黃陵礦區(qū)富油煤焦油產(chǎn)率與補(bǔ)償密度關(guān)系模型預(yù)測(cè)方法研究

閆和平, 段中會(huì)，王金鋒

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州 221116； 2.陜西省一九四煤田地質(zhì)有限公司，陜西銅川 727000； 3.陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司，西安 710021)

0 引言

我國(guó)化石能源具有“富煤、缺油、少氣”的特點(diǎn)，近年來(lái)國(guó)際形勢(shì)復(fù)雜，為了保障能源安全，國(guó)家特別重視煤化工產(chǎn)業(yè)，特別是煤制油產(chǎn)業(yè)[1]。煤焦油產(chǎn)率是煤制油產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)重要參數(shù)，焦油產(chǎn)率通常要通過(guò)化驗(yàn)測(cè)試來(lái)確定，以往地質(zhì)勘查對(duì)煤樣焦油產(chǎn)率的測(cè)試樣品少、比例低。現(xiàn)在對(duì)于未開(kāi)發(fā)的煤田的焦油產(chǎn)率評(píng)價(jià)，測(cè)試樣品的采集存在著很大的困難。

本文以黃陵礦區(qū)為研究范圍。黃陵礦區(qū)位于黃隴煤田北部，北起葫蘆河，南至建莊，東起店頭鎮(zhèn)，張村驛以東，西至陜，甘兩省交界，屬黃陵縣及富縣管轄[2]。

本次研究通過(guò)收集整理黃陵礦區(qū)煤質(zhì)測(cè)試資料、煤田測(cè)井資料，在測(cè)井學(xué)、煤田地質(zhì)學(xué)、巖石物理學(xué)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)地質(zhì)理論指導(dǎo)下，開(kāi)展富油煤焦油產(chǎn)率及與測(cè)井參數(shù)、煤質(zhì)參數(shù)等關(guān)聯(lián)參數(shù)敏感性分析，建立了富油煤焦油產(chǎn)率與測(cè)井補(bǔ)償密度關(guān)系模型，為焦油產(chǎn)率預(yù)測(cè)總結(jié)了一種新方法。且該預(yù)測(cè)模型計(jì)算得出的焦油產(chǎn)率誤差較小，為富油煤焦油產(chǎn)率評(píng)價(jià)提供了另外一種可能，對(duì)未開(kāi)發(fā)煤田焦油產(chǎn)率預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)具有一定探索意義。

1 煤焦油產(chǎn)率的影響因素

低溫焦油產(chǎn)率是評(píng)價(jià)煉油煤的主要指標(biāo)，其含量高低受鏡質(zhì)組含量控制，并隨之增高而增高[3]。一般地，低變質(zhì)程度的煤焦油產(chǎn)率較高，氫含量高的煤(如腐泥煤)焦油產(chǎn)率較高[4-7]。

1.1 煤化程度的影響

前人對(duì)煤熱解產(chǎn)物影響因素研究認(rèn)為褐煤的焦油產(chǎn)率通常為4.0%～10.0%、煙煤的焦油產(chǎn)率通常在3.0%～15.0%、無(wú)煙煤的焦油產(chǎn)率通常為0～3.0%。隨著煤化程度的提高，煤大分子骨架增多熱解的焦油產(chǎn)率逐漸下降[8]。

1.2 溫度的影響

熱解溫度是影響煤熱解產(chǎn)物產(chǎn)率和組成的重要因素。熱解溫度升高，半焦變成焦炭，固體產(chǎn)物的H和O含量逐漸降低；溫度升高對(duì)焦油產(chǎn)率影響明顯，目前普遍觀點(diǎn)認(rèn)為，溫度升高煤熱解的初級(jí)產(chǎn)物增加，而過(guò)高的溫度會(huì)引起初次產(chǎn)物的二次裂解，降低焦油產(chǎn)率，提高氣體產(chǎn)率。

