不同密度分级下富油煤微观结构研究.pdf

勘探开发 158 2023年第11期我国资源结构呈“缺油、少气、相对富煤”的特点，这决定了煤炭在一次性能源生产和消费中的相对主导地位。随着社会经济的快速发展，煤炭的生产和消费呈快速增长的趋势。因此，石油供不应求的问题成为了我国能源发展的关键性问题1。富油煤通过热解可以产出油、气和半焦，可作为煤基油气资源缓解油气供应紧张的局面，且具有较大的资源潜力。煤田地质学中对富油煤的定义是：低温干馏焦油产率（Tar.d）为7%12%2。广义将焦油产率大于7%的煤定义为富油煤。富油煤中不稳定化学结构是在低温（300600）热解下可转化为油气资源的煤主要结构，是评价煤基油气资源潜力的关键要素，富油煤结构的准确预测是目前亟待解决的关键问题之一。本文从宏观密度出发，分析不同密度下富油煤的微观物质结构，旨在探讨富油煤微观结构的密度响应特征。1 样品采集与处理1.1 样品采集样品采自陕北侏罗纪煤田，研究区内地层由老至新依次有3，4：三叠系上统永坪组（T3y），侏罗系中统延安组（J2y）、直罗组（J2z）、安定组（J2a）、新近系上新统保德组（N2b），第四系中更新统离石组（Q2l），第四系上更新统萨拉乌苏组（Q3s）和马兰组（Q3m），第四系全新统风积沙（Q4eol）和冲积层（Q4al），其中延安组为本区含煤地层，垂向层序结构明显，自下而上划分为五个中级旋回岩段，分别含5个煤组。1.2 样品制备将样品粉碎至过200目筛，并采用比重液是氯化锌溶液（GB474）5对样品分离，具体操作步骤如下：在烧杯中配置一定相对密度的氯化锌溶液（需加入适量的稀盐酸）；将煤粉样品倒入烧杯中，充分搅拌至充分混合，再用超声波振荡510分钟；静置12小时，捞起浮煤；按比重0.05的间隔配置氯化锌溶液相对密度，重复上述步骤。1.3 红外光谱分析红外光谱法是根据分子振动和转动反馈出的信息来鉴定有机质的结构及化学成分的技术。绝大多数有机质的振动能级跃迁引起的吸收都出现在中红外光谱区，其吸收峰一般反应基团的伸缩振动，所以主要用于鉴定官能团。可将煤的红外光谱吸收峰归为四类6，7：芳不同密度分级下富油煤微观结构研究李新1 韩波1 张哲豪1 何羽飞1 常进宇1 赵奔2*1.中国石油集团测井有限公司地质研究院 陕西 西安 7100772.西安科技大学地质与环境学院 陕西 西安 710054摘要：富油煤作为煤基油气资源对缓解国内油气供给具有巨大的资源潜力。本文以陕北富油煤为研究对象，通过红外光谱分析研究富油煤微观结构的宏观密度分级特征，分级密度为1.2g/cm3、1.25g/cm3、1.28g/cm3、1.325g/cm3、1.47g/cm3、1.47g/cm3。结果表明，随着密度级的增大，苯环结构类型增多，含量增多，脂肪结构整体呈递减规律，其中脂肪结构中CH3-、CH2-含量减少更为显著。关键词：富油煤 分子结构 密度 陕北 Mo l e c u l a r S t r u c t u r e o f F l o a t i n g T a r-r i c h C o a l w i t h d i f f e r e n t d e n s i t yL i X i n1，H a n B o1，Z h a n g Z h e h a o1，H e Y u f e i1，C h a n g J i n y u1，Z h a o B e n2*1.Geological Research Institute，China National Logging Corporation，Xian 710077 2.College of Geology and Environment，Xi an University Science and Technology，Xian 710054 Abstract：Tar-rich coal，as a feedstock of oil and gas，is widely distribution and has enormous potential to alleviate domestic oil and gas supply.In this work，tar-rich coal with different density were floated by specific gravity fluid and analyzed by FT-IR.These densities are 1.2g/cm3，1.25g/cm3，1.28g/cm3，1.325g/cm3，1.47g/cm3，1.47g/cm3 respectively.The results show that as the density level increased，the content of benzene ring structures increased，and the fat structure overall decreased，especially the structure of CH3-、CH2-.Keywords：tar-rich coal；molecular structure；density；northern Shaanxi中国石油集团课题（2 0 2 1 D J 3 8 0 5）含煤盆地富油煤岩石物理响应与测井方法研究 资助 159 勘探开发2023年第11期香烃结构（700900cm-1）、含氧、氮、硫官能团（10001800cm-1）、脂肪官能团（28003000cm-1）、羟基官能团（30003600cm-1）。