富油煤研究進(jìn)展與趨勢

王雙明，鮑 園,*，郝永輝，王生全，師慶民，李 丹，胡宜亮

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安科技大學(xué) 煤炭綠色開采地質(zhì)研究院，陜西 西安 710054)

自中國于2020 年提出“2030 年前碳達(dá)峰、2060 年前碳中和”的目標(biāo)以來，不同領(lǐng)域?qū)＜液蛯W(xué)者紛紛從各自的技術(shù)領(lǐng)域推動(dòng)了我國低碳技術(shù)的大力發(fā)展。由于我國的能源稟賦具有典型的“相對(duì)富煤、缺油、少氣”特征，決定了煤炭資源作為我國主體能源的地位在短期內(nèi)不會(huì)改變，繼續(xù)扮演著能源穩(wěn)定器和壓艙石的角色[1-3]。隨著石油和天然氣在我國能源結(jié)構(gòu)中的消費(fèi)占比不斷升高，導(dǎo)致大量的油氣資源需要依賴進(jìn)口，截止到2022 年底，石油和天然氣對(duì)外依存度分別為71.5%和41.2%，我國的能源安全面臨巨大壓力[4]。富油煤具有油、氣資源屬性，是非常規(guī)油氣資源的重要補(bǔ)充[5-9]。富油性即為富油煤通過中低溫(500～700℃)熱解產(chǎn)出油氣的能力[10]。因此，富油煤又被稱為煤基油氣資源，已引起國內(nèi)學(xué)者的高度關(guān)注。我國新疆、寧夏、甘肅、內(nèi)蒙古、陜西5 個(gè)省份(自治區(qū))蘊(yùn)含富油煤資源總量約5 000 億t，是立足國內(nèi)增加油氣供給的戰(zhàn)略性資源[7]，開發(fā)富油煤實(shí)現(xiàn)煤炭資源向油氣資源的轉(zhuǎn)變，不僅有助于緩解油氣對(duì)外依存度，保障能源安全，還可實(shí)現(xiàn)高碳資源低碳化發(fā)展。

按照《礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊(2014 年修訂版)》中焦油產(chǎn)率分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(低溫干餾焦油產(chǎn)率)，將煤分為含油煤(Tar,d≤7%)、富油煤(7%

雖然近年來國內(nèi)有關(guān)富油煤的研究如火如荼，研究方向涉及沉積環(huán)境判識(shí)、煤層物性表征、原位開發(fā)地質(zhì)保障等技術(shù)，但對(duì)于富油煤的研究歷程、熱點(diǎn)方向和發(fā)展趨勢缺乏系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)和分析?；诖?，筆者通過統(tǒng)計(jì)CNKI 和Web of Science 數(shù)據(jù)庫上公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和CNKI 上公開專利，分別從第一作者所屬單位、研究內(nèi)容等方面進(jìn)行了分析與總結(jié)，重點(diǎn)探討富油煤的熱點(diǎn)研究內(nèi)容與前沿領(lǐng)域，并對(duì)未來發(fā)展前景進(jìn)行展望。研究成果為全面認(rèn)識(shí)富油煤研究動(dòng)態(tài)及其低碳開發(fā)和高效利用提供了參考依據(jù)。

1 富油煤的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國外對(duì)富油煤的認(rèn)識(shí)較早，1850 年在蘇格蘭的托班山附近發(fā)現(xiàn)了一種煤，稱為“托班煤(Torbanite)”，這種煤富含生油組分，人們成功從中提煉出稱作“石蠟油”的產(chǎn)物，即煤油。煤造石油成為20 世紀(jì)初歐美國家的主要工業(yè)發(fā)展方向[16]。南澳大利亞政府于1903 年對(duì)彈性藻瀝青(藻煤的泥炭階段)進(jìn)行了蒸餾實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在蒸餾時(shí)能產(chǎn)生70%左右的油、氣及一些焦油狀的物質(zhì)和非常少的固體殘余物[17]。1991 年，J.L.Clayton 等[18]發(fā)現(xiàn)美國科羅拉多州西南部圣胡安盆地煤層具有顯著的液態(tài)生烴潛力，認(rèn)為煤炭在適度加熱條件下具有產(chǎn)生和排出石油的潛力，提出煤是一種特殊的石油資源。