當(dāng)加熱終溫由400°C提高到500°C時(shí)，集賢氣煤和東榮長(zhǎng)焰煤的焦油產(chǎn)率分別由6.03%、5.89%增加到11.72%、9.79%，在500°C時(shí)焦油產(chǎn)率達(dá)到最大，550°C和600°C時(shí)焦油產(chǎn)率略有降低，600°C以后焦油產(chǎn)率隨加熱終溫的增大而降低[9]。煤炭低溫?zé)峤獾募訜崴俣群凸釛l件對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)率和組成的影響：提高煤的加熱速度能降低半焦產(chǎn)率，增加焦油產(chǎn)率，煤氣產(chǎn)率減少；加熱速度慢時(shí)，煤質(zhì)在低溫區(qū)間受熱時(shí)間長(zhǎng)，熱解反應(yīng)的選擇性較強(qiáng)，初期熱解使煤分子中較弱的鍵斷開(kāi)，發(fā)生了平行的和順序的熱縮聚反應(yīng)，形成了穩(wěn)定好的結(jié)構(gòu)，在高溫階段分解少，而在快速加熱時(shí)，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分解多，所以慢速加熱時(shí)固體殘?jiān)a(chǎn)率高[10]。

1.3 壓力的影響

目前普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，提高熱解壓力降低焦油產(chǎn)率，增加氣體收率[11]；但也有不同觀點(diǎn)，例如研究加氫熱解過(guò)程，氫壓增大，熱解焦油收率增加，焦油輕質(zhì)化程度增加，雜原子N和S脫除率增加，分析認(rèn)為這可能與氫與自由基反應(yīng)，抑制了自由基的聚合反應(yīng)。

影響煤焦油產(chǎn)率的因素還包括沉積環(huán)境、礦物質(zhì)含量等。不同地層和巖性的特征通過(guò)地球物理測(cè)井反應(yīng)出不同的曲線和數(shù)值，焦油產(chǎn)率的高低也將間接影響到地球物理測(cè)井。理論上建立二者的關(guān)系模型是可行的。

2 密度刻度系數(shù)計(jì)算

收集到的研究區(qū)測(cè)井資料為常規(guī)煤田測(cè)井資料，包括自然電位、自然伽馬、長(zhǎng)短源距伽馬伽馬、三側(cè)向電阻率測(cè)井曲線等。長(zhǎng)短源距伽馬伽馬測(cè)井曲線必須換算為補(bǔ)償密度測(cè)井曲線。

2.1 密度計(jì)算方法

密度測(cè)井值是用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得長(zhǎng)、短源距計(jì)數(shù)率通過(guò)儀器的刻度系數(shù)計(jì)算。計(jì)算采用如下公式：

ρ=A(logJrr)2+BlogJrr+C

(1)

式中：ρ是體積密度；Jrr是長(zhǎng)(或短)源距伽馬伽馬測(cè)井?dāng)?shù)值；A、B、C是待定系數(shù)，可通過(guò)刻度得到。

當(dāng)用兩個(gè)模塊刻度儀器時(shí)，式中A=0。計(jì)算公式：

ρ=BlogJrr+C

(2)

B、C已知后可以利用該公式計(jì)算密度。

2.2 刻度系數(shù)獲取方法

密度刻度的目的就是要得到ρ=BlogJrr+C中的B、C值。B、C系數(shù)確定刻度系數(shù)B、C有兩種方法：模塊刻度法、計(jì)算方法。

由于收集資料中并無(wú)模塊刻度系數(shù)，因此只能估算。統(tǒng)計(jì)目的層段典型巖石煤、砂巖的密度值，將得到的長(zhǎng)源距測(cè)井?dāng)?shù)值代入式(2)得到聯(lián)立方程：

1.40=BlogJrr1+C

(3)

2.65=BlogJrr2+C

(4)

解該方程組，得到長(zhǎng)源距所對(duì)應(yīng)的刻度系數(shù)B、C；對(duì)于短源距，依照同樣的方法，得到短源距所對(duì)應(yīng)的刻度系數(shù)B、C。

