陕西省富油煤资源潜力及开发建议
2022-03-18王双明段中会付德亮张丽维
马 丽 ，王双明 ，段中会 ，杨 甫 ，付德亮 ，贺 丹 ，张丽维
(1.西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安 710049；2.自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西 西安 710026；3.陕西省煤田地质集团有限公司，陕西 西安 710026；4.西安科技大学，陕西 西安 710054)
中国是世界最大的碳排放国，占世界能源碳排放总量的28.8%[1-2]，自2020 年国家提出“2030 年碳达峰、2060 年碳中和”的庄严承诺以来，建筑、交通、工业等各行各业纷纷从各自的技术领域提出低碳技术，风能、太阳能、地热能等清洁能源大力发展。研究表明，我国能源禀赋特征决定短期内仍以化石能源为主，其中煤炭占比超68%，占据一次能源生产主体[3]；煤炭消费占比近年来略有下降，但目前依然占比最大(2019 年占比约58%、2020 年占比56.8%)，王双明[4]、王国法等[5]指出，煤炭作为国家能源主体地位短期内不会改变，扮演了能源稳定器和压舱石的角色，我国煤炭的低碳开发与利用是实现“碳达峰、碳中和”目标的必经之路。陕西省是我国煤炭大省，煤炭资源量居全国第四、煤炭产量居全国第三，陕西煤炭以低–中低变质程度为主，具有挥发分高、燃点低、焦油产率高等特点，传统的煤炭利用方式以工业燃料为主，2019 年煤发电量2 118 亿kW·h，距离煤炭低碳开发利用还有很大差距。近年来，许多学者相继开展陕北等地的煤炭清洁高效利用研究。许婷[6]、王锐[7]、李华兵[8]等分别研究了榆神矿区、神府矿区富油煤分布规律及控制因素；谢青等[9]研究黄陵矿区富油煤焦油产率特征及主控地质因素；姚征[10]、周国庆[11]等研究了陕北石炭–二叠纪及三叠纪煤岩特征及富油煤规律；王双明等[12]提出富油煤的油气属性及绿色低碳开发思路。笔者延续煤基油气资源的理念，从煤中焦油产率分布规律和资源量等方面对陕西省富油煤资源潜力进行评价，并提出开发建议，以期为煤炭资源低碳开发利用奠定基础。
1 陕西省富油煤分布规律
煤是由有机物和无机物组成的复杂混合物，从矿产资源角度，按照《矿产资源工业要求手册(2014 年修订版)》[13]中焦油产率分级标准，分为含油煤(Tar,d≤7%)、富油煤(7%
图1 陕西省五大煤田焦油产率等值线Fig.1 Contour map of tar yield in five coalfields of Shaanxi
从图中可以看出，五大煤田富油煤平面分布规律为：陕北侏罗纪煤田2−2煤主体为富油煤型(富油煤占比87.57%)，有小片高油煤(高油煤占比7.4%)、零星含油煤，焦油产率呈现中部较高，向东北部和西南部略有降低的趋势；在榆横矿区北部和新民矿区东部局部地段，出现连片高油煤；在新民矿区北部石圪台矿区有个别含油煤样点，平均焦油产率9.99%。陕北三叠纪煤田3 煤为富油煤–高油煤型(高油煤占比48.98%、富油煤占比51.02%)，矿区中南部中庄井田南部以富油煤为主，北部以高油煤为主。黄陇侏罗纪煤田2 煤为富油煤–含油煤型(富油煤占比67.09%、含油煤占比30.26%)，南北向特征是中部以富油煤为主、向南北两侧渐变为含油煤；东西方向特征为由西向东富油煤占比逐渐增大，到东部黄陵矿区间杂出现小范围高油煤区。陕北石炭–二叠纪煤田为富油煤–含油煤型(富油煤占比60.54%、含油煤占比29.93%)，由北向南富油煤占比逐渐降低，焦油产率逐渐下降，至南部吴堡矿区主体为含油煤。渭北石炭–二叠纪煤田5 煤为主体含油煤型，所有煤层焦油产率值一般小于7%。焦油产率统计结果见表1。
