《ACS Omega》：Geological Controls and Symbiotic Assemblage Models of Coal Measure Gas in the Shanxi Formation, Eastern Pingdingshan Mining Area, China
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煤系气（coal measure gas, CMG）是一种重要的非常规能源资源，清晰理解其成藏机制对于高效勘探与开发至关重要。本研究聚焦于平顶山东部矿区山西组煤系地层，采用地质统计分析、地球化学表征、X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）和
煤系气（coal measure gas, CMG）是一种重要的非常规能源资源，清晰理解其成藏机制对于高效勘探与开发至关重要。本研究聚焦于平顶山东部矿区山西组煤系地层，采用地质统计分析、地球化学表征、X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）和高压压汞（high-pressure mercury intrusion, MIP）测试相结合的综合方法，并辅以马尔可夫链（Markov chain）模型，揭示了煤系气系统的成藏格架与空间组织规律。结果表明：（1）研究区发育煤-泥岩-砂岩三元组合结构。主力煤层（2-1号煤层）厚度为0.65~12.42 m（平均5.50 m），向中心增厚、向边缘减薄，构成主要烃源岩；泥岩厚度为5.66~89.91 m（平均39.67 m），作为有效盖层；砂岩（厚度2.15~68.28 m，平均34.72 m）主要发育于中部地区，构成主要储层。（2）烃源岩具有较高的有机质丰度和热演化程度，储层普遍表现为低孔特低渗特征。煤层最大镜质体反射率（Ro,max）为1.106%~1.651%（平均1.461%），有机质丰度高；泥岩总有机碳（total organic carbon, TOC）含量为2.61%~28.00%（平均9.34%），干酪根类型以Ⅲ型为主，处于成熟-高成熟热演化阶段。煤、泥岩和砂岩储层均表现出低孔特低渗特征。（3）基于马尔可夫链分析，定量识别出5种优势岩相序列，并划分出3种煤系气成藏模式：单源双储型、双源双储型和双源多储型。这些结果表明，沉积环境对煤系气成藏模式的空间分异起主要控制作用。本研究为煤系气综合源-储-盖评价和甜点预测提供了地质依据。
煤系气（coal measure gas, CMG）成藏系统的地质控制与共生组合模式——以河南平顶山东部矿区山西组为例
一、研究背景与科学问题
煤系气（coal measure gas, CMG）是指赋存于煤系地层中的一套非常规天然气资源的总称，包括煤层气（coalbed methane, CBM）、煤系致密砂岩气和煤系页岩气，其典型特征为源-储耦合和近源成藏。中国煤系气资源丰富，其勘探开发对于提升国内能源供应安全保障能力、支撑能源体系低碳转型具有重要意义。近年来，鄂尔多斯盆地和准噶尔盆地等主要含油气盆地相继取得煤系气勘探的重大进展，充分展示了煤系地层的巨大资源潜力。
然而，与常规天然气藏相比，煤系气系统呈现出更为复杂的成藏机制。这类储层通常具有较差的孔隙系统和有限的渗透性，频繁以垂向叠置序列形式出现。加之天然和人工裂缝对应力敏感性显著，尤其在深埋条件下对气体流动和产出影响显著。已有研究表明，煤系气共生组合模式表现出显著的空间非均质性，主要受沉积环境、构造演化和储层特征控制。然而，现有研究大多停留在经验性和定性层面，传统分类方法依赖主观判断，难以客观捕捉岩性组合的连续转变，在区域间可比性和普适性方面存在明显不足。
