兩淮含煤巖系煤層氣與頁巖氣富集特征及共采選區(qū)評價

趙志義，張文永，孫貴，竇新釗

（1安徽省煤田地質局勘查研究院，安徽合肥 230088；2安徽省非常規(guī)天然氣工程技術研究中心，安徽合肥 230088）

0 引言

我國煤系海陸交互相和陸相地層中廣泛發(fā)育富有機質泥頁巖和煤層或者薄煤層伴生、互層[1]，具有同時形成煤層氣和頁巖氣的基礎地質條件，是提出二者共采評價的理論依據(jù)，同時頁巖氣和煤層氣都具有自生自儲的成藏特點，均主要以游離氣和吸附氣方式儲集，都需要壓裂開采等諸多共性特征[2～11]，因此煤層氣與頁巖氣具有交叉的科學研究空間。國內有關學者也提出煤系發(fā)育區(qū)具備煤層氣和頁巖氣成藏的條件，可以開展合探共采研究[12～14]。開展含煤巖系煤層氣與頁巖氣共采選區(qū)評價與開發(fā)，可以提高資源采收率，減少多井重復性施工，降低社會成本[11]，對于像安徽省煤系海陸交互相和陸相沉積環(huán)境豐富的省份具有重要的現(xiàn)實意義。

本文以兩淮煤田含煤巖系烴源巖為研究對象，研究兩淮煤田含煤巖系煤層氣與頁巖氣的富集特征，探討煤層氣與頁巖氣共采前景，優(yōu)選煤層氣和頁巖氣共存勘查有利區(qū)，為多氣共采先導試驗提供必要的地質保障。

1 區(qū)域地質背景

兩淮煤田在賦煤構造單元上屬于華北賦煤區(qū)（一級）中的徐淮賦煤帶（二級）[15]，以利辛斷裂和劉府斷裂為界，又分為淮北斷陷帶、蚌埠斷隆帶和淮南斷褶帶等三個三級賦煤構造單元（見圖1），在淮北斷陷帶及淮南斷褶帶上發(fā)育有一系列背、向斜，自北向南-自東向西主要有：①淮北煤田：蕭西復向斜、童亭背斜、南坪向斜、宿南背斜、宿南向斜、宿東向斜；②淮南煤田：板集背斜、陳橋背斜、朱集塘集背斜、潘集背斜、謝橋向斜、謝橋-古溝向斜。研究區(qū)構造較復雜，斷層發(fā)育，僅在局部地區(qū)構造相對簡單，區(qū)內除宿州以北以及淮南-蚌埠一帶有寒武系、奧陶系露頭外，其余區(qū)域均為第四系松散層覆蓋。石炭-二疊系含煤地層保存較好，其中太原組、山西組、下石盒子組和上石盒子組地層總厚約850m。

圖1 兩淮斷褶帶次級賦煤構造單元劃分圖Figure 1.Division of secondary coal-bearing structural units in the fault folding belt of the Lianghuai coalfields

2 兩淮含煤巖系煤層氣與頁巖氣富集特征

2.1 煤層氣與頁巖氣富集的地質基礎

兩淮煤田石炭-二疊系沉積特征表現(xiàn)為由一套淺海沉積，經(jīng)濱岸和三角洲過渡相，最終轉變?yōu)殛懴嗟某练e序列，主要可采煤層分布于二疊系山西組、下石盒子組和上石盒子組，可采煤層多（15層～30層），分布穩(wěn)定且厚度大（煤層平均可采厚度為14～26m），這為煤層氣的生成提供了豐富的物質基礎。同時，受沉積環(huán)境影響，研究區(qū)含煤巖系廣泛發(fā)育暗色泥頁巖，沉積有7套厚度較大、分布較穩(wěn)定的富有機質泥頁巖段，自下而上依次編號為N1-N7（圖2），其中太原組頂部N1 泥頁巖段整體厚度不大，但分布穩(wěn)定。山西組中上部發(fā)育一套暗色泥頁巖（N2），一般厚10～30m，相對較穩(wěn)定，局部地區(qū)厚度超過80m。下石盒子組下部和中上部分別發(fā)育一套厚度較大的泥巖頁巖（N3、N4），N3、N4 泥頁巖段一般厚20～60m。上石盒子組下部、中部和上部發(fā)育3套泥頁巖（N5、N6、N7），其中N5、N7 泥頁巖段厚度變化較大，局部厚可達100m 以上，N6泥頁巖段較發(fā)育，厚度一般為20～50m，目的層暗色泥頁巖厚度累計可達300余米。