國內(nèi)對(duì)富油煤的研究相對(duì)較晚，可追溯至1933 年，謝家榮研究江西樂平地區(qū)晚二疊世樹皮殘殖煤時(shí)發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的煤樣具有高揮發(fā)分、低水分、高有機(jī)硫、高熔融性、高溶脹性和高焦油產(chǎn)率等特點(diǎn)，并建議將此煤命名為“樂平煤(Loping coal)”，隨后引起了國內(nèi)眾多學(xué)者的廣泛研究，研究內(nèi)容主要集中在煤巖特征[19-22]、成因與沉積環(huán)境[23-24]、地球化學(xué)特征[25-27]、生烴性[19,28-30]、成煤母質(zhì)[31-32]、生油機(jī)理[33]等方面，相關(guān)研究為富油煤的油屬性認(rèn)識(shí)提供了重要的理論借鑒。但對(duì)其命名一直沒有統(tǒng)一，有“生油煤”[34-35]、“樹皮煤”[19,36]、“殘殖煤”[33]、“藻燭煤”[29,37]和“泥炭蘚煤”[31,38]等術(shù)語。近年來，筆者團(tuán)隊(duì)圍繞西部富油煤資源分布及其屬性，提出了“富油煤就是煤基油氣資源”的學(xué)術(shù)思想[8]，明確了富油煤的油氣資源屬性。

2 文獻(xiàn)計(jì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果與分析

基于CNKI 和Web of Science 兩大數(shù)據(jù)庫中97 篇學(xué)術(shù)論文(表1)，分別從第一作者所屬單位、發(fā)文時(shí)間、研究內(nèi)容等方面進(jìn)行了分析與總結(jié)。首先，根據(jù)富油煤研究發(fā)文數(shù)量統(tǒng)計(jì)，發(fā)文數(shù)量少于3 篇的歸屬于其他，通過降序排序，對(duì)第一作者所屬單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)西安科技大學(xué)和西安交通大學(xué)在富油煤方面發(fā)文數(shù)量最多，共45 篇，占比約46%；其次為陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司、陜西省地質(zhì)調(diào)查院、中國礦業(yè)大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)(北京)和新疆大學(xué)等高校和科研院所(圖1)，這可能與這些單位的研究特色以及富油煤資源地理分布密切相關(guān)。

圖1 第一作者所屬單位的發(fā)文數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.1 Statistics of research papers organized based on the first author affiliation

表1 基于CNKI 和Web of Science 數(shù)據(jù)庫的富油煤文獻(xiàn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistics of literature on tar-rich coals derived from CNKI and Web of Science databases

其次，基于文章發(fā)表的年份(統(tǒng)計(jì)日期截止到2023 年12 月31 日)統(tǒng)計(jì)分析可知，2020 年之前發(fā)文數(shù)量較少，從2020 年到2023 年，有關(guān)富油煤研究的文章呈現(xiàn)連年遞增的趨勢，其中2020-2021 年增長的幅度最大，達(dá)到275%，富油煤的研究得到了眾多學(xué)者的重視，得益于2019 年11 月29 日發(fā)布的“陜西省富油煤開發(fā)潛力評(píng)價(jià)”項(xiàng)目研究成果[39]和2020 年5 月28 日“西部富油煤開發(fā)戰(zhàn)略研究”啟動(dòng)會(huì)的成功召開[40]。

再次，按照富油煤研究方向統(tǒng)計(jì)，本文將已公開發(fā)表的有關(guān)富油煤的文章大致分為9 個(gè)方向，分別為：原位熱解、賦存特征及沉積環(huán)境、孔隙和分子結(jié)構(gòu)、熱解、焦油產(chǎn)率預(yù)測、微生物降解、資源潛力及開發(fā)利用、賦存特征及影響因素和其他(圖2)。有關(guān)熱解的文章發(fā)表數(shù)量最多(32 篇)，特別是原位熱解方向(22 篇)，是近幾年來富油煤研究的熱點(diǎn)內(nèi)容；其次是賦存特征及沉積環(huán)境(17 篇)、富油煤的孔隙和分子結(jié)構(gòu)研究(14 篇)以及焦油產(chǎn)率預(yù)測(8 篇)等內(nèi)容，受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注；富油煤微生物降解、資源潛力及開發(fā)利用等內(nèi)容是近幾年來研究的新方向，為富油煤的低碳開發(fā)和清潔利用奠定了基礎(chǔ)；賦存特征及影響因素以及其他方向類型的文章較少。

圖2 不同研究方向的發(fā)文數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.2 Statistics of research papers organized based on different research interests

