澳大利亚Bowen盆地与Surat盆地煤层特征及应用

王 磊

(1. 中国石化集团国际石油勘探开发有限公司, 北京市朝阳区, 100029；2. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京市朝阳区, 100029；3. 中国地质大学(北京), 北京市海淀区, 100083)

Bowen盆地和Surat盆地位于澳大利亚昆士兰州东南部。Bowen盆地为早二叠世-中三叠世的前陆盆地，位于南纬20°～29°，东经145°～150°之间，近南北走向，面积约20万km2，盆地东部以一系列南北向发育的逆冲断层为界。Surat盆地为早侏罗至早白垩世稳定地块上发育的克拉通内坳陷盆地。Surat盆地位于南纬25°～32°，东经144°～151°之间，面积约27万km2，盆地整体位于Bowen盆地南部，其北部不整合叠置于Bowen盆地南部之上，基底为下古生界变质岩。Bowen盆地最大沉积厚度约9000 m，其早二叠世为浅海、边缘海沉积，主要煤层均为河流三角洲沉积环境；Surat盆地下部为陆相侏罗系沉积，地层单元可分为J、K和L 3个超级序列，每个超级序列基底由砂岩组成，与下层单元呈现穿时不整合关系，砂岩被向上变细的煤和湖泊沉积的泥质和碳质岩相上覆，盆地部分区域沉积厚度达3000 m。镜质体反射率值表明这些侏罗系地层单元为不成熟或低成熟度，生烃潜力有限。

该区域的研究已经取得了大量的成果，但对两个盆地煤的工业分析和显微组分的研究较少，两个盆地煤层的对比关系仍需进一步研究。本文对在Bowen盆地采集的4口井46个煤岩样品和在Surat盆地采集的7口井198个煤岩样品进行了系统的煤工业分析和显微组分研究。

1 主要含煤层系

Bowen盆地主要含煤层系为二叠系Bandanna组CRB1、CRB2和CRB3层，煤层埋深500～1000 m，分布稳定，单层厚度大，含煤层数少，横向上与Rangal和Baralaba 煤系地层水平相当，可进行区域对比。CRB1和CRB3层为区域连续稳定分布的厚度最大的煤层，单层厚度2～3 m，CRB2层相对较薄，厚度为0.5～0.8 m，煤层累计平均厚度约8 m。煤镜质体反射率一般大于0.8%，主要为中阶煤，包括气煤、肥煤、焦煤、瘦煤等，部分地区为高阶煤，包括贫煤、无烟煤。

Surat盆地主要含煤层系为中侏罗世Walloon亚群的Upper Juandah、Lower Juandah和Taroom煤组。其中，Upper Juandah煤组又可以划分为Kogan和Macalister煤层，Macalister煤层又细划分为Upper Macalister和Lower Macalister煤层；Lower Juandah煤组细分为Nangram、Wambo、Iona和Argyle煤层；Taroom煤组可以细分为Auburn、Bulwer和Condamine煤层。

Walloon亚群煤层埋深为100～1000 m，具有含煤层数多、煤层薄的特点，一般为10～25层，单煤层厚度以0.5～1.4 m薄层为主，在Talinga气田单煤层变厚，可达1.8～3.5 m，累计厚度平均约20 m。煤镜质体反射率一般为0.4%～0.6%，为低阶煤，以褐煤为主，长焰煤次之。

2 煤的工业分析

煤是一种多孔性的固体，含有一定的水分，其含量和存在状态与煤的内部结构及外界条件有关。煤中的水分包括游离水和化合水。煤中游离水是指与煤呈物理态结合的水，它吸附在煤的外表面和内部孔隙中。煤的灰分，是指煤完全燃烧后剩下的残渣。灰分含量越高，煤层吸附气量越少；灰分含量越低，煤层中的裂缝越发育、渗透率越高。煤的挥发分，即煤在一定温度下隔绝空气加热，逸出物质(气体或液体)中减掉水分后的含量。煤中去掉水分、灰分、挥发分，剩下的就是固定碳。煤的固定碳是表征煤的变质程度(煤化程度)的一个指标，随变质程度的增高而增高。所以一些国家以固定碳作为煤分类的一个指标。

煤的工业分析实验数据显示，Bowen盆地煤样品固定碳含量高，68%的样品固定碳含量为45%～60%；68%样品的灰分含量为7%～20%；72%样品的挥发分为20%～30%。另外，煤样品的水分含量小于10%，如图1所示。