在此背景下，本研究以平顶山东部矿区二叠系山西组煤系地层为对象。早期研究虽对该区煤储层物性进行了探索，并定性预测了煤层气有利区，但对叠置煤系组合的系统性定量表征仍属空白。为此，研究人员系统采集了包括煤层气生产记录、煤田地质资料和矿井瓦斯调查结果在内的综合数据集，通过野外调查、实验室分析和理论评估相结合的手段，查明目标层系的沉积属性，进而采用马尔可夫链模型定量刻画岩性组合、煤系气共生模式及其空间分布规律，为平顶山矿区煤系气开发有利区段优选提供方法框架。
二、研究技术方法
研究区位于华北克拉通南缘、河南省中部的平顶山矿区。研究人员编制了平顶山东部矿区186口煤田勘探钻孔的地层数据，用于分析煤层、砂岩体和泥岩的厚度与空间展布。为定量评价烃源岩品质和储集性能，从关键地层区间采集了20块新鲜样品，包括10块煤样、5块泥岩样和5块砂岩样，开展了系统的有机地球化学分析和储层物性测试。主要实验方法包括镜质体反射率（Ro,max）与显微组分测定、总有机碳（total organic carbon, TOC）含量与Rock-Eval热解分析、全岩及黏土矿物X射线衍射（XRD）分析和高压压汞（MIP）孔隙结构表征。在此基础上，运用马尔可夫链模型定量计算岩性转移概率矩阵，识别优势岩相序列并划分成藏共生组合类型。
三、研究结果
3.1 储层分布特征
研究区山西组总体上呈灰色—深灰色及灰黑色薄层泥岩、砂质泥岩、紫红色斑状泥岩和粉砂岩，与灰色—灰白色细—中粒长石石英砂岩及煤层互层，含2~4层煤层。煤层总厚度为0.65~12.42 m（平均5.50 m），总体呈现中部厚、向边缘逐渐变薄的趋势。泥岩厚度为5.66~89.91 m（平均39.67 m），中部相对较薄、向边缘增厚。砂岩厚度为2.15~68.28 m（平均34.72 m），中部最厚、向东南和西北方向逐渐减薄。山西组总体厚度为60.96~133.62 m（平均87.50 m）。2-1号煤层厚度为0.34~9.80 m（平均3.74 m），中部最厚。
通过三条地层对比剖面揭示，煤、泥岩和砂岩之间呈现频繁的垂向互层与横向转变。这种复杂的岩性叠置结构构成了煤系气源-储-盖一体化系统的基本格架。
3.2 烃源岩特征
2-1号煤层有机显微组分含量为57.1%~97.9%（平均89.06%），有机质富集程度高。煤层Ro,max值为1.106%~1.651%（平均1.461%），处于成熟—高成熟阶段。泥岩TOC含量为2.61%~28.00%（平均9.34%），生烃潜量（Pg）为2.22~27.73 mg/g（平均8.38 mg/g），显示出良好烃源岩品质。泥岩Tmax值为470~489°C，氢指数（HI）为59.7~93.4（平均76.9），氧指数（OI）为1.1~13.8（平均5.3），与Ⅲ型干酪根热解特征一致，具有相当大的生气能力。
3.3 储集层特征
煤中黏土矿物含量为33.9%~71.3%（平均56.7%），石英为21.6%~64.5%（平均36.4%）；砂岩中石英含量为40.2%~71.0%（平均54.2%），黏土矿物为27.9%~55.1%（平均38.2%）。泥岩黏土矿物以高岭石为主（平均54.4%），其次为伊蒙混层（平均28.2%）。
