河南省下二叠统山西组二1煤煤层气地质特征

2005/10/14 11:16:30

　　摘要　从影响煤层气勘探开发的主要因素：煤厚、煤岩组成、煤级、煤体结构、裂隙系统、渗透性、吸附／解吸特性和含气量等方面对河南省的主采煤层——二₁煤的煤层气地质学特征进行了详细论述，指出镜质组含量较高、割理比较发育、外生裂隙发育适中的原生结构煤和碎裂煤渗透性最好，是最有利的储层；外生裂隙发育适中的无烟煤是有利储层；碎粒煤为不利储层；糜棱煤为不可开发储层；临界解吸压力较高、含气量较高的中煤级煤分布区是煤层气勘探开发的首选地区。
　　关键词　煤层　煤层气　含气量　地质特征
　　中国图书资料分类法分类号　P618.11

GEOLOGICAL CHARACTERISTICS OF COALBED METHANE IN Ⅱ₁ COAL IN LOWER PERMIAN SHANXI FORMATION，HENAN PROVINCE

Sheng Jianhai
(Henan Bureau of Coal Geology)
Su Xianbo
(Jiaozuo Institute of Technology)

　　Abstract　From the aspects such as coal thickness,petrological component,coal rank,coal matrix structure,fracture system,permeabillity,adsorption/desorption features and gas content,which are the main factors having the influences on the exploration and development of coalbed gas,the detailed expound on the geological characteristics of coalbed methane in Ⅱ₁ coal,the main minable coal seam in Henan Province,is conducted.It is indicated that in both coal with original texture and fractured coal,which have higher vitrinite content,more developed cleats and moderately developed fractures,the permeability is best,is the most favorable reservoir;the anthracite with moderately developed fractures is the favorable one;the granulitic coal is the unfavorable one,and the mylonitic coal is the one could not be developed.The first selected area for exploration and development of coalbed methane is the area in where the medium ranks of coal with higher critical desorption pressure and higher gas content are distrbuted.
　　Keywords　coal seam;coalbed methane;gas content;geological characteristics

1　引言

　　煤层气地质学是一门以煤层气储层和煤层气为研究对象，以多学科多手段探讨其时空演化和展布规律的新兴边缘学科，其研究成果是煤层气勘探开发的直接依据。
　　山西组二₁煤为河南省境域内的主采煤层，其煤层气含量变化较大，0～40 m³/t不等，多数矿区均具有含气量大于8 m³/t的井田或块段。河南省赋存着丰富的煤层气资源，1 500 m以浅的煤层气资源量达6 74亿 m³，1 500～2 000 m为2 817亿 m³。制约河南省煤层气开发的关键问题是储层。在以往的生产科研活动中，出于不同目的，对煤层气储层和含气量进行了不同侧面的描述，积累了一定的资料^［1］。本文通过对这些资料的系统分析，结合近期作者的研究成果^［2～5］，着重从煤厚、煤岩组成、煤体结构、割理和裂隙、渗透性、基质孔隙和吸附特性等方面对煤层气储层进行描述，并对储层的含气量及其控制因素进行讨论，旨在通过这些论述对河南省煤层气的地质学特征有一总体认识，为进一步的选区评价奠定基础，为科学地选择强化开发工艺提供信息。

2　二₁煤厚度变化规律

　　河南省山西组二₁煤的厚度变化见图1。由该图可知，除西部沿黄河两岸存在薄、无煤带外，其它地区均在2 m以上，最厚＞30 m，平均3.35 m。总体有北厚南薄、由西向东为薄—厚—薄的总体趋势。

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图1　河南省山西组二₁煤厚度变化规律

3　煤层气储层描述

3.1　二₁煤的煤岩特征
　　二₁煤的有机显微组分以镜质组为主，大部分地区均在70%以上，其次是惰性组分，稳定组分仅在中低变质煤中可以识别，但含量极低，一般＜5%。无机组分以粘土矿物为主，其次是方解石。豫西西部黄铁矿含量较高，其它矿物比较少见。(表1)

