桑樹勛，韓思杰，周效志，劉世奇，王月江

（1.中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省煤基溫室氣體減排與資源化利用重點實驗室，江蘇 徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué)碳中和研究院，江蘇 徐州 221008；3.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008；5.新疆維吾爾自治區(qū)煤炭煤層氣測試研究所，新疆 烏魯木齊 830099）

目前，華東地區(qū)作為中國重要的煤炭產(chǎn)區(qū)，煤炭開發(fā)強度高，可供經(jīng)濟開發(fā)的煤炭資源逐漸枯竭；但深部煤層氣資源具有萬億立方米的規(guī)模，其高效開發(fā)對于長三角地區(qū)天然氣供給具有重要戰(zhàn)略意義。在“雙碳”目標(biāo)下，華東地區(qū)溫室氣體減排壓力巨大，甲烷作為第二大溫室氣體，來自生產(chǎn)和關(guān)閉礦井的煤炭甲烷排放不容忽視，煤層氣高效開發(fā)利用是實現(xiàn)煤炭甲烷減排的最佳路徑[1]。深部煤層氣是煤層氣勘探開發(fā)新領(lǐng)域，在華東地區(qū)對天然氣供給和溫室氣體減排更具有現(xiàn)實需求。華東地區(qū)煤層氣資源賦存地區(qū)包括江蘇省徐州地區(qū)、安徽省兩淮地區(qū)、山東省黃河北地區(qū)（煤田）、江西省萍鄉(xiāng)—樂平及上饒地區(qū)（煤田），其中兩淮地區(qū)是華東地區(qū)煤層氣資源量最大的地區(qū)[2]，淮南礦區(qū)預(yù)測2 000 m以淺煤層氣資源量5 008.33×108m3，淮北煤田3 976.36×108m3[3]。中國深部煤層氣勘探開發(fā)已在鄂爾多斯盆地東緣延川南、大寧—吉縣、臨興—保德區(qū)塊，準(zhǔn)噶爾盆地東部白家海凸起和綏德河底區(qū)塊取得突破[4]。鑒于深部與淺部煤儲層地質(zhì)條件的顯著差異性，煤層氣開發(fā)理論和技術(shù)也取得長足進(jìn)展，開展高地應(yīng)力、高地溫、高儲層壓力動態(tài)耦合下的深部煤層氣地質(zhì)與開發(fā)技術(shù)體系研究成為當(dāng)前重點攻關(guān)領(lǐng)域[5?6]。華東地區(qū)深部煤層氣資源集中于蘇魯豫皖交界處，以安徽兩淮地區(qū)、山東黃河煤田為主。以安徽省為例，兩淮礦區(qū)（淮南、淮北）2 000 m 以淺煤層氣資源量達(dá)0.9×1012m3，其中以1 000 m 以深的深部煤層氣資源為主；但因構(gòu)造煤儲層發(fā)育，淺部煤層氣仍未實現(xiàn)規(guī)?；孛骈_發(fā)突破，按傳統(tǒng)的認(rèn)識，深部煤層氣開采難度應(yīng)該更大，因此，對于兩淮地區(qū)深部煤層氣資源開發(fā)少有關(guān)注。華東地區(qū)煤礦區(qū)（淺部）煤層氣開發(fā)取得大量成果，以兩淮礦區(qū)為代表，形成了兩淮高地應(yīng)力、高瓦斯壓力和高瓦斯含氣量煤層群煤層氣井上下立體聯(lián)合開發(fā)技術(shù)體系[7?8]?！笆濉逼陂g，淮南礦業(yè)集團總抽采量達(dá)到21.1×108m3，瓦斯利用量7.9×108m3，發(fā)電量達(dá)14.6×108kW·h[9]，可見華東地區(qū)煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)仍存在較大潛力，也為深部煤層氣開發(fā)提供重要信息。華東地區(qū)深部煤層氣高效規(guī)模化地面開發(fā)潛力大、需求緊迫，但油氣勘探開發(fā)企業(yè)關(guān)注不夠，針對性的研究工作更少。

重點針對華東地區(qū)主要富煤層氣區(qū)的江蘇北部、安徽北部和山東西南部，通過梳理煤層氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀和已有資料成果分析，探討華東地區(qū)深部煤層含氣特征并估算深部煤層氣資源量，討論深部煤層氣開發(fā)技術(shù)進(jìn)展及其在華東地區(qū)的可能應(yīng)用前景，初步展望了華東地區(qū)深部煤層氣開發(fā)方向，預(yù)測了勘探開發(fā)有利區(qū)，為開展華東地區(qū)深部煤層氣高效規(guī)?；孛骈_發(fā)提供參考。

