油页岩是一种内嵌固体有机质的沉积岩,可以用来直接燃烧或者进行干馏得到石油的补充能源页岩油。油页岩中的主要有机成分干酪根是一种有机高分子聚合物,在热解过程中发生复杂的物理化学变化,单一的实验技术研究手段已经很难改善现有油页岩综合开发利用技术。因此,必须对油页岩干酪根的分子结构进行深层次研究。随着科学技术的发展、分子化学研究的深入及计算机处理数据能力的提升,分子模拟在油页岩干酪根分子结构的研究中处于日益重要地位。本文以抚顺、茂名油页岩干酪根13C NMR、XPS与元素分析数据为基础,构建了中国抚顺、茂名油页岩干酪根二维平均分子结构模型。通过物理密度、化学键浓度对抚顺、茂名油页岩干酪根结构模型进行了优化、精修,使得构建的干酪根结构模型物理密度、化学键浓度与实验匹配良好,从物理密度和化学键角度验证了模型的准确性与合理性。通过MS(Materials Studio 2017)对中国抚顺、茂名油页岩干酪根二维结构模型进行能量最优化的分子动力学模拟,得到其初始优化结构,并在此基础上进行分子动力学退火模拟,最终获得全局能量最优构型,即油页岩干酪根分子三维结构模型。在干酪根三维结构模型的基础上进行基于密度泛函理论的键长、键级、静电势等量子力学参数计算,以此分析干酪根热解初期化学反应活性位点;通过抽离碳骨架中小分子结构并进行量子力学计算,分析在不同官能团、自由基及不同连接方式的环境下C-C及C-O键的稳定性,以小分子结构的化学反应性研究干酪根热解中后期碳骨架的化学反应过程,得到其热解过程中的微观化学演化机理并预测干酪根整体热解反应顺序。油页岩干酪根的热解主要是大分子结构的调整和化学键的断裂与重新组合,因此研究维持干酪根结构稳定性的能量特性与各类化学键特性是有必要的。本文以自建及文献中9个不同变质程度的油页岩干酪根三维结构模型为基础,研究了油页岩干酪根变质程度与各类化学键浓度及能量密度关系。结果表明:随油页岩干酪根变质程度的提高,芳香碳分别与芳香碳、脂肪碳、氢原子等原子形成的化学键浓度升高,脂肪碳与脂肪碳、氢原子等原子形成的化学键浓度下降,其中芳香碳之间、脂肪碳与氢原子之间的化学键浓度变化最明显。组成油页岩干酪根势能的价电子能密度及非键能密度随干酪根变质程度的提高总体上呈现上升趋势,成为组成油页岩干酪根稳定的化学能。