三塘湖-吐哈盆地富油煤賦存特征與資源潛力分析

東 振，張夢(mèng)媛，陳艷鵬，馮 爍，薛俊杰，陳 浩，田繼軍，陳姍姍，趙宇峰，王興剛，焦立新，李 斌

(1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083；2.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830017；3.中國(guó)石油吐哈油田公司 勘探開發(fā)研究院,新疆 哈密 839009)

黨的二十大報(bào)告中明確指出：“立足我國(guó)能源資源稟賦，堅(jiān)持先立后破，有計(jì)劃分步驟實(shí)施碳達(dá)峰行動(dòng)。深入推進(jìn)能源革命，加強(qiáng)煤炭清潔高效利用，加大油氣資源勘探開發(fā)和增儲(chǔ)上產(chǎn)力度”。煤炭清潔高效利用已經(jīng)成為今后一段時(shí)期化石能源清潔轉(zhuǎn)型工作的重點(diǎn)，富油煤作為焦油產(chǎn)率≥7%且集煤、油、氣屬性為一體的特殊煤炭資源[1]，是現(xiàn)階段煤炭清潔利用的重要資源，對(duì)緩解國(guó)家油氣資源緊缺、推動(dòng)煤炭工業(yè)突破性發(fā)展具有重要的科學(xué)價(jià)值和勘探意義。富油煤在隔絕空氣的條件下經(jīng)中低溫?zé)峤猱a(chǎn)生焦油、煤氣與半焦[2-3]，經(jīng)過(guò)提純、加工處理后可以生產(chǎn)甲醇、乙醇、瀝青等化工產(chǎn)品[4]，除地面利用方式外，通過(guò)石油工程技術(shù)構(gòu)建“地下干餾爐”，利用地層作為天然密封容器開展原位熱解，不僅可以有效動(dòng)用800 m 以深的富油煤資源，還可以將地下半焦層作為二氧化碳的優(yōu)質(zhì)存儲(chǔ)空間，通過(guò)“源頭減碳”和“終端埋碳”實(shí)現(xiàn)真正意義的煤炭清潔利用。

20 世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)侏羅紀(jì)煤成油、成烴及干餾等開展過(guò)相關(guān)研究，因地質(zhì)調(diào)查與勘探技術(shù)落后，煤生油這一技術(shù)行業(yè)尚未得到開發(fā)[5]。國(guó)內(nèi)學(xué)者相繼對(duì)陜西、寧夏、山西、新疆等地的富油煤賦存情況與資源潛力展開過(guò)研究：李煥同、徐婷等[6-7]結(jié)合沉積環(huán)境對(duì)富油煤賦存特征及受控地質(zhì)因素展開了相關(guān)論述；李華兵等[8]建立了神府礦區(qū)富油煤資源評(píng)價(jià)體系，劃分了資源富集有利區(qū)并預(yù)估了富油煤儲(chǔ)量；房嬛等[9]認(rèn)為吐哈盆地侏羅系原油大部分來(lái)自盆地中下侏羅統(tǒng)的煤系地層?？傊?，目前針對(duì)區(qū)內(nèi)富油煤的地質(zhì)評(píng)價(jià)工作較少、研究程度較低，為探明三塘湖-吐哈盆地富油煤的賦存規(guī)律，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上探查富油煤的空間分布特征與賦存差異，預(yù)測(cè)富油煤資源量并分析煤炭地下干餾的開發(fā)潛力，以期為三塘湖-吐哈盆地的富油煤資源規(guī)模開發(fā)提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于新疆東部的三塘湖盆地及吐哈盆地，2 個(gè)盆地構(gòu)造綱要如圖1 所示。

圖1 三塘湖-吐哈盆地地質(zhì)構(gòu)造綱要Fig.1 Geological structure map of Santanghu and Turpan-Hami Basins

三塘湖盆地呈NW—SE 向條帶狀?yuàn)A持于天山與阿爾泰山之間，西臨準(zhǔn)噶爾、南臨吐哈盆地，東北與蒙古國(guó)接壤，東西長(zhǎng)500 km，南北寬40～70 km，面積約23 000 km2[10]。主要包括漢水泉凹陷、庫(kù)木蘇凹陷、石頭梅凸起、條湖凹陷、馬朗凹陷、淖毛湖凹陷6 個(gè)賦煤構(gòu)造單元[11]。三塘湖盆地是一個(gè)在前寒武結(jié)晶基底基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的沉積盆地，盆地形成于泥盆紀(jì)—早石炭世，整體為海相沉積[12]。印支—海西運(yùn)動(dòng)使盆地發(fā)生強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，盆地沉積環(huán)境由海相向陸相湖泊沉積轉(zhuǎn)變；隨后水體抬升、湖盆范圍擴(kuò)大，于三工河組時(shí)期形成穩(wěn)定的湖泊三角洲環(huán)境；西山窯組聚煤期分布于湖侵體系末期，可容空間增加速率與泥炭堆積速率保持平衡，有利于厚煤層聚集。同時(shí)該時(shí)期氣候溫暖潮濕，利于植被大量生長(zhǎng)繁殖，在構(gòu)造穩(wěn)定沉降基礎(chǔ)上形成了一套巨厚含煤巖系[13-14]。盆地主要含煤層段為侏羅系中統(tǒng)、下統(tǒng)和三疊系上統(tǒng)，其中下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b)含煤性最佳，全區(qū)發(fā)育，厚度大；侏羅系中統(tǒng)西山窯組次之，局部發(fā)育；三疊系上統(tǒng)郝家溝組含煤性較差，僅在局部發(fā)育。

