不断浮动的油价给对石油依赖较大的工业化社会带来了更大的不确定性因素。许多国家都在积极将目光投向可以替代常规石油资源的其它能源,如油页岩、生物质和油砂等。油页岩经低温干馏后可制取页岩油,页岩油与原油类似但不尽相同。页岩油组成结构的表征及其在油页岩热解过程中的演化行为研究具有重要意义。本文围绕干馏温度对页岩油分子组成及分子结构影响的科学问题,基于页岩油精细化分离方法与先进的分子表征方法,研究了中国最具代表性的六个地区(桦甸、汪清、抚顺、龙口、茂名、窑街)页岩油组成结构特征,探究了干馏终温对桦甸页岩油组成结构的影响及不同温度点下桦甸页岩油中杂原子化合物的演化规律,从化学键形成和断裂的角度揭示了页岩油组成结构与油页岩热解反应性之间的关系。在对比分析不同地区页岩油基础特性的基础上,通过采用页岩油馏程切割、轻质油酸碱萃取以及中性组分柱层析等实验方法,分别获得了页岩油<300℃馏分和>300℃馏分,其中页岩油<300℃馏分再分为酸性组分、碱性组分、六个中性亚组分,对各组分分子组成结构予以表征。研究结果表明:页岩油<300℃馏分中酸性组分主要为苯酚及羧酸类化合物,且低级酚含量明显高于高级酚含量;页岩油<300℃馏分碱性组分主要为碱性氮化合物,其中,窑街页岩油碱性组分中的吡啶和喹啉类化合物明显高于其它地区;选用合适的洗脱剂作为流动相,利用制备色谱完成中性组分柱层析分离,实现了脂肪烃、芳香烃、脂肪酮、脂肪腈等不同类型化合物的族组分分离,系统开展了页岩油中提取高附加值化学品的基础性研究,形成了一种集馏程分离、轻质油酸碱萃取及中性组分柱层析的页岩油分离新方法。基于先进的1H、13C NMR与FT-IR等分析测试方法和手段,详细表征了六个地区页岩油>300℃馏分分子结构特征,获得了页岩油>300℃馏分的平均分子结构参数、各类官能团的相对含量以及分布特征等重要信息。研究结果表明:在六个地区页岩油样品中,桦甸页岩油>300℃馏分中具有最大的烷基碳率、取代基平均碳数和-CH2-与-CH3之比及最小的烷链支化度,由此说明桦甸页岩油>300℃馏分的化合物平均碳链最长;而与煤伴生的茂名、龙口页岩油>300℃馏分中芳碳率相对较高。1H、13C NMR与FT-IR等测试分析方法的协同利用,相互补充、相互验证了实验结果,为全面表征页岩油重质馏分的分子结构提供了新手段。基于先进的GC×GC-TOF/MS与NMR等分析测试方法和手段,详细研究了干馏终温对桦甸页岩油组成结构的影响,探讨了温度在油页岩热解过程中的作用。研究结果表明:采用GC×GC-TOF/MS检测分析较一维GC-MS检测分析具有极高的峰容量,检测到S/N>2000的化合物数量至少高出了一个数量级,极大程度的减少了色谱峰重叠现象;随着干馏终温的增加,加剧了环烷烃的芳构化反应并降低烷链支化度,且页岩油中短链脂肪烃逐渐升高而长链脂肪烃减少。此项研究为油页岩热解机理研究提供了重要的基础数据,也为复杂页岩油分析测试开辟了新途径。基于桦甸页岩油中不同类型极性杂原子化合物可在正、负离子ESI条件下选择性电离的特性,采用了 FT-ICRMS技术对不同类型杂原子化合物进行了定性研究分析,从分子角度详细探究了五个不同温度点下桦甸页岩油中杂原子化合物组成结构的异同。研究结果表明:更高干馏温度点下发生的缩聚反应增加了桦甸油页岩热解产物中噻吩硫的含量及含吡咯结构的中性氮化合物相对丰度,更高干馏温度点下发生的裂解反应减少了页岩油中DBE为1的脂肪羧酸类O2化合物,并导致油页岩中碱性氮杂原子化合物的分子结构更接近于N1类化合物,使页岩油中杂原子化合物向低DBE的化合物富集,这为页岩油杂原子化合物的赋存及变化规律研究提供了新思路。总之,本文基于先进的分析测试方法和手段,建立了页岩油不同馏分组分的组成结构的分子表征方法,从分子水平上探究了页岩油组成结构随干馏温度的演化规律,从化学键形成及断裂的角度揭示了更高温度点下二次裂解反应与聚合反应对杂原子化合物分布特性的影响情况,为油页岩干馏工况的调控和页岩油加氢催化剂的研发提供依据,并为油页岩油母质分子结构与热解机理分子模拟的理论研究提供重要参考。