許云飛， 王洪濤， 王志華， 徐子怡， 洪家駿， 孫 巍

( 1. 東北石油大學(xué) 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318； 2. 大慶市信息技術(shù)研究中心，黑龍江 大慶 163318； 3. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083 )

0 引言

瀝青質(zhì)和膠質(zhì)作為原油中重要的天然組分，是分子質(zhì)量和極性最大的兩類物質(zhì)，同時(shí)二者又兼具較強(qiáng)的界面活性，通常被視為天然的表面活性物質(zhì)[1-5]，聚集、吸附在油—水界面能阻礙分散液滴的聚并，顯著增強(qiáng)原油乳狀液的穩(wěn)定性，為后續(xù)油田地面系統(tǒng)的高效油水分離帶來(lái)挑戰(zhàn)[6-10]。

瀝青質(zhì)、膠質(zhì)等極性分子對(duì)油水乳狀液形成與穩(wěn)定有促進(jìn)作用。GOUAL L等[11]利用透射電子顯微鏡對(duì)油—水界面薄膜進(jìn)行納米級(jí)表征，發(fā)現(xiàn)薄膜由垂直堆積的蠕蟲(chóng)狀瀝青質(zhì)簇組成；ROCHA J A等[12]提取不同種類的瀝青質(zhì)配置乳狀液并進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試，表明只有少部分瀝青質(zhì)起到乳化穩(wěn)定作用，這類瀝青質(zhì)分子一般富含較多的雜原子官能團(tuán)且分子質(zhì)量較大，相互之間容易聚集形成團(tuán)聚體。另外，含有這些官能團(tuán)的聚集結(jié)構(gòu)對(duì)界面的吸附能力更強(qiáng)。CZARNECKI J等[13]認(rèn)為瀝青質(zhì)不具有類似于表面活性劑的兩親結(jié)構(gòu)，對(duì)乳狀液產(chǎn)生的穩(wěn)定作用是通過(guò)在油膜內(nèi)部分層聚集形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改變膜的流變性，進(jìn)而對(duì)乳狀液滴的聚結(jié)產(chǎn)生影響。瀝青質(zhì)、膠質(zhì)等極性組分對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的作用機(jī)理還未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，但對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響是通過(guò)在界面處聚集而產(chǎn)生的這一觀點(diǎn)已成為共識(shí)。

近年來(lái)，利用分子模擬從微觀尺度探究瀝青質(zhì)、膠質(zhì)分子的聚集結(jié)構(gòu)成為一種趨勢(shì)[14]。瀝青質(zhì)、膠質(zhì)分子之間主要通過(guò)芳香環(huán)系的π—π堆積而產(chǎn)生相互作用，芳香環(huán)數(shù)的增加使分子間的相互作用能增加，而且π—π相互作用并不只局限于兩個(gè)分子之間，當(dāng)多個(gè)分子產(chǎn)生相互作用時(shí)，分子之間的聚集作用力大幅增加[15-19]。此外，分子中含有N、O、S等雜原子，極性組分之間及其與水分子之間形成氫鍵，聚集體內(nèi)氫鍵數(shù)的增多大幅增加分子間的作用力[20-24]。同時(shí)，極性組分分子與水分子之間氫鍵的形成是聚集體能吸附到油—水界面的主要原因，并且極性組分分子在氫鍵和π—π堆積共同作用下形成超分子結(jié)構(gòu)，超分子結(jié)構(gòu)對(duì)水分子的包裹，極大程度上阻止水滴的聚并，增強(qiáng)原油乳狀液的穩(wěn)定性[25-26]。

有關(guān)瀝青質(zhì)與膠質(zhì)分子摩爾比改變對(duì)聚集結(jié)構(gòu)的影響的研究較少，對(duì)于二者在油—水界面的排列、聚集行為及成膜演變過(guò)程沒(méi)有詳盡的闡述。筆者改變?yōu)r青質(zhì)與膠質(zhì)的分子摩爾比，建立不同原油—瀝青質(zhì)—膠質(zhì)—水界面體系的分子動(dòng)力學(xué)模型，利用可視化分析及分子密度分布、徑向分布函數(shù)、界面形成能等表征手段，描述瀝青質(zhì)、膠質(zhì)分子及二者自組裝結(jié)構(gòu)在原油—水界面的排列、聚集及成膜過(guò)程，揭示成膜厚度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨瀝青質(zhì)和膠質(zhì)分子摩爾比改變的變化規(guī)律，為原油乳狀液的穩(wěn)定機(jī)制及破乳提供參考。