表1 陕西省五大煤田主采煤层焦油产率统计结果Table 1 Statistical table of tar yield of main coal seams in five coalfields of Shaanxi
垂向上，陕北侏罗纪煤田2−2、3−1、4−2、5−2煤焦油产率平均值依次为9.99%、10.15%、9.80%、9.06%，由浅至深焦油产率表现为先增大再减小的趋势；黄陇侏罗纪煤田2、3−1煤平均焦油产率依次为7.96%、7.57%，上部煤层焦油产率略高；陕北三叠纪煤田5 煤平均焦油产率11.96%、3 煤平均焦油产率11.89%，上部煤层焦油产率略高；陕北石炭–二叠纪煤田4、9 煤平均焦油产率分别为8.50%和10.15%，下部煤层焦油产率略高，其中，吴堡矿区焦油产率变化较大；渭北石炭–二叠纪煤田，3、5 煤平均焦油产率分别为1.47%、2.30%，下部煤层焦油产率略高(样本少)。各煤田单井焦油产率特征如图2 所示。
图2 单井焦油产率Fig.2 Single well tar yield
2 富油煤主要影响因素
2.1 煤变质程度
从成煤时代来看，焦油产率由高到低依次为：三叠纪煤、侏罗纪煤、石炭–二叠纪煤。通过煤的挥发分(Vd)产率、镜质体反射率(Rmax)、碳元素(Cd)含量和氢元素(Hd)含量、水分(Mad)含量、发热量等煤岩煤质指标可以确定煤的变质程度。从表2 可看出，三叠纪煤变质程度Ⅰ−Ⅱ级；陕北侏罗纪煤变质程度Ⅰ级；黄陇侏罗纪煤变质程度以Ⅰ级为主，仅在黄陵矿区和彬长矿区变质程度Ⅰ−Ⅱ级；陕北石炭–二叠纪煤田，北部古城及府谷矿区变质程度为Ⅰ−Ⅱ级，南部吴堡矿区变质程度Ⅲ−Ⅳ级。
表2 煤层变质程度特征参数Table 2 Statistical table of parameters of coal seam metamorphism
各主采煤层的镜质体反射率一般为0.51%～1.50%，从图3 可以看出，镜质体反射率Rmax与焦油产率关系由正相关到负相关，转折点在0.85%～1.05%范围内，低变质煤随变质程度增高焦油产率增大，中高变质煤随着变质程度增高焦油产率降低。
图3 焦油产率与镜质体反射率相关性Fig.3 Analysis of correlation between vitrinite reflectance and tar yield
从图4 可以看出，黄陇侏罗纪煤田、陕北侏罗纪煤田、陕北三叠纪煤田和陕北石炭–二叠纪煤样的焦油产率与挥发分产率呈正相关，相关系数R2为0.312 4～0.658 7；与氢元素含量呈正相关关系，相关系数R2仅黄陇侏罗纪煤田较高，其他相关性差；与碳元素含量呈负相关关系，相关系数R2较低。各煤田相关性基本一致，相关系数有较大差异。
图4 焦油产率影响因素分析Fig.4 The influencial factors to tar yield
2.2 显微组分
以陕北三叠纪煤田永胜煤矿5 号煤(YS5)、陕北侏罗纪煤田西湾煤矿(XW2)和陕北石炭−二叠纪煤田吴堡矿区T1 煤(WBT)为例，YS5 镜质组占比70.25%、壳质组6.08%、惰质组23.67%，镜惰比为2.96；XW2镜质组占比61.33%、壳质组0.26%、惰质组36.7%，镜惰比1.67；WBT 镜质组占比50.01%、壳质组0.34%、惰质组38.58%，镜惰比1.29。综合评判，焦油产率与镜质组含量呈现弱正相关关系，相关系数R2为0.15；与惰质组占比呈现弱负相关关系，相关系数R2为0.21 如图5 所示。受地质条件影响，各区相关系数差异较大，以XW 煤田为例，焦油产率与镜质组正相关性好，R2=0.68，且基质镜质组相关性较其他亚显微组分好，R2=0.32。
图5 显微组分与焦油产率相关性Fig.5 The correlation between macerals and tar yield
