澳大利亞Bowen盆地與Surat盆地煤層特征及應(yīng)用

王 磊

(1. 中國石化集團(tuán)國際石油勘探開發(fā)有限公司, 北京市朝陽區(qū), 100029；2. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京市朝陽區(qū), 100029；3. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京), 北京市海淀區(qū), 100083)

Bowen盆地和Surat盆地位于澳大利亞昆士蘭州東南部。Bowen盆地為早二疊世-中三疊世的前陸盆地，位于南緯20°～29°，東經(jīng)145°～150°之間，近南北走向，面積約20萬km2，盆地東部以一系列南北向發(fā)育的逆沖斷層為界。Surat盆地為早侏羅至早白堊世穩(wěn)定地塊上發(fā)育的克拉通內(nèi)坳陷盆地。Surat盆地位于南緯25°～32°，東經(jīng)144°～151°之間，面積約27萬km2，盆地整體位于Bowen盆地南部，其北部不整合疊置于Bowen盆地南部之上，基底為下古生界變質(zhì)巖。Bowen盆地最大沉積厚度約9000 m，其早二疊世為淺海、邊緣海沉積，主要煤層均為河流三角洲沉積環(huán)境；Surat盆地下部為陸相侏羅系沉積，地層單元可分為J、K和L 3個(gè)超級(jí)序列，每個(gè)超級(jí)序列基底由砂巖組成，與下層單元呈現(xiàn)穿時(shí)不整合關(guān)系，砂巖被向上變細(xì)的煤和湖泊沉積的泥質(zhì)和碳質(zhì)巖相上覆，盆地部分區(qū)域沉積厚度達(dá)3000 m。鏡質(zhì)體反射率值表明這些侏羅系地層單元為不成熟或低成熟度，生烴潛力有限。

該區(qū)域的研究已經(jīng)取得了大量的成果，但對(duì)兩個(gè)盆地煤的工業(yè)分析和顯微組分的研究較少，兩個(gè)盆地煤層的對(duì)比關(guān)系仍需進(jìn)一步研究。本文對(duì)在Bowen盆地采集的4口井46個(gè)煤巖樣品和在Surat盆地采集的7口井198個(gè)煤巖樣品進(jìn)行了系統(tǒng)的煤工業(yè)分析和顯微組分研究。

1 主要含煤層系

Bowen盆地主要含煤層系為二疊系Bandanna組CRB1、CRB2和CRB3層，煤層埋深500～1000 m，分布穩(wěn)定，單層厚度大，含煤層數(shù)少，橫向上與Rangal和Baralaba 煤系地層水平相當(dāng)，可進(jìn)行區(qū)域?qū)Ρ?。CRB1和CRB3層為區(qū)域連續(xù)穩(wěn)定分布的厚度最大的煤層，單層厚度2～3 m，CRB2層相對(duì)較薄，厚度為0.5～0.8 m，煤層累計(jì)平均厚度約8 m。煤鏡質(zhì)體反射率一般大于0.8%，主要為中階煤，包括氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤等，部分地區(qū)為高階煤，包括貧煤、無煙煤。

Surat盆地主要含煤層系為中侏羅世Walloon亞群的Upper Juandah、Lower Juandah和Taroom煤組。其中，Upper Juandah煤組又可以劃分為Kogan和Macalister煤層，Macalister煤層又細(xì)劃分為Upper Macalister和Lower Macalister煤層；Lower Juandah煤組細(xì)分為Nangram、Wambo、Iona和Argyle煤層；Taroom煤組可以細(xì)分為Auburn、Bulwer和Condamine煤層。

Walloon亞群煤層埋深為100～1000 m，具有含煤層數(shù)多、煤層薄的特點(diǎn)，一般為10～25層，單煤層厚度以0.5～1.4 m薄層為主，在Talinga氣田單煤層變厚，可達(dá)1.8～3.5 m，累計(jì)厚度平均約20 m。煤鏡質(zhì)體反射率一般為0.4%～0.6%，為低階煤，以褐煤為主，長焰煤次之。

