高煤级煤储层弹性自调节作用及其成藏效应

煤储层是一种具有相当弹性的地质体，其对应力的响应比常规储层更为敏感．煤层气成藏的诸多外部地质动力学因素作用于煤储层本身，体现为煤储层允许煤层气扩散渗流或导流的能力．因此，煤储层中天然裂隙的发育特征就成为决定煤层气能否成藏的一个关键要素．基于这一关系，有针对性地设计了综合物理模拟方法，从固流耦合的角度对不同煤级煤基块的弹性力学性质开展研究，建立起煤储层在有效应力——吸附-解吸条件下产生弹性体积变形(弹性自调节效应)的模式，获得了对其弹性变形特征规律性的认识．在此基础上，提出了高煤级煤层气成藏“弹性自封闭效应”的新观点，为进一步探讨其动力学因素、可能机理、在煤层气能量平衡系统中的作用等提供了切入点和科学依据．     

沁水盆地石炭-二叠系优质煤储层发育的沉积条件

沁水盆地石炭-二叠系中煤储层发育，但不同的煤储层在分布范围、厚度、储集物性等方面有明显的差异．从沉积学和层序地层学的角度，探讨了控制优质煤储层发育和分布的因素．研究表明，本区优质煤储层主要形成于潮坪和三角洲平原上的泥炭沼泽环境，而且总体上，潮坪上形成的煤储层的横向连续性比三角洲平原上形成的要好．海平面升降对煤储层的纵向分布以及平面上的分布范围有重要控制作用，总体上高位体系域(尤其是晚期)形成的煤储层丰度高、厚度大、分布范围广，有利于形成优质煤储层；海侵体系域形成的煤储层丰度低、厚度小、分布范围较小，不利于优质储煤层的形成．     

煤纳米孔隙结构的原子力显微镜研究

煤纳米孔隙是认识煤中吸附气储集和运移的重要因素. 提出一种研究煤纳米孔隙结构的新方法, 该方法基于原子力显微镜(AFM)的纳米级分辨率, 可直观清晰地观察煤的纳米孔隙特征, 并可对煤纳米孔隙结构参数进行三维定量测量. 分析结果表明: 煤中纳米孔主要为变质气孔和分子间的链间孔, 变质气孔的形貌主要为圆形和椭圆形, 随煤化程度的提高, 变质气孔的发育程度不断增加; 链间孔的形态变化较大, 低煤级煤的链间孔大于高煤级煤, 链间孔随煤级的升高逐渐减少. 横切面分析可以有效地揭示煤纳米孔隙的几何学特征, 相分析的参数是表征煤微孔隙度的重要参数之一, 而粒度分析则可以检测煤纳米孔隙孔径分布特征. AFM 对煤纳米孔隙的研究, 将会给煤的微观结构和煤层气吸附机理的进一步深入研究提供新的研究手段.     

沁水盆地地温场特征及其与煤层气分布关系

根据20口井的温度数据得到沁水盆地平均地温梯度为(28.2±1.03)℃/km．测试了39个岩石样品的热导率数据，计算了20个大地热流值．沁水盆地现今热流变化于44.75～101.81 mW/m~2之间，平均为(62.69±15.20)mW/m~2．运用Thermodel for Windows 2004软件对沁水盆地的古地温史进行了模拟，并得到了沁水盆地晚侏罗—早白垩世最大埋深时的平均古热流，北部为158.41 mW/m~2，中部为119.57 mW/m~2，南部为169.43 mW/m~2．恢复了地层的埋藏史，揭示了地层沉积结束和剥蚀开始的年龄为108～156 Ma，地层的剥蚀厚度北部为2603 m，中部为2291 m，南部为2528.9 m．其古地温场的分布格局为“南北高，中部低”，这在时间和空间上和煤层气的含气量分布相一致，初步显示古地温场对沁水盆地煤层气的形成具有控制作用．     

沁水盆地煤层气富集单元划分

根据煤层气的特殊性和复杂性，结合中国煤层气的分布情况，将中国煤层气富集单元划分为含气区、含煤层气盆地、富气区、富气带和煤层气藏(田)五级．在这一序列划分方案中首次提出盆地是煤层气富集单元中的重要一级，认为没有煤层就没有煤层气，没有盆地就没有煤层气藏．因此，“盆地”是煤层气藏赋存的重要单元．依据沁水盆地的地质条件和煤层气分布状况将其划分为沁南富气区、东翼斜坡带富气区、西翼斜坡带富气区、西山富气区、高平-晋城富气区等5个富气区．其中沁南富气区是勘探前景较好的富气区．     

