陜西省富油煤分布及受控地質(zhì)因素

楊 甫 ，段中會(huì) ，馬 麗 ，付德亮 ，田 濤 ，賀 丹 ，岳明娟

（1.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710021；2.陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司, 陜西 西安 710021；3.陜西省煤田地質(zhì)化驗(yàn)測試有限公司, 陜西 西安 710054）

0 引 言

我國“缺油、少氣、相對富煤”的資源稟賦特征決定了我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以煤為主體，短期難以改變。近年來，我國石油和天然氣對外依存度逐年攀升，且90%的油氣來自海上運(yùn)輸，嚴(yán)重威脅著我國的能源安全，加大煤炭的清潔高效利用，有助于發(fā)揮煤炭的能源壓艙石作用，但煤炭的發(fā)展面臨的環(huán)境問題也越來越突出，綠色安全高效利用成為煤炭產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。習(xí)近平主席自2020 年9月22 日在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上發(fā)表講話：中國力爭于2030 年前二氧化碳排放達(dá)到峰值、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。煤炭行業(yè)向低碳化發(fā)展成為必然趨勢。改變煤炭開發(fā)利用形式，提高煤炭利用質(zhì)量，推動(dòng)煤炭從單一燃料向燃料+原料轉(zhuǎn)變以及煤基能源產(chǎn)業(yè)與二氧化碳捕集、封存和利用技術(shù)的協(xié)同推進(jìn)和耦合發(fā)展成為實(shí)現(xiàn)高碳能源低碳發(fā)展的現(xiàn)實(shí)選擇。

根據(jù)煤地質(zhì)學(xué)定義，將焦油產(chǎn)率（Tar,ad）小于等于7.0%的煤稱為含油煤，焦油產(chǎn)率大于7.0%小于等于12.0%的煤稱為富油煤，焦油產(chǎn)率大于12.0%的煤稱為高油煤。富油煤不僅是煤，更是一種煤基油氣資源，熱解提油有助于緩解油氣對外依存度，保障能源安全，實(shí)現(xiàn)高碳資源低碳發(fā)展。近年來針對我國富油煤的地質(zhì)研究及煤中焦油產(chǎn)率的影響因素已有初步研究。汪寅人等[1]研究了我國部分褐煤和煙煤中焦油產(chǎn)率與化學(xué)組成的關(guān)系，指出變質(zhì)程度是影響煤焦油產(chǎn)率的主要因素；張軍等[2]從粉煤熱解角度探討了礦物質(zhì)對焦油產(chǎn)率的影響，晁偉等[3]提出通過焦油指數(shù)建立預(yù)測煤焦油產(chǎn)率的方法，孫曄偉等[4]研究了我國特高揮發(fā)分特高焦油產(chǎn)率煤的分布特征，謝青等[5]分析了黃陵礦區(qū)富油煤焦油產(chǎn)率分布特征及主控地質(zhì)因素，王銳等[6]研究認(rèn)為榆神礦區(qū)富油煤形成于還原性較強(qiáng)的濱淺湖古地理環(huán)境及溫暖潮濕的古氣候環(huán)境，李華兵等[7-8]分析了神府礦區(qū)5-2煤富油煤的賦存特征和資源潛力和子長礦區(qū)瓦窯堡組特高焦油產(chǎn)率煤富集規(guī)律，張寧等[9]研究了陜北侏羅紀(jì)富油煤有機(jī)地球化學(xué)特征，以上研究為富油煤地質(zhì)研究充實(shí)了基礎(chǔ)。

陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司/自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2019 年完成了陜西省富油煤生油潛力評價(jià)及高效開發(fā)研究課題，首次估算了陜西省富油煤資源，研究了陜西省五大煤田富油煤的分布特征，為富油煤的合理規(guī)劃開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。在收集煤田地質(zhì)勘探2 800 多個(gè)鉆孔焦油數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，針對性補(bǔ)充了典型礦區(qū)樣品，以榆神礦區(qū)典型煤礦主采煤層為對象，系統(tǒng)分析了煤的工業(yè)分析、元素分析、顯微組分、巖石熱解、熱演化程度等因素對煤中焦油產(chǎn)率的地質(zhì)約束，為富油煤的地質(zhì)預(yù)測提供依據(jù)，也為富油煤的成因機(jī)理研究提供借鑒。

