石油圈
隨著近年來煤層氣勘探和開發技術的進步，國內能源需求量的增加，深部煤層氣的開發成為可能且勢在必行。深部煤層一般處在具有高地應力、高溫和高壓的環境中，對復雜地質條件耦合作用下煤層氣儲層物性差異演化的研究均處在探索階段，這是深部煤層氣遲遲達不到規模性開發的主要原因。煤層氣儲層物性是煤層孔隙性、含氣性、滲透性和可改造性四者關系的耦合體現，受控于各類動力學條件之間的匹配關系，深部煤層氣儲層差異演化關鍵所在是深部應力場、地溫場、壓力場制約下煤巖孔裂隙結構的演化、煤儲層吸附-解吸-擴散-滲流間平衡關系，以及煤層應力應變力學性質，解決這一科學問題，可以為深部煤層氣有利區帶的預測和勘探開發技術的突破提供理論指導。
1 深部煤儲層孔裂隙結構發育特征
深部煤層復雜的成煤地質環境對煤巖孔裂隙結構產生了深刻影響。煤儲層是由孔隙和裂隙組成的雙重孔隙結構，其中孔隙是煤層氣的賦存空間，顯示了煤層氣的儲集條件。隨著埋深增加，地應力增大，地層壓實作用增強，煤巖孔隙受壓閉合，煤儲層孔隙度隨上覆應力的增加而減小，導致深部煤層為典型的低孔儲層。通過統計沁水盆地南部煤層孔隙度與埋深關系發現，當埋深小于800m時，孔隙度的分布范圍為1%~13%，而當埋深超過800m時，孔隙度則分布在小于6.5%的范圍之內。
應力的增大導致煤巖孔隙度減小，然而煤巖中存在不同孔徑大小的孔隙，不同煤階煤巖中各類孔隙在應力作用下的變化特征存在顯著差異：低煤階煤巖孔隙應力應變特征主要體現在對大中孔的壓縮，而高煤階煤巖由于微小孔極為發育，大中孔不發育，在應力作用下孔隙變化主要受微小孔的控制?？紫抖鹊臏p小程度可以用孔隙壓縮系數來表示，在實際應用中，通常將孔隙壓縮系數作為常數，但這顯然是不準確的。
一些學者開展了煤巖的覆壓實驗，探討了煤巖孔隙壓縮系數與有效應力之間的耦合關系，通過理論推導建立了煤巖孔隙壓縮系數與有效應力之間的數學模型。大量研究結果表明，隨著上覆應力的增加，煤巖孔隙度應力敏感性逐漸減弱，孔隙壓縮系數也呈逐漸減小趨勢。
煤儲層中裂隙系統是煤層氣運移的通道，其受控于地質歷史時期構造應力場的大小。煤層在沉積埋藏過程中，受到多期構造應力的疊加改造，煤巖裂隙系統也隨之發生改變，一些學者利用煤巖的彈塑性本構方程，推導出了地層壓力變化與割理寬度變化間的關系式以及應力集中與割理寬度變化的關系式。還有一些學者對不同煤體結構的煤巖裂隙的形成機理進行了研究，發現隨著煤巖所受應力的增強，煤體變形可分為裂隙閉合階段、微裂隙產生階段、宏觀裂隙產生階段，以及沿某破裂面破壞階段和流變破壞階段，每一階段都對應著不同的煤體結構和特有的裂隙系統特征。
前人也對巖石孔裂隙溫度耦合特性做過研究，發現在達到熱裂化溫度前，隨著溫度的升高，礦物顆粒受熱膨脹造成巖石中原生裂隙逐漸閉合；在達到熱裂化溫度后，隨著溫度的升高，礦物顆粒間或者顆粒內的應力進一步增大，產生微小裂紋或者致使原生微小裂紋擴展和加寬?？偟膩碚f，煤層所受地應力一般由垂向應力和水平應力二者疊合形成，深部煤層中這種疊合效應增強，加之儲層流體壓力和溫度的作用，使其對煤巖孔裂隙系統具有更加復雜的作用機制。
2 深部煤儲層吸附性與含氣量
煤儲層特殊的孔裂隙結構決定了煤層氣主要以吸附的形式賦存于煤體孔隙表面，不同煤儲層孔隙結構的差異，使得其對甲烷的吸附特性和含氣量表現出不同的特征。但對于深部煤層氣而言，較高的溫壓條件可能是影響煤吸附性和含氣量更為關鍵的因素。
