淮南煤田连塘李井田煤层气地质特征

窦新钊，张文永，孙 贵，丁 海，石耀军，易小会

(1.安徽省煤田地质局勘查研究院,合肥 230088； 2.安徽省非常规天然气工程技术研究中心，合肥 230088；3.中国科学技术大学 地球和空间科学学院，合肥 230000)

淮南煤田是华东地区重要的煤炭生产基地，经过几十年的勘探与开发，已出现矿区开发强度大，后备矿井接替紧缺的局面，煤炭勘探重点逐步向深部和构造复杂区转移。连塘李井田位于阜凤逆冲推覆构造前锋部位，构造复杂，存在上、下两套含煤系统。煤田勘查资料显示，连塘李井田煤质优良，资源/储量可靠、丰富，开采条件较好，产品市场广阔、竞争力强，是淮南煤田重要的接替资源。

根据《关于进一步加快煤层气(煤矿瓦斯)抽采利用的意见》(国办发〔2013〕93号)等一系列文件的要求，对于规划建井开采的区域，应坚持“先采气、后采煤”的原则。而且，以往淮南煤田煤层气勘查工作主要集中在淮南复向斜区域，对阜凤推覆构造带很少涉及[1-7]。因此，为了查明连塘李井田煤层气赋存及开发地质条件，在井田内实施了两口煤层气探井(23-3井和16-12井)，系统开展煤层气勘查工作，为下一步煤层气勘探与开发决策提供依据。

1 地质背景

1.1 区域构造背景

淮南煤田位于华北板块东南缘，所处大地构造单元为华北陆块徐淮地块的淮南断褶带。淮南煤田北以刘府断裂与蚌埠隆起相邻，南以寿县-老人仓断层为界与合肥坳陷相靠，东起郯庐断裂，西抵阜阳断裂[8]。淮南煤田的形成和演化受北缘的蚌埠隆起和南缘的阜凤逆冲推覆构造控制[9-12]，其总体构造形态呈北西西向展布的大型复式向斜，平面上略有弯曲，褶皱轴部在西部昂起。复式向斜内，地形平坦开阔，以石炭、二叠系含煤地层为主，掩埋在新生界松散沉积层之下，含煤地层产状平缓，除南翼推覆断块内的局部地层倾角陡立、偶呈倒转外，一般倾角都在10°～20°，并由一系列次一级的形态宽缓的褶曲和断层组成(图1)。

淮南煤田南缘的阜凤逆冲推覆构造西起阜阳，沿淮南坳陷南缘向东，经口孜集、凤台县、淮南舜耕山延伸至固镇断裂带，走向北西西，延展长度130km以上。阜凤推覆构造主要由阜李-舜耕山、阜凤两大逆冲断裂系组成，其它均属其分支，如山王集断裂等(图1)。阜凤冲断层直接冲覆在谢桥-古沟向斜南翼的二叠纪含煤地层之上，属推覆系统的前锋带，下伏含煤岩系中煤炭资源非常丰富，已探明煤炭资源量达20多亿t。阜凤断层的冲断面沿走向波状起伏，切入下伏地层，东段浅部切入石炭二叠系，中段在凤台附近局部切在寒武、奥陶系中，西段到谢桥一带又切进石炭二叠系。

1、阜阳断裂；2、刘府断裂；3、尚塘-明龙山断裂；4、胡集断裂；5、颜集断裂；6、陈桥断裂；7、阜凤断裂；8、阜李断裂； 9、颍上-定远断裂；10、舜耕山断裂；11、山王集断裂；12、新城口-长丰断裂；13、武店断裂；14、大兴集断裂； 15、唐集-朱集背斜；16、尚塘-耿村向斜；17、陈桥-潘集背斜；18、谢桥-古沟向斜

1.2 井田构造特征

连塘李井田位于淮南煤田中段南缘，总体呈北西西向展布。阜凤逆冲断层将寒武系、奥陶系及部分石炭二叠系呈岩席状自南向北推覆于谢桥-古沟向斜南翼的二叠纪含煤地层之上。阜凤逆冲断层上覆盘称为推覆系统，下伏盘称为原地系统。

