河南平顶山区块煤层气富集主控因素分析

刘常青 赵景辉 唐江林 邓玉胜 吴 英

(1.中国石油化工股份有限公司华东分公司石开发研究院，江苏 210000)

河南平顶山区块煤层气富集主控因素分析

刘常青 赵景辉 唐江林 邓玉胜 吴 英

(1.中国石油化工股份有限公司华东分公司石开发研究院，江苏 210000)

平顶山煤层气区块位于河南省平顶山市，地面钻探和煤矿巷道瓦斯抽采证实其具有很好的煤层气勘探潜力，但煤层气富集主控因素尚不明确。本文根据该区块的勘探开发资料，综合分析了研究区煤层气基本地质条件，认为该区煤层气富集主要受构造条件、沉积环境、水文地质条件控制，剖析了其控制机理，优选了有利目标区。本次研究为降低该区煤层气开发风险和成本提供了保障，为下一步勘探开发工作提供了依据。

煤层气富集 主控因素 构造条件 沉积环境 水文地质 有利目标

1 概况

平顶山区块位于河南省中部，行政区划跨襄城县和平顶山市，东西长40km，南北宽16km，登记面积为 500.64km2，预测煤炭储量 7.4 ×109t，建成矿井14对，煤炭年产量2000万t。研究区构造位置属南华北盆地周口凹陷，秦岭-大别山造山带北缘，整体构造格局与美国黑勇士盆地近似，为大型复式向斜。中国石化华北分公司和华东分公司在区块内分别共实施3口煤层气勘查井-平煤1、平煤2井、平1井，获取了基本煤层气地质参数，为评价和开发该区煤层气资源提供了条件。

2 煤层气基本地质条件

2.1 构造特征

整个矿区为四周凹陷中间凸起的一个独立断块隆起构造单元，构造上表现为NW向展布的断裂褶皱，主要有鲁叶断裂、九里山断裂、锅底山断裂、李口向斜、襄郏断裂、景家洼向斜，其中李口向斜主控含煤区构造形态，向斜轴向NW-SE，向NW倾伏，两翼地层基本对称，地层走向290°～310°，倾角5°～20°，向轴部地层倾角变缓，但次级褶皱发育。

2.2 煤层几何特征

本区石炭二叠纪含煤地层包括八个煤段，共含煤74层，煤层总厚18.26m，含煤系数2.39%，其中山西组、太原组含煤系数可达5.7% ～5.9%。山西组丁煤组 (四煤)、戊煤组 (三9-10煤)、己煤组 (二1煤)为主力煤层，己煤组 (二1煤)最为发育，平面上煤层表现为东西厚 (5～7m)，中部薄 (3～5m)。戊煤组 (三9-10煤)与丁煤组 (四煤)南厚北薄，平均厚度0～3m;

2.3 煤岩煤质及含气性特征

研究区己煤组煤层镜质组最大反射率变化范围0.85% ～1.81%，属气煤-瘦煤，煤级变化基本呈带状，其分布与地层走向一致。

钻探揭示山西组己煤组煤层以半亮煤和光亮煤为主，占60%～90%，其次为暗淡煤，占14%～20%，半暗煤占10% ～19%。含夹矸率1.8% ～14.7%。己煤组煤样显微组分以镜质组、半镜质组为主，镜质组、半镜质组含量为62.2% ～92.5%，丝质组含量 7.3% ～37.3%，壳质组含量 0～1.3%。

据研究区内66口钻井133个含气量测定数据，登记区内戊煤组含气量变化范围4～14m3/t、己煤组含气量变化范围6～16m3/t，全区基本在10m3/t左右。勘探结果表明区块西部李口含气量两翼含气量低，向深部含气量逐渐增大，且厚煤区含气量较薄煤区含气量高。

2.4 煤储层特征

2.4.1 等温吸附性

根据平煤2井戊、己煤组等温吸附试验，研究区戊煤郎缪尔体积VL大小为18.6m3/t，郎缪尔压力PL为2.84MPa;已煤组郎缪尔体积VL大小为26.05m3/t，郎缪尔压力 PL为 1.175MPa。

2.4.2 煤储层孔隙性

煤层的孔隙是衡量煤层气储存和运移性能的重要参数之一。实验分析结果表明，平顶山地区二1煤孔隙度较大，实测结果为2.76% ～5.97%，平均为4.74%。

2.4.3 渗透性

研究区煤体结构东西差异较大。西部 (以四矿为代表)，井下采样煤体结构为原生结构煤，割理较为发育，具有良好的渗透性，而东部构造复杂区 (首山一矿区)糜棱煤普遍发育，严重影响煤层的渗透率。

2.5 保存条件

实钻结果表明已煤顶底板均以泥岩为主，煤储层具有正常原始储层压力特征，煤层采出水质类型为HCO3～Na，矿化度较高，大于0.5g/L，以滞留水为主，证明该区煤层气保存条件良好，为煤层气富集提供了基础条件。

