平顶山煤田煤层气赋存地质条件及资源潜力评价

杨予生， 楚靖岩，李建欣， 张晓逵

(河南省煤田地质局四队，郑州 450000)

平顶山煤田位于河南省中西部，含煤面积约1 147km2。解放前就有调查活动，自1953年开始大规模的勘探开采，先后施工钻孔800多个，累计探明各类煤炭资源量约74亿t。辖平顶山天安煤业一矿、二矿、三矿等14个矿区。区内煤层气资源丰富，且几乎所有矿井都是煤与瓦斯突出矿井或高瓦斯矿井，绝对瓦斯涌出量达128.92m3/min。因此，研究该区煤层气储存特征和可采潜力，有助于预防煤与瓦斯突出，为高效开发煤层气资源提供依据。

1 地质背景

平顶山煤田地层划分属华北地层区豫西分区渑池—确山小区，地层从新到老依次为第四系、新近系、古近系、白垩系、三叠系、二叠系、石炭系和寒武系。

平顶山煤田是华北晚古生代聚煤盆地的一部分，大地构造位置处于华北古板块南缘，属华北板块内崤熊构造区，陕(县)-平(顶山)断陷分区，平顶山断隆带和韩梁断隆带。整体构造形态为一复式向斜—李口向斜，向斜东起八矿北部，经李口、李庄向北西延伸；南东端收敛扬起，向北西倾伏并呈扇状展开，西段被第四系覆盖。向斜两翼发育次一级褶皱，轴向与李口向斜基本平行，自北向南依次为襄郏背斜、灵武山向斜、洛岗向斜等。发育断层有北西、北东向两组，其中以北西向为主，属区域主干断裂(图1)。

区内含煤地层为晚古生代二叠纪含煤岩系。根据岩性及古植物群面貌组合特征，含煤地层自下而上划分为二叠系下统太原组、中统山西组和下石盒子组、上统上石盒子组，各组之间均为整合接触。根据沉积旋回、煤岩层组合特征划分为九个含煤段，其中太原组为一煤段，山西组为二煤段，下石盒子组划分为四个煤段，依次为三、四、五、六煤段，上石盒子组划分为三个煤段，依次为七、八、九煤段。各含煤段之间均为连续沉积，含煤地层总厚度平均为756.64m，含煤及层位74层，煤层累计厚18.26m，含煤系数2.39%，其中山西组、太原组含煤系数可达5.9%，可采煤层为一2、一4、二1、二2、四2、四3、五2、五3、六2、七2煤，计10层，其中二1煤、四2煤为主要可采煤层。

区内二1煤层顶底板多为泥岩、砂质泥岩或泥质粉砂岩，除首山一井和十矿二1煤顶板有少量细砂岩、粉砂岩外，其余均为泥岩或细碎屑岩，单层厚度5～24m，岩性致密完整，透气性差，对煤层气有良好的封闭性，且分布广泛、厚度稳定，可作为区域性盖层。

图1 平顶山煤田构造纲要图Figure 1 Structural outline map of Pingdingshan coalfield

2 煤储层特征

2.1 煤层特征

研究区主要气源岩为石炭、二叠系煤层，其中二1煤层位于山西组下部，层位稳定，煤厚0～10.22m，平均3.63m，属全区可采的中厚-厚煤层，局部含夹矸1～2层，厚度0.05～0.70m，结构简单，属较稳定型，为研究区最主要的气源岩层；四2煤层位于四煤段下部，下距二1煤层180m左右，层位稳定，厚0～8.79m，平均2.78m，为大部可采的薄-中厚煤层，为研究区较主要的气源岩层(表1)。

2.2 煤岩特征

以肥煤、1/3焦煤、 焦煤和瘦煤为主， 属中高变质烟煤。宏观煤岩类型主要为半亮-光亮型，次为半暗和暗淡煤。二1煤层总体以原生结构煤为主，仅在断层带附近形成构造煤，局部出现碎粒煤和糜棱煤，硬度小，易碎，偶含黄铁矿结核。四2煤以块状为主，碎裂煤次之，局部出现糜棱煤，硬度较二1煤大。弱玻璃-玻璃光泽，平均视密度为1.45 t/m3，块煤呈层状构造，条带状和线理状结构[2]。

表1 主要煤段煤层发育情况简表[1]

有机组分以镜质组和半镜质组为主，镜质组含量普遍大于60%。镜质组和半镜质组以基质镜质体和均质镜质体为主，多呈均一状、条带状，次为其它组分胶结体。含少量的碎屑镜质体，偶见结构镜质体，细胞结构多已变形，被黏土矿物和方解石充填。壳质组含量很少，主要是树皮组织和角质层，偶含孢子体碎片。惰质组在煤中含量较少，主要为半丝质体、丝质体，粗粒体量少。无机组分以黏土矿物为主，呈浸染状、透镜状和层状分布。硫化物组分则以黄铁矿为主，呈粒状、微晶集合体分布。碳酸盐以方解石为主，呈团块、脉状分于基质中，局部见石英碎屑[2-3]。

各煤层灰分产率一般为7.23%～34.48%，以低-中高灰煤为主。二1煤以低中灰煤为主，一般在15%以下。四2煤层以中-中高灰煤为主，一般在20%以上。从垂向上看，区内煤的灰分产率均呈下低上高的变化趋势。各煤层全硫含量的变化总趋势为上低下高并形成一个马鞍形，煤层原煤全硫含量一般小于1%，属特低硫煤，局部分布低硫煤，以有机硫为主，约占70%。挥发分以中高为主，四2煤一般在30%以上，二1煤一般在30%以下。

