神府南部延安组富油煤多源判识规律

师庆民，王双明，王生全，郭 晨，蔡 玥，杜芳鹏，乔军伟，常波峰，张 宏，苗彦平

(1.西安科技大学 陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；3.陕煤集团神木红柳林矿业有限公司，陕西 榆林 719300)

我国富油煤资源储量丰富，其中西北地区富油煤资源量高达5 000亿t，广泛分布于陕西、内蒙古、新疆、宁夏、青海等地。富油煤在热解条件下可生成不低于7%的焦油(格金干馏试验工艺)，通过加氢反应、催化裂化等轻质化处理可产出汽油、柴油等优质燃油产品。可见，富油煤在增加国内油气供给途径、保障国家油气战略安全方面具有巨大的资源潜力优势。

富油煤不同于传统意义的富氢煤，矿产资源工业要求手册(2014修订版)将格金干馏试验条件下焦油产率<7%的煤称为含油煤，在7%～12%的煤称为富油煤、大于12%为高油煤，王双明等将焦油产率≥7%的煤统称为富油煤。这一分类方式具有明确的实用性和目的性，也使得富油煤具有更广义的范畴。以藻煤、烛煤、树皮煤为代表的富氢煤具有高挥发分、高焦油产率特征，属于富油煤范畴，但多数富油煤为高等植物经历以凝胶化作用为主的条件后形成的低中阶煤，宏观上不具有显著的富氢特点。因此，富油煤不属于特种煤炭资源范畴，而是具有油、气资源属性的煤基油气资源。

在这一分类体系下，富油煤相对低中阶煤具有充分而不必要性。从煤化程度角度，长焰煤、气煤相比褐煤能够热解产出更高的煤焦油，高挥发分与高焦油产率并不具有单调对应性。在同一煤级范围内，沉积环境、物质组成等条件的差异性同样造成富油煤在层域、区域上存在明显的非均匀分布特点。以陕西侏罗系煤层为例，尽管富油煤分布广泛，但焦油产率分布于3%～16%，富油煤与含油煤共存且不同矿区、煤层存在差异，这造成富油煤在地质勘查评价中存在一定识别难度。

目前，格金干馏试验下焦油产率是富油煤判识的惟一指标，但在以往的勘探资料中数据较少。如何充分利用以往的基础勘查数据，准确评价和识别富油煤是亟待解决的问题之一，尤其在有限的区域或煤阶范围内，快速精准评价富油煤的非均匀分布特性具有其现实意义。笔者以鄂尔多斯盆地神府南部矿区为例，系统探讨格金干馏试验条件下煤焦油产率的常规参数控制，旨在厘清富油煤的宏观可识别性。

1 地质概况

神府南部矿区位于鄂尔多斯坳陷盆地伊陕斜坡区的东北部，区内仅存一些宽缓的波状起伏及系列平行不整合面，构造相对简单、未见明显断层及岩浆活动。研究区煤层主要赋存于侏罗系延安组地层，自上而下分为5个煤组，分别赋存于5个地层段，可采煤层主要包括1煤、2煤、3煤、4煤、4煤、4煤和5煤(图1)。煤层层位稳定且厚度变化较小，以中厚-厚煤层为主，结构简单，煤类为长焰煤和不黏煤，煤层埋深在21～380 m，总体表现为南东部埋深较深、北西部较浅的趋势，且在东部普遍存在煤层露头、烧变岩等。

图1 神府南部延安组沉积相-层序地层划分综合柱状[19]Fig.1 General stratigraphic column of Yan’anFormation in the south of Shenfu[19]

研究区侏罗系延安组主要以三角洲-湖湾沉积为主(图1)，延一段主要发育三角洲沉积，由三角洲平原逐渐过渡为三角洲前缘，其上发育5煤层组；延二段沉积期，湖水迅速扩张，由三角洲沉积迅速过渡到湖湾沉积，之后湖水逐渐退却，由湖湾沉积逐渐过渡为三角洲前缘沉积，发育河口坝、分流间湾沉积，并发育有4煤层。随着湖水继续退却，三角洲前缘逐渐转化为三角洲平原沉积，并发育厚度较大的4煤层。延三段沉积早期，三角洲平原大范围进积形成厚度较大、分布稳定的裴庄砂岩，其后在该段顶部形成厚度较大的3煤层。延四段沉积期仍以三角洲平原沉积为主，在本段顶部发育了厚度较大的2煤层。延五段沉积期水位明显降低，尽管同样为三角洲平原沉积，但发育煤层厚度相对较薄、分布不甚稳定。

