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．     

运移、扩散、水洗对鄂尔多斯盆地中部上古生界煤成气影响的模拟研究

对鄂尔多斯盆地中部上古生界煤成气特征进行了动力学模拟．通过与中部苏里格庙气田区上古生界储层中现存天然气特征对比发现，二者在干燥系数上存在明显差别，分析认为主要原因在于运移作用．同时对包括扩散作用在内的各种次生作用进行了数字模拟，从而认识到穿过盖层由扩散作用影响的天然气，富含甲烷，湿气组分含量变小；甲烷的碳同位素组成变轻，乙烷等湿气组分的碳同位素基本不变；残留天然气受之影响，特征变化一般不大，可忽略．具体到本盆地，由于扩散作用的影响，上古生界煤成天然气碳同位素特征(δ^13C1=-33．46‰，δ^13C2=-23．1‰，C1／C1-4=85．6％)变为残余天然气特征(δ^13C1=-32．78‰，δ^13C2=-23．1‰，C1／C1-4=83％)；水洗作用使8％的煤成气损失，但对天然气特征影响不明显；天然气从煤系源岩排出过程中，各组分的碳同位素值变化较小，但对于干燥系数的影响比较大．     

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．     

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．     

不同类型镜质体的气态烃碳同位素生成动力学

金管封闭体系热模拟条件下镜质体生烃动力学研究表明：活化能随镜质体类型、结构的不同而有很大差异．均质镜质体裂解活化能最高而基质镜质体活化能分布相对较低．而由不同类型镜质体裂解生成的甲烷均具有非常相似的碳同位素分布，热模拟早期δ^13C1随温度的升高而下降，晚期逐渐上升，更高温度热解时保持平衡或略有下降．由此可见镜质体的热解天然气碳同位素分馏主要受时间、温度及总碳同位素值的控制，而镜质体结构及活化能分布对碳同位素分馏影响较小．早期δ^13C1下降的趋势可能是由于镜质体的不均质性或在不同的活化能区间^12C-^12C及^12C-^13C之间的活化能差值(△E)有所不同造成的．     

正十八烷的裂解及其地球化学意义

通过正十八烷裂解产物中残余液态烃组分的研究来探讨气态烃碳同位素的分馏机理．研究结果表明，正十八烷在相对低温条件下的裂解和聚合作用与高温阶段导致轻烃和多环芳烃生成的歧化反应，可能是造成热解实验中普遍存在的气态烃碳同位素组成发生倒转的主要原因．这将为天然气碳同位素组成的定量模拟提供重要依据，并有助于原油裂解气的判识与评价．     

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.     

天然气水合物伴生的沉积物碳、氧稳定同位素示踪

对取自东北太平洋Oregon州海岸俯冲增生楔，天然气（甲烷）水合物脊上南北两端的两组钻孔沉积物样品全岩碳和氧稳定同位素分析，测得δ13C和δ18O值大于多在－29．81‰－48．2‰（PDB）和2．56‰－4．28‰（PDB）之间，数值落在“冷喷气孔附近典型的受甲烷气影响的碳酸盐矿物”区内，显示这类沉积物的全岩碳，氧稳定同位素特征已明显不同于一般海相碳酸盐类矿物， 它们已受到了沉积物中甲烷水保物的形成和演化的影响，此外，两处钻孔均显示出δ13C随深度增加而增加，δ18O随深度增加而减少的趋势，这种变化趋势认为主要是由于钻孔不同深度位置甲烷的缺氧氧化作用（AOM）强度和水合物形成过程中氧同位素的分馏作用而造成的，沉积物的这种碳，氧稳定同位素特殊性，认为可作为一个识别标志应用于其他海区，以确定或探索海底沉积物中是否存在天然气水合物。     

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．     

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．     

西北地区中小型盆地侏罗系陆相泥页岩的含气性

以Ⅲ型有机质为主、处于低熟演化阶段的民和盆地侏罗系窑街组和雅布赖盆地侏罗系新河组泥页岩的实测含气量分别为0.32~0.40和0.67 m3/t,与美国圣胡安(San Juan)盆地的路易斯(Lewis)页岩的含气量的下限值接近.解吸气中,甲烷含量在76.60%~99.23%之间,甲烷和乙烷的碳同位素组成分别介于-53.4‰~-49.2‰和-36.0‰~-26.3‰,两套泥页岩的解吸气均属于低熟气或生物-热催化过渡带气.这表明中国西北地区中小型盆地普遍发育的以Ⅲ型干酪根为主、低成熟的侏罗系陆相泥页岩可能具有一定的页岩气勘探前景.     

