碳酸盐岩狭缝中硫吸附与气相调控的分子机制及其在含硫多孔介质流动保障中的应用

本文通过分子动力学(MD)模拟揭示了高硫碳酸盐岩孔隙系统中液态硫的吸附行为及其调控机制。研究发现硫吸附存在明显毛细凝聚效应，吸附能在饱和度50%时达380 kcal/mol，完全饱和时升至465 kcal/mol。其中CO2在30 MPa下通过竞争占据方解石表面活性位点，可最大降低234 kcal/mol吸附能，且40 ?孔隙宽度时抑制效果最佳（46%）。该研究为含硫多孔介质的吸附型流动保障(flow assurance)和界面分离策略提供了分子层面理论支撑。

　　

Highlight

本研究采用分子动力学(MD)模拟揭示了方解石(CaCO₃)狭缝中液态硫的吸附规律，系统评估了CH₄、N₂和CO₂三种注气对硫沉积的抑制效果。主要发现：

Results and discussion

1. 1.

   硫饱和度影响：方解石狭缝中液态硫吸附呈现显著毛细凝聚现象。当饱和度＜50%时吸附能快速上升，50-75%区间稳定在~380 kcal/mol，完全饱和时达465 kcal/mol。

2. 2.

   注气类型比较：CO₂展现出最优抑制性能，在30 MPa下通过竞争占据方解石表面活性位点，最大降低吸附能234 kcal/mol。

3. 3.

   孔隙尺寸效应：CO₂的硫抑制效果与孔隙宽度强相关，40 ?孔径时抑制率最高（46%），这与其分子尺寸和界面相互作用匹配度有关。

Conclusions and future perspectives

1. 1.

   硫吸附存在明显的饱和度阈值效应，50%饱和度是吸附行为转变的关键节点。

2. 2.

   CO₂凭借其与方解石表面的强相互作用，能有效置换吸附硫分子，这种"竞争吸附"机制为含硫气藏开发提供了新思路。

3. 3.

   未来研究可结合量子化学计算进一步揭示硫-矿物-气体三元体系的电子尺度相互作用。

（注：翻译严格保留原文技术细节，如kcal/mol、?等单位符号，并使用"竞争吸附"等专业表述增强生动性；CO₂等化学式保持下标格式，避免使用HTML转义符）