在二氧化碳（CO2）条件下，多组分油在石英界面上的吸附稳定性及选择性界面重构

《Journal of Molecular Liquids》：Adsorption stability and selective interfacial restructuring of multicomponent oil at Quartz interfaces under CO2 conditions

该研究通过分子动力学模拟，考察CO2在20-30MPa高压下对烷烃、树脂和沥青质在石英表面的吸附行为及界面重组机制。结果表明CO2选择性置换弱吸附烷烃，稳定强吸附沥青质，树脂发生构象变化并迁移，高压抑制分子扩散，延缓界面重组。为CO2-EOR技术提供分子机制支撑。

　　

王宇波|龚亮|张涛|朱传勇

中国石油大学（华东）新能源学院，中国青岛266580

摘要

在二氧化碳增强型石油开采（CO₂-EOR）条件下，原油在矿物界面上的分子级吸附演变对界面行为起着重要作用。本研究利用分子动力学模拟，探讨了在20–30?MPa压力下，烷烃、树脂和沥青质在石英表面的吸附行为及构象响应。结果表明，二氧化碳（CO₂）并不会导致吸附层均匀崩解，而是由于各组分之间的能量分布差异引发了选择性的界面重构。CO₂优先将吸附力较弱的非极性烷烃从矿物表面置换出去，而极性较强的沥青质则保持稳定吸附状态。相比之下，树脂分子会发生CO₂诱导的构象重排，并逐渐向界面迁移，部分补偿了烷烃的脱附，从而重塑了界面吸附结构。此外，研究还发现，压力升高通过增加流体密度限制了分子扩散，显著延缓了这一界面重组过程。这些观察结果为理解CO₂-EOR条件下多组分原油系统的界面机制提供了分子层面的见解。

引言

致密砂岩储层通常具有纳米级孔隙[1]、[2]、[3]、[4]、超低渗透性[5]、[6]、[7]、[8]以及高度异质的矿物表面特性[9]。这些特征严重限制了原油在初次开采过程中的流动性，导致采收效率低下。因此，二氧化碳增强型石油开采（CO₂-EOR）技术因兼具提高石油产量和储存碳的优势，被视为开发致密储层的一种有前景的方法[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。

在CO₂-EOR过程中，原油-岩石界面处的微观相互作用直接影响受限孔隙空间内的界面构型和流体分布[15]、[16]、[17]、[18]。作为典型的多组分系统，原油在分子结构、极性以及对矿物表面的吸附亲和力方面存在明显的组分依赖性差异[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。非极性烷烃与矿物表面的相互作用较弱，而含有丰富杂原子和芳香结构的极性树脂和沥青质则通过范德华力、静电吸引和氢键等作用形成强烈的表面相互作用。这些差异表明，CO₂作用下的油-岩界面结构演变并非简单的均匀脱附过程，而是涉及不同油组分之间的选择性置换和竞争性重组[24]、[25]、[26]。然而，这种组分特异性的界面行为在分子尺度上难以通过实验直接观测。

分子动力学（MD）模拟已成为研究CO₂-原油-岩石相互作用的有效工具。以往的MD研究主要集中在轻质油组分的扩散和膨胀行为，或重质组分（如沥青质）在CO₂环境下的聚集和结构演变[27]、[28]。尽管这些研究为CO₂-油相互作用的具体方面提供了宝贵见解，但系统性地理解多组分吸附层在CO₂气氛下的演变过程（尤其是在与储层相关的压力下）仍较为有限。此外，最近关于先进CO₂吸附和分离机制的比较研究也强调了竞争性界面相互作用在多相系统中的关键作用[29]、[30]、[31]。

因此，本研究通过分子动力学模拟，考察了CO₂是单纯减弱了油-岩的粘附力，还是促进了石英表面上多组分原油吸附层的选择性重构，具体分析了在20–30?MPa压力下烷烃、树脂和沥青质的吸附稳定性、构象演变及迁移行为。研究结果有助于阐明CO₂-EOR条件下原油-石英系统的组分依赖性界面演变机制。

部分内容摘录

力场

本研究采用Materials Studio软件中的COMPASS力场。COMPASS力场已被广泛验证，能够准确描述含有杂原子的极性重质油组分（如沥青质和树脂）与羟基化二氧化硅/石英表面之间的异质界面相互作用[32]、[33]、[34]、[35]。这些特性使其适用于构建和模拟所研究的石英-原油-CO₂系统。

石英表面上组分原油的初始界面结构

在CO₂作用之前，多组分原油系统在储层压力（20?MPa）下经过充分松弛后，在石英界面达到稳定的吸附平衡。如图2a和2b所示，不同油组分表现出明显的组分依赖性界面构型。具体而言，沥青质和树脂倾向于形成紧密的、直接锚定在石英表面的聚集体。相比之下，烷烃的界面亲和力较弱。

结论

本研究利用分子动力学模拟系统地研究了CO₂气氛下石英界面处多组分原油系统的吸附稳定性及其随时间和压力的演变行为。通过对界面构型、吸附量、密度分布、相互作用能量和分子迁移行为的综合分析，得出以下结论：

(1)

在没有CO₂的情况下，多组分原油

CRediT作者贡献声明

王宇波：撰写初稿、软件开发、方法论设计、数据分析、概念构建。龚亮：数据验证、研究监督。张涛：数据可视化、数据整理。朱传勇：审稿与编辑、项目管理、资金申请、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2023YFA1011701）、国家自然科学基金（项目编号52576101）和山东省自然科学基金（项目编号ZR2024ME175）的支持。