青海省油页岩工业品质指标相关性分析

2018-06-08党洪量李永红童海奎黄银宝范文科云启成

中国煤炭地质 2018年5期

党洪量，李永红,童海奎，黄银宝，范文科，云启成

(1.吉林大学地球科学学院,吉林长春 130061; 2.青海省地质调查局,青海西宁 810001; 3.青海煤炭地质局，青海西宁 810001)

0 引言

油页岩是一种固体可燃有机岩，常与煤为共伴生矿产，它不仅可以制取页岩油及相关石油化工产品，而且可以作为燃料用来发电、取暖和运输，还可以生产建筑材料和化肥等[1]。随着全省侏罗系油页岩调查评价工作结束和油页岩探矿权招拍挂工作的陆续开展,油页岩勘查工作也必将跟进。而据文献检索，发现国内油页岩勘查手段仍是通过钻探、槽探等重型工程揭露矿层，再根据采样化验分析得出油页岩矿层品位等参数，最终达到资源估算和开采条件评价的目的。诸如测井、地震等手段尚处于试验研究阶段，不能直接应用于勘查过程[2-4]。所以，油页岩勘查过程的主要工作量为重型工程和样品测试，化验项目中需要通过实验仪器测定工业品质指标主要有含油率、发热量、水分、灰分、挥发分、全硫含量、视密度等。而前人对油页岩评价指标之间相关性分析主要针对油页岩含油率与有机地化指标之间的相关性应用研究，达到利用已有烃源岩化验数据评价油页岩含油率的目的[5-9]，或者根据测井有效解释有机碳含量进而建立测井解释油页岩含油率的模型[10-13]，仅有文献[14]对松辽盆地东南隆起区增深3井中油页岩含油率与灰分、发热量、有机碳、半焦和有机碳含量相关性进行了探讨，整体上油页岩品质参数之间的相关性研究甚少,尤其是青海省几近空白。据此，笔者通过系统整理分析全省油页岩调查评价项目中获取的油页岩化验数据中各项指标之间相关性，得出指标之间的相关系数，为今后样品化验项目比例设计和化验项目可靠性验证提供一定的参考。

1 青海油页岩特征

前人成果显示[15-16]，青海省具备油页岩成矿条件地层为三叠系和侏罗系。本次研究通过系统开展开展地表地质工作、参数井施工和对应位置采集样品分析化验(图1)，得出三叠系暗色层段达不到油页岩品位要求，侏罗系发育油页岩，且赋存于中下统(表1)，分布于青海省北部含煤盆地。油页岩颜色为灰褐色、褐黄色、深灰色和灰黑色，品位高的颜色偏向于褐色，岩性为页岩、泥岩、泥质粉砂岩，薄层状，具页理、平行层理或块状构造。其岩石组合类型有四种(图2)，A和B类型，均为半深湖-深湖沉积环境，区别在于B类型存在水下重力流沉积； C和D类型，与煤共伴生，均为湖湾-沼泽环境，二者相比，D类型受分流河道干扰，湖湾环境稳定性不如C类型，且C和D类型较另外两种类型油页岩具有含油率高、厚度薄、层数多和发热量高的特点[17]。如图3所示的各项品质数据集中程度，油页岩工业品质整体属于低-中品质含油率、高灰分、特低-低硫、中-高发热量的油页岩。已发现含油页岩的矿区有北祁连分区的铁迈，西宁分区的小峡，柴北缘分区的团鱼山、鱼卡、宽沟-大煤沟、小煤沟和旺尕秀矿区[17]。

2 取样及测试方法简介

本次研究过程共采集样品766件，达到油页岩概念品位有141件。采样过程为保证化验指标相关性分析不受采样间距影响，设计规格为全层连续采样(大部为每米1个样)，化验项目包括含油率、发热量、水分、灰分、挥发分、全硫含量、视密度等关键参数。

图1 本次青海省油页岩研究工作程度图Figure 1 Working extent in this Qinghai oil shale study

图2 油页岩及其围岩岩性组合类型Figure 2 Rock association types of oil shale and its surrounding rocks

