油气藏评价与开发

元素分析/%	R_o，max/%	密度/(g/cm³)
87.25	5.76	5.41	1.26	0.33	0.93	1.34

元素分析/%

R_o，max/%

密度/(g/cm³)

87.25

5.76

5.41

1.26

0.33

0.93

1.34

元素分析/%	R_o，max/%	密度/(g/cm³)
87.25	5.76	5.41	1.26	0.33	0.93	1.34

元素分析/%

R_o，max/%

密度/(g/cm³)

87.25

5.76

5.41

1.26

0.33

0.93

1.34

官能团	相对含量/%	官能团	相对含量/%
脂肪族甲基碳	3.57	质子化芳香碳	33.68
芳香族甲基碳	8.23	桥接芳香碳	5.84
脂肪族亚甲基碳	15.97	侧支链芳香烃	8.13
次甲基和季碳	8.04	氧取代芳香碳	2.07
氧接脂肪碳	5.84	羧基、羰基	8.61

官能团

相对含量/%

官能团

相对含量/%

脂肪族甲基碳

3.57

质子化芳香碳

33.68

芳香族甲基碳

8.23

桥接芳香碳

5.84

脂肪族亚甲基碳

15.97

侧支链芳香烃

8.13

次甲基和季碳

8.04

氧取代芳香碳

2.07

氧接脂肪碳

5.84

羧基、羰基

8.61

官能团	相对含量/%	官能团	相对含量/%
脂肪族甲基碳	3.57	质子化芳香碳	33.68
芳香族甲基碳	8.23	桥接芳香碳	5.84
脂肪族亚甲基碳	15.97	侧支链芳香烃	8.13
次甲基和季碳	8.04	氧取代芳香碳	2.07
氧接脂肪碳	5.84	羧基、羰基	8.61

官能团

相对含量/%

官能团

相对含量/%

脂肪族甲基碳

3.57

质子化芳香碳

33.68

芳香族甲基碳

8.23

桥接芳香碳

5.84

脂肪族亚甲基碳

15.97

侧支链芳香烃

8.13

次甲基和季碳

8.04

氧取代芳香碳

2.07

氧接脂肪碳

5.84

羧基、羰基

8.61

元素峰	官能团	相对含量/%
C1s	C-C	97.7
C-O	0.2
C=O	2.1
N1s	吡啶氮（C₅H₅N）	30.34
吡咯氮（C₄H₅N）	57.60
季氮（-N-CH₃）	12.06
O1s	C=O	35.30
C-O	64.70

元素峰

官能团

相对含量/%

C1s

C-C

97.7

C-O

0.2

C=O

2.1

N1s

吡啶氮（C₅H₅N）

30.34

吡咯氮（C₄H₅N）

57.60

季氮（-N-CH₃）

12.06

O1s

C=O

35.30

C-O

64.70

元素峰	官能团	相对含量/%
C1s	C-C	97.7
C-O	0.2
C=O	2.1
N1s	吡啶氮（C₅H₅N）	30.34
吡咯氮（C₄H₅N）	57.60
季氮（-N-CH₃）	12.06
O1s	C=O	35.30
C-O	64.70

元素峰

官能团

相对含量/%

C1s

C-C

97.7

C-O

0.2

C=O

2.1

N1s

吡啶氮（C₅H₅N）

30.34

吡咯氮（C₄H₅N）

57.60

季氮（-N-CH₃）

12.06

O1s

C=O

35.30

C-O

64.70

任务	力场	电荷	静电作用	范德华力	配置	系综	控温	精度
几何优化	通用力场Ⅲ	力场指定	埃瓦尔德法（Ewald）	原子基	—	—	—	精细
退火	—	正则系综（NVT）	诺瑟控温（Nose）
分子动力学	—
固定压力/吸附等温线	蒙特卡洛法（Metropolis）	—	—

