油气藏评价与开发

碳结构类型	脂肪族甲基	亚甲基	芳香族甲基	苯环	苯酚羟基	羧基
平均值/%	7.50	11.31	16.98	35.61	17.23	11.36
化学位移	13	22~29	30~32	110~132	132~150	220~250
1号样品相对含量/%	12.62	3.88	19.02	33.88	19.66	10.93
3号样品相对含量/%	5.54	11.24	19.56	30.50	20.95	12.21
4号样品相对含量/%	4.35	18.81	12.37	42.45	11.09	10.93

碳结构类型	脂肪族甲基	亚甲基	芳香族甲基	苯环	苯酚羟基	羧基
平均值/%	7.50	11.31	16.98	35.61	17.23	11.36
化学位移	13	22~29	30~32	110~132	132~150	220~250
1号样品相对含量/%	12.62	3.88	19.02	33.88	19.66	10.93
3号样品相对含量/%	5.54	11.24	19.56	30.50	20.95	12.21
4号样品相对含量/%	4.35	18.81	12.37	42.45	11.09	10.93

名称	碳链	苯酚	萘环	苯环	羧基	醇羟基	吡咯
分子结构
数量/个	22	9	3	3	6	6	3

名称	碳链	苯酚	萘环	苯环	羧基	醇羟基	吡咯
分子结构
数量/个	22	9	3	3	6	6	3

压力/MPa	逸度系数	逸度/MPa
0.1	0.999 9	0.099 99
1.0	0.989 7	0.989 70
5.0	0.952 9	4.764 50
10.0	0.915 7	9.157 00

压力/MPa	逸度系数	逸度/MPa
0.1	0.999 9	0.099 99
1.0	0.989 7	0.989 70
5.0	0.952 9	4.764 50
10.0	0.915 7	9.157 00

基于分子模拟的新疆阜康低阶煤甲烷吸附-解吸规律研究

张涛 1^,2 , 郭建春 1^,2 , 赵志红 1^,2 , 曾杰 1^,2 , 廖天彬 3 , 张恒 3

油气藏评价与开发 | 油气勘探 2026,16(5): 992-1004

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油气藏评价与开发 |油气勘探 2026 , 16 (5) : 992 -1004

基于分子模拟的新疆阜康低阶煤甲烷吸附-解吸规律研究

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张涛1^,2, 郭建春1^,2, 赵志红1^,2, 曾杰1^,2, 廖天彬3, 张恒3

作者信息

¹　西南石油大学油气藏地质及开发工程全国重点实验室，四川　　成都　610500

²　西南石油大学石油与天然气工程学院，四川　　成都　610500

³　新疆亚新煤层气资源技术研究有限责任公司，新疆　　乌鲁木齐　830063

通讯作者:

郭建春（1970—），男，博士，教授，博士研究生导师，主要从事油气开采领域的教学与科研工作。地址：四川省成都市新都区新都大道8号，邮政编码： 610500。E-mail： guojianchun@vip.163.com

作者简介:

张涛（1998—），男，在读博士研究生，主要从事煤层（岩）气渗流数值模拟研究与应用。地址：四川省成都市新都区新都大道8号，邮政编码： 610500。E-mail： zhangtao100610@163.com

Molecular simulation study on adsorption and desorption behavior of methane in low-rank coal from Fukang, Xinjiang

TAO ZHANG1^,2, JIANCHUN GUO1^,2, ZHIHONG ZHAO1^,2, JIE ZENG1^,2, TIANBIN LIAO3, HENG ZHANG3

Affiliations

¹ State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China

² Petroleum Engineering School, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China

³ Xinjiang Yaxin Coalbed Methane Resource Technology Research Co., Ltd., Urumqi, Xinjiang 830063, China

出版时间: 2026-09-26 doi: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.20250032

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关键词

新疆阜康 / 低阶煤 / 煤层气 / 吸附-解吸 / 分子模拟 / 微孔填充

Key words

Fukang, Xinjiang / low-rank coal / coalbed methane (CBM) / adsorption and desorption / molecular simulation / micropore filling