1 深部煤層氣的內(nèi)涵

目前尚沒有關(guān)于深部煤層氣的準(zhǔn)確定義，根據(jù)中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《煤層氣資源評價規(guī)范：DZ/T 0378—2021》，將煤層氣資源埋深大于1 200 m 定義為深層煤層氣；但這僅考慮煤層埋深狀態(tài)，忽視了煤層氣賦存規(guī)律是多重地質(zhì)因素控制的綜合結(jié)果。早期研究普遍將1 000 m 以深的煤層氣資源作為深部煤層氣，含氣量與應(yīng)力狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是主要的評價指標(biāo)，華北、西南等高煤階區(qū)含氣性與地應(yīng)力轉(zhuǎn)換深度在750～1 000 m；但新疆等低煤階區(qū)的轉(zhuǎn)換埋深達(dá)到2 000 m 以深[10]。隨著對中國主要含煤盆地深部煤層含氣規(guī)律、應(yīng)力狀態(tài)、物性特征研究不斷深入，秦勇和申建[11]提出深部煤層氣的“深部”不僅是埋深的概念，而是煤儲層狀態(tài)的改變，集中體現(xiàn)在含氣能力降低、垂直主應(yīng)力大于平均水平最大主應(yīng)力以及滲透率的急速衰減，界定“淺部”與“深部”煤層氣的深度稱之為臨界深度。

2 華東地區(qū)煤層氣勘探開發(fā)領(lǐng)域

2.1 原位煤層氣開發(fā)

淮南礦業(yè)集團自20 世紀(jì)90 年代開始，就先后施工了9口原位煤層氣測試井，總結(jié)了構(gòu)造煤對儲層的影響，認(rèn)為被保護層卸壓煤層氣開發(fā)對破碎煤儲層有顯著改造效果[12]。2019 年開始，首次在淮南礦區(qū)內(nèi)進(jìn)行煤層氣水平井開采實驗，共施工6 口水平井，并進(jìn)行壓裂排采試驗，截至2021年10月，5口井產(chǎn)氣，最高單井日產(chǎn)氣量1 519 m3，累計產(chǎn)氣量97×104m3[9]?；幢钡V業(yè)集團2008年在蘆嶺礦1采區(qū)施工了7口“一井三用”的煤層氣抽采井，其中LG1 井、LG2 井的8 號煤均為構(gòu)造煤，產(chǎn)氣量較低，除LG6 為高產(chǎn)井，最高日產(chǎn)氣量3 000 m3以上，LG3 井、LG4 井、LG5 井、LG7井日產(chǎn)量在500 m3左右。“十一五”期間又陸續(xù)施工了5 口煤層氣壓裂井，單井日產(chǎn)氣量230～3 100 m3，累計產(chǎn)氣量193×104m3。截至2021 年，中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司在宿州礦區(qū)新施工鉆井36 口（組），其中水平井3組，CLG20HL?01水平井日產(chǎn)氣量3 000 m3左右，直井最高日產(chǎn)量超過2 000 m3，取得了區(qū)域煤層氣勘探開發(fā)的突破[9]。目前兩淮地區(qū)原位煤層氣開采主要采用疏水降壓解吸采氣[13]、地面大直徑鉆孔、井下條帶預(yù)抽未采動區(qū)瓦斯[14]、遠(yuǎn)距離保護層卸壓開采對未采區(qū)地面進(jìn)行預(yù)抽[15]。隨著技術(shù)的發(fā)展，條帶式井上下聯(lián)合抽采，保護層開采與地面鉆井相結(jié)合，大面積礦井卸壓和地面聯(lián)合抽采技術(shù)將成為煤礦區(qū)原位煤層氣抽采技術(shù)的必然發(fā)展趨勢[16]。

2.2 煤礦采動區(qū)和采空區(qū)煤層氣開發(fā)

華東地區(qū)針對煤礦采動區(qū)和采空區(qū)煤層氣的開發(fā)已經(jīng)持續(xù)多年，逐漸形成了自己的開發(fā)模式。淮南礦區(qū)通過實施國家科技重大項目的采煤采氣一體化示范工程，研發(fā)了“遠(yuǎn)距離保護層卸壓開采”技術(shù)，對采動區(qū)和采空區(qū)礦井進(jìn)行地面聯(lián)動抽采，其瓦斯治理技術(shù)以保護層卸壓和高強度主動預(yù)抽技術(shù)為代表，被稱為“淮南模式”[17]。此外，根據(jù)淮南礦區(qū)的煤與煤層氣賦存與開采特點，孔祥喜等[12]提出了煤層群條件下保護層卸壓井上下立體抽采煤層氣開發(fā)模式（圖1）。童碧等[18]證明“以孔代巷”，即利用高位大直徑鉆孔代替高抽巷抽采采空區(qū)瓦斯是可行的。近年來，淮南礦區(qū)在地面鉆井抽采試驗基礎(chǔ)上，將地面鉆井技術(shù)與卸壓煤層氣抽采技術(shù)結(jié)合，完善了淮南特色的煤與瓦斯共采理論——生產(chǎn)礦井煤與瓦斯共采+地面煤層氣抽采理論[19]。針對碎軟煤層采動區(qū)和采空區(qū)的煤層氣抽采，研發(fā)用于整個采煤過程中適用的“一井多用”技術(shù)，實現(xiàn)壓裂井、采動區(qū)井、采空區(qū)井煤層氣開發(fā)的連續(xù)使用，最大限度抽采煤層群中的煤層氣是未來的發(fā)展方向[20]。

