河南平頂山區(qū)塊煤層氣富集主控因素分析

劉常青 趙景輝 唐江林 鄧玉勝 吳 英

(1.中國石油化工股份有限公司華東分公司石開發(fā)研究院，江蘇 210000)

河南平頂山區(qū)塊煤層氣富集主控因素分析

劉常青 趙景輝 唐江林 鄧玉勝 吳 英

(1.中國石油化工股份有限公司華東分公司石開發(fā)研究院，江蘇 210000)

平頂山煤層氣區(qū)塊位于河南省平頂山市，地面鉆探和煤礦巷道瓦斯抽采證實其具有很好的煤層氣勘探潛力，但煤層氣富集主控因素尚不明確。本文根據(jù)該區(qū)塊的勘探開發(fā)資料，綜合分析了研究區(qū)煤層氣基本地質(zhì)條件，認(rèn)為該區(qū)煤層氣富集主要受構(gòu)造條件、沉積環(huán)境、水文地質(zhì)條件控制，剖析了其控制機理，優(yōu)選了有利目標(biāo)區(qū)。本次研究為降低該區(qū)煤層氣開發(fā)風(fēng)險和成本提供了保障，為下一步勘探開發(fā)工作提供了依據(jù)。

煤層氣富集 主控因素 構(gòu)造條件 沉積環(huán)境 水文地質(zhì) 有利目標(biāo)

1 概況

平頂山區(qū)塊位于河南省中部，行政區(qū)劃跨襄城縣和平頂山市，東西長40km，南北寬16km，登記面積為 500.64km2，預(yù)測煤炭儲量 7.4 ×109t，建成礦井14對，煤炭年產(chǎn)量2000萬t。研究區(qū)構(gòu)造位置屬南華北盆地周口凹陷，秦嶺-大別山造山帶北緣，整體構(gòu)造格局與美國黑勇士盆地近似，為大型復(fù)式向斜。中國石化華北分公司和華東分公司在區(qū)塊內(nèi)分別共實施3口煤層氣勘查井-平煤1、平煤2井、平1井，獲取了基本煤層氣地質(zhì)參數(shù)，為評價和開發(fā)該區(qū)煤層氣資源提供了條件。

2 煤層氣基本地質(zhì)條件

2.1 構(gòu)造特征

整個礦區(qū)為四周凹陷中間凸起的一個獨立斷塊隆起構(gòu)造單元，構(gòu)造上表現(xiàn)為NW向展布的斷裂褶皺，主要有魯葉斷裂、九里山斷裂、鍋底山斷裂、李口向斜、襄郟斷裂、景家洼向斜，其中李口向斜主控含煤區(qū)構(gòu)造形態(tài)，向斜軸向NW-SE，向NW傾伏，兩翼地層基本對稱，地層走向290°～310°，傾角5°～20°，向軸部地層傾角變緩，但次級褶皺發(fā)育。

2.2 煤層幾何特征

本區(qū)石炭二疊紀(jì)含煤地層包括八個煤段，共含煤74層，煤層總厚18.26m，含煤系數(shù)2.39%，其中山西組、太原組含煤系數(shù)可達5.7% ～5.9%。山西組丁煤組 (四煤)、戊煤組 (三9-10煤)、己煤組 (二1煤)為主力煤層，己煤組 (二1煤)最為發(fā)育，平面上煤層表現(xiàn)為東西厚 (5～7m)，中部薄 (3～5m)。戊煤組 (三9-10煤)與丁煤組 (四煤)南厚北薄，平均厚度0～3m;

2.3 煤巖煤質(zhì)及含氣性特征

研究區(qū)己煤組煤層鏡質(zhì)組最大反射率變化范圍0.85% ～1.81%，屬氣煤-瘦煤，煤級變化基本呈帶狀，其分布與地層走向一致。

鉆探揭示山西組己煤組煤層以半亮煤和光亮煤為主，占60%～90%，其次為暗淡煤，占14%～20%，半暗煤占10% ～19%。含夾矸率1.8% ～14.7%。己煤組煤樣顯微組分以鏡質(zhì)組、半鏡質(zhì)組為主，鏡質(zhì)組、半鏡質(zhì)組含量為62.2% ～92.5%，絲質(zhì)組含量 7.3% ～37.3%，殼質(zhì)組含量 0～1.3%。

