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煤层气富集单元划分是探索煤层气成藏规律、进行煤层气资源和选区评价、制定科学的煤层气勘探程序、提高煤层气勘探成功率的基础。中国煤层气的形成条件与分布环境十分复杂，因此富集单元研究对中国煤层气的勘探评价尤为重要。据煤层气的特殊性和复杂性，结合我国煤层气的分布情况，建立了我国煤层气富集单元划分系列，将煤层气富集单元划分为含气区、含气盆地、富气区、富气带和煤层气藏（田）五级。     

沁水盆地南部煤层气成藏机理

煤层气成藏机理研究是煤层气勘探开发的前提和基础。为此，以油气、煤田和煤层气各勘探阶段积累的资料为基础，结合前人的研究成果，系统探讨了沁水盆地南部煤层气藏的成藏机理。通过对煤层气藏特征（包括煤层空间几何形态、煤层气成分和含量、储层物性、吸附特征、储层压力及封闭条件）和煤层气成藏过程（包括煤层气形成、运移和聚集）的分析，进而认识到：晚古生代煤层在经历了印支期和燕山期两次煤化作用后大量生气，并在喜山期遭受了强烈的调整与改造作用，最后逐渐形成了现今的沁水盆地南部煤层气藏；直接控制和影响该区煤层气富集的因素除了煤层顶底板的岩性与边界断层外，地下水的补给、运移、滞流和排泄也是关键因素；该区目前的高产煤层气井基本上都位于地下水滞流区。     

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煤层气成藏研究包括煤层气从煤层气生成、储集、运移到聚集的整个过程。通过对国内外近十年来的勘探研究成果进行分析，从煤层气资源、生成、物性、保存、解吸、地压等6个成藏基本条件进行研究，总结出我国煤层气富集的基本规律。指出研究煤层气生成、储层非均质性、煤层气富集成藏机制、分布规律和高效勘探开发技术是我国煤层气近期研究的发展方向。     

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我国的煤层气资源量约为３５×１０１２ｍ３。近年来，已在２０多个含煤区进行了煤层气勘探，４层气探井数已达７０口，其中煤层气日产逾千立方米的井仅有６口。目前的勘探特点为：①产量低，递减快；③煤层渗透率低，压力低；③煤阶低；④煤层埋藏浅，处于甲烷风化带；⑤煤层薄，顶底板砂岩含水层发育；③有的煤层埋藏太深。拟合于固体勘探和流体勘探之间的煤层气勘探，其最大特点是气源岩与储气层同层，勘探开发的重点是煤层中的吸附气，研究的重点是搞清控制煤层中甲烷的分布、储存能力和气井产能的地质及水文因素。必须突破旧有思路的束缚，从煤层气勘探的选区评价、布井、钻井、完井和增产措施到开采方式、集输和环境保护等方面建立起一整套行之有效的工作程序和勘探方法。勘探重点地区应为华北地区的京津唐含煤区以及山西、陕西和河南的部分含煤区等；其次是华南地区的有利含煤区。     

煤层气基础理论、聚集规律及开采技术方法进展

煤层气以呈吸附状态赋存在煤储集层中而有别于常规天然气,导致煤层气藏的形成机制和开发原理与常规天然气藏截然不同。围绕煤层气基础地质理论、煤层气聚集规律和煤层气勘探技术方法三方面,重点研究煤层气的生成、成藏理论、成藏条件,总结出我国以高煤阶无烟煤煤层气富集成藏为代表的煤层气聚集规律,同时对目标区预测技术和低渗强化开采的工艺技术进行分析,提出开展煤层气生成及储集层非均质性研究、煤层气富集成藏机制分布规律和高效勘探开发技术机理研究是解决制约我国煤层气工业取得突破的有效途径。参21     

不同煤阶煤层气吸附、解吸特征差异对比

研究煤层气吸附、解吸特征差异，是揭示煤层气成藏机理及高效开发煤层气的基础。高、低煤阶煤层气藏吸附、解吸特征受煤储层物性差异的控制，呈现出显著差别，目前这方面的研究还基本上处于空白。利用煤层气成藏物理模拟及热变模拟实验等手段，研究了高、低煤阶煤层气吸附、解吸特征的根本性差异，并深入剖析了该差异的形成机制。结果显示：高煤阶煤层气藏吸附平衡时间长且较分散，初期相对解吸百分率与相对解吸速率低；低煤阶煤层气藏吸附平衡时间短而集中，初期相对解吸百分率与相对解吸速率高；其化学分子结构、物理结构及显微组分的差异是导致该差异的主要原因。因此，高煤阶煤层气藏解吸效率较低，开发难度较大，低煤阶煤层气藏开发较容易。同时，构造热事件对高煤阶煤储层的改造作用很显著，有助于高煤阶煤层气藏的开发生产。     

煤层气藏勘探开发程序研究

分析了煤层气藏与常规砂岩气藏形成的差异规律和煤层气藏独具的赋存及产出特性。根据国内外煤层气勘探开发理论与实践，结合我国含煤地层沉积构造，提出了系统的有关煤层气勘探开发程序。文中以山西、河南两个地区煤层气勘探为实例，对勘探开发详评程序进行了实际论证。最后强调指出勘探开发程序阶段节奏可以加快，但不能逾越。     

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中国是世界上煤层气资源较为丰富的国家。长期以来，由于对我国煤层气形成地质条件、煤层气富集区的分布规律及其控制因素缺乏系统的认识，导致煤层气勘探成功率低、效益低。文章通过对我国煤层分布、煤变质规律、煤岩吸附性、煤层孔渗特性、煤层含气性及含煤盆地或含煤区地质构造背景等方面的综合研究，阐述了我国煤层气地质特点的复杂性和特殊性，分析了聚煤区不同基底类型含煤盆地的煤层气勘探潜力，认为我国煤层气富集区主要集中在华北地区，指出我国今后若干年的煤层气勘探重点应是华北若干大型煤层气富集区，并以沁水盆地、鄂尔多斯盆地为煤层气勘探的重中之重。     