2.3 研究區(qū)密度曲線計(jì)算

研究中選取了BK4-2井，讀取煤層和砂巖的長(zhǎng)源距伽馬計(jì)數(shù)率，煤巖長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率為4 600，砂巖計(jì)數(shù)率為400，帶入上述公式反算出刻度系數(shù)B為-1.178 5，C為5.716 4。

利用該刻度系數(shù)計(jì)算其他井的密度曲線，統(tǒng)計(jì)表明計(jì)算出的煤層段密度與實(shí)驗(yàn)室所測(cè)視密度最為接近。因此，該刻度系數(shù)適用于研究區(qū)的密度曲線計(jì)算(圖1)。

圖1 BK4-2井計(jì)算密度曲線實(shí)例Figure 1 Example of calculated density curve in well BK4-2

2.4 測(cè)井響應(yīng)特征研究

在區(qū)內(nèi)選擇3口井為代表，開(kāi)展了煤巖、泥巖、砂巖三種典型巖性的自然伽馬、補(bǔ)償密度及側(cè)向電阻率的統(tǒng)計(jì)。黃陵二號(hào)煤礦的自然伽馬、補(bǔ)償密度、側(cè)向電阻率測(cè)井響應(yīng)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1至表3，據(jù)此繪制了典型巖性測(cè)井響應(yīng)直方圖，見(jiàn)圖2、圖3。

表1 黃陵二號(hào)煤礦典型巖性的自然伽馬測(cè)井響應(yīng)統(tǒng)計(jì)Table 1 Response statistics of gamma ray logging for typical lithology in Huangling No.2 coal mine API

表2 黃陵二號(hào)煤礦典型巖性的補(bǔ)償密度測(cè)井響應(yīng)統(tǒng)計(jì)Table 2 Responses statistics of compensated density logging for typical lithology in Huangling No.2 coal mine g/cm3

表3 黃陵二號(hào)煤礦典型巖性的側(cè)向電阻率測(cè)井響應(yīng)統(tǒng)計(jì)Table 3 Response statistics of lateral resistivity logging for typical lithology in Huangling No.2 coal mine Ω·m

圖2 二號(hào)煤礦典型巖性的自然伽馬和密度直方圖Figure 2 Gamma and density histograms of typical lithology in Huangling No.2 coal mine

圖3 黃陵二號(hào)煤礦典型巖性的側(cè)向電阻率直方圖Figure 3 Lateral resistivity histogram of typical lithology in Huangling No.2 coal mine

從圖中可以看出，煤層、砂巖、泥巖三種典型巖性的補(bǔ)償密度、電阻率和自然伽馬測(cè)井響應(yīng)特征鮮明，利用高自然伽馬識(shí)別泥巖，利用高電阻率、低自然伽馬和低密度識(shí)別煤層、利用較低自然伽馬和較高密度即可識(shí)別砂巖。

三種典型巖性的測(cè)井響應(yīng)數(shù)據(jù)直方圖顯示：

1)自然伽馬測(cè)井曲線用于識(shí)別巖性，效果理想，識(shí)別泥巖效果最好。

2)密度測(cè)井曲線是劃分巖性的重要敏感曲線，尤其是密度測(cè)井曲線用于識(shí)別煤層和其他巖性。

3)側(cè)向電阻率測(cè)井曲線用于識(shí)別煤巖效果很好。

總之，將上述測(cè)井曲線結(jié)合起來(lái)，可以精確識(shí)別和劃分巖性。

3 煤巖工業(yè)組分、焦油產(chǎn)率、測(cè)井響應(yīng)相關(guān)分析

3.1 工業(yè)組分分析

將黃陵二號(hào)煤礦2#煤層工業(yè)組分與煤焦油產(chǎn)率數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表4。

表4 黃陵二號(hào)煤礦煤炭工業(yè)組分與煤焦油產(chǎn)率測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of test data of coal industrial composition and coal tar yield in Huangling No.2 coal mine

續(xù)表

對(duì)工業(yè)組分測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并繪制了直方圖，見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 黃陵二號(hào)煤礦煤層Fcd與Ad分布直方圖Figure 4 Distribution histogram of Fcd and Ad for the coal seam in Huangling No.2 coal mine