據(jù)研究區(qū)內(nèi)66口鉆井133個含氣量測定數(shù)據(jù)，登記區(qū)內(nèi)戊煤組含氣量變化范圍4～14m3/t、己煤組含氣量變化范圍6～16m3/t，全區(qū)基本在10m3/t左右。勘探結(jié)果表明區(qū)塊西部李口含氣量兩翼含氣量低，向深部含氣量逐漸增大，且厚煤區(qū)含氣量較薄煤區(qū)含氣量高。

2.4 煤儲層特征

2.4.1 等溫吸附性

根據(jù)平煤2井戊、己煤組等溫吸附試驗，研究區(qū)戊煤郎繆爾體積VL大小為18.6m3/t，郎繆爾壓力PL為2.84MPa;已煤組郎繆爾體積VL大小為26.05m3/t，郎繆爾壓力 PL為 1.175MPa。

2.4.2 煤儲層孔隙性

煤層的孔隙是衡量煤層氣儲存和運移性能的重要參數(shù)之一。實驗分析結(jié)果表明，平頂山地區(qū)二1煤孔隙度較大，實測結(jié)果為2.76% ～5.97%，平均為4.74%。

2.4.3 滲透性

研究區(qū)煤體結(jié)構(gòu)東西差異較大。西部 (以四礦為代表)，井下采樣煤體結(jié)構(gòu)為原生結(jié)構(gòu)煤，割理較為發(fā)育，具有良好的滲透性，而東部構(gòu)造復(fù)雜區(qū) (首山一礦區(qū))糜棱煤普遍發(fā)育，嚴(yán)重影響煤層的滲透率。

2.5 保存條件

實鉆結(jié)果表明已煤頂?shù)装寰阅鄮r為主，煤儲層具有正常原始儲層壓力特征，煤層采出水質(zhì)類型為HCO3～Na，礦化度較高，大于0.5g/L，以滯留水為主，證明該區(qū)煤層氣保存條件良好，為煤層氣富集提供了基礎(chǔ)條件。

2.6 資源條件

平頂山區(qū)塊具有勘探開發(fā)潛力的煤層氣資源量為521.4億m3。其中戊煤組煤炭儲量為30億 t，平均煤層含氣量為6.68m3/t;戊組煤層氣資源量為200.64億m3。己煤組煤炭儲量42億t，平均煤層含氣量值為7.64m3/t，煤層氣資源量為320.76億m3。

3 煤層氣富集主控因素分析

3.1 構(gòu)造條件

研究區(qū)總體構(gòu)造特點以壓 (扭)性為主，有利于煤層氣保存。而研究區(qū)北東、北西、東部均發(fā)育落差達數(shù)千米的正斷層-襄郟斷層、郟縣斷層、洛崗斷層等，由于其落差大且延伸長，因此與地表或下部灰?guī)r含水層溝通，導(dǎo)致其影響范圍內(nèi)含氣量偏低，構(gòu)成了煤層氣逸散邊界，如李口向斜北翼十三礦己煤含氣量均小于6m3/t。

構(gòu)造對煤層氣分布規(guī)律的影響也表現(xiàn)在煤體結(jié)構(gòu)上。研究區(qū)燕山運動中期秦嶺區(qū)各主干斷裂發(fā)生強烈的逆沖推覆構(gòu)造，研究區(qū)東部表現(xiàn)為煤層傾角大，煤層在逆沖推覆構(gòu)造應(yīng)力作用下產(chǎn)生順層滑動，進而形成構(gòu)造煤，煤體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為碎粒、糜棱結(jié)構(gòu)，平面上含氣量差異大;而西部構(gòu)造寬緩，如向斜翼部構(gòu)造部位由于受擠壓應(yīng)力作用影響較小而發(fā)育原生結(jié)構(gòu)及碎裂結(jié)構(gòu)煤，與平面上含氣量分布特征較為一致。

