中國(guó)含煤儲(chǔ)層基礎(chǔ)地質(zhì)研究新進(jìn)展

中國(guó)含煤儲(chǔ)層基礎(chǔ)地質(zhì)研究新進(jìn)展

2011年，中國(guó)的煤炭產(chǎn)量超過(guò)了100億立方米。現(xiàn)在，它是從主要的石油供應(yīng)國(guó)到資源開(kāi)發(fā)和轉(zhuǎn)型的重要階段。國(guó)內(nèi)先前大量的基礎(chǔ)研究工作,為目前時(shí)代的到來(lái)做出了重要貢獻(xiàn)(秦勇,2003,2006;湯達(dá)禎等,2003;宋巖等,2005;秦勇和朱旺喜,2006)。近十年來(lái),我國(guó)煤層氣地質(zhì)研究進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期,以成藏效應(yīng)為核心的基礎(chǔ)地質(zhì)研究深化了關(guān)于煤層氣地質(zhì)特點(diǎn)的基本認(rèn)識(shí),以非均質(zhì)性為核心的煤儲(chǔ)層地質(zhì)研究進(jìn)一步向精細(xì)化方向拓展,以地層能量為核心的勘查地質(zhì)研究有效提高了煤層氣選區(qū)成功率,以產(chǎn)能要素為核心的煤層氣開(kāi)采地質(zhì)研究為研發(fā)適應(yīng)性技術(shù)奠定了基礎(chǔ),信息海量,文獻(xiàn)量巨大。鑒于此,本文僅以煤層氣成藏效應(yīng)為核心,分析與評(píng)述我國(guó)近年來(lái)煤層氣基礎(chǔ)地質(zhì)研究主要進(jìn)展,簡(jiǎn)要討論該領(lǐng)域近期和中期的研究重點(diǎn)及發(fā)展方向。1煤中重?zé)N生物氣的催化作用煤層氣以熱成因?yàn)橹?但其成因的多元化是客觀存在的,如微生物成因、深部氣成因、無(wú)機(jī)質(zhì)催化成因等,是國(guó)際天然氣地質(zhì)界多年來(lái)探討的熱點(diǎn)之一(秦勇,2005)。然而,國(guó)內(nèi)外前期關(guān)于煤層氣生物成因的模擬研究多采用異源菌接種方法,所得認(rèn)識(shí)與地層條件存在差距,難以支撐對(duì)相關(guān)科學(xué)問(wèn)題的深入理解;煤中礦物/金屬元素對(duì)煤層氣生成的催化作用研究尚處于起步階段,爭(zhēng)議頗多,許多科學(xué)問(wèn)題尚未得到澄清;新發(fā)現(xiàn)無(wú)煙煤層中存在的重?zé)N濃度極端異常,用現(xiàn)有理論無(wú)法解釋;低煤級(jí)煤層中次生生物氣及其對(duì)資源的補(bǔ)充效應(yīng),在我國(guó)得到逐步重視。國(guó)內(nèi)近年來(lái)對(duì)此開(kāi)展了較多研究,取得某些新的成果。1.1煤系生物氣的生成機(jī)理:“因菌制菌,如菌株”和“微生物酶”美國(guó)、澳大利亞等十分重視本源菌條件下的煤層生物氣研究,討論深度達(dá)到產(chǎn)甲烷菌基因分析層次(Donaldetal.,2008;Lietal.,2008;Michaeletal.,2008;Steveetal.,2008)。通過(guò)研究,取得了三方面主要認(rèn)識(shí):其一,證實(shí)了煤層中存在活性產(chǎn)甲烷菌,煤層可以作為生物氣生產(chǎn)基質(zhì);其二,對(duì)比已有系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)數(shù)據(jù)庫(kù),確定了含煤地層產(chǎn)甲烷菌的種類和性質(zhì);其三,利用培養(yǎng)得到的活性產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行產(chǎn)氣模擬實(shí)驗(yàn),討論了煤層生物氣產(chǎn)生的過(guò)程和機(jī)理。然而,國(guó)外研究幾乎均是從煤層伴生水中富集培養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌,未見(jiàn)直接從煤中分離培養(yǎng)本源菌的研究成果報(bào)道。國(guó)內(nèi)對(duì)地質(zhì)樣品厭氧菌培養(yǎng)計(jì)數(shù)的研究成果并不鮮見(jiàn),開(kāi)展過(guò)非煤烴源巖本源菌生氣模擬實(shí)驗(yàn)(丁安娜等,1995;夏遵義和白志強(qiáng),2004)。前期的煤層生物氣研究是基于“異源菌”的生氣模擬,利用懸浮接種方法誘導(dǎo)煤層生物氣的生成(李明宅和張輝,1998;劉洪林等,2006a),也進(jìn)行過(guò)褐煤樣品發(fā)酵菌的檢測(cè)計(jì)數(shù)(高玲和宋進(jìn),1998)。2008年以來(lái),啟動(dòng)了基于本源菌的煤層生物氣探討,從褐煤樣品本身富集和擴(kuò)大培養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌群,開(kāi)展了為期130d的褐煤生物氣生成模擬實(shí)驗(yàn),獲得了褐煤生物氣生成過(guò)程中各種厭氧細(xì)菌、微生物酶、中間產(chǎn)物和生物氣地球化學(xué)特征的變化數(shù)據(jù),從本源菌微生物地球化學(xué)角度闡釋了煤層生物氣的形成機(jī)理(王愛(ài)寬,2010)?；诒驹淳芯康暮置簶悠凡勺缘釚|昭通盆地新近系煤層,通過(guò)研究取得如下主要認(rèn)識(shí)(王愛(ài)寬,2010,2012;王愛(ài)寬等,2010,2012):1)發(fā)現(xiàn)褐煤樣品中存在本源活性厭氧細(xì)菌,以厭氧纖維素分解菌為主,硫酸鹽還原菌極少,成功富集到以革蘭氏陽(yáng)性桿菌為主的本源產(chǎn)甲烷菌。本源菌經(jīng)過(guò)適應(yīng)期后,能夠利用褐煤有機(jī)質(zhì)大量生氣。發(fā)現(xiàn)褐煤在本源菌作用下經(jīng)歷了兩個(gè)產(chǎn)氣周期,第一周期為腐殖組產(chǎn)氣,第二周期是惰質(zhì)組、穩(wěn)定組產(chǎn)氣。認(rèn)為褐煤中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量和腐植組含量直接影響生氣潛力,礦物質(zhì)對(duì)生氣量影響明顯;第一周期甲烷生成機(jī)理是乙酸發(fā)酵,第二周期有二氧化碳還原作用參與。2)發(fā)現(xiàn)本源菌作用所生成甲烷的碳、氫同位素均處于次生生物氣正常范圍。碳同位素組成隨生物降解時(shí)間的延長(zhǎng)而變輕,主要受褐煤底物類型和甲烷生成途徑控制,13C1有從原煤向生物氣中遷移的明顯特征,認(rèn)為母源繼承關(guān)系和顯微組分構(gòu)成是造成遷移行為差異的重要原因。發(fā)現(xiàn)在厭氧菌降解作用下,褐煤族組分中飽和烴是微生物降解產(chǎn)物的主要成分,厭氧細(xì)菌對(duì)偶數(shù)碳烷烴的降解能力更強(qiáng),對(duì)正構(gòu)烷烴的降解能力強(qiáng)于對(duì)異構(gòu)烷烴的降解,低碳數(shù)正構(gòu)烷烴受降解的程度高于高碳數(shù)烷烴,降解后期長(zhǎng)鏈烷烴才受到明顯的生物降解作用。