2.3 沉积环境
同一成煤时期，沉积相、成煤物质及煤层赋存条件等因素都会影响煤炭焦油产率。从图6 可以看出，三角洲平原沉积稳定，还原性较好，焦油产率相对较高；前三角洲沉积、水动力频繁、氧化程度高焦油产率略低；曲流河沉积环境不稳定，下部曲流河沉积相较上部焦油产率高、横向上焦油产率变化较大。
图6 陕北侏罗纪沉积相剖面图Fig.6 Jurassic Sedimentary facies section in northern Shaanxi
煤灰组分也可以反映沉积环境氧化还原性，灰分中的CaO 指示成煤环境的酸碱度，Fe2O3和硫化物指示氧化还原条件，从图7 可以看出，CaO 与焦油产率呈较弱的负相关性，Fe2O3在焦油产率呈弱正相关(图7)。
图7 煤灰成分与焦油产率的相关性分析Fig.7 Analysis of correlation between coal ash-constituents and tar yield
镜惰比可指示成煤时期覆水程度，从图8 中可以看出，陕西省境内富油煤的镜惰比多位于1～4，成煤时期以潮湿–弱覆水–弱还原环境为主，焦油产率随镜惰比增大而增大，但相关性较弱，相关系数R2为0.16。
图8 镜惰比与焦油产率相关性分析Fig.8 Correlation between Mirror idleness ratio and tar yield
3 富油煤资源量预测
3.1 富油煤资源量
资源量估算是以《煤炭矿区资源储量核查技术要求》为准则，以2012 年全省煤炭矿产资源利用现状调查中储量核查成果为基础，更新近年来地质勘查报告经评审备案的储量估算成果。根据各矿区分煤层焦油产率等值线(焦油产率为7%和12%的等值线)圈定的富(高)油煤范围对原有资源量块段进行切割分区，区块富油煤资源量与总富油煤资源计算方法如下：
式中：Q为某煤层的块段资源储量，103t；Qfn为第n块富油煤的块段资源储量，103t；Sfn为资源量计算块段内富油煤的面积，km2；S为资源量计算块段内含煤面积，km2。
同样的方法计算第n块高油煤的块段资源储量Qhn。
式中：QF为富油煤资源量(富油煤与高油煤资源量统称)，103t；Qhn为第n块高油煤的块段资源储量，103t。
由上式计算得到全省预测富油煤资源量QF为1 550.33 亿t(其中：富油煤资源量为1 407.81 亿t，高油煤142.52 亿t)。综合来看，83.3%的QF分布在陕北侏罗纪煤田，7.9%分布在黄陇侏罗纪煤田，2.4%分布在陕北三叠纪煤田，6.4% 分布在陕北石炭–二叠纪煤田。
3.2 焦油资源量
根据富油煤与高油煤的分布范围，分煤层、分区块统计富(高)油煤焦油产率，区块煤层焦油资源量和焦油资源总量计算方法如下：
式中：QTfn为第n块段内富油煤焦油资源量，103t；Tar,d为该块段焦油产率平均值，%。
矿区焦油资源总量为各煤层富油煤焦油资源与高油煤焦油资源量之和：
式中：QT为内蕴焦油资源量总和，103t；QThn为第n块段内高油煤焦油资源量，103t。
全省预测富(高)油煤中内蕴焦油资源量合计144.50 亿t，其中，高油煤内蕴焦油资源17.62 亿t，富油煤内蕴焦油资源126.88 亿t。综合来看富油煤与高油煤内蕴焦油资源量中，85.99%分布在陕北侏罗纪煤田、5.36% 分布在黄陇侏罗纪煤田、3.02% 分布在陕北三叠纪煤田、5.63% 分布在陕北石炭–二叠纪煤田(表3)。
表3 陕西省富油煤资源量统计Table 3 Statistics of oil-rich coal resources 单位：亿t
3.3 控制程度