2 煤的工業(yè)分析

煤是一種多孔性的固體，含有一定的水分，其含量和存在狀態(tài)與煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外界條件有關(guān)。煤中的水分包括游離水和化合水。煤中游離水是指與煤呈物理態(tài)結(jié)合的水，它吸附在煤的外表面和內(nèi)部孔隙中。煤的灰分，是指煤完全燃燒后剩下的殘?jiān)?。灰分含量越高，煤層吸附氣量越少；灰分含量越低，煤層中的裂縫越發(fā)育、滲透率越高。煤的揮發(fā)分，即煤在一定溫度下隔絕空氣加熱，逸出物質(zhì)(氣體或液體)中減掉水分后的含量。煤中去掉水分、灰分、揮發(fā)分，剩下的就是固定碳。煤的固定碳是表征煤的變質(zhì)程度(煤化程度)的一個(gè)指標(biāo)，隨變質(zhì)程度的增高而增高。所以一些國家以固定碳作為煤分類的一個(gè)指標(biāo)。

煤的工業(yè)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，Bowen盆地煤樣品固定碳含量高，68%的樣品固定碳含量為45%～60%；68%樣品的灰分含量為7%～20%；72%樣品的揮發(fā)分為20%～30%。另外，煤樣品的水分含量小于10%，如圖1所示。

圖1 Bowen盆地煤樣品工業(yè)分析

Surat盆地固定碳含量較Bowen盆地偏低，81%的樣品固定碳含量為20～40%，且所有樣品固定碳含量最大值僅為46.3%。樣品灰分含量明顯偏高，主要分布于10%～40%，72%的樣品灰分大于20%。揮發(fā)分含量也明顯高于Bowen盆地，主要分布于30%～45%。另外，煤樣品的水分含量小于10%，如圖2所示。

圖2 Surat盆地煤樣品工業(yè)分析

在煤化作用過程中，成煤物質(zhì)發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)變化，揮發(fā)分含量和含水量減少，固定碳含量和發(fā)熱量增加，Bowen盆地煤層固定碳含量比Surat盆地煤層固定碳含量高約20%，灰分低約10%，揮發(fā)分低約15%，表明Bowen盆地二疊系Bandanna組煤層煤化程度高于Surat盆地Walloon亞群煤層。

實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，兩個(gè)盆地的煤巖樣品的碳含量百分比與樣品的密度成線性負(fù)相關(guān)，如圖3所示。

圖3 Bowen盆地與Surat盆地煤巖碳含量百分比與密度關(guān)系圖

由圖3可知，隨著煤化程度增加，煤巖樣品中碳含量逐漸增加，煤巖密度逐漸降低，主要原因是純煤密度小于煤巖中非煤成分的密度。根據(jù)擬合公式可以計(jì)算出Bowen盆地純煤的密度為0.68 g/cm3，而Surat盆地煤巖根據(jù)擬合公式推算不出來純煤密度，說明Surat盆地煤層煤化作用達(dá)不到純煤等級(jí)，主要是由于Surat盆地煤化程度低，樣品中非煤成分含量過高而造成的。

3 煤的顯微組分

在光學(xué)顯微鏡下能夠識(shí)別出來的組成煤的基本成分稱為煤的顯微組分，顯微組分源自于泥炭沉積期的植物碎片，植物類型由植物群落、氣候、生態(tài)及沉積環(huán)境控制，按煤的成分和性質(zhì)分為有機(jī)顯微組分和無機(jī)顯微組分。煤巖有機(jī)顯微組分通常分為鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰質(zhì)組。

