窑街矿区海石湾井田油A层腐泥煤有机质成熟度辨析

宋孝忠，张炳忠，雷 莹，宋艳强

窑街矿区海石湾井田油A层腐泥煤有机质成熟度辨析

宋孝忠1，张炳忠2，雷 莹1，宋艳强2

(1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2. 窑街煤电集团有限公司，甘肃 兰州 730080)

在石油、天然气、页岩气和煤层气资源勘探开发方面，镜质体反射率指标被公认是唯一可对比的烃源岩有机质成熟度评价指标。为准确测定窑街矿区海石湾井田油A层腐泥煤的有机质成熟度，采集井田钻孔煤岩样品，开展显微镜下显微成分反射光、荧光光学特征观测。测试发现，油A层腐泥煤中存在2种不同特征镜质组，一种为发荧光的镜质组，反射色低、反射率测值低；另一种为不发荧光镜质体，反射色高、反射率测值相对偏高。油A层沉积环境分层明显，上部为腐泥煤，显微成分以藻类体为主，含有大量的黄铁矿，反映深部沼泽强还原环境；下部显微成分以腐泥基质、基质镜质体、角质体为主，相较于上部，藻类体及黄铁矿含量明显降低，反映出其沉积物源发生变化，藻类等低等生物输入比例降低，高等植物物源比例增高，反映为相对较弱的还原环境。根据井田地层沉积环境、油A层腐泥煤显微组成及其与下部煤二层腐植煤的镜质组成熟度对比分析，认为油A层腐泥煤中不发荧光镜质体的反射率能够反映其真实的成熟度，与下部煤二层处于同一变质阶段。研究认识为开展腐泥煤有机质成熟度分析提供了新的方法、思路，当煤岩层中高等植物含量较少，或者与其相邻地层成熟度差异较大时，建议将局部测试结果与整个煤系各煤/岩层进行比对，同时结合其镜质体荧光特征和沉积环境综合判断分析。

窑街矿区；腐泥煤；有机质成熟度；荧光镜质体；沉积环境

镜质体反射率指标被公认为评判烃源岩有机质成熟度指标。腐植煤中镜质组发育，易于辨识。但油页岩及腐泥煤中镜质组含量低，且多以碎屑及基质形态发育，镜下显微组成难以辨识。存在腐泥煤中原生镜质体反射率低于与其共生腐植煤镜质体现象[1-13]，对准确判识腐泥煤的成熟度造成一定干扰。前人文献及以往地勘资料中[14-21]，窑街矿区海石湾井田中侏罗统窑街组第二岩段(J22)油页岩层与相邻煤层镜质体反射率差异较大，所反映的二者有机质成熟度存在异常，但少有文献对该区油页岩中的镜质组组成及成因开展进一步的研究。笔者基于该研究区勘探数据及钻孔煤岩心资料，描述分析所采集样品的宏观煤岩及显微镜下光学特征，并结合窑街矿区海石湾井田地层沉积环境，研究油A层腐泥煤中镜质组成因及油A层有机质成熟度异常原因，找出能更加准确测定油A层的镜质组，为该区煤层气和天然气勘探开发提供可靠数据。

1 海石湾井田油A层概况

窑街组煤系自下而上可分为5个岩段(图1)，油页岩层及主体煤层发育于第二岩段J22。下部为黑色炭质泥岩、中细砂岩、含砾细砂岩夹薄煤层(煤三)；中部为特厚及厚煤层(煤二)；上部为粉砂岩、炭质泥岩及薄层油页岩互层，第二岩段上部自上而下含煤B1、B2、B3(薄层，图1中只标注了B2层)，顶部有一层高灰腐泥质油页岩(油A层)与第三岩段分界。

油A层即原勘探地层的“煤一层”，在井田内分布广泛，厚度0～11.79 m，一般为4.14 m；下距煤B1层平均为4.49 m，距煤二层平均为13.60 m。油A层结构简单，呈致密块状，光泽暗淡。顶板多为泥灰岩、含铝泥岩，底板多数为油页岩(油四层)，局部为炭质泥岩。

