新疆北部早、中侏罗世富油煤分布规律及控制因素

2024-03-18宁树正徐小涛张建强

煤炭科学技术 2024年1期

宁树正，张莉，徐小涛，张建强，邹卓

（中国煤炭地质总局勘查研究总院, 北京 100039）

0 引言

煤炭是我国的主体能源和重要工业原料，在一次能源消费中仍将长期占主导地位[1]。我国能源结构呈现“缺油、少气、相对富煤”的资源禀赋特征[2]，立足我国煤炭资源国情，实现煤炭清洁低碳利用是实现“碳达峰、碳中和”目标的战略选择。富油煤是集煤、油、气属性为一体的煤炭资源[2]，煤田地质学中将焦油产率大于7%的煤定义为富油煤[3]，利用低温热解手段可以从中提取油气资源。依据《矿产资源工业要求手册(2014 年修订本)》中焦油产率的分级标准，将煤炭划分为高油煤(Tar,d(焦油产率)≥12%)、富油煤(12%>Tar,d(焦油产率)>7%)和含油煤(Tar,d(焦油产率)≤7%)[4]。

近年来，许多学者对我国富油煤的分布及煤中焦油产率的控制因素做了大量研究，汪寅人等[5]研究了我国部分褐煤和烟煤的化学组成与焦油产率的关系，并指出挥发分、氢含量、氢碳原子比都与焦油产率呈正比关系。孙晔伟等[6]研究了我国不同成煤时期特高挥发分、特高油产率煤的分布特征以及成因。王双明等[2,7]提出发挥富油煤作为煤基油气资源的特殊优势，清洁低碳利用西部地区富油煤的思路。现阶段关于陕西省富油煤的时空分布规律及其赋存影响因素的研究比较深入[8-17]。黄鹏程等[18]对宁夏红墩子矿区富油煤赋存特征进行了总结，研究发现成煤期温暖、湿润的还原环境有利于富油煤的富集。

我国富油煤主要分布在西部地区的低、中阶变质程度煤中[7]，其中，新疆是富油煤资源主要产区，广泛分布于早、中侏罗世煤田中，目前对其富油成因的研究还不够深入。本次研究在统计新疆北部6 个赋煤带中12 个煤田的早、中侏罗世富油煤资源数据的基础上，对新疆北部地区早、中侏罗世富油煤资源分布规律进行总结，并进一步从成煤物质、成煤沉积环境和煤化程度等方面系统分析了富油煤形成的控制因素，旨在为新疆富油煤资源的理论研究、地质预测以及清洁低碳开发利用提供地质依据。

1 新疆北部富油煤概况

1.1 研究区地质背景

新疆北部地区位于天山山脉以北的新疆区域(图1)，大地构造位置位于哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块和塔里木板块的交汇处[19]。新疆北部地区主要含煤地层为早、中侏罗世水西沟群，广泛分布于准噶尔、吐哈、伊犁、巴里坤煤田、三塘湖–淖毛湖等盆地的煤田中，包括早侏罗世的八道湾组和中侏罗世的西山窑组，皆含厚煤层[20-22]。八道湾组主要由砂砾岩夹粉砂岩、泥岩和厚煤层组成，沉积环境以冲积扇、河流、三角洲和湖泊沉积体系为主；西山窑组以砂岩和泥岩互层夹厚煤层为特征，沉积环境以三角洲和湖泊沉积体系为主[22-24]。

图1 新疆北部地区赋煤带与富油煤资源分布Fig.1 Distribution of coal bearing zones and tar-rich coal in Northern Xinjiang

图2 巴里坤–三塘湖赋煤带淖毛湖–白石湖煤田早、中侏罗世煤的显微组分Fig.2 Coal macerals of the early and middle Jurassic Naomaohu coalfield in Balikun-Santanghu coal bearing zone

新疆地区依据聚煤规律、古地理环境、古构造等因素划分为两大赋煤区，即准噶尔盆地赋煤区和塔里木盆地赋煤区[25-26]。本次研究的新疆北部地区进一步划分为6 个赋煤带(图1)，分别为准北赋煤带、准南赋煤带、准东赋煤带、巴里坤–三塘湖赋煤带、吐哈赋煤带和伊犁赋煤带[26]。

