两淮含煤岩系煤层气与页岩气富集特征及共采选区评价

赵志义，张文永，孙贵，窦新钊

（1安徽省煤田地质局勘查研究院，安徽合肥 230088；2安徽省非常规天然气工程技术研究中心，安徽合肥 230088）

0 引言

我国煤系海陆交互相和陆相地层中广泛发育富有机质泥页岩和煤层或者薄煤层伴生、互层[1]，具有同时形成煤层气和页岩气的基础地质条件，是提出二者共采评价的理论依据，同时页岩气和煤层气都具有自生自储的成藏特点，均主要以游离气和吸附气方式储集，都需要压裂开采等诸多共性特征[2～11]，因此煤层气与页岩气具有交叉的科学研究空间。国内有关学者也提出煤系发育区具备煤层气和页岩气成藏的条件，可以开展合探共采研究[12～14]。开展含煤岩系煤层气与页岩气共采选区评价与开发，可以提高资源采收率，减少多井重复性施工，降低社会成本[11]，对于像安徽省煤系海陆交互相和陆相沉积环境丰富的省份具有重要的现实意义。

本文以两淮煤田含煤岩系烃源岩为研究对象，研究两淮煤田含煤岩系煤层气与页岩气的富集特征，探讨煤层气与页岩气共采前景，优选煤层气和页岩气共存勘查有利区，为多气共采先导试验提供必要的地质保障。

1 区域地质背景

两淮煤田在赋煤构造单元上属于华北赋煤区（一级）中的徐淮赋煤带（二级）[15]，以利辛断裂和刘府断裂为界，又分为淮北断陷带、蚌埠断隆带和淮南断褶带等三个三级赋煤构造单元（见图1），在淮北断陷带及淮南断褶带上发育有一系列背、向斜，自北向南-自东向西主要有：①淮北煤田：萧西复向斜、童亭背斜、南坪向斜、宿南背斜、宿南向斜、宿东向斜；②淮南煤田：板集背斜、陈桥背斜、朱集塘集背斜、潘集背斜、谢桥向斜、谢桥-古沟向斜。研究区构造较复杂，断层发育，仅在局部地区构造相对简单，区内除宿州以北以及淮南-蚌埠一带有寒武系、奥陶系露头外，其余区域均为第四系松散层覆盖。石炭-二叠系含煤地层保存较好，其中太原组、山西组、下石盒子组和上石盒子组地层总厚约850m。

图1 两淮断褶带次级赋煤构造单元划分图Figure 1.Division of secondary coal-bearing structural units in the fault folding belt of the Lianghuai coalfields

2 两淮含煤岩系煤层气与页岩气富集特征

2.1 煤层气与页岩气富集的地质基础

两淮煤田石炭-二叠系沉积特征表现为由一套浅海沉积，经滨岸和三角洲过渡相，最终转变为陆相的沉积序列，主要可采煤层分布于二叠系山西组、下石盒子组和上石盒子组，可采煤层多（15层～30层），分布稳定且厚度大（煤层平均可采厚度为14～26m），这为煤层气的生成提供了丰富的物质基础。同时，受沉积环境影响，研究区含煤岩系广泛发育暗色泥页岩，沉积有7套厚度较大、分布较稳定的富有机质泥页岩段，自下而上依次编号为N1-N7（图2），其中太原组顶部N1 泥页岩段整体厚度不大，但分布稳定。山西组中上部发育一套暗色泥页岩（N2），一般厚10～30m，相对较稳定，局部地区厚度超过80m。下石盒子组下部和中上部分别发育一套厚度较大的泥岩页岩（N3、N4），N3、N4 泥页岩段一般厚20～60m。上石盒子组下部、中部和上部发育3套泥页岩（N5、N6、N7），其中N5、N7 泥页岩段厚度变化较大，局部厚可达100m 以上，N6泥页岩段较发育，厚度一般为20～50m，目的层暗色泥页岩厚度累计可达300余米。

图2 两淮煤田石炭—二叠系煤层发育与主力泥页岩对比图（淮北煤田）Figure 2.Comparison of the development of Carboniferous-Permian coal seams and main shales in the Lianghuai coalfields（Huaibei coalfield）

总体来说，两淮煤田以上、下石盒子组泥页岩最为发育，山西组次之，这些层位的暗色泥页岩单层厚度较大，稳定性较好，加之部分泥页岩段与煤层交叉发育，为页岩气的生成提供了丰富的物质基础。因此，两淮煤田煤层气储层和页岩气储层具有在垂向上相邻或相近分布的特性，具备同时赋存煤层气和页岩气资源的物质前提。