基于授權(quán)公開的中國專利統(tǒng)計(jì)分析可知，自2009 年6 月(首項(xiàng)專利公開)至2023 年12 月31 日，有關(guān)富油煤方面的專利成果達(dá)60 項(xiàng)，其中實(shí)用新型專利8 項(xiàng)，發(fā)明專利52 項(xiàng)，且已授權(quán)的發(fā)明專利為24 項(xiàng)。按公開時(shí)間統(tǒng)計(jì)，90%的專利成果集中在2020 年以后，與富油煤文章發(fā)表的趨勢基本一致；在研究內(nèi)容方面，專利多以富油煤的熱解(58.33%)為主，其中原位熱解占比較大(48.33%)，其次是富油煤的高效利用(18.33%)和原位開采(8.33%)，與文章相比，專利的成果多傾向于實(shí)際利用；申請(qǐng)人單位以西安科技大學(xué)、西安交通大學(xué)和陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司為主，占比分別為30%、25%和20%。

3 富油煤研究熱點(diǎn)內(nèi)容

結(jié)合圖2 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，有關(guān)富油煤的研究熱點(diǎn)主要聚焦在熱解、賦存特征及沉積環(huán)境、孔隙和分子結(jié)構(gòu)、焦油產(chǎn)率預(yù)測、微生物降解、資源潛力及開發(fā)利用等方面。

3.1 富油煤熱解

富油煤含有大量熱解可生成油氣的富氫結(jié)構(gòu)，如脂肪結(jié)構(gòu)的側(cè)鏈與橋鍵及縮合芳香核周緣的弱鍵結(jié)構(gòu)[8,41]，經(jīng)過中低溫?zé)峤庵饕a(chǎn)生3 種產(chǎn)物：煤焦油、煤氣與半焦(蘭炭)[7]。在新經(jīng)濟(jì)常態(tài)下，這3 種產(chǎn)品均可作為下游生產(chǎn)鏈的原材料，也可作為清潔燃料使用。富油煤作為一種公認(rèn)的特殊煤炭資源，目前適用于其資源開發(fā)的熱解技術(shù)主要有地面和原位熱解兩大類。地面熱解是指通過干餾爐熱解干餾的方式提取煤中的油氣資源。其中，陜西延長石油集團(tuán)針對(duì)富油煤熱解時(shí)焦油產(chǎn)率較低、焦油與煤粉塵難分離等實(shí)際問題，自主研發(fā)了萬噸級(jí)粉煤熱解-半焦氣化分級(jí)轉(zhuǎn)化一體化技術(shù)，焦油與煤氣分離效果顯著[8]。中國科學(xué)院提出煤梯級(jí)分質(zhì)利用的整體思路，即對(duì)富油煤進(jìn)行高效熱解，最大化提取煤中油氣資源，殘余的半焦用于發(fā)電或者氣化加工作為液體燃料[42]。盡管地面熱解工藝技術(shù)發(fā)展已較為成熟，但仍存在較大的局限性，如碳排放量大、灰渣污染嚴(yán)重等[42]。鑒于此，相關(guān)學(xué)者探索富油煤原位熱解開發(fā)技術(shù)，富油煤地下原位熱解技術(shù)是指將一定的熱量通過注熱井傳導(dǎo)至煤層進(jìn)行加熱，使得煤有機(jī)質(zhì)發(fā)生裂解由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)和氣態(tài)(油氣資源)，通過采油工藝開采將油氣資源輸送至地面進(jìn)行加工利用[43](圖3)。采用地下原位熱解“取氫固碳”是富油煤資源綠色高效開發(fā)的主要趨勢，由于熱解后碳骨架的支撐作用，不會(huì)造成明顯的上覆巖層變形、地下水污染等問題，具有較大的發(fā)展?jié)摿?。此前，我國在松遼盆地開展了油頁巖的先導(dǎo)試驗(yàn)工程，成功產(chǎn)油，驗(yàn)證了技術(shù)的可行性[44]。筆者團(tuán)隊(duì)與陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司合作，在陜北侏羅紀(jì)煤田開展了富油煤地下原位熱解開采先導(dǎo)性試驗(yàn)并取得突破，打通了富油煤地下原位熱解開采工藝流程，成功提取了全球第一桶原位熱解煤焦油，實(shí)現(xiàn)了富油煤原位熱解采油“從0 到1”的實(shí)質(zhì)性突破。M.Nguyen 等[45]以德國中部的富油煤為原料，發(fā)現(xiàn)焦油產(chǎn)率隨著熱解溫度的增加先增大后減小，熱解的最佳溫度為600℃，此時(shí)焦油產(chǎn)率達(dá)到最大；陳美靜等[46]優(yōu)化了半焦層冷卻初始狀態(tài)各參數(shù)，對(duì)認(rèn)識(shí)富油煤原位熱注入開采冷卻過程中的溫度變化規(guī)律提供了理論依據(jù)；筆者團(tuán)隊(duì)[8,47]提出了地面熱解綜合開發(fā)技術(shù)、地下熱解技術(shù)及鉆孔熱解技術(shù)3 條技術(shù)構(gòu)想，為富油煤的清潔利用開發(fā)提供了科學(xué)參考。目前對(duì)富油煤的原位熱解仍多處于理論階段。因煤熱解所需的熱量由顆粒外表面?zhèn)鬟f到內(nèi)部，而熱分解產(chǎn)生的揮發(fā)分由顆粒內(nèi)部擴(kuò)散到顆粒外表面，故顆粒的大小勢必將影響這一傳熱和傳質(zhì)過程。同時(shí)富油煤本身的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于其他巖石，原位熱解富油煤時(shí)如何選擇更高效的加熱技術(shù)、提供更大的熱量、采用更均衡的傳熱方式仍需進(jìn)一步研究。