吐哈盆地為東西走向的大型山間盆地，南北兩側(cè)同塔里木盆地與準(zhǔn)噶爾盆地隔山相望，西起天山，東至哈爾里克山，北靠博格達(dá)山，南臨覺(jué)羅塔格山[15]。盆地東西長(zhǎng)660 km，南北寬60～100 km，總面積達(dá)53 500 km2。吐哈盆地包含吐魯番凹陷與哈密凹陷，沉積地層厚度大，含煤地層主要分布于中—下侏羅統(tǒng)。吐哈盆地侏羅紀(jì)含煤巖系為一套陸源碎屑沉積，包含下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)及中侏羅統(tǒng)下部的西山窯組(J2x)，八道灣組與西山窯組為主要含煤地層。該盆地早、中侏羅世經(jīng)歷了沼澤化—湖化—沼澤化—湖化的過(guò)程，八道灣組期間盆地邊緣斷裂有強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，沉積物多為砂礫巖，沉積范圍較窄，三角洲體系下的沼澤化作用有利于發(fā)育聚煤作用，厚煤層主要發(fā)育在盆地西部坳陷。三工河組時(shí)期為湖泊擴(kuò)張期，該體系下的沉積環(huán)境不利于發(fā)育大規(guī)模聚煤作用。到了西山窯組時(shí)期，大致分為早期泥炭沼澤化沉積與晚期湖泊化沉積2 個(gè)階段，其中早期階段水體較淺且三角洲發(fā)育，廣泛發(fā)育聚煤作用[16-18](圖2)。

圖2 三塘湖-吐哈盆地沉積相Fig.2 Sedimentary facies of Santanghu and Turpan-Hami Basins

2 富油煤賦存特征

2.1 煤質(zhì)特征

揮發(fā)分是評(píng)價(jià)煤質(zhì)的重要指標(biāo)，與煤化程度、發(fā)熱量、焦油產(chǎn)率等參數(shù)存在相關(guān)性，通常煤揮發(fā)分越高，熱解性能越好。筆者采集了三塘湖煤田的漢水泉、庫(kù)木蘇、石頭梅、條湖礦區(qū)，淖毛湖煤田白石湖、英格庫(kù)勒礦區(qū)，巴里坤煤田黑眼泉礦區(qū)及吐哈大南湖礦區(qū)的數(shù)組煤巖樣品進(jìn)行工業(yè)組分及元素分析，同時(shí)收集了吐魯番、托克遜煤田的相關(guān)煤質(zhì)資料統(tǒng)一匯總，結(jié)果見表1。以上10 個(gè)礦區(qū)均發(fā)育豐富的富油煤資源，各區(qū)煤的水分為1.98%～11.48%、灰分為13.74%～21.25%、揮發(fā)分為34.52%～51.11%，總體屬特低-中低水分、低-中低灰分、中高-高揮發(fā)分煤。其中三塘湖盆地的漢水泉、庫(kù)木蘇、石頭梅、條湖以及黑眼泉礦區(qū)煤的水分偏低，多為低水分煤層，淖毛湖煤田的白石湖、英格庫(kù)勒礦區(qū)以及吐哈盆地吐魯番礦區(qū)煤的揮發(fā)分偏高，平均超過(guò)50%。

表1 三塘湖-吐哈盆地研究礦區(qū)煤工業(yè)分析與元素分析測(cè)試結(jié)果Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal in study mining area in Santanghu and Turpan-Hami Basins %

2.2 焦油產(chǎn)率特征

研究區(qū)煤的格金低溫干餾測(cè)試結(jié)果表明(表2)，三塘湖盆地煤焦油產(chǎn)率平均6.14%～14.58%，吐哈盆地煤焦油產(chǎn)率平均7.29%～10.10%。據(jù)《礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊(cè)(2014 修訂版)》焦油產(chǎn)率分級(jí)可知，除石頭梅礦區(qū)外，其余各區(qū)平均煤焦油產(chǎn)率已達(dá)富油煤(焦油產(chǎn)率>7%)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其中三塘湖盆地漢水泉、庫(kù)木蘇、白石湖礦區(qū)煤焦油產(chǎn)率已達(dá)高油煤(焦油產(chǎn)率>12%)評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 三塘湖-吐哈盆地研究礦區(qū)煤低溫干餾測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of Gray-King assay of coal in the study area of Santanghu and Turpan-Hami Basins %