1.2 富油煤资源分布

新疆煤炭保有资源量为4.10×1011t，其中富油煤资源量高达2.05×1011t，占比50%[7]。富油煤主要分布在早侏罗世八道湾组，其中，长焰煤的焦油产率普遍偏高，达到富油煤标准。早侏罗世煤的平均焦油产率为8.53%，而中侏罗世煤的焦油产量相对较低，平均值为6.83%。在新疆北部地区，Tar,d>7%的富油煤资源主要分布在巴里坤煤田、三塘湖–淖毛湖煤田、准南煤田，此外，尼勒克煤田、和什托洛盖煤田、艾丁湖矿区、石炭窑煤炭矿区、后峡煤田主采煤层焦油产率均值也达到了富油煤标准(图1)。

2 富油煤的煤岩煤质特征

2.1 显微组分特征

本次研究对新疆北部地区6 个赋煤带中12 个煤田137 个井田的早、中侏罗世富油煤进行统计分析，共识别出镜质组、惰质组和壳质组3 种显微组分，其显微组分特征见表1，显微组分定量统计依据GB/T 8899—2013《煤的显微组分组和矿物测定方法》完成。

表1 新疆北部地区早、中侏罗世煤的显微组分含量和镜质组最大反射率Table 1 Coal macerals and maximum vitrinite reflectance during the early and middle Jurassic in Northern Xinjiang

准北赋煤带镜质组含量最高(均值52.13%)，壳质组含量最低(均值0.77%)；准南赋煤带镜质组含量最高(均值49.77%)，壳质组含量最低(均值1.51%)；准东赋煤带以惰质组含量最高(均值66.53%)，壳质组含量最低(均值1.32%)；巴里坤–三塘湖赋煤带镜质组含量最高(均值56.43%)，壳质组含量最低(均值2.38%)；吐哈赋煤带镜质组含量最高(均值50.58%)，壳质组含量最低(均值4.20%)；伊犁赋煤带镜质组含量最高(均值53.12%)，壳质组含量最低(1.93%)。

通过统计新疆北部地区个赋煤带的焦油产率(表2)，可以看出巴里坤–三塘湖赋煤带的平均焦油产率最高为9.45%，部分井田可至高油煤标准，准东赋煤带的焦油产率最低为4.39%。与之相对应，巴里坤–三塘湖赋煤带主采煤层以八道湾组为主，准东赋煤带主采煤层以西山窑组为主。从垂向上来看，八道湾组比西山窑组更具生有潜力，新疆北部地区平面上的分析特征来看，准东赋煤带与吐哈赋煤带的平均焦油产率略低，两者主采煤层均以西山窑组为主。

表2 新疆北部地区各赋煤带中以八道湾组和西山窑组为主采煤层的井田数及对应的焦油产率Table 2 Number of mines with Badaowan and Xishanyao formations as the main coal mining seams in each coal-giving belt in Northern Xinjiang and corresponding tar production rate

2.2 煤质特征

根据GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》对新疆北部6 个赋煤带中煤的水分、挥发分、灰分和全硫分进行分析，得到的结果见表3。准北赋煤带煤类以不黏煤、长焰煤为主；准南赋煤带、准东赋煤带以不黏煤为主，部分长焰煤；巴里坤–三塘湖赋煤带以长焰煤为主，部分气煤；吐哈赋煤带以长焰煤为主，部分不黏煤；伊犁赋煤带的煤类以长焰煤、不黏煤为主，部分褐煤。

表3 新疆北部地区早、中侏罗世煤的水分、挥发分、灰分和全硫分组成特征Table 3 Moisture, volatile matter, ash content and total sulfur content of coal during the early and middle Jurassic in Northern Xinjiang

根据煤的挥发分、灰分和硫分分级划分标准[26–28]，准北赋煤带以高挥发分、较低灰分、低硫煤为主；准南赋煤带以高挥发分、低灰分、特低硫煤为主；准南赋煤带以高挥发分、低灰分、特低硫煤为主；准东赋煤带以中高挥发分、低灰分、特低硫煤为主；巴里坤–三塘湖赋煤带以高挥发分、低灰分、特低硫煤为主；吐哈赋煤带以高挥发分、低灰分、特低硫煤为主；伊犁赋煤带以高挥发分、低灰分、特低硫煤为主。

