王雙明，師慶民，王生全，申艷軍，孫 強(qiáng)，蔡 玥

(1.西安科技大學(xué) 煤炭綠色開(kāi)采地質(zhì)研究院，陜西 西安 710054; 2.陜西省煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054; 3.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“缺油、少氣、相對(duì)富煤”的資源稟賦特征，2020年油氣對(duì)外依存度分別達(dá)到73.5%和43.2%[1]，能源供給安全成為影響國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。在復(fù)雜國(guó)際地緣政治背景下，緊張的油氣供需關(guān)系促進(jìn)了煤基能源化工行業(yè)的發(fā)展[2]。煤是生產(chǎn)油氣和高附加值化學(xué)品的重要原料，其中富油煤在提高油氣轉(zhuǎn)化效率、降低經(jīng)濟(jì)成本方面具有更好優(yōu)勢(shì)。大規(guī)模發(fā)展以生產(chǎn)油氣為主要產(chǎn)品的富油煤開(kāi)發(fā)和高效轉(zhuǎn)化產(chǎn)業(yè)，是增加國(guó)內(nèi)油氣供給途徑的迫切要求，也是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效低碳循環(huán)發(fā)展的重要途徑。

黃河中上游是我國(guó)重要的煤炭富集區(qū)和當(dāng)前國(guó)家大型煤炭基地集中分布區(qū)，也是富油煤目前主要生產(chǎn)區(qū)。從資源聚集特點(diǎn)來(lái)講，富油煤主要賦存于陜西、新疆、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏和云南等低中階變質(zhì)程度煤中，存在顯著的聚集有利區(qū)和有利層位。初步調(diào)查顯示，我國(guó)西部地區(qū)是富油煤主要富集區(qū)，陜西、新疆、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏5省區(qū)富油煤總資源量大約有5 000億t，煤中潛在的油資源量約500億t，氣資源量約75萬(wàn)億m3，是中國(guó)富油煤產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的重要資源基礎(chǔ)。

就陜西省而言，富油煤廣泛分布于陜北侏羅紀(jì)煤田、陜北三疊紀(jì)煤田、陜北石炭—二疊紀(jì)煤田和黃隴侏羅紀(jì)煤田，資源量高達(dá)1 500多億t，其中陜北三疊紀(jì)煤田焦油產(chǎn)率普遍較高，平均值達(dá)11.42%，延安組煤階最低，反而焦油產(chǎn)率也偏低，陜北侏羅紀(jì)煤田平均值為9.33%;黃隴煤田為8.04%。石炭二疊紀(jì)煤田中，南北差異很大，北部古城礦區(qū)山西組、太原組焦油產(chǎn)率平均值分別達(dá)9.12%和9.58%，但南部渭北煤田卻僅有1.7%左右。即使相同區(qū)域和相同沉積時(shí)代的煤層，層段差異也會(huì)使焦油產(chǎn)率存在差異。富油煤分布的不均勻性制約了其規(guī)?；a(chǎn)業(yè)布局和利用，其中的關(guān)鍵地質(zhì)問(wèn)題值得深入探究。

立足我國(guó)煤炭主體能源地位和替補(bǔ)油氣供給的巨大潛力，重新審視煤炭現(xiàn)有利用方式與開(kāi)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)富油煤從煤炭資源向煤基油氣資源的轉(zhuǎn)變，可為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。近年來(lái)，筆者團(tuán)隊(duì)圍繞富油煤開(kāi)展了初步研究工作，提出了“富油煤就是煤基油氣資源”的學(xué)術(shù)思想。2020年，筆者承擔(dān)了中國(guó)工程院重點(diǎn)咨詢項(xiàng)目“西部富油煤開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略研究(2020-XZ-12)”，對(duì)我國(guó)西部富油煤資源總量、開(kāi)發(fā)潛力、梯級(jí)利用可行性、開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，提出了“將富油煤納入非常規(guī)油氣資源”的政策建議;2021年，筆者在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)組織的第281期“雙清論壇”上，提出了將富油煤形成機(jī)理作為重點(diǎn)基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容的建議。本文是筆者團(tuán)隊(duì)圍繞富油煤油氣資源屬性開(kāi)展研究的階段性總結(jié)，以期“拋磚引玉”，推動(dòng)富油煤產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化利用的發(fā)展。

1 富油煤的主要特點(diǎn)

1.1 富油煤的油氣屬性

富油煤是集煤、油、氣屬性于一體的煤炭資源，在隔絕空氣條件下可通過(guò)中低溫?zé)峤馍山褂?、煤氣和半焦。其最大特點(diǎn)是煤中富含較多熱解可生成油氣的富氫結(jié)構(gòu)，焦油產(chǎn)率較高，主要賦存于中低階煤類中，是一種煤基油氣資源。

熱解生成的氣體主要成分是CH4,H2,CO和烴類氣體等(表1)，其中CH4體積分?jǐn)?shù)達(dá)55%～77%，H2體積分?jǐn)?shù)達(dá)42%～51%[4]。與天然氣相比，氫氣和重?zé)N氣體體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，甲烷體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較低，熱值基本相當(dāng)[5-6]，不僅可以直接用作燃料氣，同時(shí)也可以生產(chǎn)氫氣、甲醇等天然氣化工產(chǎn)品。半焦主要成分是固定碳，成分與無(wú)煙煤相近(表2)，具有較低的可磨性，燃燒性較無(wú)煙煤好，取代部分或全部無(wú)煙煤是完全可行的[7]。