引用本文

张涛, 郭建春, 赵志红, 曾杰, 廖天彬, 张恒. 基于分子模拟的新疆阜康低阶煤甲烷吸附-解吸规律研究. 油气藏评价与开发, 2026 , 16 (5) : 992 -1004 . DOI: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.20250032

TAO ZHANG, JIANCHUN GUO, ZHIHONG ZHAO, JIE ZENG, TIANBIN LIAO, HENG ZHANG. Molecular simulation study on adsorption and desorption behavior of methane in low-rank coal from Fukang, Xinjiang[J]. Petroleum Reservoir Evaluation and Development, 2026 , 16 (5) : 992 -1004 . DOI: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.20250032

正文

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中浅层低阶煤煤层气作为中国重要的非常规天然气资源，其产业化开发对保障国家能源安全、推动低碳经济发展及实现“双碳”目标具有关键支撑作用^[1]。新疆2 000 m以浅的煤层气地质资源量为7.5×10¹²m³，约占中国总资源量的1/4^[2]，位于新疆境内的阜康区块是煤层气开发先导试验工程试验区，发育典型低阶煤储层，探明地质资源量达1.08×10¹² m³。2008年，在阜康白杨河施工的生产试验井——阜试1井首次获得了工业气流，日产气量超过2 000 m³，初步证实了新疆煤层气的可开发性^[3]。

低阶煤作为煤层气资源的重要组成部分，其吸附-解吸行为与高阶煤存在显著差异，主要受其独特的孔隙结构和表面化学性质控制^[4-5]。与高阶煤中高度发育的微纳孔隙及强烈的微孔填充效应不同^[6]，低阶煤的孔隙系统以中孔（2~50 nm）和过渡孔为主，孔隙形态多表现为开放性墨水瓶状孔或楔形孔，连通性较好，但微孔比例较低，导致比表面积相对较小^[7-8]。这一结构特征致使低阶煤对甲烷的吸附以单分子层吸附与微孔填充共同作用。实验研究表明：低阶煤的极限吸附量与其吸附孔的平均孔径呈负相关，而与孔容和比表面积呈正相关^[9]；朗格缪尔（Langmuir）吸附压力常数受孔隙结构参数影响较小。低阶煤在低压条件下的甲烷吸附能力通常低于高阶煤，吸附饱和过程较慢，且相应的解吸滞后现象也更明显，常规排水降压工艺对其吸附态甲烷的解吸促进效果更差。由于整体吸附能力较弱，使得低阶煤煤层气开发效果弱于高阶煤。当前对低阶煤吸附-解吸行为的研究多依赖于宏观实验（如低温液氮吸附^[10]、等温吸附测试^[11]）和地质统计分析^[12]。虽然针对特定孔隙特征与吸附量的关联性进行了分析，但对于新疆阜康低阶煤中甲烷的吸附-解吸的分子动力学过程，以及甲烷在其微观孔隙网络中的扩散行为与机制，仍需开展更具针对性的深入探索。此外，在实际储层环境中，地层压力、温度等因素对低阶煤中甲烷吸附-解吸行为的影响机制尚不明确，是该领域亟待深入厘清的关键科学问题。

因此，本文采用分子模拟方法，从微观尺度揭示甲烷与煤基质间的相互作用机制。首先，通过工业分析、元素分析和低温氮气吸附实验，分别测定低阶煤灰分含量、元素比例和孔径分布特征；继而，利用X射线衍射、傅里叶变换红外光谱和¹³C核磁共振谱，对低阶煤的分子结构及主要官能团进行表征，在此基础上，结合巨正则蒙特卡洛方法和分子动力学模拟，系统研究甲烷在不同狭缝开度、温度条件下于低阶煤中的吸附-解吸动力学行为；最终，构建非等温吸附-解吸数学模型，并明确降压-扩孔-升温的协同策略是降低解吸能垒、促进甲烷解吸的关键技术途径。本研究为新疆阜康区块低阶煤煤层气的高效抽采和增产工艺优化提供理论依据。