表1　河南省山西组二₁煤的煤岩组成　%

评价区	有　机　组　分						无　机　组　分					R_o,max
评价区	镜质组	半镜质组	半丝质组	丝质体	稳定组	合计	粘土类	硫化物类	碳酸盐类	氧化物类	其它	R_o,max
安—鹤	62.92	22.63	4.97	1.07		91.59	6.54	0.10	1.37	0.40		1.64～3.22
焦作	84.30		2.10			86.40	13.00		0.60			3.27
陕渑	65.52	12.73	12.38			90.63	6.39	1.87	1.11			1.65
新安	71.23	11.57	3.05	3.59		89.44	9.28	0.97	0.23	0.08		2.32
宜洛	63.54	12.43	10.6	3.07		89.65	9.90	0.10	0.35
偃龙	86.40	1.80	0.10	1.20		89.50	9.20	0.60	0.60	0.10		5.73
荥巩	73.59	8.93	1.19	4.95		88.66	10.28	0.33	0.55	0.18		4.92
新密	69.91	17.29	3.66	0.87		91.73	7.79	0.06	0.36	0.06		2.24
登封	66.07	14.99	6.19	1.29		88.54	10.37	0.46	0.44	0.15	0.04	2.19
禹县	61.78	18.27	4.46	5.45	89.96	9.00	0.30	0.54	0.20		2.00～2.24
临汝	70.23	4.43	0.59	17.5		92.77	6.11	0.80	0.28	0.04
平顶山	65.93		8.22	13.1	1.54	88.80	9.57				1.63	0.95～1.84
永夏	78.83		11.76			90.49	8.79				0.72	2.44～3.48

　　煤的有机组成不仅影响到煤层气的形成，而且影响其赋存。镜质组对煤层气的生成和吸附极为有利，高镜质组煤在其热演化过程中生成了大量甲烷，其强烈的吸附能力，使得这些气体大部分保存于其中。河南省山西组二₁煤镜质组含量普遍较高，极有利于煤层气的生成和赋存。
3.2　煤体结构
　　瓦斯地质学中关于煤体结构的划分为煤层气储层的描述和空间预测提供了一种科学的方法。特别是近期通过测井资料识别煤体结构技术的突破，使得此项研究更具意义。瓦斯地质学依据煤层遭受构造破坏的强弱程度，将煤体结构划分为原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤四类^［6］。
　　河南省由于其所处的特殊的大地构造位置，使得山西组二₁煤的煤体结构极为复杂，其破坏程度可从两个方面描述：一是煤的自然粒级。由表2可知豫北和豫东地区煤体粒度较大，＞50 mm粒级的在15%以上，＜0.5 mm的一般小于15%；豫西诸矿区细粒级煤所占比例较大，＜0.5 mm占20%～30%，＜6 mm的高达60%～80%；平顶山矿区位于二者之间。这就预示着豫西地区煤体破坏最为强烈，平顶山次之，豫东和豫北地区相对微弱。

表2　山西组二₁煤的自然粒级组成　%

粒级 /mm	矿　　　　　　　　　　区
粒级 /mm	安阳	鹤壁	焦作	永城	平顶山	陕渑	新安	荥巩	登封	新密	禹县	宜洛
＞50	17.65	16.85	23.80	15.52	7.37	3.87	2.89	6.68	5.19	5.27	3.87	3.83
6～0.5	46.02	29.06	22.61	28.83	46.66	42.91	60.22	49.96	44.33	42.60	52.33	52.65
＜0.5	11.49	13.06	93	11.50	17.34	25.26	20.00	18.60	24.86	29.78	29.47	23.65