2.3 物性特征

该研究区煤化程度较高，为中、高变质烟煤，具有较大的吸附能力，特别是二1煤具有较大的吸附容量。据收集和测试的研究区等温(30℃、40℃)吸附试验资料[1]，煤的最大吸附量为48.43 m3/t，吸附能力随压力升高而增强。当压力为1MPa时，吸附量增幅较大，随着压力的持续增高，增幅明显减小(图2)。

图2 二1煤CH4的吸附等温线图Figure 2 Coal II1 CH4 adsorption isothermal curve

据八矿、十矿、十三矿二1煤裂隙扫描电镜分析表明，面割理密度18～25条/5cm，端割理3～5条/5cm，宽度0.1～0.2mm。裂隙面紧密无充填物，裂隙宽一般在0.1～0.2mm，有的可达1mm。煤层面割理走向方位主要为NE40°～60°，端割理走向主要为NW向，两者交角53°～90°，平均73°。二1煤层割理密度总体上从西向东呈增大趋势，这也是二1煤层渗透性东部比西部高的因素之一。

图3 剪性外生裂隙Figure 3 Shearing exogenous fissures

图4 张性外生裂隙Figure 4 Tensional exogenous fissures

根据3口井渗透率参数资料(图1)，煤层试井渗透率为0.04～0.094mD，平均为0.07mD，储层压力为8.37～9.99 MPa，平均为9.19 MPa(表2)。二1煤原生结构煤发育区渗透性最好，渗透率一般可达1 mD，矿井样品可达1.9mD，而煤体结构破坏比较严重的煤层，渗透性较差，多在0.01mD以下。煤岩组分中基质镜质体的微小孔、残留植物孔、矿物晶间孔、构造煤和断裂带两侧的大中型孔普遍发育，八矿、十矿、首一井煤储层孔隙度经实测为1.30%～9.80%，平均一般在4%～5%[1、3-4]。

表2 注入/压降法测得主要煤储层参数值

通过对参数井资料分析，煤层气解析率最大值为98%，最小值为56%，平均为74.86%，其中二1煤煤层气平均解析率为74.75。

3 煤层含气性及资源潜力

对分布于研究区的79个钻孔进行取样，取样深度88.5～1 400m，煤层气含量最大值为27.59m3/t，平均值为7.10m3/t，随煤层埋深增加而增高。煤层气含量梯度一般为40～50，即煤层甲烷含量每增加1m3/t，煤层下延40～50m。埋深0～850m范围内，煤层气含量变化梯度为1.47m3·t-1/100m，埋深850～1 384.37m范围内，煤层气含量变化梯度为0.89m3·t-1/100m，即深部煤层气含量增幅较小，浅部煤层气含量增幅较大。

通过对平顶山煤田13个矿区的瓦斯含量测定，其中瓦斯突出井10个，占比77%(表3)。

表3 平顶山煤田部分矿井瓦斯涌出量及等级

研究区主采煤层二1煤煤层气估算资源总量为420.46亿m3(依容积法计算得)，资源丰度平均为1.23亿m3/km2。其中埋深小于1 000m的煤层气资源量为123.62亿m3，占资源总量的29.40%。1 000～1 500m的煤层气资源量为158.29亿m3，占资源总量的37.65%。大于1 500m的煤层气资源量为138.55亿m3，占资源总量的32.95%(表3)。以平顶山煤田中部紫云山—平顶山一线为界，东部资源量赋存较丰富，煤层气资源量约为247.87亿m3，占资源总量的58.95%。其中预测的(333)资源量为219.78亿m3，远景资源量(334？)28.09亿m3。本区二1煤层煤层气资源丰度具有明显的分带性，主要受煤层厚度、气含量、埋深、地质构造和上覆地层厚度等因素影响。以首山一矿为中心，李口向斜为主轴，资源丰度向四周逐渐减小(表4)。

表4 平顶山煤田2 000m以浅二1煤煤层气资源量[5]

从表4可以看出，李口向斜两侧的四矿、六矿、十矿、十一矿、十三矿资源量大，资源丰度高。一矿以北、首山一矿及十三矿以东区域，埋深1 000m以深部分受李口向斜影响，煤层气资源丰度较高，为(0.55～1.03)×108m3/km2，平均0.79×108m3/km2；首山一井虽然受白石山背斜影响，但大部分地区煤层气资源丰度较高[6]，为(0.83～1.02)×108m3/km2，平均0.85×108m3/km2；十三矿内白石山背斜以东区域资源丰度较低，推测可能是由于煤层厚度较薄，且靠近煤层气风氧化带的缘故，煤层气资源丰度为(0.18～0.34)×108m3/km2；背斜以西地区煤层较厚，受灵武山向斜影响煤层气资源丰度较高，为(0.82～0.98)×108m3/km2，平均0.84×108m3/km2。

4 结语

(1)研究区煤层厚度大，层数多，地层倾角小，有效煤厚11～15m，主采煤层二1煤厚度大，分布稳定。各煤段基本都覆盖有泥岩、砂质泥岩等密闭性良好的区域性盖层，加之以水力封闭为主要特点的水文地质条件，使得煤层气保存良好，赋存程度较高。

(2)研究区以肥煤、1/3焦煤、焦煤和瘦煤为主，属中高变质煤，主要为半亮—光亮型煤。以镜煤为主，镜质组含量普遍大于60%。主采煤层主要是原生结构煤，割理、裂隙较发育，以微小孔径为主，具有较大的吸附能力，这些有利因素为煤层气的生成和富集奠定了基础。

(3)根据煤层气试井资料，煤层渗透率普遍较低，平均仅为0.07mD，这可能与试验井煤层结构破环较为严重，裂隙多被充填致使连通性阻塞所致。

(4)煤储层压力属正常压力储层，煤层气解吸速率较高，且煤层气的赋存处于欠饱和状态，煤层气开发时需较长时间的排水降压。