煤层气藏边界及其封闭机理

在对国内外典型煤层气藏解剖的基础上,根据煤层气藏的定义,将其边界区分为4种类型水动力边界、风氧化带边界、物性边界和断层边界.指出水动力边界和风氧化带边界具有普遍性;将油气领域断层的4种封闭机理(胶结作用、泥岩涂抹、对接关系和碎裂作用)引入到煤层气藏封闭性断层边界研究,并探讨了各自作用机理和相互关系;开放性断层的封闭机理与水动力封堵一致;首次将物性边界的封闭机理区分为排驱压力封闭和烃浓度封闭.不同地质背景下的煤层气藏具有不同的边界组合类型,进而构成了煤层气藏的多样性.     

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．     

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．     

构造演化对煤层气富集程度的影响

现今煤层气藏的富集程度是聚煤盆地回返抬升和后期演化对煤层气保持和破坏的综合叠加结果．从构造演化的角落来看，煤层气藏形成的关键时刻是煤层停止生气之后上覆“有效厚度”在地史上埋藏最小的时刻．中国除变质程度较低的含煤盆地外，绝大多数盆地都经历了回返抬升演化阶段，聚煤盆地回返抬升的时间早晚和长短及抬升的强度直接控制着煤层气藏的富集程度．聚煤盆地回返抬升后的构造演化对煤层气的富集程度也有重要影响．一直处于隆起剥蚀的地区，煤层气将不断散失；后期发生沉降的地区有利于煤层气的保存，但易造成煤层气饱和度的降低．     

流动的地下水对煤层含气性的破坏机理

水文地质条件对煤层气的赋存影响很大，在地下水动力条件强的地区煤的含气量比较低；地下水相对滞流的地区，煤层气含量较高．显然，流动的地下水对煤层气的保存不利．但在地下水带走煤层甲烷的机理上，研究得比较薄弱．根据流动的地下水不仅使煤的含气量降低，同时也导致了煤层甲烷碳同位素的分馏作用，使煤层甲烷的碳同位素值大幅度变轻的现象，提出流动的地下水带走煤层甲烷的方式主要是通过水对甲烷的溶解作用，然后被地下水带走，而并非是通常认为的水驱作用，也并非是煤层甲烷通过盖层的扩散作用导致强水动力条件地区煤层气含量降低．只有水溶作用才能使煤层气甲烷的碳同位素发生分馏作用且使煤层气中的甲烷碳同位素变轻，是流动地下水带走甲烷的有效途径，破坏煤层的含气性．     

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”．     

淮南煤田次生生物成因与热成因混合型煤层气成藏动力学系统演化

在剖析煤系沉积史、埋藏史、热史、生气史的基础上，将淮南煤田的次生生物成因和热成因混合型煤层气的成藏动力学系统分为4个演化阶段：①泥炭浅埋和早期生物气阶段；②煤层深埋和热成因气阶段；③煤系剥露和吸附气散失阶段；④煤系再埋藏和次生生物气补充阶段．淮南煤层气成藏模型具有盆心聚气特征，但是，热成因气不是它的主要气源．在盆地隆升、煤系剥露蚀顶、热成因气大量散失之后，只有得到作为附加气源的次生生物气的有效补充，才能在适当条件下形成这种混合型煤层气藏．     

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．     

成藏三要素的耦合对高效气藏形成的控制作用——以四川盆地川东北飞仙关组鲕滩气藏为例

以川东北地区飞仙关组高效气藏为例，通过能量场的数值模拟，定量．半定量地分析油气成藏关键时刻能量场控制下所发生的烃类生成、运移和聚集及储层等要素演化以及其相互作用、相互影响．指出晚三叠世-早侏罗世是二叠系烃源岩大量成油期，断层沟通油源，油气在飞仙关组古构造圈闭内聚集成大型古油藏；晚侏罗世-白垩纪大巴山前陆盆地巨厚堆积，导致古油藏被深埋，古温度达到170～210℃，古油藏发生裂解成气，古油藏成为高效气源灶；与此同时，高温环境下发生的硫酸盐热还原作用，产生大量H2S等酸性气体，使得古油藏范围内的白云岩储集层发生深部溶蚀作用，储层物性得以改善与保持；喜马拉雅运动，在大巴山前缘产生强烈变形，古气藏发生调整、降温与降压，形成现今气藏分布状态．     