圖3 富油煤鉆孔式熱解工程設(shè)計(jì) (根據(jù)文獻(xiàn)[8,43]，修改)Fig.3 Diagram showing drilling-based pyrolysis engineering for tar-rich coals (modified after references [8] and [43])

3.2 富油煤的賦存特征及沉積環(huán)境

富油煤的賦存特征是指煤層及煤中顯微組分、主量元素、微量元素、灰分、水分、揮發(fā)分、焦油產(chǎn)率等參數(shù)在時(shí)空上分布規(guī)律及其變化特征[48-50]。前人主要集中于利用上述參數(shù)重塑富油煤古沉積環(huán)境，預(yù)測富油煤的分布特征研究，并普遍認(rèn)為富油煤多分布在陸相沉積物供應(yīng)穩(wěn)定、氣候溫暖濕潤、低鹽度且還原強(qiáng)的沉積環(huán)境之中，表現(xiàn)為高H/C 原子比、低灰分、高揮發(fā)分的特點(diǎn)[51]。溫度和濕度適宜的濱淺湖還原環(huán)境是富油煤的富集典型有利區(qū)[49-50]，其中在橫向上，由辮狀河三角洲前緣到濱淺湖，煤焦油產(chǎn)率呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢；在垂向上，隨著覆水深度的增加，還原性隨之逐漸增強(qiáng)，焦油產(chǎn)率也逐漸增高的趨勢。還原條件是煤中有機(jī)質(zhì)保存及其成油的主要條件，而還原度高、鹽度低的沉積環(huán)境則有利于煤焦油產(chǎn)率的提高[52]。這是由于還原條件下凝膠化作用產(chǎn)物-鏡質(zhì)組是大多數(shù)煤熱解產(chǎn)油的主要組分[53]，其中富氫鏡質(zhì)體具有更高的生油能力[34]。根據(jù)沉積環(huán)境初步預(yù)測富油煤的分布，發(fā)現(xiàn)其在時(shí)空分布上具有明顯的非均勻分布特點(diǎn)，不同成煤時(shí)代的煤焦油產(chǎn)率存在很大差異，如陜北石炭-二疊系煤焦油產(chǎn)率普遍低于11%，均值為9%左右，而陜北三疊系煤田主采的5 號(hào)煤層焦油產(chǎn)率達(dá)到12.55%，3 號(hào)煤層更高，達(dá)到13.7%[48,54]；即使成煤時(shí)代相同，不同地區(qū)煤層的焦油產(chǎn)率也存在差異，例如新疆三塘湖盆地侏羅系富油煤焦油產(chǎn)率均值高達(dá)14.48%[49]，而鄂爾多斯盆地侏羅系富油煤焦油產(chǎn)率多介于7%～13%。由于沉積環(huán)境差異，鄂爾多斯盆內(nèi)不同區(qū)域煤的焦油產(chǎn)率也存在明顯差異，由北向南呈現(xiàn)減小的趨勢，如陜北侏羅紀(jì)煤田焦油產(chǎn)率均值為10.75%，黃隴侏羅紀(jì)煤田焦油產(chǎn)率均值為8.16%[51]。沉積環(huán)境的差異最終導(dǎo)致了富油煤的富油性在空間上的顯著變化，進(jìn)而增加了富油煤資源分布可靠性評(píng)價(jià)難度。

3.3 富油煤的孔隙和分子結(jié)構(gòu)

