青海省油頁巖工業(yè)品質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析

黨洪量，李永紅,童?？?，黃銀寶，范文科，云啟成

(1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,吉林長春 130061; 2.青海省地質(zhì)調(diào)查局,青海西寧 810001; 3.青海煤炭地質(zhì)局，青海西寧 810001)

0 引言

油頁巖是一種固體可燃有機巖，常與煤為共伴生礦產(chǎn)，它不僅可以制取頁巖油及相關(guān)石油化工產(chǎn)品，而且可以作為燃料用來發(fā)電、取暖和運輸，還可以生產(chǎn)建筑材料和化肥等[1]。隨著全省侏羅系油頁巖調(diào)查評價工作結(jié)束和油頁巖探礦權(quán)招拍掛工作的陸續(xù)開展,油頁巖勘查工作也必將跟進。而據(jù)文獻檢索，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)油頁巖勘查手段仍是通過鉆探、槽探等重型工程揭露礦層，再根據(jù)采樣化驗分析得出油頁巖礦層品位等參數(shù)，最終達到資源估算和開采條件評價的目的。諸如測井、地震等手段尚處于試驗研究階段，不能直接應(yīng)用于勘查過程[2-4]。所以，油頁巖勘查過程的主要工作量為重型工程和樣品測試，化驗項目中需要通過實驗儀器測定工業(yè)品質(zhì)指標(biāo)主要有含油率、發(fā)熱量、水分、灰分、揮發(fā)分、全硫含量、視密度等。而前人對油頁巖評價指標(biāo)之間相關(guān)性分析主要針對油頁巖含油率與有機地化指標(biāo)之間的相關(guān)性應(yīng)用研究，達到利用已有烴源巖化驗數(shù)據(jù)評價油頁巖含油率的目的[5-9]，或者根據(jù)測井有效解釋有機碳含量進而建立測井解釋油頁巖含油率的模型[10-13]，僅有文獻[14]對松遼盆地東南隆起區(qū)增深3井中油頁巖含油率與灰分、發(fā)熱量、有機碳、半焦和有機碳含量相關(guān)性進行了探討，整體上油頁巖品質(zhì)參數(shù)之間的相關(guān)性研究甚少,尤其是青海省幾近空白。據(jù)此，筆者通過系統(tǒng)整理分析全省油頁巖調(diào)查評價項目中獲取的油頁巖化驗數(shù)據(jù)中各項指標(biāo)之間相關(guān)性，得出指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，為今后樣品化驗項目比例設(shè)計和化驗項目可靠性驗證提供一定的參考。

1 青海油頁巖特征

前人成果顯示[15-16]，青海省具備油頁巖成礦條件地層為三疊系和侏羅系。本次研究通過系統(tǒng)開展開展地表地質(zhì)工作、參數(shù)井施工和對應(yīng)位置采集樣品分析化驗(圖1)，得出三疊系暗色層段達不到油頁巖品位要求，侏羅系發(fā)育油頁巖，且賦存于中下統(tǒng)(表1)，分布于青海省北部含煤盆地。油頁巖顏色為灰褐色、褐黃色、深灰色和灰黑色，品位高的顏色偏向于褐色，巖性為頁巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，薄層狀，具頁理、平行層理或塊狀構(gòu)造。其巖石組合類型有四種(圖2)，A和B類型，均為半深湖-深湖沉積環(huán)境，區(qū)別在于B類型存在水下重力流沉積； C和D類型，與煤共伴生，均為湖灣-沼澤環(huán)境，二者相比，D類型受分流河道干擾，湖灣環(huán)境穩(wěn)定性不如C類型，且C和D類型較另外兩種類型油頁巖具有含油率高、厚度薄、層數(shù)多和發(fā)熱量高的特點[17]。如圖3所示的各項品質(zhì)數(shù)據(jù)集中程度，油頁巖工業(yè)品質(zhì)整體屬于低-中品質(zhì)含油率、高灰分、特低-低硫、中-高發(fā)熱量的油頁巖。已發(fā)現(xiàn)含油頁巖的礦區(qū)有北祁連分區(qū)的鐵邁，西寧分區(qū)的小峽，柴北緣分區(qū)的團魚山、魚卡、寬溝-大煤溝、小煤溝和旺尕秀礦區(qū)[17]。

2 取樣及測試方法簡介

本次研究過程共采集樣品766件，達到油頁巖概念品位有141件。采樣過程為保證化驗指標(biāo)相關(guān)性分析不受采樣間距影響，設(shè)計規(guī)格為全層連續(xù)采樣(大部為每米1個樣)，化驗項目包括含油率、發(fā)熱量、水分、灰分、揮發(fā)分、全硫含量、視密度等關(guān)鍵參數(shù)。

圖1 本次青海省油頁巖研究工作程度圖Figure 1 Working extent in this Qinghai oil shale study

圖2 油頁巖及其圍巖巖性組合類型Figure 2 Rock association types of oil shale and its surrounding rocks

另外，需要說明的有三點，第一，為避免相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)不受外界條件,本次實驗環(huán)境均排除外部水分變化因素,即實驗環(huán)境為隔絕干燥環(huán)境； 第二，由于油頁巖沒有單獨的實驗儀器和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可執(zhí)行，故使用類似礦床煤炭的實驗裝置, 參照煤質(zhì)化驗規(guī)范要求(含油率測定采用的是測試精度更高的格金低溫干餾實驗裝置)；第三，為有效指導(dǎo)今后油頁巖勘查工作，即指導(dǎo)已知油頁巖礦區(qū)勘查工作，本次指標(biāo)相關(guān)性分析僅針對已發(fā)現(xiàn)含油頁巖礦區(qū)油頁巖化驗數(shù)據(jù)(表1)。