因此從構(gòu)造演化史、構(gòu)造形態(tài)、斷層特征、煤體結(jié)構(gòu)角度可將研究區(qū)塊分為西部構(gòu)造簡單區(qū)、東部構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，西部構(gòu)造簡單區(qū)地質(zhì)條件優(yōu)越是下一步勘探的重點地區(qū) (圖1)。

圖1 平頂山地區(qū)構(gòu)造分區(qū)圖

3.2 沉積環(huán)境

研究區(qū)極潮濕-覆水環(huán)境保證了煤層產(chǎn)氣量。采用煤巖學(xué)、沉積學(xué)理論分析方法，結(jié)合平煤1井、平煤2井戊、己煤組取芯煤巖實驗，結(jié)果表明己煤組宏觀煤巖類型以半亮煤和光亮煤為主 (占60%～90%)，同時夾雜暗煤與絲炭，平均鏡惰比(V/I)為1.7;戊煤宏觀煤巖類型以半亮煤和光亮煤為主，平均鏡惰比 (V/I)為3.7，分析認(rèn)為兩組煤層均在極潮濕-覆水環(huán)境，均有利于煤層生氣，為煤層氣的富集奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

從巖性組合及封蓋能力，已煤組受淺海潮坪沉積體系控制，泥坪較為發(fā)育，煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖為主，為煤層氣提供了良好的保存條件。通過沉積特征分析認(rèn)為研究區(qū)山西組下段地層 (含己煤組地層)是潮坪沉積環(huán)境的產(chǎn)物。己煤層在研究區(qū)西部及東部比較發(fā)育，煤層厚度一般在6m左右，局部厚度達8m。但在研究區(qū)中部 (六礦～一礦)地區(qū)，煤層普遍分叉且變薄，存在一個SN向延伸數(shù)千米的薄煤帶，分析認(rèn)為該薄煤帶處潮道分布地區(qū)，受潮汐雙向水流作用和砂質(zhì)沉積基底影響，無法保持泥炭堆積速度與沉降速度的均衡狀態(tài)，必然導(dǎo)致泥炭沼澤短暫的出現(xiàn)或短暫的周期性出現(xiàn)，因此表現(xiàn)為薄煤層或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的煤層，同時受物質(zhì)基礎(chǔ)控制的含氣量也受到一定影響。而在遠離潮道區(qū)即研究區(qū)西部及東部，泥炭沼澤發(fā)育，聚煤環(huán)境相對優(yōu)于潮道分布區(qū)，同時泥質(zhì)基底為泥炭堆積提供了場所，使得泥炭堆積速度和基底沉降速度保持均衡狀態(tài)，成煤條件好，煤層厚度較大。在其他地質(zhì)條件有保證的基礎(chǔ)上，厚煤層產(chǎn)氣量高，且由于煤層一般具有較低的滲透率在煤層氣運移過程充當(dāng)了有效蓋層角色，為煤層氣富集提供了條件。研究區(qū)中部受潮道影響煤層薄且分叉，同時煤層頂?shù)装迳皫r或泥質(zhì)砂巖較為發(fā)育，不利于煤層氣保存，因此表現(xiàn)為中部薄煤區(qū)含氣量 (10m3/t)較厚煤區(qū) (16m3/t)低 (圖2)。

3.3 水文地質(zhì)條件

煤層氣的形成運移富集以及資源評價開采各個方面都與地下水及水文地質(zhì)條件息息相關(guān)。研究區(qū)為一個周邊被拗陷拱托的抬升地塊、形成一個封閉性較好的獨立水文地質(zhì)單元。煤層上覆地層較厚，含水層以孔隙裂隙弱含水層為主，滲透性較差，且因砂泥巖互層而無明顯水力聯(lián)系，使游離及解吸出的煤層氣資源不易散失，具備良好的保存條件。

圖2 平頂山區(qū)塊己煤組含氣量等值線圖

圖3 平頂山區(qū)塊有利目標(biāo)區(qū)