1 陜西省煤田分布

陜西省橫跨黃河流域和長江流域，以秦嶺為界北部屬于黃土高原,中部是關(guān)中平原,南部屬秦巴山區(qū)。根據(jù)我國主要含煤地層大地構(gòu)造單元?jiǎng)澐郑兾魇≠x煤單元屬華北和華南兩個(gè)賦煤區(qū)。根據(jù)富煤帶的劃分原則，陜西省劃分為4 個(gè)賦煤帶，分別為華北賦煤區(qū)鄂爾多斯盆地陜北賦煤帶、鄂爾多斯盆地南緣賦煤帶和秦嶺山間盆地群賦煤帶，華南賦煤區(qū)上揚(yáng)子盆地北緣賦煤帶。陜西省煤田主要分布在鄂爾多斯盆地渭河以北地區(qū)(圖1)含煤面積約5.74×104km2。依據(jù)成煤時(shí)代及煤炭資源地理分布，陜西省煤田可劃分為晚古生代陜北石炭二疊系煤田和渭北石炭二疊系煤田、中生代陜北三疊系煤田、陜北侏羅系煤田和黃隴侏羅系煤田。其次為渭河以南秦嶺、上揚(yáng)子北部地區(qū)石炭系、二疊系、三疊系和侏羅系形成的一些小型煤產(chǎn)地，主要為上揚(yáng)子區(qū)盆地北部的鎮(zhèn)巴三疊侏羅系煤產(chǎn)地。陜西北部含煤地層沉積面積大，分布穩(wěn)定，含煤性好，煤質(zhì)優(yōu)良，資源/儲(chǔ)量豐富，地質(zhì)構(gòu)造及開采技術(shù)條件較簡單；陜南含煤地層多、沉積面積小、分布不穩(wěn)定，含煤性較差，煤質(zhì)也較差，資源/儲(chǔ)量規(guī)模較小，地質(zhì)構(gòu)造及開采技術(shù)條件較復(fù)雜，本次未予以討論。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造區(qū)劃及陜西煤田分布示意Fig.1 Tectonic division of Ordos Basin and coal field distribution in Shaanxi Province

2 陜西省煤中焦油產(chǎn)率分布

1）陜北侏羅系煤田。呈北東－南西向沿橫山-榆林-神木府谷一帶展布，長約300 km，寬約25～80 km，面積約20 000 km2。包括神府新民、榆神、榆橫3 個(gè)國家規(guī)劃礦區(qū)及廟哈孤非國家規(guī)劃礦區(qū)。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，含煤層多達(dá)14 層，主要可采煤層1～7 層。廟哈孤礦區(qū)煤類以不黏煤和長焰煤為主，煤化程度為I 級(jí)，焦油產(chǎn)率為7.95%～11.36%，屬富油煤；新民礦區(qū)煤類以不黏煤、長焰煤和弱黏煤為主，煤化程度為I 級(jí)，焦油產(chǎn)率為7.30%～12.90%，屬富油煤，少量高油煤；榆神礦區(qū)煤類以不黏煤、長焰煤和弱黏煤為主，煤化程度為I 級(jí)，焦油產(chǎn)率為7.6%～15.3%，屬富油煤，少量高油煤；榆橫礦區(qū)煤類以長焰煤、不黏煤和弱黏煤為主，煤化程度為I 級(jí)，焦油產(chǎn)率為8.9%～14.7%，屬富油煤，少量高油煤。陜北侏羅系煤田煤的焦油產(chǎn)率較高均屬富油煤，且高油煤區(qū)主要集中在榆橫礦區(qū)，少量分布在榆神礦區(qū)和新民礦區(qū)（圖2）。

圖2 陜西五大煤田煤中焦油產(chǎn)率分布Fig.2 Distribution of coal tar yield in five coalfields in Shaanxi

