山西组(P_1-2s)在本矿区俗称二煤段地层, 岩性主要由灰、深灰、灰黑色薄层状泥岩, 砂质泥岩, 紫斑泥岩、粉砂岩以及灰、灰白色细— 中粒长石石英砂岩和煤层组成, 含煤2~4层, 是区内主要的含煤层段之一, 其中下部的二₁(己_16-17)煤层为主要可采煤层。本组厚度73~107 m, 平均厚度85 m, 含有早— 中二叠世三角织羊齿(Emplectopteris triangularis)-翅状准织羊齿(Emplectopteridium alatum)-怀特华夏羊齿(Cathaysiopteris whitei)植物化石组合带(华夏植物群)中的常见分子(胡斌等, 2015), 与下伏太原组(C₂-P₁t)呈整合接触。依其岩性组合特征自下而上划分为: 二₁煤段、大占砂岩段、香炭砂岩段和小紫泥岩段(图 2)。

图 2

Fig.2

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	图 2 平顶山矿区山西组地层综合柱状图(资料源自SSQX-01取心井)Fig.2 Comprehensive columnar section of the Shanxi Formation in Pingdingshan mining area(data from core Well SSQX-01)

本组岩性主要由浅灰色、灰色中— 厚层状细— 中粒砂岩及灰、深灰色薄层状粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、碳质泥岩和煤层组成, 夹紫斑或杂色泥岩和含砾砂岩。按岩性组合特征自下而上划分为三、四、五、六煤段(图 3; 图 4), 含煤23层。其中, 四煤段中上部的四₂(戊_9-10)煤层为全区可采煤层, 四₃(戊₈)煤层及五煤段中部的五₂(丁_5-6)煤层为大部可采煤层, 五₁(丁₇)煤层为局部可采煤层。本组厚度285~401 m, 平均厚度342 m, 含有中二叠世剑瓣轮叶(Lobatannularia ensifolia)-华夏蕨型单网羊齿(Gigantonoclea cathaysiana)-中国束羊齿(Fascipteris sinensis)组合带(华夏植物群)中常见的植物化石以及少量双壳类和腕足类舌形贝(Lingulla)等动物化石(胡斌等, 2015), 与下伏山西组及上覆上石盒子组均为整合接触。

图 3

Fig.3

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	图 3 平顶山矿区下石盒子组三— 四煤段地层综合柱状图(资料源自SSQX-01取心井)Fig.3 Comprehensive columnar section of the third-fourth coal section in the Xiashihezi Formation, Pingdingshan mining area (data from core Well SSQX-01)

图 4

Fig.4

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	图 4 平顶山矿区下石盒子组五— 六煤段地层综合柱状图(资料源自SSQX-01取心井)Fig.4 Comprehensive columnar section of the fifth-sixth coal section in Xiashihezi Formation, Pingdingshan mining area (data from core Well SSQX-01)

区域研究表明, 河南省境内秦岭构造带以北地区(包括平顶山地区), 早— 中二叠世山西组沉积期已由开阔的陆表海过渡为半封闭的海湾、潟湖、障壁岛、潮坪和三角洲沉积环境(胡斌等, 2015, 2021)。在垂向上, 本区山西组自下而上划分为二₁煤段、大占砂岩段、香炭砂岩段和小紫泥岩段(图 2), 各岩性段具有各不相同的沉积特征和沉积序列, 现分述如下:

3.1.1 山西组下部(二₁煤段)

二₁煤段位于山西组底部, 由深灰色、黑色薄层状泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及厚煤层组成, 平均厚15.0 m, 最厚可达18.7 m。二₁煤层厚度一般为2.8~10.2 m, 平均6 m左右, 煤层间夹深灰色泥岩或碳质泥岩及砂质泥岩。本段下伏地层为太原组海相生物碎屑灰岩(图 5)。二₁煤层底板为浅灰、灰色薄层状细粒砂岩或深灰色泥岩、砂质泥岩和粉砂岩互层, 夹碳质泥岩或泥岩条带, 含黄铁矿结核; 直接顶板为深灰色薄层状泥岩、砂质泥岩夹薄层细粒砂岩或粉砂岩, 含植物碎片化石、舌形贝和古尼罗蛤动物化石及遗迹化石。本段发育潮汐层理, 包括水平、波状、透镜状和脉状(压扁)层理以及砂泥互层层理。根据上述岩性和沉积构造特征, 可解释本段产生于潮坪沉积环境(图 5)。依据垂向上的沉积特征变化, 可以划分出以下2种沉积序列类型:

图 5

Fig.5

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	图 5 平顶山矿区北部山西组底部二1煤段与太原组分界露头剖面特征Fig.5 Outcrop profile characteristics of boundary between the No.2 coal section at bottom of Shanxi Formation and Taiyuan Formation in Pingdingshan mining area

序列类型Ⅰ : 混合坪+泥坪+泥炭沼泽沉积序列(图 6)。该沉积序列下部为混合坪沉积, 岩性以薄层泥岩与细砂岩、粉砂岩互层为特征, 具有垂直和倾斜的生物潜穴, 发育潮汐层理, 如波状、透镜状、脉状和水平层理; 中部为泥坪沉积, 岩性为深灰色薄层状的泥岩, 局部夹有煤线, 具水平层理并含有植物化石; 上部发育二₁煤层, 之上有时变为黑色泥岩或夹碳质泥岩, 属泥炭沼泽沉积。此种沉积序列类型常见于潮上带和潮间带中上部沉积环境, 典型钻井剖面见于SY-002井, SSQX-01井。

图 6

Fig.6

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	图 6 平顶山矿区山西组潮坪相类型Ⅰ 沉积序列特征Fig.6 Sedimentary sequence characteristics of type Ⅰ in tidal flat facies of the Shanxi Formation in Pingdingshan mining area

序列类型Ⅱ : 砂坪+混合坪+泥坪+泥炭沼泽沉积序列(图 7)。该序列下部为砂坪沉积, 主要为细粒石英砂岩, 含有丰富的白云母碎片和菱铁矿结核, 发育波状层理和小型板状交错层理; 中部为混合坪沉积, 由薄层状的细砂岩和粉砂质泥岩互层构成, 具潮汐层理, 如波状层理、透镜状层理、脉状层理和水平层理; 上部为泥坪及泥炭沼泽沉积, 由深灰、灰黑色薄层状泥岩和煤层组成, 具水平层理, 产生于泥坪和泥炭沼泽沉积环境。此种沉积序列类型发育于潮下带至潮间带及潮上带沉积环境, 典型钻井剖面见于SY-01V井。

图 7

Fig.7

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	图 7 平顶山矿区山西组潮坪相类型Ⅱ 沉积序列特征Fig.7 Sedimentary sequence characteristics of type Ⅱ in tidal flat facies of the Shanxi Formation in Pingdingshan mining area

3.1.2 山西组中— 上部(大占砂岩段、香炭砂岩段、小紫泥岩段)

山西组中— 上部分为3个岩性段: 一是大占砂岩段, 厚4~10 m, 主要由灰、灰白色中— 厚层状中— 细粒砂岩和深灰、灰黑色薄层状泥岩、砂质泥岩、粉砂岩组成。砂岩颗粒次圆状, 分选中等, 多为硅质胶结, 以含丰富白云母片的长石石英砂岩为特点, 有时砂岩中间夹泥岩、砂质泥岩及二₂(己₁₅)煤层, 发育水平层理、波状层理、板状和楔状交错层理(图 8), 砂岩层具有明显的侵蚀基底(图 8-A); 二是香炭砂岩段, 厚17~36 m, 主要由灰色、深灰色薄层状粉砂岩、砂质泥岩和浅灰、灰白色中— 厚层状细粒石英砂岩组成, 局部含中— 粗粒砂岩, 常见白云母片和菱铁质颗粒(或结核), 砂岩以硅质胶结为主, 并具板状交错层理、波状层理和水平层理; 三是小紫泥岩段, 厚23~32 m, 主要由灰色、灰黄色、灰绿色泥岩、紫斑泥岩和粉砂质泥岩组成, 含紫斑、暗斑、铝质及菱铁质鲕粒, 夹薄层浅灰色细粒砂岩、粉砂岩, 下部常发育浅灰色薄— 中厚层状中、细粒砂岩, 泥岩和粉砂岩中多具水平层理, 砂岩中常见板状和楔状交错层理。

图 8

Fig.8

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	图 8 平顶山矿区山西组分流河道砂岩中的交错层理特征 a— 楔状交错层理, 底部显示侵蚀面, 砂岩与其下伏薄层状砂质泥岩呈截切关系; b— 板状交错层理, 风化面突显前积纹层(图片来自研究区北部露头剖面)Fig.8 Cross-bedding characteristics in distributary channel sandstone of the Shanxi Formation in Pingdingshan mining area

按垂向岩性组合特征, 上述3个岩性段均显示出三角洲平原沉积的特点, 可划分出以下3种沉积序列类型:

序列类型Ⅰ : 分流河道+分流间湾沼泽+潟湖沉积序列(图 9)。该类型由3部分构成: 下部为分流河道沉积, 岩性为灰白色中— 厚层状中— 细粒砂岩, 具板状、楔状交错层理; 中部为分流间湾沼泽沉积, 岩性为深灰色薄层状砂质泥岩夹煤层和碳质泥岩; 上部为分流间湾中的潟湖沉积, 岩性为浅灰色、灰色薄— 中厚层状的粉砂岩, 常见具铁质鲕粒的砂质泥岩, 发育水平层理和波状层理。典型钻井剖面见于SY-01V井。

图 9

Fig.9

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	图 9 平顶山矿区山西组三角洲平原亚相类型 Ⅰ 沉积序列特征Fig.9 Sedimentary sequence characteristics of type Ⅰ in delta plain subfacies of the Shanxi Formation in Pingdingshan mining area

序列类型Ⅱ : 河口沙坝+分流河道+分流间湾(浅水洼地)沉积序列(图 10)。该类型分为3部分: 下部为河口沙坝沉积, 岩性以灰、浅灰色薄层状细砂岩与粉砂岩互层为特征, 具有水平层理、波状层理和小型板状交错层理; 中部为分流河道沉积, 岩性为灰白色厚层状中粒砂岩, 具板状交错层理和楔状交错层理; 上部为分流间湾中的浅水洼地沉积, 岩性主要为灰色薄层状泥质粉砂岩和粉砂岩, 发育水平层理和波状层理。典型钻井剖面见于SY-01V井。

图 10

Fig.10

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	图 10 平顶山矿区山西组三角洲平原亚相类型Ⅱ 沉积序列特征Fig.10 Sedimentary sequence characteristics of type Ⅱ in delta plain subfacies of the Shanxi Formation in Pingdingshan mining area

序列类型Ⅲ : 分流河道+天然堤+分流间湾(潟湖)沉积序列(图 11)。该类型的下部为分流河道沉积, 岩性为浅灰色中— 厚层状中粒砂岩, 具有板状交错层理和楔状交错层理; 其上为天然堤沉积, 岩性由浅灰色薄— 中厚层状细砂岩和粉砂岩组成, 具小型板状交错层理; 上部为分流间湾沉积, 岩性为灰色薄层状砂质岩夹泥质粉砂岩, 发育水平层理和波状层理, 属分流间湾中的浅水潟湖沉积环境。典型钻井剖面见于SY-01V井、3805井、3906井、4107井、4204井和4710井。

图 11

Fig.11

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	图 11 平顶山矿区山西组三角洲平原亚相类型Ⅲ 沉积序列特征Fig.11 Sedimentary sequence characteristics of type Ⅲ in delta plain subfacies of the Shanxi Formation in Pingdingshan mining area

矿区内下石盒子组沉积特征如图 3和图 4所示, 主要表现为多层灰白色中— 厚层状细— 中粒砂岩和含砾砂岩与灰绿、灰— 深灰色、黑色薄层状泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、碳质泥岩和煤层互层, 夹暗斑、紫斑和鲕粒状泥岩及菱铁矿结核, 含大量植物化石。细粒沉积中发育水平层理和波状层理, 细— 中粒砂岩中常见楔状交错层理、板状交错层理、槽状交错层理, 并具有明显的冲刷侵蚀基底面(图 12)。沉积特征显示, 本组产生于三角洲平原环境, 包括分流河道沉积及分流间湾沼泽沉积(图 13)。

图 12

Fig.12

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	图 12 平顶山矿区下石盒子组分流河道砂岩底部冲刷侵蚀面(a, 黄色箭头所示)和楔状交错层理(b)(图片来自研究区北部露头剖面)Fig.12 Erosion surface(a, shown by yellow arrow)and wedge cross-bedding(b) at bottom of distributary channel sandstone in the Xiashihezi Formation in Pingdingshan mining area(pictures from northern outcrop of study area)

图 13

Fig.13

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	图 13 平顶山矿区下石盒子组三煤段分流河道与分流间湾沉积剖面特征(图片来自研究区北部露头)Fig.13 Sedimentary characteristics of distributary channel and interdistributary bay in the third coal member of Xiashihezi Formation in Pingdingshan mining area(picture from northern outcrop of study area)

依据垂向上沉积序列特征的变化, 可以划分出以下4种类型:

序列类型Ⅰ : 分流河道+分流间湾(天然堤— 潟湖— 决口扇— 潟湖)沉积序列(图 14)。该类型的下部为分流河道沉积, 主要为浅灰色中、厚层状中细粒砂岩, 底部为含砾粗砂岩, 具板状交错层理和楔状交错层理、正粒序层理; 中、上部为分流间湾沉积, 包括3种沉积: 一是天然堤沉积, 以灰色薄层状粉砂岩或细砂岩与砂质泥岩互层为特征, 见有小型交错层理和水平层理; 二是决口扇沉积, 主要为薄、中厚层状细砂岩和粉砂岩, 具楔状交错层理和波状层理; 三是潟湖沉积, 主要为灰色薄层状砂质泥岩夹薄层状泥质粉砂岩, 夹暗斑、紫斑和鲕粒状泥岩, 具水平层理及菱铁矿结核。典型钻井剖面见于SY-01V井、SY-002井、SY-004井、3805井、4005补井和4104井。

图 14

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	图 14 平顶山矿区下石盒子组三角洲平原亚相类型Ⅰ 沉积序列特征Fig.14 Sedimentary sequence characteristics of type Ⅰ in delta plain subfacies of the Xiashihezi Formation in Pingdingshan mining area

序列类型Ⅱ : 分流河道+分流间湾(潟湖— 浅水沙坝— 泥炭沼泽— 潟湖)沉积序列(图 15)。该类型下部为分流河道沉积, 岩性与类型I大体相同; 中— 上部为分流间湾沉积, 主要是一套水体较浅的潟湖沉积, 常为具水平层理的灰色薄层状砂质泥岩, 其中夹2种不同的沉积, 一种是浅水砂坝沉积, 岩性为浅灰色中厚层状细砂岩, 发育小型交错层理, 另一种是泥炭沼泽沉积, 由碳质泥岩和薄煤层构成。典型钻井剖面见于3906井、4115井和4203井。

图 15

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	图 15 平顶山矿区下石盒子组三角洲平原亚相类型Ⅱ 沉积序列特征Fig.15 Sedimentary sequence characteristics of type Ⅱ in delta plain subfacies of the Xiashihezi Formation in Pingdingshan mining area

序列类型Ⅲ : 分流河道+分流间湾(浅水洼地— 泥炭沼泽— 潟湖)沉积序列(图 16)。 该类型下部为分流河道沉积, 岩性与类型Ⅰ 和类型Ⅱ 相同; 其上的分流间湾沉积由3种不同的沉积构成: 一是浅水洼地沉积, 为厚度较小的深灰色薄层状砂质泥岩夹粉砂岩, 具水平层理和波状层理; 二是泥炭沼泽沉积, 为深灰色薄层状砂质泥岩与煤层或碳质泥岩互层; 三是潟湖沉积, 常见为具水平层理且厚度较大的深灰色薄层状砂质泥岩。 典型钻井剖面见于3805井、 3902井、 4107井、 4111井、 4203井和SY-004井。

图 16

Fig.16

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	图 16 平顶山矿区下石盒子组三角洲平原亚相类型Ⅲ 沉积序列特征Fig.16 Sedimentary sequence characteristics of type Ⅲ in delta plain subfacies of the Xiashihezi Formation in Pingdingshan mining area

序列类型Ⅳ : 分流河道+分流间湾(泥炭沼泽— 潟湖)沉积序列(图 17)。 该类型分为3部分: 下部为分流河道沉积, 岩性为浅灰色中— 厚层状中— 细粒砂岩, 具有板状交错层理和楔状交错层理; 中部为泥炭沼泽沉积, 主要为煤层夹深灰色薄层砂质泥岩; 上部为潟湖沉积, 通常为灰— 深灰色薄层状砂质泥岩, 具水平层理。 典型钻井剖面见于3902井、 4107井、 4204井、 4005补井和SY-002井。

图 17

Fig.17

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	图 17 平顶山矿区下石盒子组三角洲平原亚相类型Ⅳ 沉积序列特征Fig.17 Sedimentary sequence characteristics of type Ⅳ in delta plain subfacies of the Xiashihezi Formation in Pingdingshan mining area

依据钻井气测录井资料分析, 本矿区山西组二₁煤段、大占砂岩段和香炭砂岩段都有明显的气测异常显示(图 2), 如SSKYC-04井山西组气测录井综合图中的全烃曲线所示, 二₁煤组(己煤组)及其上下黑色泥岩与厚层砂岩层中显示较高的气测值(图 18)。

图 18

Fig.18

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	图 18 平顶山矿区SSKYC-04井山西组气测录井综合图Fig.18 Gas logging synthesis of Well SSKYC-04 in the Shanxi Formation of Pingdingshan mining area

