储层水分对富油煤地下原位热解的影响机制：实验研究与ReaxFF分子动力学模拟

针对地下富油煤原位热解过程中储层水分差异影响机制不明的问题，研究人员通过固定床热解实验和ReaxFF MD模拟，揭示了H2O促进C-C/C-O键断裂、提升焦油产率（4.39→11.95 wt.%）和轻质组分比例（49.75→61.25%）的作用规律，为优化地下热解工艺（5~10 wt.%水分、N2氛围）提供理论支撑。

　　

煤炭作为全球能源消费体系的核心组成部分，支撑着超过35%的电力供应。在中国，富油煤（tar-rich coal）因其低温干馏焦油产率超7%的特性，被视为战略资源——已探明储量超5000亿吨，可提取约500亿吨焦油。然而，如何实现这类资源的高值化清洁利用？地下原位热解技术（underground in-situ pyrolysis）应运而生：通过地下储层改造后缓慢加热，直接将煤转化为油气产品。这项技术虽具安全环保优势，却面临储层高压、煤层非均质性等挑战。其中，水文地质条件导致的煤层水分差异（1~15 wt.%）尤为关键——水分既增加热解能耗，又可能改变产物分布规律，直接影响工程选址与工艺设计。

针对这一核心问题，来自西安交通大学（根据通讯作者Bolun Yang单位推断）的研究团队在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表成果。他们采用固定床热解实验结合反应力场分子动力学（Reactive Force Field Molecular Dynamics, ReaxFF MD）模拟，系统探究了水分对富油煤热解的影响机制。关键技术包括：①不同水分含量（1~15 wt.%）煤样的程序升温热解实验；②N₂/CO₂氛围下的产物收率分析；③基于ReaxFF力场的化学键断裂动态追踪；④典型反应路径的微观机理解析。

热解特性分析

热重实验显示，随着水分含量增加，热解特性指数D_i从35.88×10^-8%·min^-1·℃^-3降至20.53×10^-8%·min^-1·℃^-3，表明H₂O会提高挥发分释放难度。但矛盾的是，焦油产率却从4.39 wt.%显著提升至11.95 wt.%——水分蒸发虽需额外热能，却促进了后续热解反应。

产物分布规律

在N₂氛围下，轻质焦油比例（沸点<360℃）从49.75%增至61.25%。更值得注意的是，CO₂氛围能进一步优化产物分布，这与CO₂参与气化反应有关。

微观机制揭示

ReaxFF MD模拟与实验结果高度吻合：①统计显示H₂O促进C-C和C-O键断裂；②典型路径分析发现，H₂O通过提供活性H^•抑制缩聚反应，从而增加轻质组分。

这项研究首次从实验-模拟双维度阐明了水分对地下热解的"双刃剑"效应：虽增加初期能耗，但通过促进键断裂提升油气品质。提出的最优条件（5~10 wt.%水分、N₂氛围）已应用于陕西神木矿区，为全球富油煤开发提供了普适性理论框架。未来研究可进一步耦合地质参数，建立水分-温度-压力的多维调控模型。