2）黃隴侏羅系煤田。呈北東-南西向帶狀分布于黃陵-旬邑-彬縣麟游隴縣一帶，緊鄰陜甘邊界，長度約280 km，寬度20～35 km，面積約11 250 km2。主要包括彬長煤炭國家規(guī)劃礦區(qū)及黃陵、焦坪、旬耀、永隴4 個(gè)非國家規(guī)劃煤炭礦區(qū)。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，含煤層2～8 層，可采煤層1～4 層。永隴礦區(qū)煤類以不黏煤和長焰煤為主，煤化程度為I 級(jí)，焦油產(chǎn)率為4.3%～11.7%，富油煤占比74%；彬長礦區(qū)煤類以不黏煤和弱黏煤為主，煤化程度為I～I(xiàn)I 級(jí)，焦油產(chǎn)率介于3.6%%～11.8%，富油煤占比62%；旬耀礦區(qū)煤類以不黏煤、長焰煤和弱黏煤為主，煤化程度為I 級(jí)，焦油產(chǎn)率為3.9%～11.8%，富油煤占比30.1%；焦坪礦區(qū)煤類以不黏煤、長焰煤和弱黏煤為主，煤化程度為I 級(jí)，焦油產(chǎn)率為3.7%～12.9%，富油煤占比86.4%；黃陵礦區(qū)煤類以弱黏煤、氣煤和長焰煤 為 主，煤 化 程 度 為I～I(xiàn)I 級(jí)，焦 油 產(chǎn) 率 為2.7%～15.2%，富油煤占比61.1%。黃隴侏羅紀(jì)系煤田各礦區(qū)煤焦油產(chǎn)率分布差異較大，富油煤主要分布在焦坪礦區(qū)，永隴礦區(qū)、彬長礦區(qū)和黃陵礦區(qū)次之，旬耀礦區(qū)最少。高油煤零星分布于黃陵礦區(qū)和焦坪礦區(qū)（圖2）。

3）陜北三疊系煤田。分布于延安市富縣以北，榆林市部分區(qū)域，面積約24 000 km2，現(xiàn)僅劃有子長礦區(qū)。含煤地層為三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組，共含煤層7～15 層，最多達(dá)30 余層，主要可采煤層2 層，煤類以氣煤為主，含有長焰煤和氣肥煤，煤化程度為I～I(xiàn)I 級(jí)，焦油產(chǎn)率為7.1%～16.39%，屬富油煤和高油煤（圖2）。

4）陜北石炭二疊系煤田。分布于府谷縣城、吳堡縣城以北的黃河西岸，煤田西邊界約以煤層埋深大于1 000 m 為邊界?？偯娣e約810 km2。主要包括古城礦區(qū)、府谷礦區(qū)和吳堡礦區(qū)。含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，含煤層1～12 層，可采煤層3～6 層。古城礦區(qū)煤類以氣煤和長焰煤為主，煤化程度為I～I(xiàn)I 級(jí)，焦油產(chǎn)率為4.1%～13.6%，富油煤和高油煤占比75%；府谷礦區(qū)煤類以長焰煤、氣煤、不黏煤和弱黏煤為主，煤化程度為I～I(xiàn)I 級(jí)，焦油產(chǎn)率為2.5%～14.8%，富油煤占比95%、高油煤和含油煤零星分布；吳堡礦區(qū)煤類以焦煤、瘦煤和肥煤為主，煤化程度III～I(xiàn)V 級(jí)，焦油產(chǎn)率為5.62%～7.13%，富油煤占比19.4%。陜北石炭二疊系煤田富油煤主要分布在府谷礦區(qū)，古城礦區(qū)次之，吳堡礦區(qū)最少（圖2）。

5）渭北石炭-二疊紀(jì)煤田。分布于渭河以北銅川市至韓城市一帶，有“渭北黑腰帶”之稱，東西長200～220 km，南北寬37～41 km，面積約8 700 km2。主要為渭北煤炭國家規(guī)劃礦區(qū)，分為銅川礦區(qū)、蒲白礦區(qū)、澄合礦區(qū)及韓城礦區(qū)。含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。一般含煤層1～6 層，可采煤層1～3 層。煤類以瘦煤、貧瘦煤和貧煤為主，煤化程度為VI～VII 級(jí)，焦油產(chǎn)率為1.8%～2.12%，均屬于含油煤（圖2）。