任务

力场

电荷

静电作用

范德华力

配置

系综

控温

精度

几何优化

通用力场Ⅲ

力场指定

埃瓦尔德法（Ewald）

原子基

—

精细

退火

—

正则系综（NVT）

诺瑟控温（Nose）

分子动力学

—

固定压力/吸附等温线

蒙特卡洛法（Metropolis）

—

任务	力场	电荷	静电作用	范德华力	配置	系综	控温	精度
几何优化	通用力场Ⅲ	力场指定	埃瓦尔德法（Ewald）	原子基	—	—	—	精细
退火	—	正则系综（NVT）	诺瑟控温（Nose）
分子动力学	—
固定压力/吸附等温线	蒙特卡洛法（Metropolis）	—	—

任务

力场

电荷

静电作用

范德华力

配置

系综

控温

精度

几何优化

通用力场Ⅲ

力场指定

埃瓦尔德法（Ewald）

原子基

—

精细

退火

—

正则系综（NVT）

诺瑟控温（Nose）

分子动力学

—

固定压力/吸附等温线

蒙特卡洛法（Metropolis）

—

深部煤层含水率对CO₂置换CH₄影响的分子模拟研究

张潘潘 1^,2 , 韩明辰 1^,2 , 穆总结 1^,2 , 田守嶒 1^,2 , 王睿 1^,2 , 魏奇龙 1^,2 , 尹鹏波 1^,2

油气藏评价与开发 | 油气开发 2026,16(5): 1071-1081

收起

油气藏评价与开发 |油气开发 2026 , 16 (5) : 1071 -1081

深部煤层含水率对CO₂置换CH₄影响的分子模拟研究

全屏

张潘潘1^,2, 韩明辰1^,2, 穆总结1^,2, 田守嶒1^,2, 王睿1^,2, 魏奇龙1^,2, 尹鹏波1^,2

作者信息

¹　中国石油大学（北京）克拉玛依校区石油学院，新疆　　克拉玛依　834000

²　新疆油气智能勘探与开发重点实验室，新疆　　克拉玛依　834000

通讯作者:

穆总结（1981—），男，博士，教授，博士生导师，从事非常规油气高效开发科研与管理工作。地址：新疆维吾尔自治区克拉玛依市克拉玛依区安定路355号，邮政编码：834000。E-mail：mzongjie@126.com

作者简介:

张潘潘（1994—），男，博士，副教授，硕士生导师，从事非常规油气钻完井与开发研究工作。地址：新疆维吾尔自治区克拉玛依市克拉玛依区安定路355号，邮政编码：834000。E-mail：zhangpanpan0819@126.com

Molecular simulation study on influence of water content on CO₂ displacement of CH₄ in deep coal seams

PANPAN ZHANG1^,2, MINGCHEN HAN1^,2, ZONGJIE MU1^,2, SHOUCENG TIAN1^,2, RUI WANG1^,2, QILONG WEI1^,2, PENGBO YIN1^,2

Affiliations

¹ College of Petroleum, China University of Petroleum-Beijing at Karamay, Karamay, Xinjiang 834000, China

² Xinjiang Key Laboratory of Intelligent Petroleum Exploration and Engineering, Karamay, Xinjiang 834000, China

出版时间: 2026-09-26 doi: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.2025457

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关键词

深部煤层气 / 分子模型 / 含水率 / CO₂-ECBM / 分子模拟

Key words

deep coalbed methane (CBM) / molecular model / water content / CO₂ injection-enhanced coalbed methane recovery (CO₂-ECBM) / molecular simulation

引用本文

张潘潘, 韩明辰, 穆总结, 田守嶒, 王睿, 魏奇龙, 尹鹏波. 深部煤层含水率对CO₂置换CH₄影响的分子模拟研究. 油气藏评价与开发, 2026 , 16 (5) : 1071 -1081 . DOI: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.2025457

PANPAN ZHANG, MINGCHEN HAN, ZONGJIE MU, SHOUCENG TIAN, RUI WANG, QILONG WEI, PENGBO YIN. Molecular simulation study on influence of water content on CO₂ displacement of CH₄ in deep coal seams[J]. Petroleum Reservoir Evaluation and Development, 2026 , 16 (5) : 1071 -1081 . DOI: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.2025457

