关于页岩油在干酪根纳米孔中的吸附和扩散特性的微观研究：孔径大小和水含量的作用

《Journal of Molecular Liquids》：Microscopic insights into shale oil adsorption and diffusion characteristics in kerogen nanopores: roles of pore size and water content

页岩油在 kerogen 纳米孔隙中的吸附与扩散特性受孔隙尺寸和水含量显著影响。分子动力学模拟表明存在临界孔隙尺寸（＞3 nm），此时吸附层分为渗透吸附层和界面接触吸附层，且绝对与过剩吸附容量保持稳定。当水含量超过阈值时，形成平行于孔壁的中心水膜，其微观机制涉及水分子极性相互作用及表面润湿性变化。水膜显著降低页岩油扩散系数，阻碍其流动。研究为提高水力压裂后页岩油采收率提供理论依据。

　　本研究聚焦于页岩油在干酪根纳米孔隙中的吸附与扩散特性，探讨孔隙尺寸与含水量如何影响页岩油的行为。这一领域的研究对于提高页岩油的开采效率具有重要意义，尤其是在水力压裂过程中，页岩油的流动特性直接决定了其能否有效被提取。通过经典分子动力学（MD）模拟方法，我们系统地分析了不同孔隙尺寸和含水量条件下页岩油与水的分布与动态行为，揭示了页岩油在干酪根孔隙中的独特吸附模式，以及水分子在特定条件下的聚集机制。

在页岩油开发过程中，干酪根作为主要的有机质成分，其复杂的结构和多尺度的不均匀性对页岩油的存储与流动产生了深远影响。干酪根通常被分为三种类型，其中Type II-C干酪根因其在地质条件下容易生成非常规石油，被认为是Gulong页岩油田中主要的有机泥岩类型。这种干酪根的化学组成和分子结构决定了其与页岩油之间的相互作用特性。通过构建高精度的干酪根模型，我们模拟了其在纳米尺度下的物理行为，从而为理解页岩油在孔隙中的吸附与扩散提供了微观视角。

研究表明，页岩油在干酪根孔隙中的分布呈现出三种不同的吸附层结构：（Z-I）渗透吸附层、（Z-II）界面接触吸附层以及（Z-III）深层吸附层。这些结构的形成不仅依赖于干酪根的表面特性，还受到孔隙尺寸的显著影响。当孔隙尺寸超过某一临界值时，页岩油的吸附行为会发生显著变化，其在孔隙壁上的分布趋于均匀，而吸附层的厚度则相对稳定。这种现象表明，孔隙尺寸对页岩油的吸附与扩散具有关键的调控作用。在较小的孔隙中，由于空间受限，页岩油的扩散受到更大的阻碍，而随着孔隙尺寸的增加，扩散能力逐渐增强。

同时，水分子在干酪根孔隙中的行为也呈现出独特的模式。随着含水量的增加，水分子会在孔隙壁上形成连续的水膜，这一现象在现有文献中尚未被广泛报道。在特定的含水量条件下，水分子会从离散的聚集状态转变为稳定的水膜结构，从而对页岩油的扩散产生显著的抑制作用。这种水膜的形成不仅改变了孔隙内的流体分布，还影响了页岩油与孔隙壁之间的相互作用，进一步加剧了其在孔隙中的滞留现象。

为了更深入地理解水分子在干酪根孔隙中的聚集机制，我们通过分析相互作用能量、接触面积和比表面积等关键参数，揭示了水分子在不同含水量下的行为变化。在低含水量条件下，水分子主要以孤立的簇状结构存在，对页岩油的流动影响较小。然而，当含水量达到某一临界值时，水分子会在孔隙中心形成连续的水膜，这种水膜的形成显著降低了页岩油的扩散能力，增加了其在孔隙中的停留时间。这种现象可能与干酪根表面的亲水性有关，亲水性较强的表面更容易形成稳定的水膜结构，从而对页岩油的流动产生更大的阻碍。

此外，我们还探讨了水膜形成对页岩油扩散动态的具体影响。在含水量较低的情况下，页岩油的扩散行为相对自由，其在孔隙中的流动主要受到孔隙尺寸和表面粗糙度的制约。然而，当水膜形成后，页岩油的扩散路径被水膜占据，导致其流动受到显著限制。这种限制不仅体现在扩散速率的降低，还表现在页岩油在孔隙中的分布变得更加不均匀，从而影响了其整体的流动性。

