新疆北部早、中侏羅世富油煤分布規律及控制因素

寧樹正 ，張 莉 ，徐小濤 ，張建強 ，鄒 卓

（中國煤炭地質總局勘查研究總院, 北京 100039）

0 引 言

煤炭是我國的主體能源和重要工業原料，在一次能源消費中仍將長期占主導地位[1]。我國能源結構呈現“缺油、少氣、相對富煤”的資源稟賦特征[2]，立足我國煤炭資源國情，實現煤炭清潔低碳利用是實現“碳達峰、碳中和”目標的戰略選擇。富油煤是集煤、油、氣屬性為一體的煤炭資源[2]，煤田地質學中將焦油產率大于7%的煤定義為富油煤[3]，利用低溫熱解手段可以從中提取油氣資源。依據《礦產資源工業要求手冊(2014 年修訂本)》中焦油產率的分級標準，將煤炭劃分為高油煤(Tar,d(焦油產率)≥12%)、富油煤(12%>Tar,d(焦油產率)>7%)和含油煤(Tar,d(焦油產率)≤7%)[4]。

近年來，許多學者對我國富油煤的分布及煤中焦油產率的控制因素做了大量研究，汪寅人等[5]研究了我國部分褐煤和煙煤的化學組成與焦油產率的關系，并指出揮發分、氫含量、氫碳原子比都與焦油產率呈正比關系。孫曄偉等[6]研究了我國不同成煤時期特高揮發分、特高油產率煤的分布特征以及成因。王雙明等[2,7]提出發揮富油煤作為煤基油氣資源的特殊優勢，清潔低碳利用西部地區富油煤的思路?，F階段關于陜西省富油煤的時空分布規律及其賦存影響因素的研究比較深入[8-17]。黃鵬程等[18]對寧夏紅墩子礦區富油煤賦存特征進行了總結，研究發現成煤期溫暖、濕潤的還原環境有利于富油煤的富集。

我國富油煤主要分布在西部地區的低、中階變質程度煤中[7]，其中，新疆是富油煤資源主要產區，廣泛分布于早、中侏羅世煤田中，目前對其富油成因的研究還不夠深入。本次研究在統計新疆北部6 個賦煤帶中12 個煤田的早、中侏羅世富油煤資源數據的基礎上，對新疆北部地區早、中侏羅世富油煤資源分布規律進行總結，并進一步從成煤物質、成煤沉積環境和煤化程度等方面系統分析了富油煤形成的控制因素，旨在為新疆富油煤資源的理論研究、地質預測以及清潔低碳開發利用提供地質依據。

1 新疆北部富油煤概況

1.1 研究區地質背景

新疆北部地區位于天山山脈以北的新疆區域(圖1)，大地構造位置位于哈薩克斯坦板塊、西伯利亞板塊和塔里木板塊的交匯處[19]。新疆北部地區主要含煤地層為早、中侏羅世水西溝群，廣泛分布于準噶爾、吐哈、伊犁、巴里坤煤田、三塘湖–淖毛湖等盆地的煤田中，包括早侏羅世的八道灣組和中侏羅世的西山窯組，皆含厚煤層[20-22]。八道灣組主要由砂礫巖夾粉砂巖、泥巖和厚煤層組成，沉積環境以沖積扇、河流、三角洲和湖泊沉積體系為主；西山窯組以砂巖和泥巖互層夾厚煤層為特征，沉積環境以三角洲和湖泊沉積體系為主[22-24]。

圖1 新疆北部地區賦煤帶與富油煤資源分布Fig.1 Distribution of coal bearing zones and tar-rich coal in Northern Xinjiang

圖2 巴里坤–三塘湖賦煤帶淖毛湖–白石湖煤田早、中侏羅世煤的顯微組分Fig.2 Coal macerals of the early and middle Jurassic Naomaohu coalfield in Balikun-Santanghu coal bearing zone

新疆地區依據聚煤規律、古地理環境、古構造等因素劃分為兩大賦煤區，即準噶爾盆地賦煤區和塔里木盆地賦煤區[25-26]。本次研究的新疆北部地區進一步劃分為6 個賦煤帶(圖1)，分別為準北賦煤帶、準南賦煤帶、準東賦煤帶、巴里坤–三塘湖賦煤帶、吐哈賦煤帶和伊犁賦煤帶[26]。

