国内学术界根据目前采煤技术发展现状和安全开采要求，提出深部的概念是700～1 000 m[1]，深部开采面临更严重的煤矿安全隐患，是我国煤炭安全生产和持续发展的重要制约因素。淮南煤田潘谢矿区深部含煤地层普遍埋深在800～2 500 m，煤炭资源储量丰度高，是淮南煤田重要的接替资源。由于高瓦斯、高地温、高地压、高水压等地质条件的限制，短时间内深部煤炭资源开采并不现实。然而，随着煤层气勘探开发向深部进一步拓展[2-4]，煤系非常规天然气共探共采理论和技术的日益完善[5-12]，该区煤系非常规天然气综合勘查与开发具有现实意义。
浅部煤炭及非常规天然气勘探和生产资料表明，淮南煤田煤系呈现出煤层和泥页岩频繁交互出现的特点，煤系非常规天然气资源潜力大[13-18]。但是，潘谢矿区深部煤系非常规天然气研究工作薄弱[19-25]，而且主要依托深部煤炭勘查工程，缺少针对性的深部煤系非常规天然气研究。为此，安徽省最近在淮南煤田深部实施了煤系非常规天然气综合评价，并施工了1口多气综合勘探井——潘气1井。笔者依托“潘气1井”测试成果，分析淮南煤田深部煤系有机质地球化学特征及其生烃潜力，结合深部煤炭详查成果，进一步剖析生烃组合特征，以期为淮南煤田深部煤系气勘探开发提供依据。
1 地质背景
淮南潘谢矿区位于华北陆块南缘的徐淮地块(图1)。矿区北以刘府深断裂与蚌埠隆起相邻，南以颍上—定远断裂与合肥盆地相接，东起郯庐断裂带，西部通过陈桥断裂、大兴集断裂与新集矿区相连。
受周边区域构造带不同期次活动影响，矿区整体上呈现为NWW向展布的对冲式断褶构造带，南部为阜凤逆冲推覆构造带，北部为重力滑覆构造带，中部为复向斜构造带，具有“南北分带，东西分块”的特征(图1)。从EW向剖面图可以看出(图1，剖面A)，淮南复向斜东段是潘谢矿区的主体构造，由谢桥—古沟向斜、潘集背斜、尚塘—耿村向斜、唐集—朱集背斜和陈桥背斜组成，这些褶皱NWW向平行分布，平面上略有弯曲，褶皱轴部均向东倾伏，在西部抬起，具有明显的统一性(图1，剖面B)。
潘谢矿区地层自下而上发育太古代五河群/霍邱群、中新元古代青白口系、震旦系，古生代寒武系、中下奥陶统，下石炭统、二叠系、下三叠统，中生代上侏罗统、白垩系及新生代古近系和大面积覆盖的新近系—第四系。含煤地层自下而上为石炭—二叠系的太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组，总厚约1 000 m。潘谢矿区深部区含煤20～30层，煤层总厚45 m左右，其中1,4,8,11-2,13-1等煤层为主要可采煤层。除煤层外，暗色泥页岩同样广泛发育，在垂向上与煤层、砂岩呈互层式分展布，泥页岩累计厚度最大可达600 m以上，具有良好的煤系天然气生成的物质基础(表1)。
图1 淮南煤田构造纲要及剖面图
Fig.1 Structural outline and sectional drawing of Huainan mining area
潘谢矿区自石炭—二叠纪成煤期以来经历了4个构造演化阶段[26-30]:稳定沉降阶段(C2—T2)、构造形变阶段(T3—J3)、伸展隆升阶段(K—E)和坳陷沉积阶段(N—Q)。印支期NS向挤压作用奠定了矿区现今构造格局，矿区深部总体表现为压性构造特征，对煤系天然气资源保存有利。燕山晚期和喜马拉雅期的伸展作用，使得矿区深部小型正断层发育，这在一定程度上改善了煤系储层的物性。初步分析认为矿区深部构造稳定，地层相对平缓，煤系发育完整，煤系天然气埋深适中，向斜控气特征明显，是潘谢矿区最为有利的煤系非常规天然气勘查开发区域。
表1 潘气1井地层
Table 1 Stratigraphic chart of well PQ-1