3)認(rèn)為褐煤生物氣產(chǎn)出是多種微生物共同作用的結(jié)果。隨著降解活動(dòng)的進(jìn)行,體系中優(yōu)勢(shì)微生物、生物酶發(fā)生改變和更替,引起pH值和揮發(fā)性脂肪酸(VFA)含量變化。在降解初期,發(fā)酵細(xì)菌為優(yōu)勢(shì)菌種,產(chǎn)甲烷菌和輔酶F420活性受到酸性物質(zhì)的抑制。隨后,產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌成為優(yōu)勢(shì)菌種,它們利用發(fā)酵細(xì)菌代謝產(chǎn)物產(chǎn)生乙酸和氫,兩者之間具有食物鏈關(guān)系。輔酶F420活性在靜止期后增長(zhǎng)迅速,并在產(chǎn)氣高峰期達(dá)到最大,體現(xiàn)本源產(chǎn)甲烷菌對(duì)褐煤本身具有良好的適應(yīng)性,是評(píng)價(jià)產(chǎn)氣量高低的有效指標(biāo)。4)通過(guò)改變生氣條件,研究了底物類型、粒度、礦井水和煤矸石對(duì)褐煤生物氣生成的影響。結(jié)果表明,不同配比的酵母浸出液、甲醇和乙酸鈉溶液對(duì)生物氣生成具有抑制或激活作用,較小粒度褐煤有利于提高生氣率,不同比例礦井水的添加能夠有效增加次生生物氣產(chǎn)量,煤矸石本身不能作為基質(zhì)被厭氧菌利用。1.2煤中礦物/元素催化劑催化項(xiàng)目上世紀(jì)80年代以來(lái),學(xué)術(shù)界在肯定天然氣(包括煤層氣)熱成因和微生物成因的同時(shí),在其礦物/元素催化成因方面做了大量探討(Dembieki,1990;高先志等,1990;Hunt,1991;曹慧緹等,1991;李忠,1992;張國(guó)防等,1993;Andresenetal.,1993;Lewan,1993;PriceandSchoel,1995;MangoandHightower,1997;張景廉和張平中,1996)。隨著研究的不斷深入,某些研究者肯定了無(wú)機(jī)質(zhì)催化作用的重要性(Medina,2000;劉文匯,2000;Butalaetal.,2000;Ramaswamy,2002;李術(shù)元等,2002;寧占武等,2004;盧紅選等,2007;肖芝華等,2008),但一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)某些礦物對(duì)天然氣生成起著抑制作用(趙桂瑜等,2005),甚至對(duì)催化作用做出了全盤否定的結(jié)論(Michelsetal.,2002)。同時(shí),前人的研究多局限于單一礦物/元素對(duì)煤層氣形成的催化效應(yīng),對(duì)催化生氣過(guò)程中無(wú)機(jī)質(zhì)之間的相互作用極少考慮。國(guó)內(nèi)近年來(lái)以黔西—滇東地區(qū)上二疊統(tǒng)煤層為對(duì)象,就此方向的現(xiàn)存科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了模擬研究。選擇煤級(jí)相對(duì)較低、含豐富過(guò)渡金屬元素且灰分產(chǎn)率較低的貴州水城大河邊礦11號(hào)煤層的氣煤樣品作為模擬實(shí)驗(yàn)原樣,添加化學(xué)純金屬鉬粉、天然黃鐵礦單體礦粉構(gòu)成4個(gè)系列的模擬實(shí)驗(yàn)樣品,采用黃金管-高壓釜模擬裝置在兩種不同升溫速率條件下開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn),增進(jìn)了對(duì)鉬和黃鐵礦促進(jìn)(正催化作用)或抑制(反催化作用)有機(jī)質(zhì)生烴現(xiàn)象的了解,討論了其催化作用機(jī)理(吳艷艷等,2009;吳艷艷,2011;吳艷艷等,2012a,b):1)發(fā)現(xiàn)黃鐵礦對(duì)甲烷生成具有顯著的促進(jìn)作用;同時(shí)添加黃鐵礦和鉬時(shí),模擬氣含有更多數(shù)量的重?zé)N氣,并有利于烯烴的產(chǎn)出;鉬的添加顯著促進(jìn)了C7—C14的生成,但同時(shí)添加黃鐵礦則會(huì)使C7—C14產(chǎn)率降低;黃鐵礦和鉬的加入,影響到芳烴的產(chǎn)率高峰;較高的過(guò)渡金屬單質(zhì)含量對(duì)煤本身含有的硫元素轉(zhuǎn)化為硫化氫氣體有抑制作用。在中-高溫度范圍內(nèi),催化劑對(duì)有機(jī)質(zhì)生烴具有催化作用,升溫條件能明顯影響黃鐵礦對(duì)芳烴、飽和烴和瀝青質(zhì)的催化效應(yīng),反映古地溫場(chǎng)條件是催化生烴的一個(gè)重要影響因素。2)發(fā)現(xiàn)催化生烴過(guò)程中烴氣碳同位素呈規(guī)律性演化。大河邊氣煤樣品模擬氣甲烷碳同位素組成變化范圍與華南煤層氣的分布范圍一致(秦勇等,1998),指示煤層氣催化成因可能具有普遍意義。黃鐵礦與鉬的添加導(dǎo)致甲烷碳同位素組成明顯偏重。隨模擬溫度增加,甲烷同位素經(jīng)歷了先變輕再變重的過(guò)程,4個(gè)系列樣品均表現(xiàn)出Pr/nC17,Ph/nC18和Pr/Ph比值降低的共同特征。同一模擬溫度段產(chǎn)生的甲烷及其同系物,具有δ13C1<δ13C2<δ13C3的特征。3)分析了煤中礦物/金屬元素催化生烴的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,建立了由礦物/元素地球化學(xué)和油氣地球化學(xué)指標(biāo)構(gòu)成的催化成因煤層氣判識(shí)模式。計(jì)算了催化生氣過(guò)程中甲烷及總氣態(tài)烴生成的動(dòng)力學(xué)參數(shù),發(fā)現(xiàn)原煤添加礦物/金屬元素可降低生氣所需要的反應(yīng)活化能,從而對(duì)甲烷生成起到催化作用。結(jié)合黔西—滇東上二疊統(tǒng)煤層埋藏受熱史,估算了煤在不同地質(zhì)時(shí)期的催化產(chǎn)氣率。1.3煤體重?zé)N形成機(jī)理探討黔西織納煤田某些向斜的無(wú)煙煤層中重?zé)N氣濃度極端異常,前人關(guān)于煤層重?zé)N氣成因的各種學(xué)說(shuō)或假說(shuō),如煤巖組分控制論、生烴階段控制論、煤層氣運(yùn)移分餾論、油型氣混入論、地幔氣混入論、水-巖作用費(fèi)托合成(FTT)論等,對(duì)其地質(zhì)成因均無(wú)法解釋。為此,國(guó)內(nèi)研究者近年來(lái)從煤地質(zhì)學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、油氣地球化學(xué)等方面對(duì)此進(jìn)行考察。其中,對(duì)區(qū)內(nèi)鉆孔和礦井煤樣煤層氣解吸按自然、常溫、加熱、粉碎加熱四大階段密集采收氣樣,開(kāi)展常規(guī)和稀有氣體組分以及烴氣單體、二氧化碳、稀有氣體同位素檢測(cè)。分析初步資料,結(jié)合煤化作用史以及含煤地層脈體包裹體分析,就織納煤田煤層重?zé)N異常成因形成了全新認(rèn)識(shí)(秦勇等,2012(1))。