1.2 富油煤資源分布

新疆煤炭保有資源量為4.10×1011t，其中富油煤資源量高達2.05×1011t，占比50%[7]。富油煤主要分布在早侏羅世八道灣組，其中，長焰煤的焦油產率普遍偏高，達到富油煤標準。早侏羅世煤的平均焦油產率為8.53%，而中侏羅世煤的焦油產量相對較低，平均值為6.83%。在新疆北部地區，Tar,d>7%的富油煤資源主要分布在巴里坤煤田、三塘湖–淖毛湖煤田、準南煤田，此外，尼勒克煤田、和什托洛蓋煤田、艾丁湖礦區、石炭窯煤炭礦區、后峽煤田主采煤層焦油產率均值也達到了富油煤標準(圖1)。

2 富油煤的煤巖煤質特征

2.1 顯微組分特征

本次研究對新疆北部地區6 個賦煤帶中12 個煤田137 個井田的早、中侏羅世富油煤進行統計分析，共識別出鏡質組、惰質組和殼質組3 種顯微組分，其顯微組分特征見表1，顯微組分定量統計依據GB/T 8899—2013《煤的顯微組分組和礦物測定方法》完成。

表1 新疆北部地區早、中侏羅世煤的顯微組分含量和鏡質組最大反射率Table 1 Coal macerals and maximum vitrinite reflectance during the early and middle Jurassic in Northern Xinjiang

準北賦煤帶鏡質組含量最高(均值52.13%)，殼質組含量最低(均值0.77%)；準南賦煤帶鏡質組含量最高(均值49.77%)，殼質組含量最低(均值1.51%)；準東賦煤帶以惰質組含量最高(均值66.53%)，殼質組含量最低(均值1.32%)；巴里坤–三塘湖賦煤帶鏡質組含量最高(均值56.43%)，殼質組含量最低(均值2.38%)；吐哈賦煤帶鏡質組含量最高(均值50.58%)，殼質組含量最低(均值4.20%)；伊犁賦煤帶鏡質組含量最高(均值53.12%)，殼質組含量最低(1.93%)。

通過統計新疆北部地區個賦煤帶的焦油產率(表2)，可以看出巴里坤–三塘湖賦煤帶的平均焦油產率最高為9.45%，部分井田可至高油煤標準，準東賦煤帶的焦油產率最低為4.39%。與之相對應，巴里坤–三塘湖賦煤帶主采煤層以八道灣組為主，準東賦煤帶主采煤層以西山窯組為主。從垂向上來看，八道灣組比西山窯組更具生有潛力，新疆北部地區平面上的分析特征來看，準東賦煤帶與吐哈賦煤帶的平均焦油產率略低，兩者主采煤層均以西山窯組為主。

表2 新疆北部地區各賦煤帶中以八道灣組和西山窯組為主采煤層的井田數及對應的焦油產率Table 2 Number of mines with Badaowan and Xishanyao formations as the main coal mining seams in each coal-giving belt in Northern Xinjiang and corresponding tar production rate

2.2 煤質特征

根據GB/T 212—2008《煤的工業分析方法》對新疆北部6 個賦煤帶中煤的水分、揮發分、灰分和全硫分進行分析，得到的結果見表3。準北賦煤帶煤類以不黏煤、長焰煤為主；準南賦煤帶、準東賦煤帶以不黏煤為主，部分長焰煤；巴里坤–三塘湖賦煤帶以長焰煤為主，部分氣煤；吐哈賦煤帶以長焰煤為主，部分不黏煤；伊犁賦煤帶的煤類以長焰煤、不黏煤為主，部分褐煤。

表3 新疆北部地區早、中侏羅世煤的水分、揮發分、灰分和全硫分組成特征Table 3 Moisture, volatile matter, ash content and total sulfur content of coal during the early and middle Jurassic in Northern Xinjiang

根據煤的揮發分、灰分和硫分分級劃分標準[26–28]，準北賦煤帶以高揮發分、較低灰分、低硫煤為主；準南賦煤帶以高揮發分、低灰分、特低硫煤為主；準南賦煤帶以高揮發分、低灰分、特低硫煤為主；準東賦煤帶以中高揮發分、低灰分、特低硫煤為主；巴里坤–三塘湖賦煤帶以高揮發分、低灰分、特低硫煤為主；吐哈賦煤帶以高揮發分、低灰分、特低硫煤為主；伊犁賦煤帶以高揮發分、低灰分、特低硫煤為主。

整體而言，新疆北部地區以高揮發分、低灰分、特低硫煤為主。

2.3 元素分析

根據GB/T 31391—2015《煤的元素分析》，對新疆北部6 個賦煤帶中煤的C、H、O、N 元素進行分析，結果見表4。

表4 新疆北部地區早、中侏羅世煤中元素分析Table 4 Analysis of early and middle Jurassic coal elements in Northern Xinjiang

