天津西南部靜海研究區(qū)煤層地質(zhì)特征及煤層氣評(píng)述

摘要：研究區(qū)位于于華北斷坳之中的滄縣斷隆中部的大城凸起內(nèi)，區(qū)內(nèi)含煤地層為石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組，煤系地層總厚度為284.90m，含煤18層，煤層總厚32.85m，含煤系數(shù)11.53%。在收集區(qū)內(nèi)及周邊大城勘查區(qū)鉆孔及地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)區(qū)內(nèi)含煤地層地質(zhì)特征、煤質(zhì)特征及煤層氣含量分布特征進(jìn)行了評(píng)述。

關(guān)鍵詞：天津西南部；靜海；含煤地層；煤質(zhì)特征；煤層氣

1.位置概況

研究區(qū)位于天津市靜海區(qū)，隸屬王口鎮(zhèn)、子牙鎮(zhèn)，與河北省大城縣相鄰。東距天津市區(qū)40km、靜海區(qū)政府15km；西距河北省大城縣城30km。西部邊界進(jìn)莊—東高莊—流莊，南部邊界到當(dāng)灘頭，東至東禪房—西柳木，北至小瓦頭；呈南北向的階梯狀，東西寬約9.0km，南北長約14.0km，面積約105.8km2。

2.區(qū)域地質(zhì)背景

天津地區(qū)煤系地層大部分被新生界所覆蓋，新生界地層在寶坻斷裂以北較薄，一般100m～300m，以南較厚，一般大于1000m?；鶐r地層只在薊縣北部山區(qū)出露。除缺失古生界上奧陶統(tǒng)—下石炭統(tǒng)和新生界古近系古新統(tǒng)外，其余地層均有發(fā)育，從老至新分別為：太古界（Ar）；中、新元古界（Pt2+3）的長城系、薊縣系和青白口系；古生界（Pz）的寒武系、奧陶系和石炭—二疊系；中生界（Mz）的侏羅系、白堊系；新生界（Kz）的古近系、新近系和第四系。

天津地處以寧河—寶坻斷裂為界分為北區(qū)和南區(qū)。北區(qū)為基巖出露及淺埋區(qū)，屬于薊寶隆褶。斷裂以東西（EW）向?yàn)橹?。南區(qū)為廣闊平原，屬于華北斷坳區(qū)的東北部，自西向東劃分為冀中坳陷、滄縣隆起和黃驊坳陷。其間分別以古近系尖滅線和滄東斷裂為界。區(qū)內(nèi)斷層主要有北北東（NNE）向的滄東斷裂、天津斷裂、白塘口西斷裂、白塘口斷裂、白塘口東斷裂，北西（EW）向的海河斷裂、漢沽斷裂和寧河斷裂等。

3.研究區(qū)地質(zhì)特征

研究區(qū)為第四系覆蓋，區(qū)內(nèi)基巖未出露。

3.1構(gòu)造

研究區(qū)在區(qū)域構(gòu)造上處于華北斷坳（Ⅱ）之中的滄縣斷?。á螅┲胁康拇蟪峭蛊穑á簦Ｖ苓叞l(fā)育有靜?！蟪菙嗔?、北蘆莊—西九吉斷裂和里坦向斜、臥佛堂向斜等（圖1）。

臥佛堂向斜：位于靜?！蟪菙嗔鸭氨碧J莊—西九吉正斷層之間，向斜長度大于80km，寬約35km，向斜軸沿西告至阜安一線延伸、為北東向，向北東方向傾伏，軸面傾向南東；兩翼地層平緩，傾角一般小于10°，東南翼較西北翼陡。

向斜由古生代及中生代地層組成，中生代地層主要分布于向斜中、北部的軸部。向斜南部兩翼、轉(zhuǎn)折端及軸部發(fā)育三組正斷層，以北西—北北西走向斷層為主，北東走向的斷層次之。該向斜被新生界覆蓋，其厚度從東北至西南由800m到2000m。臥佛堂向斜為石炭—二疊系煤層連續(xù)分布的地區(qū)。