表1 煤氣和天然氣基本成分與性質(zhì)對(duì)比[4,6-7]Table 1 Basic component and properties of coal gas and natural gas[4,6-7]

表2 煤和半焦基本成分與性質(zhì)對(duì)比[4,6-7]Table 2 Basic component and properties of coal and semi-coke[4,6-7]

富油煤熱解生成的油通常稱為煤焦油，呈黑色或黑褐色黏稠狀，類似于重質(zhì)石油，煤種、熱解溫度、加工工藝等均會(huì)影響焦油成分及物理化學(xué)性質(zhì)變化。與重質(zhì)石油相比，中低溫煤焦油>300 ℃餾分密度為1 146.50 kg/m3，高于催化裂化油漿密度;黏度一般為2 500 mPa·s[8]，凝固點(diǎn)相對(duì)較低且變化較大，在-3～36 ℃。焦油中小分子烴類質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，氧、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)大多高于石油組分，但硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，H/C原子比與石油瀝青質(zhì)接近[9]，在360 ℃以前煤焦油中餾分可超過(guò)60%[10-11]。剩余重質(zhì)部分與重質(zhì)石油相比，飽和分相對(duì)偏低、瀝青質(zhì)相對(duì)偏高(表3)。

表3 重質(zhì)油成分及物理性質(zhì)[8]Table 3 Component distribution and physical properties of heavy oil[8]

煤焦油由上萬(wàn)種混合物組成，已分離的化合物僅有500余種，其質(zhì)量約占總質(zhì)量的55%，在合成塑料、農(nóng)藥、醫(yī)藥、耐高溫原料、國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其中有些化合物是石油加工業(yè)無(wú)法生產(chǎn)和替代[12]。通過(guò)前處理、加氫精制和加氫催化裂化工藝可以獲得優(yōu)質(zhì)汽油、柴油和燃料油，范建鋒等[13]采用加氫裂化-加氫精制可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤焦油餾分油的全部轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化產(chǎn)品中石腦油餾分達(dá)23.17%、柴油餾分達(dá)72.41%，且硫、氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低，生成的產(chǎn)品油可達(dá)到清潔燃料油的標(biāo)準(zhǔn)。

影響焦油產(chǎn)出率的因素較多，包括地質(zhì)因素、熱解裝備、技術(shù)及工藝條件等。富氫氣氛、催化劑、富氫有機(jī)質(zhì)共熱解、甲烷重整工藝等可顯著提高焦油產(chǎn)率[14-27]，但不同方法和工藝焦油產(chǎn)率存在較大差異，難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)富油煤產(chǎn)油能力。格金干餾是一種成本較低、操作相對(duì)簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)熱解試驗(yàn)方法，在業(yè)內(nèi)得到普遍接受。礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊(cè)(2014修訂版)將格金干餾試驗(yàn)條件下焦油產(chǎn)率小于7%定義為含油煤，在7%～12%的煤稱為富油煤，大于12%為高油煤。筆者從資源評(píng)價(jià)角度，將焦油產(chǎn)率≥7%統(tǒng)稱為富油煤。

1.2 富油煤中關(guān)鍵物質(zhì)結(jié)構(gòu)

富氫結(jié)構(gòu)是影響富油煤中潛在油氣屬性特點(diǎn)的關(guān)鍵物質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要由煤中具有脂肪結(jié)構(gòu)的側(cè)鏈及橋鍵構(gòu)成，是附著在煤縮合芳香核周緣的弱鍵結(jié)構(gòu)(圖1)[28-29]。煤中橋鍵多以脂肪結(jié)構(gòu)(如—CH2—，—CH2—CH2—，—CH2—O—等)為主，部分以氧、硫等雜原子基團(tuán)(如—O—，—S—等)或聯(lián)芳鍵(Ar—Ar)形式存在，側(cè)鏈主要由烷基和雜原子基團(tuán)組成[30]。

圖1 煤大分子經(jīng)典模型[31]Fig.1 Classical model of coal molecule[31]

由于煤結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在認(rèn)識(shí)煤熱解反應(yīng)過(guò)程方面仍存在局限。劉振宇[32]認(rèn)為煤熱解過(guò)程中，一部分煤中弱共價(jià)鍵受熱及解離產(chǎn)生自由基碎片，自由基反應(yīng)生成揮發(fā)產(chǎn)物和固體產(chǎn)物;另一部分結(jié)構(gòu)會(huì)在共價(jià)鍵裂解前發(fā)生重組，從而直接形成焦炭和氣態(tài)小分子。FLETCHER[33]將煤看作由脂肪結(jié)構(gòu)橋鍵連接的芳環(huán)網(wǎng)絡(luò)，不穩(wěn)定橋鍵裂解既可形成邊基側(cè)鏈，也可縮合形成穩(wěn)定橋鍵并釋放氣態(tài)分子，邊基側(cè)鏈最終經(jīng)過(guò)裂解同樣形成氣態(tài)分子，最后冷凝形成焦油?？傮w而言，煤熱解過(guò)程中芳香簇間的橋鍵、脂肪側(cè)鏈、脂肪小分子相和芳香雜原子等不穩(wěn)定化學(xué)鍵發(fā)生裂解，并形成自由基碎片是形成油氣及半焦的關(guān)鍵[29,34]。