圖5 黃陵二號(hào)煤礦煤層Vdaf與Mad分布直方圖Figure 5 Distribution histogram of Vdaf and Mad for the coal seam in Huangling No.2 coal mine

黃陵二號(hào)煤礦2#煤層固定碳含量主要分布在46%～58%，平均53%；灰分含量主要分布在10%～18%，平均14%；揮發(fā)分含量主要分布在33%～36%，平均35%；水分含量主要分布在2.6%～3.8%，平均3%。

3.2 煤焦油產(chǎn)率分析

對(duì)2#煤焦油產(chǎn)率測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，并繪制了直方圖(圖6)。從圖6可以看出，黃陵二號(hào)煤礦2#煤焦油產(chǎn)率主要分布在8%～12%，平均9%，屬于富油煤。利用黃陵選區(qū)煤焦油產(chǎn)率測(cè)試數(shù)據(jù)繪制了2#煤焦油產(chǎn)率平面分布圖(圖7)。據(jù)圖7可知，2#煤的富油煤分布范圍廣泛，除了N6井焦油產(chǎn)率很低外，其余范圍的焦油產(chǎn)率達(dá)到8%以上。

圖6 煤層焦油產(chǎn)率分布直方圖Figure 6 Histogram of coal tar yield

圖7 黃陵二號(hào)煤礦煤層煤焦油產(chǎn)率平面展布圖Figure 7 Contour map of coal tar yield in Huangling No.2 coal mine

3.3 煤焦油產(chǎn)率與工業(yè)組分相關(guān)分析

對(duì)黃陵二號(hào)煤礦煤巖工業(yè)組分與焦油產(chǎn)率進(jìn)行了相關(guān)性分析(圖8至圖11)。

圖8 固定碳含量與焦油產(chǎn)率交會(huì)圖Figure 8 Cross plot of fixed carbon content and tar yield

圖9 灰分含量與焦油產(chǎn)率交會(huì)圖Figure 9 Cross plot of ash content and tar yield

圖10 揮發(fā)分含量與焦油產(chǎn)率交會(huì)圖Figure 10 Cross plot of volatile content and tar yield

圖11 水分含量與焦油產(chǎn)率交會(huì)圖Figure 11 Cross plot of moisture content and tar yield

黃陵二號(hào)煤礦煤巖煤的焦油產(chǎn)率與固定碳含量及灰分含量都有較好的相關(guān)性，揮發(fā)分及水分與焦油產(chǎn)率相關(guān)性差。

值得注意的是，固定碳含量與焦油產(chǎn)率呈正相關(guān)，灰分與焦油產(chǎn)率呈負(fù)相關(guān)，且焦油產(chǎn)率與灰分含量的相關(guān)性比與固定碳含量的相關(guān)性更明顯些。

基于以上相關(guān)性研究結(jié)合煤焦油產(chǎn)率的影響因素，富油煤焦油產(chǎn)率預(yù)測(cè)思路：首先利用測(cè)井曲線識(shí)別煤層；其次，根據(jù)煤層的鏡質(zhì)體反射率判斷煤化程度或者煤階，只有低階煤才可能作為富油煤；再次，根據(jù)煤層工業(yè)組分值進(jìn)行富油煤層判識(shí)，一般地，灰分含量越小，固定碳含量越高時(shí)，煤層可能為富油煤或者高油煤；最后，應(yīng)根據(jù)目標(biāo)區(qū)的煤焦油產(chǎn)率與灰分含量、固定碳含量的定量關(guān)系計(jì)算焦油產(chǎn)率，判斷富油煤程度。

3.4 煤焦油產(chǎn)率與測(cè)井響應(yīng)相關(guān)分析

研究表明，煤焦油產(chǎn)率與灰分含量、固定碳含量具有較好的相關(guān)性，為利用測(cè)井信息預(yù)測(cè)煤焦油產(chǎn)率奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)，即可以先利用測(cè)井曲線計(jì)算煤巖工業(yè)組分，然后通過(guò)計(jì)算出的固定碳或灰分預(yù)測(cè)煤焦油產(chǎn)率，但必須考慮兩次計(jì)算中誤差傳遞引起誤差積累。因此，有必要對(duì)主要的煤田測(cè)井曲線與煤焦油產(chǎn)率間的關(guān)系進(jìn)行分析。

