三塘湖-吐哈盆地富油煤赋存特征与资源潜力分析

东 振，张梦媛，陈艳鹏，冯 烁，薛俊杰，陈 浩，田继军，陈姗姗，赵宇峰，王兴刚，焦立新，李 斌

(1.中国石油勘探开发研究院,北京 100083；2.新疆大学 地质与矿业工程学院,新疆 乌鲁木齐 830017；3.中国石油吐哈油田公司 勘探开发研究院,新疆 哈密 839009)

党的二十大报告中明确指出：“立足我国能源资源禀赋，坚持先立后破，有计划分步骤实施碳达峰行动。深入推进能源革命，加强煤炭清洁高效利用，加大油气资源勘探开发和增储上产力度”。煤炭清洁高效利用已经成为今后一段时期化石能源清洁转型工作的重点，富油煤作为焦油产率≥7%且集煤、油、气属性为一体的特殊煤炭资源[1]，是现阶段煤炭清洁利用的重要资源，对缓解国家油气资源紧缺、推动煤炭工业突破性发展具有重要的科学价值和勘探意义。富油煤在隔绝空气的条件下经中低温热解产生焦油、煤气与半焦[2-3]，经过提纯、加工处理后可以生产甲醇、乙醇、沥青等化工产品[4]，除地面利用方式外，通过石油工程技术构建“地下干馏炉”，利用地层作为天然密封容器开展原位热解，不仅可以有效动用800 m 以深的富油煤资源，还可以将地下半焦层作为二氧化碳的优质存储空间，通过“源头减碳”和“终端埋碳”实现真正意义的煤炭清洁利用。

20 世纪末，国内外学者对侏罗纪煤成油、成烃及干馏等开展过相关研究，因地质调查与勘探技术落后，煤生油这一技术行业尚未得到开发[5]。国内学者相继对陕西、宁夏、山西、新疆等地的富油煤赋存情况与资源潜力展开过研究：李焕同、徐婷等[6-7]结合沉积环境对富油煤赋存特征及受控地质因素展开了相关论述；李华兵等[8]建立了神府矿区富油煤资源评价体系，划分了资源富集有利区并预估了富油煤储量；房嬛等[9]认为吐哈盆地侏罗系原油大部分来自盆地中下侏罗统的煤系地层。总之，目前针对区内富油煤的地质评价工作较少、研究程度较低，为探明三塘湖-吐哈盆地富油煤的赋存规律，笔者在前人研究的基础上探查富油煤的空间分布特征与赋存差异，预测富油煤资源量并分析煤炭地下干馏的开发潜力，以期为三塘湖-吐哈盆地的富油煤资源规模开发提供依据和指导。

1 地质概况

研究区位于新疆东部的三塘湖盆地及吐哈盆地，2 个盆地构造纲要如图1 所示。

图1 三塘湖-吐哈盆地地质构造纲要Fig.1 Geological structure map of Santanghu and Turpan-Hami Basins

三塘湖盆地呈NW—SE 向条带状夹持于天山与阿尔泰山之间，西临准噶尔、南临吐哈盆地，东北与蒙古国接壤，东西长500 km，南北宽40～70 km，面积约23 000 km2[10]。主要包括汉水泉凹陷、库木苏凹陷、石头梅凸起、条湖凹陷、马朗凹陷、淖毛湖凹陷6 个赋煤构造单元[11]。三塘湖盆地是一个在前寒武结晶基底基础上发展而来的沉积盆地，盆地形成于泥盆纪—早石炭世，整体为海相沉积[12]。印支—海西运动使盆地发生强烈的构造运动，盆地沉积环境由海相向陆相湖泊沉积转变；随后水体抬升、湖盆范围扩大，于三工河组时期形成稳定的湖泊三角洲环境；西山窑组聚煤期分布于湖侵体系末期，可容空间增加速率与泥炭堆积速率保持平衡，有利于厚煤层聚集。同时该时期气候温暖潮湿，利于植被大量生长繁殖，在构造稳定沉降基础上形成了一套巨厚含煤岩系[13-14]。盆地主要含煤层段为侏罗系中统、下统和三叠系上统，其中下侏罗统八道湾组(J1b)含煤性最佳，全区发育，厚度大；侏罗系中统西山窑组次之，局部发育；三叠系上统郝家沟组含煤性较差，仅在局部发育。

