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文章在地温梯度、埋藏史研究的基础上，探讨沁水盆地煤层的热演化过程及其对煤层气地球化学特征的控制作用。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和煤层气地化特征的对比研究表明，演化程度最高的地质时期决定了煤层气的组份和组份碳同位素特征，即是决定煤层气地球化学特征的关键地质时期，如沁水南部晋城地区的3#煤层在早白垩世末的R_o值达到2.4%～4.2%的最大值，从而形成甲烷碳同位素分布为-29.9‰～-36.7‰的煤层气；三叠系末期，霍州地区2#煤层处于成熟阶段（R_o=0.8%～1.2%），决定了该地区煤层气甲烷碳同位素分布为-47.6‰～-51.7‰。反之，煤层气的组份和组份碳同位素特征也反映了煤层所经历的热演化过程。     

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通过3种不同煤级煤样对纯组分CO₂、CH₄和N₂气体和不同配比浓度的80%CH₄+20%CO₂ 、80%CH₄+20%N₂、50%CH₄+50%N₂和20%CH₄+80%N₂二元混合气的等温吸附实验,探讨了煤对混合气体的吸附特征及混合气体中各组分的吸附特征;分析了多组分气体实验中游离相中气体组分变化规律。认为：①不同煤级煤对多组分气体的吸附等温线形状和其单组分的曲线相似;②混合体系中煤的吸附特性受吸附质气体原始含量、物理化学性质和煤的变质程度控制;③组分在气相中的含量越高,其吸附量就越小,其它组分降低某一组分的吸附量因其吸附性质的不同影响程度不同。本工作为煤层气注气提高采收率提供了理论依据和实验数据。     

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文章通过对长焰煤、气煤、焦煤和无烟煤分别吸附CH₄、N₂和CO₂单组分气体的研究,探讨了不同煤级煤吸附3种单组分气体的特征以及相互间的差异性,发现CO₂/CH₄和CH₄/N₂值随煤级和平衡压力的变化而变化,并非简单的2倍关系。之后评价了几种常用吸附模型模拟煤吸附不同气体的效果,所选模型包括Langmuir方程、BET方程、D—A方程和D—R方程,优选出了更适合于描述煤吸附气体行为的吸附模型。研究结果表明,n=1时的D—A方程更适合于描述煤吸附CH4行为,Frendulich方程和Henry方程则适合于描述低煤级煤吸附N₂行为,而所选用的模型都不能合理解释无烟煤吸附CO₂的等温线在高压时出现的上翘现象。研究成果在煤层气的资源评价、产能预测、注气提高煤层气采收率技术以及CO₂在煤层中的封存技术等领域具有一定的科学意义。     

煤层气含量的主控因素——以卡拉哈里盆地XX区块为例

煤层气含量是煤层气资源评价、开发部署和经济评价的重要指标,通过大量实验分析,对卡拉哈里盆地XX区块煤层气含量主控因素进行研究。结果表明,煤岩有机质显微组成中镜质组经历凝胶化作用、惰质组经历丝煤化作用,富含镜质组的煤岩具有较高生气量及较强吸附能力,富含惰质组煤岩的生气能力和吸附能力较差。煤阶控制煤层气生成、煤岩储层孔隙及割理发育,当镜质组反射率小于0.5%时,为生物气形成阶段,生气量小,煤岩原生孔隙发育,吸附能力差,煤层气含量低。当镜质组反射率为0.5%~4.0%时,煤岩有机质经历热降解和热裂解作用,生气量大;随着镜质组反射率的增大,煤岩微孔隙和割理增多、比表面积显著增加,含气量逐渐增大。当镜质组反射率大于4.0%时,煤岩微孔隙和割理减少、比表面积显著减小,煤层含气量减少。煤岩灰分含量与吸附能力呈负相关,煤岩灰分含量越少,吸附能力越强,煤层气含量越高。另外,煤层顶板岩性致密、渗透性差,煤层气含量相对较高;远离断层的煤层气保存条件相对较好,煤层气含量相对较高。     

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以沁水盆地等煤样品煤孔隙分析和等温吸附试验研究为基础,通过煤吸附气体动力学过程和吸附理论模型分析,从物理化学层面对煤吸附气体的固气作用机理进行了深入探讨。认为：煤吸附气体动力学过程包括渗流阶段、表面扩散阶段、体扩散阶段和吸着阶段;煤—煤层气吸附体系的吸附力和吸附能决定了不同煤级煤对不同气体吸附量的大小;扩散对煤吸附气体的动力学过程有重要控制作用;煤—甲烷吸附体系应存在多元化的吸附模型,当压力8~10 MPa以上时,Langmuir单分子层吸附模型的适应性受到限制,凝聚—吸附孔隙发育和气体凝聚是制约Langmuir单分子层吸附模型的主要原因。     