鏡質(zhì)組是煤中最常見、最重要的顯微組分，主要由植物的木質(zhì)-纖維組織受凝膠化作用轉(zhuǎn)化而成的顯微組分。鏡質(zhì)組含量是影響煤層含氣量和煤層物性的重要因素之一。殼質(zhì)組主要是由高等植物繁殖器官、樹皮、分泌物以及藻類等形成的反射力最弱的顯微組分的總稱。惰質(zhì)組又稱絲質(zhì)組，是由植物遺體主要受絲炭化作用轉(zhuǎn)化而成的顯微組分的總稱。少數(shù)惰質(zhì)組來源于真菌遺體或是在熱演化過程中次生的顯微組分。煤巖有機(jī)顯微組分中殼質(zhì)組生烴能力最強(qiáng)，鏡質(zhì)組次之，惰質(zhì)組最差。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，Bowen盆地樣品顯微組分含量見圖4。鏡質(zhì)組含量主要分布在30%～90%，其中，76%的樣品鏡質(zhì)組含量大于50%；81%樣品的殼質(zhì)組含量小于5%；惰質(zhì)組含量高，離散分布于10%～60%。

圖4 Bowen盆地樣品顯微組分含量

Surat盆地樣品顯微組分含量見圖5。鏡質(zhì)組含量明顯高于Bowen盆地，93%的樣品鏡質(zhì)組含量大于60%；殼質(zhì)組含量也明顯高于Bowen盆地，60%樣品的殼質(zhì)組含量分布于10%～20%；Surat盆地惰質(zhì)組含量明顯低于Bowen盆地，89%樣品的惰質(zhì)組含量小于10%；Surat盆地殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組含量明顯高于Bowen盆地，顯示Surat盆地煤層生烴潛力大于Bowen盆地。

圖5 Surat盆地樣品顯微組分含量

鏡質(zhì)體反射率是鏡質(zhì)體(在綠光中)的反射光強(qiáng)度對(duì)垂直入射光強(qiáng)度的百分比。鏡質(zhì)體反射率隨煤化程度增高而增大，是煤化程度最重要指標(biāo)。Bowen盆地與Surat盆地鏡質(zhì)體反射率隨深度變化關(guān)系圖見圖6。

樣品數(shù)據(jù)顯示，Bowen盆地煤層鏡質(zhì)體反射率值分布于0.73%～0.96%之間，屬于中等成熟度，為Ⅱ型與Ⅲ型中煤級(jí)煤。4口井(SCG2、HUC2、COR2、ROSTN2)的樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及擬合曲線中有3口井?dāng)?shù)據(jù)顯示Bowen盆地鏡質(zhì)體反射率與深度成正比，如圖6(a)所示，分析主要原因是Bowen盆地煤層埋深較大，且隨深度增加，煤層地質(zhì)年代更早，地層溫度壓力增大，煤層熱演化程度和成熟度更高。

樣品數(shù)據(jù)顯示Surat盆地煤層鏡質(zhì)體反射率分布于0.4%～0.65%之間，屬于低成熟度，為低煤級(jí)煤和Ⅰ型中煤級(jí)煤。Surat盆地7口井(Clifford 3、CB14、CB23、CB140、HC8、RY19IN、GG10)樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及擬合曲線顯示Surat盆地鏡質(zhì)體反射率與深度關(guān)系不明顯，如圖6(b)所示，分析主要原因?yàn)镾urat盆地煤層埋深較淺，且煤層熱演化程度和成熟度都較低，因此鏡質(zhì)體反射率與煤層深度沒有形成較好的關(guān)系。

圖6 Bowen盆地與Surat盆地鏡質(zhì)體反射率隨深度變化關(guān)系圖

4 開發(fā)及建議

對(duì)比Bowen盆地與Surat盆地的煤樣品，Bowen盆地煤為二疊系煤層，生成時(shí)間早，熱演化周期長，煤化程度和煤成熟度高，鏡質(zhì)體反射率高，固定碳含量高，達(dá)到了煙煤級(jí)別，易于著火和燃燒，而且灰分和水分含量較少，發(fā)熱量較高。因此Bowen盆地煤適合做燃料，用于發(fā)電、工業(yè)鍋爐用煤、生活用煤及冶金用動(dòng)力煤等，同時(shí)也可用作煉焦原料。Surat盆地煤為侏羅系煤層，生成時(shí)間相比Bowen盆地煤晚，熱演化程度和煤化程度低，由于高揮發(fā)分和高灰分，超出民用煤的質(zhì)量控制指標(biāo)，不宜做民用煤。根據(jù)該盆地低鏡質(zhì)體反射率值和低固定碳含量，Surat盆地煤為褐煤。褐煤熱解后可以制作半焦和煤焦油。另外，Surat盆地煤層鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組含量高，生烴潛力大，可以生成具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的煤層氣，因此該盆地煤層還可以用來進(jìn)行煤層氣開發(fā)。