富油煤孔隙和分子結(jié)構(gòu)特征是研究富油煤開發(fā)利用的基礎(chǔ)。富油煤內(nèi)部多孔且復(fù)雜，其孔隙結(jié)構(gòu)和分布是影響熱解過程中反應(yīng)效率及焦油析出和油氣運(yùn)移的關(guān)鍵因素[55-56]。分子結(jié)構(gòu)決定了富油煤的生油潛力，焦油產(chǎn)率主要受脂肪族氫含量和富氫弱鍵的影響，脂肪族含量和脂肪族弱鍵(Hal/H、CH2/CH3、“A 因子”)與焦油產(chǎn)率呈正相關(guān)；穩(wěn)定的芳香結(jié)構(gòu)和C=O 與焦油產(chǎn)率呈負(fù)相關(guān)，而橋鍵、脂肪族側(cè)鏈和支鏈芳香碳都是直接影響焦油產(chǎn)率的關(guān)鍵因素[57]。通過加熱加壓的方式使煤分子發(fā)生斷裂產(chǎn)生為油氣組分[58]。富油煤中的不穩(wěn)定化學(xué)鍵在熱解作用下發(fā)生斷裂是產(chǎn)生油氣的關(guān)鍵過程[59]，如脂肪結(jié)構(gòu)中的-CH2-、-CH2-CH2-、-CH2-O-和雜原子官能團(tuán)中的-O-、-S-，此外含氧官能團(tuán)多數(shù)解離能較小，在低階煤熱解中易發(fā)生脫甲氧基、脫羧基等分解反應(yīng)[60]，煤中的不穩(wěn)定化學(xué)鍵越多，焦油產(chǎn)率越高[61]。Wang Zhengdong 等[62]利用分形維數(shù)表征富油煤的孔隙結(jié)構(gòu)，通過門格爾海綿法和熱力學(xué)方法，獲得了不同熱解溫度下的孔隙分布和分形特征，將分形與傳統(tǒng)分析方法相結(jié)合，可以更好地理解富油煤熱解過程中的孔隙演化；師慶民等[63]發(fā)現(xiàn)富油煤熱解過程中含氧官能團(tuán)和脂肪結(jié)構(gòu)不斷減少，導(dǎo)致煤-油相互作用增強(qiáng)，從而使煤基質(zhì)對(duì)熱解焦油的遷移約束性增強(qiáng)，此外芳香結(jié)構(gòu)不斷增多，使得煤基質(zhì)表面張力增強(qiáng)，不利于熱解產(chǎn)物的運(yùn)移。富油煤的孔隙和分子結(jié)構(gòu)的非原位測試，在一定程度上難以為其生油和開發(fā)潛力提供準(zhǔn)確有效的理論支撐。非原位與原位測試結(jié)果的一致性仍有待原位熱解-紅外光譜聯(lián)用儀的研制和原位孔隙結(jié)構(gòu)測試新技術(shù)方法的開發(fā)去進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.4 富油煤的微生物降解

目前對(duì)富油煤的低碳開發(fā)利用方式主要是地面熱解技術(shù)，原位熱解技術(shù)還處在起步和試驗(yàn)階段，鑒于富油煤多屬于中低階煤，變質(zhì)程度較低[8]，含有較多的腐植酸及小分子化合物，是適合于微生物降解轉(zhuǎn)化的碳源底物，因此，微生物降解技術(shù)為富油煤的低碳開發(fā)利用提供了一條全新的途徑(圖4)。目前，好氧細(xì)菌溶解煤和厭氧產(chǎn)甲烷菌發(fā)酵是對(duì)富油煤進(jìn)行微生物轉(zhuǎn)化為油氣資源的兩種主要方式[5,64]；在富油煤微生物降解機(jī)理方面同樣滿足厭氧發(fā)酵機(jī)理四階段理論[65]：(1)水解階段。包括細(xì)菌對(duì)煤的解聚作用以及分裂作用，通過解聚作用生成可溶性有機(jī)中間體，包括長鏈烷烴，長鏈脂肪酸以及單環(huán)芳烴等；通過分裂作用生成多環(huán)芳烴和酮類等可以被微生物利用的簡單有機(jī)物。(2) 發(fā)酵階段。主要是將第一階段產(chǎn)生的大分子有機(jī)物通過發(fā)酵產(chǎn)生較小的化合物，例如生成揮發(fā)性脂肪酸、琥珀酸鹽等。(3)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段。主要是將第二階段產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)酸如丙酸、丁酸，通過一系列反應(yīng)進(jìn)一步降解為乙酸、二氧化碳和氫氣，而這些物質(zhì)可以直接作為產(chǎn)甲烷菌生成甲烷時(shí)所需要的底物。(4) 產(chǎn)甲烷階段。產(chǎn)甲烷菌利用第二、三階段的產(chǎn)物，通過CO2還原(CO2+4H2--→CH4+2H2O)、乙酸發(fā)酵(CH3COOH --→CH4+CO2)和甲基營養(yǎng)型(CH3OH+2H+--→CH4+H2O) 3 種途徑生成甲烷。