3 富油煤控制因素

3.1 成煤物質(zhì)特征

從成煤物質(zhì)角度而言，煤中高含量的富氫組分是煤具有高焦油產(chǎn)率的重要基礎(chǔ)，較高的鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組及氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)、H/C 原子比均可作為高焦油產(chǎn)率煤的標(biāo)志。金奎勵(lì)和李榮西[19]從烴源巖組分的組合規(guī)律出發(fā)，認(rèn)為烴源巖有機(jī)組分是油氣生成的物質(zhì)來(lái)源和基礎(chǔ)，受形成地質(zhì)環(huán)境影響可分為鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組三大原生組分。其中殼質(zhì)組多形成于乏氧的強(qiáng)還原環(huán)境，如深水湖盆、淺海、三角洲等，烴源巖類型多為碳酸鹽巖、泥質(zhì)巖，少量煤，以生油為主；鏡質(zhì)組、惰性組常形成于弱還原-弱氧化環(huán)境或氧化環(huán)境，烴源巖類型以煤、泥質(zhì)巖為主，少量碳酸鹽巖，其成烴類型以產(chǎn)氣為主，少量生油[19]。圖3 為三塘湖盆地富油煤顯微煤巖圖像，鏡質(zhì)組是三塘湖盆地煤中最主要的顯微組分，以均質(zhì)鏡質(zhì)體為主。惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅次于鏡質(zhì)組，介于10%～30%，以半絲質(zhì)體為主。說(shuō)明由于覆水較淺而暴露在空氣中，氧供給量充足。區(qū)域內(nèi)殼質(zhì)組主要發(fā)現(xiàn)了孢子體和樹脂體，其中孢子體呈蠕蟲狀、扁環(huán)狀，樹脂體呈橢球狀分布?？傮w上三塘湖盆地富油煤以富含鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組的腐植煤為主。盆地聚煤時(shí)期廣泛發(fā)育湖泊-三角洲沉積相，潮濕、厭氧的還原環(huán)境有利于煤中有機(jī)質(zhì)生油。煤中大量的均質(zhì)鏡質(zhì)體是煤中重要的生油組分，絲質(zhì)體、樹脂體、孢子體在三塘湖盆地各煤層中占比不高，但同樣也是重要的影響因素。

圖3 三塘湖盆地富油煤顯微煤巖圖像Fig.3 Micropetrographic image of tar-rich coal in Santanghu Basin

相對(duì)于三塘湖盆地富油煤樣品，吐哈盆地煤中鏡質(zhì)體組分明顯偏低，西山窯組和八道灣組都見有煤中殼質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的分層(表3)，其中西山窯組煤層殼質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%的占45%，個(gè)別樣品殼質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)38%[20]。吐哈盆地已發(fā)現(xiàn)煤成油產(chǎn)出，除了煤中殼質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高的分層以外，另一個(gè)重要因素是煤中廣泛存在多種類型的微殼質(zhì)體和發(fā)棕褐色熒光的基質(zhì)鏡質(zhì)體，基質(zhì)鏡質(zhì)體較均質(zhì)鏡質(zhì)體會(huì)產(chǎn)生大量的液態(tài)烴，總產(chǎn)烴率也略高于均質(zhì)鏡質(zhì)體。圖4 為吐哈盆地西山窯組富油煤層顯微煤巖圖像，吐哈盆地侏羅系煤中比較常見的殼質(zhì)組主要包括細(xì)角質(zhì)體、木栓質(zhì)體、孢子體和分散在基質(zhì)鏡質(zhì)體質(zhì)中的各種微殼質(zhì)體，它們都是煤成液態(tài)烴的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。煤中富含微殼質(zhì)體的熒光基質(zhì)鏡質(zhì)體比較豐富，可能對(duì)煤成油的貢獻(xiàn)也較大。如結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體中的微樹脂體，分布在結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體邊緣的微熒光質(zhì)體、微滲出體、結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體中分布網(wǎng)絡(luò)狀熒光瀝青體，及零星分散于基質(zhì)鏡質(zhì)體質(zhì)中的微殼屑體、微藻屑體等，微殼質(zhì)體質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)10%～20%。

表3 三塘湖-吐哈盆地煤巖顯微組分含量Table 3 Maceral content of coal in Santanghu and Turpan-Hami Basins

圖4 吐哈盆地西山窯組富油煤顯微煤巖圖像Fig.4 Micropetrographic image of tar-rich coal in Xishanyao Formation of Turpan-Hami Basin

總體來(lái)說(shuō)，三塘湖盆地與吐哈盆地樣品煤巖特征均以鏡質(zhì)組為主、惰質(zhì)組次之、殼質(zhì)組最低。2 者區(qū)別在于三塘湖盆地煤中鏡質(zhì)組占比更高，均質(zhì)鏡質(zhì)體是主要的生油組分，其次為殼質(zhì)組中的孢粉體；而吐哈盆地煤中殼質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比高于前者，除孢粉體外發(fā)現(xiàn)的樹脂體、瀝青質(zhì)體也具有較大的生油潛力，同時(shí)鏡質(zhì)組中的基質(zhì)鏡質(zhì)體產(chǎn)烴效果較好。

