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．     

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．     

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”．     

地史时期超压对沁水盆地南部煤层气藏形成的作用

根据沁水盆地南部3号煤吸附等温线及实测含气量，部分钻井吸附气含量达高饱和到饱和状态，这种高饱和度高含气量很难从理论上得到解释，而且该地区并不具备后期热成因气和生物成因等气源补充的条件，文中提出地史时期超压是促成现今煤层气藏高饱和度的主要原因．早自垩世煤系源岩大量生气，由于较好的顶底板条件及向斜核部的构造部位，煤层气藏具有超压和饱和含气特征，晚白垩世以后煤层气藏急剧抬升，在温度和压力降低过程中，超压吸附气转化为常压或欠压吸附气而使得现今煤层气藏维持高饱和度高含气量的状态．     

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．     

中国部分煤田发现的次生生物成因煤层气

在新集、李雅庄和恩洪地区发现次生生物成因煤层气,是中国煤层气的一种新的成因与资源类型．其基本特征为：组分以甲烷为主,C_1/C_(1-5)＞0.99,属于干气;δ~(13)C_1值为-61.7‰～-47.9‰,绝大部分＜-55‰,比该区煤岩所处热演化阶段(R_o值为0.87%～1.43%)所产热成因甲烷的δ~(13)C估算值低得多,显示甲烷具次生生物成因特征;δD_((CH)_4)值为-244‰～-196‰;δ~(13)C_2值为-26.7‰～-15.9‰,δ~(13)C_3值为-10.8‰～-25.3‰,重烃属热成因;CO_2含量极低,δ~(13)C值变化很大,反映出次生变化的特征;δ~(15)N_2值主要在-1‰～+1‰之间,指示N_2主要源于大气,而N_2与CH_4含量之间具良好的负相关线性关系,反映出含菌地表水渗入煤层的活动．综合示踪指标研究表明,研究区煤层气为以次生生物气为主,含有部分残留热成因气的混合气．煤层抬升和断裂发育为次生生物气的形成提供了良好条件．     

煤层气羽状水平井开采的影响因素分析及增产机理

采用数值模拟的方法，分析了煤层气羽状水平井的增产机理，指出羽状水平井的主支和分支在地层中广泛均匀延伸，使整个控制区域地层压力均匀、快速下降，增大了气体解吸扩散的机会，是羽状分支水平井促使煤层气产量提高的根本原因．讨论了渗透率、朗谬尔常数、吸附时间等地层参数对羽状水平井煤层气产量的影响，并得到结论：地层绝对渗透率越大，相渗曲线越陡，残余气饱和度越小，含气饱和度越高，地层压力越大，对气产出越有利；朗氏常数通过改变等温吸附线在地层压力变化范围内的缓陡程度决定吸附量改变幅度的大小，从而影响气产量的变化，吸附时间对直井开采前期气产量到达高峰期的时间长短有影响，而对于羽状水平井，吸附时间对产量的变化几乎没有影响．     

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．     

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．     

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．     

我国煤层甲烷异常重碳同位素组成的发现及成因研究

天然气的稳定碳同位素δ~(13)C_(1-n)对于研究气体类型、演化规律、气/气和气源对比有着极为重要的意义。人们业已发现煤层气与油田气在碳同位素组成上存在着较大差异,这表现在煤层气很“干”以及δ~(13)C_1偏负(—40——80‰)两大特征上。近两年我们在重庆南桐煤田龙潭煤系的煤层气体中测得异常重的δ~(13)C_1值,其原因和意义为天然气地质学界所关注。     

草本沼泽泥炭不同演化阶段气体碳氢同位素组成及其演化特征

煤层气聚集存在着“累积聚气”和“阶段聚气”两种形式. 目前缺乏“阶段聚气”煤层气的地 球化学特征和指标的研究. 通过草本沼泽泥炭在不同温度下制备的样品进行热模拟实验, 获得 了不同演化阶段甲烷和乙烷的碳、氢同位素组成和演化规律. 发现甲烷和乙烷碳同位素组成明 显地受原始样品演化程度的影响, 而氢同位素组成主要与成熟度密切相关. 确定了成煤有机质 从Ro 为1.2%, 1.7%, 2.4%, 3.2%, 3.7%分别演化至Ro 5.7% (4.8%)之间生成的气体碳、氢同位素 组成. 建立了成煤有机质在不同演化阶段热解气体碳、氢同位素组成与Ro 之间的关系和甲烷 与乙烷的碳、氢同位素之间的关系式. 这些为研究不同成熟度区间生成的煤层气的成因和“阶 段聚气”的煤层气地球化学特征认识及其成因判识提供了科学依据. 并且, 将这些研究结果应 用到我国沁水盆地南部煤层气研究, 认为该地区煤层气是在中侏罗世以后聚集而成, 具有“阶 段聚气”的特征, 这与地质研究结果相一致, 从而证明了热模拟研究成果对自然界煤层气成因 的判识具有重要的科学意义.     

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．     

沁水盆地煤储层孔隙系统模型与物性分析

实验测试分析表明，沁水盆地煤储层孔隙系统具有以下共同特点：孔隙度相对较小，孔隙结构以微孔和小孔为主，中孔次之，大孔很不发育，这种孔隙结构总体上对煤层气的产出不利．同时也发现沁水盆地高煤级煤储层孔隙结构具有一定的差异性，这种差异必然导致高煤级煤储层具有不同的吸附、解吸、扩散及渗透物性．应用聚类分析方法对大量测试结果分析归类并选择典型样品，建立了相应煤储层孔隙系统的四种模型，分析了各孔隙模型对应的储层物性优劣，对于沁水盆地煤层气的勘探开发具有一定的指导意义．     

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．     

地球内部热散失量分布的非对称性

采用Pollack等人 1993年给出的全球热流场 12阶球谐系数 ,求出南、北半球以及0°半球、180°半球的平均热流值和热散失量 .计算结果表明 ,南半球平均热流值为 99 3mW·m^-2 ,显著高于北半球平均热流值(74 0mW·m^-2 ) ;0°半球的平均热流值 (94 1mW·m^-2 )也高于 180°半球 (79 3mW·m^-2 ) .南半球的地幔热散失量达 22.1× 10¹²W ,是北半球地幔热散失量(10.8×10¹² W )的两倍;0°半球的地幔热散失量为16.9×10¹² W ,与180°半球的地幔热散失量16.0× 10¹²W相近 .大陆与海洋在全球的非对称分布是导致地球内部热散失量具有半球非对称性的原因 .热散失量的非对称分布是地质历史中的长期现象.     

库车拗陷依南2气藏天然气生成与聚集

应用生烃动力学与碳同位素动力学方法，结合天然气藏形成的地质背景，研究了塔里木盆地库车拗陷依南2气藏天然气生成与聚集．依南2气藏天然气主要来源于库车拗陷阳霞凹陷中心中下侏罗统含煤岩系烃源岩，基本上属长期累积聚集气，主要聚集时间为0～5Ma，对应Ro为1．25％～1．95％；天然气散失率为25％～30％．该研究，不仅弥补了传统的依据生、储、盖及圈闭的匹配关系来研究天然气藏形成模式的不足，而且对其他气藏的研究具有借鉴意义．     

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．     

锚定PCR(Anchored PCR): 一种新的染色体步行方法

基于PCR的技术是克隆已知DNA片段侧翼序列的最常用方法．到目前为止，这些方法大致可以分为3种类型：反向PCR(inverse PCR)、连接介导的PCR(1igation-mediated PCR)和随机引物PCR(randomly primed PCR)．反向PCR是使用最早的方法，其原理是用限制性内切酶消化基因组总