液态水影响煤吸附甲烷的实验研究：以沁水盆地南部煤储层为例

以IS-100等温吸附解吸仪和MTS815型电液伺服岩石实验系统为主要实验平台，选取了煤层气勘探开发热点地区——沁水盆地南部主力煤储层样品，开展了系统的注水煤样、平衡水煤样、干煤样等温吸附实验对比研究，探索并建立了模拟储层条件下的煤样注水和注水试样等温吸附实验方法，总结了实验规律，探讨了液态水影响煤吸附甲烷的作用机理．实验研究结果表明：注水煤样与平衡水煤样、干煤样比较，注水煤样的Langmuir体积明显高于平衡水煤样，也高于干燥煤样或与之相当；注水煤样的Langmuir压力最大，其次为平衡水煤样，干煤样的Langmuir压力最低，模拟储层条件下注水煤样的实验结果较平衡水煤样、干煤样更能反映实际情况；储层条件下煤层中的液态水对煤基质吸附气体存在显著影响，液态水可以使煤基质吸附气体的能力提升，吸附规律更符合Langmuir模型；润湿煤基质吸附力的增大是注水煤样吸附气体能力强的主要原因．实验结果推翻了前人有关液态水不影响煤吸附气体的传统认识，将导致煤层气等温吸附吸附实验方法的改进和煤层气资源评价可靠性的提高．     

沁水盆地煤层气藏演化的关键时期分析

在地温梯度、埋藏史研究的基础上，探讨了沁水盆地煤层气藏的成藏过程和聚气历史．通过对沁水盆地南部阳城地区和西部霍州地区的煤层热演化史、煤层气地球化学特征和聚气历史的对比研究表明，现今沁水盆地煤层气藏的形成取决于决定煤层气地化特征的“关键地质时期”和决定现今煤层含气量的“关键地质时刻”．演化程度最高的地质时期决定了煤层气的组分和碳同位素特征，即是决定煤层气地球化学特征的关键地质时期；煤层气的含气量以吸附气为主，因此煤层气的聚气历史(地史上的含气量变化)与决定煤层温度、压力的埋藏史有着直接的关系，而现今煤层气的含气量则主要取决于关键地质时刻的煤层上覆“有效地层厚度”．     

山西沁水盆地煤生烃动力学研究

以生烃动力学方法对煤的生烃潜力进行定量评价是近些年发展起来的一种新方法. 文中通过对煤岩在高温高压封闭体系条件下的热模拟实验, 取得了热解产物烃类气体组分的动力学参数, 应用这些参数对沁水盆地上古生界煤生烃动力学特征和生烃史进行了研究. 结果表明, T末到J₂末期间, 地质时间相对较长, 古地温较低, 使沁水盆地煤层甲烷产率增长比较缓慢, 煤的产烃能力较弱; 而J₃到K₁期间, 地质时间持续相对较短, 但是古地温较高, 这一阶段的甲烷产率增长最快, 煤岩产烃能力较强. 模拟和实测资料对比表明, 根据甲烷和C₂~C₄生成史所计算的干燥系数为判识沁水盆地不同研究地区煤层气成因提供了证据; 首次对成煤物质泥炭进行了生气动力学实验模拟, 并将模拟结果应用于沁水盆地的古地温演化史中, 与煤岩的生烃动力学特征进行了对比, 表明了泥炭比煤岩具有更高的生气能力; 具有较高演化程度的煤岩样品的化学动力学模拟实验结果不能完全恢复该煤岩的生烃能力, 会导致煤层气资源量评价结果偏小; 用泥炭生烃的动力学模拟结果进行煤层气生成量预测, 估算了研究地区的煤层气生成量的上限. 对研究地区不同煤层的煤层气生成量范围的计算结果显示, 所研究的阳城地区太原组和山西组煤层气生成量最高, 是最有利的煤层气形成地区之一; 沁源地区太原组和山西组煤层气生成量也较高, 是比较有利于形成煤层气的地区; 霍山地区煤层气的生成量最小, 煤层气形成条件最差.     