正文

收起

新疆煤层气资源丰富，2 000 m以浅资源量约为7.52×10¹²m^3[1-3]，但开发技术仍未成熟，目前主要借鉴页岩气“高排量+强加砂+密切割”水平井大规模体积压裂技术^[4]，但单井煤层气产量普遍较低。注CO₂置换CH₄（CO₂-ECBM）技术在国外煤层气开采中应用广泛且效果显著，该技术可在提高煤层气产率的同时，实现CO₂有效封存^[5-6]。CO₂与CH₄在煤孔隙中的竞争吸附是CO₂-ECBM的技术核心，煤基质对CO₂的吸附能力强于CH₄，向煤层注入CO₂可置换其中的CH₄，进而提高煤层气产量，并将CO₂封存在煤层中。相较于浅部煤层，深部煤层开展CO₂-ECBM及CO₂地质封存更具优势。高温高压环境易使CO₂达到超临界状态，从而显著提升CO₂吸附能力、提高置换效率与增大封存容量^[7-8]。同时，深部煤层含气饱和度高，顶底板结构致密，为CO₂长期安全封存提供了有利的地质条件^[9-11]。因此，开展深部煤层CO₂-ECBM的微观机理研究，对于推动该技术向深部领域拓展具有重要意义。

国内外学者围绕煤中气体竞争吸附开展了大量研究，证实相同条件下CO₂吸附优势显著。前人探究页岩有机纳米孔中重质烷烃对CH₄与CO₂竞争吸附的影响机制，发现在二元和三元混合吸附中，CO₂可大幅降低CH₄吸附量，促进CH₄解吸。赵志鹏等^[12]研究煤体CO₂与CH₄竞争吸附特征，指出CO₂吸附能力强于CH₄，但在高浓度梯度下CH₄可逆向驱替CO₂，且驱替耗时较长；林海飞等^[13]针对煤样吸附CO₂和CH₄的热力学特性展开研究，提出CO₂吸附势能、吸附热及吸附熵变均大于CH₄，等量吸附热受分子间竞争作用及微孔填充效应影响。Ji等^[14]分析不同注入压力下煤中气体的置换、扩散以及煤的结构变形规律，认为6 MPa注入压力下CO₂置换CH₄的效率最优。

当前煤层注CO₂置换CH₄的分子模拟研究大多未考虑水分影响，但实际煤层中普遍含有不同含量的水分，其相关微观作用机制仍需进一步探究。选取阜康矿区深部煤样，结合¹³C核磁共振（¹³C-NMR）谱、X射线光电子能谱（XPS）构建煤分子模型，通过分子模拟方法，系统研究含水率对CO₂置换CH₄过程的影响，所得结论可为新疆深部煤层气注气促抽工程实践提供理论参考。

1　模型构建

收起

1.1　煤样采集与处理

阜康矿区位于准噶尔盆地南缘，矿区沿东西向呈不规则状展布，区内整体为封闭性滞留水体水文地质环境，煤层埋藏深、厚度大，为煤层气赋存提供了有利地质条件。主要含煤地层为侏罗系下统八道湾组，38号、41号、43号、45号为区内全区可采及大部可采煤层。采集矿区45号煤层煤岩样品，埋深约2 350 m。对煤样进行元素分析、镜质体最大反射率（R_o，max）检测和密度测试，结果如表1所示。

1.2　测试方法与分析

1.2.1　 ¹³C-NMR测试分析

通过¹³C-NMR测试获取煤的碳骨架信息，以研究煤分子结构特征。煤样¹³C-NMR谱分峰拟合结果见图1，官能团结构归属见表2。谱图主要拟合出3个区域：化学位移δ为0~90的脂肪碳区、化学位移δ为90~165的芳香碳区以及化学位移δ约200的羰基和羧基碳区^[15]。其中芳香碳占比58.33%，在煤结构中占主体，脂肪碳充当连接不同芳香族结构单元的桥梁，占比41.65%，计算得到煤样的芳香桥碳与周碳比（X_BP）为0.13。

1.2.2　XPS测试分析

采用XPS表征煤样中杂原子赋存状态，分峰拟合结果如图2所示，元素赋存形态及相对含量见表3。结果显示，煤中氮主要以吡啶氮和吡咯氮形式存在，其中吡咯氮占比较高，氧以羰基氧和酚羟基氧为主。

