随着全球对石油需求的增加以及常规原油产量的下降，石油工业面临着维持高效开采、运输和精炼过程的重大挑战[[1], [2], [3], [4]]。在这些挑战中，沥青质的行为受到了特别关注——沥青质是原油中最重且最复杂的组分。沥青质在压力、温度或溶剂组成变化时容易沉淀和聚集[[5], [6], [7], [8]]。这些高分子量化合物由多环芳烃（PAHs）与杂原子（如氮、硫和氧）及烷基侧链组成，使其对环境条件极为敏感[[9], [10], [11]]。沥青质的聚集是石油工业中的一个关键问题，因为它可能导致严重的操作问题，包括管道堵塞、生产效率降低和维护成本增加[[12], [13], [14]]。此外，沥青质的聚集与原油的粘度行为和焦油沉积密切相关[15]，从而将分子层面的认识与储层规模的影响联系起来。因此，理解控制沥青质聚集的机制对于制定有效的缓解策略、优化石油回收过程以及确保石油基础设施的平稳运行至关重要。
通过实验、理论和计算方法，在理解沥青质聚集方面取得了显著进展[[16], [17], [18], [19], [20], [21], [22]]。这些研究确定了影响沉积的关键因素，包括分子结构[18,23]、溶剂效应[24,25]和环境条件[26,27]。实验研究，如核磁共振（NMR）光谱、拉曼光谱（RS）、X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）[6,[28], [29], [30]]，为沥青质及其聚集体的结构特征提供了宝贵的见解。例如，NMR研究揭示了芳香族核心和烷基侧链在稳定沥青质聚集体中的作用，而AFM则在纳米尺度上可视化了这些聚集体的形态[[19], [20], [21]]。此外，Schuler等人的AFM研究[31]发现重油组分中同时存在群岛型和岛屿型沥青质，其中群岛型成分占少数。Yen-Mullins模型和修正的规则溶液理论等理论模型被开发出来描述沥青质的聚集和相行为[[32], [33], [34]]。这些模型为理解分子结构、溶剂效应和环境条件在驱动聚集中的作用提供了概念框架。此外，计算方法，特别是分子动力学（MD）模拟，已成为研究分子结构和分子间相互作用的强大工具[[35], [36], [37]]。MD模拟能够捕捉沥青质分子在不同溶剂和不同条件下的动态行为，提供了关于聚集过程的详细见解[16,38]。例如，最近的MD研究强调了π-π堆叠和氢键在稳定沥青质聚集体中的重要性[39,40]。Hu等人[41]通过MD模拟表明，增加沥青质含量会逐渐破坏蜡分子之间的吸引力，使蜡分子在沥青质聚集体附近发生弯曲和紊乱，降低蜡的沉淀点，最终防止重油中的蜡结晶。尽管取得了这些进展，但大多数计算研究仍集中在单一成分的沥青质系统上，未能充分反映实际情况下多种沥青质类型共存和相互作用的复杂性。
实际上，沥青质是由不同大小、形状和官能团组成的异质混合物[[42], [43], [44]]。这种复杂性使得预测它们在不同条件下的聚集行为变得具有挑战性[45]。近年来，分子协同作用和合作相互作用的概念越来越受到关注，被认为是驱动沥青质聚集的关键因素[46,47]。协同作用指的是多种相互作用的综合效应大于它们各自效应的总和，从而增强聚集行为。例如，即使在不利溶剂条件下，π-π堆叠和氢键之间的协同作用也能显著稳定沥青质聚集体[48]。同样，杂原子（如氮和硫）的存在可以引入额外的相互作用，如偶极-偶极相互作用和配位键，进一步复杂化聚集过程[47,49]。从结构上看，两种典型的沥青质分子结构占主导地位：由多个芳香族核心通过柔性脂肪链连接的群岛型分子，以及由单个芳香族核心和外围取代基组成的岛屿型分子。这些不同的结构具有不同的构象灵活性和相互作用模式，导致显著的聚集倾向和溶解度差异。特别是，包括π-π堆叠、氢键和范德华相互作用在内的分子相互作用为这一问题增添了复杂性[18,50]。然而，当群岛型和岛屿型沥青质在更接近实际原油系统的条件下共存时，可能发生的协同相互作用仍不够清楚。
本研究旨在通过结合MD模拟和热力学分析的综合性方法，阐明群岛型和岛屿型沥青质之间的分子协同作用和合作相互作用。MD和密度泛函理论（DFT）的协同使用有助于全面理解驱动沥青质聚集和沉积的多尺度机制，包括分子间相互作用、溶剂环境和表面亲和力的作用。MD模拟结果通过实验测得的密度、界面张力和溶解度参数进行了验证。通过将分子层面的见解与预测建模相结合，本研究建立了结构-相互作用-聚集关系，为缓解石油回收和流动保障中的沥青质相关挑战提供了坚实的框架，从而推动更高效和可持续的石油生产。