從富氫結(jié)構(gòu)表征角度，CPD模型主要關(guān)注原始煤的4個(gè)參數(shù)，分別為完整橋鍵數(shù)量占比(p0)，平均分子簇摩爾質(zhì)量(MWcl)、平均邊基側(cè)鏈摩爾質(zhì)量(MWδ)、配位數(shù)σ+1(即橋鍵和邊基側(cè)鏈數(shù)量)，這些參數(shù)均可從13C NMR實(shí)驗(yàn)中獲取[35-37]。LIU等[38-39]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CH2/CH3物質(zhì)的量比的增加有助于提高熱解焦油產(chǎn)率，而含氧官能團(tuán)的增加則會(huì)降低焦油產(chǎn)率。原因在于CH2/CH3物質(zhì)的量比的增加不僅有助于熱解過(guò)程中脂肪橋鍵、側(cè)鏈裂解，同時(shí)有助于使形成的自由基與活躍氫或甲基結(jié)合，抑制交聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行;含氧橋鍵解離能較小，有助于促進(jìn)煤分子快速裂解形成氣態(tài)小分子，進(jìn)而降低焦油產(chǎn)率。

富氫結(jié)構(gòu)類型及豐度在不同煤階存在明顯差異，低階煤脂肪結(jié)構(gòu)相對(duì)偏低、含氧基團(tuán)相對(duì)偏高，導(dǎo)致褐煤雖然具有較高的揮發(fā)分產(chǎn)率，但焦油產(chǎn)率并非處于高峰值點(diǎn)(圖2(a))，主要與含氧基團(tuán)大量脫落密切相關(guān)，此階段含氧氣體產(chǎn)率占比最高將近30%(圖2(b))。說(shuō)明高揮發(fā)分煤并非代表高焦油產(chǎn)率煤，富氫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是其最為關(guān)鍵的因素，使得長(zhǎng)焰煤～氣煤的焦油產(chǎn)率相對(duì)較高[40-42]。

圖2 煤快速熱解產(chǎn)物隨煤階變化規(guī)律[40-42] Fig.2 Flash pyrolysis products of coal with coal rank[40-42]

由此，可得以下幾點(diǎn)啟示:① 富油煤資源潛力調(diào)查需更加關(guān)注煤中富氫結(jié)構(gòu)這一關(guān)鍵物質(zhì)結(jié)構(gòu)，為富油煤生油產(chǎn)率及生油類型提供關(guān)鍵依據(jù);② 以脂肪結(jié)構(gòu)為主的不穩(wěn)定橋鍵和邊基側(cè)鏈在富油煤熱解中占有重要地位，脂肪橋鍵可采用CH2/CH3物質(zhì)的量比進(jìn)行表征，以體現(xiàn)脂肪結(jié)構(gòu)的鍵能分布狀態(tài);③ 含氧橋鍵有助于提高熱解反應(yīng)速率，但由此造成大量含氧氣體分子形成，尤其在低階煤資源潛力認(rèn)識(shí)中需加以考慮;④ 在煤變質(zhì)程度的廣域尺度上，可將揮發(fā)分產(chǎn)率作為粗略分析富油煤賦存規(guī)律的基本依據(jù)，但針對(duì)某變質(zhì)階段煤而言，需重點(diǎn)考查煤中關(guān)鍵物質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合地質(zhì)條件、巖石學(xué)特征、化學(xué)結(jié)構(gòu)特征尋找高品質(zhì)富油煤有利聚集區(qū)。

2 富油煤賦存的關(guān)鍵地質(zhì)科學(xué)問(wèn)題

富油煤的形成具有特定的地質(zhì)歷史演化過(guò)程和地質(zhì)聚集條件。富油煤不同時(shí)代、相同時(shí)代不同區(qū)域、相同時(shí)代不同層位焦油產(chǎn)率均存在顯著差異。筆者團(tuán)隊(duì)前期圍繞鄂爾多斯盆地富油煤的焦油產(chǎn)率分析發(fā)現(xiàn):① 陜北侏羅系長(zhǎng)焰煤焦油產(chǎn)率普遍在8.7%～11.0%，而陜北三疊系氣煤焦油產(chǎn)率集中在7.42%～17.25%，大于12%的高油煤占比較大;② 鄂爾多斯盆地西部馬家灘礦區(qū)侏羅系煤焦油產(chǎn)率平均值為7.9%，而中部榆橫礦區(qū)侏羅系煤焦油產(chǎn)率平均值則普遍高于10%。筆者認(rèn)為富油煤的演化和聚集既與宏觀層次的地質(zhì)控制條件有關(guān)，又與其關(guān)鍵物質(zhì)結(jié)構(gòu)(富氫結(jié)構(gòu))的微觀多樣性密切相關(guān)。富油煤開(kāi)發(fā)過(guò)程需要剖析富油煤關(guān)鍵物質(zhì)結(jié)構(gòu)(富氫結(jié)構(gòu))多樣性原因，探究富氫結(jié)構(gòu)的巖石學(xué)、沉積、生物學(xué)特征，在此基礎(chǔ)上闡釋富油煤潛在油氣資源的來(lái)源、演化及聚集的地質(zhì)-地球化學(xué)機(jī)制。為此，富油煤地質(zhì)工作需要亟需開(kāi)展以下關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的研究(圖3)。