1 分子動(dòng)力學(xué)模擬

1.1 組分分子模型

原油是包含多種烴類組分的混合物，除烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴等液態(tài)烴外，一般還包含瀝青質(zhì)、膠質(zhì)等重質(zhì)組分。為最大限度符合實(shí)際，以及突破以往分子動(dòng)力學(xué)模擬原油模型只包含單一組分的局限性，選取己烷、庚烷、辛烷、壬烷、環(huán)己烷、環(huán)庚烷、苯、甲苯8種烷烴，以及環(huán)烷烴、芳香烴組成基礎(chǔ)原油模型[27]；瀝青質(zhì)分子，基于TAKANOHASHI T等[28]提取的3種瀝青質(zhì)建立模型；膠質(zhì)分子，參照文獻(xiàn)[29]中6種膠質(zhì)分子建立模型，包含水分子在內(nèi)的所有組分分子采用全原子模型呈現(xiàn)(見(jiàn)圖1)。

圖1 原油組分分子模型Fig.1 Molecular models of crude oil component

1.2 模擬體系構(gòu)建

根據(jù)各相組分構(gòu)成分別構(gòu)建代表模擬體系中水層、油層和極性組分層的晶盒。油層中8種烴類分子數(shù)見(jiàn)表1，水層中水分子數(shù)為3 000個(gè)，中間層以總數(shù)為24個(gè)比例不同的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)分子進(jìn)行填充，盒子尺寸為4.45 nm×4.45 nm×4.45 nm(X×Y×Z)，將三個(gè)盒子組合形成最終的原油—極性組分—水模擬體系構(gòu)型。為避免盒子毗連造成不同層之間的分子重疊而對(duì)模擬的準(zhǔn)確度產(chǎn)生干擾，組裝過(guò)程中每層之間添加厚度為0.5 nm的真空層。

表1 原油層組分構(gòu)成及組分分子數(shù)

構(gòu)建的原油—極性組分—水模擬體系包含3種類型，分別為純?yōu)r青質(zhì)體系、純膠質(zhì)體系及瀝青質(zhì)—膠質(zhì)混合體系。改變?yōu)r青質(zhì)與膠質(zhì)分子數(shù)，分析瀝青質(zhì)與膠質(zhì)分子摩爾比變化對(duì)二者自組裝結(jié)構(gòu)特征，以及形成的黏彈性界面膜厚度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化規(guī)律，建立瀝青質(zhì)和膠質(zhì)分子摩爾比分別為4∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶4的5種混合體系，以摩爾比1∶1工況為例，構(gòu)建原油—極性組分—水模擬體系模型(見(jiàn)圖2)。

圖2 原油—極性組分—水模擬體系模型

1.3 力場(chǎng)模型

分子的總勢(shì)能由鍵結(jié)項(xiàng)和非鍵結(jié)項(xiàng)兩部分組成，鍵結(jié)項(xiàng)分別為鍵伸縮能Eb、鍵角彎曲能Eθ、二面角扭轉(zhuǎn)能Eφ、離平面振動(dòng)能Eχ及它們之間的耦合能Ecross；非鍵結(jié)項(xiàng)Enb包括范德華相互作用和庫(kù)倫相互作用，其中范德華相互作用采用Lennard-Jones 9-6勢(shì)，建立用于描述瀝青質(zhì)、膠質(zhì)分子在油—水界面排列、聚集行為及成膜過(guò)程的力場(chǎng)模型[30]：

E=Eb+Eθ+Eφ+Eχ+Enb,

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

1.4 算法及步驟

模擬體系每個(gè)方向均采用周期性邊界條件，截?cái)喟霃綖?5.5?，粒子間長(zhǎng)程庫(kù)倫靜電作用的計(jì)算采用Ewald算法，粒子間范德華相互作用采用Atom based算法，動(dòng)力學(xué)弛豫過(guò)程溫度設(shè)置為298 K，模擬壓力為0.1 MPa，模擬步長(zhǎng)為1 fs，并以1 ps的時(shí)間間隔收集軌跡。具體模擬步驟：