克拉2气田优质砂岩储层控制因素与孔隙演化

通过野外砂体建模、钻井岩芯与测井沉积相研究、井间储层对比等, 认为克拉2气田砂岩储层是一套厚度大、分布广、物性好、连续性好和隔夹层少的优质天然气储层. 根据大量的岩石薄片、铸体薄片、孔渗物性和压汞参数等资料, 进行了储层成岩作用、控制因素及孔隙形成机理与演化的研究, 认为浅埋藏时期的压实作用和成岩过程中的白云石和方解石胶结物对储层物性下降起了重要作用, 现今压实作用以中~弱为主, 物性较好的储层段无或含较少方解石胶结物;深埋藏早期仍以剩余原生粒间孔为主, 但因溶蚀作用而出现了部分改造扩大的次生粒间孔, 储层段的自生高岭石是长石和岩屑溶蚀的产物;深埋藏晚期的构造裂缝和异常高压背景有利于改善和保存这些孔隙.     

晋城成庄矿煤层大裂隙系统研究

城煤区成庄矿3号煤储层内发育有由外生节理、气胀节理、内生裂隙组成的大裂隙系统．气胀节理主要发育在光亮煤分层内，内生裂隙发育在镜煤和亮煤中．外生节理分两种，一种发育在煤层内，另一种则切穿整个煤层进入顶底板围岩．外生节理与气胀节理发育的方向性基本一致，为北北东和北北西两组．大裂隙系统的形成分为煤化作用期的内生裂隙发育阶段；二次煤化作用期的内生裂隙充分发育和气胀节理形成阶段；构造作用形成外生节理阶段．成庄矿3号煤储层的大裂隙系统在三度空间上存在不均一性，在平面上表现为大裂隙带有规律地成组分布，在剖面上表现为存在高渗透率煤分层．煤层中的大裂隙系统的研究可应用于煤层气生产，也可以有效提高煤层瓦斯的排放效率．     

沁水盆地构造-热演化史的裂变径迹证据

根据沁水盆地锆石裂变径迹、磷灰石裂变径迹分析结果，结合构造变动、岩浆活动及其它古地温温标等分析资料的综合研究，认为沁水盆地在古生代-中生代中期，沁水盆地地温梯度较低．中生代晚期地温梯度高，在盆地中部可达5.56℃/100 m，在盆地南北两端地温梯度可达8.00℃/100 m以上，表明沁水盆地存在异常地温场，发生过一期强烈的构造热事件．构造热事件发生在110～140 Ma之间，主峰值在120～140Ma之间．构造热事件发生受岩石圈深部热活动性增强及岩浆侵入的控制．沁水盆地石炭-二叠系煤层热演化程度主要受中生代晚期异常地温场控制．磷灰石裂变径迹资料记录了26.2～11.5 Ma前的一次快速抬升冷却事件，盆地抬升冷却具有南、北部抬升冷却早，中部抬升冷却晚的特点．石炭-二叠纪地层在50 Ma以前处于完全退火带，古地温大于125℃，50 Ma以来尤其是渐新世—中新世以来才大规模快速抬升冷却，石炭-二叠纪地层抬升退出了退火带(70～125℃)，处于低温环境．中生代晚期构造热事件控制了沁水盆地石炭-二叠系煤层的生烃高峰期，生烃高峰期在晚侏罗世～早白垩世，新生代渐新世—中新世以来发生大规模抬升冷却，地层温度降低，石炭-二叠系煤层生烃过程停止．     

煤岩结构纳米级变形与变质变形环境的关系

煤岩结构的纳米级变形与变质变形环境有着较密切的关系. 在不同变质变形环境中, 煤岩结构可以发生显微变形, 甚至可以表现在纳米级尺度上, 由此并导致分子结构和纳米级孔隙结构(<100 nm)的变化, 后者是煤层气的主要吸附空间. 通过X射线衍射和液氮吸附法对不同变质变形环境、不同变形系列构造煤大的分子结构与纳米级孔隙结构特征进行了深入研究, 并结合高分辨透射电子显微镜对大分子结构和孔隙结构直观观测, 结果表明: 构造煤大分子基本结构单元(BSU)堆砌度L_c从低煤级变质变形环境至高煤级变质变形环境增长较快, 这主要反映了不同变形机制下构造煤不同变质变形环境的差异. 尽管温度因素对大分子结构参数L_c的变化也取重要作用, 但应力作用更明显. 煤BSU堆砌度L_c以及L_a /L_c参数的变化反映了构造变形强弱的变化, 可以当作构造煤结构纳米级变形程度的指示剂. 由于温度、压力的增大, 主要是定向应力的作用, 分子的局部定向性增强, BSU内各碳网及BSU间排列的秩理化程度明显增强. 对于纳米级孔隙结构的变形, 随着应力作用的增强, 同一变质变形环境不同类型构造煤纳米级过渡孔孔容所占比例明显降低, 微孔及其以下孔径段孔容明显增多, 可见亚微孔和极微孔; 过渡孔比表面积所占比例大幅度降低, 而亚微孔却增加得较快. 非均质结构煤孔隙参数与弱脆性变形煤相当. 但不同变质变形环境构造煤的纳米级孔隙的变形又有所区别. 温度与围压条件对纳米级孔隙特征参数的演化也有一定的作用, 但应力的变化却对纳米级孔隙特征参数的演化起到主要作用.     