根据瓦斯含量实测, 本矿区东部(十矿、 十二矿、 八矿、 首山一矿和十三矿)二₁煤段的瓦斯含量最高, 通常为10~25 m³/t; 中部(一矿、 二矿、 四矿、 五矿和六矿)的瓦斯含量相对较高, 一般为5~15 m³/t; 西部(香山矿、 十一矿和九矿)的瓦斯含量常小于10 m³/t。

本矿区东部下石盒子组三煤段的三煤组与四煤段的四煤组(戊煤组)同样显示出明显的气测异常(图 3), 五煤段中的黑色页岩和丁煤组以及六煤段上部碳质页岩和深灰色泥岩中也都显示有气测异常(图 4)。如SSKYC-04井下石盒子组气测录井综合图(图 19)中的全烃曲线所示, 三煤组和四煤组及其上下黑色泥岩与厚层砂岩以及五煤段和六煤段中的黑色泥岩与砂岩层都有较高的气测值。

图 19

Fig.19

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	图 19 平顶山矿区SSKYC-04井下石盒子组气测录井综合图Fig.19 Gas logging synthesis of Well SSKYC-04 in the Xiashihezi Formation of Pingdingshan mining area

本矿区东部多数解吸样的测试结果显示, 戊煤组含气量变化于1.18~14.57 m³/t之间, 平均为6.21 m³/t; 丁组煤含气量较低, 测试结果一般为2.83~5.23 m³/t, 甲烷成分大多占91%~96%。

上述平顶山矿区山西组和下石盒子组煤系沉积特征和沉积序列类型以及气测录井资料分析表明, 本区山西组— 下石盒子组煤系气赋存的岩层主要为煤层、黑色泥岩或页岩层及较厚的中— 细粒砂岩层, 均产生于滨岸潮坪及三角洲沉积环境。其中, 山西组中的煤系气赋存受控于2种沉积环境: 一是底部的二₁煤段, 即二₁煤组(己煤组)及其上下黑色泥岩中的煤系气均发育于潮坪沉积环境, 尤其在泥坪和泥炭坪沉积中气测值较高(图 18); 二是山西组中上部大占砂岩段和香炭砂岩段, 均产生于三角洲平原沉积环境, 较厚的分流河道中— 细粒砂岩层也显示出较高的气测值(图 18)。在已开发的抽采井中, 上述沉积环境所形成的甲烷气产量普遍较高。

本区下石盒子组形成于三角洲沉积环境, 是一套分流河道、天然堤、决口扇、浅水洼地、泥炭沼泽、潟湖及浅水沙坝沉积。如图 19全烃曲线所示, 在三、四煤段所含三、四煤组(戊煤组)的煤层、黑色泥岩层及其上下厚层砂岩层以及五煤组(丁煤组)底部的砂岩层中, 气测值较高。这表明下石盒子组中的煤系气主要受控于三角洲分流间湾沼泽和分流河道砂体沉积环境。尤其是四煤段, 分流河道及分流间湾沼泽沉积的地层厚度较大, 含多层薄煤层及黑色泥岩或碳质泥岩, 这在平顶山矿区北部露头剖面上具有良好的展示(图 20)。在目前诸多抽采井中, 四煤段三角洲分流间湾沼泽沉积中所赋存的甲烷气产量也都比较高。

图 20

Fig.20

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	图 20 平顶山矿区下石盒子组四煤段分流河道与分流间湾沼泽沉积特征(图片来自平顶山矿区北部露头剖面)Fig.20 Sedimentary characteristics of distributary channel and interdistributary bay swamp in the fourth coal member of Xiashihezi Formation in Pingdingshan mining area(picture from northern outcrop of Pingdingshan mining area)

综上所述, 研究区山西组— 下石盒子组中的煤系气生成与赋存主要受控于潮坪上的泥炭沼泽(泥炭坪)环境、三角洲分流间湾沼泽和分流河道沉积环境(图 21), 尤其是分流间湾中厚度较大的灰黑色泥岩、碳质泥岩及厚煤层沉积十分有利于甲烷气的生成。在研究区目前已经产气的几十口开发井中, 上述3种沉积环境所形成的煤储层厚度大于2 m、黑色泥岩和中、细粒砂岩储集层厚度大于5 m时, 气含量普遍较高。研究表明, 沉积相特别是亚相或微相对煤系气的生成与聚集有一定的控制作用, 这与塔里木盆地深埋的白垩系气藏聚集受沉积微相控制有相同之处(Zhang et al., 2016)。

图 21

Fig.21

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	图 21 平顶山矿区山西组— 下石盒子组煤系气赋存沉积环境模式Fig.21 Sedimentary environment model of coal measure gas occurrence in the Shanxi Formation and Xiashihezi Formation, Pingdingshan mining area