂化，促进结合态有机酸的释放（刘全有等，2013），然后再通过酸化和甲酯化对其进行气相色谱—质谱检测（史继扬和向明菊，2000）。除高温高压的方法外，还可通过许多化学方法对残渣中的有机酸进行分离，如当样品中碳酸盐含量较高时，先用盐酸对残渣进行酸化，释放被碳酸盐结晶包裹的有机酸，然后可通过皂化萃取后利用气相色谱—质谱法对其进行检测（孟仟祥等，2005）；还可以通过碱解—酸解—氢氟酸解的相继处理方式逐步处理残渣，对每一步处理得到的样品进行皂化萃取，然后利用气相色谱—质谱仪进行定性和定量分析（卢龙飞等，2011）。如前所述，结合态有机质中具有不同性质有机酸，由于性质的差异，对这些有机酸的分离和检测不能一概而论。由于结合态有机质与矿物的强结合作用（Keil et al., 1994; Zhu et al., 2016），首先需将有机质与矿物进行分离，之后再对分离出的有机质中不同性质有机酸进行分离（图2）。对于矿物和有机质的分离，采用浓度为12%的盐酸和浓度为40%的氢氟酸，体积1:1混合后制备成混合溶液处理抽提残渣，对无机矿物进行酸解（宋一涛等，2005）。酸解处理之后水溶性有机酸存在于酸解液中，而脂溶性和难溶性有机酸则残留在酸解残渣中。将酸解液浓缩之后利用水洗得到水溶性有机酸，对酸解残渣利用二氯甲烷进行索氏抽提，得到脂溶性有机酸，之后分别和游离有机质中分离出的水溶性和脂溶性有机酸混合得到水溶性和脂溶性有机酸总量，而难溶性有机酸残留在残渣之中。

表2 不同分离方法的分离结果Table 2 Separation results of different separation methods

图2 不同性质有机酸分离和检测路线图Fig. 2 Workflow of separation and detection methods of organic acids with different properties

水溶性有机酸一般分子量较小，离子色谱对小分子有机酸的检测效果较好，因此选取离子色谱对分离出的水溶性有机酸进行检测。目前离子色谱对有机酸的检测多用于环境科学、化学或食品科学（Qiu and Jin, 2002; Mato et al., 2005; 林华影等, 2007; 潘丙珍等, 2013），地质样品中利用该方法检测有机酸根，一般只限定少数结构简单的有机酸类型，如甲酸、乙酸和丙酸等（曾溅辉等, 2007; 钟颖等, 2010）。为尽可能多地检测样品中的水溶性有机酸，利用奎尼酸、乳酸、乙酸、丙酸、甲酸、丙酮酸、正庚酸、琥珀酸、酒石酸、马来酸、α-酮戊二酸、富马酸、柠檬酸、异柠檬酸、顺乌头酸、反乌头酸16种水溶性有机酸制作标准溶液，获取有机酸标准曲线和标准曲线方程，之后利用待测样品的出峰时间和峰面积对水溶性有机酸进行定性和定量研究，该检测方法大大增加了烃源岩中水溶性有机酸的检测范围。

对于脂溶性有机酸，选用气相色谱—质谱进行检测。但脂溶性有机酸不能直接进入气相色谱仪中，采用皂化萃取的方法将脂溶性有机酸转化为有机酸盐，酸化后再通过甲酯化或硅醚化等衍生化使其满足上机条件，并且加入一定量的芥酸内标为之后进行定量奠定基础。利用待测样品的出峰时间和分子量对脂溶性有机酸进行定性，利用内标质量、内标峰面积、待测样品峰面积计算得到不同脂溶性有机酸的含量。

对难溶性有机酸采用红外光谱进行检测，红外光谱一般用于确定分子结构、官能团等，用于定量比较少见，尤其是对烃源岩中的有机酸定量更为少见，因此利用有机酸标准样品建立标准曲线十分必要。本方法选用硬脂酸与氧化铝混合配置成不同酸浓度的标准样品，分别进行红外检测并找出羧基特征峰并对峰面积进行计算。标样中1720 cm-1左右为样品的羧基中C=O的伸缩振动峰，羧酸根的对称伸缩振动频率和不对称伸缩振动频率分别为 1420～1390 cm-1和 1620～1540 cm-1(Nguyen et al., 1991; 葛云等, 2009; 翁诗甫, 2010)，不选～1600 cm-1和～1418 cm-1左右的-COO振动峰，是因为1600 cm-1振动峰可能会受到1635 cm-1左右的水峰干扰，1418 cm-1可能会受饱和C-H的变形振动影响（张燕兴等, 2010）。利用峰面积和羧基含量建立标准曲线，通过标准曲线对样品中的羧酸进行定量。在进行检测时，常发现1720 cm-1的羧基振动峰与1644 cm-1的水振动峰发生重合，此时利用peakfit v4.12软件对测试曲线进行分峰拟合即可得到羧基特征峰面积。