吐哈盆地为东西走向的大型山间盆地，南北两侧同塔里木盆地与准噶尔盆地隔山相望，西起天山，东至哈尔里克山，北靠博格达山，南临觉罗塔格山[15]。盆地东西长660 km，南北宽60～100 km，总面积达53 500 km2。吐哈盆地包含吐鲁番凹陷与哈密凹陷，沉积地层厚度大，含煤地层主要分布于中—下侏罗统。吐哈盆地侏罗纪含煤岩系为一套陆源碎屑沉积，包含下侏罗统八道湾组(J1b)、三工河组(J1s)及中侏罗统下部的西山窑组(J2x)，八道湾组与西山窑组为主要含煤地层。该盆地早、中侏罗世经历了沼泽化—湖化—沼泽化—湖化的过程，八道湾组期间盆地边缘断裂有强烈的构造运动，沉积物多为砂砾岩，沉积范围较窄，三角洲体系下的沼泽化作用有利于发育聚煤作用，厚煤层主要发育在盆地西部坳陷。三工河组时期为湖泊扩张期，该体系下的沉积环境不利于发育大规模聚煤作用。到了西山窑组时期，大致分为早期泥炭沼泽化沉积与晚期湖泊化沉积2 个阶段，其中早期阶段水体较浅且三角洲发育，广泛发育聚煤作用[16-18](图2)。

图2 三塘湖-吐哈盆地沉积相Fig.2 Sedimentary facies of Santanghu and Turpan-Hami Basins

2 富油煤赋存特征

2.1 煤质特征

挥发分是评价煤质的重要指标，与煤化程度、发热量、焦油产率等参数存在相关性，通常煤挥发分越高，热解性能越好。笔者采集了三塘湖煤田的汉水泉、库木苏、石头梅、条湖矿区，淖毛湖煤田白石湖、英格库勒矿区，巴里坤煤田黑眼泉矿区及吐哈大南湖矿区的数组煤岩样品进行工业组分及元素分析，同时收集了吐鲁番、托克逊煤田的相关煤质资料统一汇总，结果见表1。以上10 个矿区均发育丰富的富油煤资源，各区煤的水分为1.98%～11.48%、灰分为13.74%～21.25%、挥发分为34.52%～51.11%，总体属特低-中低水分、低-中低灰分、中高-高挥发分煤。其中三塘湖盆地的汉水泉、库木苏、石头梅、条湖以及黑眼泉矿区煤的水分偏低，多为低水分煤层，淖毛湖煤田的白石湖、英格库勒矿区以及吐哈盆地吐鲁番矿区煤的挥发分偏高，平均超过50%。

表1 三塘湖-吐哈盆地研究矿区煤工业分析与元素分析测试结果Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal in study mining area in Santanghu and Turpan-Hami Basins %

2.2 焦油产率特征

研究区煤的格金低温干馏测试结果表明(表2)，三塘湖盆地煤焦油产率平均6.14%～14.58%，吐哈盆地煤焦油产率平均7.29%～10.10%。据《矿产资源工业要求手册(2014 修订版)》焦油产率分级可知，除石头梅矿区外，其余各区平均煤焦油产率已达富油煤(焦油产率>7%)评级标准，其中三塘湖盆地汉水泉、库木苏、白石湖矿区煤焦油产率已达高油煤(焦油产率>12%)评级标准。

表2 三塘湖-吐哈盆地研究矿区煤低温干馏测试结果Table 2 Test results of Gray-King assay of coal in the study area of Santanghu and Turpan-Hami Basins %