地层新生界N-Q代号底界深度/m地质特征168.60未固结的沙、砾、泥中生界TT1刘家沟组T1l754.55紫红色砂岩,泥页岩上古生界PP3P2P1孙家沟组P3sh968.55紫红色砂岩,泥页岩上石盒子组 P3ss1 709.65粉砂岩,砂岩,泥页岩,含煤20～25层下石盒子组 P2xs1 823.95粉砂岩,泥页岩与砂岩互层,含煤9～12层山西组P1s1 898.30砂岩,粉砂岩,泥页岩,含煤1～3层,含植物化石太原组P1-2t2 003.00(未穿)灰岩和砂页岩、煤线互层,含蜓类化石
2 样品采集与测试
潘气1井钻至太原组(未打穿)，终孔井深2 003 m，是两淮煤田最深的1口勘探井，本文样品主要采自该井，并结合深部煤炭勘查13-2井的样品。有机地球化学测试样品共338件，其中煤样44件，泥页岩及砂岩样294件。
样品分布在上石盒子组、下石盒子组和山西组，重点层段适当加密，涵盖了主要煤层及泥页岩层段，以泥页岩为主，煤层为辅。孙家沟组和太原组非目标层位，测试未涉及。完成的测试项目及样品数量见表2，主要含煤地层柱状及相应测试结果如图2所示。
表2 样品采集情况
Table 2 Sample collection
测试项目样品数量/件潘气1井13-2孔采样密度/(m·件-1)TOC含量306320.5～3.0 镜质体反射率Ro602010～20 岩石热解502510～20 干酪根碳同位素822510～20 氯仿沥青“A”502510～20
3 有机地球化学特征
3.1 有机质类型
研究区煤系泥页岩有机质氢指数IH相对较高，重点层位山西组和下石盒子组泥页岩样品氢指数变化范围更大，大部分样品属于Ⅱ2-Ⅲ型，少部分为Ⅱ1型(图3)。
泥页岩样品干酪根δ13C均大于-25.5‰，结合TISSOT等划分标准[31]，有机质类型全部在Ⅱ2-Ⅲ型之间，上石盒子组、下石盒子组和山西组泥页岩Ⅱ2型干酪根数量略占优势(图4)。干酪根类型的碳同位素判识结果，与烃源岩热解氢指数划分结果基本一致。
3.2 有机质丰度
3.2.1 有机碳含量
潘气1井煤的总有机碳(TOC)含量均在60%以上。其中，上石盒子组煤样品21件，厚度加权平均为66.34%，下石盒子组煤样品22件，厚度加权平均为67.02%，山西组煤样品只取1件，TOC含量为69.69%。
在泥页岩总有机碳含量测试中，上石盒子组泥页岩样44件，TOC含量在0.02%～19.54%，厚度加权平均为2.19%;下石盒子组泥页岩样59件，TOC含量分布在0.40%～11.85%，厚度加权平均为1.88%;山西组泥页岩样179件，TOC含量分布在0.10%～5.57%，厚度加权平均为2.23%。根据煤系烃源岩的TOC的评价标准[32]，研究区煤系泥页岩TOC含量均达到了中等烃源岩标准。
为更好地分析研究区不同层位泥页岩TOC含量水平，结合实验数据情况，统计了有机碳含量分布频率，并绘制了有机碳频率分布图(图5)。由频率分布图可以看出，尽管上石盒子组平均TOC含量相对较高，但<1%的样品占62%，即有机质丰度低的层位较多，而且下部TOC含量高于上部，需要进一步筛选目标层位。下石盒子组泥页岩TOC含量总体中等，但>1%的样品数量占73%，>2%的样品数量也超过了37%，显示了该组总体上具有较好的产气潜力。山西组TOC含量 >1%的样品数量占61.36%，>2%的样品数量占34%，TOC含量厚度加权平均含量也达到了2.23%，显示山西组有机质丰度高，生气潜力大，可作为研究区首选目的层位。
3.2.2 氯仿沥青“A”
氯仿沥青“A”是评价烃源岩有机质丰度的重要指标之一。研究区煤中的氯仿沥青“A”测试样品较少，总体变化范围较大，最高可达到5.39%，厚度加权平均为3.12%。泥页岩氯仿沥青“A”在上石盒子组、下石盒子组和山西组厚度加权平均为0.29%,0.32%和0.41%。根据煤系烃源岩的氯仿沥青“A”的评价标准[32]，研究区煤样品达到了中等烃源岩标准，泥页岩达到了好的烃源岩标准。