通过本研究，我们进一步明确了孔隙尺寸与含水量对页岩油行为的双重影响。一方面，孔隙尺寸决定了页岩油的吸附能力与扩散速率；另一方面，含水量则通过改变孔隙内的流体分布和相互作用方式，显著影响了页岩油的流动特性。这种相互作用的复杂性表明，页岩油的开采效率不仅取决于地质条件，还受到水力压裂过程中注入水量的调控。因此，合理控制含水量对于提高页岩油的开采效率具有重要意义。

为了更好地模拟页岩油在干酪根孔隙中的行为，我们采用了一种基于分子结构的建模方法。通过构建包含12个干酪根单体的立方模拟盒，我们尽可能地还原了干酪根孔隙的真实结构。在模型构建过程中，我们选择了合适的力场参数，以确保模拟结果的准确性。此外，我们还对模拟过程进行了详细的设置，包括温度、压力和时间步长等，以保证系统的稳定性和模拟的可靠性。

在模拟过程中，我们观察到页岩油在孔隙中的分布呈现出明显的分层现象。这种分层现象不仅与孔隙尺寸有关，还受到干酪根表面化学性质的影响。在较小的孔隙中，页岩油主要集中在孔隙壁附近，形成较薄的吸附层；而在较大的孔隙中，页岩油能够更均匀地分布在孔隙内部，形成更厚的吸附层。这种吸附层的形成不仅影响了页岩油的分布模式，还对其在孔隙中的流动特性产生了深远的影响。

进一步分析表明，水分子的聚集行为与孔隙尺寸和含水量密切相关。在低含水量条件下，水分子主要以孤立的簇状结构存在，其对页岩油的流动影响较小。然而，当含水量增加到一定程度时，水分子会在孔隙中心形成连续的水膜，这种水膜的形成显著改变了孔隙内的流体分布，进而影响了页岩油的扩散能力。通过计算相互作用能量和接触面积，我们发现水膜的形成不仅增加了水分子与干酪根表面之间的相互作用，还显著减少了页岩油与孔隙壁之间的接触面积，从而降低了页岩油的扩散速率。

在研究过程中，我们还发现水膜的形成对页岩油的扩散动态具有显著的抑制作用。这种抑制作用主要体现在水膜对页岩油流动路径的占据，以及对页岩油与孔隙壁之间相互作用的增强。通过对比不同含水量条件下的扩散行为，我们发现水膜的形成不仅改变了页岩油的分布模式，还显著影响了其在孔隙中的流动特性。这种影响可能与水膜的物理性质有关，如其粘度、密度和表面张力等，这些性质共同作用，限制了页岩油的流动能力。

为了验证这些发现，我们还进行了大量的理论分析和实验数据对比。通过分析不同孔隙尺寸和含水量条件下的模拟结果，我们发现页岩油的吸附能力与孔隙尺寸之间存在一定的关系。当孔隙尺寸超过某一临界值时，页岩油的吸附能力趋于稳定，而吸附层的厚度则随着孔隙尺寸的增加而逐渐增加。这种现象表明，孔隙尺寸对页岩油的吸附行为具有重要的调控作用。

同时，我们还发现水膜的形成对页岩油的吸附行为产生了显著的影响。在含水量较低的情况下，页岩油的吸附行为主要受到孔隙尺寸的限制，而在含水量较高时，水膜的形成进一步增强了页岩油与孔隙壁之间的相互作用，从而改变了其吸附模式。这种变化不仅影响了页岩油的分布，还对其在孔隙中的流动特性产生了深远的影响。

综上所述，本研究通过结合分子动力学模拟和理论分析，揭示了页岩油在干酪根纳米孔隙中的吸附与扩散特性，以及水分子在不同含水量条件下的聚集行为。这些发现不仅有助于深入理解页岩油在孔隙中的流动机制，还为提高页岩油的开采效率提供了重要的理论依据。通过合理调控孔隙尺寸和含水量，可以有效改善页岩油的流动特性，从而提高其在水力压裂过程中的回收效率。未来的研究可以进一步探讨不同类型的干酪根对页岩油行为的影响，以及水膜形成的具体物理机制，以期为页岩油的高效开发提供更加全面的理论支持。