1　低阶煤分子的实验表征

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1.1　样品来源与制备

样品取自新疆维吾尔自治区阜康市，通过在阜康1、3和4区块（深度1 015~1 025 m）的井下取心作业获得全直径煤样，其平均镜质组反射率（R_o）分别为0.74%、0.82%和0.76%，属于低阶煤。将原始煤样加工成粒径为60/80目的粉末，分别用于工业分析、元素含量分析、低温氮气吸附、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱和¹³C核磁共振（¹³C-NMR）等实验测试。这些煤样代表了阜康区块低阶煤特征，能够为煤的分子结构及其吸附-解吸特征行为特征研究提供代表性样本基础。

1.2　灰分和元素含量

选取阜康区块1号、3号和4号样品开展逐级破碎和干燥处理，采用DHG-9030工业分析仪和Elementar UNICUBE元素分析仪进行灰分含量和元素含量分析。结果表明：阜康1号、3号和4号煤样的平均水分、灰分、挥发性物质和固定碳质量分数依次为3.40%、22.46%、18.91%和55.22%；氮、碳、氢、硫和氧元素的质量分数分别为1.47%、79.65%、6.44%、0.22%和9.46%，其中硫含量极低，在后续计算中可忽略（图1）。

根据Fu等^[13]和Hu等^[14]提出的煤分子化学式计算方法，假设碳原子数量为x，即碳原子总摩尔质量为12x g/mol，煤分子摩尔质量为y g/mol，煤分子中碳、氢、氧和氮各元素质量分数为a，b，c，d，则：

y = 12 x [1 + (b + c + d) / a]

（1）

设定分子摩尔质量为1 600 g/mol，将元素分析结果代入可得碳原子数量为109.5个，取整为109个。依据质量守恒可得氢、氧和氮原子数量分别为116、16和3个，即煤分子式为C₁₀₉H₁₁₆O₁₆N₃，此时摩尔质量为1 724 g/mol。在此分子式基础上逐个减少碳原子进行试算，直到煤分子摩尔质量与最初假设值相差小于12 g/mol，基于该原理，当碳原子减少9个时，氢、氧和氮原子数分别为108、16和3个，煤分子此时摩尔质量为1 608 g/mol，即新疆阜康低阶煤分子式为C₁₀₀H₁₀₈O₁₆N₃。

1.3　低温氮气吸附

利用康塔NOVA2000e型全自动比表面及孔隙度分析仪开展低温氮气吸附实验（图2），解吸脱气温度为402.3 K（129.15 ℃），脱气时间12 h，吸附-解吸脱附温度为77 K^[15]。由图2a—图2c可知，在低相对压力区（p/p_₀<0.4），吸附量缓慢增加；在中高相对压力区（0.4≤p/p_₀<0.8），吸附量显著上升；而在接近饱和蒸汽压（0.8≤p/p_₀<1）时，吸附量急剧增大，且未出现明显的饱和平台。阜康低阶煤1号、3号和4号样品的氮气吸附曲线均呈现为典型的Ⅳ型等温吸附特征，表明样品中存在由片状颗粒堆叠形成的狭缝状孔隙结构。图2d为基于巴雷特-乔伊纳-哈伦达（Barrett-Joyner-Halenda，BJH）模型计算得到的孔径分布结果，孔径小于10 nm的孔隙占比为65%~80%。其中，小于4 nm的孔隙占比达15%~20%，表明新疆阜康低阶煤微孔发育程度较好，是甲烷吸附的主要空间，对其储集能力起决定性作用。

1.4　X射线衍射

煤样衍射角2θ介于0°~90°范围内进行X衍射分析，其衍射图谱及分峰拟合结果如图3所示。结果表明：新疆阜康低阶煤主要矿物为石英/高岭石、方解石和黄铁矿，其中方解石含量最高。衍射角2θ约15°附近出现002衍射峰，表明该低阶煤中存在非晶态有机碳结构，其碳原子骨架结构包含芳香族环和脂肪族碳链。