研究發(fā)現(xiàn),隨解吸過(guò)程的逐漸進(jìn)行,烴氣(包括重?zé)N)濃度顯著增高,重?zé)N氣主要產(chǎn)出在加熱解吸和粉碎加熱解吸階段,尤其是在粉碎加熱階段重?zé)N濃度急劇增高。煤中存在大量呈“孤立”形式產(chǎn)出的死孔或封閉孔,一般占總孔容的60%以上,在高煤級(jí)階段隨煤化程度的增高而急劇增高,到無(wú)煙煤階段可達(dá)80%以上(Alexeevetal.,1999)。在粉碎之前的自然解吸、常溫解吸和加熱解吸階段,所解吸的煤層氣應(yīng)全部來(lái)自“開(kāi)放”連通孔隙,粉碎后解吸的煤層氣則來(lái)自于互不連通的“死孔”。為此,重?zé)N氣濃度在粉碎加熱階段急劇增高的解吸事實(shí)揭示,織納煤田煤層重?zé)N主要賦存于煤中極微孔和死孔,是煤化作用定型或生氣作用結(jié)束之前的產(chǎn)物。那么,織納煤田的煤層重?zé)N有無(wú)可能來(lái)自于深部無(wú)機(jī)成因?在天然氣中,氬氣往往來(lái)自于地殼深部,是煤層經(jīng)受巖漿期后熱液作用的標(biāo)志。氣體組分檢測(cè)結(jié)果顯示,織納煤樣解吸過(guò)程中,氬氣濃度與重?zé)N濃度的變化趨勢(shì)截然相反,指示氬氣與重?zé)N之間沒(méi)有必然的成因聯(lián)系,煤層重?zé)N并非來(lái)源于深部氣。煤層中的氮?dú)舛鄟?lái)自大氣,是煤層氣風(fēng)化作用的標(biāo)志。織納煤樣解吸過(guò)程中氮?dú)鉂舛蕊@著降低、二氧化碳濃度變化不大、加熱和粉碎解吸階段氮?dú)鉂舛容^低,煤層甲烷碳?xì)渫凰亟M成大部分落在有機(jī)成因氣范疇。也就是說(shuō),織納煤田煤層重?zé)N形成于煤中有機(jī)質(zhì)的降解生氣,煤樣也基本上沒(méi)有受到風(fēng)化作用的影響?？椉{煤田含煤地層碳酸鹽巖脈體包裹體形成于兩個(gè)地質(zhì)時(shí)期。第一期為原位注入,發(fā)生在深成變質(zhì)作用階段,包裹體重?zé)N氣(C1—C4)濃度達(dá)到20.73%~49.70%,甲烷碳同位素為-32.9‰~-35.1‰,一方面指示煤層重?zé)N形成于生烴高峰期結(jié)束之前,另一方面表明煤層氣具有有機(jī)成因,同時(shí)也指示碳酸鹽巖包裹體“保護(hù)”了重?zé)N免受地質(zhì)歷史中較高地層古溫度的影響。第二期脈體包裹體的形成溫度和鹽度與含煤地層條件不相匹配,其形成與含煤地層下部深部流體有關(guān)。分析認(rèn)為,與碳酸鹽巖包裹體類似,煤中有機(jī)孔隙(極微孔和死孔)的封閉性可能對(duì)烴類具有極強(qiáng)的“保護(hù)”作用,導(dǎo)致這部分烴氣演化滯后,這就是織納煤田煤層重?zé)N氣在形成無(wú)煙煤的較高古地溫作用下仍未完全裂解而保存下來(lái)的重要原因。由此,研究者提出了無(wú)煙煤層高濃度“重?zé)N異常有機(jī)質(zhì)死孔保護(hù)效應(yīng)”的假說(shuō)。認(rèn)為其機(jī)理在于兩個(gè)方面:一是封閉孔隙中較高的微環(huán)境壓力阻礙重?zé)N發(fā)生裂解反應(yīng),使得重?zé)N在較高地層溫度條件下得以保存;二是煤中封閉空間阻隔了重?zé)N與外界的物質(zhì)交換,重?zé)N氣沒(méi)有受到稀釋,依然保持著較高的濃度及原生成因信息。1.4不同地區(qū)采動(dòng)覆巖油氣資源潛力及成因分析我國(guó)低煤級(jí)煤層氣資源量巨大,約占全國(guó)煤層氣資源總量的50%左右,主要分布在西北和內(nèi)蒙古東部的中生代盆地(車長(zhǎng)波等,2008)。低煤級(jí)煤層熱成因氣量普遍較低,確定其次生生物氣及其氣源補(bǔ)充特征,成為我國(guó)近年來(lái)煤層氣成因研究的一個(gè)重要內(nèi)容。通過(guò)研究,形成了一些有價(jià)值的研究成果。如:生物氣生成的溫度區(qū)間主要為25~65℃,pH值最佳區(qū)間為6.8~7.8(蘇現(xiàn)波等,2011);流體介質(zhì)含鹽度小于400mg/L時(shí)產(chǎn)甲烷菌最活躍,鉀、鈉離子總量在300~600mg/L時(shí)可促進(jìn)厭氧細(xì)菌繁殖(李本亮等,2003);產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)需要有足夠的孔隙空間,較活躍的地水動(dòng)力條件是煤層生物氣生成的重要條件之一(王勃等,2008;劉洪林等,2008);產(chǎn)甲烷菌通過(guò)地表水帶入地層,煤層生物氣生成需要具備高滲透的特點(diǎn)(王愛(ài)寬和秦勇,2010)。阜新盆地是我國(guó)東北較有代表性的一個(gè)小型低煤級(jí)煤盆地,煤層氣地面商業(yè)化開(kāi)采已有十年歷史。盆地內(nèi)煤層氣表現(xiàn)為干氣性質(zhì),甲烷碳同位素組成偏輕,在-58.00‰~-44.70‰之間;晚中生代孫家灣期盆地整體隆升,原生生物氣大多散失;成煤后發(fā)育兩期巖漿活動(dòng),現(xiàn)今保存的次生生物氣、二次熱成因生氣共同彌補(bǔ)了煤層深成熱解氣源的不足(朱志敏等,2007)。盆地內(nèi)構(gòu)造斷裂和采煤活動(dòng)中產(chǎn)生的采動(dòng)斷裂構(gòu)成復(fù)雜的斷裂網(wǎng)絡(luò),隨著煤炭資源的開(kāi)采,煤層氣原始平衡狀態(tài)不斷被打破,解吸的氣體通過(guò)斷裂網(wǎng)絡(luò)發(fā)生新的運(yùn)移和匯聚,形成人工干擾意義上的“次生混合氣藏”,為煤層氣生產(chǎn)創(chuàng)造了條件(張鐵剛等,2007)。鄂爾多斯盆地東北緣的保德地區(qū)是我國(guó)目前低煤級(jí)煤層氣勘探效果相對(duì)較好的區(qū)塊之一,煤層巨厚,含氣量低—中等,煤層氣成因尚未形成系統(tǒng)認(rèn)識(shí),影響到對(duì)區(qū)內(nèi)煤層氣資源潛力的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。田文廣等(2012a)基于煤層氣化學(xué)組分和穩(wěn)定同位素測(cè)試結(jié)果,對(duì)該區(qū)煤層氣成因進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示,該區(qū)煤層氣組分以甲烷為主,重?zé)N濃度極低;甲烷碳同位素組成明顯偏輕,部分樣品甲烷碳、氫同位素組成落入熱成因與二氧化碳還原生物氣的過(guò)渡區(qū)間;二氧化碳碳同位素組成相對(duì)較重,且與甲烷碳同位素組成之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。區(qū)內(nèi)含煤地層地下水活躍,煤層產(chǎn)出水具有低礦化度的特點(diǎn),富含鈣、鎂、碳酸氫根離子,貧硫酸根離子,pH值一般在7.3~7.8之間,地層溫度一般為30~35℃,煤層孔隙度較高,滲透性好。分析認(rèn)為,該區(qū)煤層氣具有混合成因,以熱成因氣為主,兼具生物成因氣的特征,生物甲烷形成于二氧化碳還原途徑,煤層水的地球化學(xué)和動(dòng)力條件以及煤層孔滲條件有利于產(chǎn)甲烷菌的大量繁殖。