3 影響煤中焦油產(chǎn)率的地質(zhì)因素

以陜北富油煤區(qū)榆神礦區(qū)某煤礦主采2-2煤為研究對象，采用鉆探取心，所取煤樣（n=27）在自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了煤的顯微組分、工業(yè)分析、元素分析、巖石熱解、鏡質(zhì)組反射率（Ro）及煤的格金干餾試驗(yàn)測定煤中焦油產(chǎn)率，分別討論了各參數(shù)與焦油產(chǎn)率之間的關(guān)系，分析影響煤中焦油產(chǎn)率的地質(zhì)因素。

3.1 物質(zhì)組成

1）顯微組分。煤中含有多種有機(jī)顯微組分，不同有機(jī)顯微組分的物質(zhì)組成、化學(xué)組分存在較大差異，導(dǎo)致不同組分的生烴潛力尤其是生油能力存在明顯不同。已有研究表明，富氫顯微組分及成烴的物質(zhì)基礎(chǔ)[10]，從惰質(zhì)組到基質(zhì)鏡質(zhì)組再到殼質(zhì)組，隨著富氫組分的增高，其傾油程度逐漸增加，且惰質(zhì)組不生油[11]，同時(shí)也認(rèn)識(shí)到殼質(zhì)組和基質(zhì)鏡質(zhì)組的含量共同決定了煤巖生油能力的大小[12]。本次所測樣品2-2煤的顯微組分測定依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8899-2013 《煤的顯微組分組和礦物測定方法》和GB/T 15588-2001《煙煤顯微組分分類》完成，顯微組分采用含礦物基結(jié)果，其中鏡質(zhì)組含量為37.2%～78.5%、惰質(zhì)組含量為19.9%～58.5%、殼質(zhì)組含量為0.1%～3.8%，鏡質(zhì)組含量最多，殼質(zhì)組含量最少，呈現(xiàn)為鏡質(zhì)組-惰質(zhì)組組合為特征。鏡質(zhì)組中基質(zhì)鏡質(zhì)體（圖3a）含量為22.2%～56.2%、結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)組（圖3b）含量為3.3%～48.8%、均質(zhì)鏡質(zhì)體（圖3c）含量為2.3%～23.8%、團(tuán)塊鏡質(zhì)組（圖3d）含量0～4.6%和碎屑鏡質(zhì)體含量為0～2.8%，且以基質(zhì)鏡質(zhì)體含量最多。惰質(zhì)組中絲質(zhì)體（圖3e）含量為9.6%～32.7%，微粒體（圖3f）含量為0～1.8%，粗粒體（圖3g）含量為2.8%～17.0%，碎屑惰質(zhì)體（圖3h）含量為2.2%～9.3%，且以絲質(zhì)體含量最多。殼質(zhì)組中以小孢子體（圖3i）為主、個(gè)別見角質(zhì)體（圖3j）和木栓質(zhì)體（圖3k）。含有少量黃鐵礦（圖3l）。

圖3 富油煤中不同顯微組分照片F(xiàn)ig.3 Photographs of different macerals in oil-rich coal

煤中焦油產(chǎn)率（Tar,ad）依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1341-2007 《煤的葛金低溫干餾試驗(yàn)方法》進(jìn)行測定，結(jié)果采用空氣干燥基產(chǎn)率。為討論顯微組分與煤中焦油產(chǎn)率的關(guān)系，對基質(zhì)鏡質(zhì)體含量、惰質(zhì)組含量和殼質(zhì)組含量分別與焦油產(chǎn)率進(jìn)行線性關(guān)系描述，結(jié)果顯示基質(zhì)鏡質(zhì)體含量與焦油產(chǎn)率呈正相關(guān)關(guān)系（圖4a），相關(guān)系數(shù)為0.70；惰質(zhì)組含量與焦油產(chǎn)率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖4b），相關(guān)系數(shù)為0.64；殼質(zhì)組含量與焦油產(chǎn)率相關(guān)性不明顯（圖4c），基質(zhì)鏡質(zhì)體又在基質(zhì)鏡質(zhì)組中所占比例較大，且其與焦油產(chǎn)率也成正相關(guān)關(guān)系（圖4d），相關(guān)系數(shù)為0.61。這一結(jié)果的原因是殼質(zhì)組含量較少，對生油潛力貢獻(xiàn)較小，也反映出基質(zhì)鏡質(zhì)組尤其是基質(zhì)基質(zhì)鏡質(zhì)組對煤中焦油產(chǎn)率的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位。

