页岩油储层中孔隙尺寸与矿物相互作用对十二烷扩散/吸附的调控机制及其在CO2-EOR中的意义

针对页岩储层纳米孔隙中CO2驱油微观机制不清的问题，研究人员通过分子动力学模拟，系统研究了鄂尔多斯盆地延长组页岩中不同矿物类型（I/S混层、干酪根等）和孔隙尺寸（2-10 nm）对十二烷扩散/吸附的影响。发现干酪根和I/S纳米孔中孔隙尺寸效应最显著，十二烷扩散系数在10 nm孔隙中分别降低96.39%和100%，且矿物-油分子相互作用强度排序为I/S > 干酪根 > 石英 > 长石 > 绿泥石。该研究为优化CO2-EOR（增强采油）和CCUS（碳捕集利用与封存）技术提供了理论依据。

　　

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论文解读

在全球应对气候变化与能源需求双重挑战的背景下，CO₂驱油技术（CO₂-EOR）因其既能提高原油采收率又能实现碳封存的双重效益，成为页岩油开发的热点。然而，页岩储层中广泛发育的纳米级孔隙（<100 nm）使得流体行为与传统储层截然不同——分子扩散受限、吸附效应显著，而现有实验手段（如氮气吸附、SEM）难以直接观测<2 nm微孔内的动态过程。美国Bakken页岩油田应用CO₂-EOR后采收率提升12-18%，但中国鄂尔多斯盆地等陆相页岩的矿物多样性与孔隙结构复杂性导致微观机制尚不明确，制约了技术优化。

针对这一难题，中国某研究团队以鄂尔多斯盆地延长组7段（Chang 7）陆相页岩为对象，结合扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）与分子动力学模拟，首次系统揭示了不同矿物类型（有机质干酪根、无机矿物石英/长石、黏土矿物I/S混层等）和孔隙尺寸（2-10 nm）对十二烷（页岩油模型化合物）扩散与吸附的调控规律。研究发现，孔隙尺寸效应在I/S混层和干酪根纳米孔中最为显著：当孔径从2 nm增至10 nm时，十二烷扩散系数在I/S孔中暴跌96.39%，干酪根孔中甚至完全丧失流动性（100%降低），而石英孔仅下降32%。矿物-油分子相互作用能排序为I/S > 干酪根 > 石英 > 长石 > 绿泥石，且随孔径增大而增强。该成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为页岩储层CO₂-EOR的靶向调控与CCUS策略优化提供了分子级理论支撑。

关键技术方法
研究团队采用多尺度表征与计算模拟结合的策略：1）通过SEM、N₂吸附和XRD分析鄂尔多斯盆地Chang 7页岩的微观孔隙结构与矿物组成；2）构建石英、长石、绿泥石、I/S混层和干酪根五种矿物的纳米孔模型（2-10 nm）；3）采用分子动力学（MD）模拟计算十二烷密度分布、扩散系数和相互作用能；4）对比CO₂存在下不同矿物孔的竞争吸附效应。

研究结果

1. 质量密度分布：十二烷在干酪根孔壁附近呈现最高密度峰（2.5倍体相密度），表明有机质孔吸附能力最强；I/S混层次之，石英孔吸附最弱。
2. 扩散系数变化：2 nm孔径下，十二烷在干酪根孔中扩散系数仅为石英孔的1/5；孔径增至10 nm时，干酪根孔中扩散完全停滞，印证有机质孔对流动性的强限制。
3. 矿物相互作用能：I/S混层与十二烷的相互作用能（-210 kJ/mol）是石英的3倍，揭示黏土矿物表面电荷与有机分子极性基团的强耦合效应。

结论与意义
该研究首次量化了页岩储层矿物异质性与孔隙尺寸对CO₂-EOR的协同影响：1）有机质孔（干酪根）和黏土矿物孔（I/S）是页岩油滞留的“主战场”，需优先注入CO₂解吸附；2）<5 nm孔隙中毛细管凝结效应主导，CO₂置换需突破更高压力阈值；3）矿物-油相互作用能数据库为CCUS选址（如优先选择石英含量高的层段）提供了科学依据。这一成果不仅填补了陆相页岩纳米孔流体行为的知识空白，更为中国“双碳”目标下的非常规油气绿色开发奠定了理论基础。