中国海相储层分布特征与形成主控因素

中国海相储层分布广泛，时代从前寒武系到中新生界，其中主要是古生界，特别是下古生界，主要包括碎屑岩和碳酸盐岩两类储层；在平面上主要分布在中西部的塔里木、四川和鄂尔多斯盆地．海相碎屑岩储层主要发育于海滩前滨-临滨、潮汐砂坝、潮汐水道、砂坪、三角洲分流河道、河口坝以及浅海陆棚等环境；储层发育的沉积环境对储层性质具有极其重要的控制作用；压实作用和压溶作用、胶结作用是减少孔隙的重要因素；低地温场地质背景、早期油气充注、溶蚀作用对储层孔隙保存非常有利．海相碳酸盐岩储层分为礁-滩型储层、岩溶型储层、白云岩储层、裂缝型储层四类；白云石化作用、溶蚀作用、硫酸盐热化学还原反应作用、构造破裂作用是控制碳酸盐岩储层质量的重要因素．     

基于煤层气运移的煤孔隙分形分类及自然分类研究

根据中国146件煤样的压汞测试数据，基于煤层甲烷的扩散、渗流特征，通过比孔容与孔径结构的分形研究，将煤孔隙划分为小于65 nm的扩散孔隙和大于65 nm的渗透孔隙两级．扩散孔隙再根据孔表面积增量与孔径的关系，划分出小于8 nm的微孔、8～20 nm的过渡孔和20～65 nm的小孔3类；渗透孔隙根据孔容增量的突变孔径的自然显现规律再进一步细分为65～325 nm的中孔、325～1000 nm的过渡孔和大于1000nm的大孔3类．     

一种新的基于拓扑结构特征的微裂隙-孔隙空间描述方法

微裂隙在多孔介质储层大量发育并与基质孔隙连通,是流体渗流特别是非常规储层油气渗流的重要通道.高精度无损成像技术以及数字岩心技术的快速发展,为孔裂隙空间描述、孔裂隙模型构建等研究提供了数据支撑.本文基于传统孔隙空间拓扑学,分析裂隙拓扑结构特征,充分考虑三维裂隙空间区别于普通孔隙的面状特征以及与基质孔隙之间的相互连通关系,提出"特征点化"的思路,将裂隙空间点进行分类,形成了适用于多种孔裂隙空间的描述以及结构特征分析方法.首先基于传统孔隙拓扑结构分析方法,提出"线面共存"的新骨架模型,提取裂隙中轴骨架面、中轴骨架线,精细刻画裂隙轮廓以及孔裂隙连通关系;其次,基于各类空间点的拓扑结构共性分别提取相应点集,分割孔隙、裂隙空间,构建微裂隙-孔隙骨架模型;第三,基于新的孔裂隙骨架模型提取孔裂隙空间的几何-拓扑结构特征参数,获取裂隙孔隙度、开度、倾角等重要裂隙几何参数,以及孔裂隙配位数、裂隙发育范围等拓扑参数;最后基于上述骨架提取描述方法,对理想与真实孔裂隙空间的数字岩心进行了骨架提取和分析.从微裂隙拓扑形态开展研究进而对裂隙-孔隙空间描述,可简化此类孔隙介质的建模过程,为后续气、液流动模拟提供准确数据基础,促进缝洞介质油气开发的进展.     