　　豫北和豫东地区原生结构煤和碎裂煤所占比例较高；豫西诸矿区几乎均为构造煤，且糜棱煤极为发育，在有些矿区几乎全是糜棱煤如荥巩矿区；平顶山矿区位于二者之间，在局部井田或同一煤层的不同分层还保存有原生结构煤和碎裂煤。可见煤体结构与粒级的空间分布是吻合的。
　　煤体结构是煤的物质组成和构造作用的产物，其空间分布规律可通过煤岩学、构造地质学、测井等描述。以往煤层气勘探开发的实践表明原生结构和碎裂煤的渗透性较好，是最有利的储层。因此煤体结构的研究为储层渗透性的中尺度预测提供了一种可行的方法。煤体结构区域上强烈的非均质性，预示着煤层气储层的非均质性，不仅影响煤层气的赋存，更重要的是影响其勘探开发。
3.3　储层的裂隙系统
　　根据对煤储层裂隙的系统分类^［3］，二₁煤中比较易识别的裂隙有两类：割理和外生裂隙，其中外生裂隙以剪性外生裂隙和劈理最为常见。
3.3.1　割理(内生裂隙)
　　割理亦称内生裂隙，有面割理和端割理之分，在豫北和平顶山矿区井下可清晰地观测到。平顶山矿区二₁煤面割理密度一般为15～25条／5 cm，端割理2～6条／5 cm；宽度一般在0.1～0.2 mm之间，最宽可达0.5～1.0 mm；割理高度不一，取决于煤分层厚度，一般在50 mm以下；割理间无矿物质充填；延伸长度不易追踪，井下可见长度一般在20 cm以上；面割理优势走向方向为NE40～60°，端割理走向NW，二者交角55～90°。安阳矿区面割理密度为5～10条／5 cm，端割理密度0～4条／5 cm；焦作矿区已达无烟煤，面割理2～5条／5 cm，端割理0～2条／5 cm，且均为方解石充填。豫西的其它矿区因多为碎粒煤和糜棱煤，割理不发育。割理除受煤岩组分影响外，主要受煤级的控制。统计结果表明，在中变质阶段割理最发育，向低和高变质阶段逐渐减少。(图2)

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图2　河南省二₁煤面割理与煤级的关系

3.3.2　外生裂隙
　　外生裂隙是构造作用的结果，与褶皱、断层关系密切。二₁煤中外生裂隙普遍存在。原生结构煤和碎裂煤中主要发育剪性外生裂隙，对改善储层的渗透性十分有利；碎粒煤和糜棱煤由于剪性外生裂隙、劈理和揉皱的强烈破坏，使得煤储层的渗透性变差。因此外生裂隙发育适中的储层，尤其是割理大部分闭合的无烟煤储层，将是煤层气勘探开发的首选储层。在安阳、鹤壁、焦作和平顶山矿区均存在此类条件。特别是裂隙的走向与区域应力场的方向一致时，更有利于裂隙的开启。如平顶山矿区主应力方向为NE—SW向，在24～62°之间，与裂隙走向的优势方位一致。
3.4　二₁煤储层的渗透性
　　河南省煤层气储层的渗透率资料比较少，特别是试井渗透率更为少见。部分矿区二₁煤的渗透率测试结果见表3，可以看出三种方法的测试结果相差悬殊，最能反映储层渗透性的试井渗透率普遍较低。总体上储层的渗透性与煤体结构和裂隙发育特征有密切的相关性，原生结构和碎裂煤割理发育，外生裂隙适中，渗透性较好。值得注意的是焦作矿区，现存的少量割理已被方解石充填，试井测得的储层原始渗透率仅0.001 mD，经水力压裂强化后增至0.771 6 mD。说明合理的储层强化措施可有效地改善储层的渗透性。

表3　河南省部分矿区二₁煤渗透率测试结果

矿区	实验室测试　　／mD	矿井下测试／mD	试井／mD
安—鹤	3.60	0.045～0.35	0.159～0.315
焦作		0.007 8～0.125	0.001～0.771 6^*
荥巩	0.006～0.009		微
平顶山	3.75～10.5／5.06		1.00