圖4 煤中顯微組分與焦油產(chǎn)率相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlation between macerals in coal and tar yield

2）揮發(fā)分。已有研究結(jié)果表明，煤的揮發(fā)分主要是由煤的有機(jī)質(zhì)熱解產(chǎn)生，其組成物質(zhì)包括CH4、C2H6、H2、CO、H2S、NH3、H2O、CnH2n、CnH2n-2和苯、萘、酚等芳香族化合物以及C5～C16的烴類、吡啶、吡咯、噻吩等化合物[13]。揮發(fā)分與煤焦油產(chǎn)率的關(guān)系前人已有較多研究，存在2 種不同觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為煤中焦油產(chǎn)率同煤的揮發(fā)分產(chǎn)率呈正相關(guān)[1,4]，另一種觀點(diǎn)認(rèn)為單煤種的揮發(fā)分與焦油產(chǎn)率不完全呈正比[3]。本次收集了黃隴侏羅系煤田大佛寺煤礦4 號(hào)煤，煤類為長焰煤（編號(hào)DFS），雙龍煤礦2 號(hào)煤，煤類為弱黏煤（編號(hào)SL）以及陜北三疊系煤田貫屯煤礦5 號(hào)煤，煤類為氣煤（編號(hào)GT）的不同煤類揮發(fā)分與焦油產(chǎn)率數(shù)值，同時(shí)對鉆井樣品依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 212-2008《煤的工業(yè)分析》進(jìn)行測定，揮發(fā)分產(chǎn)率采用干燥無灰基揮發(fā)分（Vdaf），綜合討論不同揮發(fā)分與焦油產(chǎn)率的相關(guān)關(guān)系。通過相關(guān)性可知，揮發(fā)分與焦油產(chǎn)率正相關(guān)，且隨著揮發(fā)分增加相關(guān)性增強(qiáng)（圖5a），針對同一煤層揮發(fā)分與焦油差率也成正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.81（圖5b），反映了陜西煤中揮發(fā)分含量與焦油產(chǎn)率具有正相關(guān)關(guān)系，可使用揮發(fā)分含量估算煤中焦油產(chǎn)率大小。

圖5 揮發(fā)分與焦油產(chǎn)率相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation between volatile content and tar yield

3）元素組成。已有研究表明，煤的元素化學(xué)組成與熱解原油產(chǎn)量之間存在穩(wěn)定的關(guān)系，且單個(gè)顯微組分的石油潛力是隨著H/C 原子比的增加而增加[14]。分別對樣品的C、H、N、O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)DB/T 476-2001 《煤的元素分析方法》進(jìn)行測定，結(jié)果為空氣干燥基質(zhì)量分?jǐn)?shù)。所采鉆井煤心Cad元素含量為75.56%～83.25%、Had元素含量為4.23%～5.33%、Nad元素含量為0.86%～1.16%、Oad元素含量為9.87%～18.68%，H/C 原子比為0.62%～0.78%，O/C 原子比0.09%～0.18%。分別與焦油產(chǎn)率進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果顯示Cad、Oad元素含量與焦油產(chǎn)率相關(guān)性不明顯（圖6a、圖6b），Had、Nad元素含量與焦油產(chǎn)率呈正相關(guān)關(guān)系（圖6c、圖6d），且與H元素含量的相關(guān)系數(shù)大于N 元素。H/C 原子比可反映煤中富氫組分含量，H/C 原子比與焦油產(chǎn)率呈正相關(guān)性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.72（圖6e）。SAXBY 通過H/C 原子比和O/C 原子比建立了相關(guān)圖解，用于判別煤的生油潛力[15]，測試樣品點(diǎn)落在基質(zhì)鏡質(zhì)組成熟基線附近（圖6f），顯示具有一定的生油潛力。

圖6 元素含量與焦油產(chǎn)率相關(guān)關(guān)系Fig.6 Correlation between element content and tar yield