1.3　模型构建与优化

前人研究表明^[16-17]，煤的分子量约为3 000。根据桥碳和周碳的定义，苯环、吡啶、吡咯的桥周碳比为0，萘环为0.25^[18]。阜康煤样的X_BP值为0.13，计算得到其主体结构由11个苯环、6个萘环、1个吡啶和2个吡咯组成，分子式为C₂₁₀H₁₆₁O₁₀N₃，化学结构见图3a。采用Materials Studio（MS）软件对模型进行几何优化与退火模拟，以获得能量最低构型，参数设置见表4，结果见图3b。优化后煤分子模型能量降低，空间结构发生明显弯曲扭转。

煤分子模拟中，势能-密度曲线中第2个势能最低点对应的密度更接近真实密度^[19]。从密度0.6~1.7 g/cm³，间隔0.05 g/cm³为煤分子添加周期性边界条件，最终得到煤的模拟密度为1.30 g/cm³，略低于其实际密度值1.34 g/cm³。采用Amorphous Cell模块给10个煤分子添加周期性边界条件，密度设为1.30 g/cm³，经几何优化、退火模拟与分子动力学优化，最终构建煤基质模型，如图3c所示。

1.4　模型有效性验证

1.4.1　 ¹³C-NMR谱图验证

通过MestReNova软件预测构建模型的¹³C谱图，并与实验谱图对比，结果见图4，二者吻合良好，证明构建的模型架构合理。

1.4.2　孔隙特征验证

采用Atom Volumes & Surfaces工具表征煤基质模型孔隙特性，计算得到模型孔隙占用体积为34.23 nm³，自由体积为2.64 nm³，比表面积为35.26 nm²，初始孔隙度为7.16%，与煤样孔隙度实测值（6.58%）相符。模型以微孔为主，开孔与半封闭孔数量较多且连通性良好，吸附空间主要集中于微孔隙内表面，与实际煤孔隙特征一致。

1.4.3　Langmuir参数验证

在80 ℃、0~20 MPa条件下，实测阜康煤样的CH₄等温吸附曲线，同时采用Materials Studio（MS）软件模拟相同条件下模型的CH₄吸附行为。结果显示，实验测得的Langmuir参数（兰氏体积：19.17 mL/g；兰氏压力：3.79 MPa）与模拟结果（兰氏体积：21.24 mL/g，兰氏压力：3.94 MPa）的误差在合理范围内，表明该模型可有效表征实际区块煤体的吸附特征。

2　结果与讨论

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为确保模拟结果具有代表性与实际意义，本研究中分子模拟的温度与压力参数均参考阜康区块深部煤层实际地质条件^[20-21]。根据区块测井与地层压力测试数据，埋深介于2 000~2 500 m的煤储层温度约为65~80 ℃，压力约为19~25 MPa。采集的煤岩样品埋深为2 350 m，对应储层温度为75 ℃，压力为22 MPa。因此，将模拟温度统一设为75 ℃，压力设为22 MPa，以真实还原深部煤层的高温高压环境。

2.1　不同含水率煤分子模型构建

为探究含水率对煤层注CO₂置换CH₄过程的影响，本研究构建了含水率1%、3%和5%的煤基质模型（图5）。将含水率上限设定为5%，与深部煤层实测含水率（高于10%）存在一定差距，这主要源于分子模拟方法的技术局限性：在周期性边界条件下，含水率过高易导致水分子形成非物理性团簇聚集，难以准确模拟真实煤层中水相的宏观分布与毛细行为。此外，水分子间强氢键作用会显著增加模拟难度，导致计算时间呈指数增长，甚至难以收敛。因此，本研究聚焦低至中等含水条件，旨在揭示水分对煤层气开发初期的影响机制与演变趋势，为理解水分侵入煤层后对气体吸附与运移的早期干扰提供理论依据。对于更高含水率条件下的行为，未来需结合多尺度模拟方法，将分子尺度机理参数上推至孔隙或连续介质尺度进一步探究。