圖2 兩淮煤田石炭—二疊系煤層發(fā)育與主力泥頁巖對比圖（淮北煤田）Figure 2.Comparison of the development of Carboniferous-Permian coal seams and main shales in the Lianghuai coalfields（Huaibei coalfield）

總體來說，兩淮煤田以上、下石盒子組泥頁巖最為發(fā)育，山西組次之，這些層位的暗色泥頁巖單層厚度較大，穩(wěn)定性較好，加之部分泥頁巖段與煤層交叉發(fā)育，為頁巖氣的生成提供了豐富的物質基礎。因此，兩淮煤田煤層氣儲層和頁巖氣儲層具有在垂向上相鄰或相近分布的特性，具備同時賦存煤層氣和頁巖氣資源的物質前提。

2.2 煤儲層與泥頁巖儲層地球化學特征

煤儲層：淮南煤田主要可采煤層以氣煤和1/3 焦煤為主，其次為肥煤。宏觀煤巖類型以亮煤為主，有機顯微組份占煤巖組成的85%～95%，Ro 為0.7%～2.0%之間，有機質演化達到成熟階段，為生氣有利階段?；幢泵禾锖暧^煤巖類型以亮煤為主，有機顯微組份占煤巖組成的85%～95%。煤類較齊全，北部蕭縣、濉溪一帶以瘦煤、貧煤、無煙煤為主，煤層處于過成熟階段，不利于生氣。但閘河北部及西部-渦陽-宿縣一帶有氣煤、肥煤、焦煤，Ro為0.7%～2.0%之間，有機質演化達到成熟階段，為有利生氣階段。

富有機質泥頁巖儲層：兩淮煤田煤系中暗色泥頁巖段（N1-N7）有機質類型以Ⅱ2-Ⅲ型為主，有機碳含量較高，為0.71%～7.35%，一般為2.13%～3.25%，鏡質組反射率Ro 為0.73%～3.62%，一般為0.92%～1.84%，有機質演化屬于成熟-過成熟階段，主體處于成熟階段（表1），研究區(qū)下石盒子組與山西組富有機質泥頁巖等溫吸附實驗結果（圖3）表明：下石盒子組及山西組每噸泥頁巖的最大吸附氣量分別為1.83m3/t、2.33m3/t，表面樣品吸附甲烷能力較強，研究區(qū)富有機質泥頁巖儲層具有較好的生烴潛力。

圖3 潘集外圍深部10-2孔山西組與下石盒子組泥頁巖等溫吸附曲線Figure 3.Adsorption isotherms of shales in the Shanxi and Xiashihezi Formations in hole 10-2 at the peripheral depth of Panji

表1 兩淮煤田石炭—二疊系富有機質泥頁巖地球化學特征分析表Table 1.Analysis of geochemical characteristics of Carboniferous -Permian shales rich in organic matter in the Lianghuai coalfields

2.3 煤層氣與頁巖氣共存富集特征

兩淮煤田地質背景復雜，存在構造的多期疊加，煤層氣與頁巖氣的富集除與煤儲層和富有機質泥頁巖儲層有機質地球化學特征有關外，還主要受構造及埋深條件影響，總體上在構造相對簡單的向斜以及外圍深部地區(qū)有利于煤層氣富集成藏，研究區(qū)煤層氣與頁巖氣富集特征具體表現(xiàn)為：

