淮南煤田連塘李井田煤層氣地質特征

竇新釗，張文永，孫 貴，丁 海，石耀軍，易小會

(1.安徽省煤田地質局勘查研究院,合肥 230088； 2.安徽省非常規(guī)天然氣工程技術研究中心，合肥 230088；3.中國科學技術大學 地球和空間科學學院，合肥 230000)

淮南煤田是華東地區(qū)重要的煤炭生產基地，經(jīng)過幾十年的勘探與開發(fā)，已出現(xiàn)礦區(qū)開發(fā)強度大，后備礦井接替緊缺的局面，煤炭勘探重點逐步向深部和構造復雜區(qū)轉移。連塘李井田位于阜鳳逆沖推覆構造前鋒部位，構造復雜，存在上、下兩套含煤系統(tǒng)。煤田勘查資料顯示，連塘李井田煤質優(yōu)良，資源/儲量可靠、豐富，開采條件較好，產品市場廣闊、競爭力強，是淮南煤田重要的接替資源。

根據(jù)《關于進一步加快煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用的意見》(國辦發(fā)〔2013〕93號)等一系列文件的要求，對于規(guī)劃建井開采的區(qū)域，應堅持“先采氣、后采煤”的原則。而且，以往淮南煤田煤層氣勘查工作主要集中在淮南復向斜區(qū)域，對阜鳳推覆構造帶很少涉及[1-7]。因此，為了查明連塘李井田煤層氣賦存及開發(fā)地質條件，在井田內實施了兩口煤層氣探井(23-3井和16-12井)，系統(tǒng)開展煤層氣勘查工作，為下一步煤層氣勘探與開發(fā)決策提供依據(jù)。

1 地質背景

1.1 區(qū)域構造背景

淮南煤田位于華北板塊東南緣，所處大地構造單元為華北陸塊徐淮地塊的淮南斷褶帶?；茨厦禾锉币詣⒏當嗔雅c蚌埠隆起相鄰，南以壽縣-老人倉斷層為界與合肥坳陷相靠，東起郯廬斷裂，西抵阜陽斷裂[8]?；茨厦禾锏男纬珊脱莼鼙本壍陌霾郝∑鸷湍暇壍母辐P逆沖推覆構造控制[9-12]，其總體構造形態(tài)呈北西西向展布的大型復式向斜，平面上略有彎曲，褶皺軸部在西部昂起。復式向斜內，地形平坦開闊，以石炭、二疊系含煤地層為主，掩埋在新生界松散沉積層之下，含煤地層產狀平緩，除南翼推覆斷塊內的局部地層傾角陡立、偶呈倒轉外，一般傾角都在10°～20°，并由一系列次一級的形態(tài)寬緩的褶曲和斷層組成(圖1)。

淮南煤田南緣的阜鳳逆沖推覆構造西起阜陽，沿淮南坳陷南緣向東，經(jīng)口孜集、鳳臺縣、淮南舜耕山延伸至固鎮(zhèn)斷裂帶，走向北西西，延展長度130km以上。阜鳳推覆構造主要由阜李-舜耕山、阜鳳兩大逆沖斷裂系組成，其它均屬其分支，如山王集斷裂等(圖1)。阜鳳沖斷層直接沖覆在謝橋-古溝向斜南翼的二疊紀含煤地層之上，屬推覆系統(tǒng)的前鋒帶，下伏含煤巖系中煤炭資源非常豐富，已探明煤炭資源量達20多億t。阜鳳斷層的沖斷面沿走向波狀起伏，切入下伏地層，東段淺部切入石炭二疊系，中段在鳳臺附近局部切在寒武、奧陶系中，西段到謝橋一帶又切進石炭二疊系。

1、阜陽斷裂；2、劉府斷裂；3、尚塘-明龍山斷裂；4、胡集斷裂；5、顏集斷裂；6、陳橋斷裂；7、阜鳳斷裂；8、阜李斷裂； 9、潁上-定遠斷裂；10、舜耕山斷裂；11、山王集斷裂；12、新城口-長豐斷裂；13、武店斷裂；14、大興集斷裂； 15、唐集-朱集背斜；16、尚塘-耿村向斜；17、陳橋-潘集背斜；18、謝橋-古溝向斜

1.2 井田構造特征

連塘李井田位于淮南煤田中段南緣，總體呈北西西向展布。阜鳳逆沖斷層將寒武系、奧陶系及部分石炭二疊系呈巖席狀自南向北推覆于謝橋-古溝向斜南翼的二疊紀含煤地層之上。阜鳳逆沖斷層上覆盤稱為推覆系統(tǒng)，下伏盤稱為原地系統(tǒng)。