準北賦煤帶中和什托洛蓋煤田的煤樣C 含量在70.38%～79.30%，平均值為73.83%；H 含量在3.83%～8.67%，平均值為5.25%；N 含量的范圍是1.23%～1.65%，平均值為1.44%；O 含量在8.36%～23.02%，平均值為16.98%。

準南賦煤帶中準南煤田和后峽煤田的煤樣C 含量的范圍是70.02%～84.40%，平均值為80.77%；H含量的范圍是4.31%～5.54%，平均值為4.91%；N 含量在0.87%～1.93%，平均值1.17%；O 含量在8.69%～35.65%，平均值為13.38%。

準東賦煤帶中準東煤田和卡姆斯特煤田的煤樣C 含量的范圍是72.99%～81.23%，平均值為79.02%；H 含量的范圍是3.71%～5.96%，平均值為4.60%；N含量在0.72%～2.07%，平均值為1.21%；O 含量在0.87%～66.84%，平均值為15.23%。

吐哈賦煤帶中吐哈煤田和沙爾湖煤田的煤樣C含量在69.13%～87.92%，平均值為74.76%；H 含量在3.89%～5.83%，平均值為4.28%；N 含量的范圍是0.68%～25.83%，平均值為5.00%；O 含量的范圍是0.79%～23.14，平均值為18.32%。

巴里坤–三塘湖賦煤帶中巴里坤煤田和三塘湖–淖毛湖煤田的煤樣C 含量在61.18%～83.93%，平均值為77.42%；H 含量在4.40%～5.87%，平均值為5.23%；N 含量的范圍是0.92%～4.63%，平均值為1.63%；O 含量在8.92%～56.11%，平均值為18.25%。

伊犁賦煤帶中伊北煤田、伊南煤田和尼勒克煤田的煤樣C 含量在75.67%～82.69%，平均值為78.09%；H 含量在3.70%～5.49%，平均值為4.48%；N 含量的范圍是0.85%～1.69%，平均值為1.16%；O含量的范圍是10.06%～20.16%，平均值為16.09%。

3 富油煤分布規律

本次研究通過對煤炭低溫熱解焦油產率試驗數據分析可知(表5)，新疆北部地區煤炭焦油產率特征存在明顯的差異性(圖4)。焦油產率依據GB/T 1341—2007《煤的格金低溫干餾試驗方法》進行測試，首先將煤樣裝入干餾管中置于格金低溫干餾爐內，通過升溫程序加熱至終溫600 ℃，保持終溫后測定焦油、熱解水和半焦的產率。

表5 新疆北部地區早、中侏羅世煤的低溫熱解焦油產率特征Table 5 Characteristics of tar yield from low temperature pyrolysis during the early and middle Jurassic in Northern Xinjiang

在準北賦煤帶中煤炭焦油產率主要分布在3.38%～13.70%，平均值為7.69%，其中含油煤占比66.67%，高油煤占比33.33%。準南賦煤帶的煤炭焦油產率分布在4.62%～14.65%，平均值為8.80%，其中含油煤占比20.51%，富油煤占比79.49%。準東賦煤帶中煤炭焦油產率變化范圍為2.44%～7.47%，平均值為4.39%，其中含油煤占比91.18%，富油煤占比8.82%。巴里坤–三塘湖賦煤帶的煤炭焦油產率在4.54%～13.33%，平均值為9.45%，其中含油煤和富油煤占據相同的比重，均為16.67%，高油煤占比66.67%，總體焦油產率較高，可識別出高油煤。吐哈賦煤帶中煤炭焦油產率分布在4.10%～8.23%，平均值為5.77%，其中，含油煤占比77.78%，富油煤占比22.22%。伊犁賦煤帶中煤炭焦油產率變化范圍為2.90%～13.33%，平均值為8.53%，其中含油煤占比47.37%，富油煤占比47.37%，高油煤占比5.26%(圖3)。

圖3 新疆北部地區早、中侏羅世含油煤、富油煤和高油煤資源占比Fig.3 Percentage of early and middle Jurassic tar-containing coal, tar-rich coal and tar-high coal in Northern Xinjiang

按照廣義富油煤(包括高油煤和含油煤)的定義[27–29]，新疆北部6 個賦煤帶按照煤的焦油產率由高到低依次為巴里坤–三塘湖賦煤帶、準南賦煤帶、伊犁賦煤帶、準北賦煤帶、吐哈賦煤帶和準東賦煤帶?？傮w而言，新疆北部地區東北部、西部、中部部分地區焦油產率相對較高，東北部地區八道灣組高油煤呈不連續帶狀分布，據此推測煤化程度是焦油產率存在差異的關鍵控制因素。在產狀較為平緩的八道灣組煤系地層內，煤層埋深、壓力及成煤環境更有利于高焦油產率煤的富集，隨著煤化程度的加深以及構造帶的影響，使得焦油產率隨之下降。

