中国西北地区低煤阶煤层气资源丰富,且多具有“煤层厚度大、高孔高渗和低含气量”的特点,目前由于西北地区煤层气总体勘探程度较低和存在含气量测试不准确等因素,亟需开展煤储层物性和综合评价的研究工作。一方面,这样可以有效弥补现阶段低煤阶煤层气勘探中所存在的不足,促进我国西北煤层气勘探开发的步伐;另一方面,通过建立以煤储层物性特征为主导的有利区综合评价模型,为我国低煤阶煤层气勘探开发提供理论依据和技术指导。本论文以柴达木盆地北缘侏罗系煤储层为研究对象,充分运用煤岩学、煤田地质学、沉积学、煤层气地质学等理论知识,基于矿井井下观测、钻井现场调研和采样,通过煤岩鉴定、宏/微观裂隙分析、高压压汞、低温氮比表面积、孔隙度和渗透率分析、扫描电镜以及等温吸附等一系列煤储层的实验测试和系统分析等方法和手段,较为详细地研究了柴北缘侏罗系煤储层结构特征及其影响因素,建立了以煤储层物性为主导的煤层气勘探开发评价指标体系,综合评价了研究区内煤层气储层的物性特征。并取得了以下认识:1.基于研究区内煤样在不同条件下的等温吸附实验,研究了柴北缘侏罗系煤储层吸附特征及其主控因素(1)柴北缘侏罗系煤储层的兰氏体积较高,在25℃的实验条件下其值介于26.51-42.19m3/t之间,平均为33.19m3/t;而兰氏压力则一般,在0.83-1.89MPa之间,均值为1.47MPa,表明该地区煤储层在低压区吸附相对容易,而在高压区随着压力的增大煤的吸附量增加速率明显减缓。(2)柴北缘煤储层随着实验温度的升高,各煤样兰氏体积和兰氏压力均降低,同时,德令哈煤田旺尕秀煤样的吸附能力在所有煤样中最差,全吉煤田大煤沟和绿草沟煤样兰氏压力较高,在煤层气开采中随压力的降低最容易解吸出来。(3)柴北缘侏罗系煤的甲烷吸附能力与煤岩镜质组含量成正比,与煤岩惰质组含量、煤中水分、灰分产率、煤体结构综合指标和实验温度成反比,与煤级关系并不十分明显。综合研究表明,影响柴北缘煤储层吸附性能的主控因素为煤质、温度和煤岩组分。2.基于高压压汞实验和低温液氮吸附实验,对柴北缘侏罗系煤储层渗流孔和吸附孔结构进行了精细描述,并探讨了其对煤层气运移的影响(1)研究区所测煤样的孔隙度随镜质组反射率的增大而降低,煤的孔隙度与煤中灰分产率呈现负相关关系,即煤中的灰分产率越高,储层越差,煤的孔隙度越小;煤体结构破坏程度越高,煤中孔隙度越高,即构造煤的孔隙度要高于原生结构煤。(2)基于液氮吸附测试结果,柴北缘侏罗系各煤样比表面积和总孔体积变化较大,在0.843-55.12m2/g之间,平均为23.34m2/g;总孔体积变化范围在2.46-50.43×10-3ml/g之间,平均为25.27×10-3ml/g,且比表面积和总孔体积呈很好的正相关线性关系;除大煤沟煤矿外,其余采样点各孔径段体积比为:微孔>小孔>中孔,且微孔比例占绝对优势。(3)根据不同的毛细管压力退汞曲线,将研究区内煤储层渗流孔隙结构分为Ⅰ1和Ⅰ22种类型,类型Ⅰ1(以YQ-1为代表)的退汞曲线与进汞曲线不平行,且退汞效率相对较低,表明该类型煤样孔隙结构不均匀,孔隙之间的连通性能相对较差;类型Ⅰ2(以五彩矿业为代表)的退汞曲线和进汞曲线几乎平行,退汞效率较高,可达到80%以上,表明该类煤样中孔隙结构的连通性能好,该类孔隙对煤层气的富集和产出较为有利。(4)基于低温液氮吸附曲线,将研究区煤储层吸附孔隙结构分为3种类型,类型Ⅰ孔隙对煤层气的吸附和储集性能非常好,但对于煤层气的开采和解吸而言难度相对较大;类型Ⅱ为典型的透气性好的微孔隙,对煤层气的吸附、解吸和扩散均有利;类型Ⅲ具有典型的“双峰”孔隙结构,因此这种孔隙结构可能会影响到气体的有效扩散。3.基于对渗流孔和吸附孔的分形特征,定量表征了煤的渗流孔和吸附孔的非均质性,表明了孔表面分形维数D1和孔结构分形维数D2与吸附特征、煤质、孔结构参数和煤体结构之间的关系,并探讨了其对甲烷吸附和煤储层渗透性的影响(1)通过对煤样吸附孔分形维数的计算,表征煤的表面分形维数D1值相对较低,介于2.001-2.345之间,并且分布较为均匀,而表征煤的结构分形维数D2的值相对较高,介于2.641-2.917之间,认为在较小吸附孔段(凯尔文半径<1.38 nm)微孔结构差异并不十分明显,而在较大吸附孔段(凯尔文半径>1.38 nm),吸附/脱附曲线中存在滞后环的煤样的孔隙结构要比不存在滞后环的煤样更加复杂。