沁水盆地南部煤变质程度高，煤层主要为高煤阶无烟煤，Ro在2.2%～4.0%之间，煤层气主要为热成因，为典型的高煤阶煤层气藏。
(一)地层
沁水盆地地层展布具有向斜盆地的典型特征，盆地边缘出露地层老，盆内出露较新地层。沁水盆地南部地区地层由老至新包括下古生界奥陶系中统峰峰组(O2f)、上古生界石炭系中统本溪组(C2b)、上石炭统太原组(C3t)、二叠系下统山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)、中统上石盒子组(P2s)、石千峰组(P2sh)、中生界三叠系(T)、新生界新近系和古近系(N)、第四系(Q)(图4－39)。其中煤层气勘探主要目的层山西组、太原组在本地区广泛分布，保存完整。
图4－39沁水盆地南部地层综合柱状图
太原组为一套海陆交互相沉积，地层厚度59～125m，平均70m左右，岩性为中－细粒砂岩、粉砂岩与泥岩、灰岩和煤互层，其中浅海相石灰岩全区稳定分布，并含有丰富的类，珊瑚、腕足类化石，是地层对比的主要标志层。
山西组为发育于陆表海沉积背景之上的三角洲沉积，一般以三角洲河口砂坝、支流间湾开始过渡到三角洲平原相，地层厚度8～90m，平均50m左右，岩性为灰色、深灰色砂岩、粉砂岩为主夹泥岩、粉砂质泥岩和煤层。其中底界K7砂岩分布稳定，特征明显，是地层对比的主要标志层。
山西组、太原组含煤层段共发育煤层8～16层，其中山西组3#煤、太原组15#煤单层厚度大、分布稳定，是煤层气勘探的主要目的层。
(二)含煤岩系沉积环境及古地理
根据沉积特点，沁水盆地南部主要成煤时期的沉积环境类型为一套陆表海碳酸盐岩台地沉积体系及陆表海浅水三角洲沉积体系。
1.碳酸盐岩台地体系
主要分布于本溪组和太原组，包括开阔台地相及局限台地相两种。本区K1—K5灰岩多属开阔台地相沉积，开阔台地相海水流通性较好，岩石类型主要为生物碎屑泥晶灰岩(刘焕杰，1998)，泥晶生物碎屑灰岩。局限台地相位于开阔台地相靠陆一方，主要为泥晶灰岩，生物碎屑泥晶灰岩及泥灰岩，附城灰岩以及山垢灰岩多属局限台地相沉积。
2.陆表海浅水三角洲体系
主要发育在本区山西组含煤岩系中。由于陆表海海底地形平坦，坡度小、水浅，以河流作用为主的浅水三角洲的整体形状常呈朵叶状(刘焕杰，1998)。垂向上，三角洲平原相占优势，其中分流河道相又占主要地位，三角洲前缘相及前三角洲相不发育。泥炭沼泽相是三角洲平原上的成煤环境、聚煤条件较好，煤层分布连续但厚度变化较大，也常因分流河道冲刷面变薄或尖灭。
(三)构造特征
沁水盆地为NNE向复向斜构造，介于太行和吕梁隆起带之间，构造相对比较简单，断层不甚发育。总体来看，西部以中生代褶皱和新生代正断层相叠加为特征(曹代勇，1996)，东北部和南部以中生代东西向、北东向褶皱为主，盆地中部NNE—NE向褶皱发育为主。
本区位于沁水复向斜盆地南部，东临太行山隆起，西临霍山凸起，南为中条山隆起，北部以北纬线36°为界连接沁水盆地腹部，面积约3260km2，是以石炭系—二叠系含煤沉积为主的富煤区，煤层埋藏深度大多小于1500m，煤层煤质好、生气量大、含气饱和度高、煤层气资源丰富，是煤层气勘探有利地区。
区域总体构造形态为一完整的马蹄形斜坡带，地层宽阔平缓，地层倾角平均只有4°左右，断层不发育(图4－40)，仅南部有一组北东—东西向正断层组成的弧形断裂带。区内低缓平行褶皱普遍发育，展布方向以北北东向和近南北向为主，褶皱的面积和幅度都很小，背斜幅度一般小于50m，面积小于5km2，延伸长度多在数百至上千米之间，呈典型的长轴线型褶皱，这一构造特征有利于煤层气的吸附保存。
图4－40沁南地区晋试6井－2101孔构造剖面图
(四)煤储层物性
研究表明潘庄－樊庄地区煤的变质成因以区域热变质为主(王红岩，2005)。在潘庄－樊庄地区，煤层变质程度普遍较高，煤阶达到贫煤和Ⅲ号无烟煤，Ro介于1.9%～5.25%之间。由于煤层是以区域热变质作用为主，在高温和相对低压环境下，煤层孔隙和裂隙仍较发育，孔隙度可达2.98%～7.69%(表4－15)，孔隙以微孔和过渡孔为主。
表4－15潘庄－樊庄地区煤层孔隙参数分布表(Ⅲ号无烟煤)
(据陈振宏，2007)
这一孔隙特征导致煤的孔表面积大，吸附能力强，煤层孔隙具有一定的连通性。煤样鉴定结果表明，潘庄一樊庄地区煤岩宏观类型为亮煤、半亮煤，显微组分以镜质组为主，煤层割理发育，密度可达条，裂隙充填不明显，改善了孔隙的连通性。