（1）淮北煤田：宿縣、臨渙兩礦區(qū)的南坪向斜、宿東向斜、宿南向斜的煤層氣與頁巖氣含氣量較高，是淮北煤田煤層氣與頁巖氣有利富集區(qū)（圖5），其中煤層氣含氣量一般大于8m3/t、，且自東向西含氣量呈逐漸減小的趨勢，頁巖氣含氣量一般在1m3/t 左右，總體上N1-N7 富有機質泥頁巖段隨著埋深的增加含氣量呈逐漸增大的趨勢；渦陽礦區(qū)構造相對復雜，煤儲層封蓋條件遭受不同程度破壞，煤層氣含氣量一般小于4m3/t，不利于煤層氣保存，但在本區(qū)花溝-古城一帶是頁巖氣富集有利區(qū)；濉蕭礦區(qū)煤層由于受巖漿作用影響，主要以煤化程度高的瘦煤、無煙煤和天然焦煤為主，煤儲層已達到過成熟階段，不利于煤層氣富集。在蕭西復向斜，煤儲層在多階段演化過程中，氣體向圍巖逸散，下石盒子組N3、N4富有機質泥頁巖段是頁巖氣成藏的有利層段。

（2）淮南煤田：潘謝礦區(qū)是淮南煤田煤層氣與頁巖氣有利富集區(qū)。煤層氣含氣量具有自東向西漸小、分段相間的現(xiàn)象，其中潘集外圍深部地區(qū)煤層氣含氣量高，含氣量一般大于10m3/t，最高可達20m3/t。頁巖氣含氣量也較高，N1-N7 富有機質泥頁巖段含氣量在1.03m3/t～2.33m3/t，且隨著深度的增加含氣量逐漸增高；淮南礦區(qū)煤層氣富集表現(xiàn)為中部高、東西兩端低之特點，在阜鳳逆沖推覆帶構造單元的謝一礦、新莊孜及李一礦含氣量一般為8m3/t～20m3/t；阜東礦區(qū)構造復雜，煤層氣與頁巖氣含氣量均低，煤層氣含氣量一般小于3m3/t，僅在陳橋向斜一帶煤層氣富集成藏。

3 兩淮含煤巖系煤層氣與頁巖氣共采選區(qū)評價

3.1 煤儲層與頁巖儲層空間組合形式及共存氣藏模式

圖4 兩淮煤田石炭-二疊系煤層氣與頁巖氣共存組合氣藏模式圖（據(jù)文獻[1]修改）Figure 4.Models of Carboniferous-Permian coal gas and shale gas co-existing reservoirs in the Lianghuai coalfields（modified after reference [1]）

兩淮煤田石炭-二疊系上石盒子組存在多層煤層（11-2、13-1、15、16等煤層）和多層泥頁巖段（N5、N6、N7），在空間組合上煤層與泥頁巖層段相互獨立，但主采穩(wěn)定煤層少，同時頁巖儲層厚度大，有機碳含量較高，具備形成頁巖氣的條件，綜合形成以頁巖氣為主，煤層氣為輔的復合氣藏（圖4A）；下石盒子組表現(xiàn)為多煤層（4-1、5、7、8等煤層）與泥頁巖段（N3、N4）互層以及泥頁巖多層互層，煤儲層與頁巖儲層有機碳含量大，形成煤層氣與頁巖氣共伴生氣藏（圖4B）；山西組主采1、3煤層與上部N2泥頁巖段相互獨立，煤層厚而穩(wěn)定，主體形成以煤層氣為主，頁巖氣為輔的復合氣藏（圖4C）；太原組主體表現(xiàn)為泥頁巖段與薄煤層、灰?guī)r互層，不具備煤層氣成藏條件，形成單一的頁巖氣藏（圖4D）。研究區(qū)太原組-山西組-下石盒子組-上石盒子組具有形成煤層氣、頁巖氣、煤層氣和頁巖氣復式氣藏的源巖條件，煤層氣與頁巖氣資源共存，是適合開展共采研究與勘查的有利層位。

