当前，油气资源的供需紧张已成为制约我国经济发展、制造产业升级的关键矛盾，高对外依存度使我国工业发展时刻可能陷入“卡脖子”困境，能源系统的安全是关系工业主动脉的重大战略问题。另一现状是，我国的页岩油气储量位居世界前列，可利用空间巨大，突破非常规油气的开发问题，对推进能源自由意义重大。因此，页岩油气高效开发的相关问题研究十分重要。干酪根作为地球上分布最广、含量最丰富的有机碳存在形式，是页岩油气至关重要的来源。其结构研究是评价储层油气潜力的重要基础。干酪根成熟度是资源富集储层评价的重要指标，但常见成熟度指数受到多种地质因素的制约。而我国储层普遍存在干酪根成熟发育不充分的问题，原位转化技术是页岩油气开发的重点方向。因此，厘清干酪根演化规律，发展新的成熟度评价指标，建立干酪根演化动力学模型十分必要。另外，干酪根作为沉积岩中的主要有机组分，其力学性能对储层物性有显著影响，开展干酪根的力学响应研究对储层的压裂设计有重要意义。

  基于以上背景，本文针对干酪根的结构构建、成油成气机理、热演化过程及力学性能几个方面开展研究。主要关注两个关键科学问题：干酪根生烃化学-力学耦合效应及成熟度演化，采用实验观测、跨尺度模拟及理论分析，针对深部页岩样品展开研究工作。

  针对干酪根结构认知不清晰的问题，通过一系列物理化学实验，厘清了干酪根的类型及其包含的结构信息，构建了具有统计意义的矿区干酪根二维大分子模型，结合分子力学和分子动力学 (molecular dynamics, MD) 的退火算法，建立能量最小化的三维干酪根大分子模型。使用反应力场的分子动力学 (reactive force field molecular dynamics, ReaxFF-MD) 厘清了温度和升温速率对干酪根热解的影响，提出了干酪根热解典型反应机理。通过混合 MD 和力偏倚蒙特卡罗的计算方法，实现了在实验温度下计算机时间尺度内的干酪根热解反应的发生，为实验温度下的热解模拟提供了一种可靠方法。

  基于热演化过程中有机大分子结构的变化，提出了一种干酪根成熟度指数“分子成熟度指数 (molecular maturity index, MMI)”。厘清了 MMI 与传统成熟度评价指标镜质体反射率的关系，建立了随 MMI 升高的失重率变化规律。通过 MMI 引入了新的转换率，得到了活化能与 MMI 间的函数关系，建立了干酪根成熟度演化的活化能随成熟度变化的动力学模型 (kinetic model of the maturity evolution, MEKM)，描述了时间-温度-成熟度之间的关系。MEKM 模型形式简单，便于工程应用，为人工催熟储层的温度和时间选择提供了理论模型。

  通过热解-气相色谱/质谱联用实验，厘清温度与干酪根热解产物种类和相对含量的关系。基于提出的干酪根热解典型反应机理，结合密度泛函计算，将热解产物反演接入干酪根大分子热解位点，提出了干酪根重构的物理力学反演法 (physico-mechanical inversion method, PMIM)。通过物理力学反演法建立了一组具有更多矿区特征干酪根分子，分子量符合高斯分布，为进一步研究干酪根的性质提供了模型基础。基于建立的分子群，揭示了不同压强情况下的干酪根孔隙率变化规律，阐述了温度和孔隙尺寸对结构中甲烷分子吸附的影响。

  基于物理力学反演法，以构造的干酪根分子群为基础，建立干酪根纳米尺度的团聚体。通过 Reaxff-MD 计算不同的应变率下干酪根的力学响应，厘清了应变率对干酪根性能的影响。考虑化学键与非化学键的变化，得到了干酪根力学行为与微观机制间的关系。建立了可描述不同应变率下干酪根力学行为的可压缩超弹性-黏弹性本构关系，得到了干酪根团聚体的力学参数，有助于从微观角度理解页岩储层的力学行为。

  本文研究了干酪根的结构性质，从分子层面探索了干酪根的成油成气机理、成熟度演化规律及力学行为的微观机制，并建立了相关的理论模型，为人工原位催熟开发提供理论指导。