(1)對(duì)模擬體系采用Smart方法進(jìn)行6 000步能量最小化消除高能構(gòu)象；

(2)將體系進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為1 000 ps的退火處理，去除分子重疊和減少分子間內(nèi)應(yīng)力的影響，退火過(guò)程中溫度先從300 K升至500 K，然后再降至300 K，共進(jìn)行5次循環(huán)，每個(gè)循環(huán)坡道加熱溫度間隔為20 K；

(3)將優(yōu)化完備后的體系放在NVT系綜進(jìn)行1 000 ps的動(dòng)力學(xué)弛豫，保持體系的外壓平衡，初始速度選項(xiàng)設(shè)置為Random，使體系在NVT系綜產(chǎn)生初速度，溫度控制選取Andersen方法，直至體系達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，平衡穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為體系溫度和能量波動(dòng)范圍在5%以內(nèi)；

(4)將體系放在NPT系綜弛豫1 000 ps，確保體系各組分密度達(dá)到合理數(shù)值，初始速度選項(xiàng)設(shè)置為Current，承接體系在NVT系綜持有的速度，溫度控制選取Andersen方法，壓力控制采用Berendsen方法，直至體系平穩(wěn)，收斂標(biāo)準(zhǔn)為體系的溫度、能量、密度及盒子大小波動(dòng)范圍在5%以內(nèi)；

(5)將體系置于NVE系綜弛豫400 ps，待溫度波動(dòng)范圍在5%以內(nèi)體系達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計(jì)。

2 極性分子排列、聚集行為

2.1 單一瀝青質(zhì)分子體系

原油—瀝青質(zhì)—水模擬體系動(dòng)力學(xué)弛豫過(guò)程各階段形態(tài)見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，初始狀態(tài)下瀝青質(zhì)分子均勻分布；此后瀝青質(zhì)分子秩序變得混亂并逐漸形成兩個(gè)聚集體，一個(gè)聚集于原油相表面，另一個(gè)貼近水相，從800 ps開(kāi)始，兩個(gè)聚集體相互吸引并慢慢靠近，1 200 ps時(shí)，在油—水界面處融合為一個(gè)更大的團(tuán)聚體，而后聚集體被油水相壓縮厚度逐漸變薄。由于瀝青質(zhì)本身作為原油極性組分之一，在整個(gè)過(guò)程中靠近原油相一側(cè)的部分瀝青質(zhì)與原油相發(fā)生互溶，程度并不明顯。

圖3 原油—瀝青質(zhì)—水模擬體系動(dòng)力學(xué)弛豫過(guò)程Fig.3 Dynamic relaxation process of crude oil, asphaltene and water simulation system

由于分子中雜含S、O、N等原子，瀝青質(zhì)分子與水分子之間形成O—H…S和O—H…N型，與瀝青質(zhì)分子之間形成O—H…O、O—H…S、O—H…N和N—H…S型等4種類型的氫鍵(見(jiàn)圖4(a-f))。作為分子之間作用力的一種，瀝青質(zhì)分子和水分子間氫鍵的形成是瀝青質(zhì)在油—水界面聚集的主要原因。瀝青質(zhì)分子的聚集過(guò)程分為3個(gè)階段：首先，靠近水相一側(cè)的瀝青質(zhì)分子和水分子之間形成氫鍵而聚集在水相表面，遠(yuǎn)離水相一側(cè)的瀝青質(zhì)分子微溶于原油相；然后，更多的瀝青質(zhì)分子受氫鍵作用而匯集，逐漸在油水兩相表面形成聚集體；最后，在油水兩相擴(kuò)散的推動(dòng)作用下，兩個(gè)小聚集體融合為一個(gè)更大的橢球形聚集體，并被持續(xù)壓縮直至“平鋪”在油—水界面，以致密的瀝青質(zhì)膜形式排布在油—水界面。

圖4 瀝青質(zhì)分子與水分子、瀝青質(zhì)分子之間氫鍵Fig.4 Hydrogen bond of asphaltene molecules and water molecules

2.2 單一膠質(zhì)分子體系

原油—膠質(zhì)—水模擬體系動(dòng)力學(xué)弛豫過(guò)程各階段形態(tài)見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，與單一瀝青質(zhì)體系略有不同，雖然膠質(zhì)分子在弛豫初期出現(xiàn)3個(gè)明顯聚集區(qū)域，但每個(gè)區(qū)域都有膠質(zhì)分子相連接，不至于完全孤立隔離；當(dāng)弛豫至500 ps時(shí)，早期聚集在水相表面的膠質(zhì)分子逐漸開(kāi)始脫離，至1 500 ps時(shí)完全脫離，整個(gè)膠質(zhì)分子聚集體幾乎溶解于原油相，最后隨油水兩相逐步靠近膠質(zhì)分子緊密地排布在油—水界面而形成界面膜。