里坦向斜：位于靜海—大城斷裂東部，向斜長大于80km，寬約40km，向斜軸為北東向，向北東方向傾伏，軸面傾向北西，兩翼地層傾角一般小于10°，西北翼較東南翼陡。該向斜由古生代及中生代地層組成，中生代地層主要分布于向斜中北部軸部，從西北至東南新生界厚度增大。

靜海—大城斷裂：位于里坦向斜西翼，北起靜海徐莊子，向南經(jīng)靜海鎮(zhèn)東河頭村、三呼莊東、往南進(jìn)入河北省，走向近由北部的北東東（NEE）向往南轉(zhuǎn)為北北東向（NNE），傾向南南東（SE）—南東東（SEE），傾角約70°，基巖斷距約500m，為西北盤相對(duì)上升的正斷層，該斷裂西北石炭—二疊系比東南側(cè)薄，西約500m左右，東側(cè)約700m左右。

北蘆莊—西九吉正斷層：位于臥佛堂向斜西北翼，長約60km，南、北部被一組北西西走向的邵洪店—高官斷層和安新—鄚州所截；斷層走向北東，傾向南東，傾角70°；該斷層被古近系覆蓋，下盤基巖為下古生界及中—上元古界，上盤基巖為古生界及中生界，落差大于200m。

3.2含煤地層

本區(qū)為石炭—二疊系含煤區(qū)。煤系地層為石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組；上覆地層為二疊系下統(tǒng)下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組及新生界新近系、第四系；基底為奧陶系中統(tǒng)峰峰組。揭露地層與區(qū)域地層相比，缺少新生界古近系（E）和中生界（MZ）地層（表1）。煤系地層總厚度為284.90m，含煤18層，煤層總厚32.85m，含煤系數(shù)11.53%。

本溪組（C2b）：早古生代末遭受剝蝕，至中石炭世晚期，開始接受沉積，沉積環(huán)境以濱岸陸棚沉積為主，形成一定厚度的海相石灰?guī)r及海相泥巖，泥炭沼澤存在時(shí)期短且局限。由于沉積早期地殼升降頻繁，導(dǎo)致海水進(jìn)退變化“較快”，故煤層的聚煤不穩(wěn)定，所形成厚度薄而且不連續(xù)，本組含煤4層。

太原組（C3t）：上石炭世時(shí)地殼間歇性升降，海進(jìn)與海退相互交替，沉積環(huán)境以潮坪—瀉湖沉積為主，而煤層形成于瀉湖沉積環(huán)境占主導(dǎo)的瀉湖泥炭沼澤中。由于此時(shí)期多次形成瀉湖泥炭沼澤，故而聚煤層數(shù)較多，煤層厚度變化大，為本區(qū)的主要含煤層段。本組含煤7層，其中10號(hào)煤為主要可采煤層。

山西組（P1S）：從早二疊世起，海岸線開始向東南方向逐漸退移，沉積環(huán)境由潮坪—瀉湖沉積體系轉(zhuǎn)變?yōu)槿侵蕹练e體系。早二疊世早期在三角洲沉積體系中形成的泥炭沼澤較穩(wěn)定，所形成的5煤全區(qū)連續(xù)發(fā)育，但煤層厚度及結(jié)構(gòu)變化較大。后期沉積環(huán)境向河流沉積體系過渡，分流河道多，并帶來了大量的無機(jī)碎屑物，加之地殼緩慢、振蕩抬升，聚煤環(huán)境變差，形成了斷續(xù)分布的3、2、1煤等煤層。本組含煤7層，其中5上、5煤為主要可采煤層。

3.3可采煤層特征

研究區(qū)內(nèi)鉆孔揭露可采煤層9層，即1、3、5上、5、6、7、8、9、10煤，總厚度為29.37m。各可采煤層厚度、間距、結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性見表2。

