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我国低阶煤层气资源量约为16万亿m3,占全国煤层气资源总量的45.7％。新疆准噶尔盆地煤层埋深2000m以浅煤层气总资源量为3.8万亿m3,其勘探开发突破是提高我国煤层气产量的重要途径。现有的煤层气井成熟开发深度浅于1000m,而对于1000m以深占总资源量近一半的深部煤层气来说,尚未形成成熟煤层气地质理论。本文以准噶尔盆地彩南地区深部煤层气为研究对象,基于地质分析、物理模拟和数值模拟的方法,探索了深部低阶含煤层气系统及其成藏机制,丰富和完善了煤层气勘探开发地质理论,为释放深部煤层气资源量提供了依据。 基于高温高压条件下煤吸附模拟,揭示了深部地层环境下低阶煤吸附行为特殊性。研究发现:不同煤阶煤吸附量随煤阶的增高而增大,而褐煤吸附能力最弱,气肥煤阶煤理论最大吸附量约是褐煤的2-3倍;低阶煤吸附量在55℃、12MPa以上降低较明显。建立了基于温度-压力-煤阶的深部煤层含气量数学模型,发现深部低阶煤层含气量随埋深变化存在“临界深度带”,临界深度带以浅随深度增加煤层含气量增加,临界深度带内随深度增加煤层含气量变化量较小,临界深度带以深随深度增加煤层含气量降低;“临界深度带”受储层压力、储层温度及煤阶的综合控制,彩南地区煤层含气量临界深度带为1400~1800m。 基于核磁测试、X-CT扫描等测试低阶煤储层物性特征,认为欠压实作用下低阶煤以大孔为主,而压实作用后的低阶煤则以微小孔和吸附孔为主。基于深部环境下煤渗透率模拟实验发现,渗透率与有效围压呈负指数关系,当有效围压高于10MPa,渗透率累积损害率超过80%且呈现弱应力敏感性。基于岩石物理理论分析,确立了深部煤层裂缝发育测井判别标志,提出了深部煤层次生裂隙发育层评价模型。结果显示:研究区裂隙发育带呈北东向展布,受断层控制明显;深部低阶煤层气勘探有利区位于彩16-彩18井区。 基于彩南地区成藏要素、成藏组合及输导体系分析,建立了西山窑组自生自储型独立含煤层气系统模式、八道湾组的源内型/源外型含煤层气系统模式,阐明了不同含煤层气系统的形成机理,提出彩南地区深部低阶含煤层气系统综合勘探评价的思路。