圖5 原油—膠質(zhì)—水模擬體系動(dòng)力學(xué)弛豫過(guò)程Fig.5 Dynamic relaxation process of crude oil, resin and water simulation system

研究選取的6種膠質(zhì)分子只雜含S原子，并且不與分子內(nèi)其他H原子相連，分子內(nèi)不存在S—H鍵，無(wú)法與其他膠質(zhì)分子形成氫鍵，因此膠質(zhì)分子只與水分子之間形成O—H…S單一類型的氫鍵(見(jiàn)圖6)。這是靠近水相一側(cè)的膠質(zhì)分子聚集在水相表面的原因，作為分子間弱相互作用的一種，膠質(zhì)分子與水分子之間形成的氫鍵作用不足以維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，伴隨原油相的擴(kuò)散，膠質(zhì)分子逐漸脫離水相表面而被吸引，直至溶解于原油相，并且溶解度明顯高于瀝青質(zhì)分子的。

圖6 膠質(zhì)分子與水分子之間氫鍵Fig.6 Hydrogen bond between resin and water molecules

2.3 瀝青質(zhì)—膠質(zhì)混合體系

經(jīng)可視化分析發(fā)現(xiàn)混合體系中瀝青質(zhì)分子和膠質(zhì)分子，首先就近聚集在原油相和水相表面，然后隨油水兩相的擴(kuò)散逐漸匯聚在油—水界面。由于5種(瀝青質(zhì)與膠質(zhì)分子摩爾比分別為4∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶4)體系的動(dòng)力學(xué)弛豫過(guò)程具有相似性，分析提取各體系弛豫過(guò)程典型時(shí)刻構(gòu)型(見(jiàn)圖7)。由圖7可以看出，當(dāng)瀝青質(zhì)與膠質(zhì)分子摩爾比較高(4∶1和2∶1)時(shí)，在動(dòng)力學(xué)弛豫過(guò)程模擬體系中的極性組分分子出現(xiàn)明顯的集中區(qū)域，呈一半?yún)R集在原油相表面而另一半聚集在水相表面的二分結(jié)構(gòu)，隨瀝青質(zhì)和膠質(zhì)分子摩爾比降低至1∶1、1∶2和1∶4時(shí)，清晰的區(qū)域性結(jié)構(gòu)消失，所有極性分子除初始狀態(tài)外聯(lián)系在一起，且瀝青質(zhì)與膠質(zhì)分子的摩爾比越低，即膠質(zhì)分子占比越高，這種現(xiàn)象越顯著。與單一膠質(zhì)體系類似，在整個(gè)動(dòng)力學(xué)弛豫過(guò)程中所有極性分子聯(lián)系在一起，不會(huì)出現(xiàn)類似單一瀝青質(zhì)體系兩個(gè)互不接觸的聚集體結(jié)構(gòu)，而起到“橋接”作用的是膠質(zhì)分子。

圖7 不同分子摩爾比的原油—瀝青質(zhì)—膠質(zhì)—水模擬體系動(dòng)力學(xué)弛豫過(guò)程Fig.7 Dynamic relaxation process of crude oil, asphaltene, resin and water simulation system with different molar ratios

綜上所述，雖然膠質(zhì)分子散布在瀝青質(zhì)分子的周圍，加強(qiáng)界面所有極性組分分子之間的聯(lián)系，但同時(shí)膠質(zhì)對(duì)瀝青質(zhì)產(chǎn)生的分散作用在一定程度上阻礙瀝青質(zhì)分子的聚并。瀝青質(zhì)分子與膠質(zhì)分子之間形成N—H…S型氫鍵(見(jiàn)圖8)，增強(qiáng)瀝青質(zhì)分子與膠質(zhì)分子之間的相互作用，使瀝青質(zhì)分子的聚并更難實(shí)現(xiàn)。

圖8 瀝青質(zhì)分子與膠質(zhì)分子之間氫鍵Fig.8 Hydrogen bond between asphaltene and resin molecules