前人的研究主要關注煤層氣吸附量隨埋深(壓力)的增大而增大的變化趨勢，而對深埋帶來的溫度升高導致煤層氣吸附量減少則關注不夠。由于氣體吸附是一個放熱過程，因此隨著溫度增加，煤對氣體的吸附量會迅速降低，在吸附壓力7MPa條件下，煤在溫度為102℃時的甲烷吸附量只有22℃時的40%。
考慮單因素對煤層氣吸附特征影響時，在等溫條件下煤的甲烷吸附量隨壓力增大而增大，且增幅越來越小，而在等壓條件下煤的甲烷吸附量隨溫度增高呈線性降低的趨勢；綜合考慮溫度和壓力共同作用時，在較低溫度和壓力條件下壓力對煤吸附能力的影響大于溫度的影響，而在較高溫度和壓力時溫度對煤吸附能力的影響大于壓力的影響；因此，深部煤層氣的吸附量隨埋深增加呈快速增大、緩慢增大、逐步減小的變化趨勢，最大吸附量對應深度為900~1600m。有學者對上述認識提出異議，認為盡管溫度較高，但高壓條件可使煤層含氣量增高，原因在于煤巖對氣體的吸著作用超過了吸附作用。
Krooss等開展溫度分別為40、60和80℃條件下的變壓煤巖吸附實驗，結果顯示：在壓力低于10MPa時，溫度負效應與傳統研究成果基本吻合；壓力超過10MPa后，40℃條件下的吸附曲線顯示出飽和吸附特征，而60、80℃條件下煤巖吸附量都呈單調增加趨勢，80℃時吸附量最高。前人關于溫度和壓力對煤巖吸附量的影響觀點存在分歧，對于較高溫度和壓力條件下煤巖吸附特征缺乏深入了解，這種不足可能是由于早期學者們更注重淺部煤層溫壓條件而忽視了深部復雜地質條件下的煤巖吸附特性所致。
煤儲層含氣量研究是煤層氣資源量計算和有利區優選評價的基礎。一般來說，煤層氣含氣量在淺部總體上隨埋深增加而增大，而對于深部煤儲層而言，含氣量隨埋深的變化規律更為復雜。Faiz等研究發現，隨著埋深的增大，煤層含氣量反而降低。深部地溫場對煤層吸附能力影響的負效應大于地層壓力的正效應，造成深部煤層含氣量存在一個臨界深度，超過臨界深度，煤層含氣量降低。
由于深部煤層地質條件的限制，缺乏現場測試數據，對于深部煤儲層含氣性的分析需要進行預測，目前常用的含氣量預測方法有：含氣梯度法、壓力-吸附曲線法、煤質-灰分-含氣量類比法、測井曲線法、有效生氣階段和有效階段生氣量計算、地質條件綜合分析法等。
但這些預測方法是否適用于深部煤層氣，許多學者提出了質疑：當壓力較高時，蘭氏單分子層吸附模型的適應性會受到限制，出現擬合程度較低的現象，其原因可能是高壓狀態下氣體容易發生凝聚現象，凝聚氣占據煤的游離空間造成吸附量降低的假象；當溫度和壓力都超過臨界點時，甲烷將處于密度接近液體但黏度接近氣體的超臨界狀態，由其吸附數據計算出的視吸附量不能反映真實吸附量，因此依據視吸附量預測深部含氣量會遠遠低估其真實含氣性。
還有一些學者針對深部煤層中地溫和地應力梯度對煤儲層物性的影響，在深部煤層氣壓力解析算法的基礎上，提出了考慮地溫和地應力梯度影響的煤層氣含量計算方法。
煤儲層吸附解吸特征及含氣量受到多種因素的影響，加之深部煤層處于復雜的地質環境下，由此導致深部煤層氣資源評價面臨一系列問題，如煤層含氣量是否隨著煤層埋深的增大而持續增長？傳統的吸附解吸模型能否真實地反映深部煤層氣的賦存狀態？這對深化深部煤層氣賦存特征與儲層含氣量理論預測提出了更高的要求，研究不僅要兼顧壓力對煤層吸附的正效應和溫度對煤層吸附的負效應之間的平衡關系，還要理清不同地質環境中氣體物理化學行為和不同煤化程度煤儲層吸附解吸的差異特點，綜合分析各種地質因素對深部煤層含氣性的控制作用。
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