2.6 资源条件

平顶山区块具有勘探开发潜力的煤层气资源量为521.4亿m3。其中戊煤组煤炭储量为30亿 t，平均煤层含气量为6.68m3/t;戊组煤层气资源量为200.64亿m3。己煤组煤炭储量42亿t，平均煤层含气量值为7.64m3/t，煤层气资源量为320.76亿m3。

3 煤层气富集主控因素分析

3.1 构造条件

研究区总体构造特点以压 (扭)性为主，有利于煤层气保存。而研究区北东、北西、东部均发育落差达数千米的正断层-襄郏断层、郏县断层、洛岗断层等，由于其落差大且延伸长，因此与地表或下部灰岩含水层沟通，导致其影响范围内含气量偏低，构成了煤层气逸散边界，如李口向斜北翼十三矿己煤含气量均小于6m3/t。

构造对煤层气分布规律的影响也表现在煤体结构上。研究区燕山运动中期秦岭区各主干断裂发生强烈的逆冲推覆构造，研究区东部表现为煤层倾角大，煤层在逆冲推覆构造应力作用下产生顺层滑动，进而形成构造煤，煤体结构表现为碎粒、糜棱结构，平面上含气量差异大;而西部构造宽缓，如向斜翼部构造部位由于受挤压应力作用影响较小而发育原生结构及碎裂结构煤，与平面上含气量分布特征较为一致。

因此从构造演化史、构造形态、断层特征、煤体结构角度可将研究区块分为西部构造简单区、东部构造复杂区，西部构造简单区地质条件优越是下一步勘探的重点地区 (图1)。

图1 平顶山地区构造分区图

3.2 沉积环境

研究区极潮湿-覆水环境保证了煤层产气量。采用煤岩学、沉积学理论分析方法，结合平煤1井、平煤2井戊、己煤组取芯煤岩实验，结果表明己煤组宏观煤岩类型以半亮煤和光亮煤为主 (占60%～90%)，同时夹杂暗煤与丝炭，平均镜惰比(V/I)为1.7;戊煤宏观煤岩类型以半亮煤和光亮煤为主，平均镜惰比 (V/I)为3.7，分析认为两组煤层均在极潮湿-覆水环境，均有利于煤层生气，为煤层气的富集奠定了物质基础。

从岩性组合及封盖能力，已煤组受浅海潮坪沉积体系控制，泥坪较为发育，煤层顶底板岩性以泥岩为主，为煤层气提供了良好的保存条件。通过沉积特征分析认为研究区山西组下段地层 (含己煤组地层)是潮坪沉积环境的产物。己煤层在研究区西部及东部比较发育，煤层厚度一般在6m左右，局部厚度达8m。但在研究区中部 (六矿～一矿)地区，煤层普遍分叉且变薄，存在一个SN向延伸数千米的薄煤带，分析认为该薄煤带处潮道分布地区，受潮汐双向水流作用和砂质沉积基底影响，无法保持泥炭堆积速度与沉降速度的均衡状态，必然导致泥炭沼泽短暂的出现或短暂的周期性出现，因此表现为薄煤层或结构复杂的煤层，同时受物质基础控制的含气量也受到一定影响。而在远离潮道区即研究区西部及东部，泥炭沼泽发育，聚煤环境相对优于潮道分布区，同时泥质基底为泥炭堆积提供了场所，使得泥炭堆积速度和基底沉降速度保持均衡状态，成煤条件好，煤层厚度较大。在其他地质条件有保证的基础上，厚煤层产气量高，且由于煤层一般具有较低的渗透率在煤层气运移过程充当了有效盖层角色，为煤层气富集提供了条件。研究区中部受潮道影响煤层薄且分叉，同时煤层顶底板砂岩或泥质砂岩较为发育，不利于煤层气保存，因此表现为中部薄煤区含气量 (10m3/t)较厚煤区 (16m3/t)低 (图2)。

3.3 水文地质条件

煤层气的形成运移富集以及资源评价开采各个方面都与地下水及水文地质条件息息相关。研究区为一个周边被拗陷拱托的抬升地块、形成一个封闭性较好的独立水文地质单元。煤层上覆地层较厚，含水层以孔隙裂隙弱含水层为主，渗透性较差，且因砂泥岩互层而无明显水力联系，使游离及解吸出的煤层气资源不易散失，具备良好的保存条件。

图2 平顶山区块己煤组含气量等值线图

图3 平顶山区块有利目标区

二叠系山西组己煤顶板砂岩裂隙含水层主要由煤层顶板大占和香炭两层砂岩组成。其中大占砂岩下距己煤层5～15m，平均7m，岩性主要为中粗粒长石砂岩，硅质胶结，裂隙发育中等，厚18～30m，平均15.2m。香炭砂岩下距己煤层5～30m，平均20m，岩性主要为中细粒长石石英砂岩，硅钙质胶结，裂隙发育中等，厚4.47～24.94m，平均12m。据抽水试验，单位涌水量分别为0.0174和0.0180L ∕ s·m，渗透系数为 0.0610 和 0.0429m∕d，水质类型为 HCO3～Na，矿化度大于0.5g/L，研究区山西组己煤顶板属于富水性弱的含水层，地下水交替作用弱，对煤层气的保存和封盖有利。