3.4煤質(zhì)特征

3.4.1物理性質(zhì)及煤巖特征

研究區(qū)各可采、局部可采煤層顏色以黑色為主，條痕為褐黑色，玻璃或?yàn)r青光澤，條帶狀、粒狀、均一狀結(jié)構(gòu)，粉狀、細(xì)小碎塊狀或塊狀構(gòu)造，污手。內(nèi)生裂隙發(fā)育，脆度較大，松散易碎，棱角狀、貝殼狀斷口，含黃鐵礦散晶、結(jié)核或薄膜。宏觀煤巖類型以亮煤為主，鏡煤和暗煤次之，夾絲炭條帶或薄層，宏觀煤巖類型以半亮型煤為主、光亮型煤及半暗型煤次之。其顯微煤巖組分主要為有機(jī)組分，含少量無機(jī)組分。煤層中的鏡質(zhì)組分以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主，均質(zhì)鏡質(zhì)體次之，含少量結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體及膠質(zhì)鏡質(zhì)體。惰質(zhì)組以碎屑惰質(zhì)體為主，絲質(zhì)體次之，含少量粗粒體、粗粒體及微粒體。殼質(zhì)組分以小孢子體為主，角質(zhì)體次之，含少量樹脂體。無機(jī)組分中以黏土類為主，次為硫化鐵類、碳酸鹽類和氧化硅類。黏土類礦物多為分散狀黏土礦物，細(xì)胞充填狀黏土次之；硫化鐵類以分散粒狀為主，大小不一，分布不均，含少量裂隙充填狀及細(xì)胞充填狀黃鐵礦；碳酸鹽類為方解石以裂隙充填狀為主，細(xì)胞充填狀次之；氧化硅類為石英呈粒狀，大小不一，分布不均。

3.4.2化學(xué)性質(zhì)

水分（Mad）：研究區(qū)各可采、局部可采煤層原煤空氣干燥基水分值總體上在0.53%～1.22%之間，浮煤空氣干燥基水分值在0.51%～0.98%之間，個(gè)別采樣點(diǎn)浮煤水分與原煤相當(dāng)。各煤層水分含量較低，從1煤到10煤，水分總體上呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。其變化趨勢符合區(qū)域變質(zhì)作用隨著埋深加深，煤的變質(zhì)程度增高而水分含量降低的特點(diǎn)。

灰分（Ad）：各可采煤層灰分以低中灰煤為主，個(gè)別煤層為特低灰煤。經(jīng)1.4比重液洗選后的精煤灰分多數(shù)小于10%，表明本區(qū)煤層灰分易選除。

揮發(fā)分（Vdaf）：原煤：24.19%～34.55%，浮煤23.24%～31.14%，確定本區(qū)煤層屬于中高揮發(fā)分煤，各煤層揮發(fā)分產(chǎn)率變化不大。

各可采煤層中有機(jī)質(zhì)元素組成以碳為主，其次是氧加硫，氮含量最少。碳含量經(jīng)浮選后明顯增高，在垂向上變化不明顯。氫含量在原、浮煤之間的變化不大。氧加硫含量經(jīng)浮選后有所降低。

全硫（St.d）：各可采煤層原煤全硫變化較大，其中1煤最低，為0.32%，為特低硫煤，8煤最高，為4.40%，為高硫煤，全區(qū)易采的3煤、5煤、7煤為低硫煤。

各種硫：各可采煤層原煤干燥基各種硫中以有機(jī)硫（Sp，d）為主，硫鐵礦硫（So，d）次之，硫酸鹽硫（Ss，d）則極少。以有機(jī)硫?yàn)橹?，即以黃鐵礦（FeS2）形式存在。

發(fā)熱量：各煤層發(fā)熱量（Qgr.d）指數(shù)較高，為28.30MJ/ Kg—34.32MJ/Kg，屬于高—特高發(fā)熱量煤。

粘結(jié)性：本區(qū)可采煤層均為強(qiáng)粘結(jié)煤。

灰成分及灰熔融性：可采煤層的灰成分主要由酸性礦物組成。其中以SiO2和Al2O3為主，兩者總和在54.12～90.01%之間。1、5、10煤原煤軟化溫度>1500℃，為高軟化溫度灰；3、6、9煤原煤軟化溫度分別為1360℃、1480℃、1400℃，為較高軟化溫度灰；5上煤原煤軟化溫度為1310℃，為中等軟化溫度灰；7、8煤原煤軟化溫度分別為1250℃、1150℃，為較低軟化溫度灰。