1.5　傅里叶变换红外光谱

进一步对低阶煤样开展傅里叶变换红外光谱扫描测试，光谱结果如图4所示。其结构主要包含脂肪族碳链芳香骨架（苯环类），以及丰富的含氧官能团。其中，波数范围400~500 cm^-1的吸收峰表明氮原子主要以吡咯形式存在于低阶煤。波数范围600~1 700 cm^-1的波峰表明低阶煤中含有羟基、羧基和芳香族碳，即部分含氧官能团与苯环类结合，存在苯酚和苯甲酸类结构；波数范围2 800~3 600 cm^-1的波峰表明低阶煤中含有脂肪族碳结构、羟基和醛基，即部分含氧官能团与脂肪族碳链结合，存在醇类和羧酸类结构^[13-14，16]。

1.6　 ¹³C核磁共振

利用德国Bruker-Avance-Neo-600型固体核磁仪对低阶煤中碳原子的存在形式进行表征，所得¹³C核磁共振谱如图5所示。谱图在化学位移（δ介于0~250）范围内呈现3个波峰，分别对应脂肪族碳（0~50）、芳香族碳（100~150）和羧基碳（220~250）。进一步对¹³C核磁共振谱进行分峰拟合分析，结果如图6所示。根据各波峰的分峰面积占比及对应的化学位移可以确定煤样中碳原子具体官能团如表1所示。结合低阶煤分子式，可进一步计算出各官能团的数量，如表2所示。

2　低阶煤狭缝型孔隙构建

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2.1　模型构建

在明确低阶煤分子式后，结合前文官能团分析结果，并对比已发表文献中煤分子化学结构^[17-19]，确定低阶煤分子主体为由脂肪族碳链连接苯环、萘环构成的多孔链状结构，且含有羧基、羟基和吡咯等官能团。利用Materials Studio构建分子构型并进行几何结构优化，如图7a所示。通过向3.5 nm×3.5 nm×3.5 nm的立方体晶胞盒子中随机充填煤分子，直至其密度达1.60 g/cm³，对晶胞3个主方向施加周期性边界条件，采用NPT（等温等压）系综对该晶胞进行几何优化和分子动力学模拟，确保体系能量和密度处于平衡态，能量和密度演化曲线如图7b所示。其中，最低能量构型对应的低阶煤晶胞密度为1.24 g/cm³，处于新疆阜康区块低阶煤实际密度范围（1.20~ 1.45 g/cm³）内。煤有机质主要由芳香层片（结构类似石墨微晶）通过脂肪链和桥键连接而成^[20-21]，其原生孔隙为芳香层片之间或结构缺陷处形成的纳米级间隙，几何构型更接近平行板狭缝。进而利用Crystal-Build命令构建对称狭缝型孔隙模型^[22]，设置晶胞尺寸为3.5 nm×3.5 nm×10.0 nm，形成具有3 nm真空层的狭缝型孔隙模型（图7c、图7d）。BJH分析表明（图2d），样品中小于10 nm的孔隙贡献了主要比表面积，其中小于4 nm的微孔区域显著发育。为此，后续模拟中针对性分别设置1、2、3 nm的狭缝开度，系统研究孔隙由强限域向弱限域过渡的完整变化过程。

2.2　模型验证

为验证本文建立的低阶煤分子的合理性（图8），对1 nm×1 nm×1 nm单煤分子晶胞进行X射线衍射图谱计算，所得结果与本文1.3节中X射线衍射实验测试结果中002峰分峰拟合结果具有较高一致性（图8a）。同时，基于巨正则蒙特卡洛方法模拟分析0.1~10.0 MPa范围内的甲烷等温吸附量，分子体系电荷参数设置选择力场分配（Forcefield assigned），模拟方法选择长程静电相互作用的计算方法组合（Ewald & Group），原子截断半径为0.125 nm，任务项为定压（Fixed Pressure），求解精度设置为中等（Medium）。体系温度308 K，实验测试数据对比结果表明等温吸附量计算值与实验值具有较好一致性，最高误差小于6%，平均误差约4.83%，如图8b所示。