準(zhǔn)噶爾盆地廣泛發(fā)育低煤級(jí)煤層,煤層氣資源豐富。其中,準(zhǔn)南地區(qū)煤層分布穩(wěn)定,厚度大,埋深適中,含氣性較好,但近年來(lái)的煤層氣勘探卻不甚理想。孫欽平等(2012)認(rèn)為,對(duì)煤層氣富集主控因素認(rèn)識(shí)不足,是造成該區(qū)這種勘探現(xiàn)狀的一個(gè)主要原因。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),準(zhǔn)南地區(qū)煤層吸附能力較強(qiáng),含氣量較高;煤層氣以甲烷占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),甲烷碳同位素在-41.9‰~-64.6‰之間,組成偏輕,顯示出生物成因氣的特點(diǎn)(王靜等,2008);地層含水性較好,地下水為NaHCO3類型,礦化度為100~400mg/L,可能有利于產(chǎn)甲烷菌的繁盛和生物氣的生成。認(rèn)為準(zhǔn)南地區(qū)水文條件較好,有煤層次生生物氣及深部熱解氣的補(bǔ)充,氣源充足,富集條件好。2煤層地質(zhì)條件決定煤層含氣性、滲流物質(zhì)和含氣性基于傳統(tǒng)地質(zhì)理論,煤層氣成藏效應(yīng)在宏觀上受控于沉積、構(gòu)造、地?zé)釄?chǎng)、水文條件等地質(zhì)要素,微觀上與煤層的物質(zhì)組成、物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)密切相關(guān),兩方面因素及其地質(zhì)選擇過(guò)程共同控制著煤層的含氣性、滲透性、儲(chǔ)層能量和可采性。這些因素,在三維空間上表現(xiàn)為煤層氣成藏的靜態(tài)特征,在地質(zhì)歷史上表現(xiàn)為成藏的動(dòng)態(tài)過(guò)程,在地質(zhì)選擇過(guò)程中體現(xiàn)為不同關(guān)鍵要素之間的相互匹配關(guān)系。2.1煤-巖-氣條件開(kāi)發(fā)成藏潛力構(gòu)造樣式及區(qū)域構(gòu)造格架是控制煤層氣成藏效應(yīng)的根本要素。不同層次的構(gòu)造對(duì)煤層氣成藏特點(diǎn)具有不同的控制作用:就盆地層次而言,區(qū)域構(gòu)造背景是控制煤層氣聚集區(qū)帶形成和分布的根本要素;就盆內(nèi)次級(jí)構(gòu)造層次而言,不同構(gòu)造樣式是控制煤層氣賦存富集的主導(dǎo)因素;從儲(chǔ)層層次來(lái)看,構(gòu)造通過(guò)對(duì)煤層孔隙-裂隙系統(tǒng)的影響控制了煤層滲透率及其非均質(zhì)特性(方愛(ài)民等,2005;琚宜文等,2011)。含煤地層多賦存于向斜構(gòu)造,向斜中地下水具有向心流動(dòng)的機(jī)制,這種基本機(jī)制與煤層氣向上逸散的特性相耦合,決定了煤層氣往往在盆地斜坡帶、大型向斜翼部以及小型次級(jí)向斜的軸部富集(李貴中等,2005)。擠壓應(yīng)力場(chǎng)作用下,強(qiáng)變形帶中心及其附近局部形成糜棱煤,較大范圍內(nèi)形成脆性變形系列構(gòu)造煤的地區(qū)是煤層氣勘采有利區(qū)帶,拉張構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)條件下的大部分區(qū)域內(nèi)有利于形成煤層裂隙而易造成煤層氣散失,剪切構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)條件下煤層的賦存狀態(tài)、煤體結(jié)構(gòu)和物性都存在一定的差異(姜波等,2005)。在黑龍江雞西盆地,二級(jí)凹陷構(gòu)造單元、逆沖斷裂及其衍生的入字形褶曲有利于煤層氣富集(歷艷君,2010)。沉積作用通過(guò)聚煤特征、含煤巖系的巖性、巖相組成及其空間組合在一定程度上控制著煤層氣的保存條件(秦勇等,2000)。沁水盆地蓋層與煤層含氣量的關(guān)系顯示,厚度大、泥質(zhì)含量高、突破壓力高和有一定埋深的蓋層,有利于煤層氣保存(洪峰等,2005)。鄂爾多斯盆地東南緣大寧—吉縣地區(qū)下二疊統(tǒng)山西組煤層頂?shù)装宓膸r性與厚度變化大,造成煤層氣富集的影響因素較為復(fù)雜,三角洲背景下形成的煤層其滲透性發(fā)育相對(duì)較好(孫欽平等,2006)。河北省太行山東麓石炭—二疊系中形成于三角洲環(huán)境的含煤地層,為煤層氣的生成、儲(chǔ)集、封蓋、運(yùn)移提供了較好條件(陳莉等,2009)。鄂爾多斯盆地西南部彬長(zhǎng)地區(qū)中侏羅統(tǒng)厚煤層形成于基準(zhǔn)面上升旋回的末端,不同沉積相帶和沉積微相對(duì)煤層發(fā)育控制特征有所不同,以泥巖為頂?shù)装宓暮衩簩訛槊簩託飧患峁┝擞欣麠l件(鄧春苗等,2011)。煤級(jí)高低是影響煤層氣成藏特征和開(kāi)發(fā)潛力的重要因素。趙群等(2007)、王勃等(2008)和甘華軍等(2010)分析了高、低煤級(jí)煤層氣成藏的差異性,認(rèn)為它們各有其特點(diǎn)和主要控制因素,需采用不同的技術(shù)方法進(jìn)行勘探開(kāi)發(fā)。傅小康等(2006)認(rèn)為,影響低煤級(jí)煤層氣富集的關(guān)鍵因素是封堵,這種封堵可以是構(gòu)造、巖性成因的,也可能由水動(dòng)力所形成,由此進(jìn)一步提出了5種低煤級(jí)煤層氣富集模式。高煤級(jí)煤層氣解吸效率較低,開(kāi)發(fā)難度較大,低煤級(jí)煤層氣開(kāi)發(fā)相對(duì)容易,構(gòu)造熱事件對(duì)高煤級(jí)煤層的改造有助于煤層氣開(kāi)發(fā)(陳振宏等,2008)。重慶地區(qū)上二疊統(tǒng)煤化作用以深成變質(zhì)作用為主,煤級(jí)達(dá)到焦煤—無(wú)煙煤,吸附能力強(qiáng),是造成該區(qū)煤層含氣量高的重要原因(楊明顯等,2011)?；幢迸P龍湖井田巖漿侵入體附近煤的吸附性和甲烷放散初速度較低,含氣量較高(Jiangetal.,2011)。遼寧阜新盆地王營(yíng)—?jiǎng)⒓揖镙x綠巖墻的侵入,促使煤層大量二次生氣,也使阜新組底部油頁(yè)巖成熟生氣,結(jié)果是不僅存在煤層吸附氣,還存在大量的游離氣,使得天然焦分布帶成為該區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)的首選目標(biāo)區(qū)(雷懷玉等,2010)。含煤地層水文地質(zhì)特征涉及煤層氣保存條件,往往也是煤儲(chǔ)層能量的重要來(lái)源。甲烷在地下水中具有一定溶解性,流動(dòng)的地下水不斷帶走溶解氣而導(dǎo)致煤層氣逸失,存在煤層氣的滯留水控制作用(秦勝飛等,2005)。重慶瀝鼻峽礦區(qū)中-深部煤層氣由于底板水網(wǎng)絡(luò)封閉作用而富集,上部逆斷層的斷層水對(duì)煤層氣具有壓力封堵作用(李志強(qiáng)等,2008)。