圖4 富油煤微生物氣化工程設(shè)計(jì)Fig.4 Diagram showing biogasification engineering for tar-rich coals

微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)以清潔無污染的方式用于燃料和非燃料化學(xué)品的生產(chǎn)可有效提高富油煤的附加值，開辟更具效益的前景，也有利于早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。目前對(duì)于該方面的研究較少，尚煜超等[66]通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，分別得到熒光假單胞菌和蠟樣芽孢桿菌降解陜西榆林郭家溝富油煤提取腐殖酸的最優(yōu)工藝條件，雖然生物腐殖酸的提取率比化學(xué)腐殖酸低，但微生物提取具有反應(yīng)條件溫和、清潔無污染、有機(jī)質(zhì)元素含量高等優(yōu)點(diǎn)。此外，微生物降解作用對(duì)富油煤表面具有明顯的擴(kuò)孔、增孔、增容、造縫等效果，富油煤孔隙率和滲透率均有增加[5]，為后續(xù)富油煤中煤層氣開發(fā)提供了運(yùn)移通道和增加滲流等條件。但目前富油煤生物降解技術(shù)受產(chǎn)氣周期長、轉(zhuǎn)化率低等因素制約，需要探究多手段聯(lián)合技術(shù)來提高富油煤的生物轉(zhuǎn)化效率。

3.5 富油煤的焦油產(chǎn)率預(yù)測

目前，通過格金干餾實(shí)驗(yàn)得到的焦油產(chǎn)率是富油煤判識(shí)的唯一指標(biāo)，如何充分利用以往的勘探資料，開展富油煤焦油產(chǎn)率與測井參數(shù)、煤質(zhì)參數(shù)等關(guān)聯(lián)參數(shù)敏感性分析，是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和識(shí)別富油煤亟待解決的重要問題之一。煤焦油產(chǎn)率與煤中關(guān)鍵富氫結(jié)構(gòu)或氫、氧元素、灰分和煤的真密度有著密切聯(lián)系，師慶民等[13]發(fā)現(xiàn)宏觀煤巖類型對(duì)焦油產(chǎn)率具有較好的控制性，表現(xiàn)為隨著煤體凝膠化程度的增強(qiáng)和礦物體積分?jǐn)?shù)的增加，焦油產(chǎn)率逐漸減小，此外煤的灰分產(chǎn)率和真密度與煤熱解焦油產(chǎn)率呈明顯的負(fù)相關(guān)。測井信息中的補(bǔ)償密度、自然伽馬、電阻率等與煤焦油產(chǎn)率也有一定的相關(guān)性[67-69]。趙軍龍等[68]利用測井信息直接預(yù)測煤的焦油產(chǎn)率，發(fā)現(xiàn)煤焦油產(chǎn)率與密度測井值和自然伽馬測井值具有較好負(fù)相關(guān)性，與電阻率測井值具有一定的正相關(guān)性，并將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入煤焦油產(chǎn)率分區(qū)預(yù)測，研究成果對(duì)煤焦油地質(zhì)儲(chǔ)量評(píng)價(jià)具有重要的理論指導(dǎo)作用?；诙诸惙ㄌ岢隽苏婷芏群妥匀毁ゑR可作為富油煤的判識(shí)指標(biāo)，并認(rèn)為長焰煤類富油煤的最佳判識(shí)閾值為原煤真密度小于1.41 g/cm3、自然伽馬<80 API，判識(shí)正確率達(dá)81.82%[69]。此外煤的揮發(fā)分和黏結(jié)指數(shù)對(duì)單種煤的焦油產(chǎn)率有一定的影響，但相關(guān)性不明顯。晁偉等[70]結(jié)合上述參數(shù)與顯微組分定義了一個(gè)新參數(shù)-焦油指數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)證明焦油指數(shù)與單種煤的焦油產(chǎn)率存在明顯的線性關(guān)系，可以很好地預(yù)測焦油產(chǎn)率大小。但這些研究尚不系統(tǒng)，鑒于富油煤富油性復(fù)雜的空間變化規(guī)律和較低的控制精度，富油煤的焦油產(chǎn)率綜合預(yù)測指標(biāo)及模型有待進(jìn)一步完善。