2.2 煤储层与泥页岩储层地球化学特征

煤储层：淮南煤田主要可采煤层以气煤和1/3 焦煤为主，其次为肥煤。宏观煤岩类型以亮煤为主，有机显微组份占煤岩组成的85%～95%，Ro 为0.7%～2.0%之间，有机质演化达到成熟阶段，为生气有利阶段。淮北煤田宏观煤岩类型以亮煤为主，有机显微组份占煤岩组成的85%～95%。煤类较齐全，北部萧县、濉溪一带以瘦煤、贫煤、无烟煤为主，煤层处于过成熟阶段，不利于生气。但闸河北部及西部-涡阳-宿县一带有气煤、肥煤、焦煤，Ro为0.7%～2.0%之间，有机质演化达到成熟阶段，为有利生气阶段。

富有机质泥页岩储层：两淮煤田煤系中暗色泥页岩段（N1-N7）有机质类型以Ⅱ2-Ⅲ型为主，有机碳含量较高，为0.71%～7.35%，一般为2.13%～3.25%，镜质组反射率Ro 为0.73%～3.62%，一般为0.92%～1.84%，有机质演化属于成熟-过成熟阶段，主体处于成熟阶段（表1），研究区下石盒子组与山西组富有机质泥页岩等温吸附实验结果（图3）表明：下石盒子组及山西组每吨泥页岩的最大吸附气量分别为1.83m3/t、2.33m3/t，表面样品吸附甲烷能力较强，研究区富有机质泥页岩储层具有较好的生烃潜力。

图3 潘集外围深部10-2孔山西组与下石盒子组泥页岩等温吸附曲线Figure 3.Adsorption isotherms of shales in the Shanxi and Xiashihezi Formations in hole 10-2 at the peripheral depth of Panji

表1 两淮煤田石炭—二叠系富有机质泥页岩地球化学特征分析表Table 1.Analysis of geochemical characteristics of Carboniferous -Permian shales rich in organic matter in the Lianghuai coalfields

2.3 煤层气与页岩气共存富集特征

两淮煤田地质背景复杂，存在构造的多期叠加，煤层气与页岩气的富集除与煤储层和富有机质泥页岩储层有机质地球化学特征有关外，还主要受构造及埋深条件影响，总体上在构造相对简单的向斜以及外围深部地区有利于煤层气富集成藏，研究区煤层气与页岩气富集特征具体表现为：

（1）淮北煤田：宿县、临涣两矿区的南坪向斜、宿东向斜、宿南向斜的煤层气与页岩气含气量较高，是淮北煤田煤层气与页岩气有利富集区（图5），其中煤层气含气量一般大于8m3/t、，且自东向西含气量呈逐渐减小的趋势，页岩气含气量一般在1m3/t 左右，总体上N1-N7 富有机质泥页岩段随着埋深的增加含气量呈逐渐增大的趋势；涡阳矿区构造相对复杂，煤储层封盖条件遭受不同程度破坏，煤层气含气量一般小于4m3/t，不利于煤层气保存，但在本区花沟-古城一带是页岩气富集有利区；濉萧矿区煤层由于受岩浆作用影响，主要以煤化程度高的瘦煤、无烟煤和天然焦煤为主，煤储层已达到过成熟阶段，不利于煤层气富集。在萧西复向斜，煤储层在多阶段演化过程中，气体向围岩逸散，下石盒子组N3、N4富有机质泥页岩段是页岩气成藏的有利层段。

（2）淮南煤田：潘谢矿区是淮南煤田煤层气与页岩气有利富集区。煤层气含气量具有自东向西渐小、分段相间的现象，其中潘集外围深部地区煤层气含气量高，含气量一般大于10m3/t，最高可达20m3/t。页岩气含气量也较高，N1-N7 富有机质泥页岩段含气量在1.03m3/t～2.33m3/t，且随着深度的增加含气量逐渐增高；淮南矿区煤层气富集表现为中部高、东西两端低之特点，在阜凤逆冲推覆带构造单元的谢一矿、新庄孜及李一矿含气量一般为8m3/t～20m3/t；阜东矿区构造复杂，煤层气与页岩气含气量均低，煤层气含气量一般小于3m3/t，仅在陈桥向斜一带煤层气富集成藏。

3 两淮含煤岩系煤层气与页岩气共采选区评价

3.1 煤储层与页岩储层空间组合形式及共存气藏模式

图4 两淮煤田石炭-二叠系煤层气与页岩气共存组合气藏模式图（据文献[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]）