根据数据点平面分布情况，结合DZ/T 0215−2002《煤、泥炭地质勘查规范》对地质勘查线距及低温干馏测试数量的规定，把富油煤的控制程度分为3 类(图9)，控制点间距小于2 000 m 时为Ⅰ类；介于2 000～4 000 m 为Ⅱ类；大于等于4 000 m 为Ⅲ类。富油煤与高油煤资源中控制程度为Ⅰ类占64.67%、Ⅱ类占30.33%、Ⅲ类占5%；其中，控制程度为Ⅰ类的资源量中，陕北侏罗纪煤田占83.44%、黄陇侏罗纪煤田占9.86%、陕北三叠纪煤田占0.93%、陕北石炭–二叠纪占5.77%(表4)。
图9 富(高)油煤的控制程度Fig.9 Schematic diagram of control degree of oil-rich coal
表4 富油煤资源控制程度统计结果Table 4 Oil-rich coal resource control level table 单位：亿t
3.4 煤炭资源中潜在富油煤资源量
从图4 分析可知，煤炭焦油产率与挥发分有较强的正相关性，其中，陕北三叠纪煤的相关系数大于0.5，获得计算公式Tar,d=0.332 5ω(Vd)−3.394 9。按照陕西省2 000 m 以浅煤炭资源估算总量，预测陕西煤炭资源总量中富(高)油煤资源总量，其计算方法如下：
全省富(高)油煤资源量=查明资源量中富(高)油煤资源+(潜在资源量–查明资源量)×预测焦油产率。
预测全省富(高)油煤资源量共计3 845 亿t，其中内蕴焦油资源量325 亿t。
4 富油煤低碳开发建议
索永录[14]、杨士元[15]等研究发现，至2011 年，陕西省煤炭资源采区煤炭采出率和矿井煤炭采出率分别达到75.28%和62.57%，与美国等发达国家相比还有较大差距，煤炭回采不完全、煤柱保留等不同程度造成煤炭资源浪费。以陕北煤炭开采为例，煤矿通常同时开采1～2 层煤，采煤造成的裂隙带发育高度与煤层开采高度的裂采比最大28 倍，单煤层开采很大程度上增加了其余可采煤层的开采难度，造成勘查与开发的极大困难，成为煤炭资源开发的一大屏障。基于煤炭的油气资源禀赋，从资源开发利用角度，笔者提出原位多煤层协同热解共采的建议(图10)：即在煤炭资源现场，通过钻孔对地下注热等方式，将煤层加热至450℃以上，通过加热实现煤–油气同采，进而实现多煤层原位地下热解协同共采的目的。该方法避免井下开采对人员及设备的安全威胁，可以通过控制加热时间实现煤炭资源高采出率，实现多煤层同步开采，具有热量综合利用率高且占地小等优点。
图10 多煤层原位协同热解共采Fig.10 Schematic diagram of multi-coal seam co-mining by in-situ co-pyrolysis
5 结论
a.陕西省五大煤田富油煤分布规律清晰，焦油产率由高至低分别为陕北三叠纪煤田、侏罗纪煤田、石炭–二叠纪煤田。同一成煤时期，煤焦油产率受物质组成、沉积环境、埋藏深度等因素控制，焦油产率表现出一定差异，如陕北侏罗纪煤田高于黄陇侏罗纪煤田、陕北石炭–二叠纪煤田高于渭北–石炭二叠纪煤田。
b.全省查明的煤炭资源量中，富油煤与高油煤资源量为1 550 亿t。预计全省2 000 m 以浅煤炭资源(探获+潜在资源量=4 160 亿t)中，富油煤与高油煤资源量总计3 845 亿t，初步估算其中内蕴焦油资源量325 亿t，资源量可观。按照2020 年全省煤炭资源产量6.79 亿t 的生产规模，每年陕西产出的煤炭中有大约6 000 万t 焦油，是大庆油田产量的1～2 倍，煤中油气资源潜力亟需引起重视。
c.针对目前煤炭资源开采中资源浪费问题，基于煤的油气资源特征，提出煤炭原位地下热解实现煤–油气一体化开采的理念，为煤炭资源开采开辟新思路，助力“碳达峰、碳中和”目标早日实现。但是煤炭开采对煤层地质条件要求苛刻，目前对富油煤资源的控制网度远达不到现阶段煤炭开采的勘探程度，今后煤基油气资源勘查工作仍有待加强。
致谢：感谢陕煤地质集团有限公司各子公司为项目提供研究样品及测试参数！