中国低煤阶煤层气多元成藏特征及勘探方向

我国低煤阶含煤盆地地质背景复杂,煤层气富集成藏具有自身的特殊性,煤层气勘探一直处于小型试验阶段。为了促进我国低煤阶煤层气的勘探开发,在系统分析、总结我国含煤盆地类型、煤层气成因、赋存状态、富集模式的基础上,梳理了目前勘探开发工作面临的挑战与科研攻关目标,并提出低煤阶煤层气的有利勘探方向。结果表明:(1)我国低煤阶煤层气具有盆地类型多元、煤层气成因类型多元、赋存状态多元、富集类型多元的成藏特征;(2)低煤阶煤层气勘探面临目标区优选、深层煤系气共探共采系统评价、钻完井及增产改造工艺等3个方面的挑战;(3)应加强对煤层气成藏过程及动力学机制、气源成因及其资源贡献、吸附态和游离态煤层气空间分布规律及地质控制因素等的研究攻关,开展煤层气资源有效性和可采性评价,形成一套深部煤系气勘探开发评价方法。结论认为:(1)我国浅层煤层气资源有利勘探区包括二连盆地吉尔嘎朗图、霍林河、白彦花等凹陷,海拉尔盆地伊敏、呼和湖、陈旗等凹陷,鄂尔多斯盆地彬县、焦坪、黄陵、乌审旗东部等地区,以及准噶尔盆地南缘地区;(2)深层煤层气资源则主要分布在准噶尔、吐哈、三塘湖、海拉尔和三江等盆地或盆地群。     

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煤层气藏与常规天然气藏相比，在成藏条件、高产富集规律、开采方式等方面都有其独特性。中国石油开展煤层气勘探及相关研究工作10余年，通过对目标区优选及前期抽排试验，证实沁水煤层气田资源丰富。本文就该煤层气田地理环境、资源概况、基本地质特征、开发工艺技术、开发方案优选以及市场需求等进行了论述；通过对沁水煤层气田樊庄区块进行经济评价，得出结论：樊庄区块具有良好的开发前景及经济效益。     

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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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为深入探讨煤对甲烷气体吸附—解吸机理及可逆性,作者从物理化学和界面化学以及现代煤层气吸附理论的角度,并通过系统的煤对甲烷气体吸附—解吸可逆性物化模拟实验,进一步科学地求证了煤对甲烷气体吸附—解吸可逆性问题。根据理论分析和实验成果,明确地提出了：①煤对气体分子的物理吸附特性决定了吸附与解吸的可逆性;②吸附在煤内表面的甲烷分子被解吸需要一定的能量,以摆脱煤表面与甲烷分子之间的范德华力,因此解吸过程会不同程度地滞后于吸附。     

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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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针对不同饱和类型煤层的特点及临界解吸压力在地层压力上升、下降过程中的不同作用，建立了煤层气解吸过程的数学模型。模型能够反映气体解吸的真实情况。利用此数学模型，编制了计算程序，通过实例，计算分析了煤层气解吸的主要机理：超饱和煤层是游离气和气体解吸的累加作用；饱和、欠饱和煤层在开采过程中控制区域内两相区逐渐扩大；欠饱和煤层高于临界解吸压力的区域没有解吸，造成产量低下。     

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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。     

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太原西山煤田是位于沁水盆地西北侧的一个石炭—二叠系煤田，在燕山期发生的岩浆侵入事件在该煤田形成了异常的古地热场，使煤级在短暂地质时限内迅速增高。该煤田煤层经历了两次生气过程，在第二次生烃过程中完成了主要生气历程，构造热事件大大提高了煤层生气量，从而给煤层气的富集创造了有利气源条件；同时中生代地热场具有大地热流量高和瞬时性的特点，形成了大量岩浆诱发成因的煤层割理，提高了煤层的渗透率，使该地区煤层气资源具有很大的勘探潜力。     

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由于煤层气开采过程中,煤体容易变形, 传统的煤层气井各种测试问题的数学模型都假设渗透率为常数，这对于变形介质煤层的压力空间变化和瞬时变化将产生较大误差.通过考虑煤层的双重介质特征和煤层气的吸附特征及介质的变形，引入渗透率模数建立了变形双重介质非稳态渗流模型。渗透率依赖于孔隙压力变化的流动方程是强非线性的，对于双重介质非稳态渗流模型采用正则摄动法和Laplace变换进行求解，并通过拉氏数值反演得到零阶摄动解。对变形参数和双重介质参数变化时压力的变化规律进行了讨论，用新模型绘制的典型压力曲线将得到更加准确的结果，这些结果为煤层气藏开发提供了理论依据和新的试井模型。     

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煤阶是煤层气的生成和煤的吸附能力的重要影响因素之一，对煤层气含量起控制作用。文章根据相关文献中的吸附资料和实测数据，系统探讨了平衡水分下煤的吸附能力与煤阶的关系。指出随煤阶的增高煤的吸附能力先后经历了4个阶段：快速增加阶段（R_o<1.3%）、缓慢增加阶段（R_oo介于1.3%~2.5%）、达到极大值阶段（R_o介于2.5%~4.0%）和降低阶段（R_o>4.0%）。这种变化与煤化作用跃变完全对应，煤化作用控制了煤的孔隙度和表面物理化学性质，进而控制了煤层气的赋存空间和煤的亲甲烷能力。