2 常规分析指标的不确定性

煤层厚度是煤炭资源储量计算的关键参数，受控于泥炭沼泽类型及其演化稳定性。建立煤层厚度与焦油产率间数学关系是预测高品质富油煤最为理想的模型，然而，图2显示尽管随着煤层厚度的增加，焦油产率数据具有一定收敛过程，即反映出煤层厚度越大，焦油产率分布越稳定。这与不同煤层的厚度分布具有较大关系，1煤、3煤、4煤、4煤、4煤厚度总体较小且相对集中(表1)，不同煤层的形成的古地形、古环境条件存在一定差异，造成焦油产率不同、数据离散性相对较大；与之相比，2煤和5煤厚度较大、涉及层数少，沉积环境变化相对较小，焦油产率数据较为稳定、离散性低。

图2 低阶煤煤层厚度与焦油产率相关性Fig.2 Relationship between coal thickness and tar yield

工业分析是煤质分析的常规性指标，其中挥发分反映煤在高温(900 ℃)热解条件下气态挥发物产率，而格金干馏试验测定焦油产率温度相对较低。在有限的煤阶范围内，挥发分与焦油产率、产气率、产水率之间相关性离散度较大。但可发现，随着挥发分的增加，煤焦油产率()呈现微弱的增长趋势、产气率呈现一定减少趋势、产水率则呈增加趋势(图3(a)～(c))，其中挥发分产率与焦油产率离散性最高，即高挥发分与高焦油产率间并不具有显著的对应关系。H/C原子比与焦油产率相关性同样较差，并不具有明确的指示意义，这与传统的认识存在差异。相比之下，随着H/C原子比的增加，产气率呈现较明显的降低趋势，产水率呈现一定的上升趋势，如图3(d)～(f)所示。

表1 神府南部煤层厚度统计

总体而言，尽管研究区低阶煤以高挥发和中高挥发分煤为主，焦油产率普遍高于其他煤阶。但在有限的煤阶范围内，焦油产率同样有较大差异，高挥发分与高H/C原子比并非一定指示高焦油产率，而煤中关键富氢结构或氢、氧元素分布类型对焦油产率起到更为关键的作用，其受控于成煤植物类型与沉积环境特征。相比木本植物，草本植物形成的煤热解可生成较多长链烃等液态烃类物质；碱性介质和强还原环境更有利于煤中富氢结构生成。而煤中具有丰富的含氧官能团结构，热解过程中醚键、酚羟基等含氧官能团受热裂解形成HO·，并与H·结合形成HO，这使得烃类自由基供氢条件受限，缩聚作用增强，进而影响最终煤焦油产率的生成与析出。

图3 挥发分产率、H/C原子比与煤热解产物相关性Fig.3 Correlation between coal pyrolysis products and volatile yield,H/C ratio

3 富油煤的有机岩石学特征

虽然挥发分、H/C原子比对焦油产率响应性较弱，但从有机岩石学角度，宏观煤岩类型对焦油产率具有相对显著的区分度。其中光亮煤焦油产率普遍偏高，半亮-半暗煤次之，暗淡煤相对偏低，煤层中夹矸焦油产率最低(图4(a))。前2者焦油产率仍然具有较高的离散性，光亮煤焦油产率平均值为8.45%，分异系数高达20.8%；半亮-半暗煤焦油产率平均值为7.56%，分异系数为17.7%。焦油产率的总体变化趋势与宏观煤岩类型的显微组成具有显著的对应性，尤其与镜质组的演化趋势最为显著(图4(b))。惰质组在半亮-半暗煤中体积占比最高，是造成其与光亮煤焦油产率差异的主要原因。矿物体积分数在暗淡煤中明显增加，并在夹矸中占据主体，造成焦油产率显著降低，矿物含量对暗淡煤和夹矸焦油产率具有主导作用。说明煤的焦油产率一方面受控于煤体的凝胶化程度，这与成煤环境的还原程度密切相关；另一方面受控于沼泽水体的陆源碎屑补给程度，即陆源碎屑影响越大，煤的焦油产率越低。

图4 不同宏观煤岩类型煤的焦油产率与显微组分特征Fig.4 Tar yield and maceral groups of differentmacrolitho type coals