澳大利亞煤炭資源利用具有煤礦規(guī)模大、煤礦生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)水平世界領(lǐng)先、產(chǎn)業(yè)集中度高的特點(diǎn)，且澳大利亞社會(huì)穩(wěn)定，投資環(huán)境良好，有利于企業(yè)投資。海外煤炭和煤層氣項(xiàng)目投資額度均較大，建議中國的石油、煤炭、電力、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)企業(yè)可以組建聯(lián)合公司前往澳大利亞投資，并聯(lián)合當(dāng)?shù)赜谐墒旃芾斫?jīng)驗(yàn)的企業(yè)共同開發(fā)Bowen盆地與Surat盆地煤炭資源和煤層氣資源，也可以充分利用當(dāng)?shù)氐娜A人團(tuán)體，聘請(qǐng)優(yōu)質(zhì)的律師團(tuán)隊(duì)，在處理征地、社區(qū)問題上發(fā)揮作用。中國的企業(yè)應(yīng)該合理調(diào)整自己的預(yù)期，提前做好充分的盡職調(diào)查以及應(yīng)對(duì)方案，以降低投資風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

Bowen盆地煤層固定碳含量高，約為45%～60%，灰分含量主要為7%～20%，揮發(fā)分含量為20%～30%，水分含量小于10%。Surat盆地煤層固定碳含量主要為20%～40%，灰分含量主要分布于10%～40%，揮發(fā)分主要分布于30%～45%，水分含量小于10%。Bowen盆地煤層固定碳含量比Surat盆地煤層固定碳含量高約20%，顯示Bowen盆地二疊系Bandanna組煤層煤化作用高于Surat盆地中侏羅系Walloon亞群煤層。

Bowen盆地煤層鏡質(zhì)組含量為30%～90%，大多數(shù)樣品殼質(zhì)組含量小于5%，惰質(zhì)組含量高，分布在10%～60%之間。Surat盆地煤層鏡質(zhì)組大于70%，殼質(zhì)組含量為10～20%，惰質(zhì)組含量小于10%。Surat盆地殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組含量明顯高于Bowen盆地，顯示Surat盆地煤層生烴潛力大于Bowen盆地。

Bowen盆地煤層鏡質(zhì)體反射率值分布于0.73%～0.96%之間，屬于中等成熟度，為Ⅱ型與Ⅲ型中煤級(jí)煙煤，該煤適合做燃料，同時(shí)也可用作煉焦原料。Surat盆地煤層鏡質(zhì)體反射率值分布于0.4%～0.65%之間，屬于低成熟度，為低煤級(jí)煤和Ⅰ型中煤級(jí)褐煤，褐煤熱解后可以制作半焦和煤焦油。另外，Surat盆地煤層還可進(jìn)行煤層氣開發(fā)。Bowen盆地由于煤層埋深較深，煤熱演化程度高，鏡質(zhì)體反射率與深度成正比。Surat盆地則由于煤層埋深較淺，煤熱演化程度低，鏡質(zhì)體反射率與深度關(guān)系不明顯。

通過分析Bowen盆地及Surat盆地煤層特點(diǎn)，認(rèn)為澳大利亞具有成熟的可開發(fā)煤炭資源，且澳大利亞社會(huì)穩(wěn)定、投資環(huán)境良好，建議中國的石油、煤炭、電力、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)企業(yè)可以組建聯(lián)合公司前往澳大利亞投資，并提前做好充分的盡職調(diào)查以及應(yīng)對(duì)方案，以降低投資風(fēng)險(xiǎn)。