3.6 富油煤的資源潛力及開發(fā)利用

我國富油煤資源主要分布在新疆、寧夏、甘肅、內(nèi)蒙古、陜西5 個(gè)省份(自治區(qū))，初步測算的資源量為0.55×1012t 以上[8,47]。其中，潛在油資源為5×1010t，氣資源量約為75×1012m3，規(guī)?；l(fā)展具有巨大的資源潛力。富油煤具有集煤、油、氣屬性于一體的特點(diǎn)，現(xiàn)有生產(chǎn)工藝實(shí)踐表明通過中低溫?zé)峤? t 富油煤，能夠生產(chǎn)650 kg 左右的半焦、10% 的煤焦油和300 m3左右的富氫氣體(CH4、H2和烴類氣體等)[8,42]，可以有效改善我國“缺油、少氣”的能源格局，增加國內(nèi)油氣供給途徑。2022 年中國航天六院利用富油煤生產(chǎn)的煤基航天煤油在120 t 級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)上的長程熱試車獲得圓滿成功，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明煤基航天煤油具有優(yōu)越的性能指標(biāo)。目前對(duì)于富油煤的開發(fā)利用還不夠成熟，且由于前期沒有充分認(rèn)識(shí)到富油煤的資源屬性，其多以燃燒發(fā)電的形式被利用，造成了極大的資源浪費(fèi)?；诖耍P者團(tuán)隊(duì)[7-8]明確了富油煤的資源屬性，建議將富油煤納入非常規(guī)油氣資源管理，加大富油煤開發(fā)利用科技攻關(guān)，著重突破高精度綜合勘查、高采出率開采、井下原位熱解、熱解氣化一體化、原位熱解半焦CO2封存等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)立富油煤開發(fā)利用國家級(jí)示范區(qū)，推動(dòng)西部地區(qū)新能源和富油煤協(xié)同開發(fā)，進(jìn)而充分發(fā)揮富油煤作為煤基油氣資源的特殊優(yōu)勢、實(shí)現(xiàn)煤炭資源低碳高值利用。

4 發(fā)展趨勢

富油煤本身作為重要的煤基油氣資源，在“雙碳”目標(biāo)和大力發(fā)展煤炭資源清潔化利用技術(shù)的迫切需求下，使得其資源地位必將進(jìn)一步提升，但結(jié)合富油煤的研究熱點(diǎn)來看，還有大量的科學(xué)問題和技術(shù)難題需要解決，主要表現(xiàn)在以下6 個(gè)方面。

4.1 熱解技術(shù)的開發(fā)

目前常用的熱解技術(shù)，雖然可以實(shí)現(xiàn)一定程度上的富油煤資源轉(zhuǎn)化，但不能滿足工程現(xiàn)場實(shí)施的需求。未來，在富油煤地面熱解工藝中，一體化技術(shù)發(fā)展前景較好，企業(yè)與科研院所將圍繞煤炭清潔與梯級(jí)利用領(lǐng)域，針對(duì)熱解-氣化一體化、熱解-提質(zhì)-燃燒-發(fā)電一體化等新型綜合一體化技術(shù)開展技術(shù)攻關(guān)，其優(yōu)勢在于能源消耗低、資源利用率高、碳排放量低等。而地下原位熱處理技術(shù)是目前我國綠色低碳化開采煤炭資源的主要研究方向，主要包括地下原位氣化和地下原位熱解技術(shù)。布井方式、加熱方式及原位氣化熱解一體化工藝仍需要進(jìn)一步突破。高效原位熱解新技術(shù)的研發(fā)仍需要繼續(xù)攻克。

4.2 富油煤資源分布評(píng)估

富油煤資源分布的有效評(píng)估是其開發(fā)利用的重要前提。目前焦油產(chǎn)率作為富油煤判識(shí)的唯一指標(biāo)，存在很大的制約性；同時(shí)富油煤沉積環(huán)境的控制因素仍缺乏系統(tǒng)性。而富油煤古沉積環(huán)境重塑的準(zhǔn)確性、焦油產(chǎn)率綜合預(yù)測指標(biāo)及模型也直接影響其資源分布可靠性評(píng)價(jià)。因此，關(guān)于富油煤賦存的古沉積環(huán)境控制因素、富氫組分的來源與定量判識(shí)及焦油產(chǎn)率綜合預(yù)測的新指標(biāo)/模型的開發(fā)仍需要大力開展，這仍是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和識(shí)別富油煤亟待解決的重要問題之一。