表1 青海省已知含油頁巖礦區(qū)含油率實測數(shù)據(jù)

注：樣品測試由陜西煤田地質(zhì)化驗測試有限公司完成。

圖3 油頁巖品質(zhì)指標(biāo)線性相關(guān)分析散點圖Figure 3 Scatter diagram of oil shale quality indices linear correlation analysis

3 化驗結(jié)果討論

由于油頁巖定義是含油率大于3.5%和發(fā)熱量不小于4.18MJ/kg的固體可燃有機巖，所以含油率和發(fā)熱量為油頁巖樣品全測項目，且研究人員普遍認識到含油率與發(fā)熱量為正相關(guān)關(guān)系，所以本次研究重點討論含油率與其他指標(biāo)的相關(guān)性。相關(guān)性分析過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計應(yīng)用SPSS統(tǒng)計軟件，統(tǒng)計結(jié)果采用Pearson線性相關(guān)系數(shù)法，并根據(jù)相關(guān)系數(shù)表示的意義(表2)，評價不同變量之間相關(guān)性。

3.1 含油率與發(fā)熱量

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析(圖3a)，含油率與發(fā)熱量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.67，建立的線性回歸方程為y=0.944x-1.208，即含油率越高發(fā)熱量越大。究其原因是因為含油率指的是油頁巖中焦油占巖石的質(zhì)量百分比分?jǐn)?shù)，所以焦油作為油頁巖中主要可燃的有機質(zhì)，其含量越高，含油率越高，對應(yīng)油頁巖放出的熱量也會越高。但也由于油頁巖中可燃有機質(zhì)除了焦油，還有少量烴類氣體，不同位置不同層位變質(zhì)程度不同，使得烴類氣體對發(fā)熱量的貢獻程度不同。所以，這也是含油率與發(fā)熱量未呈現(xiàn)出高度正相關(guān)的原因。

3.2 含油率與水分

分析結(jié)果顯示(圖3b)，含油率與水分相關(guān)性為微正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.28，線性回歸方程為y=0.132x+2.494,即含油率與水分無明顯的相關(guān)性。推測其原因為油頁巖作為巖石其水分含量主要受現(xiàn)今巖石中礦物組成、顆粒大小、結(jié)構(gòu)和成巖前后水環(huán)境等多種因素影響，油頁巖中水分變化不大，大部分小于4%，所以含油率與水分未呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。但是，同一地區(qū)油頁巖巖石密度和變質(zhì)程度基本一致，如果含油率越高，則巖石則需要提供更大空間賦存頁巖油，在一定程度上說明了油頁巖中孔隙發(fā)育，同時也為水賦存提供了有利空間。

表2 相關(guān)系數(shù)表示的意義

3.3 含油率與灰分

灰分是煅燒后殘留的無機物，所以殘留無機物質(zhì)量越大，油在巖石中質(zhì)量比例越小，且灰分油頁巖質(zhì)量百分比較大，85%油頁巖樣品灰分在60%～90%之間，即含油率與灰分為負相關(guān)，統(tǒng)計分析也驗證了前人得這一認識(圖3c)。相關(guān)系數(shù)-0.63，線性回歸方程y=-3.051x+90.85，相關(guān)程度為顯著負相關(guān)。推測其未呈現(xiàn)出高度負相關(guān)的原因是油頁巖中揮發(fā)分影響了含油率和灰分的相關(guān)性，依據(jù)為揮發(fā)分所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較大，98%的油頁巖揮發(fā)分大于10%，67%油頁巖揮發(fā)分大于20%，灰分和揮發(fā)分呈高度負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)-0.87。

3.4 含油率與揮發(fā)分

揮發(fā)分是測定頁巖油、水和其它高溫條件下發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)后可逸散礦物占油頁巖質(zhì)量比例。經(jīng)統(tǒng)計分析(圖3d)，含油率和揮發(fā)分的相關(guān)系數(shù)0.71，顯著正相關(guān)，線性回歸方程為y=2.014x+10.19。進一步統(tǒng)計分析后，發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分中的上述三種成分所占比例變化較大，含油率與另外兩種成分無明顯的相關(guān)性。所以，本次研究僅能得出含油率與揮發(fā)分呈正相關(guān)，具體原因不清。

3.5 含油率與全硫含量、視密度

油頁巖中的有機硫和無機硫含量主要受成巖前物源硫含量和成巖作用的影響，與油頁巖中油的形成沒有必然的聯(lián)系。另外由于頁巖油在油頁巖中所占比例較小，視密度主要受礦物組成和壓實程度控制，故初步推測全硫、視密度和含油率不會呈現(xiàn)處明顯的相關(guān)性。進一步分析后，發(fā)現(xiàn)全硫含量和視密度值變化不大，除個別樣品，全硫含量大部小于1%，視密度值集中于平均值2.4g/cm3左右。統(tǒng)計分析結(jié)果也驗證了這一推測(圖3e和圖3f)，僅呈微正相關(guān)。

4 結(jié)論

綜上所述，青海省已發(fā)現(xiàn)的含油頁巖礦區(qū)的油頁巖工業(yè)品質(zhì)指標(biāo)之間呈如下相關(guān)性：

(1)含油率與發(fā)熱量、灰分、揮發(fā)分的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)分別為：0.67、-0.62、0.71，即含油率與發(fā)熱量、揮發(fā)分呈顯著正相關(guān)，與灰分呈顯著負相關(guān)。

(2)含油率與水分、全硫、視密度的無明顯相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為： 0.28、0.24、0.26，均呈微正相關(guān)。

(3)鑒于上述油頁巖工業(yè)品質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性，以及全硫含量和視密度值變化不大現(xiàn)象，建議今后油頁巖勘查工作除含油率和發(fā)熱量全部樣品測試外，其他化驗項目可按一定比例送驗。

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