依据构造的导水与隔水性、水文地质特征、地下水的补径排条件，以锅底山断层为界，将平顶山区块划分为东、西两个大的水文地质单元-径流区、补给区。结合研究区山西组己煤组含气性特征，李口向斜轴部属滞留区，且顶板保存条件优良，因此煤层含气量较高，最高达16m3/t。而锅底山断层上盘补给区煤层气含气量小于6m3/t。分析认为地下水或大气降水由补给区沿煤层向向斜深部运移，导致至滞留区煤储层后储层压力增高和煤层气富集，从而形成了水动力封堵性煤层气藏。

4 结论

(1)通过对平顶山地区煤层气富集规律剖析，认为构造条件、沉积环境、水文地质条件是其主要控制因素，而且多因素综合作用导致煤层气平面分布具有差异性。

(2)晚白垩世至早第三纪时期秦岭造山运动导致除向斜和局部糜棱煤封堵部位良好保存条件外，向斜两翼煤层气大量逸散，含气量受到严重影响;正断层附件含气量偏低，受逆断层控制地区含气量较高。

(3)从构造煤发育程度，断裂密度、受力状态可将平顶山地区分为西部构造简单区、东部构造复杂区。西部构造简单区煤体结构以原生、碎裂结构为主，且总体煤层厚度大，含气量高，有利于煤层气的勘探开发;而东部构造复杂区广泛发育糜棱煤，渗透率极低，非有利目标区。

(4)已、戊煤组为极潮湿-覆水煤相控制，煤层生气条件优异，但研究区中部煤系受潮道影响煤层薄且分叉，同时煤层顶底板砂岩或泥质砂岩较为发育，不利于煤层气保存。

(5)研究区山西组己煤顶板属于富水性弱的含水层，地下水交替作用弱，对煤层气的保存和封盖有利。将平顶山区块划分为东、西两个大的水文地质单元-径流区、补给区，李口向斜轴部煤层水矿化度高，水体交替缓慢，形成了水动力封堵性煤层气藏。

(6)综合评价指出西部构造简单区内146.8km3Ⅰ类有利目标区 (图3)，断裂不甚发育，且受潮道影响较小，顶底板岩性以泥岩为主，滞留水环境，煤层气保存条件优异，是研究区煤层气开发最为有利地区。

［1］李雪雁，吴亮，陈俊亮.平顶山矿区煤层气资源量预测浅探 ［J］.中州煤炭，2004，127(1):17-27.

［2］张子敏，张玉贵.平顶山矿区构造演化和对煤与瓦斯突出的控制 ［C］.瓦斯地质研究与应用—中国煤炭学会瓦斯地质专业委员会第三次全国瓦斯地质学术研讨会.2003.

［3］郭德勇，韩德馨，张建国.平顶山矿区构造煤分布规律及成因研究 ［J］.煤炭学报.2002，27(3):249-253.

［4］陈松，桂和荣，马艳平等.平顶山矿区含煤地层沉积环境及聚煤特征 ［J］.煤炭工程.2010.6:73-75.

［5］彭伦，傅雪海，边兵等.平顶山矿区煤层气有利可采区段优选分析 ［J］.中国煤层气.2010，7(3):31-33.

［6］王占磊，吴财芳，李勃.平顶山矿区影响煤层气含气量的地质因素研究 ［J］.地质学报.2010，30(2):191-193.

［7］孟召平，田永东，李国富.沁水盆地南部煤储层渗透性与地应力之间关系和控制机理［J］.自然科学进展 .2009，19(10):1142-1148.

［8］张延新，蔡美峰，王克忠.平顶山一矿地应力分布特征研究 ［J］.岩石力学与工程学报.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，唐书恒，林建法.华北煤层气储层研究与评价［M］.中国矿业大学出版社，2000.

［11］雷崇利.用钻孔煤心鉴别煤层煤体结构及其应用［J］.煤田地质与勘探.2001，29(2):11-13.

［12］孟召平，田永东，李国富.沁水盆地南部地应力场特征及其研究意义 ［J］.煤炭学报 .2010，35(6):975-981.

［13］宋岑，吴财芳，刘君.平顶山矿区主采煤层控气地质构造特征研究 ［J］.能源技术与管理.2009，1(6):9-10.

［14］许福美，方爱民.山东兖州矿区太原组16号煤层煤相研究 ［J］.煤田地质与勘探.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

刘常青，男，硕士，主要从事煤层气地质与勘探。

(责任编辑 桑逢云)