低煤阶煤储层物性演化特征及其对储层评价的影响

“第一次煤化作用跃变”使煤储层的物性在煤化作用早期阶段发生了显著的变化。鉴于这一物性动态变化特征,为厘定煤化作用跃变前后低煤阶有利煤储层的评价参数和标准,在系统采集中国主要盆地低煤阶煤岩样品的基础上,通过系列实验分析手段,研究了早期煤化作用过程中低煤阶煤储层的物质组成、孔隙-裂隙系统、储层物性等方面的变化规律。在煤化作用早期阶段,孔隙类型的变化主要表现为原生孔的破坏与收缩、后生孔和割理的形成。储集空间由以发育大孔和中孔为主的孔隙型分布,逐渐变化为以发育孔隙、裂隙为主。从褐煤到低煤阶烟煤,随着煤化作用进行,煤储层的孔隙度呈现出先快速降低之后缓慢增高的趋势;渗透率整体呈现增高的趋势;甲烷的吸附能力逐渐增强,吸附气比例逐渐增加。在详细描述"第一次煤化作用跃变"前后低煤阶煤储层的孔隙类型、孔径分布、孔隙度、渗透率及气体赋存方式的基础上,提出了褐煤与低煤阶烟煤储层评价参数权重与隶属度的差异化处理方法,以期为中国低煤阶煤层气的勘探开发提供科学依据。     

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煤层气作为一种非常规天然气，其运聚机制和气藏模式与常规天然气均不相同，这些都直接制约了我国煤层气产业化的进程。利用高温、高压岩心测试分析技术为基础，充分考虑煤层气的吸附解吸特性，嫁接常规天然气成藏模拟技术，建立了国际上第一台煤层气成藏模拟具有重要科学意义。煤层气成藏模拟装置能模拟煤层气储层的温压特征，探索煤层气运聚机制，特别是煤层气藏是如何保存的，煤层气如何运聚的，煤层气藏压力系统是如何变化的。模拟技术充分考虑煤层气保存条件、煤层气运聚规律、水文地质条件开展了卓有成效的模拟工作，在沁水高煤阶区域和吐哈低煤阶区域开展对比模拟，取得了以物性变化二元论为代表的一批新成果，查清了渗透性和水文地质条件对高低煤阶煤层气的控制作用。     

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文章研究了塔里木盆地库车坳陷侏罗系煤系烃源岩在封闭体系下热模拟生成甲烷的碳同位素特征及其动力学参数,探讨了克拉2大气田天然气的成因。碳同位素动力学研究表明,库车坳陷侏罗系煤系烃源岩热模拟生成甲烷的碳同位素值介于-37‰～-25‰之间;可以用动力学方法将煤系烃源岩热模拟实验数据外推,应用于地质条件。克拉2大气田天然气主要来源于中下侏罗统煤系烃源岩,属阶段捕获气,主要聚集了-5～-1 Ma阶段的天然气,其成熟度R_o 为1.3%～2.5%。这不仅得到早期相关研究成果的支持,而且也符合该区天然气的勘探实际。     

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近年来低煤阶煤层气在美国粉河、尤因它盆地进行大规模商业性开采，引起包括中国在内的许多国家关注。中石油煤层气勘探项目经理部对我国西北、东北、内蒙古、滇黔桂地区中、新生代低煤阶含煤盆地煤层气成藏条件及资源分布进行了研究，发现我国低煤阶煤层气资源非常丰富，是我国煤层气勘探不可忽视的重要资源。2003年优选吐哈盆地沙尔湖凹陷进行了积极探索，取得了很好的效果，初步分析了低煤阶煤层气成藏控制因素，指出低煤阶煤层气藏一般埋藏浅，含气量低，但煤层渗透性好。勘探目标选择应注意对煤层气保存条件的分析，寻找高饱和含气区。另外，低煤阶煤层气开发还需要煤层有一定的厚度，这样才能保证较高的资源丰度、单井产量，达到长期稳产的目的。     