3　低阶煤中甲烷吸附规律研究

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为厘清地层压力和温度对低阶煤中甲烷吸附的影响规律。基于前文狭缝型孔隙模型的建立方法，分别构建宽度为1、2、3 nm的狭缝孔隙模型，采用巨正则蒙特卡洛（GCMC）方法对新疆阜康低阶煤中甲烷的吸附规律开展模拟分析。模拟压力和温度变化范围分别为0.1~10.0 MPa和308~368 K，力场函数采用第三版COMPASS凝聚态分子力场（COMPASS Ⅲ），分子体系电荷设置同2.2节，任务项为Fixed Pressure，求解精度设置为medium。为探究低阶煤与甲烷吸附-解吸的分子动力学机制，本研究假设该过程发生在干燥煤孔隙中，以排除水分子引起的竞争吸附和毛细管凝聚等耦合效应。该处理方式可能导致甲烷吸附量计算偏高，但所揭示的基本规律仍具重要的机理参考价值。

3.1　地层压力的影响

设置体系温度308 K，压力范围0.1~10.0 MPa，利用Peng-Robinson状态方程^[23]将压力转化为逸度用于开展GCMC模拟（表3），平衡时间为10⁴ ps，计算不同狭缝开度条件下的吸附构型、吸附势分布和甲烷纵向密度分布（图9—图10）。

图9和图10表明，狭缝开度对甲烷吸附行为有显著影响。在1 nm的狭缝孔隙中，强烈的纳米限域效应导致狭缝中心具有较高的吸附势能，吸附态甲烷的密度呈单一宽峰分布，其密度峰值随压力升高而显著增加，从0.1 MPa下的0.12 g/cm³显著增至10.0 MPa下的0.24 g/cm³，表现为典型的微孔填充效应^[22]。开度小于2 nm时，两侧孔壁与甲烷间的范德华力势场强烈叠加，在孔隙中心形成深势阱，驱动甲烷以高密度微孔填充方式吸附，密度呈单峰分布；开度大于2 nm时，势场叠加程度减弱，甲烷主要受近壁面势阱吸引，吸附方式逐渐转变为“表面吸附”，密度峰值分别靠近两侧壁面，呈双峰分布。同时，孔隙扩大导致平均吸附势能随压力升高而下降。因此，2 nm是吸附机制从“叠加势场主导的微孔填充”向“单壁势场主导的表面吸附”转变的临界尺度。当开度增至3 nm时，孔隙中心势能趋近于零，平均吸附势能（尤其在0.1 MPa低压下）显著低于1 nm和2 nm孔隙。甲烷密度呈现清晰双峰，中心区域密度随压力降低急剧下降，进而在0.1 MPa下形成非吸附区。这表明，孔隙开度大于3 nm时，微孔填充效应基本消失，甲烷吸附机制由表面吸附主导^[24-25]。综上，狭缝越窄，孔壁间叠加势场越强，对甲烷分子的捕获能力越高，因此1~2 nm孔隙在低压力（如0.1 MPa）下仍可维持稳定吸附，而大于3 nm的狭缝降压解吸时“微孔填充”状态难以保持。通过水力压裂扩大低阶煤微观孔隙开度，有望促使吸附机制由微孔填充向表面吸附转变，降低强吸附态甲烷比例，从而提升煤层气自然解吸效率。

3.2　地层温度的影响

设置压力为10.0 MPa，体系温度范围为308~368 K，平衡时间10⁴ ps，计算不同狭缝开度条件下的吸附构型、吸附势分布和甲烷纵向密度分布（图11—图12）。

在高压（10.0 MPa）条件下，随着温度由308 K升至368 K，狭缝内吸附势能面峰值显著降低。这表明分子热运动动能增强导致吸附势阱变浅，削弱了甲烷分子与煤分子间的相互作用，进而促进了甲烷解吸。开度为1 nm的狭缝中心，甲烷密度峰值随温度升高逐渐降低，由308 K时的0.24 g/cm³降至368 K时的0.16 g/cm³，密度曲线仍保持“单峰”形态，且数值远高于体相气体密度，这表明在强纳米限域效应下，即便温度升高，微孔内仍可吸附甲烷分子，但其吸附稳定性随狭缝开度增大进一步减弱；开度为3 nm狭缝中心，甲烷密度小于0.1 g/cm³，尽管微孔填充效应减弱，甲烷赋存仍由微孔填充吸附和表面吸附共同主导。综上所述，温度通过改变分子动能影响吸附-解吸动力学。协同采用“降压-扩孔-升温”组合工艺^[22]，依次或同步降低气相分压、削弱纳米限域效应、提供额外解吸动能，从而最大化提升新疆阜康低阶煤层中甲烷解吸率。