进一步而言，焦油产率随镜质组体积分数的升高总体呈递增趋势(图5(a))，反映出煤体凝胶化程度越高，焦油产率越高。尽管暗淡煤、夹矸同样符合这一总体趋势，但表现出相对明显的离散性，体现了煤焦油产率的多重控制性。图5(b)显示出更显著的焦油产率分类控制，光亮煤和半亮-半暗煤焦油产率主体随惰质组体积分数的增加而逐渐减少，但部分暗淡煤和夹矸惰质组体积分数低，控制性较弱。尽管壳质组赋存更丰富的烷基结构，由于壳质组体积分数相对较少，其与焦油产率的离散性相对较高，焦油产率与壳质组之间总体呈现正相关性(图5(c))，但同时受到富镜质组、富惰质组和富矿物质的影响。光亮煤和半亮-半暗煤中矿物体积分数较少，对焦油产率影响较小。但从总体趋势表现出随矿物体积分数的增加，焦油产率逐渐减少(图5(d))。

4 灰分对焦油产率的约束性

煤是有机质与无机质共同组成的复杂物质，其中煤焦油来源于有机部分。尽管煤中部分碱金属离子对煤焦油析出具有一定催化作用，但多数无机矿物质对焦油产率并无贡献。随着灰分产率的提高，煤热解焦油产率呈降低趋势，该变质程度煤焦油产率普遍处于10.32%上下浮动范围(图6)。与原煤相比，脱灰煤样的焦油产率增加，且焦油中沸点低于360 ℃的轻质组分中的轻油(<170 ℃)质量分数大于原煤。ROETS等通过热解酸洗富含镜质组烟煤，发现该煤样热解焦油中芳香化合物产率更高。

图5 煤中显微组分与焦油产率关系Fig.5 Relationship between tar yield and maceral content

图6 低阶煤灰分与焦油产率相关性Fig.6 The correlation between tar yield and ash yield

研究区煤灰中以SiO，AlO，FeO，CaO等成分为主，运用灰成分端元分析法可以定性表征聚煤环境特点。Si通常以硅酸盐和硅铝酸盐形式存在于煤中，反映泥炭堆积过程中碎屑石英、黏土矿物等陆源碎屑的供给情况；Al主要以硅铝酸盐形式赋存于黏土矿物、长石等陆源碎屑中。灰成分中SiO-AlO质量分数的增加指示了泥炭聚集阶段淡水介质注入过程中机械搬运的强弱特征。远离这一端元则指示煤中硅酸盐或硅铝酸盐矿物质减少、机械搬运为主的陆源碎屑输入减弱；CaO-MgO端元说明煤中钙镁矿质量分数含量的增加，化学沉积作用增强，一般指示向半干旱气候转化的半潮湿气候条件与弱氧化-弱还原环境。此外，FeO-SO端元指示形成较高质量分数黄铁矿的闭塞-半闭塞、还原闭流盆地环境。

研究区煤灰总体以SiO，AlO为主，部分以CaO-MgO为主，FeO-SO占比总体较少(图7)。SiO，AlO之间具有较好的正相关性(图8(a))，反映煤中陆源碎屑输入矿物总体为黏土矿物，指示水动力相对较弱的稳定沼泽水体环境。CaO与AlO之间呈一定负相关性(图8(b))，反映一定水深条件下的内源沉积作用增强、外源沉积作用减弱。FeO与AlO之间相关性不明显(8(c))，研究区煤层在泥炭堆积过程中，容易在相对滞留的还原水体沼泽条件下形成黄铁矿，图8(d)显示FeO与硫化物硫(S)具有一定相关性，也进一步印证煤中铁元素主要以黄铁矿硫占主导。

图7 煤灰成分端元分析法三角Fig.7 Triangle diagram based on ash composition

图8 煤灰成分相关性Fig.8 Relationship between some major element oxides

以黏土矿物为主的陆源碎屑物质输入不利于煤焦油产率的提高，随着(SiO+AlO)增加，煤焦油产率总体呈降低趋势(图9(a))，碱土金属则对煤热解转化具有催化促进作用，碱土金属较强的活化位有助于降低C—C键裂解所需的活化能，综合体现在对焦油或煤气产率的提高。图9(b)显示随着(CaO+MgO)增加，煤的热解焦油产率呈现一定的增长趋势，即内源沉积作用增强有助于煤热解转化能力的提高。尽管黄铁矿对煤热解同样具有催化作用，但图9(c)显示焦油产率与(FeO)间并无显著相关性，反而在热解过程中促进含氧官能团裂解，形成较多水分等小分子物质，且随着(FeO)增加，产水率呈增长趋势(图9(d))。