模拟结果表明，随着含水率升高，水分子空间分布呈规律性演变，主要表现为“吸附于极性官能团表面、填充于孔隙内部、形成氢键缔合的团簇”3类形态。当含水率为1%时，水分子优先聚集于含氧官能团周围并通过氢键结合，此时煤基质以开放型孔隙为主。当含水率升至3%时，水分子进入微孔并在高极性区域形成局部团簇，占据微孔空间，进而抑制了孔隙的通达性。当含水率达到5%时，水分子在孔隙区域富集形成连续水膜，大量占据中-小孔隙及部分大孔，显著降低了有效孔容；同时，水分子间的氢键作用增强，形成“水簇”与“桥接水”，阻塞了孔隙通道，导致煤基质的有效吸附位点减少，气体吸附与扩散均受到严重限制。

2.2　含水率对煤孔渗特征的影响

为探究含水率对煤孔渗特征的影响，采用Atom Volumes & Surfaces工具，通过Connolly算法对不同CO₂注入量下干煤及不同含水率煤的孔隙结构进行表征，通过改变CO₂在混合气体中所占有的摩尔分数实现对CO₂注入量的控制，CO₂与CH₄摩尔分数比（

x C O 2 / x C H 4

）的变化区间为0~200%。结果如图6所示，其中灰色部分表示煤基质孔隙特征，蓝色部分表示开孔与贯通孔隙。当煤层孔隙度小于10%时，煤的基质渗透率与孔隙度符合立方定律^[22]，计算公式如式（1）所示。

k / k 0 = (φ / φ 0) 3

（1）

式中：k为渗透率，单位10^-3 μm²；k₀为初始渗透率，单位10^-3 μm²；φ为孔隙度，%；φ₀为初始孔隙度，%。

结合立方定律和Connolly算法，绘制不同CO₂注入比例、含水率条件下煤基质孔隙度与渗透率变化曲线（图7）。结果显示，煤基质吸附气体后孔隙度和渗透率显著降低，饱和吸附CH₄时孔隙度较初始值降低72.2%；当

x C O 2 / x C H 4

=2时，孔隙度降至1.09%，相较饱和吸附CH₄时降低45.5%，渗透率降低83.8%。煤体吸附气体后产生基质膨胀，挤压孔隙空间，进而造成孔隙度与渗透率降低。模拟结果与前人研究结论（大量CO₂注入会使煤层渗透率降低60%~90%）^[23-24]保持一致，验证了模拟可靠性。含水率升高同样显著影响煤孔渗特性。与干煤相比，1%、3%和5%含水率煤的孔隙度分别下降21.1%、63.0%和84.7%，渗透率分别下降50.9%、94.9%和99.6%。这一变化主要源于两方面机制的协同作用：一方面，煤吸附水分子引发基质膨胀，导致煤基质绝对渗透率下降；另一方面，液态水在孔隙与裂隙中形成“水锁效应”，占据气体运移路径，降低气相相对渗透率，即水分通过结构性孔隙压缩与流体竞争孔隙空间共同影响煤层渗流。

与已有含瓦斯煤渗透特性实验结果^[25-26]相比，本研究在分子尺度下获得的煤基质膨胀率较高，这是由于模拟未施加真实地应力约束，反映的是近似“自由膨胀”下的理论响应。实际深部煤层中煤体受强三向地应力作用，膨胀变形受到显著限制，故物理实验得到的膨胀率通常低于模拟结果。因此，膨胀率可视为煤基质在无约束条件下的“最大膨胀潜能”。后续研究可通过发展耦合地应力的多尺度模拟方法，或将分子尺度机理参数上推至宏观模型，以实现对原位条件下煤基质膨胀行为的更准确预测。

2.3　含水率对吸附量的影响

为探究含水率对CO₂置换CH₄过程中气体吸附量的影响，计算不同含水率下煤中气体吸附量、CO₂注入置换比和CH₄置换率随

x C O 2 / x C H 4

的变化曲线，如图8所示。其中注入置换比（简称注置比）是CH₄置换量与注入置换源气体量的比例，用来表征气体对煤中CH₄的置换效率，反映气体置换CH₄的难易程度^[27]；CH₄置换率是CH₄置换量与未发生置换反应前CH₄吸附量的比例，计算公式分别见式（2）、式（3）。