图1 海石湾井田窑街组岩性综合柱状图

2 油A层腐泥煤煤岩特征

2.1 检测样品

选取海石湾煤矿三采区2个钻孔岩心样，分别采取了油A层、煤二层样品开展煤岩鉴定分析，样品情况见表1。

表1 钻孔煤岩心样品采集情况

2.2 宏观特征

油A层样品宏观煤岩特征(图2a—图2b、图2d—图2e)，颜色为灰黑色，光泽暗淡，致密坚韧，似均一状结构，近块状构造，层理不清，不发育裂隙，具有腐泥煤的宏观特性。油A层上部样品中可见分散状、近层状黄铁矿发育(图2a、图2d)，层面上呈脉状分布；下部样品黄铁矿不发育。肉眼可见样品含少量亮煤细颗粒。

图2 油A层与煤二层样品的宏观煤岩特征

油A层与下部煤层宏观煤岩特征区别明显，下部煤层多为半暗煤及半亮煤，黑色，玻璃光泽，条带状结构，亮煤与暗煤交互发育，层状构造；煤中裂隙发育，层面上呈阶梯状，剖面上裂隙多切穿显微组分分层(图2c、图2f)。

2.3 显微镜下光学特征

油A层上部样品的煤岩显微组成以藻类体、腐泥基质及少量腐植煤碎屑组成，矿物主要为黄铁矿，属于典型腐泥煤中的藻煤类型。其中，藻类体呈不规则的椭圆形或纺锤形，个体直径一般20～80 μm，外形清晰，边缘大多不平整，锯齿状，表面呈蜂窝状或海绵状，低–中突起(图3a—图3f)，相当于E. Stach(1982)的藻[1-3]。油浸反射光下，藻类体为灰黑色至暗黑色，有时具黄色、褐色或红色的内反射(图3b)；蓝光激发下，藻类体发明亮不等的柠檬黄、橙黄至褐黄色荧光(图3c—图3d、图3f)。油A层上部藻煤中发育大量黄铁矿，多呈莓粒状及自形晶分散在腐泥基质中(图3a、图3h)，黄铁矿粒径多在几微米至十几微米大小。

油A层下部样品的显微煤岩特征与上部存在差异，煤岩显微组成以腐泥基质、腐植煤碎屑、角质体为主，含少量藻类体及孢子体(图3c、图3e、图3g)，黄铁矿含量低，明显低于上部藻煤，应属于腐泥煤中藻煤与烛煤的过渡类型。

3 油A层镜质组

3.1 镜质组光学特征

油A层上部腐泥煤中镜质组含量少，主要以碎屑及基质形态发育(图4a—图4e)，与腐植煤中镜质体在形态上差异明显(图4f)，腐植煤中显微组分连续完整，组分边界清晰易辨识。

上部腐泥煤中同时出现2种均质镜质体，多为10～30 μm碎屑成分分散于腐泥基质中，可见2种镜质体相邻同时出现(图4a、图4c、图4e)。油浸反射光下，2种镜质体反射色差异较大，反射色深、灰度低镜质体与腐泥基质接近，反射色亮、灰度高镜质体与煤二层镜质体接近(图4a—图4f)。油浸蓝光激发下，通过对比显微镜同一视域下反射光图像，反射色深、灰度低镜质体发微弱褐色荧光(图4d与图4g、图4e与图4h)，而腐泥煤中高反射色镜质体与煤二层镜质体不发荧光(图4e与图4h、图4f与图4i)。镜下观察，油A层上部腐泥煤中以发荧光镜质组为主，荧光镜质组数量多于不发荧光镜质组。

但是，油A层下部腐泥煤中镜质组含量高于上部，碎屑颗粒多、粒径相对较大，以不发荧光镜质组为主。

图3 油A层腐泥煤显微煤岩特征

图4 油A层与煤二层镜质组特征

3.2 镜质体反射率

据原海石湾井田勘探数据资料(表2)，油A层镜质体最大反射率平均为0.54%，煤二层镜质体最大反射率平均为0.93%，二者测值差异较大。

表2 海石湾井田镜质组类型及镜质体反射率

本次2个钻孔所采集样品观测数据中(表2)，分别对油A层腐泥煤中2种镜质体反射率进行了识别测定。其中，发荧光镜质体反射率分别为0.52%和0.48%，不发荧光镜质体反射率为0.95%和0.89%，2种镜质体的反射率差别较大。煤二层腐植煤镜质体反射率为0.95%和0.96%。发荧光镜质体反射率与腐泥基质反射率接近，不发荧光镜质体与煤二层腐植煤中镜质体反射率基本一致。