整体而言，新疆北部地区以高挥发分、低灰分、特低硫煤为主。

2.3 元素分析

根据GB/T 31391—2015《煤的元素分析》，对新疆北部6 个赋煤带中煤的C、H、O、N 元素进行分析，结果见表4。

表4 新疆北部地区早、中侏罗世煤中元素分析Table 4 Analysis of early and middle Jurassic coal elements in Northern Xinjiang

准北赋煤带中和什托洛盖煤田的煤样C 含量在70.38%～79.30%，平均值为73.83%；H 含量在3.83%～8.67%，平均值为5.25%；N 含量的范围是1.23%～1.65%，平均值为1.44%；O 含量在8.36%～23.02%，平均值为16.98%。

准南赋煤带中准南煤田和后峡煤田的煤样C 含量的范围是70.02%～84.40%，平均值为80.77%；H含量的范围是4.31%～5.54%，平均值为4.91%；N 含量在0.87%～1.93%，平均值1.17%；O 含量在8.69%～35.65%，平均值为13.38%。

准东赋煤带中准东煤田和卡姆斯特煤田的煤样C 含量的范围是72.99%～81.23%，平均值为79.02%；H 含量的范围是3.71%～5.96%，平均值为4.60%；N含量在0.72%～2.07%，平均值为1.21%；O 含量在0.87%～66.84%，平均值为15.23%。

吐哈赋煤带中吐哈煤田和沙尔湖煤田的煤样C含量在69.13%～87.92%，平均值为74.76%；H 含量在3.89%～5.83%，平均值为4.28%；N 含量的范围是0.68%～25.83%，平均值为5.00%；O 含量的范围是0.79%～23.14，平均值为18.32%。

巴里坤–三塘湖赋煤带中巴里坤煤田和三塘湖–淖毛湖煤田的煤样C 含量在61.18%～83.93%，平均值为77.42%；H 含量在4.40%～5.87%，平均值为5.23%；N 含量的范围是0.92%～4.63%，平均值为1.63%；O 含量在8.92%～56.11%，平均值为18.25%。

伊犁赋煤带中伊北煤田、伊南煤田和尼勒克煤田的煤样C 含量在75.67%～82.69%，平均值为78.09%；H 含量在3.70%～5.49%，平均值为4.48%；N 含量的范围是0.85%～1.69%，平均值为1.16%；O含量的范围是10.06%～20.16%，平均值为16.09%。

3 富油煤分布规律

本次研究通过对煤炭低温热解焦油产率试验数据分析可知(表5)，新疆北部地区煤炭焦油产率特征存在明显的差异性(图4)。焦油产率依据GB/T 1341—2007《煤的格金低温干馏试验方法》进行测试，首先将煤样装入干馏管中置于格金低温干馏炉内，通过升温程序加热至终温600 ℃，保持终温后测定焦油、热解水和半焦的产率。

表5 新疆北部地区早、中侏罗世煤的低温热解焦油产率特征Table 5 Characteristics of tar yield from low temperature pyrolysis during the early and middle Jurassic in Northern Xinjiang

在准北赋煤带中煤炭焦油产率主要分布在3.38%～13.70%，平均值为7.69%，其中含油煤占比66.67%，高油煤占比33.33%。准南赋煤带的煤炭焦油产率分布在4.62%～14.65%，平均值为8.80%，其中含油煤占比20.51%，富油煤占比79.49%。准东赋煤带中煤炭焦油产率变化范围为2.44%～7.47%，平均值为4.39%，其中含油煤占比91.18%，富油煤占比8.82%。巴里坤–三塘湖赋煤带的煤炭焦油产率在4.54%～13.33%，平均值为9.45%，其中含油煤和富油煤占据相同的比重，均为16.67%，高油煤占比66.67%，总体焦油产率较高，可识别出高油煤。吐哈赋煤带中煤炭焦油产率分布在4.10%～8.23%，平均值为5.77%，其中，含油煤占比77.78%，富油煤占比22.22%。伊犁赋煤带中煤炭焦油产率变化范围为2.90%～13.33%，平均值为8.53%，其中含油煤占比47.37%，富油煤占比47.37%，高油煤占比5.26%(图3)。