鄂爾多斯盆地西南部彬長(zhǎng)礦區(qū)中侏羅統(tǒng)延安組含水層與其他含水層之間不具明顯水力聯(lián)系,地下水來(lái)源于區(qū)外側(cè)向徑流補(bǔ)給,水勢(shì)低洼的東南部是煤層氣富集區(qū)(田沖等,2012)。在鄂爾多斯盆地東緣,中部的柳林泉以西、中南部的北段及西南部的韓城地區(qū)西北段的地下水動(dòng)力條件有利于煤層氣保存(姜波等,2012);三交地區(qū)以北的山西組水動(dòng)力強(qiáng)于太原組,三交—吉縣地區(qū)太原組水動(dòng)力強(qiáng)于山西組,導(dǎo)致前者地區(qū)山西組煤層含氣量低于太原組,后者地區(qū)則相反(田文廣等,2012b)。高、低煤級(jí)煤層氣成藏的地下水化學(xué)特征存在一定差異,高礦化度有利于高煤級(jí)煤層氣保存;類比美國(guó)粉河盆地情況,活躍的低礦化度地層水有利于次生生物氣的生成,是低煤級(jí)煤層氣富集的有利條件(劉洪林等,2006a;王勃等,2007;吳鮮等,2011)。2.2氣藏成藏模式煤層氣成藏的前提是煤層氣富集,宏觀上受沉積埋藏史、構(gòu)造演化史、煤化作用史、地下水活動(dòng)史和有機(jī)質(zhì)生氣史“五史”配置關(guān)系的控制,實(shí)質(zhì)上是構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、熱力場(chǎng)、流體化學(xué)場(chǎng)、流體動(dòng)力場(chǎng)“四場(chǎng)”互動(dòng)的過(guò)程。配置關(guān)系的地質(zhì)選擇過(guò)程不同,成藏宏觀動(dòng)力學(xué)機(jī)制存在極大差異,必然形成不同的煤層氣成藏效應(yīng)。我國(guó)晚古生代以來(lái)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)含煤盆地的多期疊加與改造,導(dǎo)致煤層氣成藏條件異常復(fù)雜(秦勇,2003)。我國(guó)學(xué)者在此方面開(kāi)展了持續(xù)不懈的研究探討。從大地構(gòu)造背景及其演化歷史分析,劃分出5種聚煤盆地類型和9種改造盆地類型,進(jìn)而采用“聚煤盆地原型+改造類型”雙層次分類的原則,將我國(guó)64個(gè)煤層氣盆地劃分為23種盆地組合類型(趙靖舟等,2008;宋立軍和趙靖舟,2009)?；谖鞅钡貐^(qū)構(gòu)造背景及其演化,認(rèn)為鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾盆地南緣、吐哈盆地南部等有利于煤層氣開(kāi)發(fā),其它區(qū)(如塔里木盆地等)因多期構(gòu)造破壞而導(dǎo)致地質(zhì)條件過(guò)于復(fù)雜,對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)不利(周鐵金和姚艷斌,2006)。在區(qū)塊尺度上,認(rèn)為沁水盆地樊莊區(qū)塊存在原生型、調(diào)整型和改造型三類煤層氣成藏模式,改造型又分為原生改造型和調(diào)整改造型,不同成因的氣藏宜采用相應(yīng)的勘探開(kāi)發(fā)策略(梁宏斌等,2012)。認(rèn)為韓城地區(qū)整體上為一單斜式煤層氣成藏模式,聚煤作用和后期沉積對(duì)煤層氣藏的形成演化非常有利,3號(hào)煤層的煤層氣成藏及開(kāi)發(fā)條件優(yōu)于11號(hào)煤層(張培河,2008)。構(gòu)造抬升對(duì)煤層滲透性和吸附性具有重要影響。構(gòu)造抬升使地層壓力降低,高煤級(jí)煤層裂縫開(kāi)啟,滲透率顯著增強(qiáng),但造成氣體大量散失,對(duì)煤層氣富集不利;低煤級(jí)煤層物性受構(gòu)造抬升的影響較弱,地層壓力降低導(dǎo)致煤層氣運(yùn)移速率增大,對(duì)煤層氣開(kāi)采有利(陳振宏等,2007)。構(gòu)造抬升過(guò)程中,若溫度作用占主導(dǎo)地位則煤的吸附量增加,若壓力作用占主導(dǎo)地位則吸附量減少,高煤級(jí)煤吸附量的變化大于低煤級(jí)煤吸附變量;抬升過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)煤層氣的吸附或解吸,當(dāng)溫度作用效果大于壓力作用效果時(shí),抬升作用易導(dǎo)致煤儲(chǔ)層含氣欠飽和(馬行陟等,2012)。熱歷史和生烴歷史是煤層氣成藏過(guò)程的一個(gè)重要方面。根據(jù)包裹體熱力學(xué)特征和產(chǎn)狀,劃分了鄂爾多斯盆地東緣柳林地區(qū)山西組和太原組古流體類型;結(jié)合盆地?zé)崾贩治?認(rèn)為第一期烴類注入發(fā)生在中-晚三疊世,第二期烴類注入發(fā)生在早白堊世,后者氣態(tài)烴包裹體數(shù)量多,生烴強(qiáng)度大,是本區(qū)主要的生烴階段(李勇等,2012)。豫西滎鞏煤田谷山井田燕山期異常熱事件作用下發(fā)生的二次生烴,奠定了煤層高含氣量的基礎(chǔ);喜山早期地殼不斷隆升,淺部煤層氣在地下水作用下向深部運(yùn)移聚集,地下水動(dòng)力條件控制著該期煤層氣的運(yùn)移富集;新近紀(jì)滑動(dòng)構(gòu)造使煤體破壞嚴(yán)重,儲(chǔ)層滲透性降低,但阻止了煤層氣擴(kuò)散,有利于富集(林曉英等,2008)。煤體結(jié)構(gòu)是煤層氣成藏過(guò)程的產(chǎn)物,構(gòu)造煤制約著我國(guó)許多地區(qū)煤層氣的低成本高效開(kāi)發(fā)。通過(guò)高溫高壓變形實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)鏡質(zhì)組反射率光性異常是構(gòu)造煤化學(xué)結(jié)構(gòu)演化在物理性質(zhì)上的具體體現(xiàn),不同類型構(gòu)造煤由于物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)上的不同,導(dǎo)致煤層含氣量和滲透性出現(xiàn)重大差異(姜波等,2009)。構(gòu)造煤形成的應(yīng)力-應(yīng)變環(huán)境分為脆性碎裂變形、韌性變形和剪切變形三類,弱和中等脆性碎裂變形作用對(duì)煤芳香結(jié)構(gòu)單元影響不大,韌性和剪切變形過(guò)程中溫度作用有利于煤中雜原子團(tuán)脫除和芳環(huán)生長(zhǎng),定向應(yīng)力有助于煤中分子結(jié)構(gòu)有序化,均可促進(jìn)芳香結(jié)構(gòu)單元發(fā)生變化(屈爭(zhēng)輝等,2012)。發(fā)現(xiàn)黔西青龍礦壓性斷層附近的構(gòu)造煤具有分帶現(xiàn)象,自斷層面向外,構(gòu)造煤從韌性系列向脆性系列過(guò)渡,認(rèn)為構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)在時(shí)間上的耦合形成脆性-韌性變形構(gòu)造煤,在空間上耦合導(dǎo)致了構(gòu)造煤發(fā)育的分帶性(汪吉林等,2009)。完整地再現(xiàn)煤層氣成藏過(guò)程,必須借助于數(shù)值模擬手段。