R = Δ Q Q z = Q x 0 - Q x 1 Q z

（2）

X = Δ Q Q x 0

（3）

式中：R为注置比；∆Q为CH₄置换量，单位cm³/g；Q_z为等压扩散前CO₂的注入量，单位cm³/g；X为置换率；Q_x0为未发生置换反应前CH₄吸附量，单位cm³/g；Q_x1为置换反应后剩余CH₄的吸附量，单位cm³/g。

随着

x C O 2 / x C H 4

增加，CO₂吸附量逐渐上升，CH₄的吸附量快速下降，CH₄置换率也逐渐升高。当

x C O 2 / x C H 4

≥ 1.2时，CO₂与CH₄吸附量趋于稳定，吸附接近平衡状态。CO₂注置比呈降低趋势，但变化幅度不大。这是竞争吸附与气体分压共同作用的结果。CO₂注入初期，煤孔隙存在大量可置换的吸附点位，且CO₂降低CH₄的分压，促使CO₂快速吸附并置换CH₄。随着CO₂注入量增加，CH₄分压下降速度变缓且CO₂吸附逐渐饱和，CO₂吸附与CH₄置换效率放缓，最终达到动态平衡。

含水率升高显著抑制CO₂和CH₄吸附能力。与干煤相比，1%、3%和5%含水率煤的CO₂饱和吸附量分别降低20.89%、68.53%和88.05%，CH₄饱和吸附量分别降低22.03%、72.43%和92.85%。这是因为水分子优先吸附于煤表面的亲水位点，并形成水膜或团簇，占据吸附表面，堵塞孔隙通道，降低孔径通达性。同时，含水率升高使得CO₂平均注置比分别下降1.28%、15.8%和41.8%，表明水分不仅降低气体绝对吸附量，还削弱CO₂的置换能力。不同含水率下CH₄置换率差异较小，表明煤中气体置换机制受水分的干扰有限。研究结果与林海飞等^[28]、陈立伟等^[29]的实验规律一致，验证了模拟合理性。

2.4　含水率对吸附热的影响

为进一步分析含水率对煤吸附气体的影响，探究吸附过程中气体等量吸附热的变化规律，不同含水率下煤吸附CO₂、CH₄的吸附热随

x C O 2 / x C H 4

的变化曲线见图9。结果显示，CO₂和CH₄吸附热分别为32.02~34.41 kJ/mol和23.85~25.90 kJ/mol，CO₂等量吸附热高于CH₄。随着

x C O 2 / x C H 4

增加，高能吸附位点逐渐被填满，后续CO₂仅能占据低能位点，且吸附能力更强的CO₂会占据优先位点，将CH₄排斥至弱吸附位点，导致两种气体的吸附热均降低。

随着煤样含水率升高，CO₂和CH₄吸附热均增大。与干煤平均等量吸附热（CO₂：32.11 kJ/mol，CH₄： 24.01 kJ/mol）相比，1%、3%和5%含水率煤中CO₂平均吸附热分别增加1.72%、2.68%和4.50%，CH₄平均吸附热分别增加1.68%、3.90%和5.82%。含水率升高会增大吸附热，但这并不代表煤的吸附能力增强，相反，如上文提到的含水率升高显著降低气体吸附量，水分总体表现为抑制气体吸附。吸附热增加是由于在气体置换过程中，煤-水-气相互作用增强，并释放更多热量。微孔内水分子凝聚成不同多面体的团簇，从而产生热量。CO₂溶于吸附水膜中形成碳酸，该溶解为放热过程，叠加在物理吸附热上，使得吸附热增加。CH₄与水分子形成水合分子，从而释放热量，导致体系中能量降低。含水率越高，参与反应的水量越多，释热越显著，吸附热随之升高。模拟结果与前人研究^[30-31]的结论保持一致验证了模拟的合理性。此外，两种气体在含水煤样上的吸附热均小于42 kJ/mol，表明吸附本质仍为物理吸附。