圖3 富油煤關(guān)鍵地質(zhì)科學(xué)問(wèn)題研究路線Fig.3 Overall research approach of key geological issues for tar-rich coal

2.1 富油煤沉積轉(zhuǎn)化地球化學(xué)過(guò)程與機(jī)制

2.1.1富油煤化學(xué)組分地質(zhì)化學(xué)演化特征

2.1.2富油煤富氫結(jié)構(gòu)分異特征

在泥炭化作用過(guò)程中，大量纖維素、半纖維素發(fā)生分解，木質(zhì)素相對(duì)富集[48]。然而，不同類型的泥炭沼澤環(huán)境(木本沼澤、草本沼澤、蘚類沼澤)存在明顯差異[49]，各種類型植物的降解程度受控于真菌、水體環(huán)境等條件影響[50]，雖然總體規(guī)律表現(xiàn)為強(qiáng)還原環(huán)境形成的煤富氫結(jié)構(gòu)多于弱還原性煤，具有更高的焦油產(chǎn)率特征[51-53]，但影響富氫結(jié)構(gòu)在植物類型-泥炭轉(zhuǎn)化這一復(fù)雜階段的演化路徑及其分異性并未形成系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

成煤植被沉積轉(zhuǎn)化過(guò)程中甲氧基等含氧官能團(tuán)大量脫落，脂類化合物呈現(xiàn)相對(duì)富集的過(guò)程。但這一過(guò)程受到諸多因素影響，就富油煤關(guān)鍵物質(zhì)結(jié)構(gòu)演化而言，需要充分認(rèn)識(shí)不同植被對(duì)富油煤富氫結(jié)構(gòu)類型及豐度的約束作用，在此基礎(chǔ)上理解泥炭化作用不同作用形式下富氫結(jié)構(gòu)富集、貧化的地質(zhì)-地球化學(xué)過(guò)程(圖4)。

2.2 富油煤變質(zhì)演化規(guī)律及地質(zhì)驅(qū)動(dòng)條件

2.2.1富油煤揮發(fā)分地質(zhì)演化特征

煤變質(zhì)演化過(guò)程總體呈富碳、脫氫、脫雜原子的演化趨勢(shì)，伴隨著煤的生烴以及水分、揮發(fā)分大量減少，但以不同基準(zhǔn)度量煤成分指標(biāo)的演化規(guī)律存在一定差異。SPEIGHT[30]將工業(yè)分析分為水分、揮發(fā)分和殘余物(固定碳+灰分)進(jìn)行質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)水分總體呈先大幅減少后緩慢增加的趨勢(shì)，揮發(fā)分則呈先緩慢增加后大幅減少的特點(diǎn)。揮發(fā)分產(chǎn)率相對(duì)較高的煤類主要集中于次煙煤A～高揮發(fā)分煙煤A，相當(dāng)于我國(guó)分類體系中的年老褐煤～肥煤階段(圖5)，揮發(fā)分產(chǎn)率高值區(qū)與煤熱解焦油產(chǎn)率高值區(qū)存在一定吻合。

圖5 工業(yè)指標(biāo)隨煤階的相對(duì)演化趨勢(shì)[30]Fig.5 Variation of the proximate analysis data with coal rank[30]

煤大量生烴是造成揮發(fā)分減少的根本原因，烴類物質(zhì)的運(yùn)移、聚集以及在有利地質(zhì)條件下得以保存是形成油氣藏的關(guān)鍵。人工熱解實(shí)驗(yàn)表明，烴類物質(zhì)的生成和運(yùn)移過(guò)程不僅影響煤的生烴量和生烴類型，同時(shí)影響殘余煤炭的微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)。因此，富油煤在熱變質(zhì)條件下具有怎樣的生烴過(guò)程及運(yùn)、聚特點(diǎn)，對(duì)煤中殘余油氣潛力具有怎樣的影響，這有待進(jìn)一步深化認(rèn)識(shí)。

2.2.2富油煤脂肪氫地質(zhì)演化特征

富油煤潛在油氣資源體現(xiàn)在以脂肪結(jié)構(gòu)為主的富氫結(jié)構(gòu)類型及豐度特點(diǎn)，隨著煤化程度的提高，煤中氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體呈先緩慢降低、后快速減少的特點(diǎn)，其中芳香氫在低階煤中占有一定比例但對(duì)熱解油氣產(chǎn)率貢獻(xiàn)較小。相對(duì)應(yīng)的煤中脂肪氫隨煤階總體呈先增后減的趨勢(shì)，與煤熱解焦油產(chǎn)率趨勢(shì)一致(圖6)。前期富氫結(jié)構(gòu)相對(duì)富集，這與煤中含氧官能團(tuán)大量脫落存在密切聯(lián)系[54]。

圖6 煤中氫和脂肪氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨煤階演化[30,54]Fig.6 Hydrogen and aliphatic hydrogen evolution with coal rank[30,54]