圖1 煤層群條件下煤與煤層氣一體化開發(fā)模式[12]Fig.1 Integrated development mode of coal and coalbed methane under coal seam group conditions[12]

2.3 構(gòu)造煤煤層氣開發(fā)

華東地區(qū)主要含煤盆地受郯廬走滑斷裂控制變形嚴(yán)重，煤層普遍存在構(gòu)造擠壓變形甚至破壞的現(xiàn)象?；茨厦禾锞褪撬绍?、低透氣性、厚度中等、煤層群開發(fā)的典型礦區(qū)，1998—2000年，國投新集能源股份有限公司與西安研究院合作，在新集煤礦施工了3口構(gòu)造煤煤層氣開發(fā)實驗井，單井日產(chǎn)氣量最高3 278 m3，但產(chǎn)氣衰減快，平均日產(chǎn)氣量只有200～1 200 m3。2013 年，在蘆嶺礦首次成功實施了碎軟低滲煤層頂板水平井分段壓裂開發(fā)煤層氣技術(shù)示范工程，單井最高日產(chǎn)氣量10 760 m3[16,20]。2018 年以后，隨著構(gòu)造煤頂板壓裂煤層氣開發(fā)技術(shù)的應(yīng)用，淮南礦業(yè)集團先后在潘謝區(qū)塊、顧橋礦、潘二礦、朱集礦各施工了18口L型頂板水平井。截至2022年12月，已有3口井產(chǎn)量超過4 000 m3/d、1 口井產(chǎn)量超過3 000 m3/d、1口井產(chǎn)量超過2 000 m3/d、2口井產(chǎn)量超過1 000 m3/d，合計氣產(chǎn)量超過2.58×104m3/d[16]。然而該技術(shù)仍然未徹底解決構(gòu)造煤層解吸增滲問題。桑樹勛等[13]針對單一厚煤層構(gòu)造煤發(fā)育特征，拓展卸壓煤層氣開發(fā)技術(shù)和直井洞穴完井技術(shù)，探索建立了構(gòu)造煤水平井造洞穴應(yīng)力釋放解吸采氣理論與技術(shù)體系，有望顯著提高構(gòu)造煤煤層氣開發(fā)效果（圖2）。

圖2 水平井造洞穴應(yīng)力釋放構(gòu)造煤煤層氣開發(fā)技術(shù)原理示意圖[13]Fig.2 Technology principle schematic of tectonic coal coalbed methane development with horizontal well cave stress release[13]

3 華東地區(qū)深部煤層氣資源

雖然華東地區(qū)煤層氣勘探開發(fā)歷史悠久，取得了構(gòu)造煤煤層氣和卸壓煤層氣有效開發(fā)的局部突破，但大多數(shù)均集中在淺部原位煤層或采空區(qū)，深部煤層氣資源評價與工程開發(fā)工作鮮有報道。同時，悠久的煤炭開采史也造成淺部煤炭逐漸枯竭，淺部煤層氣資源受長期煤礦采動影響，資源潛力消耗殆盡，開發(fā)價值有限。因此，在深部煤層找資源已成為華東地區(qū)煤層氣勘探開發(fā)的必然方向。

3.1 深部煤層地質(zhì)特征

華東地區(qū)深部煤層埋深普遍介于800～1 500 m，煤系縱向上發(fā)育上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組和下石盒子組，以山西組和下石盒子組煤層為主，厚煤層也主要分布于山西組和下石盒子組。平面上，華東地區(qū)厚煤層主要發(fā)育在安徽淮南煤田，可采厚度達(dá)23～36 m，顯著大于山東黃河北煤田和江蘇徐州礦區(qū)煤層的可采厚度，在區(qū)域上可采煤層厚度呈現(xiàn)北薄南厚的特點。華東地區(qū)煤變質(zhì)作用程度自淺部至深部逐漸增高，由北到南降低，北部（山東黃河北煤田）太原組下部為偏低的肥煤階段，太原組上部和山西組為氣肥煤和氣煤階段，在南部（徐州礦區(qū)、淮南煤田）山西組為氣煤到氣肥煤階段，石盒子組多為氣煤，這種垂向和橫向的變化，基本上與現(xiàn)在未受火成巖侵人的煤質(zhì)變化規(guī)律是相似的。華東地區(qū)不同區(qū)域煤層的孔隙度差異較大，這與煤的熱演化程度有著密切的關(guān)系，淮南煤田平均孔隙度達(dá)8.32%，而徐州礦區(qū)張集礦平均孔隙度為7.70 %，黃河北煤田肥煤和氣煤平均孔隙度分別為3.45 %和4.29 %，淮南煤田的孔隙度顯著大于其他地區(qū)，華東地區(qū)煤的鏡質(zhì)組反射率基本介于0.65%～2.00%。在這一階段煤層的孔隙度隨著煤化作用程度的加深，孔隙體積迅速減小，由于華東地區(qū)由北到南煤化程度逐漸降低，所以在區(qū)域上呈現(xiàn)孔隙度南高北低的特點?？傮w來看，華東地區(qū)石炭—二疊煤系深度基本類似，但自北向南煤層賦存與發(fā)育條件逐漸變好，淮南煤田主采煤層整體發(fā)育優(yōu)勢突出。