图3 新疆北部地区早、中侏罗世含油煤、富油煤和高油煤资源占比Fig.3 Percentage of early and middle Jurassic tar-containing coal, tar-rich coal and tar-high coal in Northern Xinjiang

按照广义富油煤(包括高油煤和含油煤)的定义[27–29]，新疆北部6 个赋煤带按照煤的焦油产率由高到低依次为巴里坤–三塘湖赋煤带、准南赋煤带、伊犁赋煤带、准北赋煤带、吐哈赋煤带和准东赋煤带。总体而言，新疆北部地区东北部、西部、中部部分地区焦油产率相对较高，东北部地区八道湾组高油煤呈不连续带状分布，据此推测煤化程度是焦油产率存在差异的关键控制因素。在产状较为平缓的八道湾组煤系地层内，煤层埋深、压力及成煤环境更有利于高焦油产率煤的富集，随着煤化程度的加深以及构造带的影响，使得焦油产率随之下降。

4 富油煤形成控制因素

4.1 成煤沉积环境

镜惰比(V/I)在一定程度上可以反映出成煤泥炭沼泽的覆水程度与气候的干湿情况[30-31]。在相对干燥的氧化条件下丝炭作用占优势，煤的显微组分中惰质组含量增加，在相对覆水还原条件下凝胶化作用占优势，煤的显微组分中镜质组含量增加[32-33]，因此，V/I可以比较直观地反映出泥炭沉积时的氧化还原环境。随着V/I的增加，泥炭沼泽的覆水还原性逐渐增强，V/I小于0.25，代表干燥–极干燥环境；V/I在0.25～1，代表潮湿–弱覆水的环境；V/I在1～4，代表极潮湿–覆水环境；V/I大于4，代表强覆水环境[34]。本次研究中，新疆北部12 个煤田早、中侏罗世煤的显微组分中V/I在0.06～14.68，平均值为1.84，其中绝大数V/I在0.25～4，表明成煤沼泽主要为覆水还原环境，并且由图4 可以得出，煤的焦油产率随着V/I的增加具有升高的趋势。张宇航等[35]通过对新疆准东煤田东部矿区中侏罗世煤的显微组分研究发现，V/I在0.51～1.67，也指示出覆水还原的成煤沼泽环境。由此推断，焦油产率变化不仅与成煤古植物有关，还与沉积环境密切相关。在覆水的还原环境下，凝胶化作用占优势，焦油产率相对较高，此推断结果与相对还原环境下形成的煤炭具有较高焦油产率的总体规律相一致[2,36]。

图4 新疆北部地区早、中侏罗世煤的焦油产率与镜惰比的关系Fig.4 Correlation between tar yield of coal and ratio of vitrinite and inertinite during the early and middle Jurassic in Northern Xinjiang

4.2 煤的显微组分

煤的显微组分及其组成直接影响煤的生烃潜力[37-38]，并且大量的试验表明，由惰质组到镜质组再到壳质组，随着其富氢程度的增高，显微组分的生烃潜力逐渐升高[39-40]，其中，属于富氢镜质组的基质镜质体和均质镜质体对焦油产率起到明显的促进作用[41]。通过对新疆北部12 个煤田早、中侏罗世煤的显微组分统计得出，除准东赋煤带外，其他5 个赋煤带中镜质组均为含量最高的显微组分，平均在50%左右，最高达到92.33%，壳质组的平均含量为1.51%，除准南赋煤带和吐哈赋煤带外，含量均在10%以下，并且在巴里坤–三塘湖赋煤带的淖毛湖–白石湖矿区，可以识别出大量基质镜质体(图2a)和均质镜质体(图2b)。刘栩等[41]通过对准噶尔盆地早、中侏罗世煤的显微组分统计发现，镜质组含量最高(57.46%～90%，平均值为75.23%)，其中，基质镜质体和均质镜质体含量相对较高，壳质组含量占比在0.51%～18.81%，平均值为8.71%。何建国等[42]对吐哈盆地大南湖矿区中侏罗统煤岩煤质特征研究发现，煤的显微组分以惰质组为主(32.3%～91.3%，平均值为64.7%)，其次为镜质组(6.1%～65.6%，平均值为30.1%)，壳质组占比最低(0.4%～5.6%，平均值为2.4%)，并且，镜质组中以基质镜质体为主。上述研究结果均表明，新疆北部地区早、中侏罗世煤中壳质组与镜质组相比，含量相对较低。因此，含量较高的镜质组是生烃的主要显微组分，对煤的焦油产率起到决定性作用。通过对煤的显微组分与焦油产率的相关关系研究发现，镜质组与焦油产率之间呈现正相关关系(图5)，惰质组与焦油产率呈现负相关关系(图6)，壳质组与焦油产率之间的相关性比较微弱(图7)，因此，含量较高的镜质组是生烃的主要显微组分，对煤的焦油产率起到决定性作用。由此表明，新疆北部地区早、中侏罗世煤中镜质组对焦油产率具有明显的正向促进作用。