2.2.3富油煤富氫結(jié)構(gòu)地質(zhì)控制因素

煤變質(zhì)演化是溫度、時(shí)間、壓力耦合作用的結(jié)果，其中溫度效應(yīng)占主導(dǎo)地位。不同熱變質(zhì)方式(深成變質(zhì)作用或異常熱變質(zhì)作用)由于所受溫度、時(shí)間、壓力有所不同，煤中富氫結(jié)構(gòu)演化及生烴類型存在一定差異[55-57]，靜應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力雖然作用機(jī)理有所區(qū)別，但均會(huì)改變煤結(jié)構(gòu)特征及生烴類型[58-59]。不僅如此，多期構(gòu)造應(yīng)力疊加下，煤普遍發(fā)生多期熱演化階段和二次生烴過(guò)程[60]，不同熱演化路徑或熱演化類型對(duì)煤中富氫結(jié)構(gòu)的影響有待考量。

2.2.4富油煤顯微組分差異演化規(guī)律

盡管不同顯微組分隨煤化程度的分子演化趨勢(shì)相似，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在較大差異。穩(wěn)定組的芳香性最低，而惰質(zhì)組芳香性最高且擁有相對(duì)更高的分子量[62-63]。穩(wěn)定組生烴能力最強(qiáng)，含有較多的長(zhǎng)鏈脂肪結(jié)構(gòu)、硫元素和較少的氧、氮元素;惰質(zhì)組在泥炭化階段發(fā)生絲炭化作用，烷基側(cè)鏈最短且氧、氮、硫等雜原子團(tuán)含量最少，含有較為復(fù)雜的交聯(lián)結(jié)構(gòu)[64-66]。鏡質(zhì)組往往介于2者之間，酚類和烷基芳香類物質(zhì)相對(duì)較多，其脂肪結(jié)構(gòu)高于原煤，含氧官能團(tuán)和烷基側(cè)鏈隨著煤化程度的提高而不斷減少[67]。官能團(tuán)類型的差異造成不同顯微組分具有各自的熱演化路徑，即使在相同的油浸反射率(Ro)時(shí)，不同顯微組分所具有官能團(tuán)類型及豐度差異性較大(圖7)，其脂肪結(jié)構(gòu)同樣表現(xiàn)出階段性相似或不同的演化規(guī)律[68]。因此，不同顯微組分中富氫結(jié)構(gòu)演化及對(duì)熱解油氣貢獻(xiàn)需要更為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

圖7 不同顯微組分碳和氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)熱演化規(guī)律[61]Fig.7 Evolution of the carbon and oxygen content in different macerals[61]

2.3 富油煤聚集的地質(zhì)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)理論

“摸清家底”是現(xiàn)階段富油煤地質(zhì)工作的重要內(nèi)容。富油煤聚集的地質(zhì)模式、富“油”特征和有利地質(zhì)區(qū)塊、關(guān)鍵層位的精準(zhǔn)識(shí)別是實(shí)現(xiàn)富油煤高效、清潔、低碳開(kāi)發(fā)的前提。因此，在富油煤勘查、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)工作中亟需開(kāi)展以下3方面內(nèi)容：

(1)富氫結(jié)構(gòu)演化模式及富“油”性響應(yīng)。基于現(xiàn)代對(duì)應(yīng)植物、泥炭和典型煤階煤對(duì)比，多尺度分析上述物質(zhì)的成分、微觀結(jié)構(gòu)、富氫特點(diǎn)及其焦油產(chǎn)率特征，構(gòu)建富氫結(jié)構(gòu)來(lái)源-演化典型序列模式，進(jìn)而結(jié)合分子模擬手段揭示其能量分配、元素遷移、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化等分子動(dòng)力學(xué)過(guò)程，探討不同成因富氫結(jié)構(gòu)演化的熱解油氣產(chǎn)出共性規(guī)律與富“油”性特點(diǎn)。

(2)富油煤關(guān)鍵層位的高分辨識(shí)別。以煤系地層沉積旋回為基礎(chǔ)，精細(xì)分析煤系沉積相、沉積基底及三維空間分布特點(diǎn)，研究主要富油煤煤層的層序地層格架位置?；趩尉练e序列及其測(cè)井響應(yīng)構(gòu)建富油煤煤層的識(shí)別技術(shù)。分析沉積體系對(duì)富油煤富氫結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵控制作用，提取其中測(cè)井響應(yīng)信息。

(3)富油煤聚集的地質(zhì)預(yù)測(cè)模式。基于地質(zhì)驅(qū)動(dòng)過(guò)程，探討低、中、高焦油產(chǎn)率富油煤聚集的有利地質(zhì)配置，構(gòu)建構(gòu)造-沉積-熱演化宏觀體系下富油煤聚集的有利模式，耦合提煉不同地質(zhì)背景富油煤巖石學(xué)、煤質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)及焦油產(chǎn)率特征與差異，建立針對(duì)富油煤聚集的預(yù)測(cè)模式與理論方法。