3.2 深部煤層含氣特征

目前對煤層氣的賦存狀態(tài)已基本形成共識，淺部煤層氣主要以吸附態(tài)方式保存，有少量的游離態(tài)和溶解態(tài)；而隨著埋深增加，游離氣的含量逐漸增加，高孔隙度煤層為游離氣提供了大量賦存空間，但吸附氣含量在溫度負(fù)效應(yīng)控制下逐漸降低。雖然煤層含氣量在埋深剖面上存在轉(zhuǎn)折深度，中低階煤的轉(zhuǎn)折深度淺于高階煤（圖3a），但深部煤層由于受到深層熱效應(yīng)影響，往往具有更高的成熟度，從而導(dǎo)致實際轉(zhuǎn)折深度加深[21]。華東地區(qū)主要煤田深部煤層雖然以氣肥煤為主（表1），但含氣量普遍在10 cm3/g以上，含氣飽和度平均在80%以上，高含氣量和高含氣飽和度特征明顯，具備深部煤層氣勘探開發(fā)的資源條件。例如，淮南潘集礦區(qū)深部13?1號煤層，埋深1 500 m，含氣量18.7 cm3/g；淮南謝家集礦區(qū)C13號煤層，埋深1 204.23 m，含氣量15.32 cm3/g，B4b號煤層，埋深1 154.6 m，含氣量高達(dá)23.17 cm3/g；淮北宿縣礦區(qū)10 號煤層，埋深941.4 m，含氣量12.16 cm3/g，含氣飽和度高達(dá)108 %；山東黃河北煤田10 號煤層，埋深778 m，含氣量16.2 cm3/g；徐州礦區(qū)1號煤層，埋深918.15 m，含氣量高達(dá)17.77 cm3/g，平均孔隙度7.7%[22?25]。在目前勘探范圍內(nèi)，華東地區(qū)深部煤層埋深并未達(dá)到煤層含氣量的轉(zhuǎn)折深度，含氣量隨埋深呈增大趨勢（圖3b）。這些數(shù)據(jù)表明以淮南潘集—謝家集礦區(qū)、淮北宿縣礦區(qū)、徐州礦區(qū)、山東黃河北煤田為代表的華東地區(qū)深部煤層具有很好的含氣性與孔滲條件，更深煤層含氣潛力更高，為華東地區(qū)深部煤層氣勘探開發(fā)提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

表1 華東地區(qū)代表性煤田或煤礦區(qū)主采煤層基本特征Table 1 Basic characteristics of main coal seams in representative coalfields or coal mining areas in East China

圖3 不同煤級煤層及華東地區(qū)主要礦區(qū)煤層含氣量隨埋深變化Fig.3 Variation of coal seam gas content with buried depth in different coal seams and major mining areas in East China

3.3 深部煤層氣資源潛力預(yù)測

華東地區(qū)擁有豐富的煤炭及煤層氣資源，主要產(chǎn)煤省份包括安徽、江蘇和山東。安徽省的煤炭資源主要分布于兩淮煤田，深部煤層氣資源在兩淮煤田中不均勻分布，部分礦區(qū)相對富集。江蘇省煤炭資源分布較為局限，大部分集中在西北部的徐州地區(qū)，蘇南較少，中部缺乏[26]，深部煤層氣資源主要集中于徐州礦區(qū)。山東省煤炭資源歷經(jīng)60多年的勘探開發(fā)，全省的煤炭資源狀況已基本查明，深部煤層氣資源主要分布于黃河北、章丘、淄博煤田以及濟陽坳陷深部煤層中。