二疊系山西組己煤頂板砂巖裂隙含水層主要由煤層頂板大占和香炭兩層砂巖組成。其中大占砂巖下距己煤層5～15m，平均7m，巖性主要為中粗粒長石砂巖，硅質(zhì)膠結(jié)，裂隙發(fā)育中等，厚18～30m，平均15.2m。香炭砂巖下距己煤層5～30m，平均20m，巖性主要為中細(xì)粒長石石英砂巖，硅鈣質(zhì)膠結(jié)，裂隙發(fā)育中等，厚4.47～24.94m，平均12m。據(jù)抽水試驗，單位涌水量分別為0.0174和0.0180L ∕ s·m，滲透系數(shù)為 0.0610 和 0.0429m∕d，水質(zhì)類型為 HCO3～Na，礦化度大于0.5g/L，研究區(qū)山西組己煤頂板屬于富水性弱的含水層，地下水交替作用弱，對煤層氣的保存和封蓋有利。

依據(jù)構(gòu)造的導(dǎo)水與隔水性、水文地質(zhì)特征、地下水的補徑排條件，以鍋底山斷層為界，將平頂山區(qū)塊劃分為東、西兩個大的水文地質(zhì)單元-徑流區(qū)、補給區(qū)。結(jié)合研究區(qū)山西組己煤組含氣性特征，李口向斜軸部屬滯留區(qū)，且頂板保存條件優(yōu)良，因此煤層含氣量較高，最高達16m3/t。而鍋底山斷層上盤補給區(qū)煤層氣含氣量小于6m3/t。分析認(rèn)為地下水或大氣降水由補給區(qū)沿煤層向向斜深部運移，導(dǎo)致至滯留區(qū)煤儲層后儲層壓力增高和煤層氣富集，從而形成了水動力封堵性煤層氣藏。

4 結(jié)論

(1)通過對平頂山地區(qū)煤層氣富集規(guī)律剖析，認(rèn)為構(gòu)造條件、沉積環(huán)境、水文地質(zhì)條件是其主要控制因素，而且多因素綜合作用導(dǎo)致煤層氣平面分布具有差異性。

(2)晚白堊世至早第三紀(jì)時期秦嶺造山運動導(dǎo)致除向斜和局部糜棱煤封堵部位良好保存條件外，向斜兩翼煤層氣大量逸散，含氣量受到嚴(yán)重影響;正斷層附件含氣量偏低，受逆斷層控制地區(qū)含氣量較高。

(3)從構(gòu)造煤發(fā)育程度，斷裂密度、受力狀態(tài)可將平頂山地區(qū)分為西部構(gòu)造簡單區(qū)、東部構(gòu)造復(fù)雜區(qū)。西部構(gòu)造簡單區(qū)煤體結(jié)構(gòu)以原生、碎裂結(jié)構(gòu)為主，且總體煤層厚度大，含氣量高，有利于煤層氣的勘探開發(fā);而東部構(gòu)造復(fù)雜區(qū)廣泛發(fā)育糜棱煤，滲透率極低，非有利目標(biāo)區(qū)。

(4)已、戊煤組為極潮濕-覆水煤相控制，煤層生氣條件優(yōu)異，但研究區(qū)中部煤系受潮道影響煤層薄且分叉，同時煤層頂?shù)装迳皫r或泥質(zhì)砂巖較為發(fā)育，不利于煤層氣保存。

(5)研究區(qū)山西組己煤頂板屬于富水性弱的含水層，地下水交替作用弱，對煤層氣的保存和封蓋有利。將平頂山區(qū)塊劃分為東、西兩個大的水文地質(zhì)單元-徑流區(qū)、補給區(qū)，李口向斜軸部煤層水礦化度高，水體交替緩慢，形成了水動力封堵性煤層氣藏。

(6)綜合評價指出西部構(gòu)造簡單區(qū)內(nèi)146.8km3Ⅰ類有利目標(biāo)區(qū) (圖3)，斷裂不甚發(fā)育，且受潮道影響較小，頂?shù)装鍘r性以泥巖為主，滯留水環(huán)境，煤層氣保存條件優(yōu)異，是研究區(qū)煤層氣開發(fā)最為有利地區(qū)。

［1］李雪雁，吳亮，陳俊亮.平頂山礦區(qū)煤層氣資源量預(yù)測淺探 ［J］.中州煤炭，2004，127(1):17-27.