另外，需要说明的有三点，第一，为避免相关指标数据不受外界条件,本次实验环境均排除外部水分变化因素,即实验环境为隔绝干燥环境；第二，由于油页岩没有单独的实验仪器和标准规范可执行，故使用类似矿床煤炭的实验装置, 参照煤质化验规范要求(含油率测定采用的是测试精度更高的格金低温干馏实验装置)；第三，为有效指导今后油页岩勘查工作，即指导已知油页岩矿区勘查工作，本次指标相关性分析仅针对已发现含油页岩矿区油页岩化验数据(表1)。

表1 青海省已知含油页岩矿区含油率实测数据

注：样品测试由陕西煤田地质化验测试有限公司完成。

图3 油页岩品质指标线性相关分析散点图Figure 3 Scatter diagram of oil shale quality indices linear correlation analysis

3 化验结果讨论

由于油页岩定义是含油率大于3.5%和发热量不小于4.18MJ/kg的固体可燃有机岩，所以含油率和发热量为油页岩样品全测项目，且研究人员普遍认识到含油率与发热量为正相关关系，所以本次研究重点讨论含油率与其他指标的相关性。相关性分析过程数据统计应用SPSS统计软件，统计结果采用Pearson线性相关系数法，并根据相关系数表示的意义(表2)，评价不同变量之间相关性。

3.1 含油率与发热量

通过数据统计分析(图3a)，含油率与发热量呈显著正相关，相关系数0.67，建立的线性回归方程为y=0.944x-1.208，即含油率越高发热量越大。究其原因是因为含油率指的是油页岩中焦油占岩石的质量百分比分数，所以焦油作为油页岩中主要可燃的有机质，其含量越高，含油率越高，对应油页岩放出的热量也会越高。但也由于油页岩中可燃有机质除了焦油，还有少量烃类气体，不同位置不同层位变质程度不同，使得烃类气体对发热量的贡献程度不同。所以，这也是含油率与发热量未呈现出高度正相关的原因。

3.2 含油率与水分

分析结果显示(图3b)，含油率与水分相关性为微正相关，相关系数0.28，线性回归方程为y=0.132x+2.494,即含油率与水分无明显的相关性。推测其原因为油页岩作为岩石其水分含量主要受现今岩石中矿物组成、颗粒大小、结构和成岩前后水环境等多种因素影响，油页岩中水分变化不大，大部分小于4%，所以含油率与水分未呈现出明显的相关性。但是，同一地区油页岩岩石密度和变质程度基本一致，如果含油率越高，则岩石则需要提供更大空间赋存页岩油，在一定程度上说明了油页岩中孔隙发育，同时也为水赋存提供了有利空间。

表2 相关系数表示的意义

3.3 含油率与灰分

灰分是煅烧后残留的无机物，所以残留无机物质量越大，油在岩石中质量比例越小，且灰分油页岩质量百分比较大，85%油页岩样品灰分在60%～90%之间，即含油率与灰分为负相关，统计分析也验证了前人得这一认识(图3c)。相关系数-0.63，线性回归方程y=-3.051x+90.85，相关程度为显著负相关。推测其未呈现出高度负相关的原因是油页岩中挥发分影响了含油率和灰分的相关性，依据为挥发分所占的质量分数也较大，98%的油页岩挥发分大于10%，67%油页岩挥发分大于20%，灰分和挥发分呈高度负相关，相关系数-0.87。

3.4 含油率与挥发分

挥发分是测定页岩油、水和其它高温条件下发生物理化学反应后可逸散矿物占油页岩质量比例。经统计分析(图3d)，含油率和挥发分的相关系数0.71，显著正相关，线性回归方程为y=2.014x+10.19。进一步统计分析后，发现挥发分中的上述三种成分所占比例变化较大，含油率与另外两种成分无明显的相关性。所以，本次研究仅能得出含油率与挥发分呈正相关，具体原因不清。

3.5 含油率与全硫含量、视密度

油页岩中的有机硫和无机硫含量主要受成岩前物源硫含量和成岩作用的影响，与油页岩中油的形成没有必然的联系。另外由于页岩油在油页岩中所占比例较小，视密度主要受矿物组成和压实程度控制，故初步推测全硫、视密度和含油率不会呈现处明显的相关性。进一步分析后，发现全硫含量和视密度值变化不大，除个别样品，全硫含量大部小于1%，视密度值集中于平均值2.4g/cm3左右。统计分析结果也验证了这一推测(图3e和图3f)，仅呈微正相关。