复杂盆-山构造演化过程中煤层气赋存特征与富集机理研究

华北晚古生代含煤盆地经历了印支、燕山和喜山不同期次、性质构造的叠加改造，是研究各种构造作用下煤层气赋存和富集的理想地区。本项目拟以华北晚古生代以来盆山动力演化现代理论为指导，以华北沁水盆地和两淮煤田及其周缘造山带为主要研究地区，以构造作用为主线，重点研究：盆地尺度上，研究成煤后盆－山构造演化过程中，构造动力作用对煤层气聚集和分布的控制作用；煤层尺度上，研究煤层气的富集条件、富集机理和动力学过程；微观尺度上，从构造变形煤和高变质煤入手，研究煤在不同变形和变质条件下储层物性以及煤层气吸附/解吸特征，探索煤的变形变质作用对煤层气吸附/解吸的制约关系；超微观尺度上，从煤的大分子－纳米级孔隙结构和化学结构入手，研究煤层气，特别是强变形煤中煤层气的可能来源、赋存状态、吸附解吸特征和动力学过程；在宏、微观尺度研究的基础上，分析有利于煤层气富集的动力学条件，为在华北复杂构造煤层中寻找有利区块提供理论依据

本项目以华北沁水盆地和两淮煤田及其周缘造山带为主要研究地区，以构造作用为主线，重点研究了盆-山演化过程中，构造-热动力对煤层气生成和赋存的控制作用；从煤的大分子－纳米级孔隙结构和化学结构入手，探索了变形作用对煤大分子结构和CH4生成及赋存的影响，研究强变形煤中超量煤层气的可能来源、赋存状态、吸附/解吸特征和动学过程；揭示了煤在不同变形和变质条件下煤层气吸附/解吸特征及其制约关系。.研究表明：（1）两淮煤田主要受大别-苏鲁造山带影响，T-J煤变质作用和热成因CH4的生成达到高峰，K伸展作用导致煤层气大量逸散，现存CH4主要为K之后的次生生物气；沁水盆地主要受燕山期区域岩浆热作用影响，K变质作用和热成因CH4的生成达到高峰，并得以保存。（2）韧性变形作用可以导致结构单元缺陷增加，不到10%的应变就足以使煤结构中的含氧基团或醚键发生降解并生成气态小分子。量子化学计算从能量转化角度解释了煤在变形过程中产生CO气体的原因，因此认为超量煤层气的产生可能与煤的构造变形作用有关。（3）脆性变形煤孔隙孔径大于韧性变形煤。在脆性变形作用下，随着变形作用的增强，过渡孔比例增大且孔隙之间连通性增强，有利于气体的扩散和渗透。韧性变形作用下，表面孔隙形态呈现不规则状发育，微孔含量增加，孔隙之间连通性较差。（4）高煤级煤渗透率容易受到有效应力的影响，煤储层渗透率随应力的增加按负指数函数规律降低。煤的抗压强度与杨氏模量密切相关，无论煤岩显微组分含量如何，抗压强度和杨氏模量之间均显示正相关性。（5）随着压力增大，煤岩对甲烷吸附量表现为糜棱结构煤>碎粒结构煤>碎裂结构煤>原生结构煤的规律。不同粒径的煤样在不同温度下，煤层在解吸过程中也存在“解吸滞后”现象。兰氏体积与兰氏压力呈正相关关系。煤层气甲烷碳同位素值与煤层含气性有很好的相关性，是反映煤层气成因及赋存条件的有效参数。.中国含煤盆地大部分经历了复杂的构造作用过程，从变形角度入手，探索煤与瓦斯突出机理和规律、超量煤层气来源和赋存状态、变质变形与煤岩渗透率的关系、甲烷吸附/解吸规律等问题，可能是一条新的研究思路和研究途径，而且可为煤层气的安全利用、瓦斯突出防治、提高煤层气产率、预测有利区块等提供理论依据。