图9 低阶煤常量元素含量与焦油产率相关性Fig.9 Relationship between some major elements and tar yield of coal

5 真密度对富油煤的有效识别性

5.1 真密度与焦油产率相关性

富油煤的真密度反映了不包含孔裂隙的煤体骨架密度，一方面受煤中无机矿物质影响，另一方面受控于煤中有机质成分及煤化程度。随着煤化程度的提高，煤的真密度先缓慢降低、然后急剧提高，其转折点位于中等煤化程度煤，这一规律与煤焦油产率的演化趋势恰好相反。

图10 低阶煤真密度与焦油产率相关性Fig.10 Relationship between true density and tar yield of coal

从微观结构而言，煤的真密度体现了分子结构成分及空间密实程度。因此，对煤的微观结构组成具有一定的表征意义。尤其在低中阶煤中，不同煤岩显微组分的真密度存在显著差异，煤中显微组分富集差异对煤的热解焦油产率具有显著影响。图10显示随着真密度的增加，煤的焦油产率呈总体降低趋势，这为富油煤的有效识别提供了简单、可行的宏观指标。

5.2 不同密度煤样微观结构

选取研究区密度分别为1.25(LDM)，1.32(MDM)，1.47 g/cm(HDM)的煤岩样品，通过傅里叶红外光谱分析测定其官能团分布(图11)。LDM红外光谱中，在3 000～2 800 cm有较强的脂肪族C—H振动，在1 445,1 045,875 cm同样具有较强振动信号，分别归属于脂肪族—CH振动、脂肪族C—O振动、苯环五位取代振动。3 000～2 800,1 520～1 350 cm内较强的吸收峰强度指示煤中含有丰富的烷基官能团，其中2 850，2 922 cm吸收峰分别指示—CH—的对称伸缩振动和不对称伸缩振动，低密度煤中吸收峰强度高于高密度样品。

为了更清晰确定不同官能团的分布特点，采用分峰拟合方法获取不同官能团的谱图强度，其中MDM样品在3 000～2 800 cm的分峰拟合图谱如图12所示，由此确定不同官能团的峰面积，以及煤结构参数/，CH/CH(峰面积比)，和等(表2)，这些指标已被广泛应用于有机质红外谱图解析，计算方法为

图11 不同密度煤的红外谱图Fig.11 FT-IR spectra of different density coals

=1 650-1 520 cm/2 800-3 000 cm

(1)

=3 000-2 800 cm/(3 000-2 800 cm+1 650-1 520 cm)

(2)

=1 650-1 520 cm/2 950 cm

(3)

图12 MDM煤样在3 000～2 800 cm-1内的分峰拟合Fig.12 Cuves fitting of region from 3 000-2 800 cm-1 inspectrum of MDM

表2 煤中部分官能团峰面积A及煤结构参数

6 结 论

(1)作为煤基油气资源，富油煤的特殊性主要体现在以脂肪结构为主的富氢结构类型及丰度，其决定了富油煤焦油产出总体规律。富油煤相比富氢煤具有更广义的范畴，造成在有限煤阶范围内高挥发分产率、高H/C原子比与高焦油产率不具有单调且清晰对应性，反而对应低产气率和高产水率，这与煤中含氧官能团特征具有密切联系。煤层厚度与焦油产率不具有显著相关性。

(2)宏观煤岩类型对焦油产率具有较好的控制性，其本质受煤中有机显微组分与矿物双重控制，其中光亮煤、半亮-半暗煤焦油产率主要与镜质组呈正相关性，暗淡煤和夹矸的焦油产率对矿物的响应性更高。

(3)陆源碎屑沉积增强不利于煤焦油产出，表现为以SiO，AlO为主要成分的灰分与焦油产率间总体呈负相关性，陆源碎屑主要以黏土矿物为主。内源沉积作用增强使煤灰成分中CaO，MgO质量分数增加，对煤焦油产出具有一定促进作用。FeO(黄铁矿)虽然对煤热解具有催化裂解作用，但在研究区并未表现出与焦油产率的显著相关性，反而对产水率具有促进作用。

(4)真密度体现了煤分子网络的疏松程度，与焦油产率间呈相对明显的负相关性。低密度煤样表现为/，，，CH/CH参数相对较小，指示煤中脂肪结构较为丰富、烷基侧链丰富的特点。