3 富油煤控制因素

3.1 成煤物质特征

从成煤物质角度而言，煤中高含量的富氢组分是煤具有高焦油产率的重要基础，较高的镜质组、壳质组及氢质量分数、H/C 原子比均可作为高焦油产率煤的标志。金奎励和李荣西[19]从烃源岩组分的组合规律出发，认为烃源岩有机组分是油气生成的物质来源和基础，受形成地质环境影响可分为镜质组、惰质组和壳质组三大原生组分。其中壳质组多形成于乏氧的强还原环境，如深水湖盆、浅海、三角洲等，烃源岩类型多为碳酸盐岩、泥质岩，少量煤，以生油为主；镜质组、惰性组常形成于弱还原-弱氧化环境或氧化环境，烃源岩类型以煤、泥质岩为主，少量碳酸盐岩，其成烃类型以产气为主，少量生油[19]。图3 为三塘湖盆地富油煤显微煤岩图像，镜质组是三塘湖盆地煤中最主要的显微组分，以均质镜质体为主。惰质组质量分数仅次于镜质组，介于10%～30%，以半丝质体为主。说明由于覆水较浅而暴露在空气中，氧供给量充足。区域内壳质组主要发现了孢子体和树脂体，其中孢子体呈蠕虫状、扁环状，树脂体呈椭球状分布。总体上三塘湖盆地富油煤以富含镜质组、惰质组的腐植煤为主。盆地聚煤时期广泛发育湖泊-三角洲沉积相，潮湿、厌氧的还原环境有利于煤中有机质生油。煤中大量的均质镜质体是煤中重要的生油组分，丝质体、树脂体、孢子体在三塘湖盆地各煤层中占比不高，但同样也是重要的影响因素。

图3 三塘湖盆地富油煤显微煤岩图像Fig.3 Micropetrographic image of tar-rich coal in Santanghu Basin

相对于三塘湖盆地富油煤样品，吐哈盆地煤中镜质体组分明显偏低，西山窑组和八道湾组都见有煤中壳质组质量分数较高的分层(表3)，其中西山窑组煤层壳质组质量分数大于10%的占45%，个别样品壳质组质量分数高达38%[20]。吐哈盆地已发现煤成油产出，除了煤中壳质组质量分数相对较高的分层以外，另一个重要因素是煤中广泛存在多种类型的微壳质体和发棕褐色荧光的基质镜质体，基质镜质体较均质镜质体会产生大量的液态烃，总产烃率也略高于均质镜质体。图4 为吐哈盆地西山窑组富油煤层显微煤岩图像，吐哈盆地侏罗系煤中比较常见的壳质组主要包括细角质体、木栓质体、孢子体和分散在基质镜质体质中的各种微壳质体，它们都是煤成液态烃的重要物质基础。煤中富含微壳质体的荧光基质镜质体比较丰富，可能对煤成油的贡献也较大。如结构镜质体和基质镜质体中的微树脂体，分布在结构镜质体边缘的微荧光质体、微渗出体、结构镜质体中分布网络状荧光沥青体，及零星分散于基质镜质体质中的微壳屑体、微藻屑体等，微壳质体质量分数可达10%～20%。

表3 三塘湖-吐哈盆地煤岩显微组分含量Table 3 Maceral content of coal in Santanghu and Turpan-Hami Basins

图4 吐哈盆地西山窑组富油煤显微煤岩图像Fig.4 Micropetrographic image of tar-rich coal in Xishanyao Formation of Turpan-Hami Basin

总体来说，三塘湖盆地与吐哈盆地样品煤岩特征均以镜质组为主、惰质组次之、壳质组最低。2 者区别在于三塘湖盆地煤中镜质组占比更高，均质镜质体是主要的生油组分，其次为壳质组中的孢粉体；而吐哈盆地煤中壳质组质量分数占比高于前者，除孢粉体外发现的树脂体、沥青质体也具有较大的生油潜力，同时镜质组中的基质镜质体产烃效果较好。

范氏图通常用于划分干酪根特征，进而确定成烃母质类型，研究成油物质来源[21]。总体表现为Ⅰ类有机质元素的H/C 原子比最大，O/C 原子比最小，干酪根类型属腐泥型，生烃能力强；Ⅲ类有机质元素的H/C 原子比最小，O/C 原子比最大，为腐殖型，生烃能力弱；Ⅱ类有机质居中。结合研究区富油煤范氏图(图5)可知，三塘湖-吐哈盆地富油煤有机质类型属III1-III2型，成油组分来源于盆地滨岸植物以及微生物遗体的漫长沉积演化而成，在煤的演化过程中，有机质类型与煤液态烃产率有密切关系，是煤成油的主要贡献者。对比区内富油煤有机质类型，发现三塘湖盆地富油煤趋近于III1类，该类型有机质相较于吐哈盆地具有更适合于煤生烃的必要条件。

