本文以沁水盆地榆社-武乡区块石炭二叠纪太原组和山西组煤系气为研究对象,以阐明研究区煤系气叠置成藏机理与叠置成藏模式为目标,以煤系气探井、参数井数据及样品为基础,结合野外勘探、实验测试、数值模拟、理论分析等方法进行研究,取得了以下成果和认识:(1)依据层序地层学相关理论建立了关键层判识指标,明确了关键层空间展布规律。以层序地层格架为限制,提取了含气层段沉积组合、盖层封闭性、地下水动力条件、储层压力特征、各类气藏垂向含气性分布及气体同位素分布特征等指标,揭示了煤系气垂向分布差异性及其地质控制因素,进而划分了叠置独立含气系统。结果表明:研究区目标层空间展布主要受单斜构造控制,伴有少量的断层和褶皱发育,储层埋深介于600~1600m,整体处于1000m以深;目标层垂向上发育有三个独立含气系统,其中位于含气系统III中的3号煤和含气系统I中的15号煤,全区发育稳定、厚度大,具有形成优势煤层气藏的条件;不同含气系统中泥页岩和砂岩储层发育差异显著,其中泥页岩具有单层厚度小、累计厚度大的特征;泥页岩层和砂岩层也具有一定的含气性,在含气系统的限定下,呈现多类型气藏叠置成藏的特征。(2)基于多种测试技术,综合研究了煤系气源岩地化特征与储层物性特征,深入认识了源岩生烃潜力和储层储集体系。结果表明:煤系气源岩有机质类型以III型为主,热演化程度整体处于高-过成熟阶段,具有良好的生气潜力;煤岩作为聚集有机质,有机质丰度显著(>60%),泥页岩(分散有机质)作为煤系中另一重要的烃源岩,有机质丰度变化范围较大(整体处于1%~3%),生烃潜力较好,且垂向上分布具有一定的规律性,即越靠近煤层沉积的泥页岩,其有机质含量越高,表明泥页岩有机质丰度(生烃潜力)受沉积环境控制作用显著;无机矿物方面,泥页岩和砂岩均以粘土矿物和石英为主,其中泥页岩粘土矿物含量主体介于25%~63.4%,平均46.6%;石英含量介于26.2%~47.1%,平均35.7%。砂岩储层石英矿物含量为81.4%,平均为62.4%;煤中发育有气孔、残留植物组织孔、次生矿物孔、晶间孔以及原生粒间孔,并以微孔为主,且发育一定的微裂隙。泥页岩以有机质孔、粒间孔、粒内孔为主,介孔与微孔发育,孔隙连通性较差。致密砂岩以溶蚀孔、晶间孔为主,大孔和微裂隙较为发育,孔隙连通性较好;渗透率方面,煤系气储层均属于低渗透储层;不同含气系统煤系气储层特征对比表明:含气系统Ⅱ中煤系气储层具有较大的脆性指数,其孔隙度与渗透率、孔容与比表面积也相对较大,具有较大的储集空间和有利的气体运移条件。(3)通过气测录井、现场解吸和实验测试等手段对煤系气储层原位含气性和最大含气性进行了综合研究,并探究了不同地质因素对各类储层含气性的控制作用。结果表明:煤层气含气量极为显著,原位含气量和最大含气量均远高于砂岩和泥页岩储层。同时,砂岩和泥页岩储层具有一定的含气性;区域上,各类储层含气性变化呈现相同的趋势,表现为储层含气量由研究区中部向北部或西南部增大。相反,各类气藏间含气性差异则是内在物质组分控制下,储层差异性的表现;论文进一步分析了各类煤系气藏含气性主控因素,并建立了相关含气性模型:煤层气以吸附气为主,埋深在0~800m范围,随着埋深增加,含气量迅速升高。埋深大于800m范围内,含气量逐渐降低;泥页岩含气量整体较低,同样以吸附气为主,埋深在0~1000m范围,含气量随埋深增加逐渐增高,当埋深大于1000m时,含气量趋于稳定;致密砂岩气埋深在0~2500m范围,含气量随埋深增加逐渐增高,当埋深大于2500m时,含气量逐渐趋于稳定。从组合气藏勘探开发的角度考虑,埋深在1000~3500m之间较为有利。(4)基于煤系气源岩生烃潜力和储层储集体系,对煤系气叠置成藏演化史进行了深入研究。进一步剖析了煤系气共生成藏的成藏关键期以及源岩生烃演化与储层能量动态调节过程,揭示了煤系气共生成藏机理。结果表明:研究区目标层煤系气叠置成藏过程包括5个阶段:源岩—储层叠置组合形成阶段、快速沉降—初次生烃阶段、埋深波动—气体逸散阶段、二次生烃—充注阶段、持续抬升—气藏调整阶段;二次生烃—充注阶段,源岩生成大量的烃类气体造成储层超压,气体通过盖层突破、层间渗流和扩散等作用向邻近储层进行补给;持续抬升—气藏调整阶段,受储层特征差异性控制,各类气藏内能量平衡发生破坏,各含气系统间不同气藏类型能量系统发生动态调整,伴随着气藏间气体发生交换,形成现今叠置成藏特征;根据不同含气系统中现今共生组合气藏含气量、埋深、储层厚度、储层物性和构造特征等综合地质作用耦合关系分析,认为研究区煤系气叠置气藏整体属于单斜构造-自封闭型成藏模式。具体表现为储层组合厚度大、向斜-背斜转折区有利于煤系气富集;另外,构造特征、地下水条件和生物作用综合效应有利于局部形成相对富集的煤系气叠置气藏;研究区煤系气叠置成藏模式的主体为一定厚度的共生沉积组合分布于宽缓褶皱转折区。传统煤层气富集模式(一定厚度的共生沉积分布于向斜核部)与特殊共生气藏模式(地质条件与生物因素综合作用)为研究区煤系气叠置成藏模式的典例。