2.5　含水率对相互作用能的影响

相互作用能反映吸附过程中气体与煤的作用强度，不同含水率下煤-CO₂、煤-CH₄及CO₂-CH₄的相互作用能随

x C O 2 / x C H 4

的变化曲线见图10。结果显示，各组分间相互作用能的顺序为：

E C o a l ‒ C O 2

E C o a l ‒ C H 4

E C O 2 ‒ C H 4

。其中

E C o a l ‒ C O 2

绝对值最大，说明CO₂与煤的亲和力最强。随着

x C O 2 / x C H 4

增加，

E C o a l ‒ C O 2

绝对值迅速增大，说明CO₂逐渐占据更多高能吸附位点，成为主导吸附组分；

E C o a l ‒ C H 4

的绝对值相对较小，表明CH₄与煤作用较弱，且随着

x C O 2 / x C H 4

增加，其绝对值逐渐减小，反映出CH₄被CO₂从优势位点逐步置换；

E C O 2 ‒ C H 4

远小于煤与气体的相互作用能，说明二者直接相互作用较弱，二者以竞争吸附关系为主，且随着CO₂注入量增加，其绝对值增加，这是由于CO₂分子增加，CH₄分子被逐渐挤出吸附位点，两者在孔隙中的竞争增强。

随着煤样含水率增加，三者的相互作用能均降低：

E C o a l ‒ C O 2

整体降低，说明水分削弱CO₂与煤的结合强度，但

E C o a l ‒ C O 2

仍显著大于

E C o a l ‒ C H 4

，说明CO₂竞争吸附优势依然存在；

E C o a l ‒ C H 4

绝对值随含水率升高而快速下降，表明水分对CH₄的抑制更强，使其更易被CO₂置换；

E C O 2 ‒ C H 4

绝对值随含水率升高而降低，说明水分减少气体在孔隙中的密切接触，削弱两者的竞争强度。这一现象源于两方面：一方面，水分优先占据煤表面高能吸附位点，迫使气体只能吸附于次优位点，单位气体分子平均相互作用能降低；另一方面，孔隙表面形成的水膜改变局部介电环境，削弱气体与煤之间的静电及四极矩相互作用，进一步降低吸附能。

2.6　含水率对扩散系数的影响

在煤层气开采过程中，扩散作用在气体解吸与渗流过程中起桥梁作用，直接影响CO₂注入效率与CH₄采出效果。通过对均方位移曲线进行线性拟合，得到不同含水率煤中CO₂、CH₄扩散系数随

x C O 2 / x C H 4

的变化曲线如图11所示。结果显示，随着

x C O 2 / x C H 4

增加，两种气体扩散系数均减小。这是由于CO₂吸附量增加后，气体与煤基质表面作用增强，分子迁移受限，且CO₂占据孔隙空间，阻塞扩散路径，导致气体扩散能力减弱。

含水率升高对气体扩散的抑制作用更显著，与干煤相比，1%、3%和5%含水率煤中，CO₂平均扩散系数分别下降53.8%、66.3%和93.0%，CH₄平均扩散系数分别下降69.9%、87.3%和97.0%。这是因为水分子占据孔隙空间，且煤基质吸水后膨胀，阻断气体扩散通道；同时，水在煤表面形成水膜或团簇堵塞微孔，阻碍气体运移。此外，CO₂扩散系数大于CH₄，这是由于CO₂具有一定水溶性和更强扩散能力，使其在含水孔隙中仍保持相对较高的迁移性；CH₄扩散系数下降幅度大于CO₂，说明CH₄的扩散过程对水分更为敏感。

本研究的模拟虽然从分子尺度揭示水分与气体在煤基质中的微观作用机理，但其本身也存在一定的局限性：一方面，模拟所采用的理想化煤分子模型与真实煤的非均质复杂结构存在差异；另一方面，模拟的时间与空间尺度与宏观工程实践之间差距较大。未来的研究需将分子尺度机理参数嵌入更大尺度的孔隙网络模型或连续介质模型中，从而实现从微观机理到宏观行为的跨尺度预测。

3　结论

收起

1）通过元素分析、¹³C-NMR和XPS实验构建的阜康深部煤分子式为C₂₁₀H₁₆₁O₁₀N₃。模型的¹³C-NMR谱图、密度、Langmuir参数及孔隙度模拟结果与实验结果高度吻合，表明该煤分子模型能有效表征阜康区块深部煤的结构与吸附特征。