4 富油煤形成控制因素

4.1 成煤沉積環境

鏡惰比(V/I)在一定程度上可以反映出成煤泥炭沼澤的覆水程度與氣候的干濕情況[30-31]。在相對干燥的氧化條件下絲炭作用占優勢，煤的顯微組分中惰質組含量增加，在相對覆水還原條件下凝膠化作用占優勢，煤的顯微組分中鏡質組含量增加[32-33]，因此，V/I可以比較直觀地反映出泥炭沉積時的氧化還原環境。隨著V/I的增加，泥炭沼澤的覆水還原性逐漸增強，V/I小于0.25，代表干燥–極干燥環境；V/I在0.25～1，代表潮濕–弱覆水的環境；V/I在1～4，代表極潮濕–覆水環境；V/I大于4，代表強覆水環境[34]。本次研究中，新疆北部12 個煤田早、中侏羅世煤的顯微組分中V/I在0.06～14.68，平均值為1.84，其中絕大數V/I在0.25～4，表明成煤沼澤主要為覆水還原環境，并且由圖4 可以得出，煤的焦油產率隨著V/I的增加具有升高的趨勢。張宇航等[35]通過對新疆準東煤田東部礦區中侏羅世煤的顯微組分研究發現，V/I在0.51～1.67，也指示出覆水還原的成煤沼澤環境。由此推斷，焦油產率變化不僅與成煤古植物有關，還與沉積環境密切相關。在覆水的還原環境下，凝膠化作用占優勢，焦油產率相對較高，此推斷結果與相對還原環境下形成的煤炭具有較高焦油產率的總體規律相一致[2,36]。

圖4 新疆北部地區早、中侏羅世煤的焦油產率與鏡惰比的關系Fig.4 Correlation between tar yield of coal and ratio of vitrinite and inertinite during the early and middle Jurassic in Northern Xinjiang

4.2 煤的顯微組分

煤的顯微組分及其組成直接影響煤的生烴潛力[37-38]，并且大量的試驗表明，由惰質組到鏡質組再到殼質組，隨著其富氫程度的增高，顯微組分的生烴潛力逐漸升高[39-40]，其中，屬于富氫鏡質組的基質鏡質體和均質鏡質體對焦油產率起到明顯的促進作用[41]。通過對新疆北部12 個煤田早、中侏羅世煤的顯微組分統計得出，除準東賦煤帶外，其他5 個賦煤帶中鏡質組均為含量最高的顯微組分，平均在50%左右，最高達到92.33%，殼質組的平均含量為1.51%，除準南賦煤帶和吐哈賦煤帶外，含量均在10%以下，并且在巴里坤–三塘湖賦煤帶的淖毛湖–白石湖礦區，可以識別出大量基質鏡質體(圖2a)和均質鏡質體(圖2b)。劉栩等[41]通過對準噶爾盆地早、中侏羅世煤的顯微組分統計發現，鏡質組含量最高(57.46%～90%，平均值為75.23%)，其中，基質鏡質體和均質鏡質體含量相對較高，殼質組含量占比在0.51%～18.81%，平均值為8.71%。何建國等[42]對吐哈盆地大南湖礦區中侏羅統煤巖煤質特征研究發現，煤的顯微組分以惰質組為主(32.3%～91.3%，平均值為64.7%)，其次為鏡質組(6.1%～65.6%，平均值為30.1%)，殼質組占比最低(0.4%～5.6%，平均值為2.4%)，并且，鏡質組中以基質鏡質體為主。上述研究結果均表明，新疆北部地區早、中侏羅世煤中殼質組與鏡質組相比，含量相對較低。因此，含量較高的鏡質組是生烴的主要顯微組分，對煤的焦油產率起到決定性作用。通過對煤的顯微組分與焦油產率的相關關系研究發現，鏡質組與焦油產率之間呈現正相關關系(圖5)，惰質組與焦油產率呈現負相關關系(圖6)，殼質組與焦油產率之間的相關性比較微弱(圖7)，因此，含量較高的鏡質組是生烴的主要顯微組分，對煤的焦油產率起到決定性作用。由此表明，新疆北部地區早、中侏羅世煤中鏡質組對焦油產率具有明顯的正向促進作用。