兩淮煤田位于華東地區(qū)的安徽省，煤炭資源豐富，煤層氣富集高產(chǎn)。截至2020 年底，兩淮地區(qū)2 000 m 以淺煤層氣預(yù)測資源量為8 984.69×108m3[9]。該地區(qū)煤儲層受構(gòu)造控制明顯，整體呈東高西低的趨勢，在向斜構(gòu)造部位或煤儲層埋深較大部位含氣量較高，且隨著煤儲層埋深的增加，含氣飽和度呈上升趨勢，含氣量大于8 m3/t 的煤儲層埋深一般在1 000 m 以下[27]?；幢泵禾锖瑲饬砍蕱|高西低分布，東部宿縣礦區(qū)的桃園、祁南礦深部含氣量在16 m3/t以上，向西臨渙礦區(qū)任樓、海孜礦深部含氣量減小至15 m3/t 左右，西部的渦陽礦區(qū)深部含氣量最小，一般在4 m3/t 以下[27]。前人運用GIS（地理信息系統(tǒng)）軟件，運用體積法計算了淮南和淮北煤田1 500 m以深煤層氣資源量，分別為7 226.8×108m3和3 752.5×108m3，主要集中在淮南潘集—唐集—顧橋一帶和淮北宿縣—袁店—大店一帶[27]?；茨厦禾锸侨A東煤層氣資源量最大的地區(qū)，深部煤層氣資源量占比更大?；茨厦禾锏闹x李區(qū)、潘集深部區(qū)、謝橋張集深部區(qū)為3個主要煤層氣高含量區(qū)，含氣量為10～30 m3/t[28]，淮南謝李區(qū)、潘集—古溝區(qū)、上窯—沈家崗區(qū)以及淮北南平區(qū)1 000～2 000 m 煤層氣資源量超過1 000×108m3（圖4）。兩淮煤田均具有煤層層數(shù)多、煤層厚度大的有利地質(zhì)條件，煤層氣資源豐度高，淮北與淮南煤田煤層氣資源豐度分別為2.3×108m3/km2和3.56×108m3/km2[28]。前人從深部煤層氣資源角度綜合運用模糊數(shù)學(xué)和GIS 疊加方法對兩淮煤田深部煤層氣勘探開發(fā)有利區(qū)進(jìn)行了預(yù)測，認(rèn)為淮北煤田中的宿縣深部煤區(qū)南部的南坪、桃園礦區(qū)，淮南煤田中的潘謝礦區(qū)為深部煤層氣勘探開發(fā)有利區(qū)[28]。

圖4 華東地區(qū)淮南礦區(qū)和徐州礦區(qū)煤層氣地質(zhì)資源量預(yù)測[24,29]Fig.4 Prediction of coalbed methane geological resources in the Huainan and Xuzhou mining area in East China[24,29]

徐州礦區(qū)煤炭勘探深度已達(dá)1 200 m，部分達(dá)到1 500 m[24]，淺部僅殘留部分保護煤柱，含氣量總體較低，但深部未采動煤層在上保護層卸壓后具有一定勘探開發(fā)潛力。通過壓力—吸附法與體積法預(yù)測得到徐州礦區(qū)煤層氣資源量為173.05×108m3，由于徐州礦區(qū)淺部可動煤層已基本被采掘，埋深1 000 m 以淺的煤層氣資源量僅為21.26×108m3，而1 000 m以深的資源量達(dá)到151.79×108m3（圖4）。相較于兩淮地區(qū)，徐州礦區(qū)煤層氣含氣性較弱，埋深在600～2 000 m的煤層中含氣量介于3.18～9.66 m3/t，但深部煤層含氣量有增大趨勢，局部高含氣帶具有勘探開發(fā)潛力[24,30]。

山東地區(qū)的煤田主要為石炭—二疊紀(jì)的隱伏煤田，省內(nèi)的黃河北、章丘及淄博煤田的深部煤層氣資源需重點關(guān)注。黃河北煤田中部深部煤層含氣量高達(dá)16 m3/t[31]，該煤田深部自西向東有齊北、濟北、潘店3個預(yù)測區(qū)，含煤面積1 833.8 km2，通過淺部煤層地質(zhì)資源量類比，推測得到煤層氣資源量為927.84×108m3，煤層氣資源豐度0.51×108m3/km2，屬于貧氣區(qū)。然而該區(qū)煤層受巖漿侵入的影響，煤的變質(zhì)程度高，且?guī)r漿巖厚度大，裂隙不發(fā)育，覆蓋在煤層上形成良好的蓋層，致使黃河北煤田深部單層煤層氣含量普遍較高[32]。此外，濟陽坳陷內(nèi)擁有豐富的煤層氣資源，煤層氣資源量在3.78×1012m3以上，其中絕大部分埋深在2 000 m 以深的盆地深部，且煤層飽和吸附能力臨界深度達(dá)2 000 m[21]，深部煤層含氣潛力巨大，中高階煤平均含氣量為9 m3/t，煤層氣平均資源豐度為1.26×108m3/km2[33]。綜上所述，山東省黃河北煤田與濟陽坳陷內(nèi)具有良好的深部煤層氣資源潛力。