范氏圖通常用于劃分干酪根特征，進(jìn)而確定成烴母質(zhì)類型，研究成油物質(zhì)來(lái)源[21]?？傮w表現(xiàn)為Ⅰ類有機(jī)質(zhì)元素的H/C 原子比最大，O/C 原子比最小，干酪根類型屬腐泥型，生烴能力強(qiáng)；Ⅲ類有機(jī)質(zhì)元素的H/C 原子比最小，O/C 原子比最大，為腐殖型，生烴能力弱；Ⅱ類有機(jī)質(zhì)居中。結(jié)合研究區(qū)富油煤范氏圖(圖5)可知，三塘湖-吐哈盆地富油煤有機(jī)質(zhì)類型屬III1-III2型，成油組分來(lái)源于盆地濱岸植物以及微生物遺體的漫長(zhǎng)沉積演化而成，在煤的演化過(guò)程中，有機(jī)質(zhì)類型與煤液態(tài)烴產(chǎn)率有密切關(guān)系，是煤成油的主要貢獻(xiàn)者。對(duì)比區(qū)內(nèi)富油煤有機(jī)質(zhì)類型，發(fā)現(xiàn)三塘湖盆地富油煤趨近于III1類，該類型有機(jī)質(zhì)相較于吐哈盆地具有更適合于煤生烴的必要條件。

圖5 富油煤范氏圖Fig.5 Van Krevelen diagram of tar-rich coal

3.2 沉積環(huán)境

煤中微量元素特征可以在一定程度上指示成煤期的氧化還原環(huán)境，尤其是Sr、Ba、Cu、Ni、Co、V、Cr 等元素之間的相關(guān)關(guān)系在古氣候、古鹽度、氧化還原特性等方面應(yīng)用廣泛[22-24]，w(Sr)/w(Ba)、w(V)/w(V+Ni)、w(V)/w(Cr)和w(Ni)/w(Co)等是經(jīng)常使用的表征參數(shù)。其中w(Sr)/w(Ba)可推斷區(qū)內(nèi)古鹽度，2 者比值大于1 則為咸水介質(zhì)，反之為淡水介質(zhì)；w(V)/w(V+Ni)用來(lái)判斷水體分層與氧還情況；w(V)/w(Cr)、w(Ni)/w(Co)也可表征氧還環(huán)境，是反映古地理環(huán)境的重要參數(shù)。通過(guò)對(duì)研究區(qū)富油煤微量元素之間的參數(shù)關(guān)系進(jìn)行分析研究，進(jìn)一步揭示富油煤成煤環(huán)境特性。

由敏感元素指示關(guān)系(圖6)可明顯看出，三塘湖富油煤在8 號(hào)、9 號(hào)、13 號(hào)、14 號(hào)、15 號(hào)、18 號(hào)、19 號(hào)、20 號(hào)煤中w(Ni)/w(Co)為2.5～5.0，說(shuō)明在此階段處于較強(qiáng)的還原環(huán)境，而w(V)/w(V+Ni)介于0.60～0.84，表明這個(gè)時(shí)期處于水體分層弱的還原環(huán)境；在9 號(hào)、13 號(hào)煤層中w(V)/w(V+Ni)高于0.84，表明成煤環(huán)境處于水體分層的厭氧環(huán)境。7 號(hào)、9 號(hào)、17 號(hào)、22 號(hào)煤層w(V)/w(Cr)小于2，故在成煤時(shí)期的沉積環(huán)境為氧化環(huán)境，與w(V)/w(V+Ni)所表征基本對(duì)應(yīng)。整體垂向上呈氧化還原交替變化的古環(huán)境特征，故三塘湖盆地富油煤層在沉積階段主體呈湖侵狀態(tài)，期間伴隨多次小規(guī)模的湖侵湖退。

圖6 三塘湖盆地漢水泉區(qū)富油煤中表征指數(shù)剖面變化曲線[11]Fig.6 Profile change curves of characterization index in tar-rich coal in Hanshuiquan District,Santanghu Basin[11]

w(Fe2O3+CaO+MgO)/w(SiO2+Al2O3)為灰成分指數(shù)K，其數(shù)值可反映成煤期還原性強(qiáng)弱，灰成分指數(shù)K越高則代表還原性越強(qiáng)，越利于煤中有機(jī)質(zhì)生油[25]。由表4 數(shù)據(jù)可知，吐哈盆地3 號(hào)、7 號(hào)、11 號(hào)煤的灰成分指數(shù)K分別為0.55、0.44 與0.40，故隨含煤地層由老至新發(fā)育，區(qū)內(nèi)富油煤灰成分指數(shù)K逐漸增大，成煤期沉積環(huán)境的還原性具有逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。

表4 吐哈盆地主要富油煤層灰成分參數(shù)Table 4 Ash composition parameters of tar-rich coal in Turpan-Hami Basin