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．     

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．     

共和盆地更尕海湖泊现代水环境与碳酸盐碳氧同位素组成变化

通过分析更尕海轮藻碳酸盐结壳、软体动物壳体等碳氧同位素的季节变化,结合湖水溶解无机碳(DIC)碳同位素(δ13CDIC)和湖水氧同位素(δ18OLake),探讨其与现代湖泊水体环境的关系.结果表明,5~8月,轮藻植物生长速率约为5~6 cm/月;期间,沉水植物强烈的光合作用和碳酸盐的析出导致湖水pH升高,同时湖水DIC和Ca2+含量显著下降.结合流域水体氧同位素、气温和降水量等观测资料,指出更尕海湖泊水位季节变化是区域降水量与蒸发作用平衡的结果;湖水氧同位素组成主要受入湖水氧同位素组成、湖泊内蒸发过程和降水量等的影响.软体动物壳体氧、碳同位素组成可分别代表δ18OLake与δ13CDIC的年际变化.然而,轮藻结壳氧同位素与δ18OLake之间非平衡分馏效应显著,有待于进一步开展工作.     

食物控制的陆生蜗牛碳同位素组成

陆生蜗牛壳体化石碳酸盐(文石, CaCO₃)稳定碳同位素组成已被用于解释过去古植被C₃/C₄光合作用类型的变化, 但是蜗牛壳体碳同位素组成是否取决于其食物碳同位素组成一直是争议的问题. 对黄土高原等地现生蜗牛软体躯干有机碳和壳体文石无机碳同位素组成测量表明, 壳体文石无机碳同位素δ¹³C_a分布范围为-13.1‰ ~ -4.3‰; 对应的软体躯干有机碳同位素δ¹³Corg分布范围为-26.8‰ ~ -18.0‰, 两者之间存在显著的相关关系(δ¹³C_a = 1.021 δ¹³C_org + 14.38; R = 0.965; N = 31), 壳体文石¹³C相对于躯干平均富集(14.2 ± 0.8)‰. 由于蜗牛软体和食物碳同位素组成一致, 这样结果表明黄土高原陆生蜗牛壳体碳同位素组成可以反映其食物的同位素特征和潜在生态背景. 进而认为: (1)蜗牛碳酸盐壳体中的碳主要来自于蜗牛代谢(呼吸)作用产生的CO₂; (2) 蜗牛休眠、壳体封闭时期壳内CO₂与体液HCO₃^-之间碳同位素处于平衡分馏状态; 蜗牛活动时期CO₂的释放, 壳体文石形成, 碳同位素动力分馏作用发生, 导致壳体文石¹³C富集程度显著高于同位素平衡分馏值.     

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．     

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．     

岩石解析气实验新方法对气源对比研究的突破

经多年反复实验和改进,建立了高真空条件下、球磨机碎样、不经水介质直接收集解析气的装置和方法,从而最大限度地排除大气污染、粉碎热解以及经水介质集气等各种干扰因素,使所获解析气中的烃类气体体积百分含量大幅度提高,最高可达80%以上,碳同位素系列可实测至δ13C1~δ13C5.利用新建立的装置进行初步研究,结果表明:(1)利用烃源岩解析气的乙烷碳同位素组成判识烃源岩类型,与应用烃源岩有机地球化学参数判识结果完全一致,说明利用天然气的乙烷碳同位素组成作为判识母质类型的参数是可行的;(2)利用烃源岩解析气甲烷碳同位素组成计算的烃源岩热演化程度Ro值与烃源岩实测镜质体反射率吻合极好,证实了利用统计学方法得到的天然气甲烷碳同位素组成与热演化程度的对应关系是可靠的;(3)首次建立了天然气气-源直接对比方法,运用自然源岩样品解析气的实测δ13C1和实测Ro值建立的lgRovsδ13C1表达式,为油气勘探区进行精细油气源对比创造了条件.