复杂烃类组分的差异和环境条件显著影响黏土表面的吸附行为，这对理解页岩储层中的流体行为和控制有机污染物至关重要。高岭石由于其基面性质稳定且不膨胀的特点，已被广泛用于从有机污染物吸收剂、药物传递载体到能源领域提升原油采收率和钻井液开发的各种应用。现有研究表明，有机烃的类型和环境因素显著影响它们与黏土表面之间的相互作用。然而，对于黏土与不同类型有机烃之间相互作用机制尚未被详细阐述，我们对控制有机物在黏土上的吸附和分离的知识仍然有限。而阐明环境变化对流体吸附行为影响的微观机制和有机烃在黏土基面上的吸附差异及竞争吸附效应对揭示页岩储层中的流体分布规律以及有效控制环境中的有机污染物至关重要。
图1. 不同组分烃类化合物在黏土基面上的吸附、扩散特性和分子取向特征
该项工作基于真实矿物晶胞参数建立了具有不同表面性质的高岭石结构模型，并选择了15种有机烃类分子代表原油中的四种关键组分（图1）。量化了高岭石不同基面与不同有机烃组分之间的吸附行为差异和相互作用强度，基于分子取向特征深入理解有机物在高岭石基面的分布模式。通过探索不同地质温压条件下有机烃在高岭石基面上的吸附行为及其背后的微观机制，旨在克服之前提到的研究局限。
研究表明，分子构型、官能团特性和空间效应决定了不同高岭石表面上烃的分布模式。各种烃与高岭石之间相互作用能的差异揭示了不同烃的吸附强度顺序为：沥青质 > 含杂原子非烃类化合物 > 饱和烃 > 低环芳香烃。此外，研究还观察到高岭石上烃的吸附特性对温度非常敏感，温度升高显著减少了吸附量。超过一定阈值后，压力增加对烃流体行为的影响变得不可忽视，并且与分子堆积和移动性减小有关。基于实际地质特征的模拟结果显示，在不同高岭石表面上，由于竞争性吸附和黏土表面相互作用的影响，烃组分之间存在显著的吸附差异。极性表面主要被杂原子烃占据，而在非极性表面上，则由沥青质和重饱和碳氢化合形成多层吸附结构，其分子平行于表面排列。
研究成果近期发表在工程领域国际重要期刊Chemical Engineering Journal（一区TOP），获得国家自然基金面上项目（No. 42072160 和 No. 42272149）资助。论文第一作者和通讯作者分别为中国石油大学（华东） 卢双舫教授团队赵日新博士、卢双舫教授和英国爱丁堡大学Valentina Erastova博士。合作者包括中国石油大学（华东）薛海涛教授和英国杜伦大学H. Chris Greenwell教授。
论文信息：Rixin Zhao, Haitao Xue, Shuangfang Lu*, H. Chris Greenwell, and Valentina Erastova*. Revealing crucial effects of reservoir environment and hydrocarbon fractions on fluid behaviour in kaolinite pores[J]. Chemical Engineering Journal, https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151362 (2024).