圖5 新疆北部地區早、中侏羅世煤的焦油產率與鏡質組的關系Fig.5 Correlation between tar yield of coal and vitrinite during the early and middle Jurassic in Northern Xinjiang

圖6 新疆北部地區早、中侏羅世煤的焦油產率與惰質組的關系Fig.6 Correlation between tar yield of coal and inertinite during the early and middle Jurassic in Northern Xinjiang

圖7 新疆北部地區早、中侏羅世煤的焦油產率與殼質組的關系Fig.7 Correlation between tar yield of coal and exinite during the early and middle Jurassic in Northern Xinjiang

4.3 煤化程度

煤化程度表征了煤在溫度、壓力、時間影響下的組分和性質變化[43-44]，通?？梢杂苗R質組最大反射率(Ro,max)表征。隨著煤化程度的增加，煤中碳含量增多，氫、氧含量以及揮發分降低[2-3,45]，但煤中不同顯微生油組分的成烴演化途徑存在明顯差異，其中大部分富氫鏡質體的生油高峰對應的鏡質組最大反射率在0.5%～0.95%[46]。相關研究表明，煤的焦油產率隨著煤化程度呈現先升高后減小的趨勢[12,43]。

新疆北部12 個煤田早、中侏羅世煤的鏡質組最大反射率在0.12%～1.75%，平均值為0.53%，絕大多數屬于低、中階，表明新疆準噶爾–吐哈盆地早、中侏羅世的煤總體上經歷了較低的變質程度。劉栩等[41]通過對準噶爾盆地早、中侏羅世煤的鏡質組反射率研究發現，其范圍值在0.51%～0.63%，由此表明處于低成熟階段。本次研究通過對煤的鏡質組最大反射率與焦油產率的相關關系研究發現，新疆北部地區早、中侏羅世煤中鏡質組最大反射率在生油高峰之前與焦油產率之間呈現正相關關性(圖8)，隨著煤化程度的升高，煤的焦油產率逐漸增加，與前人關于煤的焦油產率在生油高峰之前隨煤化程度增加而升高的研究結果相吻合。

圖8 新疆北部地區早、中侏羅世煤的焦油產率與鏡質組最大反射率的關系Fig.8 Correlation between tar yield of coal and maximum vitrinite reflectance during the early and middle Jurassic in Northern Xinjiang

煤的揮發分主要是煤中有機質熱分解的產物，由水分、碳氫的氧化物和氫化物組成[44]，并且隨著煤化程度的升高而呈現下降的趨勢[3]。本次研究通過對新疆北部12 個煤田早、中侏羅世煤中揮發分統計得出，揮發分含量在25.65%～53.10%，平均值為37.71%，與煤的焦油產率呈一定的正相關關系(圖9)，可作為焦油產率的識別指標。

圖9 新疆北部地區早、中侏羅世煤的焦油產率與揮發分的關系Fig.9 Correlation between tar yield of coal and volatile matter during the early and middle Jurassic in Northern Xinjiang

4.4 焦油產率與H/C 的關系

焦油產率與w(H)/w(C)呈一定的正相關性，陳鵬指出[47]，煤中H 含量與焦炭反應性有較好的相關性，H 含量越高，則其焦炭的反應性越高，如圖10 所示，w(H)/w(C)較高的巴里坤–三塘湖賦煤帶的焦油產率相較最高。反之，準東賦煤帶、吐哈賦煤帶的w(H)/w(C)較低，對應的上述2 個賦煤帶均未達到富油煤的標準。

圖10 新疆北部地區早、中侏羅世煤C、H、O、N 元素分析Fig.10 Analysis of C, H, O, N elements of early and middle Jurassic coal in Northern Xinjiang

5 結 論

1)新疆北部地區煤的焦油產率存在明顯的差異性，其中東北部、西部、中部部分地區焦油產率相對較高。6 個賦煤帶按照煤的焦油產率由高到低依次為巴里坤–三塘湖賦煤帶、準南賦煤帶、伊犁賦煤帶、準北賦煤帶、吐哈賦煤帶和準東賦煤帶。

2)煤的焦油產率隨著鏡惰比的增加呈現升高的趨勢，覆水還原環境為富油煤的形成提供了良好條件。鏡質組和殼質組是產生煤氣及煤焦油的主要來源。

3)煤的焦油產率與鏡質組含量、揮發分呈正相關關系。鏡質組最大反射率在生油高峰之前與焦油產率之間呈現正相關關性，隨著煤化程度的升高，煤的焦油產率逐漸增加。通過元素分析表明，焦油產率與w(H)/w(C)呈一定的正相關性，H 含量越高，則其焦炭的反應性越高。