結(jié)合成煤期氧化還原環(huán)境，由于成煤植物的凝膠化作用易在溫暖、潮濕、厭氧的環(huán)境下進(jìn)行，而鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常反映凝膠化作用強(qiáng)弱，故可通過(guò)對(duì)比三塘湖、吐哈盆地煤中鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組、鏡惰比(V/I)與焦油產(chǎn)率的參數(shù)，進(jìn)一步印證成煤環(huán)境與煤生油能力的耦合關(guān)系，表5 收集統(tǒng)計(jì)了三塘湖-吐哈盆地主要富油煤層氧化還原環(huán)境、鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)、惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)、鏡惰比(V/I)及焦油產(chǎn)率相關(guān)參數(shù)，對(duì)比可知，富油煤在偏還原環(huán)境條件下更易發(fā)育，表現(xiàn)為鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，煤焦油產(chǎn)率高。由圖7(a)可知，富油煤焦油產(chǎn)率與鏡質(zhì)組大致呈正相關(guān)，與惰質(zhì)組呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表5 三塘湖-吐哈盆地富油煤層沉積環(huán)境及焦油產(chǎn)率參數(shù)表征Table 5 Characterization of sedimentary environment and tar yield of tar-rich coal seams in Santanghu and Turpan-Hami Basins

圖7 三塘湖-吐哈盆地鏡惰比(V/I)、煤化程度與煤焦油產(chǎn)率關(guān)系Fig.7 Relation between V/I,Rmax and tar yield in Santanghu and Turpan-Hami Basin

3.3 煤化程度

煤化程度與不同焦油產(chǎn)率煤的發(fā)育頻率存在一定關(guān)系，姚征等[22]統(tǒng)計(jì)了陜北石炭—二疊紀(jì)富油煤發(fā)育頻率與其對(duì)應(yīng)煤焦油產(chǎn)率之間的關(guān)系，用鏡質(zhì)組反射率表征煤化程度，發(fā)現(xiàn)鏡質(zhì)組反射率(Rmax)從0.5%增長(zhǎng)至1.7%，含油煤發(fā)育頻次逐漸上升，富油煤發(fā)育頻次逐漸下降，Rmax=1.2%后富油煤不發(fā)育。圖7(b)選取了研究區(qū)35 組煤樣，分別統(tǒng)計(jì)鏡質(zhì)組反射率與其對(duì)應(yīng)的煤焦油產(chǎn)率情況，發(fā)現(xiàn)在鏡質(zhì)組反射率Rmax集中在0.6%～0.7%時(shí)煤焦油產(chǎn)率最高，可達(dá)17%，而在Rmax>0.7%后煤焦油產(chǎn)率明顯降低，富油煤發(fā)育頻次下降，表明中-低階變質(zhì)程度是富油煤發(fā)育的重要因素。

綜上所述，三塘湖盆地和吐哈盆地的富油煤特征以及控制因素各有差異(表6)。三塘湖盆地的富油煤形成于湖泊三角洲環(huán)境，煤焦油產(chǎn)率可以達(dá)到高油煤級(jí)別，顯微組分以均質(zhì)鏡質(zhì)體為主要貢獻(xiàn)，成烴母質(zhì)為III1型。相較于吐哈盆地，三塘湖盆地鏡惰比更高，母質(zhì)類型更好，更加具備成烴的有利條件。

表6 三塘湖-吐哈盆地富油煤特征及控制因素對(duì)比Table 6 Comparison of characteristics and control factors of tar-rich coal seams in Santanghu and Turpan-Hami Basins

4 富油煤分布規(guī)律

4.1 垂向分布特征

以漢水泉凹陷為代表的三塘湖盆地(圖8(a))從下侏羅統(tǒng)八道灣組至中侏羅統(tǒng)西山窯組均有煤層發(fā)育，共含煤37 層。其中全區(qū)可采煤層1 層，大部分可采煤層17 層，局部可采煤層5 層。其中富油煤主要發(fā)育在下侏羅統(tǒng)八道灣組上段(J1b2)、下侏羅統(tǒng)三工河組(J1s)以及中侏羅統(tǒng)西山窯組下段(J2x1)3 個(gè)層位。盆地聚煤時(shí)期經(jīng)歷了由早期海相向陸相湖泊沉積，再到中期西山窯組穩(wěn)定的湖泊三角洲沉積，至聚煤末期八道灣組的河流相沉積，氣候溫暖潮濕，強(qiáng)還原環(huán)境促使成煤植物凝膠化作用的進(jìn)行，所以有利于煤炭的聚集和生烴組分的充分發(fā)育。

以大南湖凹陷為代表的吐哈盆地(圖8(b))中段(J2x2)含1～29 號(hào)煤層，下段(J2x1)含煤性差，以含煤層數(shù)少或不含煤為特征，不具工業(yè)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，上段(J2x3)含煤0～2 層，煤層總厚0～2.68 m，煤層極不穩(wěn)定，大部分不可采。富油煤主要發(fā)育在中侏羅統(tǒng)西山窯組中段(J2x2)，該段底部有一層厚20～30 m 的粗砂巖，全層段厚488 m，含1～29 煤層，層位基本穩(wěn)定。吐哈盆地早、中侏羅世經(jīng)歷了沼澤化—湖化—沼澤化—湖化的過(guò)程，八道灣組期間盆地邊緣斷裂的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及三角洲體系下的沼澤化作用有利于聚煤，以湖泊體系為主的沉積環(huán)境可形成暗色泥巖，可構(gòu)成有利的烴源巖類型，是區(qū)內(nèi)富油煤廣泛分布的主要原因。