3.2 兩淮含煤巖系煤層氣與頁巖氣共采有利區(qū)優(yōu)選

我國晚古生代以來構造運動的多期疊加與改造，導致煤層氣與頁巖氣成藏條件異常復雜。研究區(qū)淮北煤田宿縣、臨渙兩礦區(qū)的南坪向斜、宿南向斜、宿東向斜以及淮南煤田潘謝礦區(qū)深部地區(qū)構造相對簡單，地層傾角平緩且變化不大，煤儲層與泥頁巖儲層受構造影響較小，保存條件較好，且煤層氣與頁巖氣共存富集成藏，此外淮南煤田阜鳳逆沖推覆帶構造雖然相對復雜，但煤層氣在成藏地質演化時期未造成氣體大量逸散，煤層含氣性較好。同時通過這些區(qū)域泥頁巖儲層地質參數(shù)與美國優(yōu)質頁巖氣地質參數(shù)對比（表2），兩淮煤田在富有機質泥頁巖厚度、有機碳含量、有機質熱演化程度、埋藏深度上具有相似性，因此，上述地區(qū)是兩淮煤田煤層氣與頁巖共采研究與勘查理想的優(yōu)選區(qū)（圖5）。

圖5 兩淮含煤巖系煤層氣與頁巖氣共采優(yōu)選區(qū)Figure 5.Priority zones for co-mining of coal gas and shale gas in coal measures in the Lianghuai coalfields

4 結論

表2 兩淮煤田石炭—二疊系泥頁巖與美國優(yōu)質頁巖氣地質參數(shù)對比表Table 2.Comparison of geological parameters of Carboniferous -Permian shale in the Lianghuai coalfields and high-quality gas shale in the United States

（1）兩淮煤田含煤巖系發(fā)育30多層煤層及7套富有機質泥頁巖（N1-N7），煤層與泥頁巖層分布穩(wěn)定且連續(xù)、厚度大，是形成煤層氣與頁巖氣的物質基礎。

（2）研究區(qū)煤儲層與N1-N7泥頁巖儲層有機質含量高，母質類型好，鏡質組反射率Ro為0.7%～3.62%，平均有機質成熟度高，有機質演化主體屬于成熟階段，煤儲層含氣量高，最高可達20m3/t，泥頁巖儲層含氣量在2m3/t左右，生烴潛力大。

（3）兩淮煤田在構造相對簡單的向斜以及外圍深部地區(qū)有利于煤層氣與頁巖氣同時富集成藏，其中淮北煤田的宿縣、臨渙兩礦區(qū)的南坪向斜、宿東向斜、宿南向斜以及淮南煤田的潘謝礦區(qū)深部地區(qū)是煤層氣與頁巖氣同時富集成藏的有利區(qū)；淮南阜鳳推覆條帶是煤層氣富集成藏有利區(qū)；淮北煤田濉蕭礦區(qū)的蕭西復向斜以及渦陽礦區(qū)花溝-古城一帶是頁巖氣富集成藏的有利區(qū)帶?？傮w上研究區(qū)煤層氣含氣量有自東向西逐漸減小的趨勢，N1-N7富有機質泥頁巖段隨著埋深的增加含氣量呈逐漸增大的趨勢。

（4）研究區(qū)形成的煤層氣與頁巖氣在空間上存在四種氣藏模式，即：①上石盒子組以頁巖氣為主，煤層氣為輔的復合氣藏模式；②下石盒子組以煤層氣與頁巖氣共伴生氣藏模式；③山西組以煤層氣為主，頁巖氣為輔的復合氣藏模式；④太原組為單一的頁巖氣藏模式。太原組-山西組-下石盒子組-上石盒子組具有形成煤層氣、頁巖氣、煤層氣和頁巖氣復式氣藏的源巖條件，煤層氣與頁巖氣資源共存，是適合開展共采研究的有利層位。

（5）淮北煤田宿縣、臨渙兩礦區(qū)的南坪向斜、宿南向斜、宿東向斜以及淮南煤田潘謝礦區(qū)深部地區(qū)構造相對簡單，埋深及保存條件較好，且煤層氣與頁巖氣共存富集成藏，是開展煤層氣與頁巖氣合探共采研究與勘查的優(yōu)選區(qū)域。