推覆系統(tǒng)是以阜鳳逆沖斷層為主推覆面的前展式疊瓦狀推覆構造。由于受自南向北的推擠作用，發(fā)育了產狀類似的系列分支逆斷層，地層傾角變化大，南部地層傾角大，甚至局部直立倒轉，北部地層傾角較緩，伴有次級褶曲。主要分支斷層有F03、F06、F07和F08等，位于阜鳳逆沖斷層之南均屬阜鳳逆沖斷層的分支斷層，將推覆系統(tǒng)切割成3～6個斷夾片，它們走向大致平行，在淺部呈疊瓦狀，往深部傾角急劇變緩合并到主推覆面(阜鳳逆沖斷層)上。推覆系統(tǒng)各斷夾片地層沿走向有一定變化，波狀起伏，但主體仍保持近東西向。

原地系統(tǒng)位于謝橋-古溝向斜內，基本構造形態(tài)為一寬緩向斜構造，向斜軸走向NWW向。向斜北翼地層走向N75°W，傾角10°～20°。南翼地層因受阜鳳逆沖斷層切割，發(fā)育不完整，地層走向N75°E，地層傾角在24勘探線以東10°～20°，以西40°～50°。原地系統(tǒng)斷層較發(fā)育，斷層走向以近EW向為主，其次為NWW、NW，少量為NE、NNE向。

圖2 連塘李井田構造綱要圖Figure 2 Structural outline map of Liantangli minefield

圖3 22勘探線地質剖面圖Figure 3 Exploration line No.22 geological section

1.3 地層與煤層

連塘李井田內基巖均為新生界松散層覆蓋。據(jù)鉆探揭露，井田區(qū)內地層受阜鳳逆沖推覆斷層作用，存在上覆推覆系統(tǒng)和下伏原地沉積兩套地層，推覆系統(tǒng)內斷裂構造發(fā)育，自南向北推覆，地層產狀多陡立，地層層序變化較大，南部F03斷層上盤揭露寒武系，其下盤為二疊系含煤地層，受構造作用，地層不全，局部存在倒轉現(xiàn)象。原地系統(tǒng)地層產狀平緩，地層層序與淮南煤田其他礦區(qū)相同，由老至新為中元古界鳳陽群、古生界寒武系、奧陶系中-下統(tǒng)、石炭系上統(tǒng)、二疊系及新生界新近系、第四系。

井田內含煤地層為石炭-二疊系太原組、山西組、下石盒子組和上石盒子組。太原組煤層發(fā)育極不穩(wěn)定，無工業(yè)價值，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組煤層發(fā)育。二疊紀含煤地層平均厚度971m，其中含煤段厚度780m，山西組、下石盒子組和上石盒子組共含煤30余層，煤層平均累厚26.19m，含煤系數(shù)為2.70%。原地系統(tǒng)可采煤層11層，平均累厚21.19m，不可采煤層7層，平均累厚3.47m。推覆系統(tǒng)可采煤層9層，平均累厚18.54 m，不可采煤層13層，平均累厚5.27m。

2 儲層物性特征

2.1 壓汞孔隙結構

本次采用壓汞法測定了煤樣的孔隙度、比表面積、總孔容、孔徑變化范圍和退汞效率等孔隙發(fā)育特征參數(shù)。連塘李勘查區(qū)16-12井和23-3井主要煤層孔隙發(fā)育特征如表1所示。各可采煤層的比表面積主要集中在1.786～4.444m2/g，平均為3.43m2/g，總孔容變化范圍為0.029 2～0.285 8ml/g，平均為0.11ml/g，孔徑變化范圍為5.35～247 605.1nm，退汞效率基本大于60%，最高可達96.67%?？傮w來說，井田內主要煤層比表面積和總孔容均偏低，孔隙系統(tǒng)發(fā)育一般。

2.2 試井滲透率和儲層壓力

連塘李井田16-12井試井結果見表2。煤層試井滲透率分布在0.05～0.08mD之間，各煤層滲透性基本相當，總體偏低。16-12井主要煤層儲層壓力分布在9.53～15.14MPa，壓力梯度分布在(1.11～1.22)×10-2MPa/m，平均1.15×10-2MPa/m，整體表現(xiàn)為儲層壓力梯度大于靜水壓力梯度，屬高異常壓力范疇。

表1 主要煤層孔隙發(fā)育特征

表2 16-12井原地系統(tǒng)試井結果

2.3 儲層溫度

根據(jù)井田周邊新集一礦、新集二礦長期觀測鉆孔資料，恒溫帶深度為20m，溫度為17.1℃。煤田勘探表明，全井田地溫梯度為1.54～3.00℃/100m，平均為2.34℃/100m，屬地溫正常區(qū)。根據(jù)煤層氣試井獲取的儲層溫度資料，16-12井地溫梯度為2.96℃/100m，地溫梯度正常，煤儲層溫度主要受煤層埋深的影響，溫度與埋深呈線性關系(圖4)。