3 富油煤原位熱解開(kāi)發(fā)技術(shù)途徑

《“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》明確指出:“堅(jiān)持立足國(guó)內(nèi)、補(bǔ)齊短板、多元保障、強(qiáng)化儲(chǔ)備，增強(qiáng)能源持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)和風(fēng)險(xiǎn)管控能力。夯實(shí)國(guó)內(nèi)產(chǎn)量基礎(chǔ)，保持原油和天然氣穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，做好煤制油氣戰(zhàn)略基地規(guī)劃布局和管控”“制定2030年前碳排放達(dá)峰行動(dòng)方案，完善能源消費(fèi)總量和強(qiáng)度雙控制度，推動(dòng)煤炭等化石能源清潔高效安全利用”?？梢?jiàn)，立足于“國(guó)內(nèi)油氣自主供給能源安全”“碳中和、碳達(dá)峰”雙重戰(zhàn)略要求，利用富油煤稟賦的油氣屬性特點(diǎn)，探索科學(xué)、高效的“取氫留碳”的油氣資源提取開(kāi)發(fā)技術(shù)勢(shì)在必行。而富油煤中油氣資源開(kāi)發(fā)與常規(guī)油氣資源存在顯著差異，需要借助外在手段(人工熱解)實(shí)現(xiàn)煤中不穩(wěn)定化學(xué)鍵裂解形成油氣，屬于人為誘導(dǎo)化學(xué)開(kāi)采方式。立足于富油煤的綠色低碳化利用發(fā)展，應(yīng)重點(diǎn)加快富油煤熱解、半焦綜合利用、煤氣和焦油深加工等技術(shù)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)化充分利用煤中固定碳、油氣等資源。其中，最大化提取煤中以油為主的油氣資源，是富油煤熱解技術(shù)研發(fā)的核心工作。目前，適用于富油煤的綠色低碳化開(kāi)發(fā)技術(shù)包括:地面熱解技術(shù)、井工熱解技術(shù)及鉆孔熱解技術(shù)等。其存在的特點(diǎn)及方式對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 富油煤綠色低碳化開(kāi)發(fā)技術(shù)方法對(duì)比Table 4 Technology and method of green and low-carbon utilization of tar-rich coal

3.1 富油煤地面熱解一體化技術(shù)

現(xiàn)階段，清潔高效的富油煤地面熱解一體化技術(shù)正成為該領(lǐng)域的發(fā)展方向，代表性技術(shù)包括:富油煤熱解-氣化一體化、熱解-發(fā)電-化學(xué)一體化等。如:陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)自主研發(fā)了萬(wàn)噸級(jí)粉煤熱解-氣化一體化技術(shù)(CCSI)。該技術(shù)針對(duì)富油煤熱解利用過(guò)程中，煤焦油產(chǎn)率低、煤焦油與粉塵分離難、半焦轉(zhuǎn)化利用難、產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重等問(wèn)題，依據(jù)煤的組成、結(jié)構(gòu)特征以及不同組分反應(yīng)性差異,獨(dú)創(chuàng)了“一器三區(qū)”粉煤熱解與氣化一體化反應(yīng)器，并以空氣為氣化劑(或氧氣)，將粉煤一步轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)中低溫煤焦油和合成氣，油氣塵在線分離效果明顯，并實(shí)現(xiàn)了粉煤熱解、半焦氣化的分級(jí)轉(zhuǎn)化和優(yōu)化集成，具有流程短、能耗低、資源利用率高等優(yōu)點(diǎn)，為富油煤地面熱解-氣化一體化提供了全新思路。此外，龍東生[69]提出了以分質(zhì)產(chǎn)品、物料互給、熱能循環(huán)、積木組合、塔狀結(jié)構(gòu)等為理念的一體化技術(shù)路線，并構(gòu)想了一種雙塔結(jié)構(gòu)的低階粉煤低溫?zé)峤?氣化一體化裝置。此外，富油煤熱解-發(fā)電一體化技術(shù)也得到煤炭界的高度關(guān)注;王建國(guó)等[70]提出煤炭清潔高效梯級(jí)利用的解決方案，指出低階煤熱解-發(fā)電一體化技術(shù)應(yīng)是后期重點(diǎn)發(fā)展方向;潘生杰等[71]提出實(shí)現(xiàn)低階煤分質(zhì)利用的產(chǎn)業(yè)方向應(yīng)結(jié)合煤炭資源的全聯(lián)產(chǎn)構(gòu)架，推進(jìn)煤熱解-化工-發(fā)電一體化高質(zhì)量發(fā)展。岑可法等[72]提出低階煤分級(jí)轉(zhuǎn)化發(fā)電技術(shù)發(fā)展路線，并指出以發(fā)電為主的煤熱解氣化燃燒分級(jí)轉(zhuǎn)化，開(kāi)展近零排放污染物灰渣資源化回收技術(shù)研究同樣具有巨大潛力。可見(jiàn)，面向富油煤地面熱解一體化技術(shù)發(fā)展，具有較強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿邦A(yù)期性。

3.2 富油煤井工式原位熱解技術(shù)

富油煤地面熱解技術(shù)屬于開(kāi)采后異位熱解方法，而富油煤原位熱解技術(shù)因可實(shí)現(xiàn)“取氫固碳”的目的，同樣具有綠色低碳開(kāi)發(fā)的巨大潛力。前期相關(guān)學(xué)者對(duì)煤炭地下原位熱解開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行過(guò)一定探索。如:葛世榮[73]曾提出煤炭地下原位熱解的2種方案，即:① 通過(guò)含催化劑的高溫介質(zhì)開(kāi)展地下煤炭原位干餾技術(shù);② 通過(guò)電磁感應(yīng)、微波輻射加熱技術(shù)的原位熱解技術(shù)，而上述技術(shù)在頁(yè)巖油原位開(kāi)采中亦有探討[74-76]。此外，謝和平等[77]提出煤炭原位流態(tài)化開(kāi)采技術(shù)，并指出實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵在于:小型化、精準(zhǔn)化及穩(wěn)定可控性。立足于富油煤井工式原位熱解技術(shù)，通過(guò)將熱量直接引入富油煤層，把煤層作為天然地下化工廠，以實(shí)現(xiàn)原位提取煤中焦油和煤氣、并將半焦存留地下待二次開(kāi)發(fā)。與低中成熟度頁(yè)巖油原位開(kāi)采相比，富油煤具有更大的熱解生油潛力;而與煤炭地下氣化技術(shù)相比，由于多數(shù)碳被固定在地下，不存在明顯的采動(dòng)空間而造成上覆巖層大規(guī)模損傷變形、地下水污染等問(wèn)題，技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