*为压裂后的渗透率

3.5　煤的吸附与解吸特征
3.5.1　煤的吸附特征
　　二₁煤的吸附特征见表4。由该表可知，随煤级增高煤对甲烷的吸附能力增强，如平顶山中变质煤兰氏体积远低于荥巩、焦作的无烟煤，登封的贫煤界于二者之间，兰氏压力则随煤级的增高呈降低趋势。

表4　二₁煤的吸附和解吸参数统计表

评价区	采样深度／m	含气量／m^3.t^－1	V_L／m^3.t^－1	P_L／MPa	临界解吸压力／MPa
安—鹤	650	24	39.39	0.471	0.735
焦作	464.31～ 755.27	15.06～ 38.75	42.87	0.652	1.073
偃龙	484.13～ 550	8～15.87	32.66	0.559	0.276
荥巩	179.93～ 525.36	15.58～ 31.79	37.54	0.560	1.339
登封	349.50～ 683.95	14.56	28.47	0820	0.858
平顶山	400～ 1 000	5～15	18.65	1.505	1.740
水城	738.80	10.34	25.36	0.49	0.338

3.5.2　煤的解吸特征
　　评价煤的解吸特征的重要参数是临界解吸压力，其计算公式为：

式中　P_C——临界解吸压力，MPa；
　　　P_L——兰氏压力，MPa；
　　　V_L——兰氏体积， m³/t；
　　　C——含气量， m³/t。

表5　二₁煤煤层气含量统计表

评价区	深度／m	CH₄含量／m^3.t^－1	评价区	深度／m	CH₄含量／m^3.t^－1
安—鹤	205.04～1 171.16	0.03～32.55	荥巩	43.69～654.05	1.38～39.43
焦作	234.00～917.32	1.37～38.75	新密	90.25～902.95	0～20.53
陕渑	49.21～891.85	0～9.25	登封	69.09～1 093.21	0～28.26
新安	96.58～783.42	0～26.22	禹县	120.67～1 024.94	0～26.79
宜洛	292.71～683.59	0.01～3.94	临汝	123.03～920.04	0～7.50
偃龙	67.23～961.35	0～17.23	平顶山	279～1082	0.02～15.64

　　计算结果见表4。由该表可知，平顶山矿区的临界解吸压力最高，达1.74 MPa，对降压排采有利；焦作、荥巩、安阳、登封等矿区临界解吸压力中等，为0.7～1.339 MPa对降压排采亦比较有利；而偃龙、新安、宜洛、永城诸矿区临界解吸压力极低，给排采带来较大困难。
3.6　煤级
　　河南省煤级的分布具有南北低中部高的总体特征。(图3)由图可知，位于河南省中部的焦作、济源、荥巩、偃龙、登封和永城的部分井田为地烟煤分布区，济源和荥巩煤级最高，R_o,max＞5%。向北、南、西三方向煤级总体逐渐降低。但由于喜山期岩浆活动的影响使得局部地区煤级增高，如安阳龙山煤矿。

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图3　河南省二₁煤反射率等值线图

　　煤级对煤层气的形成、赋存和运移有重要影响。低煤级煤由于变质程度低，煤层气的生成量少；高煤级煤如超无烟煤，由于基质孔隙的降低，造成煤层气含量较低。因此从生成和赋存的角度，中煤级煤是最佳对象。同时中煤级煤的割理最为发育，造成良好的储层渗透性，因此从煤层气运移的角度，中煤级煤亦是最佳对象。河南省二₁煤中煤级主要分布在北部安阳、鹤壁和西南部平顶山、陕渑等矿区。

