煤顯微組分對生烴能力的影響研究

馮松寶，趙梓臣

煤顯微組分作為煤的本身組成成分，對煤的生烴能力有重要的影響。每一種顯微組分由于生物母質(zhì)和所形成沉積環(huán)境及遭受的成煤作用的不同，故其化學(xué)組成與化學(xué)性質(zhì)各不相同，主要體現(xiàn)在其熱穩(wěn)定性、生烴活化能及脂肪側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)和鏈長等的差別上［1］，從而決定了各自的生油門限和演化范圍的差異［2］。不同類型的煤一般由不同類型的顯微組分按不同的比例混合而成，也就是說各種顯微組分所能生成的烴的量的疊加可能決定了煤的生烴能力。研究煤顯微組分對生烴能力的影響對我們更好地評價煤礦資源，更合理地對煤礦資源進(jìn)行針對性的開發(fā)利用有著重要的價值和意義。

1 煤顯微組分分類及分離富集

煤顯微組分是指在顯微鏡下才能辨認(rèn)出的組成煤的有機成分。在偏光顯微鏡下觀測時，根據(jù)不同性質(zhì)有機成分的物理性質(zhì)，如：透光色、透光性、反射色、反射率、結(jié)構(gòu)、突起、熒光性、各向異性、硬度以及密度等差異［3］，可將煤的顯微組分分為鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組以及惰質(zhì)組三大類。

鏡質(zhì)組根據(jù)植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的保存程度及形態(tài)特征，鏡質(zhì)組可分為結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體、無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和鏡屑體。其中無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體按照鏡質(zhì)組顯微組分的形態(tài)、產(chǎn)狀和成因的不同，可分為均質(zhì)鏡質(zhì)體、基質(zhì)鏡質(zhì)體、膠質(zhì)鏡質(zhì)體以及團塊鏡質(zhì)體四個亞組分。鏡質(zhì)組在油浸反射光下呈深灰色到淺灰色［4］，其反射率逐漸變高，各向異性增強。

煤中常見的殼質(zhì)組主要有：孢子體、角質(zhì)體、木栓體、藻類體、熒光體、瀝青質(zhì)體、殼屑體以及樹脂體等，殼質(zhì)組的反射色在油浸反射光下呈深灰色到淺灰色，殼質(zhì)組與鏡質(zhì)組在偏光顯微鏡下的區(qū)分除觀察顏色外，在煤樣變質(zhì)程度較強時，應(yīng)以兩者的形態(tài)差異作為主要的區(qū)分條件。

惰質(zhì)組主要組分有半絲質(zhì)體、絲質(zhì)體、微粒體、粗粒體及碎屑惰質(zhì)體等，惰質(zhì)組在油浸反射光下呈灰白色、亮白色、亮黃白色，且大多具中高突起。

通過在實驗室顯微鏡下觀測大量煤中的顯微組分我們得到這樣的結(jié)論：隨著煤樣變質(zhì)程度慢慢增大，煤中各顯微組分的顏色開始趨于接近；而當(dāng)變質(zhì)程度漸漸降低時，各顯微組分的顏色也相接近。在這兩種情況下，如果我們僅通過顏色的區(qū)分難以準(zhǔn)確對顯微組分進(jìn)行識別分類，這時則應(yīng)借助煤樣顯微組分在鏡下所表現(xiàn)的突起、形態(tài)等的差異綜合進(jìn)行區(qū)分。

煤顯微組分分離與富集的方法有人工手選法、篩選富集法、重液浮沉法、重液離心法、浮選法、電選分離法、油團聚法等［5］。實驗室中一般采用人工手選法和浮沉法聯(lián)合的綜合方法，這種方法可提高顯微組分富集的純度。離心分離法可達(dá)到的富集純度最高，在90%以上［5］。