图5 新疆北部地区早、中侏罗世煤的焦油产率与镜质组的关系Fig.5 Correlation between tar yield of coal and vitrinite during the early and middle Jurassic in Northern Xinjiang

图6 新疆北部地区早、中侏罗世煤的焦油产率与惰质组的关系Fig.6 Correlation between tar yield of coal and inertinite during the early and middle Jurassic in Northern Xinjiang

图7 新疆北部地区早、中侏罗世煤的焦油产率与壳质组的关系Fig.7 Correlation between tar yield of coal and exinite during the early and middle Jurassic in Northern Xinjiang

4.3 煤化程度

煤化程度表征了煤在温度、压力、时间影响下的组分和性质变化[43-44]，通常可以用镜质组最大反射率(Ro,max)表征。随着煤化程度的增加，煤中碳含量增多，氢、氧含量以及挥发分降低[2-3,45]，但煤中不同显微生油组分的成烃演化途径存在明显差异，其中大部分富氢镜质体的生油高峰对应的镜质组最大反射率在0.5%～0.95%[46]。相关研究表明，煤的焦油产率随着煤化程度呈现先升高后减小的趋势[12,43]。

新疆北部12 个煤田早、中侏罗世煤的镜质组最大反射率在0.12%～1.75%，平均值为0.53%，绝大多数属于低、中阶，表明新疆准噶尔–吐哈盆地早、中侏罗世的煤总体上经历了较低的变质程度。刘栩等[41]通过对准噶尔盆地早、中侏罗世煤的镜质组反射率研究发现，其范围值在0.51%～0.63%，由此表明处于低成熟阶段。本次研究通过对煤的镜质组最大反射率与焦油产率的相关关系研究发现，新疆北部地区早、中侏罗世煤中镜质组最大反射率在生油高峰之前与焦油产率之间呈现正相关关性(图8)，随着煤化程度的升高，煤的焦油产率逐渐增加，与前人关于煤的焦油产率在生油高峰之前随煤化程度增加而升高的研究结果相吻合。

图8 新疆北部地区早、中侏罗世煤的焦油产率与镜质组最大反射率的关系Fig.8 Correlation between tar yield of coal and maximum vitrinite reflectance during the early and middle Jurassic in Northern Xinjiang

煤的挥发分主要是煤中有机质热分解的产物，由水分、碳氢的氧化物和氢化物组成[44]，并且随着煤化程度的升高而呈现下降的趋势[3]。本次研究通过对新疆北部12 个煤田早、中侏罗世煤中挥发分统计得出，挥发分含量在25.65%～53.10%，平均值为37.71%，与煤的焦油产率呈一定的正相关关系(图9)，可作为焦油产率的识别指标。

图9 新疆北部地区早、中侏罗世煤的焦油产率与挥发分的关系Fig.9 Correlation between tar yield of coal and volatile matter during the early and middle Jurassic in Northern Xinjiang

4.4 焦油产率与H/C 的关系

焦油产率与w(H)/w(C)呈一定的正相关性，陈鹏指出[47]，煤中H 含量与焦炭反应性有较好的相关性，H 含量越高，则其焦炭的反应性越高，如图10 所示，w(H)/w(C)较高的巴里坤–三塘湖赋煤带的焦油产率相较最高。反之，准东赋煤带、吐哈赋煤带的w(H)/w(C)较低，对应的上述2 个赋煤带均未达到富油煤的标准。