在前期基礎(chǔ)上,近年來(lái)進(jìn)一步建立了多煤層煤層氣擴(kuò)散逸失模型,就沁水盆地進(jìn)行實(shí)例研究,定量刻畫了未知區(qū)山西組煤層含氣性、儲(chǔ)層壓力等在時(shí)空上的分階段演化特征(韋重韜和周榮福,2003;韋重韜等,2004)。同時(shí),進(jìn)一步將模擬技術(shù)應(yīng)用到華北晚古生代盆地其他區(qū)域,發(fā)現(xiàn)淮北宿南向斜煤層氣成藏過(guò)程經(jīng)歷了低水平聚集的第一階段和第二階段、大量聚集且散失作用較強(qiáng)的第三階段、以散失作用為主的第四階段(韋重韜等,2007);柳林區(qū)塊晚侏羅世至早白堊世的高峰階段和晚白堊世至今的散失階段奠定了區(qū)內(nèi)煤層氣分布格局,西南部有利于煤層氣聚集(郭建等,2008)。總結(jié)了華北晚古生代殘留盆地煤層氣成藏演化歷程,劃分出活躍、微弱和過(guò)渡三種煤層氣成藏類型,認(rèn)為活躍和過(guò)渡類型具有較好的勘探開(kāi)發(fā)前景(韋重韜等,2008)。最近,進(jìn)一步開(kāi)發(fā)成功多層疊置含煤層氣系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)西南地區(qū)上二疊統(tǒng)煤層氣成藏過(guò)程的數(shù)值模擬(曹佳等,2012)。2.3油氣成藏控制因素煤層氣成藏效應(yīng)受控于諸多宏觀地質(zhì)因素。一般而言,構(gòu)造控制貫穿著整個(gè)煤層氣成藏過(guò)程,其他因素則往往在某一特定成藏階段起著主導(dǎo)作用,不同地區(qū)相同成藏階段往往存在不同的控制因素組合。例如,宋巖等(2007,2009)認(rèn)為,保存階段是成藏的關(guān)鍵,構(gòu)造演化和水動(dòng)力條件是中國(guó)煤層氣保存的兩大關(guān)鍵地質(zhì)因素。開(kāi)平向斜趙各莊井田、鄂爾多斯盆地東南緣延川南區(qū)塊的煤層氣賦存特征,可能服從這一控制規(guī)律(王懷勐等,2011;張可銘等,2011)。再如,我國(guó)低煤級(jí)盆地一般只經(jīng)歷了一個(gè)沉降—抬升旋回,地下水動(dòng)力對(duì)煤層氣富集格局的調(diào)整和改造起到?jīng)Q定性作用(陳振宏和宋巖,2007;王勃等,2008);黑龍江依蘭褐煤礦區(qū)煤層厚度較大,頂板發(fā)育的巨厚油頁(yè)巖為煤層氣保存創(chuàng)造了條件(王春蓮,2011)。構(gòu)造動(dòng)力條件涵蓋諸多要素,如構(gòu)造演化、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、構(gòu)造分異、煤層變形等。對(duì)于沁水盆地,燕山期是控制煤層氣成藏效應(yīng)的關(guān)鍵時(shí)期,奠定了盆地煤層氣賦存規(guī)律的總體格局;構(gòu)造動(dòng)力通過(guò)煤層改造程度對(duì)煤儲(chǔ)層滲透性發(fā)育特點(diǎn)的控制,使得中等程度的構(gòu)造主曲率可能提供最有利于煤層氣滲流的構(gòu)造條件,導(dǎo)致現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)主應(yīng)力差決定著煤層滲透率的發(fā)育特征(秦勇等,2008,2012a)。林曉英和蘇現(xiàn)波(2007)在強(qiáng)調(diào)煤層生氣歷史的同時(shí),認(rèn)為煤層頂?shù)装鍘r性、邊界斷層、地下水動(dòng)力條件是控制沁水盆地南部煤層氣富集高產(chǎn)的直接因素。進(jìn)一步分析,沁水盆地可劃分為6種煤層氣富集類型,每個(gè)類型煤層氣有利富集區(qū)分別顯現(xiàn)出不同的地質(zhì)主控因素特征(閆寶珍等,2008)。王生維等(2008)通過(guò)煤層氣井壓裂效果的礦井觀測(cè),結(jié)合地應(yīng)力場(chǎng)分析,認(rèn)為構(gòu)造控制之下的煤層大裂隙系統(tǒng)對(duì)沁水盆地南部晉城地區(qū)煤層氣封閉保存條件具有至關(guān)重要的影響。左銀卿等(2011)總結(jié)沁水盆地南部煤層氣開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)地下水滯留區(qū)的構(gòu)造翼部是煤層氣富集高產(chǎn)的有利區(qū)域。鄂爾多斯盆地東緣大寧—吉縣地區(qū)煤層氣富集規(guī)律主要受沉積環(huán)境、煤層滲透性、現(xiàn)今地應(yīng)力以及水動(dòng)力環(huán)境等的影響,間灣沼澤相、構(gòu)造寬緩部位以及地應(yīng)力低值區(qū)最有利于煤層氣富集(李五忠等,2011)。晉北寧武盆地南部的煤層氣富集受構(gòu)造部位、應(yīng)力場(chǎng)及煤層頂?shù)装宸忾]條件控制,構(gòu)造上斜坡帶煤層氣富集高產(chǎn),構(gòu)造應(yīng)力低值區(qū)煤層滲透性好(田文廣等,2010)。在遼寧省鐵法盆地,煤層埋深以及后期巖漿侵入是影響本區(qū)煤層含氣量的主要因素(彭金寧和傅雪海,2007)。黔西織納煤田少普井田體現(xiàn)出褶皺控氣的特點(diǎn),煤層含氣量受煤層厚度和煤層埋深的影響比較明顯,地下水條件對(duì)煤層氣也具有良好的封閉作用,井田中部構(gòu)造發(fā)育、煤層厚度大、埋藏深度大、地下水動(dòng)力弱的地段有利于煤層氣富集(王聰?shù)?2011)。劉洪林等(2007)從甲烷風(fēng)化帶這一獨(dú)特角度,論證了我國(guó)低煤級(jí)地區(qū)煤層氣成藏的特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)我國(guó)西北地區(qū)煤層甲烷風(fēng)化帶遠(yuǎn)遠(yuǎn)深于美國(guó)粉河盆地,認(rèn)為水文地質(zhì)條件是最重要的控制條件之一,導(dǎo)致中美兩國(guó)在低煤級(jí)煤層氣富集成藏方面的巨大差異,我國(guó)西北地區(qū)煤層氣開(kāi)發(fā)潛力總體上小于美國(guó)粉河盆地。吐哈盆地南緣沙爾湖洼陷中侏羅統(tǒng)西山窯組發(fā)育巨厚煤層,具備形成煤層生物氣的地質(zhì)條件,洼陷斜坡下傾部位易形成較高飽和度的煤層氣藏(楊珍祥和李巧梅,2008)。在鄂爾多斯盆地西部黃陵礦區(qū),煤層氣富集主要受煤層發(fā)育特征與深部地層水動(dòng)力條件的控制(鄭貴強(qiáng)等,2009)。內(nèi)蒙東部的海拉爾盆地和霍林河盆地內(nèi)部次級(jí)凹陷與隆起決定著煤層的發(fā)育位置和埋藏深度,基底整體抬升決定了甲烷風(fēng)化帶的位置,煤層厚度和埋藏深度較大、頂?shù)装鍘r性為泥巖的地帶有利于煤層氣成藏(孫斌等,2007;韓兵等,2012)。