井工式原位熱解技術(shù)是在富油煤有利區(qū)開(kāi)展井巷工程布置，并利用井下巷道開(kāi)展煤層分割、保溫封閉處理、加熱前工程布置、井下收油等;基本流程分為3步:首先，按照傳統(tǒng)井工式開(kāi)采方式，從地面鑿出井筒，并采用煤層平巷分割煤層，同時(shí)開(kāi)展井下油氣收集系統(tǒng)布置;其次，在分隔煤層內(nèi)部進(jìn)行加熱通道、熱解油氣通道布設(shè)，同時(shí)開(kāi)展煤層密封保溫;最后，開(kāi)展煤層原位熱解，并通過(guò)專門井下熱解油氣系統(tǒng)進(jìn)行熱解油氣產(chǎn)物收集，并通過(guò)專門輸運(yùn)管道實(shí)現(xiàn)地面輸送和提質(zhì)(圖8)。

圖8 富油煤井工式原位熱解工藝示意Fig.8 Schematic map of underground in situ pyrolysis of tar-rich coal

其中，加熱方式是實(shí)現(xiàn)井工式原位熱解的重點(diǎn)工作之一。筆者推薦采用:① 向煤層布置等密度加熱棒，采用電加熱方式進(jìn)行熱解;② 采用含有催化劑的高溫介質(zhì)(如過(guò)熱水蒸氣等)進(jìn)行加熱。此外，探索發(fā)展大功率電加熱原位熱解、過(guò)熱水蒸氣原位熱解、小型核反應(yīng)堆加熱原位熱解、微波/電磁波加熱原位熱解等技術(shù)也是未來(lái)實(shí)現(xiàn)井工式原位熱解的重要方向。但采用高功率熱源面臨關(guān)鍵的瓶頸是:煤基質(zhì)導(dǎo)熱性低、熱量易積聚，需提高煤層中流體熱對(duì)流條件，因此，開(kāi)展煤層預(yù)增透以實(shí)現(xiàn)高溫介質(zhì)的有效熱傳導(dǎo)與熱交換，是解決煤層導(dǎo)熱系數(shù)低的前期性工作。目前在井下煤層增透方面已積累大量成功經(jīng)驗(yàn)[78-79]。而煤層注熱熱源可通過(guò)礦區(qū)布設(shè)的太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源系統(tǒng)產(chǎn)生。相關(guān)熱源供給方式可大幅降低地下氣化熱源成本，也可緩解分布式能源棄用等問(wèn)題。

此外，富油煤熱解后煤焦油的高效收集技術(shù)是該方法的另一關(guān)鍵問(wèn)題。考慮熱解焦油在高溫條件呈氣態(tài)流出，但在常溫下易形成流動(dòng)較弱的黏稠狀或固體狀。而采用井工式原位熱解+井下油氣收集的開(kāi)采方式，可有效縮短油氣運(yùn)氣距離，便于二次加熱和儲(chǔ)集。其不僅可大幅提高工程布置效率和準(zhǔn)確性，同時(shí)有利于提高富油煤熱解的油氣產(chǎn)出量。此外，井工式原位熱解技術(shù)為加熱方式的選擇提供了開(kāi)放的空間條件，為熱量輸入提供了最短輸入時(shí)間。因此，相較鉆孔式原位熱解技術(shù)，井工式原位熱解不失為富油煤原位開(kāi)發(fā)預(yù)期性較強(qiáng)的技術(shù)方法。

3.3 富油煤鉆孔式原位熱解技術(shù)

鉆孔式原位熱解技術(shù)是通過(guò)注熱孔和油氣抽采孔實(shí)現(xiàn)抽采循環(huán)過(guò)程，其以小鉆孔為基礎(chǔ)，并采用人工造縫作為輔助方法，通過(guò)高溫介質(zhì)或電加熱方式開(kāi)展富油煤熱解，并在收油鉆孔開(kāi)展二次加熱收油?；玖鞒掏瑯涌煞譃?步:① 通過(guò)水平井形成電加熱通道，抽采井與水平井相連，并在孔底造穴形成油氣抽采過(guò)渡區(qū);② 在煤層中開(kāi)展人工造縫形成微裂隙，并保持孔壁完整;③ 放置電加熱棒并持續(xù)一定時(shí)長(zhǎng)，再開(kāi)展熱解油氣產(chǎn)物抽取。對(duì)應(yīng)的熱源供給同樣可來(lái)自礦區(qū)的太陽(yáng)能、風(fēng)能等分布式能源。