4 華東地區(qū)深部煤層氣勘探開發(fā)前景

4.1 深部煤層氣勘探開發(fā)理論技術(shù)應(yīng)用前景

自“十三五”以來，隨著鄂爾多斯盆地延川南、臨興區(qū)塊和準(zhǔn)噶爾盆地白家海凸起深部煤層氣勘探開發(fā)相繼取得突破，深部煤層氣成藏地質(zhì)與理論勘探開發(fā)技術(shù)也在不斷完善。前人根據(jù)3 個典型區(qū)塊深部煤層氣的成藏條件分別提出了“沉積控煤、構(gòu)造控藏、水動力控氣、地應(yīng)力控滲、物性控產(chǎn)”的深部煤層氣成藏富集高產(chǎn)“五要素”協(xié)同控制理論[34?35]，“微幅褶皺、單斜與水動力耦合、斷層與水動力耦合、鼻狀構(gòu)造”4類深部（層）煤層氣成藏模式[6]，以及深部源內(nèi)型、源外型含煤層氣系統(tǒng)成藏模式[36]。結(jié)合華東地區(qū)深部煤層氣成藏控制因素來看，以兩淮煤田為例，石炭—二疊紀(jì)成煤期后經(jīng)歷了多起構(gòu)造運動，構(gòu)造演化主導(dǎo)兩淮煤田形成了熱成因和次生生物成因氣共存的混合型煤層氣藏?；茨系V區(qū)煤系含水層基本處于封閉與半封閉的水文地質(zhì)環(huán)境中，水力控氣效果屬于水力封閉型。構(gòu)造上發(fā)育兩翼對沖的推覆構(gòu)造格局，區(qū)內(nèi)潘謝礦區(qū)深部地應(yīng)力場總體以水平應(yīng)力為主，總體上呈現(xiàn)出隨深度的增加而增大的趨勢，與延川南區(qū)塊不同的是研究區(qū)煤體結(jié)構(gòu)較為破碎，儲層壓裂改造難度較大。兩淮地區(qū)深部煤層氣尚未進(jìn)行有效開發(fā)，但就兩淮地區(qū)淺部煤層氣井開發(fā)效果來看，不同物性條件下，煤層氣井開發(fā)效果不同，具有“物性控產(chǎn)”現(xiàn)象?？傮w來看，深部煤層氣成藏富集高產(chǎn)“五要素”協(xié)同控制理論及“微幅褶皺”和“斷層與水動力耦合”成藏模式可能適用于兩淮地區(qū)。

直井或定向井壓裂方式開采是目前最成熟的煤層氣開采技術(shù)，但華東地區(qū)深部煤儲層應(yīng)力大、壓力高，滲透率等物性較差，不宜采用直井或定向井壓裂方式開采。高地應(yīng)力條件下壓裂改造過程中形成的壓裂縫較短，排水降壓效果較差，難以達(dá)到理想的開發(fā)效果。水平井開發(fā)是當(dāng)前普遍認(rèn)可的煤層氣開發(fā)提產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，適用于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、滲透率低的煤層，能夠促進(jìn)解吸面積增大，滲流通道變長，有效提高煤層氣產(chǎn)能[37]。深部煤層氣水平井開發(fā)技術(shù)已在沁水盆地長治北、延川南和鄂東緣典型區(qū)塊等深部煤層氣開發(fā)中得到成功應(yīng)用[38?39]，如延川南區(qū)塊自2021年開始井網(wǎng)部署由單一直井向“直井+水平井”復(fù)合井網(wǎng)轉(zhuǎn)變，鄂東緣深部煤層氣開發(fā)井型多采用水平井和叢式井，為華東地區(qū)深部煤層氣開發(fā)提供了有益借鑒。國內(nèi)深部煤層氣儲層改造大多采用水力壓裂技術(shù)，而水力壓裂技術(shù)適用于長治北等地區(qū)深部煤體結(jié)構(gòu)完好，厚度穩(wěn)定的煤層改造[40]。兩淮礦區(qū)煤體結(jié)構(gòu)普遍較為破碎，滲透率較低，特別是淮北蘆嶺煤田8、9 號煤層非常松軟，煤體結(jié)構(gòu)破碎，利用煤層氣水力壓裂對松軟煤層的壓裂造縫效果較差[41]，水平井造洞穴應(yīng)力釋放或水力割縫技術(shù)對松軟煤層進(jìn)行儲層改造有望取得明顯效果[40,42]。水平井造洞穴應(yīng)力釋放技術(shù)、水力割縫技術(shù)在華東地區(qū)深部碎軟煤層改造中可能有較大的應(yīng)用潛力。

雖然中國深部煤層氣開發(fā)面臨深部煤儲層地質(zhì)條件復(fù)雜、煤儲層滲透率低、地質(zhì)與工程理論支撐不足、開發(fā)方式和工程技術(shù)受限等難題，但經(jīng)過沁水盆地、鄂爾多斯盆地及準(zhǔn)噶爾盆地深部煤層氣的勘探開發(fā)試驗，深部煤層氣勘探開發(fā)取得了區(qū)域性的突破，為華東地區(qū)深部煤層氣勘探開發(fā)提供了有益啟示。國內(nèi)對于深部煤層氣的勘探開發(fā)已形成了一套理論技術(shù)體系（圖5），提出的一系列成藏理論與開發(fā)技術(shù)已成功應(yīng)用于實踐，并極大可能在華東地區(qū)深部煤層氣勘探開發(fā)中有所適用。綜合華東地區(qū)深部煤層氣資源及地質(zhì)條件來看，多層模糊數(shù)學(xué)評價及地震相控反演的開發(fā)“甜點”預(yù)測方法，能夠?qū)θA東地區(qū)深部煤層氣“甜點”區(qū)進(jìn)行有效地預(yù)測。華東地區(qū)深部煤層松軟低滲透的特點，為深部煤層水平井、L型井等井型應(yīng)用提供了條件，同時可結(jié)合水平井分段壓裂、水平井造洞穴應(yīng)力釋放或水力割縫技術(shù)及CO2?ECBM（煤層CO2地質(zhì)封存與煤層氣強化開發(fā)）技術(shù)實現(xiàn)強化增產(chǎn)。