压汞测试表明，煤的总孔容为0.0106~0.0193 cm3/g（平均0.0140 cm3/g），以过渡孔为主（平均占比48.72%）；泥岩总孔容为0.0125~0.0165 cm3/g（平均0.0148 cm3/g），过渡孔占主导（平均42.50%）；砂岩总孔容为0.0041~0.0095 cm3/g（平均0.0069 cm3/g），过渡孔占比平均37.13%。孔隙度均值表现为煤（4.73%）>泥岩（4.66%）>砂岩（3.03%），渗透率均值依次为煤（0.24×10?3 μm2）>泥岩（0.20×10?3 μm2）>砂岩（0.07×10?3 μm2）。总体上，煤系气储层具有低孔特低渗特征。
3.4 盖层特征
研究区上部地层序列以泥岩和砂质泥岩互层为主，累计厚度约80 m，盖层条件有利。北部和南部煤系之上直接盖层主要为泥岩和砂质泥岩，侧向连续性好、厚度相对稳定；中部地区局部盖层以致密砂岩为主，厚度大、横向延伸广。
3.5 岩性组合类型与共生模式
基于39口井的马尔可夫链分析，砂岩到泥岩的转移概率为90.24%，泥岩到砂岩为67.18%，煤到泥岩为73.86%，表明煤系地层中泥岩与砂岩频繁互层、煤层之上多被泥岩覆盖。据此定量识别出5种优势岩相序列：Ⅰ型泥-砂-泥（60.63%）、Ⅱ型煤-泥-砂（49.62%）、Ⅲ型泥-煤-泥（24.24%）、Ⅳ型煤-泥-煤（24.24%）和Ⅴ型煤-砂-泥（23.59%）。
据此将煤系气系统划分为3种共生模式：
单源双储型（对应Ⅰ型组合）：主要发育于山西组上段大占砂岩-小紫泥岩段，泥岩与砂岩交替出现，泥岩作为主要烃源岩，泥岩和砂岩共同构成储层。
双源双储型（对应Ⅲ、Ⅳ型组合）：主要发育于下段2-1煤层段，煤层与暗色泥岩紧密共生，两者均兼具烃源岩和储层双重角色，形成自生自储的源-储耦合体系。
双源多储型（对应Ⅱ、Ⅴ型组合）：形成于沉积环境复杂的层段，煤层、泥岩和砂岩频繁互层，煤层和泥岩均作为烃源岩和储层，砂岩主要作为储层，泥岩夹层兼具补充烃源和区域盖层功能。
3.6 共生组合空间分布及主控因素
根据共生组合类型和沉积特征，研究区划分为3个区带：A区以双源多储型和双源双储型为主，发育于潮坪-泥炭坪环境，煤层多、层间距小、夹层以泥岩为主；B区以双源双储型和双源多储型为主，单煤层发育、厚度稳定，潮坪相带连续分布；C区以单源双储型和双源双储型为主，煤层数少且厚度薄，沉积环境由潮坪向三角洲过渡。
四、讨论与结论
沉积环境对煤系气共生组合的空间分异起主导控制作用。从西北至东南，西北和东南缘以潮坪沉积为主，煤层发育良好，生烃潜力高，邻近富有机质泥岩可作为补充气源，致密泥岩提供有效封盖；中部地区以三角洲相为主，煤层变薄，以单源双储体系为主。分析表明，分流间湾-河道和混合坪微相控制单源双储型系统发育，潮坪（碳质）环境有利于双源双储型系统形成，潮坪（碳质）向混合坪过渡环境则促进复杂的双源多储型系统发育。
平顶山东部矿区山西组煤系地层呈现中部厚煤、薄泥、厚砂，向边缘过渡为薄煤、厚泥、薄砂的系统性横向变化。2-1号煤层平均厚度3.74 m，在向斜核部最厚；泥岩平均厚39.67 m，在边缘发育并构成连续区域盖层；砂岩平均厚34.72 m，集中于中部并构成主要储集空间。2-1号煤层平均有机显微组分含量89.06%，平均Ro,max为1.461%，处于成熟—高成熟阶段，具备充足的煤层气生成能力。伴生泥岩平均TOC为9.34%，以Ⅲ型干酪根为主，生烃潜力强。煤、泥岩、砂岩储层均低孔特低渗，孔隙结构以过渡孔（10~100 nm）为主。基于马尔可夫链分析识别出5种优势岩相序列，定义了3种煤系气共生成藏模式。该研究为煤系气综合源-储-盖评价和甜点预测提供了地质依据与方法框架。