4 镜质组类型及成因分析

4.1 沉积环境

据文献资料[22-24]，海石湾井田成煤于中生代侏罗纪中侏罗世，为陆相山间盆地型沉积。其中，窑街群湖相沉积发育，泥岩、页岩、油页岩、泥灰岩为其主要岩性组成。沼泽相主要发育在本群下部，且很稳定，形成特厚煤层。地质剖面上，自上而下，油A层腐泥煤、底板油页岩、炭质泥岩及腐植煤共生。

油A层腐泥煤上部煤岩显微组成以藻类体、腐泥基质及少量腐植煤碎屑组成，含有大量的黄铁矿以莓粒状分散于腐泥基质中。沉积物源主要以藻类等低等生物输入占主体，同时混有少量高等植物，经腐泥化作用形成腐泥煤。依据有机显微组成、矿物成分及其组合形态，反映出油A层上部处于湖泊或沼泽中较深水的强还原环境。

油A层腐泥煤下部煤岩显微组成以腐泥基质、腐植煤碎屑、角质体为主，含少量藻类体、孢子体，相较于上部，藻类体及黄铁矿含量明显降低，反映出其沉积物源发生变化，藻类等低等生物输入比例降低，高等植物物源比例增高。

下部煤层为腐植煤，其沉积物源为高等植物，经泥炭化–煤化作用形成。煤层层理清晰，显微煤岩成分由镜质组、惰质组和少量壳质组组成。

从物源及显微组成上，从下部煤二层到油A层表现出由高等植物–高等植物和低等植物混合–以低等植物为主导的有序过渡；沉积环境呈现为沉积相沼泽覆水位逐渐加深，由相对较弱的还原环境过渡到深水强还原环境的过程。

4.2 镜质组类型及成因

关于腐泥煤中镜质组类型与成因的研究[2-3]都发现，腐泥煤中镜质组在光性与成因上与腐植煤中镜质组不同。腐泥煤中镜质组在油浸反光下颜色偏深、反射率偏低，部分镜质体发微弱暗色荧光，有学者将之称为“荧光镜质组”，也有称其为“腐泥镜质组”，目前，没有统一定名。根据成因，有文献将腐植煤中镜质组划分为原生镜质组和再沉积镜质组两类，认为前者形成于盆地原处，具暗褐色荧光，后者由陆源区搬运而来，无荧光。但从研究区油A层腐泥煤中镜质组分布情况看，2种均质镜质体多以碎屑成分分散于腐泥基质中，形态相近，且2种镜质体多相邻同时出现，无法分辨原生和再沉积。笔者认为没有研究清楚腐泥煤镜质组形成机理前，宜根据荧光特性将其分为“荧光镜质组”和“无荧光镜质组”。

腐泥煤中发荧光的镜质体反射率比腐植煤中低且差别较大，针对这一现象的成因机理，主要存在3种不同观点[2,10,25]：①多数学者认为，在泥炭化作用阶段的强还原环境下，富氢类脂物及沥青质浸染扩散到镜质组中导致其反射率偏低[2]；② A. Walker认为，藻类体比共生镜质组成熟快，其生成的烃类充填于镜质组的显微孔隙中，使得镜质体反射率降低[10]；③ L. C. Price认为，不同类型有机岩中镜质组富氢程度是影响其反射率的决定因素，由低等植物为主的成煤作用，使得腐泥煤在化学成分上富氢缺氧，在光性上反射率偏低[25]。

4.3 煤化程度

从钻孔岩心地质剖面看，油A层与下部煤层间距小，下距煤B1层平均仅为4.49 m，并且其底板多数为油页岩，局部为炭质泥岩，在岩性上与下部煤层属于正常沉积过渡，无岩性突变。正常情况下，油A层与下部煤层应为同一煤化阶段，二者煤化程度应接近或一致，不应有明显差别。

分析认为，油A层腐泥煤中不发荧光的正常镜质体反射率与下部煤层中镜质体反射率基本一致，能够反映其真实的煤化程度。而腐泥煤形成过程中，混入的少量高等植物受富脂类低等生物腐泥化作用下的长期厌氧强还原环境影响，部分成为荧光镜质组，其在光性上表现为发微弱暗色荧光，反射率低，与腐泥基质反射率接近，不能反映本层位的实际成熟度。

综合分析认为，判定油A层成熟度时，应选取不发荧光的正常镜质体作为测定对象；同时建议当开展对该区腐泥煤或低阶烟煤进行镜质体反射率测定时，宜增加荧光检验，并将测试结果与下部煤层进行比对；对于其他区域出现类似异常问题时，应结合煤系特征及沉积环境综合判断分析，避免误判。