3煤層彈性能量場(chǎng)與氣藏作藏動(dòng)力關(guān)系研究含煤層氣系統(tǒng)是一個(gè)能量動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng),成藏過(guò)程是一個(gè)流體壓力系統(tǒng)逐漸調(diào)整的地質(zhì)選擇過(guò)程,宏觀上受控于應(yīng)力場(chǎng)、地溫場(chǎng)、地下水動(dòng)力場(chǎng)等外能因素,微觀上與儲(chǔ)層彈性能量場(chǎng)這一內(nèi)能因素密切相關(guān)。換言之,煤層彈性能量場(chǎng)是聯(lián)結(jié)宏觀動(dòng)力學(xué)因素與煤層氣成藏效應(yīng)的紐帶(秦勇和朱旺喜,2006)。然而,傳統(tǒng)思維是直接采用宏觀動(dòng)力學(xué)因素來(lái)分析煤層氣成藏效應(yīng),忽視了煤層彈性能量場(chǎng)這一“中間環(huán)節(jié)”以及煤儲(chǔ)層這一成藏載體,導(dǎo)致煤層氣成藏動(dòng)力學(xué)研究難以深入開(kāi)展?；谶@一新的思維,我國(guó)近年來(lái)進(jìn)一步探討了煤層氣成藏效應(yīng)的內(nèi)涵特征,建立了煤層彈性能的表征模型,分析了彈性能與煤層氣成藏效應(yīng)之間的因果關(guān)系。由此,進(jìn)一步向多煤層疊置和深部煤層氣成藏效應(yīng)等方面拓展,取得了更為深入的新認(rèn)識(shí)。3.1氣-水-氣耦合分析方法研究煤儲(chǔ)層是一種比常規(guī)儲(chǔ)層具有更大彈性的地質(zhì)體,其彈性能包括煤基塊彈性能、水體彈性能和氣體彈性能,彈性能在地層條件下的變化規(guī)律服從于特定的數(shù)學(xué)模型,可用來(lái)描述煤層氣成藏過(guò)程中能量的傳遞和動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程(吳財(cái)芳,2004;吳財(cái)芳等,2005a)。煤層氣成藏過(guò)程中,地層壓力和應(yīng)力(包括熱應(yīng)力)系統(tǒng)的變化導(dǎo)致煤層氣吸附或解吸,引起煤基塊彈性變形,造成裂隙閉合或拉張,對(duì)煤層氣保存和滲流條件產(chǎn)生影響。因此,煤層彈性能對(duì)成藏效應(yīng)控制的核心,是由煤基塊在外能和內(nèi)能綜合作用下收縮膨脹所誘導(dǎo)的煤基塊彈性自調(diào)節(jié)效應(yīng),同樣可用受地質(zhì)邊界條件限制的數(shù)學(xué)模型加以表征(Qinetal.,2005;秦勇等,2012a)。近十年來(lái),圍繞“含煤層氣系統(tǒng)彈性能及其耦合控藏效應(yīng)”這一科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展探索,取得了某些有理論和實(shí)踐價(jià)值的研究進(jìn)展。1)從能量動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)及其地質(zhì)選擇過(guò)程角度,闡釋了動(dòng)力學(xué)條件耦合關(guān)系及其對(duì)煤層氣富集高滲條件的控制規(guī)律。研究重點(diǎn)在于科學(xué)描述有效壓力系統(tǒng)中能量傳遞、匯聚和分配的過(guò)程,闡明地層彈性能在整個(gè)過(guò)程中的作用機(jī)理和作用特征,進(jìn)而揭示能量平衡系統(tǒng)形成演化的機(jī)制(秦勇等,2012a)。發(fā)現(xiàn)沁水盆地煤層氣富集高滲差異性受控于四個(gè)方面,即現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的構(gòu)造應(yīng)力能、構(gòu)造分異導(dǎo)致的煤儲(chǔ)層埋藏重力能、受構(gòu)造控制的地下水動(dòng)力能以及受深部熱結(jié)構(gòu)特征控制的燕山期古熱場(chǎng)熱應(yīng)力能(秦勇等,2008)。2)系統(tǒng)研究了含煤層氣系統(tǒng)地層彈性能及其演化行為,并對(duì)其控藏效應(yīng)開(kāi)展了有效探討。提出煤儲(chǔ)層彈性能是聯(lián)系外部動(dòng)力學(xué)條件與煤層氣成藏效應(yīng)之間紐帶的學(xué)術(shù)觀點(diǎn),探討了煤層彈性能的控藏特征及其作用機(jī)理,發(fā)現(xiàn)不同熱演化階段煤層彈性能對(duì)煤層氣成藏的相對(duì)貢獻(xiàn)有所不同,主煤層彈性能在不同演化階段發(fā)生過(guò)不同規(guī)律的分異(秦勇等,2012a)。沁水盆地晚侏羅世—早白堊世階段地層能量動(dòng)態(tài)平衡及聚散過(guò)程,決定了煤層氣成藏效應(yīng)的現(xiàn)今規(guī)模和區(qū)域分布格局(Wuetal.,2007)。3)建立了煤層氣成藏類型三元判識(shí)模式,提出了煤層氣成藏“彈性自封閉效應(yīng)”的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。提出了有效運(yùn)移系統(tǒng)和有效壓力系統(tǒng)的概念,建立了三元參數(shù)對(duì)其內(nèi)涵予以表述,初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)成藏過(guò)程中能量分配特征和演化規(guī)律的定量描述;發(fā)現(xiàn)地層彈性能控藏作用的實(shí)質(zhì),是通過(guò)對(duì)壓力系統(tǒng)發(fā)育程度、裂隙發(fā)育程度和裂隙開(kāi)合程度演化發(fā)展的控制而實(shí)現(xiàn)的,其作用機(jī)制可以概括為應(yīng)力-應(yīng)變耦合機(jī)制(吳財(cái)芳,2004;吳財(cái)芳等,2008)。在此基礎(chǔ)上,建立了煤基塊彈性自調(diào)節(jié)綜合效應(yīng)模式,提出了煤層氣成藏“彈性自封閉效應(yīng)”的學(xué)說(shuō),研究了其具體的顯現(xiàn)形式,探討了其內(nèi)涵及對(duì)煤層氣聚散作用的控制機(jī)理,認(rèn)為彈性自封閉效應(yīng)可能是高煤級(jí)煤儲(chǔ)層含氣量普遍較高的關(guān)鍵內(nèi)在動(dòng)力條件(Qinetal.,2005)。4)建立了煤層氣能量聚散模式,揭示出能量平衡系統(tǒng)與煤層氣成藏效應(yīng)之間的關(guān)系,建立了基于該模式的煤層氣有利區(qū)帶定量預(yù)測(cè)方法,并對(duì)國(guó)內(nèi)某些盆地煤層氣成藏效應(yīng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。認(rèn)為沁水盆地最有利的煤層氣成藏地帶發(fā)育在盆地南部,呈NNW向條帶狀展布(吳財(cái)芳等,2005b,2007;吳財(cái)芳和秦勇,2012;Wuetal.,2007);鄂爾多斯盆地東緣中-南部的煤層氣富集高滲動(dòng)力條件,具有“南北較好,中部較差,中南部最好;東部較好,西部較差,東南部最好”的分布格局(秦勇等,2012a);在黔西織納煤田比德—三塘向斜,煤層彈性能呈“西高東低、南高北低、西南部顯著較高”的分布格局,在垂向上隨煤層層位的降低而趨于增大,有利于煤層氣富集高滲的動(dòng)力條件主要發(fā)育在向斜的西南部地帶(姜瑋和吳財(cái)芳,2011)。