3 極性組分聚集體結(jié)構(gòu)及相互作用機(jī)制

3.1 瀝青質(zhì)、膠質(zhì)分子堆積結(jié)構(gòu)及相互作用模式

各體系聚集體展開(kāi)分解過(guò)程中，在聚集體中既有π—π堆積結(jié)構(gòu)又有T型堆積結(jié)構(gòu)，并且π—π堆積結(jié)構(gòu)數(shù)最多占主導(dǎo)地位，且形成π—π堆積的分子數(shù)不固定，T型堆積結(jié)構(gòu)十分罕見(jiàn)且是由兩個(gè)分子結(jié)合形成的二聚體結(jié)構(gòu)，隨體系瀝青質(zhì)與膠質(zhì)分子摩爾比減小，T型堆積結(jié)構(gòu)數(shù)隨之增加。瀝青質(zhì)分子的體系中，在氫鍵和π—π堆積的共同作用下形成超分子結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖9)。

圖9 瀝青質(zhì)分子體系中氫鍵和π—π堆積共同作用形成超分子結(jié)構(gòu)Fig.9 Supermolecular structures formed by hydrogen bond and π-π interaction in asphaltene system

3.2 瀝青質(zhì)、膠質(zhì)分子聚集特性及相互作用強(qiáng)度

作為描述粒子或基團(tuán)分布概率的徑向分布函數(shù)，如果粒子或基團(tuán)在一定距離內(nèi)有規(guī)律的排布或聚集，則與其對(duì)應(yīng)的函數(shù)圖出現(xiàn)峰尖。因此，徑向分布函數(shù)可以在分子水平上提供結(jié)構(gòu)的局部信息，在一定程度上也可以反映分子間的相互作用強(qiáng)度[31-35]。各體系中瀝青質(zhì)和膠質(zhì)分子的徑向分布函數(shù)見(jiàn)圖10。由圖10可以看出，所有的徑向分布函數(shù)曲線大體只有一個(gè)峰，說(shuō)明各體系中的極性分子原則上匯集在一個(gè)聚集體中，純?yōu)r青質(zhì)、瀝青質(zhì)和膠質(zhì)分子摩爾比為4∶1、2∶1和1∶2體系的函數(shù)曲線在峰尖處有“凹陷”，略微呈現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立小峰形態(tài)，表明在這些體系的整個(gè)聚集體中極性分子的堆積程度并不均勻，一些分子在聚集體的局部區(qū)域形成致密的聚集堆積結(jié)構(gòu)(超分子結(jié)構(gòu)或由多個(gè)分子層狀排布形成的大型π—π堆積結(jié)構(gòu))。隨瀝青質(zhì)和膠質(zhì)分子摩爾比減小，函數(shù)曲線的峰值隨之降低，說(shuō)明聚集體中膠質(zhì)分子摩爾數(shù)的增加使結(jié)構(gòu)變得疏散，即瀝青質(zhì)分子間的相互作用強(qiáng)度要高于膠質(zhì)分子間的。

圖10 不同體系中瀝青質(zhì)分子與膠質(zhì)分子的徑向分布函數(shù)Fig.10 RDF of asphaltene and resin molecules in different systems

4 油—水界面穩(wěn)定性影響

4.1 界面膜厚度

各體系沿Z軸方向的密度分布見(jiàn)圖11。由圖11可以看出，體系分成明顯的兩相及位于兩相之間的界面層，極性組分分子在界面呈單層膜分布，且極性組分的密度分布曲線與原油相密度分布曲線交叉，形成區(qū)域的面積明顯大于與水相密度分布曲線的，說(shuō)明極性組分分子與原油相發(fā)生一定程度的互溶。隨瀝青質(zhì)與膠質(zhì)分子摩爾比降低，極性組分的密度分布曲線峰值逐漸降低，表明膠質(zhì)分子摩爾數(shù)的升高降低極性組分分子形成界面結(jié)構(gòu)的密度。

圖11 不同分子摩爾比原油—瀝青質(zhì)—膠質(zhì)—水體系密度分布Fig.11 Density distribution of crude oil, asphaltene, resin and water systems with different molar ratios

基于各體系的密度分布，定義從本體相濃度的90%到10%的一段距離為各體系原油—極性組分、水—極性組分的單一界面膜厚度(分別用to、tw表示)。由于原油—極性組分—水界面體系復(fù)雜，使用“90～90”標(biāo)準(zhǔn)[36]確定油—水界面膜的厚度，即油和水的體相濃度的90%之間的距離(tt)，各體系的界面膜厚度見(jiàn)表2。