圖4 16-12井試井儲層溫度與埋深關系Figure 4 Relationship between reservoir temperature and buried depth in testing well 16-12

2.4 儲層吸附能力

井田內煤層蘭氏體積(VL)和蘭氏壓力(PL)測試結果如表3所示?？梢钥闯?，連塘李井田主要煤層蘭氏壓力(空氣干燥基)分布在1.06～10.62MPa，平均為3.12MPa，蘭氏體積(空氣干燥基)分布在3.63～13.40 m3/t，平均為6.84m3/t，吸附能力較低。

表3 主要煤層等溫吸附測試結果

3 煤層含氣性特征

3.1 氣測錄井特征

連塘李井田16-12井和23-3井均開展了氣測錄井及相應工作，16-12井由370.00m開始進行氣測錄井，共發(fā)現(xiàn)16次異常顯示，根據(jù)氣測值、氣測異常及巖性將全井劃分為11個含氣層段。上石盒子組共10個異常點，其中962.50～966.50m段(原地系統(tǒng)13-1煤)氣測異常最明顯，全烴由2.18%↑8.21%，C1由1.659%↑7.122%，C2由0.0%↑0.035%。下石盒子組共5個異常點，其中1 178.11～1 181.31m段(原地系統(tǒng)6-1煤)氣測異常最明顯，全烴由0.76%↑4.37%，C1由0.573%↑3.089%，C2由0.044%↑0.185%。山西組有1個異常點，在1 314.44～1 319.24m段(原地系統(tǒng)1煤)發(fā)現(xiàn)氣測異常，全烴由0.11%↑1.61%，C1由0.068%↑1.257%，C2由0.0%↑0.079%。16-12井解釋煤層含氣性一般，全烴含量最大值為8.21%，平均變化范圍在2%～3%。

23-3井由316m開始進行氣測錄井，共發(fā)現(xiàn)41次異常顯示，根據(jù)氣測值結合巖性將全井段劃分為8個含氣層段(圖5)。上石盒子組共28個異常點，其中1 151.94～1 154.84m段(原地系統(tǒng)13-1煤)氣測異常最明顯，全烴由2.546%↑8.231%，C1由1.759%↑7.542%，C2由0.147%↑0.283%。下石盒子組共3個異常點，其中987.81～998.26m段(推覆系統(tǒng)7-1煤)氣測異常最明顯，全烴由0.622%↑7.39%，C1由0.543%↑6.625%，C2由0.014%↑0.273%。23-3井解釋煤層含氣性一般，全烴含量最大值為8.23%，平均變化范圍在1%～3%。

3.2 實測含氣量與含氣飽和度

連塘李井田兩口煤層氣井均進行了現(xiàn)場含氣量測試，主要煤層的含氣量分布在0.11～1.73m3/t，平均1.09m3/t(表4)，煤層含氣量低。根據(jù)區(qū)內主要可采煤層等溫吸附測試結果和實測含氣量計算出含氣飽和度。從表4可以看出，井田內主要煤層含氣飽和度很低，最大值僅為20.84%。

表4 主要煤層實測含氣量與含氣飽和度

圖5 23-3井氣測錄井圖Figure 5 Well 23-3 gas logging traces

4 結論

(1)分析測試結果表明，連塘李井田各可采煤層孔隙比表面積平均為3.43m2/g，總孔容平均為0.11ml/g，煤層試井滲透率分布在0.05～0.08mD，孔隙系統(tǒng)發(fā)育一般，滲透性較差；主要煤層儲層壓力分布在9.53～15.14MPa，壓力梯度平均1.15×10-2MPa/m，屬高異常壓力范疇；16-12井地溫梯度為2.96℃/100m，地溫梯度正常；主要煤層蘭氏壓力(空氣干燥基)平均為3.12MPa，蘭氏體積(空氣干燥基)平均為6.84m3/t，吸附能力較低。

(2)連塘李井田16-12井和23-3井均開展了氣測錄井工作，16-12井共發(fā)現(xiàn)16次異常顯示，劃分了11個含氣層段。23-3井共發(fā)現(xiàn)41次異常顯示，劃分了8個含氣層段。兩口井全烴含量最大值分別為8.21%和8.23%，氣測錄井解釋煤層含氣性一般?，F(xiàn)場含氣量測試結果表明，主要煤層的含氣量平均1.09m3/t，含氣飽和度最大為20.84%，具有低含氣量和低飽和度的特征。

(3)綜合分析認為，連塘李井田位于阜鳳逆沖推覆構造前鋒部位，構造復雜，煤層滲透率低，含氣量及含氣飽和度低，煤層氣地面開發(fā)難度大，具有較高的勘探風險。