表7 統(tǒng)計(jì)了三塘湖盆地漢水泉凹陷各富油煤層的時(shí)代、煤層總厚度、可采厚度、煤層穩(wěn)定性以及平均焦油產(chǎn)率5 項(xiàng)參數(shù)。全層段富油煤層累計(jì)平均厚度達(dá)93.66 m，可采厚度達(dá)79.96 m，全區(qū)煤層焦油產(chǎn)率為1.40%～26.80%，焦油產(chǎn)率平均值為13.67%，研究區(qū)內(nèi)總體為高油煤，富油煤全區(qū)發(fā)育，煤層穩(wěn)定性多為較穩(wěn)定，其中7 號(hào)、14 號(hào)、37 號(hào)煤為不穩(wěn)定煤層。9-1 號(hào)與32 號(hào)煤平均可采厚度超過(guò)5 m，且可采率較高，富油煤資源富較豐富，具有良好的開采價(jià)值。

表7 三塘湖盆地富油煤層分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)Table 7 Statistics of distribution law of tar-rich coal seams in Santanghu Basin

表8 為吐哈盆地大南湖凹陷區(qū)富油煤層的垂向分布情況，全區(qū)富油煤層均發(fā)育在中侏羅統(tǒng)西山窯組中段且全為不穩(wěn)定煤層，全層段富油煤層累計(jì)平均厚度達(dá)41.57 m，可采厚度達(dá)34.24 m，總體焦油產(chǎn)率在2.5%～11.5%，平均為7.6%，研究區(qū)內(nèi)總體為含-富油煤，僅3 號(hào)、7 號(hào)、9 號(hào)、10 號(hào)、15～16 號(hào)、20～22 號(hào)為富油煤層。

表8 吐哈盆地富油煤層分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)Table 8 Statistics of distribution law of tar-rich coal seams in Turpan-Hami Basin

4.2 平面分布特征

收集新疆東部三塘湖與吐哈盆地各煤礦區(qū)煤層總厚度、煤平均焦油產(chǎn)率數(shù)據(jù)，結(jié)合沉積環(huán)境及聚煤規(guī)律，探明富油煤平面分布特征(圖9)，圖中橙色與紅色區(qū)域分別劃分了盆地內(nèi)富油煤(7% <焦油產(chǎn)率(ytar,ad)≤ 12%)與高油煤(ytar,ad>12%)的資源分布情況。如圖9 所示，富油煤主要集中在三塘湖盆地，其中有兩大富油煤富集區(qū)：①三塘湖盆地漢水泉—庫(kù)木蘇凹陷一帶；②淖毛湖凹陷白石湖—英格庫(kù)勒次凹陷一帶。且沿盆地邊緣富油煤焦油產(chǎn)率偏高，以庫(kù)木蘇凹陷西北緣、漢水泉凹陷東部、白石湖與英格庫(kù)勒次凹陷東緣為代表，高油煤十分富集。盆地西山窯組低位時(shí)期湖盆廣泛發(fā)育，整體處于穩(wěn)定的湖泊三角洲環(huán)境，湖盆沉積中心位于盆地西北部，故西北部的庫(kù)木蘇、漢水泉一帶物源較為充足；湖侵時(shí)期沉積中心向東南遷移，使庫(kù)木蘇及漢水泉北部辮狀河三角洲連成一片，濱湖相面積逐漸增加，石頭梅礦區(qū)辮狀河三角洲前緣相面積減小，其東南部發(fā)育深湖-半深湖相沉積，條湖礦區(qū)成為此時(shí)新的沉積中心，并向淖毛湖一帶發(fā)育。三塘湖盆地整體由發(fā)育辮狀河沉積、三角洲前緣-前三角洲沉積到扇三角洲、濱淺湖、曲流河沉積轉(zhuǎn)變，聚煤期間整體屬?gòu)?qiáng)還原環(huán)境，煤中的無(wú)結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體有利于生成大量液態(tài)烴，是煤成油的關(guān)鍵因素。

圖9 三塘湖-吐哈盆地富油煤資源平面分布Fig.9 Plan distribution of tar-rich coal resources in Santanghu and Turpan-Hami Basins

吐哈盆地煤層厚度大，埋深最深可達(dá)2 000 m 以上，煤炭資源豐富，但煤焦油產(chǎn)率普遍偏低，大多以含油煤(ytar,ad≤7%)為主，故富油煤資源并不全區(qū)富集，僅在哈密大南湖南部、托克遜、吐魯番等地區(qū)零星分布。其中大南湖凹陷中侏羅世處于溫暖潮濕的氣候條件，成煤植物繁茂生長(zhǎng)，聚煤作用受到構(gòu)造沉降與物源供給的綜合影響，富油煤在扇緣、泛濫平原、三角洲間灣及濱湖環(huán)境中廣泛發(fā)育。自東北向西南依次發(fā)育沖積扇、河流沖積平原、三角洲與湖泊沉積體系。經(jīng)吐哈盆地各類煤樣的格金低溫干餾測(cè)試結(jié)果表明，部分樣品具有較高的煤焦油產(chǎn)率，由于吐哈盆地煤中殼質(zhì)組含量高，生烴能力強(qiáng)，同時(shí)一些顯微亞組分對(duì)煤的生烴能力影響顯著，如角質(zhì)體、孢子體、木栓質(zhì)體、瀝青體等，且具有多孔隙的空間骨架結(jié)構(gòu)，利于烴類物質(zhì)的儲(chǔ)集。