圖5 深部煤層氣勘探開發(fā)理論技術(shù)體系及其在華東地區(qū)的適用性Fig.5 Theoretical and technological system of deep CBM exploration and development,and its applicability in East China

4.2 深部煤層氣勘探開發(fā)有利區(qū)初步預(yù)測

根據(jù)華東地區(qū)煤層氣資源量預(yù)測，深部煤層氣資源僅分布在徐州礦區(qū)、黃河煤田北部以及兩淮地區(qū)，其中徐州礦區(qū)和黃河煤田北部尚未開展有效的煤層氣勘探開發(fā)工作，現(xiàn)有評價結(jié)果顯示，蘇北及魯西南深部煤層氣資源僅占華東地區(qū)的十分之一左右，且資源豐度均小于1×108m3/km2。這些地區(qū)煤層氣勘探開發(fā)程度低，對深部煤層含氣特征、儲層物性及開發(fā)地質(zhì)條件等認(rèn)識受限，因此，不宜作為華東地區(qū)深部煤層氣勘探開發(fā)先導(dǎo)區(qū)。

華東地區(qū)深部煤層氣資源豐富絕大多數(shù)集中在兩淮煤田，桃園礦區(qū)、潘謝礦區(qū)已有多口深部煤層氣井，最深的煤層氣綜合評價井“潘氣1 井”達(dá)到2 003 m[43]。前人研究已表明，淮南煤田煤層氣資源量和含氣量達(dá)到淮北煤田的2倍左右，且具有更高的深部煤層氣資源豐度，平均3.56×108m3/km2，其中，淮南潘謝礦區(qū)是開展深部煤層氣勘探開發(fā)的最有利區(qū)[28]。淮南煤田不僅深部煤層氣資源量、資源豐度以及煤層氣勘探程度“三高”，部分地區(qū)煤儲層孔裂隙發(fā)育，煤體結(jié)構(gòu)與可改造性好，而且已有成熟的地質(zhì)適配性煤層氣開發(fā)技術(shù)及現(xiàn)場應(yīng)用，是優(yōu)先開展華東地區(qū)深部煤層氣勘探開發(fā)的有利區(qū)。綜合煤層氣資源條件、煤層氣地質(zhì)背景、煤儲層特征及開發(fā)條件等方面來看，淮南煤田的潘謝礦區(qū)煤層埋藏深度普遍大于1 500 m，上二疊統(tǒng)上石盒子組第四含煤段下部13?1號煤層在全區(qū)發(fā)育穩(wěn)定，厚度大于5 m，基本不發(fā)育斷層，向斜控氣特征明顯，次級褶皺不發(fā)育（圖6）。煤體結(jié)構(gòu)完整、內(nèi)生裂隙發(fā)育，頂?shù)装鍘r石類型均為泥巖，具有良好的保存條件。儲層壓力大于10 MPa，含氣量為13.2～20.8 m3/t，且隨埋深增加而增加[44]，平均煤層氣含量大于16 m3/t，煤層氣資源總量為205.6×108m3，滲透率為（0.098～4.880）×10?3μm2，平均1.25×10?3μm2，儲層開發(fā)條件有利[43]。此外，為實現(xiàn)淮南礦區(qū)深部煤層氣突破，強化碎軟低滲煤層地面井增產(chǎn)效果，已有學(xué)者提出了攻關(guān)深部煤層氣精準(zhǔn)地質(zhì)導(dǎo)向、超大規(guī)模高效儲層體積改造、抽采效果評價技術(shù)的發(fā)展方向，為該區(qū)深部煤層規(guī)?；_發(fā)提供了技術(shù)儲備[12]。綜上所述，淮南煤田潘謝礦區(qū)深部可作為華東地區(qū)優(yōu)先開展深部煤層氣勘探開發(fā)的先導(dǎo)試驗區(qū)塊。

圖6 淮南煤田潘謝礦區(qū)上、下石盒子組主要煤層剖面及柱狀圖Fig.6 Main coal seam section and histogram of upper and lower Shihezi Formation in Panxie mine area,Huainan coal field

4.3 淮南煤田深部煤層氣勘探開發(fā)潛力與挑戰(zhàn)