3.2 生油潛力

通過巖石熱解試驗(yàn)生烴潛力（S1+S2）、最大熱解峰溫（Tmax）、氫指數(shù)（HI）、烴指數(shù)（HCI）等參數(shù)反應(yīng)煤的生油潛力。郭春清[12]在前人研究基礎(chǔ)上結(jié)合了顯微組分組成特征及元素組成建立了評價(jià)煤巖生油潛力的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本次對陜北某煤礦煤心樣品依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18602-2012 《巖石熱解分析》進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測定，可溶烴（S1）含量5.03～22.54 mg/g、熱解烴（S2）含量111.61～274.40 mg/g、有機(jī)CO2（S3）含量0.67～2.02 mg/g、殘余碳（S4）含量214.21～421.17 mg/g、最大熱解峰溫為421～434 ℃,計(jì)算的總有機(jī)碳（TOC）含量為31.1%～63.13%、生烴潛力（S1+S2）為116.4～285.8 mg/g、產(chǎn) 率 指 數(shù)（PI）為0.03～0.08、氫指數(shù)為306～478 mg/g、烴指數(shù)為11.30～42.25 mg/g，巖石熱解參數(shù)反應(yīng)的煤巖有機(jī)質(zhì)類型為 IIA型，分別繪制了總有機(jī)碳、生烴潛力、烴指數(shù)、氫指數(shù)與煤中焦油產(chǎn)率的相關(guān)性圖，結(jié)果顯示總有機(jī)碳與煤中焦油產(chǎn)率相關(guān)性不明顯（圖7a），生烴潛力與煤中焦油產(chǎn)率呈正相關(guān)關(guān)系（圖7b），相關(guān)系數(shù)0.59；烴指數(shù)、氫指數(shù)與煤中焦油產(chǎn)率也呈正相關(guān)關(guān)系（圖7c、圖7d），相關(guān)系數(shù)分別為0.69、0.81，總體顯示氫指數(shù)與煤中焦油產(chǎn)率相關(guān)性強(qiáng)，可通過巖石熱解參數(shù)快速反映煤中焦油產(chǎn)率大小。

圖7 熱解參數(shù)與焦油產(chǎn)率相關(guān)關(guān)系Fig.7 Correlation between pyrolysis parameters and tar yield

通?？傆袡C(jī)碳含量和熱解烴含量可反映煤巖生烴潛力[16-18]，本次測試結(jié)果在判別圖版中落入傾向于生油氣區(qū)間（圖8），顯示出煤巖具有較強(qiáng)的生油氣潛力。

圖8 巖石熱解TOC 和S2 關(guān)系Fig.8 Plot of rock-eval TOC versus S2

3.3 熱演化程度

煤中焦油產(chǎn)率大小不僅受制于物質(zhì)組成，更受地質(zhì)歷史熱演化程度的影響。前人的研究結(jié)果顯示，煤中不同顯微生油組分的生油窗溫度具有差異性，部分富氫鏡質(zhì)組的生油高峰Ro為0.5%～0.95%[19]，對應(yīng)的最大熱解峰溫430～445 ℃[20]。本次測試的煤心樣品的最大熱解峰溫為421～434 ℃，最大熱解峰溫和產(chǎn)率指數(shù)（PI）值均較低，在相應(yīng)圖版[21]中落入未成熟區(qū)間（圖9），煤巖成熟度較低，但也具有一定的生油潛力。通過搜集以往煤炭地質(zhì)勘探資料，繪制了煤巖鏡質(zhì)組反射率與焦油產(chǎn)率的相關(guān)關(guān)系圖，結(jié)果顯示隨著鏡質(zhì)組反射率的增加煤中焦油產(chǎn)率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，并且在Ro約0.9%時(shí)焦油產(chǎn)率最大（圖10），這與煤系地層在Ro約0.9%時(shí)液態(tài)生烴曲線達(dá)到最大值相一致[22]。這也是渭北石炭二疊系煤田煤的焦油產(chǎn)率值較低的主要原因。

圖9 巖石熱解和產(chǎn)率指數(shù)關(guān)系Fig.9 Plot of Production Index (PI) versus Tmax

圖10 鏡質(zhì)組反射率和焦油產(chǎn)率關(guān)系Fig.10 Relation between vitrinite reflectance (Ro) and tar yield