库车前陆逆冲带异常高压成因机制及其对油气藏形成的作用

在综述沉积盆地内异常高压形成机制的基础上, 对库车前陆逆冲带的异常高压的分布、特征及其成因机制进行了深入的探讨. 库车前陆逆冲带之西部克拉苏构造带异常高压主要分布于下第三系至下白垩统中; 构造挤压作用及其构造侵位是其异常高压形成的主要机制, 下第三系膏盐岩层的封闭也是其重要原因. 东部依奇克里克构造带的异常高压主要分布于下侏罗统阿合组, 其异常高压不是由欠压实、而主要是由生烃作用引起的, 构造应力也起了重要作用. 不同的异常压力分布和成因机制对油气藏的形成具有不同的作用. 克拉苏构造带K-E储层为一它源的异常高压系统, 成藏的条件之一是烃类(T-J烃源岩)沿断层向上运移至K-E储层, 并在其中聚集成藏, 而这一运移和聚集过程受到K-E储层异常高压系统的控制. 依奇克里克构造带异常高压封闭体系是造成T-J储层溶蚀孔隙不发育, 导致储集物性差的主要原因; 而依南2号构造T-J储层物性差是该构造缺乏石油聚集、形成天然气藏的主要原因.     

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．     

全新世沙漠-黄土边界带空间格局的重建

沙漠－黄土边界带生态环境脆弱，对气候变化响应敏感，在时间和空间上具有高度的不稳定性，是研究全球变化的理想区域，在总结已有工作的基础上指出：全新沙漠－黄土边界带地层具有风成砂－古土壤－黄土沉积序列。其中在东北地区普遍发育3－4层古土壤，浑善达克和毛钨素沙漠南缘普遍发育4－5层古土壤，青海湖及共和盆地古土壤也在4层以上，表明全新世沙漠经历过多次活化扩大和固定缩小过程，受此影响沙漠－黄土边界带发生多次移动；而且与全球气候变化以及海平面的变化具有同步性，反映全球变化导致的东亚冬、夏季风变化是沙漠－黄土边界带时空变迁的主要驱动因子，全新世后期人类活动对沙漠－黄土边界带的环境变化产生了强烈影响。     

煤层气组分的形成演化模拟实验研究

采用封闭高压高温热解实验装置，在336.8～600℃模拟温度和50MPa模拟压力及20℃/h和2℃/h升温速率条件下，对泥炭和煤岩进行了热解生气模拟实验，研究了煤层气组分的形成演化．结果表明，煤岩热解煤层气主要由烃类气体组成，其次为非烃气体，而泥炭则相反．烃类气体以甲烷(CH_4)为主，重烃气体(C_2～C_5)较少；非烃气体以二氧化碳(CO_2)为主，氢气(H_2)和硫化氢(H_2S)含量微量．温度是控制煤层气生成演化的主要因素，随着R_o值增大，热解煤层气CH_4生成量呈单向快速增加，CO_2则表现为缓慢增加趋势，C_2～C_5先增后降；泥炭与煤岩及山西组煤岩与太原组煤岩相比较，前者具有更高的煤层气生成潜力，反映了成气物质性质对煤层气组分的生成特征的影响；低温速率有利于CH_4，H_2和CO_2气体的生成以及C_2～C_5气体的裂解，说明时间对煤层气组分的生成演化具有重要的控制作用．结合研究结果，讨论了地质环境下煤层气研究的应用意义．     

新疆佳木地区的第四纪断层

在新疆佳木地区发现了第四纪台兰河断层，它是现代盆地－山脉耦合的边界断层，利用断层对不同时代的第四纪沉积赞成的不同断距的测量数据，求得了断层在第四纪赞成的盆地－山脉900m高差，以及地壳缩短量3.7km和1.59mm/a的缩短率。所造成的山脉隆升量和山脉隆升率分别是1.34km和0.56mm/a.加上盆地边缘古木别孜背斜的贡献，佳木地区第四纪地壳缩短量和缩短率估计分别达到4．8km和2mm/a.这些数据与中国新疆库车地区所确定的缩短速度及在吉尔吉斯Issyk湖地区、中国新疆库尔勒－乌鲁木齐地区GPS重复测量的地壳缩短速度相一致，反映了新第三纪天山南麓再生前陆盆地的冲断作用比较快速的运动。     