5 富油煤資源潛力分析

5.1 儲(chǔ)量估算方法

估算三塘湖-吐哈盆地富油煤資源，其目的是服務(wù)于社會(huì)工業(yè)生產(chǎn)中能源消耗與富油煤工業(yè)產(chǎn)品的提質(zhì)利用等方面?？紤]現(xiàn)階段開發(fā)現(xiàn)狀等因素，本次研究區(qū)內(nèi)資源量在劃定范圍內(nèi)估算各可采煤層資源量，淺部從煤層露頭起，深部最大2 000 m。估算范圍包括三塘湖盆地的漢水泉凹陷、庫(kù)木蘇凹陷、石頭梅凸起、條湖凹陷、黑眼泉凹陷、白石湖與英格庫(kù)勒次凹陷，吐哈盆地的大南湖凹陷、吐魯番凹陷與托克遜凹陷。

富油煤儲(chǔ)量估算方法采用地質(zhì)塊段法，原理是將塊段平均傾角與其投影面積計(jì)算得出真面積，采用真面積和礦體平均真厚度估算礦體體積，并與體重相乘而得出礦石資源量。礦體傾角低于45°時(shí)采用水平投影法；當(dāng)?shù)V體傾角大于45°則采用垂直縱投影法[26]。計(jì)算公式為

式中，Q為塊段礦石資源/儲(chǔ)量，t；S′為塊段投影面積，m2；β為塊段礦體平均傾角，(°)；M為塊段礦體平均真厚度，m；d為礦石平均密度，t/m3。

5.2 富油煤資源量預(yù)測(cè)

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、收集統(tǒng)計(jì)各礦區(qū)2 000 m 以淺的鉆孔資料，結(jié)合全區(qū)煤層總厚度分布與焦油產(chǎn)率分布情況，采用地質(zhì)塊段法估算各區(qū)富油煤資源總體積與質(zhì)量。在計(jì)算富油煤資源量的過(guò)程中，應(yīng)注意首先將煤層總厚與煤平均焦油產(chǎn)率在平面上的疊合得出富油煤總體積，再估算總儲(chǔ)量，若先計(jì)算整體的煤炭資源量再乘以各區(qū)的焦油產(chǎn)率系數(shù)，則會(huì)忽視平面分布中煤層厚度與焦油產(chǎn)率的加權(quán)關(guān)系，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)誤差。

表9 為三塘湖與吐哈兩大盆地各煤田、礦區(qū)富油煤預(yù)測(cè)資源量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。其中三塘湖盆地2 000 m 以淺的富油煤資源量約670.83 億t，由于三塘湖盆地八道灣組與西山窯組含煤地層埋藏多為800～1 500 m，2 000 m 以深煤層占比較少，估算資源量基本與盆地富油煤總資源量大致吻合。吐哈盆地2 000 m 以淺的富油煤資源量約417.55 億t，而吐哈盆地含煤地層埋深會(huì)出現(xiàn)大于2 000 m 的情況，因此盆地總富油煤資源量會(huì)高于這個(gè)數(shù)值。

表9 新疆東部各盆地富油煤儲(chǔ)量估算Table 9 Estimation of tar-rich coal reserves in eastern Xinjiang basins

6 富油煤開發(fā)前景展望

開發(fā)富油煤時(shí)既要最大化程度獲取油氣資源，同時(shí)必須滿足綠色低碳的發(fā)展要求。研究區(qū)富油煤主要發(fā)育在下侏羅統(tǒng)和中侏羅統(tǒng)，主力富油煤層的埋深普遍超過(guò)800 m，采煤后運(yùn)至地面干餾的傳統(tǒng)開發(fā)方式面臨經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)，必須探索富油煤原位干餾開發(fā)的新技術(shù)。如圖10 所示，煤炭地下干餾是指通過(guò)石油工程技術(shù)在地下煤層建立熱量導(dǎo)入和產(chǎn)品產(chǎn)出通道，通過(guò)人工加熱方式使煤原位發(fā)生干餾反應(yīng)，熱解產(chǎn)物包括焦油、煤氣(CH4、H2、輕烴C2+等)、水等，煤中的碳元素主要以半焦形式留在地下，產(chǎn)生的二氧化碳可為三塘湖-吐哈盆地的油田提供氣驅(qū)氣源，剩余的二氧化碳可以利用半焦層原位埋存，煤炭地下干餾通過(guò)“取氫留碳”[1]實(shí)現(xiàn)煤炭資源清潔轉(zhuǎn)化。