4.煤層氣評(píng)述

研究區(qū)沒有設(shè)專門的煤層氣參數(shù)井，在鉆孔施工時(shí)采用集氣式簡易瓦斯罐做了瓦斯樣采集，并送實(shí)驗(yàn)室分析化驗(yàn)，煤樣瓦斯成分以CH4為主，其次為N2、CO2。其中CH4最高含量為11.24m3/t。各煤層瓦斯含量無明顯變化規(guī)律，按其成分及含量可分為沼氣帶、氮?dú)狻託鈳?，通過瓦斯測量計(jì)算，并結(jié)合研究區(qū)儲(chǔ)量，采用體積法對(duì)區(qū)內(nèi)煤層氣（甲烷）進(jìn)行評(píng)價(jià)，從一定程度上反映了瓦斯豐度及煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量。

區(qū)內(nèi)全區(qū)可采的5上煤層的煤層氣（甲烷）儲(chǔ)量豐度平均值為0.31m3/km2×108m3/km2，含量較高的區(qū)域位于研究區(qū)中部，5煤層的煤層氣（甲烷）儲(chǔ)量豐度平均值0.74m3/km2×108m3/km2，含量較高的區(qū)域位于研究區(qū)中部及南西部；10煤層的煤層氣（甲烷）儲(chǔ)量豐度平均值為1.10m3/km2×108m3/km2，豐度較高的區(qū)域位于研究區(qū)的中部；三層可采煤層的煤層氣豐度在區(qū)域分布上相差懸殊，這與瓦斯分布的不均衡性一致。煤層氣（甲烷）儲(chǔ)量豐度平均值見表3。

可采煤層的煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量為222.38m3×108m3，從儲(chǔ)量規(guī)模來講，屬中型煤層氣田；地質(zhì)儲(chǔ)量豐度平均值為0.72m3/km2×108m3/km2，按儲(chǔ)量豐度分類，屬低豐度氣田；煤層埋深1261m～1425m。綜合評(píng)價(jià)研究區(qū)為埋深深等、低豐度值的中型煤層氣田。煤層氣開發(fā)前景較好。

5.結(jié)論

研究區(qū)內(nèi)可采煤層層位穩(wěn)定，厚度變化不大，結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)狀平緩，埋深1261m～1425m之間，地質(zhì)構(gòu)造簡單。

5上煤層屬穩(wěn)定可采煤層，平均厚度為2.75m，結(jié)構(gòu)簡單，可采系數(shù)為1，為特低灰、中高揮發(fā)份，中硫，特高發(fā)熱量肥煤；5煤層屬穩(wěn)定可采煤層，平均厚度為6.50m，結(jié)構(gòu)簡單，可采系數(shù)為1，為低中灰、中高揮發(fā)份，特低硫，中高發(fā)熱量肥煤；10煤層屬穩(wěn)定可采煤層，平均厚度為8.80m，結(jié)構(gòu)簡單，局部含數(shù)層夾矸，可采系數(shù)為1，為低中灰、中高揮發(fā)份，低硫，高發(fā)熱量肥煤；區(qū)內(nèi)可采煤層主要可作動(dòng)力用煤。研究區(qū)為埋深深等、低豐度值的中型煤層氣田，煤層氣開發(fā)前景較好。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘思東，崔周達(dá).山西沁水盆地南部煤層氣儲(chǔ)層特征及成藏主控因素研究[J].煤礦開采， 2016， 21（6）：11-14， 45.

[2]張慧，龐湘?zhèn)?，楊杰，等；地面鉆孔煤層瓦斯含量測定方法的對(duì)比研究[J].中國煤炭學(xué)會(huì)煤田地質(zhì)專業(yè)委員會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)文集[C].北京：煤炭工業(yè)出版社， 2007：72-76.

[3]馬東民，韋波，蔡忠勇.煤層氣解吸特征的實(shí)驗(yàn)研究[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2008， 82（10）：1432-1436.

[4]王保玉.對(duì)煤的最大含氣量問題的討論[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2008， 28（4）：674-679.

[5]王志剛，曹健，江勝國，等；天津市煤炭地下氣化可行性研究[R].天津：天津華北地質(zhì)勘查局地質(zhì)研究所， 2017.

[6]蔚遠(yuǎn)江，楊起，劉大錳，等；我國煤層氣儲(chǔ)層研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].地質(zhì)科技情報(bào)， 2001， 20（1）：56-60.