5 结论

a. 窑街矿区海石湾井田地层中，油A层沉积环境分层明显，上部为腐泥煤，显微成分以藻类体为主，含有大量的黄铁矿，反映深部沼泽强还原环境；下部显微成分以腐泥基质、基质镜质体、角质体为主，从物源及显微组成上表现出从下至上由相对较弱的还原环境过渡到深水强还原环境的过程。

b. 油A层腐泥煤中共存2种不同特征镜质组，一种为发荧光的镜质体，反射色低、反射率测值低，另一种为不发荧光的镜质体，反射色高、反射率测值相对较高。

c. 根据海石湾井田地层沉积环境、油A层腐泥煤显微组成及与其下部煤二层腐植煤的镜质组成熟度对比分析认为，油A层腐泥煤与其下部煤二层处于同一变质阶段，腐泥煤中不发荧光正常镜质体的反射率能够反映其真实的成熟度。

d. 开展腐泥煤反射率测定时，尤其是当煤岩层中高等植物含量较少，或者与其相邻地层成熟度差异较大时，建议将局部测试结果与整个煤系各煤/岩层进行比对，同时结合其镜质体荧光特征和沉积环境综合判断分析。

致谢：本文在撰写及论证过程中，得到了张秀仪教授级高工、钟玲文研究员和李小彦研究员的指导和帮助，在此一并表示感谢！

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Analysis of organic matter maturity of sapropel coal in oil layer A of Haishiwan mine field of Yaojie mining area

SONG Xiaozhong1, ZHANG Bingzhong2, LEI Ying1, SONG Yanqiang2

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China;2. Yaojie Coal and Power Group Co. Ltd., Yaojie 730080, China)

The vitrinite reflectance is recognized as the only comparable evaluation index of organic matter maturity of source rock in the exploration and development of oil and gas, shale gas and coalbed methane resources. Current research was done to determine the organic matter maturity of sapropel coal in oil layer A in Haishiwan mine field more accurately. Coal samples were collected from boreholes and observation of the optical characteristics of reflected light and fluorescence microscopic components were studied under the microscope. It was found that there are two different characteristic vitrinites in sapropel coal in oil layer A. One was fluorescent vitrinite with low reflection color and low determined reflectivity, the other was non-fluorescent vitrinite with measured higher reflection color and relatively higher reflectivity. The sedimentary environment of oil layer A is obviously stratified. The upper part is sapropelic coal. The maceral composition is mainly alginate, containing a large amount of pyrite, reflecting the strong reducing environment of deep swamp; The lower part is mainly composed of sapropelic groundmass, desmocollinite and cutinite. Compared with the upper part, the contents of alginite and pyrite are significantly reduced, reflecting the change of sedimentary source. The proportion of organism like algae decreases, whereas the proportion of plants increases. This reflects a relatively weak reducing environment. According to the sedimentary environment of the mine field, the comparative analysis was carried out between the microscopic composition of the sapropel in oil layer A and the vitrinite composition maturity of the sapropel in its lower coal seam No.2. Major findings were that the reflectivity of the non-fluorescent vitrinite in oil layer A can reflect its true maturity, and that was in the same metamorphic stage as the lower coal seam No. 2. It provides a new method and new thought for the analysis of organic matter maturity of sapropelic coal.When the content of plants in coal seams is relatively low or there is a significant difference with maturity of adjacent strata, it is recommended to compare the test results of specific layers with the whole coal / rock stratum. Then a comprehensive analysis should be made in combination with its vitrinite fluorescence characteristics and sedimentary environments.

Yaojie mining area; sapropelic coal; maturity of organic matter; fluorescent vitrinite; sedimentary environments

语音讲解

P618.11

A

1001-1986(2021)06-0074-07

2021-09-15；

2021-10-26

国家自然科学基金项目(41972167)

宋孝忠，1976年生，男，山东鱼台人，博士，副研究员，从事煤田地质与煤层气勘探开发及煤岩自动化测试技术研究. E-mail：songxiaozhong@cctegxian.com

宋孝忠，张炳忠，雷莹，等. 窑街矿区海石湾井田油A层腐泥煤有机质成熟度辨析[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(6)：74–80. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.008

SONG Xiaozhong，ZHANG Bingzhong，LEI Ying，et al.Analysis of organic matter maturity of sapropel coal in oil layer A of Haishiwan mine field of Yaojie mining area[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：74–80. doi: 10.3969/ j.issn.1001-1986.2021.06.008

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(责任编辑 范章群)