3.4 成煤環(huán)境

成煤環(huán)境的研究對預(yù)測煤中微量元素、成烴特征以及探討古氣候具有重要意義。判別成煤環(huán)境的方法較多主要有灰成分端元圖解法[23]、微量元素比值法[24]、同位素示蹤法[25-26]、顯微組分分析法[27]。同時(shí)，認(rèn)為煤的顯微組分中鏡質(zhì)組形成于深覆水還原條件，惰質(zhì)組形成于氧化條件，而殼質(zhì)組的形成則主要取決于成煤植物特征及沼澤水位狀況[28]。本次通過測試煤心樣品的顯微組分判別沉積環(huán)境的判別標(biāo)準(zhǔn)[29]，以此研究成煤過程的水體流動(dòng)性、氧化-還原性及煤相特征，集合煤的焦油產(chǎn)率、氫指數(shù)等參數(shù)，綜合分析煤的生油潛力。結(jié)果顯示，煤中焦油產(chǎn)率高低取決于宏觀煤巖組成、水體流動(dòng)性、氧化-還原性及煤相特征，水體流動(dòng)性為微流動(dòng)、氧化還原性為強(qiáng)還原、淺覆水-微流動(dòng)的泥炭沼澤相條件下煤的焦油產(chǎn)率值越高（圖11），這一結(jié)果對預(yù)測煤中焦油產(chǎn)率具有借鑒意義。

圖11 榆神礦區(qū)某煤礦主采2-2 煤綜合柱狀示意Fig.11 Comprehensive 2-2 coal column diagram of the main mining of a coal mine in Yushen Mining Area

綜上所述，成煤環(huán)境決定了煤的物質(zhì)組成和元素特征，煤化程度和揮發(fā)分產(chǎn)率是影響煤焦油產(chǎn)率的主要因素。已有研究結(jié)果表明，煤的揮發(fā)分主要是煤分子分解和解聚反應(yīng)的產(chǎn)物，其中不穩(wěn)定的脂肪側(cè)鏈、含氧官能團(tuán)以及以脂肪結(jié)構(gòu)為主的小分子化合物在受熱后會(huì)發(fā)生熱分解或熱裂解成為揮發(fā)分[13]。煙煤中隨著變質(zhì)程度的增加煤的揮發(fā)分產(chǎn)率先減少后增加再減少，在氣肥煤和氣煤（Ro約0.9%）階段揮發(fā)分產(chǎn)率最大[30]，焦油產(chǎn)率最大。隨著煤的揮發(fā)分產(chǎn)率減少相應(yīng)的煤熱分解或熱裂解產(chǎn)物減少，表現(xiàn)在煤的焦油產(chǎn)率逐漸減少。陜西省五大煤田中三疊系煤田的煤類以氣煤為主，煤的變質(zhì)程度中等，揮發(fā)分產(chǎn)率最大，焦油產(chǎn)率最大；渭北石炭二疊系煤田煤類以瘦煤、貧瘦煤和貧煤為主，煤的變質(zhì)程度較高，揮發(fā)分產(chǎn)率較低，相應(yīng)的焦油產(chǎn)率較低。此外，煤巖組分中殼質(zhì)組的揮發(fā)分最高，鏡質(zhì)組次之，惰質(zhì)組最低[13]，陜西省煤以鏡質(zhì)組為主，惰質(zhì)組次之，殼質(zhì)組最少，且不同變質(zhì)程度的煤隨著鏡質(zhì)組含量的增加揮發(fā)分總體成增加趨勢[31]，成為鏡質(zhì)組含量和焦油產(chǎn)率呈正相關(guān)的主要原因。

4 結(jié) 論

1）陜西省煤的焦油產(chǎn)率較高，富油煤主要分布在陜北侏羅系煤田，高油煤分布在陜北三疊系煤田，渭北石炭二疊系煤田為含油煤區(qū)。

2）焦油產(chǎn)率與鏡質(zhì)組含量正相關(guān)，與惰質(zhì)組含量負(fù)相關(guān)，與殼質(zhì)組關(guān)系不明顯，鏡質(zhì)組中以基質(zhì)鏡質(zhì)體為主；焦油產(chǎn)率與煤的揮發(fā)分產(chǎn)率正相關(guān)，與煤中H 元素含量和H/C 原子比正相關(guān)。

3）隨著熱演化程度的增加煤的焦油產(chǎn)率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，且在Ro約0.9%時(shí)，達(dá)到最大值；沉積環(huán)境水體微流動(dòng)、強(qiáng)還原、淺覆水微流動(dòng)的泥炭沼澤相的煤焦油產(chǎn)率值越高。