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煤层含气量是煤矿设计和煤层气开发利用中极为重要的参数之一，其值变化范围大（０～２０ｍ３／ｔ），影响因素多而复杂。一般情况下，煤层的生气量远远大于现今煤层的含气量，故生气量高低不是制约煤层含气量的关键因素，而煤层储气能力才是制约煤层含气量高低的主要因素。煤层储气能力随着煤阶的增高和埋深的增加而增高（埋深＜８００ｍ时最明显），随着孔隙度的增加和微孔隙的增多而增高。低煤阶（焦煤以下）时，丝质组煤层的储气能力高于镜质组的储气能力；高煤阶则相反。镜质组含量高的煤层吸附能力也强。煤层储气能力随矿物质和水分含量的增高而降低。     

川南煤田古叙矿区DC-5井上二叠统龙潭组煤层甲烷吸附性及其主控因素

煤层甲烷吸附性研究对于指导煤层气勘探开发以及揭示煤层储气机理具有重要作用。通过钻井取样、煤岩-煤质特性分析以及甲烷等温吸附实验,研究了川南煤田古叙矿区龙潭组不同深度煤层的煤质特征与甲烷吸附性差异,运用多元线性逐步回归方法分析了影响煤层甲烷吸附能力的主要因素。结果表明:古叙矿区龙潭组煤镜质组最大反射率RO,max值为2.83%~3.22%,属于高阶煤;显微组分以镜质组为主,惰质组次之,不含壳质组,无机矿物以黏土类为主;不同煤层的水分含量和挥发份产率差别不大,但是灰分产率和固定碳含量差别较大,导致朗格缪尔体积变化在11.39~25.06 m^3/t之间。认为固定碳含量是影响古叙矿区煤层甲烷吸附能力的主要因素,且固定碳含量与朗格缪尔体积呈正相关关系。     

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煤中孔隙的形态和结构特征强烈影响着煤储层的吸附、解吸、扩散及渗透性。为查明影响沁水盆地高煤级煤储层孔隙系统差异发育的主控因素，对采自该盆地北、中及南部6个市县13个矿区的40余件样品进行了详细解剖研究。应用对应分析方法发现煤相是该盆地煤储层孔隙系统在高煤层级阶段差异发育的主导控制因素，而高煤级造就了该盆地煤储层孔隙系统总体上不利于煤层气产出的共同特征。煤相通过对该盆地高煤级煤储层孔隙系统差异发育的直接控制而间接控制了储层吸附、解吸及渗流物性的优劣。在沁水盆地，活水泥炭沼泽相以及森林泥炭沼泽相是形成有利储层的沉积环境，而干燥泥炭沼泽相一般难以形成有利的储层。由于沉积环境（煤相）的剧烈频繁变迁导致了煤储层孔隙系统及相应的储层物性在纵向及横向上强烈的非均质性，给该盆地煤层气的开发带来严重不利影响。     

储层条件下煤吸附甲烷能力预测

煤的吸附能力受煤的性质（煤阶、煤岩组分、煤体变形）和环境条件（温度、压力）的控制。探讨储层温度、压力下的煤吸附能力是含气量预测的前提和基础。根据Polanyi的吸附势理论，结合实测等温吸附数据，首先绘制了煤吸附甲烷的吸附势特性曲线，然后建立反映吸附量、温度和压力三者之间关系的数学模型。此模型可在已知某一温度下的吸附等温线时，计算任一温度、压力下煤的吸附能力，也就是储层条件下的理论最大含气量。该模型的建立使得定量评价地质历史时期煤层气的聚集与散失成为可能，并且在沁水盆地东南部得到了成功应用     

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??The thermal simulation experiment of coal rock can provide a scientific basis for understanding the evolution of hydrocarbon generation in coal??bearing basin and the geochemical characteristics of coalbed methane and its resource prediction. The thermal simulation experiments of gas generation of the upper Paleozoic coal rock samples collected from Qinshui Basin were carried out at the temperatures of 336.8-600 ?棬 the pressure of 50 MPa and the temperature??rising rates of 20 ??/h and 2 ??/h. The results indicated that the gaseous products (relative percent content) were mainly composed of methane?? C_2-5 hydrocarbon gases and carbon dioxide?? the bydrogen content and hydrogen sulfide content being extremely low?? along with the increase in simulation temperature?? the methane and hydrogen increased but carbon dioxide decreased?? and the C_2-5 hydrocarbon gases and hydrogen sulfide increased first and decreased afterwards?? the low temperature??rising rate was favourable to the generation of methane?? C_2-5 hydrocarbon gases?? hydrogen and carbon dioxide?? their formation being stage?? the relative productivity of carbon dioxide or hydrogen was positively correlated with that of methane at the same temperature??rising rate?? which reflects that they and the methane were the products of simultaneous parallel reaction in the process of the pyrolysis of coal rocks?? and the ability of generating methane and C_2-5 hydrocarbon gases of Shanxi Formation coal rocks was higher than that of Taiyuan Formation coal rocks at the same simulation temperature and temperature??rising rate?? which means that the Shanxi Formation coal rocks were more beneficial to coalbed methane formation in natural conditions. Finally?? the significance tracing coalbed methane formation is discussed in the paper according to the experimental results. (Financed by the National Basic Research Program Project??No. 2002CB211701)     