煤层气散失过程与地质模型探讨

煤层气以吸附气、游离气、水溶气赋存于煤层中．煤层气的散失首先要发生解吸，然后呈游离气和溶解气再向外散失，散失途径可有3种方式：孔隙中的游离气通过盖层的散失、储盖层烃浓度差引起的分子扩散和溶于水中的气直接被水带走．依据煤层气的保存控制因素，考虑煤层气的上覆盖层(顶板)、下伏隔层(底板)、水文分区和散失原理来建立3种地质模型：封闭系统煤层气散失地质模型、侧向水封系统煤层气散失地质模型和开放系统煤层气散失地质模型．     

煤层气的置换解吸实验及机理探索

通过以煤样为吸附剂的CO_2置换CH_4模拟实验，发现了自然条件下和煤层气开采条件下的煤层气置换解吸现象，并借助于现代物理化学和界面化学的吸附理论，深入探讨了煤层气的竞争吸附与置换解吸机理，为深入研究煤层气开采过程中的煤层气解吸机理探索了一条新的途径．     

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．     

塔里木盆地轮南地区奥陶系碳酸盐岩油气富集特点

轮南凸起经历了晚加里东期、海西期的强烈隆升剥蚀及印支期以来的叠加改造过程．轮南凸起及其周围地区长期处在油气运移的指向上，经历了3个一级波动周期的油气成藏旋回：第一成藏旋回以破坏为特点，第二成藏旋回以改造为特点，第三成藏旋回以富集为特点。轮南地区溶洞系统有3个发育段，缝洞系统发育程度及其连通性是风化壳型油气富集的重要因素，密集发育的裂缝及小断层沟通溶洞就形成油气富集区；而孤立的溶洞由于没有油气来源，钻到溶洞发育区也是出水。在断垒带顶部泄漏区含水；紧邻的斜坡高部位盖层条件欠佳为高渗漏区，是稠油分布区；斜坡低部位以及平台区，晚期油气的充注形成轻质油和凝析油分布区；中、上奥陶统的残存区是寻找早期形成的碳酸盐岩原生油气藏的有利地区．围绕轮南低凸起沿斜坡往下向着凹陷的方向是碳酸盐岩有利油气富集区．准确预测碳酸盐岩缝洞分布区是本区发现油气的前提，而准确识别裂缝及小断裂的分布更是提高勘探成功率的关键．     

中国海相油气田形成的地质基础

塔里木盆地、四川盆地和鄂尔多斯盆地古生界地层是中国海相油气勘探的重要层系之一，广泛发育以泥质岩为主的优质烃源岩，烃源岩的深埋藏决定了海相盆地以天然气为主，但不同盆地烃源岩有机质演化程度的不同又导致油气相态的差异；富含蒸发盐的碳酸盐岩地层中的硫酸盐热化学还原作用（TSR）对原油裂解成气具有明显的促进作用．海相储层以碳酸盐岩和碎屑岩为主，沉积相、白云石化作用、溶蚀作用、TSR和断裂裂缝作用控制了碳酸盐岩储层的发育．由于海相地层经历了多期构造旋迥，导致了多套生储盖组合的发育，圈闭和油气藏类型也多种多样；油气藏普遍具有多期成藏、晚期为主或晚期定型的特点：古隆起对油气富集有重要的控制作用．由于三大盆地海相主力烃源层的不同，油气富集层位、油气藏的类型与分布、油气成藏的特点也各不相同．     

一个多层的早期成岩作用模型

早期成岩作用指的是沉积物在沉积至浅埋藏过程中在沉积颗粒、孔隙水及沉积环境水介质之间发生的一系列物理、化学及生物学作用.早期成岩作用可以在沉积物中形成地球化学层序带,自上而下可依次出现氧化带(OX带)、硫化物还原带(SR带)和甲烷带(ME带)等. 对这些带的部分作用机理的认识已日趋深入,并进而出现了较为成功的早期成岩作用方面的模型.这些模型多以底层水的有机质、溶解氧和硫酸根的浓度,沉积物的孔隙率、沉积速率,以及溶质的扩散系数及有机质的反应速率(后两者可为孔隙水温度的函数)等为已知参数,计算出有机质、溶解氧和硫酸根的浓度在沉积物中随深度的分布,从而区分出氧化带和硫化物还原带.但是,现有的模型只能用来计算一次性的沉积事件,即只能用来计算一个沉积层;而对于有多次性的沉积事件发生,从而形成多个沉积层,并且这些沉积层之间相互存在影响的情形,现有的模型无法应用.而多层沉积的情况在实际中又是经常发生的.因此,本文在现有的单层早期成岩作用模型的基础上,发展出了一个多层的早期成岩作用模型,尝试解决这一问题.