2 富油煤分子结构分析2.1 芳香结构吸收峰解析波数在700900cm-1属于指纹区，由于各单键振动与C-H振动的相互作用，使得该区域的图谱较复杂。该区大致有3个明显的特征峰，分别位于波数为750cm-1、810cm-1、860cm-1左右（图1）。各密度下苯环二取代与苯环三取代相对含量都很高，尤其在密度为1.2g/cm3时苯环二取代的含量异常高。单取代芳烃在各密度级下含量很少，呈现先升后降的趋势；二取代芳烃随密度增大总体呈上升趋势；同样，三取代芳烃含量起伏不大，但总体呈现一个增多的规律；四取代芳烃含量随密度先增加，到密度为1.28g/cm3时达到最图1 芳香结构分峰拟合：（a）（f）的浮煤密度分别为1.2g/cm3、1.25g/cm3、1.28g/cm3、1.325g/cm3、1.47g/cm3、1.47g/cm3值，然后有缓慢下降；五取代芳烃除在密度为1.25g/cm3时含量异常高意外，其他密度级下含量变化不大，呈一个先升后降的趋势，在密度等于1.47g/cm3时开始下降。2.2 脂肪吸收带解析波数在28003000cm-1的吸收峰归属与脂肪结构吸收带。脂肪结构的官能团类型主要是-CH3、-CH2以及CH的伸缩振动（图2）。图2 脂肪结构分峰拟合：（a）（f）的浮煤密度分别为1.2g/cm3、1.25g/cm3、1.28g/cm3、1.325g/cm3、1.47g/cm3、1.47g/cm3勘探开发 160 2023年第11期脂肪结构中各官能团随密度增加的相对含量及趋势见图4.28。脂肪结构较其他结构来说，规律性明显。脂肪结构中存在归属不明确的官能团种类，其含量大约在5%左右，趋势平缓；对称CH2、CH3的伸缩振动趋势平缓，随密度增大呈微缓的上升趋势，不是很明显；CH伸缩振动除密度等1.47g/cm3时异常低以外，整体呈上升趋势；不对称CH2、CH3的伸缩振动含量随密度增大，先下降在上升，然后在密度大于1.47g/cm3时又下降。3 结论（1）陕北侏罗纪富油煤可以利用比重液（ZnCl2溶液）可以进行不同密度分级，分级密度主要介于1.21.47g/cm3。（2）随着密度级的增大，苯环结构类型增多，含量增多。（3）随着密度级的增大，脂肪结构中的CH3-、CH2-含量的减少；脂肪结构整体呈递减规律。参考文献1 邱欣.“一带一路”国家石油贸易网络结构及中国石油进口稳定性分析 D.兰州:兰州大学，2020.2 邵震杰，任文忠，陈家良.煤田地质学 M.北京:煤炭工业出版社，1993.3 安泉.神府煤煤岩显微组分表面性质与油泡浮选研究 D.西安:西安科技大学，2020.4 魏晓晗.神府区块煤层气储层测井综合评价研究 D.北京:中国石油大学（华东），2017.5 罗陨飞，李文华.中低变质程度煤显微组分大分子结构的 XRD 研究 J.煤炭学报，2004（3）:338-341.6 余海洋，孙旭光.江西乐平晚二叠世煤成烃机理红外光谱研究 J.光谱学与光谱分析，2007（5）:858-862.7 李鹏鹏.杜儿坪 2 号煤结构模型构建及其分子模拟 D.太原:太原理工大学，2014.作者简介李新（1967），男，毕业于江汉石油学院，教授级高工，现从事岩石物理性质及测井方法研究。通讯作者简介赵奔（1999-），男，陕西咸阳人，在读硕士，主要从事富油煤沉积环境判识研究，。以及钻井液密度的大小对井壁稳定性影响较大，是泸州区块井壁坍塌主控因素。参考文献1 罗超，李金玺，李智武，等.四川盆地泸州区块构造变形特征及形成过程 J.成都理工大学学报（自然科学版），2022，49（6）:665-673.2 王建龙，于志强，苑卓，等.四川盆地泸州区块深层页岩气水平井钻井关键技术 J.石油钻探技术，2021，49（6）:17-22.3CundallP，StrackA.Adiscretenumericalmodelforgranularassemblies.Geotechnique.1979;29（1）:4765.16（4）.4Itasca:UDECUser sManual.（2011），ItascaConsultingGroupInc.，Minneapolis.Minnesota.5Wei，Y.，Feng，Y.，Deng，J.，Li，X.，2022.Hydro-mechanicalmodelingofboreholebreakoutinnaturallyfracturedrocksusingdistinctelementmethod.Geomech.EnergyEnviron.31，100287.6Wei，Y.，Feng，Y.，Zhang，C.，Deng，J.，2021.Numericalinvestigationofprogressiveboreholebreakoutinnaturallyfracturedformations.In:Proceedingat55thU.S.RockMechanics/GeomechanicsSymposium，Houston，Texas，June2021.7 地应力测量原理和技术 M.科学出版社，蔡美峰等著，19958 张震，万秀梅，吴鹏程，等.川南龙马溪组深层页岩井壁失稳原因分析及对策 J.特种油气藏，2022，29（1）:160-168.9 朱荣东，陈平，夏宏泉，等.裂缝井壁力学稳定性研究 J.断块油气田，2007（05）:56-58+96.10 王跃鹏，孙正财，刘向君等.煤层割理结构及其对井壁稳定的影响研究 J.油气藏评价与开发，2020，10（4）:45-52.11 张光福，何世明，汤明，等.基于 3DEC 离散元的煤层井壁稳定性 J.科学技术与工程，2020，20（4）:1367-1373.（上接第1 1 9 页）