中高煤阶煤储层吸附能力演化历史定量恢复——以鄂尔多斯盆地韩城地区为例

中国的中高煤阶含煤盆地均经历了多次沉降和抬升,开展地质时期煤储层吸附能力演化历史研究对于认识煤层气的富集和成藏具有重要意义。根据中高煤阶煤储层样品的高温高压吸附实验,建立了煤储层吸附能力演化历史分析方法,恢复了鄂尔多斯盆地韩城地区主力煤层的吸附演化过程。研究表明,中高煤阶煤储层的吸附量受多种因素控制,吸附量与压力、热演化程度呈正相关,与温度、水分、灰分和挥发分呈负相关关系。在数学分析的基础上建立了基于温度、压力和热演化程度三参数Langmuir扩展的吸附量预测模型。结合韩城地区埋藏史和热史,恢复了研究区主力煤储层吸附演化过程,指出韩城地区主力煤储层吸附量随地质历史时期大致经历了低吸附稳定阶段、吸附增加阶段和高吸附稳定阶段3个阶段演化过程。     

淮南潘集、张集煤矿次生生物气地球化学特征

研究淮南煤田不同矿区煤层气的成因类型对于整个煤田煤层气的勘探开发意义重大。为此，利用地质和地球化学相结合的方法，对淮南煤田主要矿区--潘集煤矿和张集煤矿煤层气的成因类型进行了深入研究。结果表明：该区煤层气组分表现出了甲烷含量高、重烃和二氧化碳含量低的干燥气体的特征，与国内外含次生生物成因煤层气的组分特征一致。虽然该区煤岩的热演化程度已处于热成因气的生成阶段，但煤层气的δ¹³C₁值的总体分布范围为-56.7‰～-67.9‰，仍属于生物成因气的分布范围。煤层气的δ¹³C₂值主要分布在-22‰～-29‰，反映了乙烷的热成因特征，指示了该区的煤层气为热成因乙烷和微生物成因甲烷的混合。淮南煤田具有适合的煤阶、区域强烈隆升使煤层被抬升到浅部、地表水渗入煤层、生物气生成的最佳温度等次生生物成因煤层气生成的有利地质条件。因此，有利的地质条件、煤层气的组分与同位素显示的特征，相互印证了淮南煤田煤层气中有次生生物气存在的事实。     

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鄂尔多斯盆地大宁—吉县地区是中石油对煤层气近期勘探中发现的一个高饱和煤层含气区，钻探的吉试1井、5井在煤层段试气获得了工业性气流，对今后我国中煤阶煤层气的勘探方向具有重要的影响。本文通过研究该区煤层厚度、煤层埋深、煤岩煤质特征、煤层演化特征、煤储层物性、煤层含气量、煤层气保存条件及资源量等条件，基本证实了大宁—吉县地区是一个整装的煤层气大气田，初步控制含气面积717 km2，控制煤层气地质储量1500×108m3。     

西北低煤阶盆地生物成因煤层气成藏模拟研究

在美国粉河、澳大利亚苏拉特等低煤阶盆地煤层气勘探取得突破以前,一直认为具有商业价值的煤层气资源主要存在于中煤阶的煤层中,煤阶太低,一般含气量不高,不具有勘探价值。但是近几年来的发现证实,低煤阶盆地煤层厚度大,渗透率高,资源丰度大,含气饱和度高,同样可获得商业性气流,而且从其气体的成因来看,其中有很大一部分是生物成因的煤层气。利用煤层气成藏模拟装置对低煤阶含煤盆地的煤岩样品开展成藏模拟,从实验角度证明了中国西北地区虽然煤层煤阶较低,热成因气较少,但是却存在着具有商业价值的二次生物成因的甲烷气,再加上含煤层系众多,煤层厚度大,资源丰度极高,仍具有巨大的勘探潜力。