图1 Bowen盆地煤样品工业分析

Surat盆地固定碳含量较Bowen盆地偏低，81%的样品固定碳含量为20～40%，且所有样品固定碳含量最大值仅为46.3%。样品灰分含量明显偏高，主要分布于10%～40%，72%的样品灰分大于20%。挥发分含量也明显高于Bowen盆地，主要分布于30%～45%。另外，煤样品的水分含量小于10%，如图2所示。

图2 Surat盆地煤样品工业分析

在煤化作用过程中，成煤物质发生了复杂的物理化学变化，挥发分含量和含水量减少，固定碳含量和发热量增加，Bowen盆地煤层固定碳含量比Surat盆地煤层固定碳含量高约20%，灰分低约10%，挥发分低约15%，表明Bowen盆地二叠系Bandanna组煤层煤化程度高于Surat盆地Walloon亚群煤层。

实验统计数据显示，两个盆地的煤岩样品的碳含量百分比与样品的密度成线性负相关，如图3所示。

图3 Bowen盆地与Surat盆地煤岩碳含量百分比与密度关系图

由图3可知，随着煤化程度增加，煤岩样品中碳含量逐渐增加，煤岩密度逐渐降低，主要原因是纯煤密度小于煤岩中非煤成分的密度。根据拟合公式可以计算出Bowen盆地纯煤的密度为0.68 g/cm3，而Surat盆地煤岩根据拟合公式推算不出来纯煤密度，说明Surat盆地煤层煤化作用达不到纯煤等级，主要是由于Surat盆地煤化程度低，样品中非煤成分含量过高而造成的。

3 煤的显微组分

在光学显微镜下能够识别出来的组成煤的基本成分称为煤的显微组分，显微组分源自于泥炭沉积期的植物碎片，植物类型由植物群落、气候、生态及沉积环境控制，按煤的成分和性质分为有机显微组分和无机显微组分。煤岩有机显微组分通常分为镜质组、壳质组和惰质组。

镜质组是煤中最常见、最重要的显微组分，主要由植物的木质-纤维组织受凝胶化作用转化而成的显微组分。镜质组含量是影响煤层含气量和煤层物性的重要因素之一。壳质组主要是由高等植物繁殖器官、树皮、分泌物以及藻类等形成的反射力最弱的显微组分的总称。惰质组又称丝质组，是由植物遗体主要受丝炭化作用转化而成的显微组分的总称。少数惰质组来源于真菌遗体或是在热演化过程中次生的显微组分。煤岩有机显微组分中壳质组生烃能力最强，镜质组次之，惰质组最差。

实验数据显示，Bowen盆地样品显微组分含量见图4。镜质组含量主要分布在30%～90%，其中，76%的样品镜质组含量大于50%；81%样品的壳质组含量小于5%；惰质组含量高，离散分布于10%～60%。

图4 Bowen盆地样品显微组分含量

Surat盆地样品显微组分含量见图5。镜质组含量明显高于Bowen盆地，93%的样品镜质组含量大于60%；壳质组含量也明显高于Bowen盆地，60%样品的壳质组含量分布于10%～20%；Surat盆地惰质组含量明显低于Bowen盆地，89%样品的惰质组含量小于10%；Surat盆地壳质组和镜质组含量明显高于Bowen盆地，显示Surat盆地煤层生烃潜力大于Bowen盆地。

图5 Surat盆地样品显微组分含量

镜质体反射率是镜质体(在绿光中)的反射光强度对垂直入射光强度的百分比。镜质体反射率随煤化程度增高而增大，是煤化程度最重要指标。Bowen盆地与Surat盆地镜质体反射率随深度变化关系图见图6。

样品数据显示，Bowen盆地煤层镜质体反射率值分布于0.73%～0.96%之间，属于中等成熟度，为Ⅱ型与Ⅲ型中煤级煤。4口井(SCG2、HUC2、COR2、ROSTN2)的样品实验数据及拟合曲线中有3口井数据显示Bowen盆地镜质体反射率与深度成正比，如图6(a)所示，分析主要原因是Bowen盆地煤层埋深较大，且随深度增加，煤层地质年代更早，地层温度压力增大，煤层热演化程度和成熟度更高。