沁水盆地在石炭－二叠系地层沉积以后，经受了燕山早期、燕山中期、燕山晚期－喜马拉雅期三期不同方向的构造作用，导致煤层裂缝发育。在潘庄、樊庄一带，发育有4组裂缝，其方位为NE30°～40°、NE65°～85°、NW20°～50°、NW60°～85°其中NE65°～85°、NW20°～50°方位裂缝最为发育(陈振宏，2007)。
(五)煤层气保存条件
1.盖层
沁南地区3#煤顶板主要为泥岩、粉砂质泥岩，局部为中细砂岩，底板以粉砂质泥岩为主，其次为粉细砂岩，顶板泥岩厚度一般都超过5m以上，东部樊庄—潘庄区块顶板泥岩厚达24～55m，泥岩裂隙不发育，封盖能力较强。
15#煤顶板为区域上分布稳定的浅海相灰岩(K2灰岩)，由于裂隙发育程度不同，封盖能力差异较大，以寺头－后城腰断层为界，东部樊庄－潘庄区块灰岩裂隙不发育，封盖性能好，西部裂隙较发育，封盖能力差，断裂带内及其附近灰岩裂隙十分发育，为透气层。
根据3#、15#煤盖层类型及分布情况，同时考虑构造形态、裂隙分布等情况分析，认为寺头－后城腰断裂带以东，盖层的封盖性能好，其中15#煤优于3#煤，断裂带以西，盖层的封盖性较差，3#煤封盖条件优于15#煤(陈振宏，2007)。
2.水文地质条件
沁南地区东西南3个方向都是隆起区，石炭纪－二叠纪地层出露地表，接受地表水和大气降水，在地层下倾方向形成承压水区，有利于形成承压水封闭的煤层气藏，又因为石炭系－二叠系含水层为致密砂岩和煤层，渗透性很低，含水性和水的可流动性都很弱(陈振宏，2007)，避免了水流动对煤层的冲刷，也有利于煤层气的保存。
(六)煤层气资源分布特点
1.煤层展布规律
(1)煤层埋藏深度:总体上看，沁水盆地煤层向盆地中央埋藏深度逐渐增大，沁水向斜轴部地区煤层埋藏深度超过2000m。埋深2000m以浅地区约占盆地总面积的四分之三，煤层埋深梯度变化在盆地周边大，向深部逐渐变小西部大，东部小。
沁南地区煤层埋藏深度总体变化是北深南浅，中部深东西浅。3#煤层最大埋深1000m，潘庄区块、沁水区块煤层埋深相对较浅，一般200～500m，樊庄区块、郑庄区块埋藏深度中等，变化于500～800m之间，后腰断层与寺头断层之间埋藏较深，局部可达1000m;15#煤层埋深总体变化趋势与3#煤层相似，平均埋深比3#煤层深100m左右。晋城大部分地区煤层埋深在200～1000m之间，这一深度范围适合煤层气的勘探。
(2)山西组主煤层厚度分布特征:山西组3#煤层厚度变化于0.7～7.25m，平均3.25m。总体趋势为东厚西薄，东部潘庄区块、樊庄区块及中部郑庄区块厚度较大，一般5～7m，西部沁水县城南厚度也较大，可达3～5m，西南地区煤层厚度最小。3#煤层横向基本连续，有时冲刷变薄，局部出现尖灭现象，煤层结构相对稳定，无明显分岔现象。
(3)太原组主煤层厚度分布特征:太原组主煤层厚度变化于0～8m间。其平面展布规律与山西组主煤层变化呈现出相反的趋势，总体表现为北厚南薄。在西山地区煤层厚度一般在2～4m，阳泉区2～6.75m，汾西区3.1m，霍州区2m左右，潞安区1～2m，长子区3～4m，晋城—阳城区3m左右，在翼城一带一般小于1m。从上述煤厚变化情况看，区内尚有东厚西薄的趋势。
2.煤层含气量分布特征
沁南地区煤层含气量主要受埋藏深度控制，其平面分布特征与煤层埋藏深度变化相关，表现为自盆地周边煤层露头线向盆地腹地，煤层含气量增大(图4－41)。
图4－41沁南地区3#煤层含气量等值线图
潘庄区块:3#煤含气量最大值27.64m3/t，，最小6m3/t，平均15m3/t。中部含气量高，含气量在14～27.6m3/t之间;15#煤含气量最大值35m3/t，最小值9m3/t，平均18m3/t。本区中部为高值区，含气量在12～35m3/t之间。
樊庄区块:3#煤含气量最大值23m3/t，最小8m3/t，平均15m3/t，总体呈南高北低趋势。南部存在一较大范围的高值区，含气量在12～23m3/t之间;15#煤含气量最大值16m3/t，最小值7m3/t，平均13m3/t，分布特点是北高南低，中部高东西低。
(七)煤层气资源量
沁南地区煤层气风化带埋深约为200～300m左右，初步确定有利于煤层气勘探的煤层埋深为300～1500m，在这一深度范围内，含煤面积为1696km2，煤炭资源量348×108t，煤层含气量以13m3/t平均值计算，得出沁南地区煤层气资源量为4500×108m3。截至2006年年底，中国石油和中联煤层气公司在该地区的累计探明储量达1130×108m3。