在巖心深度歸位基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)了測(cè)試分析點(diǎn)的煤層自然伽馬、電阻率和補(bǔ)償密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，繪制了焦油產(chǎn)率與自然伽馬、焦油產(chǎn)率與電阻率、焦油產(chǎn)率與補(bǔ)償密度的交會(huì)圖(圖12至圖14)。

圖12 焦油產(chǎn)率與自然伽馬交會(huì)圖Figure 12 Cross plot of tar yield and natural gamma ray

圖13 焦油產(chǎn)率與電阻率交會(huì)圖Figure 13 Cross plot of tar yield and resistivity

圖14 焦油產(chǎn)率與補(bǔ)償密度交會(huì)圖Figure 14 Cross plot of tar yield and compensated density

煤焦油產(chǎn)率與自然伽馬、電阻率相關(guān)性差，與補(bǔ)償密度相關(guān)性好。

一般的在煤層段，固定碳與補(bǔ)償密度負(fù)相關(guān)，灰分與補(bǔ)償密度正相關(guān)，結(jié)合前述煤焦油產(chǎn)率與固定碳、灰分的相關(guān)性，補(bǔ)償密度應(yīng)與煤焦油產(chǎn)率負(fù)相關(guān)，與圖14中揭示的規(guī)律一致。

由此建立煤層焦油產(chǎn)率計(jì)算模型如下：

Tar.d=-19.48×DEN+35.00

(5)

式中：Tar.d為煤焦油產(chǎn)率，%；DEN為補(bǔ)償密度，g/cm3。

本次讀取了5個(gè)補(bǔ)償密度數(shù)據(jù)利用計(jì)算模型對(duì)焦油產(chǎn)率進(jìn)行了預(yù)測(cè)計(jì)算(表5)，計(jì)算結(jié)果相近，最大誤差值7.62%，說(shuō)明關(guān)系模型具有一定的實(shí)用性。

表5 預(yù)測(cè)值與測(cè)試值對(duì)比Table 5 Comparison between predicted and tested values

4 結(jié)論

利用煤田測(cè)井、煤層氣測(cè)井中補(bǔ)償密度測(cè)井與煤焦油產(chǎn)率的良好相關(guān)性預(yù)測(cè)焦油產(chǎn)率可行；因此本文認(rèn)為利用測(cè)井曲線預(yù)測(cè)煤焦油產(chǎn)率的數(shù)學(xué)建模也應(yīng)遵循“地質(zhì)約束測(cè)井、巖心刻度測(cè)井”的原則，在不同研究區(qū)應(yīng)以測(cè)井、測(cè)試資料齊全的井作為“關(guān)鍵井”為基礎(chǔ)，開(kāi)展煤焦油產(chǎn)率與測(cè)井響應(yīng)相關(guān)分析，建立地區(qū)性焦油產(chǎn)率與補(bǔ)償密度值預(yù)測(cè)模型。

富油煤的巖石物理學(xué)特征主要包括密度、導(dǎo)電性和鏡質(zhì)體反射率等指標(biāo)。富油煤的鏡質(zhì)體反射率一般小于1.0，電阻率越小，密度越小，作為富油煤的可能性越大。

黃陵礦區(qū)2#煤巖固定碳、灰分含量與焦油產(chǎn)率相關(guān)性較好。富油煤測(cè)井判識(shí)技術(shù)的關(guān)鍵在于識(shí)別煤層、判斷煤層煤化程度、計(jì)算煤層工業(yè)組分，利用補(bǔ)償密度值預(yù)測(cè)焦油產(chǎn)率、判斷煤層“富油”級(jí)別，具有一定的可行性。本研究對(duì)富油煤預(yù)測(cè)焦油產(chǎn)率開(kāi)展了另外一種可行性探索。