图5 富油煤范氏图Fig.5 Van Krevelen diagram of tar-rich coal

3.2 沉积环境

煤中微量元素特征可以在一定程度上指示成煤期的氧化还原环境，尤其是Sr、Ba、Cu、Ni、Co、V、Cr 等元素之间的相关关系在古气候、古盐度、氧化还原特性等方面应用广泛[22-24]，w(Sr)/w(Ba)、w(V)/w(V+Ni)、w(V)/w(Cr)和w(Ni)/w(Co)等是经常使用的表征参数。其中w(Sr)/w(Ba)可推断区内古盐度，2 者比值大于1 则为咸水介质，反之为淡水介质；w(V)/w(V+Ni)用来判断水体分层与氧还情况；w(V)/w(Cr)、w(Ni)/w(Co)也可表征氧还环境，是反映古地理环境的重要参数。通过对研究区富油煤微量元素之间的参数关系进行分析研究，进一步揭示富油煤成煤环境特性。

由敏感元素指示关系(图6)可明显看出，三塘湖富油煤在8 号、9 号、13 号、14 号、15 号、18 号、19 号、20 号煤中w(Ni)/w(Co)为2.5～5.0，说明在此阶段处于较强的还原环境，而w(V)/w(V+Ni)介于0.60～0.84，表明这个时期处于水体分层弱的还原环境；在9 号、13 号煤层中w(V)/w(V+Ni)高于0.84，表明成煤环境处于水体分层的厌氧环境。7 号、9 号、17 号、22 号煤层w(V)/w(Cr)小于2，故在成煤时期的沉积环境为氧化环境，与w(V)/w(V+Ni)所表征基本对应。整体垂向上呈氧化还原交替变化的古环境特征，故三塘湖盆地富油煤层在沉积阶段主体呈湖侵状态，期间伴随多次小规模的湖侵湖退。

图6 三塘湖盆地汉水泉区富油煤中表征指数剖面变化曲线[11]Fig.6 Profile change curves of characterization index in tar-rich coal in Hanshuiquan District,Santanghu Basin[11]

w(Fe2O3+CaO+MgO)/w(SiO2+Al2O3)为灰成分指数K，其数值可反映成煤期还原性强弱，灰成分指数K越高则代表还原性越强，越利于煤中有机质生油[25]。由表4 数据可知，吐哈盆地3 号、7 号、11 号煤的灰成分指数K分别为0.55、0.44 与0.40，故随含煤地层由老至新发育，区内富油煤灰成分指数K逐渐增大，成煤期沉积环境的还原性具有逐渐增强的趋势。

表4 吐哈盆地主要富油煤层灰成分参数Table 4 Ash composition parameters of tar-rich coal in Turpan-Hami Basin

结合成煤期氧化还原环境，由于成煤植物的凝胶化作用易在温暖、潮湿、厌氧的环境下进行，而镜质组质量分数通常反映凝胶化作用强弱，故可通过对比三塘湖、吐哈盆地煤中镜质组、惰质组、镜惰比(V/I)与焦油产率的参数，进一步印证成煤环境与煤生油能力的耦合关系，表5 收集统计了三塘湖-吐哈盆地主要富油煤层氧化还原环境、镜质组质量分数、惰质组质量分数、镜惰比(V/I)及焦油产率相关参数，对比可知，富油煤在偏还原环境条件下更易发育，表现为镜质组质量分数高、惰质组质量分数低，煤焦油产率高。由图7(a)可知，富油煤焦油产率与镜质组大致呈正相关，与惰质组呈负相关关系。

表5 三塘湖-吐哈盆地富油煤层沉积环境及焦油产率参数表征Table 5 Characterization of sedimentary environment and tar yield of tar-rich coal seams in Santanghu and Turpan-Hami Basins

图7 三塘湖-吐哈盆地镜惰比(V/I)、煤化程度与煤焦油产率关系Fig.7 Relation between V/I,Rmax and tar yield in Santanghu and Turpan-Hami Basin

3.3 煤化程度

煤化程度与不同焦油产率煤的发育频率存在一定关系，姚征等[22]统计了陕北石炭—二叠纪富油煤发育频率与其对应煤焦油产率之间的关系，用镜质组反射率表征煤化程度，发现镜质组反射率(Rmax)从0.5%增长至1.7%，含油煤发育频次逐渐上升，富油煤发育频次逐渐下降，Rmax=1.2%后富油煤不发育。图7(b)选取了研究区35 组煤样，分别统计镜质组反射率与其对应的煤焦油产率情况，发现在镜质组反射率Rmax集中在0.6%～0.7%时煤焦油产率最高，可达17%，而在Rmax>0.7%后煤焦油产率明显降低，富油煤发育频次下降，表明中-低阶变质程度是富油煤发育的重要因素。