此外，隔層式鉆孔原位熱解技術(shù)也可作為富油煤熱解后期重點(diǎn)考慮的方式之一，其通過(guò)將主加熱源布置在距離煤層一定距離的巖層中，并通過(guò)羽狀分支與煤層溝通，通過(guò)加熱使熱解油氣流入隔層及油氣抽采過(guò)渡區(qū)(孔底洞穴)，并通過(guò)油氣分離與收集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)油氣抽采(圖9)。相較煤層鉆孔原位熱解技術(shù)而言，優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)為:① 巖層熱傳導(dǎo)性較煤層較好，可使上下煤層受熱更加均勻，防止熱量出現(xiàn)局部積聚;② 圍巖在低中溫(200～600 ℃)條件下熱穩(wěn)定性相對(duì)較好、滲透性較高，有利于油氣產(chǎn)物運(yùn)移、產(chǎn)出。但隔層式加熱關(guān)鍵問(wèn)題在于:隔層的選取與定位，其既要保證隔層與煤層的充分溝通，同時(shí)需避免隔層在順層方向的熱損失問(wèn)題。

圖9 富油煤鉆孔式原位熱解工藝示意Fig.9 Schematic map of Borehole in-situ pyrolysis of tar-rich coal

而加熱方式也是實(shí)現(xiàn)鉆孔式原位熱解需考慮的重點(diǎn)問(wèn)題之一。其中，大功率電加熱原位熱解開(kāi)發(fā)技術(shù)、過(guò)熱水蒸氣、超臨界水加熱、微波/電磁波加熱等方式，在鉆孔式原位熱解技術(shù)同樣具有較好的應(yīng)用條件。但目前存在亟待解決的問(wèn)題包括:① 富油煤導(dǎo)熱性相對(duì)較低，大功率熱源雖可有效提高油氣產(chǎn)出效率，但地下溫度場(chǎng)可控性及熱量局部積聚效應(yīng)亟待開(kāi)展專項(xiàng)攻關(guān)研究;② 富油煤具有低孔、低滲的天然地質(zhì)條件，而過(guò)熱水蒸氣和超臨界水雖可有效改善油氣產(chǎn)出率和產(chǎn)出品質(zhì)，但如何最大化實(shí)現(xiàn)熱對(duì)流與熱交換，是此2種技術(shù)面臨的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題;③ 富油煤熱解不僅涉及煤層空間調(diào)整的過(guò)程，同樣多相多場(chǎng)條件下動(dòng)態(tài)熱傳導(dǎo)特性也影響熱解油氣的產(chǎn)出規(guī)律，需要關(guān)注熱解過(guò)程中的煤層多相多場(chǎng)耦合機(jī)制問(wèn)題;④ 煤焦油易在常溫條件下凝固形成黏稠狀、半固結(jié)狀，如何實(shí)現(xiàn)煤焦油在煤層、鉆孔中長(zhǎng)距離保溫運(yùn)移是后期同樣亟需攻克的技術(shù)難題。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)富油煤概念及油氣屬性特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)化闡述，明確了富油煤主要賦存于中低階煤類中，核心特點(diǎn)為因富含較多熱解可生成油氣的富氫結(jié)構(gòu)，焦油產(chǎn)率較高;其中，熱解生成的半焦主要成分為固定碳，與無(wú)煙煤相近;生成的氣主要為CH4，H2，CO和烴類氣體等;生成的油為煤焦油，類似于重質(zhì)石油，可通過(guò)前處理、加氫精制和加氫催化裂化工藝等達(dá)到清潔燃料油標(biāo)準(zhǔn)。

(2)富油煤賦存的關(guān)鍵地質(zhì)問(wèn)題為形成機(jī)理及預(yù)測(cè)理論，后期研究建議以富氫結(jié)構(gòu)為切入點(diǎn)，從分子水平研究富氫結(jié)構(gòu)的巖石學(xué)、沉積學(xué)特征及控制規(guī)律;同時(shí)，關(guān)注富油煤物質(zhì)來(lái)源、沉積轉(zhuǎn)化、變質(zhì)演化、聚集規(guī)律及地質(zhì)驅(qū)動(dòng)機(jī)制;著力于富油煤作為煤基油氣資源的預(yù)測(cè)模式與評(píng)價(jià)理論構(gòu)建研究。

(3)富油煤綠色低碳化開(kāi)發(fā)方向?yàn)?中低溫?zé)峤狻疤崛淞籼肌?，筆者嘗試提出了地面熱解綜合開(kāi)發(fā)技術(shù)、井工熱解技術(shù)及鉆孔熱解技術(shù)3條技術(shù)構(gòu)想;其中，地面熱解綜合開(kāi)發(fā)技術(shù)可通過(guò)富油煤熱解-氣化一體化、熱解-化工-發(fā)電一體化反應(yīng)裝置，實(shí)現(xiàn)富油煤高效、清潔利用;而井工式原位熱解技術(shù)通過(guò)井巷工程布置方式，利用井下巷道開(kāi)展煤層分割、保溫封閉，通過(guò)煤層原位加熱實(shí)現(xiàn)井下熱解收油;鉆孔式原位熱解技術(shù)通過(guò)注熱孔加熱和油氣抽采孔收油，并借助人工輔助造縫，可實(shí)現(xiàn)加熱收油。同時(shí)，對(duì)以上技術(shù)構(gòu)想存在的關(guān)鍵性科學(xué)難題進(jìn)行了簡(jiǎn)要評(píng)述。