图2 潘气1井主要含煤地层柱状及相应测试成果垂向变化
Fig.2 Vertical change map of columnar and corresponding test results of coal-bearing strata for well PQ-1
3.2.3 热解生烃潜量
烃源岩生烃潜力进行定量评价时，一般用S1(可溶烃)和S2(裂解烃)的总量(S1+S2)来表示烃源岩的生烃潜力。研究区煤层的生烃潜量(S1+S2)未做系统测试，不作评价。上石盒子组泥页岩S1+S2分布在0.06～48.31 mg/g，厚度加权平均为5.58 mg/g，下石盒子组泥页岩S1+S2分布在0.03～60.73 mg/g，厚度加权平均为7.69 mg/g，山西组泥页岩S1+S2分布在0.03～7.59 mg/g，厚度加权平均为5.40 mg/g。据煤系泥岩生烃潜力评价标准[32]，下石盒子组泥页岩S1+S2达到了好的烃源岩标准，上石盒子组和山西组泥页岩S1+S2达到了中等烃源岩标准。
4 生烃及组合特征
4.1 烃源岩热演化与成烃分析
图3 煤系泥岩有机质类型图解
Fig.3 Diagrams of organic matter types in coal measures
石炭—二叠纪煤系形成后，区域上经历过燕山中期的构造-热事件，淮南煤田仅在浅部的潘集地区发现有岩浆侵入(图6)，煤系有机质热演化以深成变质作用为主。盆地模拟结果表明[33]，在经历了印支期沉降埋藏后，该井煤系最大埋深达到3 200 m左右，有机质热演化在三叠纪末期达到最大值，进入成熟阶段，并生成大量的热成因气，随后煤系抬升，热演化作用终止。在遭受了侏罗纪—古近纪持续隆升剥蚀以及新近纪以来的坳陷沉积作用后，潘气1井区煤系现今最大埋深仍超过2 000 m(图1，6)。
图4 煤系泥岩干酪根碳同位素频率分布
Fig.4 Isotopic frequency distribution of kerogen
图5 煤系泥岩总有机碳含量频率分布
Fig.5 Frequency distribution of total organic carbon content
煤炭详查结果表明，淮南煤田深部现今煤阶以气煤为主，其次为1/3焦煤等其他煤类。潘气1井煤层及煤系泥页岩镜质组最大反射率(Ro，max)分布在0.63%～1.31%。即，深部煤系有机质热演化程度位于成熟阶段，进入了热降解气生成阶段。
图6 潘气1井石炭—二叠纪煤系埋藏-成熟史[33]
Fig.6 Burial and maturity history of C-P coal measure of well PQ-1[33]
4.2 生烃组合特征
在潘气1井煤系有机质生烃潜力和气测录井特征分析的基础上，结合近年来深部煤炭勘查成果，以全区稳定发育的厚层煤层和泥页岩为目标层位，认为研究区存在三套稳定发育的生烃组合(图2)。
组合1:位于上石盒子组上段中-下部，典型的煤炭勘查钻孔包括2-4孔、3-4孔、4-7孔、4-8孔、5-3孔、6-6孔、6-9孔、12-3孔、20-5孔等(图7)。该组合包括13-1煤层及其顶、底板泥页岩，13-1煤全区稳定可采，平均厚约5 m，顶板泥页岩厚15～30 m，底板泥页岩厚20～30 m，整个组合厚40～60 m。潘气1井在该组合段气测录井异常明显，13-1煤层厚4.9 m，全烃由5.54%↑54.42%，C1由3.79%↑38.03%，泥页岩气测异常有3层共4.6 m，其中1 590.00～1 591.78 m段气测异常最明显，全烃由6.62%↑29.53%，C1由6.13%↑23.46%。该组合泥页岩TOC含量平均达到2.17%，13-1煤生烃潜量(S1+S2)达到130.02 mg/g，镜质组最大反射率平均为0.96%，达到了成熟阶段，是良好的页岩气-煤层气共生气藏。