華東地區(qū)兩淮地區(qū)深部煤層氣資源及儲層條件優(yōu)越。兩淮礦區(qū)深部煤層整體較厚，主采煤層平均厚度介于1.5～4.5 m，1 500 m 以深的煤層氣地質(zhì)資源量為10 979.3×108m3，淮南礦區(qū)深部煤層含氣量平均最高可達(dá)25 m3/t，淮北礦區(qū)深部煤層氣含氣量最高也超過20 m3/t，煤層氣資源豐度分別高達(dá)3.56×106m3/km2和2.3×106m3/km2[27]，屬于中高豐度煤層氣藏。然而不論是煤層含氣性還是煤層氣資源豐度，淮南煤田均顯示出更高的資源潛力，深部煤層含氣能力有進(jìn)一步升高的趨勢；潘謝礦區(qū)深部地區(qū)發(fā)育中等變質(zhì)程度、高含氣、高孔隙度以及高滲透率煤層，氣藏封蓋與保存條件好，是華東地區(qū)深部煤層氣勘探開發(fā)的有利區(qū)帶。針對淮南煤田松軟煤層普遍發(fā)育的特點，已形成頂板卸壓與大規(guī)模體積改造技術(shù)模式，淺部及煤礦區(qū)煤層氣抽采效果明顯，不乏高產(chǎn)氣井，深部煤層氣也已進(jìn)入工程探索階段。此外，廣泛分布的淺部煤礦采動卸壓也為深部煤儲層應(yīng)力釋放與增滲改造提供了有利條件。綜上所述，從資源潛力、有利區(qū)帶分布、煤層氣工程以及煤炭開發(fā)現(xiàn)狀等角度出發(fā)，華東地區(qū)淮南煤田深部煤層氣具有良好的勘探開發(fā)前景；然而與成功突破深部煤層氣的延川南、臨興、五彩灣等區(qū)塊相比，由于地質(zhì)—工程條件差異，淮南煤田深部煤層氣勘探開發(fā)工作也存在一些挑戰(zhàn)，如該地區(qū)大部分深部煤儲層受構(gòu)造控制明顯，可能具有高地應(yīng)力、低滲透率、煤體結(jié)構(gòu)破碎的特征，“甜點”區(qū)預(yù)測與儲層高效改造等技術(shù)需要重點突破，同時在工程應(yīng)用方面也面臨淺部煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)對深部煤層氣不適用、其他地區(qū)深部煤層氣相對成熟的開發(fā)技術(shù)對該地區(qū)深部煤層氣不適應(yīng)的難題。因此，亟待開展淮南煤田深部煤層氣資源精細(xì)評價、地質(zhì)選區(qū)與工程示范等關(guān)鍵理論技術(shù)的研究，充分釋放資源優(yōu)勢，并在此基礎(chǔ)上科學(xué)評價華東地區(qū)深部煤層氣資源潛力，推動該地區(qū)深部煤層氣勘探開發(fā)工作，優(yōu)化區(qū)域能源供銷結(jié)構(gòu)，助力地區(qū)“碳中和”戰(zhàn)略。

5 結(jié)論

1）華東地區(qū)煤炭開采與煤層氣開發(fā)歷史悠久，以兩淮地區(qū)為核心的煤層氣勘探開發(fā)已取得顯著進(jìn)展，目前已形成以保護層卸壓和高強度主動預(yù)抽技術(shù)為核心的煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)“淮南模式”，構(gòu)造煤煤層氣頂板水平井分段壓裂開發(fā)工程探索取得一定效果。

2）華東地區(qū)主要煤田深部煤層含氣量普遍在10 cm3/g 以上，含氣飽和度平均在80%以上，高含氣量和高含氣飽和度特征明顯，其中兩淮地區(qū)桃園—宿縣、潘謝等深部地區(qū)煤層含氣量高達(dá)20 cm3/g，兩淮地區(qū)2 000 m 以淺煤層氣預(yù)測地質(zhì)資源量為8 984.69×108m3，占華東地區(qū)深部煤層氣資源的90%左右，從深部煤層氣資源角度看，兩淮煤田最具勘探開發(fā)優(yōu)勢。

3）華東地區(qū)深部煤層多為松軟煤層，具有“三高”的地質(zhì)特點，水平井等開發(fā)方式及造洞穴應(yīng)力釋放、水力割縫等增產(chǎn)工藝在本地區(qū)具有較大的應(yīng)用前景。與蘇北、魯西南相比，兩淮地區(qū)煤層氣勘探開發(fā)工程實踐經(jīng)驗豐富，是華東地區(qū)深部煤層氣勘探開發(fā)有利區(qū)，其中淮南煤田潘謝礦區(qū)可開展深部煤層氣勘探開發(fā)先導(dǎo)試驗。

4）華東地區(qū)深部煤層氣資源潛力高，以兩淮地區(qū)為主的淺部煤層氣勘探開發(fā)成果與技術(shù)儲備為淮南煤田深部煤層氣先導(dǎo)性試驗開發(fā)提供了有利條件，其他地區(qū)深部煤層氣的勘探開發(fā)工作尚未開展，亟待開展區(qū)域性資源評價工作和深部煤層氣成藏理論與開發(fā)技術(shù)的創(chuàng)新。