4　煤层气含量

4.1　煤层气含量分布特征
　　二₁煤煤层气含量以安阳、鹤壁、新安、荥巩、新密、登封、禹县诸矿区较高，逸散带以下，煤层气含量一般为10～25 m³/t,最高可达30～40 m³/t，属于高含量区。平顶山属于中等含量区，一般为8～12 m³/t。陕渑、宜洛、临汝、永城诸矿区煤层气逸散带较深，含量一般在8 m³/t以下。(表3)
4.2　含气量的控制因素
4.2.1　上覆有效地层厚度和埋深
　　上覆有效地层厚度是指煤层与其上最近的区域不整合面之间的地层厚度。这一厚度反映了地质时期的构造抬升对煤层气散失造成的影响。埋深是指煤层现今的埋藏深度。二者与煤层气含量的关系有其一致性，也有不一致之处。
　　上覆有效地层厚度较大的地区，煤形成后的第一次抬升造成煤层气的散失较少，与埋深存在正相关关系，即随上覆有效地层厚度和埋深的增加而增高。如焦作恩村井田。如果上覆有效地层厚度较薄，第一次抬升造成的煤层气散失量较大，即使后期的沉降造成较大的埋深，煤层气含量亦较低。从某种意义上讲，上覆有效地层厚度对煤层含气量的影响更直接。
4.2.2　煤级
　　随煤级的增高煤层气含量呈增加趋势。(图4)

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图4　河南省二₁煤煤级与含气量的关系

4.2.3　地质构造
　　背斜轴部含气量低，向斜轴部含气量高，这一规律在研究区内普遍存在。断层对含气量影响比较复杂，视具体情况而定。一般情况下，张性断层，特别是沟通了高渗透性地层与煤层的断层，将造成煤层气的散失，这类断层是煤层气运移散失的通道。对于封闭性断层，由于它不能使煤层与高渗透性地层有效沟通，因此断层带便成为煤层气富集的场所，这些现象在研究区内极为常见。
　　滑动构造在豫西地区比较普遍，且滑动面多位于二₁煤层之顶，在其上有数米至十数米的破碎带。这一破碎带理应是煤层气散失运移的场所，但煤层顶部的滑动面处存在数厘米的由泥岩、碳质泥岩组成的致密层，对煤层气的运移起到了封阻作用。

5　综合地质评价

　　通过上述三方面的分析可知，控制河南省二₁煤煤层气勘探开发的关键地质因素不是煤资源量和气资源量，而是储层的特性。煤资源量和气资源量都比较丰富，在多数地区均存在＞8 m³/t的含气煤储层，因此，河南省二₁煤煤层气地质评价的核心是储层评价问题。研究表明，二₁煤储层可区分为以下几类：
5.1　中煤级原生结构煤和碎裂煤储层——最有利储层
　　处于中煤级阶段的肥煤、焦煤、瘦煤乃至贫煤，如果保存为原生结构煤和碎裂煤，则具有良好的割理系统和发育适中的外生裂隙，为煤层气的运移提供了良好的通道，储层的渗透性最好。这类储层在河南省主要分布在平顶山、安阳和鹤壁等地区。
5.2　高煤级原生结构煤和碎裂煤储层——有利储层
　　处于无烟煤阶段的高煤级煤，尽管其割理已闭合或被矿物质充填，但经储层强化还可使其部分开启和延伸，外生裂隙是这类储层煤层气运移的主要通道。这类储层如果采用合理的强化工艺，可有效地开发其中的煤层气，属较有利储层。如焦作矿区的部分井田。
5.3　碎粒煤储层——不利储层
　　处于各种煤级的碎粒煤，由于煤体破坏比较强烈，储层的渗透性显著下降，属不利储层。这类储层在研究区内分布比较广泛。
5.4　糜棱煤储层——不可开发储层
　　强烈的构造破坏使煤体呈鳞片状或土状，渗透性极差，目前的开发工艺无法实现对这类储层内煤层气的开发，因此归为不可开发储层。

作者简介　盛建海　男　57岁　高级工程师　煤田地质
作者单位：盛建海　河南省煤田地质局　郑州　450052
　　　　　苏现波　焦作工学院　454000

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