5 意义

通过对烃源岩有机酸的系统分离和检测，建立了一套行之有效的检测方法，并运用该方法对不同性质有机酸在组成、数量等方面的差异形成直观认识，在此基础上能够总结烃源岩不同层段、不同深度的有机酸分布特征及其演化规律，为后续有机酸的深入研究奠定基础；同时，我们也能对不同类型烃源岩中同一赋存形式有机酸的分布特征进行对比，探究烃源岩的类型差异、碳酸盐含量、粘土矿物种类和含量等的差异对有机酸赋存形式的影响，这对于探索不同赋存形式有机酸的形成机理有着重要意义。

其次，前人的研究已经表明有机酸是一类重要的生烃母质，能够通过脱羧作用生烃, 早在60年代Cooper就曾根据近代沉积物中正构烷烃具奇碳优势而相似碳数的脂肪酸具偶碳优势，提出沉积物中正构烷烃是由脂肪酸脱羧生成。有机质与矿物结合对有机质的保存至关重要（Keil et al., 1994; Bolan et al., 2011; Mahamat et al., 2017; Chen et al., 2018）。游离有机质主要通过范德华力和氢键等弱结合方式与粘土矿物结合(Lützow et al., 2006)，结合有机质主要是阳离子交换和阳离子桥等强结合方式结合粘土矿物（Parbhakar et al., 2007; Keil and Mayer, 2014; Bu et al., 2017a），又因为粘土矿物层间对有机质的保护作用 （Salmon et al., 2000; Cai et al., 2007; Li et al., 2016），因此热稳定性有游离有机质＜化学吸附有机质＜层间有机质的趋势（卢龙飞等, 2013）。由此可见，不同性质有机酸在不同赋有机质中分布的差异性可能造成不同性质有机酸具有不同的稳定性，导致生烃门限的差异性。因此系统分离和检测有机酸可以对有机酸类型、丰度、总酸量等形成直观认识，深化对有机质生烃理论的认识，在一定程度上为烃源岩的生烃量评价提供参考依据。

另外，有机酸还会参与复杂的有机—无机相互作用，Hamer等（2003）的研究表明水溶性小分子有机酸（如柠檬酸，醋酸和草酸）会造成酸敏性绿泥石中元素的差异溶解，证实有机酸作用是矿物转化动力。同样的，Ramos和Huertas（2013，2014）矿物溶解实验也表明小分子有机酸（如乳酸和柠檬酸）可以促进矿物溶解，该过程通过有机酸在矿物表面形成配体或降低矿物表面离子活性实现。同时，对有机粘土复合体的研究表明，有机酸（如草酸、乙酸（Small, 1994）和赖氨酸（徐敏等, 2014））会促进蒙脱石四面体和八面体的溶解（Huang and Keller, 1971; Golubev et al., 2006; Pokrovsky et al., 2009），从而加速蒙伊化过程。Li等（2016）对烃源岩蒙脱石伊利石化的研究表明，有机酸赋存在蒙脱石层间时，低温下对蒙伊化产生抑制作用，随着反应的进行，有机酸从层间释放从而改变蒙脱石伊利石化机制，该结论也被 Du等（2019）模拟实验结果证实。上述研究成果均出自水溶性有机酸与矿物相互作用的研究，而对脂溶性有机酸（如硬脂酸）而言，由于其与粘土矿物结合作用较弱，与粘土矿物相互作用强度与水溶性有机酸出现差异（Bu et al., 2017a, b）。由此可见，有机酸性质的差异会导致有机—无机作用的差异，因此有机酸的系统性检测有助于了解烃源岩中不同性质有机酸与矿物演化的关系，探讨有机酸与矿物之间的相互作用机理，这对深入认识有机—无机相互作用具有重要意义。