综上所述，三塘湖盆地和吐哈盆地的富油煤特征以及控制因素各有差异(表6)。三塘湖盆地的富油煤形成于湖泊三角洲环境，煤焦油产率可以达到高油煤级别，显微组分以均质镜质体为主要贡献，成烃母质为III1型。相较于吐哈盆地，三塘湖盆地镜惰比更高，母质类型更好，更加具备成烃的有利条件。

表6 三塘湖-吐哈盆地富油煤特征及控制因素对比Table 6 Comparison of characteristics and control factors of tar-rich coal seams in Santanghu and Turpan-Hami Basins

4 富油煤分布规律

4.1 垂向分布特征

以汉水泉凹陷为代表的三塘湖盆地(图8(a))从下侏罗统八道湾组至中侏罗统西山窑组均有煤层发育，共含煤37 层。其中全区可采煤层1 层，大部分可采煤层17 层，局部可采煤层5 层。其中富油煤主要发育在下侏罗统八道湾组上段(J1b2)、下侏罗统三工河组(J1s)以及中侏罗统西山窑组下段(J2x1)3 个层位。盆地聚煤时期经历了由早期海相向陆相湖泊沉积，再到中期西山窑组稳定的湖泊三角洲沉积，至聚煤末期八道湾组的河流相沉积，气候温暖潮湿，强还原环境促使成煤植物凝胶化作用的进行，所以有利于煤炭的聚集和生烃组分的充分发育。

以大南湖凹陷为代表的吐哈盆地(图8(b))中段(J2x2)含1～29 号煤层，下段(J2x1)含煤性差，以含煤层数少或不含煤为特征，不具工业经济价值，上段(J2x3)含煤0～2 层，煤层总厚0～2.68 m，煤层极不稳定，大部分不可采。富油煤主要发育在中侏罗统西山窑组中段(J2x2)，该段底部有一层厚20～30 m 的粗砂岩，全层段厚488 m，含1～29 煤层，层位基本稳定。吐哈盆地早、中侏罗世经历了沼泽化—湖化—沼泽化—湖化的过程，八道湾组期间盆地边缘断裂的构造运动以及三角洲体系下的沼泽化作用有利于聚煤，以湖泊体系为主的沉积环境可形成暗色泥岩，可构成有利的烃源岩类型，是区内富油煤广泛分布的主要原因。

表7 统计了三塘湖盆地汉水泉凹陷各富油煤层的时代、煤层总厚度、可采厚度、煤层稳定性以及平均焦油产率5 项参数。全层段富油煤层累计平均厚度达93.66 m，可采厚度达79.96 m，全区煤层焦油产率为1.40%～26.80%，焦油产率平均值为13.67%，研究区内总体为高油煤，富油煤全区发育，煤层稳定性多为较稳定，其中7 号、14 号、37 号煤为不稳定煤层。9-1 号与32 号煤平均可采厚度超过5 m，且可采率较高，富油煤资源富较丰富，具有良好的开采价值。

表7 三塘湖盆地富油煤层分布规律统计Table 7 Statistics of distribution law of tar-rich coal seams in Santanghu Basin

表8 为吐哈盆地大南湖凹陷区富油煤层的垂向分布情况，全区富油煤层均发育在中侏罗统西山窑组中段且全为不稳定煤层，全层段富油煤层累计平均厚度达41.57 m，可采厚度达34.24 m，总体焦油产率在2.5%～11.5%，平均为7.6%，研究区内总体为含-富油煤，仅3 号、7 号、9 号、10 号、15～16 号、20～22 号为富油煤层。

表8 吐哈盆地富油煤层分布规律统计Table 8 Statistics of distribution law of tar-rich coal seams in Turpan-Hami Basin