2）随着

x C O 2 / x C H 4

增加，煤基质孔隙度和渗透率逐渐下降，

x C O 2 / x C H 4

=2时渗透率较饱和吸附CH₄时降低83.8%；含水率升高对孔渗抑制更显著，与干煤相比，含水率5%煤基质孔隙度降低84.7%，渗透率降低99.6%，表明水分强烈阻碍气体流动。

3）

x C O 2 / x C H 4

增加使CO₂吸附量增加，CH₄吸附量降低，CH₄置换率升高，当

x C O 2 / x C H 4

≥1.2时，吸附达到动态平衡。含水率升高使CO₂与CH₄吸附量下降，CO₂注置比显著降低，CO₂置换能力减弱，但水分对相对置换效率的影响较小。

4）CO₂的等量吸附热高于CH₄，随着CO₂吸附量增加，两者吸附热均降低。含水率升高使两种气体吸附热均增大，但均小于42 kJ/mol，吸附本质为物理吸附。

5）煤与气体的相互作用能顺序为：

E C o a l ‒ C O 2

E C o a l ‒ C H 4

E C O 2 ‒ C H 4

，CO₂在竞争吸附中占据优势；含水率升高削弱煤与气体相互作用能，且对CH₄的抑制更强。气体扩散系数随CO₂占比及含水率增加而显著降低，CH₄的降幅更大，表明水分对CH₄扩散的影响更强。

参考文献

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文献

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2026年第16卷第5期

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doi: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.2025457

接收时间：2025-11-21
首发时间：2026-10-30
出版时间：2026-09-26

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收稿日期：2025-11-21

基金

作者信息

¹　中国石油大学（北京）克拉玛依校区石油学院，新疆　　克拉玛依　834000

²　新疆油气智能勘探与开发重点实验室，新疆　　克拉玛依　834000

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

元素分析/%	R_o，max/%	密度/(g/cm³)
87.25	5.76	5.41	1.26	0.33	0.93	1.34

元素分析/%

R_o，max/%

密度/(g/cm³)

87.25

5.76

5.41

1.26

0.33

0.93

1.34

官能团	相对含量/%	官能团	相对含量/%
脂肪族甲基碳	3.57	质子化芳香碳	33.68
芳香族甲基碳	8.23	桥接芳香碳	5.84
脂肪族亚甲基碳	15.97	侧支链芳香烃	8.13
次甲基和季碳	8.04	氧取代芳香碳	2.07
氧接脂肪碳	5.84	羧基、羰基	8.61

官能团

相对含量/%

官能团

相对含量/%

脂肪族甲基碳

3.57

质子化芳香碳

33.68

芳香族甲基碳

8.23

桥接芳香碳

5.84

脂肪族亚甲基碳

15.97

侧支链芳香烃

8.13

次甲基和季碳

8.04

氧取代芳香碳

2.07

氧接脂肪碳

5.84

羧基、羰基

8.61

元素峰	官能团	相对含量/%
C1s	C-C	97.7
C-O	0.2
C=O	2.1
N1s	吡啶氮（C₅H₅N）	30.34
吡咯氮（C₄H₅N）	57.60
季氮（-N-CH₃）	12.06
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元素峰

官能团

相对含量/%

C1s

C-C

97.7

C-O

0.2

C=O

2.1

N1s

吡啶氮（C₅H₅N）

30.34

吡咯氮（C₄H₅N）

57.60

季氮（-N-CH₃）

12.06

O1s

C=O

35.30

C-O

64.70

任务	力场	电荷	静电作用	范德华力	配置	系综	控温	精度
几何优化	通用力场Ⅲ	力场指定	埃瓦尔德法（Ewald）	原子基	—	—	—	精细
退火	—	正则系综（NVT）	诺瑟控温（Nose）
分子动力学	—
固定压力/吸附等温线	蒙特卡洛法（Metropolis）	—	—

任务

力场

电荷

静电作用

范德华力

配置

系综

控温

精度

几何优化

通用力场Ⅲ

力场指定

埃瓦尔德法（Ewald）

原子基

—

精细

退火

—

正则系综（NVT）

诺瑟控温（Nose）

分子动力学

—

固定压力/吸附等温线

蒙特卡洛法（Metropolis）

—