煤层气是中国沁水盆地重要的非常规资源,其商业开发由来已久。煤层气储层水地球化学与其中生物代谢活动对于储层环境的指示意义不可小觑。因此,对沁水盆地南部柿庄南区块3号煤储层水进行了系统的采集并做地球化学测试与16S rRNA微生物测序,以此评价煤储层中水岩作用和生物地球化学进程,研究产甲烷菌等微生物的代谢特征,建立煤储层环境与生物作用的响应关系。取得如下认识:煤储层水主要来源于大气降水或地表水,其地球化学特征受水岩作用与生物活动控制,硫酸盐还原菌以硫酸盐还原作用消耗溶解甲烷和有机质。受煤储层水氧化还原环境及硫酸盐浓度的支配,硫酸盐还原细菌在不同水头高度表现出明显的丰度差异,产甲烷菌也因此具有与之相反的丰度变化规律。由于3号煤储层水环境中生物地球化学作用在某些深度空间产生的溶解无机碳的异常积累,导致某些深度煤层中典型碳酸盐矿物沉淀的出现。在煤储层水主要同位素和微生物调查的基础上,对柿庄南区块进行了原位微生物群落研究与产甲烷途径判别。溶解二氧化碳、甲烷碳同位素差异与甲烷、共生水氢同位素分布分别都证明了研究区同时存在二氧化碳还原型和醋酸发酵型两种生物产甲烷类型。微生物测序结果说明了研究区煤储层水中产甲烷菌以甲烷杆菌和甲烷八叠球菌为主,并受原生环境地球化学因素影响。在靠近研究区东缘晋获断裂附近醋酸发酵型生物产甲烷作用比二氧化碳型更为普遍。运用典型地球化学参数来评价相应煤储层氧化还原环境并与产气量建立联系。发现高浓度水平的Na⁺、HCO₃^-和氘漂移常伴随高产气量,但这些参数在一定程度上不可靠。水溶无机碳（DIC）同位素δ¹³C_DIC可用于辨别氧化还原条件。适中正δ¹³C_DIC表明适合产甲烷菌代谢的还原条件有利于煤层气保存,常具高产气量。SO₄^2-、NO₃^-浓度受到不同细菌的影响也因此对应于不同的氧化还原条件,可以被当做识别环境条件和产气量的有效参数。δ¹³C_DIC和SO₄^2-的组合关系还可用于预测潜在有利产气区。