2 煤顯微組分影響生烴能力的因素及研究現(xiàn)狀

2.1 煤顯微組分影響生烴能力的因素

煤顯微組分的脂肪側(cè)鏈的鏈長對煤生烴能力有著重要影響。用A2925／A2955來定量計算CH2／CH3的比值［6］，此比值可以用來評價煤中烷基側(cè)鏈的長度及支鏈化程度，其比值大小與所含化學(xué)鍵在高溫?zé)峤鈹嗔焉蔁N類物質(zhì)的分解能相關(guān)［7］。在煤超分子結(jié)構(gòu)中，短的富支鏈結(jié)構(gòu)分解時分解能較低；長的支鏈少的結(jié)構(gòu)分解時分解能較高。分解能越高其生烴所需的能量越多，對煤生烴能力會起到抑制的作用。同為相同結(jié)構(gòu)的烷基側(cè)鏈，對其提供的分解能越多，生成烴越多。分析表征脂肪鏈長度的脂肪結(jié)構(gòu)參數(shù)A1380／A1430－1460比值變化趨勢。對各顯微組分進(jìn)行分析上述兩個參數(shù)可以看出，殼質(zhì)組脂族結(jié)構(gòu)以長鏈脂肪烴為主，鏡質(zhì)體和惰質(zhì)組則以短鏈脂肪烴為主，殼質(zhì)組的這種結(jié)構(gòu)有利于生油，而鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組則利于生氣［8］。

圖1 塔里木盆地煤巖與各顯微組分生成CH4潛力與活化能分布關(guān)系圖（據(jù)劉全有，2009年）

根據(jù)塔里木盆地煤樣熱模擬實驗，分析實驗結(jié)果圖1得到，當(dāng)在活化能為42～90kcal／mol內(nèi)時，煤、鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組、絲質(zhì)組和半絲質(zhì)組生成CH4的主頻活化能分別為60、52、50、70和66kcal／mol。各顯微組分生成CH4活化能具有規(guī)律性變化，即Ea殼質(zhì)組＜Ea鏡質(zhì)組＜Ea煤＜Ea半絲質(zhì)組＜Ea絲質(zhì)組［9］。這種活化能關(guān)系與煤樣及各顯微組分生烴過程相一致。由此可看出，煤顯微組分中的殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組兩個組分較先產(chǎn)生烴。

煤生烴能力的影響因素還與煤顯微組分本身由什么母質(zhì)生成、煤顯微組分的百分比以及煤中的無機礦物瀝青基質(zhì)含量都有相關(guān)的關(guān)系，這些因素應(yīng)具體考慮煤所在的地質(zhì)環(huán)境及煤顯微組分間的相互作用。

2.2 煤顯微組分影響生烴能力的研究

研究煤顯微組分生烴能力對評價煤礦價值，充分利用煤礦資源，使煤礦資源效率最大化有著重要的意義。王傳格等［7］在研究煤顯微組分結(jié)構(gòu)特征及其與熱解行為的關(guān)系中采用X射線衍射和FTIR技術(shù)研究煤的結(jié)構(gòu)特征，以神東煤和平朔煤為研究樣品，得出神東煤惰質(zhì)組和鏡質(zhì)組含有相對較少的、長的脂肪側(cè)鏈結(jié)構(gòu)。余曉露和李志明等［8］采用衰減全反射－顯微傅立葉變換紅外光譜原位分析煤有機顯微組分提出：不同煤的顯微組分其化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成也不相同，從生烴角度來看，正是因為它們之間存在著這種化學(xué)性質(zhì)上的差異導(dǎo)致了不同顯微組分的生烴能力的強弱差異。通過紅外光譜分析知由殼質(zhì)組到鏡質(zhì)組，再到惰質(zhì)組，其顯微組分化學(xué)結(jié)構(gòu)中的脂肪烴逐漸減少，而芳香烴逐漸增大。脂肪烴是生成烴類物質(zhì)的主要組分，因此，殼質(zhì)組到惰質(zhì)組其生烴潛力減小，由脂肪結(jié)構(gòu)參數(shù)知殼質(zhì)組以長鏈結(jié)構(gòu)為主，利于油的生成，而惰質(zhì)組和鏡質(zhì)組則是以短鏈為主，有利于生成氣。劉全有，金之鈞和王毅等［9］通過對塔里木盆地煤及其顯微組分以1K／min升溫速率在開放體系下進(jìn)行熱模擬實驗，確定了CH4的生成動力參數(shù)，由實驗可知，CH4生成的主頻活化能較低，范圍較窄，所需地質(zhì)條件提供的溫度較低，各顯微組分在溫度小于200℃時即已幾乎完成生烴過程，生成了CH4總量的80%左右。錢門輝、蔣啟貴和鄭倫舉等對西湖凹陷煤系烴源巖的研究中［10］，認(rèn)為顯微組分的差異性是導(dǎo)致西湖凹陷煤系烴源巖所生成烴的相態(tài)不同的主要原因。以孢子體和樹脂體為主的殼質(zhì)組較多生成液態(tài)烴類，以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主的鏡質(zhì)體則有利于生成氣態(tài)烴類。方朝合、王義鳳、鄭德溫等在對蘇北盆地溱潼凹陷古近系烴源巖顯微組分分析中提出［11］：蘇北盆地?zé)N源巖中礦物瀝青基質(zhì)對烴源巖的總體生烴潛力作出了積極的貢獻(xiàn)，礦物瀝青基質(zhì)在不同地質(zhì)時期，不同的地區(qū)，其形成的母質(zhì)來源不同［12－14］，對生烴潛力的影響也不相同，應(yīng)在對具體地區(qū)進(jìn)行研究時，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臉?gòu)造歷史，具體分析對待。

