重质油是石油工业中的重要资源，广泛用于能源生产和化工原料。然而，由于重质油具有高粘度、高沥青质含量和复杂的化学组成，其开采、运输和加工面临诸多挑战。沥青质是一种高分子量的复杂化合物，是重质油中最具挑战性的组分之一。沥青质在溶剂中的聚集行为会显著增加重质油的粘度，导致流动性降低，进而影响其运输和加工效率。因此，深入研究沥青质的聚集规律及其影响因素，对于提升重质油处理技术具有重要意义。沥青质分子的聚集行为受到多种因素的影响。分子间的范德华力、氢键以及π-π 相互作用是驱动沥青质分子聚集的主要内在因素。此外，外部条件如温度和压力等也对沥青质的聚集行为产生显著影响。然而，目前针对沥青质的研究主要集中在宏观层面，缺乏在分子层面对沥青质的缔合过程和影响因素的研究。

据此，我校能源学院硕士生韩雨潇在张凡副教授的指导下，利用分子动力学模拟和量子化学计算的方法，系统研究了重质油中沥青质的缔合规律以及温度、压力、模型对其缔合过程的影响，分析了不同沥青质模型在重质油中的缔合构象，并通过量子化学计算可视化了分子间的弱相互作用力。该研究为揭示稠油致黏机理、沥青质的沉积过程提供了分子层面的见解，为重质油流动保障提供了理论参考。

主要研究亮点如下：

（1）利用分子动力学模拟，构建了三种典型的沥青质模型，研究了其在重质油中的典型缔合构象以及温度、压力对分子缔合过程的影响。

（2）利用量子化学计算，分析了不同沥青质模型的典型缔合构象间的非键相互作用，并通过波函数分析进行了弱相互作用可视化。

图1 模型组成及模拟流程

图2 大陆沥青质模型的典型二聚体结构;(a)面-面堆叠;(b)边-边堆叠

图3 二岛模型的典型缔合结构(a)单体 (b)二聚体 (c)多聚体

图4 群岛模型的典型缔合结构(a)单体 (b)二聚体 (c)多聚体

图5 不同类型沥青质分子静电势分布图以及静电势分布柱形图(a,b) 大陆模型;(c,d) 二岛模型;(e,f) 群岛模型

图6 不同模型沥青质间非键相互作用分析 (a,b) 大陆模型(c,d) 二岛模型;(e,f) 群岛模型

上述研究成果发表于国际石油工程领域著名期刊《SPE Journal》上：Yuxiao Han and Fan Zhang*. Aggregation Behavior of Asphaltenes in Heavy Oil and Its Influencing Factors: A Multiscale Study Based on Molecular Dynamics Simulations and Quantum Chemical Calculations. SPE Journal, 2025: 1-15.

全文链接：https://doi.org/10.2118/224433-PA