［2］張子敏，張玉貴.平頂山礦區(qū)構(gòu)造演化和對煤與瓦斯突出的控制 ［C］.瓦斯地質(zhì)研究與應(yīng)用—中國煤炭學(xué)會瓦斯地質(zhì)專業(yè)委員會第三次全國瓦斯地質(zhì)學(xué)術(shù)研討會.2003.

［3］郭德勇，韓德馨，張建國.平頂山礦區(qū)構(gòu)造煤分布規(guī)律及成因研究 ［J］.煤炭學(xué)報.2002，27(3):249-253.

［4］陳松，桂和榮，馬艷平等.平頂山礦區(qū)含煤地層沉積環(huán)境及聚煤特征 ［J］.煤炭工程.2010.6:73-75.

［5］彭倫，傅雪海，邊兵等.平頂山礦區(qū)煤層氣有利可采區(qū)段優(yōu)選分析 ［J］.中國煤層氣.2010，7(3):31-33.

［6］王占磊，吳財芳，李勃.平頂山礦區(qū)影響煤層氣含氣量的地質(zhì)因素研究 ［J］.地質(zhì)學(xué)報.2010，30(2):191-193.

［7］孟召平，田永東，李國富.沁水盆地南部煤儲層滲透性與地應(yīng)力之間關(guān)系和控制機理［J］.自然科學(xué)進展 .2009，19(10):1142-1148.

［8］張延新，蔡美峰，王克忠.平頂山一礦地應(yīng)力分布特征研究 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2004，23(23):4033-4037.

［9］Wilfrido Solano-Acosta.Cleats and the irrelation to geologic lineaments and coalbed methane potential in Pennsylvanian coals in Indiana ［J］.Coal Geology.2007，72(72):187-208.

［10］王洪林，唐書恒，林建法.華北煤層氣儲層研究與評價［M］.中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

［11］雷崇利.用鉆孔煤心鑒別煤層煤體結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用［J］.煤田地質(zhì)與勘探.2001，29(2):11-13.

［12］孟召平，田永東，李國富.沁水盆地南部地應(yīng)力場特征及其研究意義 ［J］.煤炭學(xué)報 .2010，35(6):975-981.

［13］宋岑，吳財芳，劉君.平頂山礦區(qū)主采煤層控氣地質(zhì)構(gòu)造特征研究 ［J］.能源技術(shù)與管理.2009，1(6):9-10.

［14］許福美，方愛民.山東兗州礦區(qū)太原組16號煤層煤相研究 ［J］.煤田地質(zhì)與勘探.2005，33(4):10-13.

Analysis on Main Controlling Factors for Coalbed Methane Enrichment in Henan Pingdingshan Block

Liu Changqing，Zhao Jinghui，Tang Jianglin，Deng Yusheng，Wu Ying
(1.Research Institute of Petroleum Exploration and Development Institute，East China Branch，SINOPEC，Jiangsu 210000)［HJ*4］［HJ］

Pingdingshan coalbed methane block locates at Pingdingshan city in Henan province.Ground drilling exploration and gas drainage at coal mine roadway have proven that it is of excellent coalbed methane exploration potential，but main controlling factors for coalbed methane enrichment remain unidentified.The authors discuss basic geological conditions of coalbed methane within the researched area based on exploration and development data of this block，believe that the coalbed methane enrichment within the block is mainly restricted by structural environment，sedimentary environment and hydrogeological condition，analyze its control mechanism and preferentially select the favorable target areas.The study guarantees to reduce coalbed methane development risks and costs within the block，and provides basis for further exploration and development.

Coalbed methane enrichment;main controlling factor;structural environment;sedimentary environment;hydrogeology;favorable target

劉常青，男，碩士，主要從事煤層氣地質(zhì)與勘探。

(責(zé)任編輯 桑逢云)