两淮煤田石炭-二叠系上石盒子组存在多层煤层（11-2、13-1、15、16等煤层）和多层泥页岩段（N5、N6、N7），在空间组合上煤层与泥页岩层段相互独立，但主采稳定煤层少，同时页岩储层厚度大，有机碳含量较高，具备形成页岩气的条件，综合形成以页岩气为主，煤层气为辅的复合气藏（图4A）；下石盒子组表现为多煤层（4-1、5、7、8等煤层）与泥页岩段（N3、N4）互层以及泥页岩多层互层，煤储层与页岩储层有机碳含量大，形成煤层气与页岩气共伴生气藏（图4B）；山西组主采1、3煤层与上部N2泥页岩段相互独立，煤层厚而稳定，主体形成以煤层气为主，页岩气为辅的复合气藏（图4C）；太原组主体表现为泥页岩段与薄煤层、灰岩互层，不具备煤层气成藏条件，形成单一的页岩气藏（图4D）。研究区太原组-山西组-下石盒子组-上石盒子组具有形成煤层气、页岩气、煤层气和页岩气复式气藏的源岩条件，煤层气与页岩气资源共存，是适合开展共采研究与勘查的有利层位。

3.2 两淮含煤岩系煤层气与页岩气共采有利区优选

我国晚古生代以来构造运动的多期叠加与改造，导致煤层气与页岩气成藏条件异常复杂。研究区淮北煤田宿县、临涣两矿区的南坪向斜、宿南向斜、宿东向斜以及淮南煤田潘谢矿区深部地区构造相对简单，地层倾角平缓且变化不大，煤储层与泥页岩储层受构造影响较小，保存条件较好，且煤层气与页岩气共存富集成藏，此外淮南煤田阜凤逆冲推覆带构造虽然相对复杂，但煤层气在成藏地质演化时期未造成气体大量逸散，煤层含气性较好。同时通过这些区域泥页岩储层地质参数与美国优质页岩气地质参数对比（表2），两淮煤田在富有机质泥页岩厚度、有机碳含量、有机质热演化程度、埋藏深度上具有相似性，因此，上述地区是两淮煤田煤层气与页岩共采研究与勘查理想的优选区（图5）。

图5 两淮含煤岩系煤层气与页岩气共采优选区Figure 5.Priority zones for co-mining of coal gas and shale gas in coal measures in the Lianghuai coalfields

4 结论

表2 两淮煤田石炭—二叠系泥页岩与美国优质页岩气地质参数对比表Table 2.Comparison of geological parameters of Carboniferous -Permian shale in the Lianghuai coalfields and high-quality gas shale in the United States

（1）两淮煤田含煤岩系发育30多层煤层及7套富有机质泥页岩（N1-N7），煤层与泥页岩层分布稳定且连续、厚度大，是形成煤层气与页岩气的物质基础。

（2）研究区煤储层与N1-N7泥页岩储层有机质含量高，母质类型好，镜质组反射率Ro为0.7%～3.62%，平均有机质成熟度高，有机质演化主体属于成熟阶段，煤储层含气量高，最高可达20m3/t，泥页岩储层含气量在2m3/t左右，生烃潜力大。

（3）两淮煤田在构造相对简单的向斜以及外围深部地区有利于煤层气与页岩气同时富集成藏，其中淮北煤田的宿县、临涣两矿区的南坪向斜、宿东向斜、宿南向斜以及淮南煤田的潘谢矿区深部地区是煤层气与页岩气同时富集成藏的有利区；淮南阜凤推覆条带是煤层气富集成藏有利区；淮北煤田濉萧矿区的萧西复向斜以及涡阳矿区花沟-古城一带是页岩气富集成藏的有利区带。总体上研究区煤层气含气量有自东向西逐渐减小的趋势，N1-N7富有机质泥页岩段随着埋深的增加含气量呈逐渐增大的趋势。

（4）研究区形成的煤层气与页岩气在空间上存在四种气藏模式，即：①上石盒子组以页岩气为主，煤层气为辅的复合气藏模式；②下石盒子组以煤层气与页岩气共伴生气藏模式；③山西组以煤层气为主，页岩气为辅的复合气藏模式；④太原组为单一的页岩气藏模式。太原组-山西组-下石盒子组-上石盒子组具有形成煤层气、页岩气、煤层气和页岩气复式气藏的源岩条件，煤层气与页岩气资源共存，是适合开展共采研究的有利层位。

（5）淮北煤田宿县、临涣两矿区的南坪向斜、宿南向斜、宿东向斜以及淮南煤田潘谢矿区深部地区构造相对简单，埋深及保存条件较好，且煤层气与页岩气共存富集成藏，是开展煤层气与页岩气合探共采研究与勘查的优选区域。