3 結(jié)論與展望

對煤顯微組分對煤生烴能力的影響的研究是提高綜合利用煤礦資源效率的重要基礎(chǔ)，各顯微組分間的相互作用及顯微組分與無機礦物的相互作用對煤生烴能力的影響兩個方面是現(xiàn)在研究煤顯微組分對生烴能力影響中研究較少的，應(yīng)充分考慮煤中各組分的相互關(guān)系。

煤各顯微組分在生烴過程中先生成烴的組分所生成的產(chǎn)物對后生成烴的組分是否會產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致煤生烴能力的加強或減弱；煤中所含有的無機礦物質(zhì)在煤生烴過程中是起到了催化劑的作用從而增強了煤生烴的潛力還是起到了抑制劑的作用從而削弱了煤的生烴潛力，這些都可能是未來應(yīng)該研究的方向。

將上述因素綜合考慮，從整體的角度去全面考慮煤生烴能力，有利于我們發(fā)現(xiàn)煤生烴影響因素的規(guī)律，有利于建立煤生烴的動力學(xué)模型，更好地指導(dǎo)煤礦生產(chǎn)建設(shè)。

［1］倪春華，江興歌.顯微組分生烴研究進(jìn)展［J］.石油天然氣學(xué)報，2009，31（5）：216－218.

［2］李賢慶，馬安來，鐘寧寧，等.烴源巖有機巖石學(xué)研究方法與應(yīng)用［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，1997.

［3］張 磊，劉文禮，門東坡.煤巖顯微組分測定方法的研究現(xiàn)狀及幾點建議［J］.煤炭工程，2013（4）：97－103.

［4］丁 華，張宇宏，白向飛.煤中有機顯微組分自動識別初步研究［J］.煤質(zhì)技術(shù)，2009，（1）：1－5.

［5］陳洪博，張宇宏.煤巖顯微組分的分離與富集研究［J］.煤質(zhì)技術(shù)，2012，（6）：6－9.

［6］Ibarra J V，Munoz E，Moliner R.FTIR Study of the Evolution of Coal Structure During the Coalification Processs［J］.Org Geochem，1996，6（24）：725－735.

［7］王傳格.煤顯微組分結(jié)構(gòu)特征及其與熱解行為的關(guān)系［J］.煤炭轉(zhuǎn)化，2011，34（3）：11－16.

［8］余曉露，李志明，白 帆.衰減全反射－顯微傅立葉變換紅外光譜原位分析煤有機顯微組分［J］.石油實驗地質(zhì)，2012，34（6）：664－670.

［9］劉全有，金之鈞，王 毅，等.煤及顯微組分在超高溫開放體系實驗中動力學(xué)參數(shù)確立與天然氣形成過程預(yù)測［J］.地學(xué)前緣，2009，16（1）：167－172.

［10］錢門輝，蔣啟貴，鄭倫舉.西湖凹陷煤系烴源巖顯微組分組成特征及地質(zhì)意義［J］.石油實驗地質(zhì)，2012，34（2）：182－185.

［11］方朝合，王義鳳，鄭德溫，等.蘇北盆地溱潼凹陷古近系烴源巖顯微組分分析［J］.巖性油氣藏，2007，19（4）：87－130.

［12］陳建平，黃第藩.烴源巖中礦物瀝青質(zhì)成烴潛力探討［J］.地球化學(xué)，1997（26）6：32－36.

［13］王鐵冠，錢寧寧，侯讀杰，等.低熟油氣形成機理與分布［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1995.

［14］包建平，毛鳳鳴，段云鵬，等.蘇北盆地鹽城凹陷天然氣和凝析油的地球化學(xué)特征和成因［J］.天然氣地球科學(xué)，2004（15）2：103－109.