4.3 富油煤孔隙和分子結(jié)構(gòu)表征

作為富油煤開發(fā)利用的基礎(chǔ)，富油煤孔隙和分子結(jié)構(gòu)特征的精確表征尤為重要。前人關(guān)于富油煤的熱解過程中的孔隙和分子結(jié)構(gòu)演化特征主要集中于非原位條件下，但這與現(xiàn)場工程所開展原位熱解之間的一致性并不可預(yù)知，研究結(jié)論對(duì)實(shí)際工程的指導(dǎo)價(jià)值較低。因此為了更有效指導(dǎo)富油煤的原位熱解工程的開展，研發(fā)原位熱解條件下孔隙與分子結(jié)構(gòu)的精細(xì)表征的測試儀器及開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)迫在眉睫。

4.4 富油煤的微生物轉(zhuǎn)化

針對(duì)富油煤生物降解的局限性，未來必定從以下幾個(gè)角度開展進(jìn)一步研究：高效產(chǎn)甲烷菌群的培育、煤降解率的提升、微生物代謝生理生化機(jī)制分析及工程試驗(yàn)的開展。其中，目標(biāo)是煤降解率的提升，但對(duì)于富油煤厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過程中微生物代謝的生理生化機(jī)制是根本。優(yōu)選培育適合富油煤生物降解的微生物工程組、厘清微生物代謝生理生化機(jī)制，尋找適合富油煤生物降解的生物刺激及生物強(qiáng)化的手段，將是富油煤微生物工程開發(fā)能否實(shí)現(xiàn)突破的關(guān)鍵。

4.5 富油煤的開發(fā)利用

有關(guān)富油煤形成機(jī)理、資源分布預(yù)測、地質(zhì)選區(qū)、工程開發(fā)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測等一系列基礎(chǔ)地質(zhì)理論仍需要系統(tǒng)研究。并由基礎(chǔ)理論成果向?qū)嵺`應(yīng)用轉(zhuǎn)化，推動(dòng)富油煤新型技術(shù)的應(yīng)用，如富油煤生物-熱聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)化技術(shù)、富油煤原位熱解地質(zhì)-工程一體化技術(shù)、富油煤地面熱解催化提油-提質(zhì)分離技術(shù)，等。富油煤的開發(fā)利用未來將立足富油煤綠色低碳可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，應(yīng)對(duì)當(dāng)下面臨的“煤”的問題(煤炭損失、地質(zhì)損傷與環(huán)境損害)、“廢”的問題(產(chǎn)生大宗煤基固廢)和“碳”的問題(排放巨量CO2)，著眼“煤”的減損化開采、“廢”的功能化利用、“碳”的低碳化處置三維視角，探索“煤”-“廢”-“碳”協(xié)同發(fā)展的路徑[71]。

4.6 其 他

隨著基礎(chǔ)理論研究日益深入和開發(fā)技術(shù)瓶頸的不斷突破，富油煤的發(fā)展定會(huì)呈現(xiàn)百家爭鳴的景象，促使不同學(xué)科交叉融合，形成新的學(xué)科門類，如地質(zhì)學(xué)與微生物學(xué)形成的交叉學(xué)科-微生物地質(zhì)學(xué)[72]；地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)和環(huán)境科學(xué)交叉形成的環(huán)境地質(zhì)學(xué)[73]，等。隨著富油煤開采技術(shù)和地質(zhì)保障技術(shù)的不斷發(fā)展，將拓寬地球科學(xué)這門學(xué)科的研究領(lǐng)域、研究對(duì)象和研究尺度，出現(xiàn)“透明地質(zhì)”“數(shù)字地質(zhì)”和“宜居地質(zhì)”，為探索巖石圈、水圈、土壤圈、大氣圈、生物圈多圈層研究提供有利的研究窗口[74]。

5 結(jié)論

a.當(dāng)前富油煤研究的熱點(diǎn)內(nèi)容主要包括地面和原位熱解、賦存特征及沉積環(huán)境、孔隙和分子結(jié)構(gòu)、微生物降解、焦油產(chǎn)率預(yù)測和資源潛力及開發(fā)利用6 個(gè)方面，其中原位熱解技術(shù)是目前富油煤研究的主流方向之一。

b.基于當(dāng)前碳達(dá)峰碳中和的目標(biāo)及地質(zhì)選區(qū)技術(shù)的突破，富油煤富油性評(píng)價(jià)指標(biāo)與預(yù)測方法、富氫組分的來源與定量判識(shí)、差異焦油產(chǎn)率煤的分子結(jié)構(gòu)剖析與主控因素、原位開發(fā)圍巖封閉性及其評(píng)價(jià)方法、微生物降解與熱解聯(lián)作技術(shù)將成為今后研究的熱點(diǎn)方向，通過多學(xué)科交叉與融合以推動(dòng)富油煤新型技術(shù)的推廣與應(yīng)用。