图7 组合1典型钻孔柱状
Fig.7 Typical drill columns of combination 1
组合2:位于下石盒子组上段，典型的煤炭勘查钻孔包括2-4孔、3-1孔、3-2孔、4-5孔、4-6孔、5-3孔、15-3孔、17-1孔、19-2孔、L1-2-1孔等(图8)。该组合包括3层可采煤层(8煤、7煤、6煤)以及厚层泥页岩和薄层砂岩。3层煤总厚5～20 m，整个组合厚60～150 m。潘气1井在该组合段气测录井异常明显，8煤厚2.50 m，全烃由23.92%↑38.89%，C1由20.56%↑33.05%，7煤厚1.40 m，全烃由15.70%↑32.09%，C1由13.25%↑28.95%，6煤厚4.0 m，全烃由12.30%↑38.98%，C1由10.56%↑32.75%。泥页岩气测异常有1层，位于1 719.80～1 721.00 m段，全烃由9.55%↑16.38%，C1由6.55%↑13.68%。组合内泥页岩TOC含量平均值为1.94%，有机质丰度中等，煤层层数多、厚度大。Ro,max平均为1.12%，达到成熟阶段，生成大量的热成因气，以煤层气为主，页岩气为辅。
图8 组合2典型钻孔柱状
Fig.8 Typical drill columns of combination 2
图9 组合3典型钻孔柱状
Fig.9 Typical drill columns of combination 3
组合3:位于山西组底部，典型的煤炭勘查钻孔包括3-2孔、5-2孔、5-3孔、6-7孔、8-5孔、16-4孔、18-3孔等(图9)。整个山西组有机质丰度高，砂岩气测录井异常明显，是致密砂岩气最有可能取得突破的层位。该组合包括两层稳定煤层(1煤和3煤)和泥页岩。泥页岩总厚10～30 m，两层煤总厚约6 m，整个组合厚度达到20～35 m。潘气1井的3煤层气测异常最为明显，3煤厚2.00 m，全烃由20.83%↑33.63%，C1由17.50%↑30.08%，泥页岩气测异常不明显。组合内泥页岩TOC含量平均为1.35%，有机质丰度中等，生烃潜力良好。煤层和泥页岩Ro,max平均为1.05%，达到成熟阶段。本组合以煤层气为主，页岩气为辅。
5 结 论
(1)煤系烃源岩热解氢指数及干酪根碳同位素测试分析表明，淮南煤田深部煤系有机质干酪根类型属于Ⅱ2-Ⅲ型，局部存在少量的Ⅱ1型。干酪根主要来源于陆生高等植物，具有良好的天然气生成潜力。
(2)总有机碳含量、氯仿沥青“A”和岩石热解等实验结果表明，上石盒子组泥页岩TOC含量厚度加权平均为2.19%，氯仿沥青“A”厚度加权平均为0.29%，S1+S2厚度加权平均为5.58 mg/g，下石盒子组泥页岩TOC含量厚度加权平均为1.88%，氯仿沥青“A”厚度加权平均为0.32%，S1+S2厚度加权平均为7.69 mg/g，山西组泥页岩TOC含量厚度加权平均为2.23%，氯仿沥青“A”厚度加权平均为0.41%，S1+S2厚度加权平均为5.40 mg/g，泥页岩有机质丰度各项指标均达到了中等或好的烃源岩标准。煤层总有机碳含量均在60%以上，氯仿沥青“A”厚度加权平均为3.12%，也达到了中等烃源岩标准。综合分析认为，潘谢矿区深部煤系有机质具有较高的原始生烃能力。
(3)在潘气1井煤系烃源岩有机地化和气测录井特征分析的基础上，结合深部煤炭勘查成果，在潘谢矿区深部划分了三套稳定发育的生烃组合。
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