3.2層序地層結(jié)構(gòu)與含氣系統(tǒng)的關(guān)系根據(jù)吸附原理,在一個(gè)統(tǒng)一的儲(chǔ)層壓力系統(tǒng)中,煤層埋深加大或?qū)游唤档?煤儲(chǔ)層壓力隨之增高,煤層含氣量呈現(xiàn)出遞增或遞減(在臨界飽和深度之下)的規(guī)律。然而,黔西織納煤田水公河向斜上二疊統(tǒng)單一煤層平均含氣量及相鄰主煤層之間含氣量梯度均呈波動(dòng)式變化,煤層埋深-壓力系數(shù)關(guān)系在垂向上分為截然不同的多套系統(tǒng),地層格架中三級(jí)層序與含氣量梯度的獨(dú)立分段高度吻合。由此,提出了“多層疊置獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)”的概念,認(rèn)為層序地層格架奠定了該類系統(tǒng)形成的物性基礎(chǔ),含煤地層與上覆下伏含水層之間缺乏水力聯(lián)系而構(gòu)成了該類系統(tǒng)產(chǎn)生的水文地質(zhì)基礎(chǔ),該類含氣系統(tǒng)是沉積-水文-構(gòu)造條件耦合控氣作用的產(chǎn)物,認(rèn)為該類含氣系統(tǒng)在以三角洲-潮坪-瀉湖沉積體系為主的多煤層含煤地層中可能具有普遍意義(秦勇等,2008)。進(jìn)一步考察,這一與“吸附原理”相悖的現(xiàn)象在國(guó)內(nèi)晚古生代含煤地層中并不鮮見(jiàn)。由此,進(jìn)一步選擇黔西80余口鉆孔開(kāi)展層序地層學(xué)對(duì)比研究,在典型鉆孔中按地層層序密集采集煤和巖石樣品,開(kāi)展煤質(zhì)煤巖、微量元素、孔滲特征、吸附性等分析,充實(shí)了“多層疊置獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)”的內(nèi)涵,對(duì)其控制因素取得了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。1)多煤層條件下的煤層氣成藏特征,受沉積環(huán)境及其控制下的層序地層結(jié)構(gòu)所影響。陸相的河流-三角洲-湖泊相煤層群在垂向上多表現(xiàn)為“多層統(tǒng)一含氣系統(tǒng)”,海陸過(guò)渡相的三角洲-潮坪-瀉湖相煤層群可形成“多層疊置獨(dú)立含氣系統(tǒng)”;煤層群內(nèi)部各煤層之間由于“烴濃度封閉效應(yīng)”及煤層本身低滲透性對(duì)流體存在的“疊加封閉”作用,使煤儲(chǔ)層存在超壓的可能性(楊兆彪等,2011a,b)。上述兩類含氣系統(tǒng)在比德—三塘盆地均有發(fā)育,以煤層層位方向上含氣量波動(dòng)性強(qiáng)弱和含氣量梯度大小得以體現(xiàn),在空間上具有一定的配置關(guān)系,水公河、三塘等向斜中發(fā)育4套以上的多層疊置獨(dú)立含氣系統(tǒng)(楊兆彪等,2011c)。2)發(fā)育在最大海泛面附近且與海相泥巖伴生的低滲透巖層,對(duì)煤層氣垂向滲流具有分劃性阻隔作用,這是形成“多層疊置獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)”的根本地質(zhì)原因(沈玉林等,2012)。這種分劃性隔水阻氣巖層從三角洲平原相區(qū)至三角洲前緣相區(qū)漸趨發(fā)育,導(dǎo)致含氣系統(tǒng)垂向結(jié)構(gòu)漸趨復(fù)雜,“多層疊置獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)”特征漸趨顯著。三角洲平原相區(qū)偏于氧化環(huán)境,不利于準(zhǔn)同生成巖—早成巖作用階段菱鐵礦和黃鐵礦的形成,最大海侵面附近泥巖的封堵性能相對(duì)減弱,使得包括煤層氣在內(nèi)的地層流體易于在垂向上滲流交換,含煤層氣系統(tǒng)垂向結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。三角洲前緣相區(qū)低孔滲隔水阻氣層相對(duì)發(fā)育,導(dǎo)致含煤層氣系統(tǒng)垂向結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。3)層序地層結(jié)構(gòu)對(duì)多煤層條件下的煤層含氣性和物性具有控制作用,這是多層疊置獨(dú)立含煤層氣系統(tǒng)形成的微觀地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)(楊兆彪,2011)。從煤層氣成藏意義而言,三級(jí)層序海侵體系域?yàn)橐粋€(gè)相對(duì)封閉層,高位體系域是一個(gè)相對(duì)開(kāi)放層,多層疊置獨(dú)立含氣系統(tǒng)的形成取決于這一物質(zhì)基礎(chǔ)。認(rèn)為發(fā)育于最大海泛面附近的煤層有利于鏡質(zhì)組分的富集,也易于煤化過(guò)程中產(chǎn)生更多的裂隙,形成優(yōu)質(zhì)的煤層氣儲(chǔ)層。耦合分析層序地層結(jié)構(gòu)與煤層含氣性、孔滲性和吸附性,提出了層序地層結(jié)構(gòu)的控氣模式,認(rèn)為在垂向上可形成與三級(jí)層序相對(duì)應(yīng)的獨(dú)立含氣系統(tǒng),煤層含氣量在層序邊界附近發(fā)生突變,封閉層的封閉性是獨(dú)立含氣系統(tǒng)發(fā)育的基礎(chǔ)。3.3深部煤層含氣量變化影響因素分析深部煤層氣是我國(guó)煤層氣地質(zhì)領(lǐng)域研究的一個(gè)新方向。近兩年來(lái),國(guó)內(nèi)從盆山演化角度對(duì)華北深部煤層氣賦存的地質(zhì)因素做過(guò)探討(琚宜文等,2011),對(duì)深部煤層含氣性、滲透性、可改造性進(jìn)行了研究(申建,2011;王寶文,2011;楊松,2011;趙麗娟,2011)。實(shí)質(zhì)上,深部煤層氣成藏過(guò)程是含氣系統(tǒng)的有形載體煤基塊和地下流體(煤層氣及地下水)在溫度場(chǎng)與地應(yīng)力場(chǎng)耦合作用下的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程(秦勇等,2005)。基于此,影響深部煤層氣成藏效應(yīng)的特殊地質(zhì)條件主要包括深部地應(yīng)力場(chǎng)、地溫場(chǎng)以及兩者耦合控制之下的煤巖力學(xué)性質(zhì)(秦勇等,2012b)。秦勇等(2005)以濟(jì)陽(yáng)凹陷為對(duì)象,研究了深部煤層的吸附效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)地層條件下的煤飽和吸附量隨埋藏深度增大而變化的趨勢(shì)在一定深度發(fā)生反轉(zhuǎn),存在一個(gè)“吸附飽和臨界深度”,臨界深度隨煤級(jí)的變化而有所不同,認(rèn)為這是地?zé)釄?chǎng)增溫效應(yīng)與煤儲(chǔ)層自身特性共同作用的必然結(jié)果;深部較高地層溫度與較高地層壓力的配置關(guān)系