表2 原油—瀝青質(zhì)—膠質(zhì)—水各體系界面厚度統(tǒng)計(jì)

由表2可以看出，不同體系隨瀝青質(zhì)與膠質(zhì)分子摩爾比從1∶4增大至4∶1，原油—極性組分、水—極性組分的單一界面膜厚度分別從2.244和0.865 nm增加至2.681和0.998 nm，油—水界面膜厚度從2.748 nm增加至3.365 nm，并且原油相與極性組分之間形成的單一界面膜厚度顯著大于水—極性組分的(原油相的約為水相的3倍)。主要是因?yàn)樽鳛樵徒M分之一的極性組分溶解于原油相，使界面變得相對(duì)模糊，與可視化分析的結(jié)果相一致。

4.2 界面膜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

為比較原油—瀝青質(zhì)—膠質(zhì)—水體系形成界面膜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，計(jì)算各體系的界面形成能，界面形成能可以比較各界面的穩(wěn)定性[37-38]。在原油—極性組分—水界面體系中，界面形成能EIF表示為

(8)

式中：Et為界面達(dá)到平衡后體系的總能量；Ep為單個(gè)極性組分分子的能量；Eo-w為不存在極性分子時(shí)油—水界面體系的總能量；n為極性組分分子摩爾數(shù)。

由于瀝青質(zhì)和膠質(zhì)分子被視為原油中天然的表面活性物質(zhì)，油水體系中引入表面活性物質(zhì)引起界面的總能量降低，所以界面形成能是負(fù)值，且絕對(duì)值越大越穩(wěn)定，越有利于界面的形成[39]。

作為原油中極性最強(qiáng)的兩類物質(zhì)——瀝青質(zhì)和膠質(zhì)分子的加入顯著降低體系的能量，促進(jìn)體系達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并形成界面膜。隨瀝青質(zhì)與膠質(zhì)分子摩爾比從1∶4增大至4∶1，界面形成能的絕對(duì)值從163.34 kJ/mol逐步升至249.37 kJ/mol(見(jiàn)表3)。不同原油—瀝青質(zhì)—膠質(zhì)—水體系界面膜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨瀝青質(zhì)與膠質(zhì)分子摩爾比的升高而增強(qiáng)，表明瀝青質(zhì)分子對(duì)促進(jìn)界面膜形成并保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用顯著高于膠質(zhì)分子的。

表3 原油—瀝青質(zhì)—膠質(zhì)—水體系的界面形成能

5 結(jié)論

(1)構(gòu)建不同摩爾比瀝青質(zhì)與膠質(zhì)分子體系模型，描述瀝青質(zhì)、膠質(zhì)及二者混合后在油—水界面的分子排列行為和聚集過(guò)程。相較于瀝青質(zhì)分子聚集初期在油、水相表面分別形成孤立的小聚集體，膠質(zhì)分子具有較好的溶解分散性，增強(qiáng)界面所有極性組分分子之間的聯(lián)系，并使這種孤立性聚集結(jié)構(gòu)消失；同時(shí)，膠質(zhì)對(duì)瀝青質(zhì)產(chǎn)生的分散作用在一定程度上阻礙瀝青質(zhì)分子的聚并。

(2)單一瀝青質(zhì)、單一膠質(zhì)及瀝青質(zhì)—膠質(zhì)體系弛豫平衡后的聚集體表現(xiàn)為π—π堆積和T型堆積兩種結(jié)構(gòu)，且瀝青質(zhì)分子摩爾占比越高，π—π堆積結(jié)構(gòu)的比例越高，瀝青質(zhì)分子間的相互作用強(qiáng)度高于膠質(zhì)分子的；同時(shí)，單一瀝青質(zhì)分子或?yàn)r青質(zhì)與膠質(zhì)分子之間在氫鍵和π—π堆積共同作用下形成超分子結(jié)構(gòu)。

(3)隨瀝青質(zhì)與膠質(zhì)分子摩爾比從1∶4增加至4∶1，體系的界面膜厚度及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度呈增加態(tài)勢(shì)，界面膜厚度和界面形成能的絕對(duì)值分別從2.748 nm和163.34 kJ/mol增加到3.365 nm和249.37 kJ/mol，瀝青質(zhì)分子對(duì)促進(jìn)界面膜形成并保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用顯著高于膠質(zhì)分子的。