신장 푸캉 블록의 저위탄층 석탄층 가스 개발이 병목기에 접어들었다. 저위탄 석탄의 미세공극 내 흡착상 메탄의 탈착 효율이 낮고, 흡착-탈착 메커니즘이 명확하지 않아 신규 투입된 석탄층 가스정의 초기 생산량이 낮고 안정 생산 기간이 짧으며 개발 효과가 미흡하다. 석탄층 가스 회수율 저하 및 흡착상 메탄의 효과적 이용 어려움 문제 해결을 위해 본 논문은 신장 푸캉 블록의 저위탄 석탄을 연구 대상으로 하여 원소 분석, 질소 흡착법, X선 회절, 푸리에 변환 적외선 분광법 및 13C 핵자기 공명 방식을 사용하여 저위탄 석탄의 공극 분포, 분자식(C₁₀₀H₁₀₈O₁₆N₃) 및 분자 구조를 특성화하고 좁은 틈새형 공극 모델을 구축하였다. 거대 정준 몬테카를로 방법(GCMC)을 통해 다양한 공극 개방도, 압력 및 온도 조건에서 메탄의 흡착 특성을 모사하고 푸캉 블록 저위탄 석탄의 비등온 랑뮤어 흡착 방정식을 피팅하였다. 10.0 MPa, 308 K 조건에서 서로 다른 개방도의 틈새형 석탄-메탄 흡착 구조에 대해 정온 감압 탈착 분자동역학 시뮬레이션을 진행하였다. 연구 결과는 다음과 같다: ① 푸캉 저위탄 석탄의 주 분자 구조는 지방족 탄소 사슬이 벤젠고리 및 나프탈렌 고리와 연결된 사슬 구조이며, 카르복실기, 하이드록실기, 피롤 등의 관능기가 포함되어 있다. ② 공극 개방도가 2 nm 미만일 때 강한 나노 제한 효과로 흡착 포텐셜 우물이 깊어지고, 메탄 밀도가 단봉 분포를 나타내며 미세공 충전이 주도한다; 2 nm 초과 시 밀도 분포가 쌍봉 분포로 전환되고 비흡착 상 영역이 나타나며 흡착 메커니즘은 표면 흡착 주도로 변화한다. ③ 고압 조건에서 온도 상승은 흡착 포텐셜 에너지를 감소시켜 메탄 탈착에 동력을 제공하며, 이는 2 nm 이상의 틈새 공극에서 더욱 현저하다. 틈새 중앙에 흡착상 메탄이 여전히 존재하며 흡착은 미세공 충전과 표면 흡착이 공동으로 주도한다. ④ 1 nm 개방도의 틈새 내 탈착 활성 장벽이 높고 확산 계수가 낮으며(7.5×10⁻¹⁰ m²/s), 탈착 지연 현상이 뚜렷하다; 3 nm 개방도의 틈새는 탈착 활성 장벽이 낮고 확산 계수가 상대적으로 높으며(64.7×10⁻¹⁰ m²/s) 탈착 지연 현상이 나타나지 않는다. 결론적으로 저위탄 석탄 미세공 내 흡착-탈착 활성 장벽 감소가 메탄 탈착 효율 및 확산 능력 향상의 핵심이다. 감압-공극 확장-온도 상승의 협동 조절을 통해 CO₂ 선행 투입 + 자생 열 압쇄액 조합 절리 공법을 적용하고 우물망 열 유체 치환을 병용하는 것은 신장 푸캉 저위탄 석탄층 가스전 회수율 증대의 중요한 기술 방향이다.

신장 푸캉; 저위탄 석탄; 석탄층 가스; 흡착-탈착; 분자 시뮬레이션; 미세공 충전