推覆系统是以阜凤逆冲断层为主推覆面的前展式叠瓦状推覆构造。由于受自南向北的推挤作用，发育了产状类似的系列分支逆断层，地层倾角变化大，南部地层倾角大，甚至局部直立倒转，北部地层倾角较缓，伴有次级褶曲。主要分支断层有F03、F06、F07和F08等，位于阜凤逆冲断层之南均属阜凤逆冲断层的分支断层，将推覆系统切割成3～6个断夹片，它们走向大致平行，在浅部呈叠瓦状，往深部倾角急剧变缓合并到主推覆面(阜凤逆冲断层)上。推覆系统各断夹片地层沿走向有一定变化，波状起伏，但主体仍保持近东西向。

原地系统位于谢桥-古沟向斜内，基本构造形态为一宽缓向斜构造，向斜轴走向NWW向。向斜北翼地层走向N75°W，倾角10°～20°。南翼地层因受阜凤逆冲断层切割，发育不完整，地层走向N75°E，地层倾角在24勘探线以东10°～20°，以西40°～50°。原地系统断层较发育，断层走向以近EW向为主，其次为NWW、NW，少量为NE、NNE向。

图2 连塘李井田构造纲要图Figure 2 Structural outline map of Liantangli minefield

图3 22勘探线地质剖面图Figure 3 Exploration line No.22 geological section

1.3 地层与煤层

连塘李井田内基岩均为新生界松散层覆盖。据钻探揭露，井田区内地层受阜凤逆冲推覆断层作用，存在上覆推覆系统和下伏原地沉积两套地层，推覆系统内断裂构造发育，自南向北推覆，地层产状多陡立，地层层序变化较大，南部F03断层上盘揭露寒武系，其下盘为二叠系含煤地层，受构造作用，地层不全，局部存在倒转现象。原地系统地层产状平缓，地层层序与淮南煤田其他矿区相同，由老至新为中元古界凤阳群、古生界寒武系、奥陶系中-下统、石炭系上统、二叠系及新生界新近系、第四系。

井田内含煤地层为石炭-二叠系太原组、山西组、下石盒子组和上石盒子组。太原组煤层发育极不稳定，无工业价值，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组煤层发育。二叠纪含煤地层平均厚度971m，其中含煤段厚度780m，山西组、下石盒子组和上石盒子组共含煤30余层，煤层平均累厚26.19m，含煤系数为2.70%。原地系统可采煤层11层，平均累厚21.19m，不可采煤层7层，平均累厚3.47m。推覆系统可采煤层9层，平均累厚18.54 m，不可采煤层13层，平均累厚5.27m。

2 储层物性特征

2.1 压汞孔隙结构

本次采用压汞法测定了煤样的孔隙度、比表面积、总孔容、孔径变化范围和退汞效率等孔隙发育特征参数。连塘李勘查区16-12井和23-3井主要煤层孔隙发育特征如表1所示。各可采煤层的比表面积主要集中在1.786～4.444m2/g，平均为3.43m2/g，总孔容变化范围为0.029 2～0.285 8ml/g，平均为0.11ml/g，孔径变化范围为5.35～247 605.1nm，退汞效率基本大于60%，最高可达96.67%。总体来说，井田内主要煤层比表面积和总孔容均偏低，孔隙系统发育一般。

2.2 试井渗透率和储层压力

连塘李井田16-12井试井结果见表2。煤层试井渗透率分布在0.05～0.08mD之间，各煤层渗透性基本相当，总体偏低。16-12井主要煤层储层压力分布在9.53～15.14MPa，压力梯度分布在(1.11～1.22)×10-2MPa/m，平均1.15×10-2MPa/m，整体表现为储层压力梯度大于静水压力梯度，属高异常压力范畴。

表1 主要煤层孔隙发育特征

表2 16-12井原地系统试井结果

2.3 储层温度

根据井田周边新集一矿、新集二矿长期观测钻孔资料，恒温带深度为20m，温度为17.1℃。煤田勘探表明，全井田地温梯度为1.54～3.00℃/100m，平均为2.34℃/100m，属地温正常区。根据煤层气试井获取的储层温度资料，16-12井地温梯度为2.96℃/100m，地温梯度正常，煤储层温度主要受煤层埋深的影响，温度与埋深呈线性关系(图4)。