塔里木盆地台盆区古生界优质碎屑岩储层形成机理及预测

通过对孔隙铸体和阴极发光薄片的仔细观察, 结合成岩演化史、烃源岩成熟史、古构造演化史以及物性分布特征研究, 提出塔里木盆地台盆区古生界优质碎屑岩储层的孔隙主要为次生成因, 并阐述了次生孔隙的多种识别标志、发育程度和分类, 认为溶蚀作用对优质储层的形成起了重要作用. 提出了形成次生孔隙的铝硅酸盐、二氧化硅和碳酸盐3种溶蚀机制. 明确指出优质储层的形成、分布、保存和破坏受古构造格局及其演化、烃类注入与散失等多重因素控制. 古构造格局控制了酸性水运移的路径和方向, 从而控制了溶蚀发育的部位和范围, 古构造高部位和长期继承性的古隆起区次生孔隙发育. 烃类注入使溶蚀孔隙得到了保存, 烃类的散失使早期形成的溶蚀孔隙被后来的碳酸盐或石英次生加大胶结而破坏. 在寒武系、奥陶系和石炭系烃源岩成熟期(地质时代分别为S, P, K)的构造高部位、或长期继承性的隆起区是优质储层发育的主要地区.     

淮南煤田煤层气藏划分及形成机制

煤层气藏是煤层气聚集和进行煤层气资源开发的基本地质单元，煤层气藏的形成条件包括：煤层厚度、煤变质程度、埋藏深度、盖层、地质构造．在淮南煤田划分煤层气藏主要根据地质构造形态和埋藏深度，根据阜凤推覆体和淮南复向斜的次级构造，将淮南煤田划分为蔡家岗等7个煤层气藏；分析了煤层气成藏的动力学机制．煤层气藏所处的构造部位，对煤层气藏的特征具有重要的控制作用．     

核磁共振冷冻测孔法及其在页岩纳米孔隙表征的应用

页岩气已成为如今最具开采前景与价值的非常规天然气,而以纳米级孔隙为主体的页岩孔隙结构极大程度地决定着其成藏机理与运移机制,因此,能否准确地表征页岩孔隙结构是影响页岩气资源评价合理与否的关键因素.目前,扫描电子显微镜、压汞法、氮气吸附法、CT法等已被大量用于页岩的孔隙特征研究,然而由于页岩孔隙结构复杂、非均质性强等特点,不同方法在表征时往往受到适用范围和测试精度等方面的限制.针对新兴的核磁共振冷冻测孔法,利用标准孔隙样品对该基于核磁共振原理的变温测孔技术进行了方法验证,并将其用于页岩的孔隙度及孔径分布研究,同时探讨了块状、磨碎两种样品形态对测试结果的影响.测试结果表明该方法获取的孔隙度、孔径分布数据与压汞法、氮气吸附法在同一表征条件下吻合较好,且样品磨碎后相较块状样品能一定程度地获取封闭的不连通孔隙信息.该方法扰动小、直观、快速,能够很好地获取2~1000 nm范围的孔隙结构信息,可对其他测试手段进行补充和验证,为页岩等低渗介质复杂孔隙结构表征研究提供了新方法.研究除对技术特点与适用条件进行分析外,也针对技术改进、应用拓展等方面提出了展望.     

煤吸附甲烷的特征曲线及其在煤层气储集研究中的作用

以吸附势理论为基础，对4种不同煤级煤在不同温度下的等温吸附数据进行了处理分析，研究结果表明：各煤样吸附甲烷的特征曲线是惟一的，并由特征曲线获得了甲烷吸附量和温度、压力之间的关系表达式．根据提出的思路和计算方法，只需凭借一个温度下的吸附数据就可以获得其他平衡条件下的吸附量，研究成果对研究煤层气的储集机理等内容具有重要意义．     

硫化氢对碳酸盐储层溶蚀改造作用的模拟实验证据——以川东飞仙关组为例

四川盆地下三叠统飞仙关组储层是中国目前发现的次生溶蚀孔洞最发育、埋藏最深、优质碳酸盐岩储层最发育、储层有效厚度最大的碳酸盐岩储集层；同时飞仙关组气藏也是中国硫化氢含量最高的气田．研究发现，飞仙关组优质储层的形成与硫化氢之间存在十分密切的关系．含硫化氢的酸性流体与碳酸盐岩发生流体-岩石相互作用，促进了碳酸盐岩次生孔隙的形成．通过对飞仙关组储层碳酸盐岩岩芯样品在含硫化氢饱和水溶液中溶蚀试验发现，经过硫化氢的溶蚀，储层的孔隙度、渗透率得到大幅度的提高，孔隙度平均增大2％，渗透率增大幅度最大，平均将近提高两个数量级，岩石的密度也明显变轻，从而证实了硫化氢的溶蚀作用对飞仙关组优质储层形成所起到的关键作用．储层岩石学特征也证实了硫化氢对碳酸盐岩的溶蚀改造作用．