(2)煤的吸附孔分形维数D1与煤的兰氏体积呈二项式关系,与煤中水分、灰分、挥发分、平均孔径、微孔含量、总孔体积和煤体结构之间关系不明显,与镜质体反射率和比表面积成正相关;分形维数D2与煤的兰氏体积和煤体结构之间关系不明显,与煤中水分、灰分、挥发分、平均孔径成负相关关系,与镜质体反射率、比表面积、微孔含量和总孔体积成正相关关系。(3)柴北缘YQ-1的渗流孔分维数为2.9586,五彩矿业对应的分维数为2.8816,两个样品对应的分维数相对较高,表明该地区煤样的渗流孔隙结构较为复杂,同时随煤的镜质体反射率增大而降低。(1)柴北缘侏罗系煤储层宏观裂隙表现为:裂隙类型以垂直裂隙为主,顺层和斜交裂隙为辅;宏观煤岩类型以光亮-半光亮型为主,暗淡煤次之;断口类型多以阶梯状为主;裂隙规模为中-大型;最大裂隙长度大于8cm,高度介于3-8cm之间,宽度一般小于0.5cm;裂隙密集为密-较密型;裂隙无充填或少部分被方解石充填,裂隙连通性为中等-一般。(2)柴北缘侏罗系煤储层微裂隙表现为:所测煤样的微裂隙类型以C型和D型为主,A型和B型裂隙所占比例明显偏低,对于整个研究区而言,A+B型所占比例表现为两端高中间低的趋势。(3)柴北缘煤储层微裂隙的发育程度与煤的变质程度和煤中碎屑镜质体关系不明显;与煤的镜质体含量、均质镜质体含量、微镜煤所占比例、微镜惰煤所占比例、凝胶化指数(GI)和植物保存指数(TPI)之间呈正相关关系;与煤的惰质体含量、基质镜质体含量、半丝质体含量、碎屑惰质体含量、微惰煤所占比例、微惰镜煤所占比例、氧化指数(OI)和破碎指数(BI)之间呈负相关关系。5.基于对柴北缘各煤田煤体结构和煤岩类型的描述、低温液氮吸附、微裂隙统计、X射线衍射和煤体变形的岩石力学等方法,以鱼卡煤田为例,对该地区煤体结构分布进行了区域预测,并对不同煤体结构下的煤储层孔裂隙结构和XRD结构进行了对比研究(1)高泉煤矿煤体结构以原生和碎裂煤为主,碎粒煤和糜棱煤较为少见,宏观煤岩类型以半光亮型和半暗淡型为主,光亮煤和暗淡煤其次;鱼卡煤田宏观煤岩类型以半光亮型煤为主,半暗煤次之,煤岩成分以亮煤和暗煤为主;全吉煤田煤体结构以碎裂煤-碎粒煤为主,原生结构煤所占比例相对较少,宏观煤岩类型以半光亮-半暗淡型为主,煤岩成分则以亮煤和暗煤为主,镜煤和丝炭较为少见;德令哈煤田煤体结构以原生-碎裂煤为主;宏观煤样类型以光亮-半光亮型为主,煤岩成分则以镜煤为主,亮煤次之,暗煤最少。(2)基于煤体变形的岩石力学机理,认为柴北缘鱼卡煤田构造煤较发育区位于羊水河勘探区全部、鱼东勘探区的南部及北部断层发育带、尕秀勘探区的北部、二井田勘探区的北部断裂带附近以及北山勘探区东南部及西北部断裂带。构造煤欠发育区则主要分布在鱼东勘探区的中部、尕秀勘探区中南部以及二井田勘探区的中南部区域。(3)五彩矿业、旺尕秀和绿草沟下分层等煤样较其它样品而言,煤的破碎程度相对较高,同时煤的孔隙结构越复杂,对应于甲烷的解吸和煤层气的开发难度则越大;煤的比表面积和孔容随着煤体结构的综合指标值降低而升高,最终导致煤吸附甲烷能力的增强。(4)研究区煤样的面网间距平均为0.4088nm,单位堆砌度Lc平均为8.0241nm,4.基于野外地质调查、光学显微镜和扫描电镜的研究,对柴北缘侏罗系煤储层宏观裂隙和微裂隙发育特征进行了研究,并探讨了内生裂隙的煤岩学控制机理单位延展度La平均为18.8497nm;同时,面网间距d002变化与煤体结构综合指标成正比,而单位堆砌度Lc和单位延展度La与煤体结构综合指标成反比,即煤体结构破坏程度越大,煤晶核的面网间距越小,对应的单位堆砌度和单位延展度则越大。6.通过分析柴北缘煤储层的评价要素和基本参数,建立了柴北缘侏罗系煤层气综合评价模型,并运用多层次模糊数学的方法对该地区煤层气勘探开发有利区进行了优选(1)根据柴北缘侏罗系煤层气勘探现状,并结合煤储层物性、煤地质特征和资源及保存因素3个条件,包括渗透率等共计12个次一级影响因素,建立了以煤储层物性为主导的煤层气勘探开发评价指标体系。(2)通过运用多层次模糊数学的思想,对柴北缘评价指标体系内各影响因素进行了定量排序,并结合根据实际情况所建立的各参数隶属度函数,对研究区进行了煤层气有利区优选,结果表明:鱼卡煤田是最宜进行煤层气勘探开发的地区,赛什腾和全吉煤田次之,德令哈煤田的优先级别最低。