3.3　非等温吸附方程拟合

基于前文不同压力、温度条件下的甲烷吸附量，对非等温条件下的朗格缪尔方程^[26]进行了参数拟合，参见式（2），其朗格缪尔压力和体积分别为2.89 MPa和14.16 cm³/g_。结果表明：吸附量受温度与压力的耦合影响显著，低压阶段吸附量随压力升高快速增加，主要表现为煤中发育的微孔进行填充式吸附。进入高压阶段（5 MPa）后，吸附量增长明显变缓并逐渐趋于饱和。此时，大多数高能吸附位点已被占据，甲烷分子只能吸附在能量较低的表面吸附点上，使得吸附量逼近其理论极限。而温度升高则通过改变甲烷分子动能与吸附热力学平衡，普遍导致饱和吸附量降低。

Q s = 14.16 p 2.89 + p e x p 0.008 6 T i n i - T 1 + 0.002 5 p

（2）

式中：Q_s为非等温吸附量，单位cm³/g；p为地层压力，单位MPa；T_ini为初始地层温度，单位K；T为地层温度，单位K。

4　低阶煤中甲烷解吸规律研究

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在明确低阶煤中甲烷的吸附机理后，依托第3章获取的1、2、3 nm狭缝的最低能量吸附构型（10 MPa，308 K），开展等温降压分子动力学模拟，旨在揭示煤层气开采过程的甲烷解吸机制。力场函数采用COMPASS Ⅲ，分子体系电荷设置同2.2节，任务项为Forcite-Dynamics，求解精度设置为medium，甲烷解吸过程的均方根位移、扩散系数、径向分布函数和吸附能分别满足下式^[27]：

M S D (t) = 1 N ∑ i = 1 N r i (t) - r i (0) 2

（3）

D = l i m t → ∞ 1 6 t 1 N ∑ i = 1 N r i (t) - r i (0) 2

（4）

g (r) = d N 4 π ρ r 2 d r

（5）

E A B = E A + B - E A - E B

（6）

式中：M_SD（t）为均方位移，单位m²；N为粒子数，单位个；

d N

为距离r处dr对流内的粒子数，单位个；r（t）和r（0）分别为t时刻和初始时刻粒子的位置，单位m；t为时间，单位ps；D为扩散系数，单位m²/s；g（r）为径向分布函数；ρ为粒子数密度，单位个/m³；r为两种粒子间的距离，单位m；dr为径向距离的微分增量，单位m；E_AB为煤分子和甲烷的相互作用能，单位kJ/mol；E_A+B为吸附构型的体系总能量，单位kJ/mol；E_A和E_B分别为煤分子和甲烷的能量，单位kJ/mol。

甲烷解吸过程强烈受限于狭缝开度。甲烷密度剖面（图13）显示，降压初期（1 ps）狭缝内甲烷密度呈峰值分布。1 nm开度狭缝中甲烷峰值密度约0.35 g/cm³，随解吸时间增加至1 000 ps，密度峰值显著降至约0.15 g/cm³，且分布趋于平缓，表明甲烷分子由吸附态向自由态转变。该过程在3 nm狭缝开度下密度衰减更快，说明狭缝开度越小，纳米限域效应越强，甲烷分子需克服更高的吸附能垒才能解吸^[28-29]。