圖10 煤炭地下干餾示意Fig.10 Schematic diagram of underground coal pyrolysis

煤炭地下干餾以焦油、煤氣作為主要產(chǎn)物，開發(fā)過(guò)程包括地質(zhì)選址、井型井網(wǎng)設(shè)計(jì)、工程建井、煤層改造、監(jiān)測(cè)控制、油氣開采等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。水平井在增大煤層加熱范圍方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，是主要的開發(fā)井型，井下高功率加熱電纜、高溫氣體對(duì)流等多種方式都能用以加熱富油煤層，井下高功率加熱電纜是目前相對(duì)成熟的加熱技術(shù)(圖10)，美國(guó)殼牌公司研發(fā)的加熱電纜溫度上限可以達(dá)到650 ℃，加熱過(guò)程中消耗的電能可以由風(fēng)光發(fā)電生產(chǎn)的清潔電力供給，綠電通過(guò)電解水生產(chǎn)的綠氫能夠用于焦油加氫精制，獲得更加優(yōu)質(zhì)清潔的燃料油，煤氣經(jīng)過(guò)凈化提純后可作為清潔燃料燃?xì)饣蛘呋ぴ蠚?圖10)，實(shí)現(xiàn)新能源與化石能源的融合發(fā)展。

筆者開展了白石湖、大南湖礦區(qū)富油煤樣品的熱解提質(zhì)實(shí)驗(yàn)，從表10、11 的結(jié)果看出，研究區(qū)熱解焦油組分主要由飽和分、芳香分、膠質(zhì)組成；煤氣中甲烷、氫氣是主要的產(chǎn)物，2 者體積占比達(dá)到64.8%～71.3%，二氧化碳體積占比僅為1.8%～2.6%。三塘湖-吐哈盆地富油煤總資源量為1 088.38 億t，假設(shè)80%的富油煤實(shí)現(xiàn)煤炭地下干餾開發(fā)，平均焦油產(chǎn)率為10%，平均噸煤產(chǎn)氣為150 m3，其中甲烷占比30%、H2占比35%，匡算研究區(qū)可生產(chǎn)焦油87.07 億t，煤氣13.06 萬(wàn)億m3，其中包括甲烷3.92 萬(wàn)億m3、氫氣4.57萬(wàn)億m3。目前中石油正在自主攻關(guān)研發(fā)井下高功率加熱電纜，一旦煤炭地下干餾技術(shù)成熟推廣后，三塘湖-吐哈盆地的富油煤資源開發(fā)潛力巨大。

表10 三塘湖-吐哈盆地富油煤熱解焦油組分含量Table 10 Tar component content of tar-rich coal pyrolysis in Santanghu and Turpan-Hami Basins

表11 三塘湖-吐哈盆地富油煤熱解氣體組分體積分?jǐn)?shù)Table 11 Content of pyrolysis gas components of tar-rich coal in Santanghu and Turpan-Hami Basins

7 結(jié)論

(1)三塘湖盆地富油煤層分布于下侏羅統(tǒng)八道灣組上段(J1b2)、下侏羅統(tǒng)三工河組(J1s)以及中侏羅統(tǒng)西山窯組下段(J2x1)3 個(gè)層位，盆地主要發(fā)育湖泊相和河流相沉積體系；吐哈盆地富油煤發(fā)育在中侏羅統(tǒng)西山窯組中段(J2x2)，發(fā)育湖泊相和沼澤相沉積體系。成煤期的溫暖潮濕的氣候條件、鹽類、沼澤水體為富油煤的發(fā)育提供了物質(zhì)來(lái)源和發(fā)育條件。

(2)研究區(qū)總體煤質(zhì)屬特低-中低水分、低-中低灰分、中高-高揮發(fā)分煤，平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)72.86%～83.93%，焦油產(chǎn)率平均6.14%～14.58%。三塘湖盆地富油煤以富含鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組的腐植煤為主，成煤期整體處于較強(qiáng)的還原環(huán)境，煤中大量的均質(zhì)鏡質(zhì)體是煤中重要的生油組分。吐哈盆地煤中殼質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，同時(shí)煤巖組分中的微殼質(zhì)體與基質(zhì)鏡質(zhì)體都是煤成液態(tài)烴的重要物源，中-低階變質(zhì)程度更利于富油煤發(fā)育。

(3)三塘湖盆地富油煤層累計(jì)平均厚度達(dá)93.66 m，可采厚度達(dá)79.96 m，焦油產(chǎn)率平均值為13.67%，總體屬高油煤，主要富集在漢水泉—庫(kù)木蘇凹陷以及淖毛湖凹陷白石湖—英格庫(kù)勒次凹陷兩大區(qū)域；吐哈盆地油煤層累計(jì)平均厚度達(dá)41.57 m，可采厚度達(dá)34.24 m，焦油產(chǎn)率平均為7.6%，研究區(qū)內(nèi)總體為含富油煤，富油煤在哈密大南湖南部、托克遜、吐魯番等地區(qū)零星分布。

(4)三塘湖-吐哈盆地富油煤資源潛力較好，估算三塘湖盆地2 000 m 以淺的富油煤資源量約670.83億t，吐哈盆地2 000 m 以淺的富油煤資源量約417.55 億t，可作為新疆東部富油煤資源的重點(diǎn)勘探區(qū)，煤炭地下干餾有望成為富油煤低碳綠色開發(fā)的技術(shù)方向。