样品数据显示Surat盆地煤层镜质体反射率分布于0.4%～0.65%之间，属于低成熟度，为低煤级煤和Ⅰ型中煤级煤。Surat盆地7口井(Clifford 3、CB14、CB23、CB140、HC8、RY19IN、GG10)样品实验数据及拟合曲线显示Surat盆地镜质体反射率与深度关系不明显，如图6(b)所示，分析主要原因为Surat盆地煤层埋深较浅，且煤层热演化程度和成熟度都较低，因此镜质体反射率与煤层深度没有形成较好的关系。

图6 Bowen盆地与Surat盆地镜质体反射率随深度变化关系图

4 开发及建议

对比Bowen盆地与Surat盆地的煤样品，Bowen盆地煤为二叠系煤层，生成时间早，热演化周期长，煤化程度和煤成熟度高，镜质体反射率高，固定碳含量高，达到了烟煤级别，易于着火和燃烧，而且灰分和水分含量较少，发热量较高。因此Bowen盆地煤适合做燃料，用于发电、工业锅炉用煤、生活用煤及冶金用动力煤等，同时也可用作炼焦原料。Surat盆地煤为侏罗系煤层，生成时间相比Bowen盆地煤晚，热演化程度和煤化程度低，由于高挥发分和高灰分，超出民用煤的质量控制指标，不宜做民用煤。根据该盆地低镜质体反射率值和低固定碳含量，Surat盆地煤为褐煤。褐煤热解后可以制作半焦和煤焦油。另外，Surat盆地煤层镜质组和壳质组含量高，生烃潜力大，可以生成具有经济价值的煤层气，因此该盆地煤层还可以用来进行煤层气开发。

澳大利亚煤炭资源利用具有煤矿规模大、煤矿生产效率和安全生产水平世界领先、产业集中度高的特点，且澳大利亚社会稳定，投资环境良好，有利于企业投资。海外煤炭和煤层气项目投资额度均较大，建议中国的石油、煤炭、电力、基础设施建设企业可以组建联合公司前往澳大利亚投资，并联合当地有成熟管理经验的企业共同开发Bowen盆地与Surat盆地煤炭资源和煤层气资源，也可以充分利用当地的华人团体，聘请优质的律师团队，在处理征地、社区问题上发挥作用。中国的企业应该合理调整自己的预期，提前做好充分的尽职调查以及应对方案，以降低投资风险。

5 结论

Bowen盆地煤层固定碳含量高，约为45%～60%，灰分含量主要为7%～20%，挥发分含量为20%～30%，水分含量小于10%。Surat盆地煤层固定碳含量主要为20%～40%，灰分含量主要分布于10%～40%，挥发分主要分布于30%～45%，水分含量小于10%。Bowen盆地煤层固定碳含量比Surat盆地煤层固定碳含量高约20%，显示Bowen盆地二叠系Bandanna组煤层煤化作用高于Surat盆地中侏罗系Walloon亚群煤层。

Bowen盆地煤层镜质组含量为30%～90%，大多数样品壳质组含量小于5%，惰质组含量高，分布在10%～60%之间。Surat盆地煤层镜质组大于70%，壳质组含量为10～20%，惰质组含量小于10%。Surat盆地壳质组和镜质组含量明显高于Bowen盆地，显示Surat盆地煤层生烃潜力大于Bowen盆地。

Bowen盆地煤层镜质体反射率值分布于0.73%～0.96%之间，属于中等成熟度，为Ⅱ型与Ⅲ型中煤级烟煤，该煤适合做燃料，同时也可用作炼焦原料。Surat盆地煤层镜质体反射率值分布于0.4%～0.65%之间，属于低成熟度，为低煤级煤和Ⅰ型中煤级褐煤，褐煤热解后可以制作半焦和煤焦油。另外，Surat盆地煤层还可进行煤层气开发。Bowen盆地由于煤层埋深较深，煤热演化程度高，镜质体反射率与深度成正比。Surat盆地则由于煤层埋深较浅，煤热演化程度低，镜质体反射率与深度关系不明显。

通过分析Bowen盆地及Surat盆地煤层特点，认为澳大利亚具有成熟的可开发煤炭资源，且澳大利亚社会稳定、投资环境良好，建议中国的石油、煤炭、电力、基础设施建设企业可以组建联合公司前往澳大利亚投资，并提前做好充分的尽职调查以及应对方案，以降低投资风险。