均方位移（MSD）曲线线性拟合表明：3、2、1 nm开度下的扩散系数分别为64.7×10⁻¹⁰、11.6×10⁻¹⁰、7.5×10⁻¹⁰ m²/s，即开度越大，扩散能力越强，解吸速率越快（图14a）。1 000 ps对应的甲烷碳原子与煤分子骨架碳原子的径向分布函数（RDF）清晰地揭示了孔隙尺度对吸附层结构与作用力的调控（图14b）。在1 nm开度下，RDF于约0.4 nm处呈现尖锐高峰（g（r） ≈ 2.3），表明甲烷分子在极度受限空间内形成位置固定、排列高度有序的致密吸附层。此尖锐峰对应两侧孔壁叠加势场作用下，甲烷分子被强约束于狭缝中心势阱中。相比之下，3 nm开度下该处峰强显著降低（g（r） ≈ 1.5）且分布宽化，反映吸附分子在较大空间内有序性下降，排列更为松散，主要受单侧壁面作用。在1 nm狭缝开度中，甲烷分子同时受两侧孔壁范德华力的强耦合作用，需克服双重能量势阱才能解吸。而在3 nm及更大开度下，孔隙中心势场叠加效应减弱，甲烷解吸主要克服单侧作用，解吸能垒相应降低。甲烷与煤分子的相互作用能曲线（图14c）揭示了吸附能垒的存在，在1 nm开度体系中，解吸初期（0~100 ps）相互作用能迅速从-1 882.80 kJ/mol下降至-2 426.72 kJ/mol，表现出显著的能量释放，由于纳米限域效应增强导致的吸附势增大，部分甲烷分子在短时间内克服较高的解吸能垒，并脱离强吸附位点。随后（100~1 000 ps），相互作用能变化趋于平缓，但整体仍低于其他开度体系，表明滞留的吸附态甲烷分子占据着能量更低的强吸附位，降压难以克服更高的解吸能垒，致使解吸滞后^[30-31]。2 nm与3 nm狭缝开度体系的相互作用能演化呈渐进式下降，并最终趋于稳定，这表明较大开度狭缝中解吸能垒较低，甲烷解吸程度高、扩散距离远，无明显解吸滞后现象。综上，削弱低阶煤微孔中的吸附能垒是提高甲烷解吸效率和扩散能力的关键手段，通过降压-扩孔-升温的协同策略，采用前置CO₂+自生热压裂液组合压裂工艺，配合井网热流体驱替协同开发，有望突破新疆阜康区块低阶煤煤层气难动用、低产能的现状。

5　结论

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1）利用元素分析、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱和¹³C核磁共振等表征了煤的分子式（C₁₀₀H₁₀₈O₁₆N₃）及分子结构，并构建了狭缝型孔隙模型。明确了阜康低阶煤分子主体是由脂肪族碳链连接苯环、萘环组成的链状结构，并包含羧基、羟基和吡咯等官能团。

2）基于本文实验样品，明确2 nm为微孔填充效应显著发挥的临界孔径：当开度小于2 nm时，两侧孔壁与甲烷间的范德华力势场显著叠加，强烈的纳米限域效应导致吸附势阱加深，甲烷密度呈“单峰”分布，甲烷赋存表现为典型的微孔填充机制；开度大于2 nm后，势场叠加程度减弱，狭缝中甲烷密度分布转为“双峰”，且狭缝中心存在非吸附区，表明吸附机制过渡为表面吸附主导。

3）在高压（10 MPa）条件下，升温能显著降低吸附势，削弱甲烷分子与煤分子间的相互作用，从而为甲烷解吸提供动能。尤其在开度大于2 nm的孔隙中，升温对解吸的促进效果更为明显，此时狭缝中心甲烷密度最低约0.1 g/cm³，表明甲烷吸附机制由微孔填充吸附和表面吸附共同主导。

4）1 nm开度的狭缝内，纳米限域效应导致甲烷吸附层有序化，分子间作用力增强，解吸需克服更高能垒，表现为扩散系数较低（7.5×10⁻¹⁰ m²/s）、解吸滞后显著，仅依靠降压无法进一步促进甲烷解吸；而3 nm开度的狭缝内限域效应减弱，扩散系数显著提高（64.7×10⁻¹⁰ m²/s），甲烷-煤分子相互作用能随解吸时间渐进下降，无明显解吸滞后现象。

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参考文献引证文献

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2026年第16卷第5期

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文章信息

doi: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.20250032

接收时间：2026-03-17
首发时间：2026-10-30
出版时间：2026-09-26

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收稿日期：2026-03-17

基金

作者信息

¹　西南石油大学油气藏地质及开发工程全国重点实验室，四川　　成都　610500

²　西南石油大学石油与天然气工程学院，四川　　成都　610500

³　新疆亚新煤层气资源技术研究有限责任公司，新疆　　乌鲁木齐　830063

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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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