图4 16-12井试井储层温度与埋深关系Figure 4 Relationship between reservoir temperature and buried depth in testing well 16-12

2.4 储层吸附能力

井田内煤层兰氏体积(VL)和兰氏压力(PL)测试结果如表3所示。可以看出，连塘李井田主要煤层兰氏压力(空气干燥基)分布在1.06～10.62MPa，平均为3.12MPa，兰氏体积(空气干燥基)分布在3.63～13.40 m3/t，平均为6.84m3/t，吸附能力较低。

表3 主要煤层等温吸附测试结果

3 煤层含气性特征

3.1 气测录井特征

连塘李井田16-12井和23-3井均开展了气测录井及相应工作，16-12井由370.00m开始进行气测录井，共发现16次异常显示，根据气测值、气测异常及岩性将全井划分为11个含气层段。上石盒子组共10个异常点，其中962.50～966.50m段(原地系统13-1煤)气测异常最明显，全烃由2.18%↑8.21%，C1由1.659%↑7.122%，C2由0.0%↑0.035%。下石盒子组共5个异常点，其中1 178.11～1 181.31m段(原地系统6-1煤)气测异常最明显，全烃由0.76%↑4.37%，C1由0.573%↑3.089%，C2由0.044%↑0.185%。山西组有1个异常点，在1 314.44～1 319.24m段(原地系统1煤)发现气测异常，全烃由0.11%↑1.61%，C1由0.068%↑1.257%，C2由0.0%↑0.079%。16-12井解释煤层含气性一般，全烃含量最大值为8.21%，平均变化范围在2%～3%。

23-3井由316m开始进行气测录井，共发现41次异常显示，根据气测值结合岩性将全井段划分为8个含气层段(图5)。上石盒子组共28个异常点，其中1 151.94～1 154.84m段(原地系统13-1煤)气测异常最明显，全烃由2.546%↑8.231%，C1由1.759%↑7.542%，C2由0.147%↑0.283%。下石盒子组共3个异常点，其中987.81～998.26m段(推覆系统7-1煤)气测异常最明显，全烃由0.622%↑7.39%，C1由0.543%↑6.625%，C2由0.014%↑0.273%。23-3井解释煤层含气性一般，全烃含量最大值为8.23%，平均变化范围在1%～3%。

3.2 实测含气量与含气饱和度

连塘李井田两口煤层气井均进行了现场含气量测试，主要煤层的含气量分布在0.11～1.73m3/t，平均1.09m3/t(表4)，煤层含气量低。根据区内主要可采煤层等温吸附测试结果和实测含气量计算出含气饱和度。从表4可以看出，井田内主要煤层含气饱和度很低，最大值仅为20.84%。

表4 主要煤层实测含气量与含气饱和度

图5 23-3井气测录井图Figure 5 Well 23-3 gas logging traces

4 结论

(1)分析测试结果表明，连塘李井田各可采煤层孔隙比表面积平均为3.43m2/g，总孔容平均为0.11ml/g，煤层试井渗透率分布在0.05～0.08mD，孔隙系统发育一般，渗透性较差；主要煤层储层压力分布在9.53～15.14MPa，压力梯度平均1.15×10-2MPa/m，属高异常压力范畴；16-12井地温梯度为2.96℃/100m，地温梯度正常；主要煤层兰氏压力(空气干燥基)平均为3.12MPa，兰氏体积(空气干燥基)平均为6.84m3/t，吸附能力较低。

(2)连塘李井田16-12井和23-3井均开展了气测录井工作，16-12井共发现16次异常显示，划分了11个含气层段。23-3井共发现41次异常显示，划分了8个含气层段。两口井全烃含量最大值分别为8.21%和8.23%，气测录井解释煤层含气性一般。现场含气量测试结果表明，主要煤层的含气量平均1.09m3/t，含气饱和度最大为20.84%，具有低含气量和低饱和度的特征。

(3)综合分析认为，连塘李井田位于阜凤逆冲推覆构造前锋部位，构造复杂，煤层渗透率低，含气量及含气饱和度低，煤层气地面开发难度大，具有较高的勘探风险。