4.2 平面分布特征

收集新疆东部三塘湖与吐哈盆地各煤矿区煤层总厚度、煤平均焦油产率数据，结合沉积环境及聚煤规律，探明富油煤平面分布特征(图9)，图中橙色与红色区域分别划分了盆地内富油煤(7% <焦油产率(ytar,ad)≤ 12%)与高油煤(ytar,ad>12%)的资源分布情况。如图9 所示，富油煤主要集中在三塘湖盆地，其中有两大富油煤富集区：①三塘湖盆地汉水泉—库木苏凹陷一带；②淖毛湖凹陷白石湖—英格库勒次凹陷一带。且沿盆地边缘富油煤焦油产率偏高，以库木苏凹陷西北缘、汉水泉凹陷东部、白石湖与英格库勒次凹陷东缘为代表，高油煤十分富集。盆地西山窑组低位时期湖盆广泛发育，整体处于稳定的湖泊三角洲环境，湖盆沉积中心位于盆地西北部，故西北部的库木苏、汉水泉一带物源较为充足；湖侵时期沉积中心向东南迁移，使库木苏及汉水泉北部辫状河三角洲连成一片，滨湖相面积逐渐增加，石头梅矿区辫状河三角洲前缘相面积减小，其东南部发育深湖-半深湖相沉积，条湖矿区成为此时新的沉积中心，并向淖毛湖一带发育。三塘湖盆地整体由发育辫状河沉积、三角洲前缘-前三角洲沉积到扇三角洲、滨浅湖、曲流河沉积转变，聚煤期间整体属强还原环境，煤中的无结构镜质体有利于生成大量液态烃，是煤成油的关键因素。

图9 三塘湖-吐哈盆地富油煤资源平面分布Fig.9 Plan distribution of tar-rich coal resources in Santanghu and Turpan-Hami Basins

吐哈盆地煤层厚度大，埋深最深可达2 000 m 以上，煤炭资源丰富，但煤焦油产率普遍偏低，大多以含油煤(ytar,ad≤7%)为主，故富油煤资源并不全区富集，仅在哈密大南湖南部、托克逊、吐鲁番等地区零星分布。其中大南湖凹陷中侏罗世处于温暖潮湿的气候条件，成煤植物繁茂生长，聚煤作用受到构造沉降与物源供给的综合影响，富油煤在扇缘、泛滥平原、三角洲间湾及滨湖环境中广泛发育。自东北向西南依次发育冲积扇、河流冲积平原、三角洲与湖泊沉积体系。经吐哈盆地各类煤样的格金低温干馏测试结果表明，部分样品具有较高的煤焦油产率，由于吐哈盆地煤中壳质组含量高，生烃能力强，同时一些显微亚组分对煤的生烃能力影响显著，如角质体、孢子体、木栓质体、沥青体等，且具有多孔隙的空间骨架结构，利于烃类物质的储集。

5 富油煤资源潜力分析

5.1 储量估算方法

估算三塘湖-吐哈盆地富油煤资源，其目的是服务于社会工业生产中能源消耗与富油煤工业产品的提质利用等方面。考虑现阶段开发现状等因素，本次研究区内资源量在划定范围内估算各可采煤层资源量，浅部从煤层露头起，深部最大2 000 m。估算范围包括三塘湖盆地的汉水泉凹陷、库木苏凹陷、石头梅凸起、条湖凹陷、黑眼泉凹陷、白石湖与英格库勒次凹陷，吐哈盆地的大南湖凹陷、吐鲁番凹陷与托克逊凹陷。

富油煤储量估算方法采用地质块段法，原理是将块段平均倾角与其投影面积计算得出真面积，采用真面积和矿体平均真厚度估算矿体体积，并与体重相乘而得出矿石资源量。矿体倾角低于45°时采用水平投影法；当矿体倾角大于45°则采用垂直纵投影法[26]。计算公式为

式中，Q为块段矿石资源/储量，t；S′为块段投影面积，m2；β为块段矿体平均倾角，(°)；M为块段矿体平均真厚度，m；d为矿石平均密度，t/m3。

5.2 富油煤资源量预测

通过文献调研、收集统计各矿区2 000 m 以浅的钻孔资料，结合全区煤层总厚度分布与焦油产率分布情况，采用地质块段法估算各区富油煤资源总体积与质量。在计算富油煤资源量的过程中，应注意首先将煤层总厚与煤平均焦油产率在平面上的叠合得出富油煤总体积，再估算总储量，若先计算整体的煤炭资源量再乘以各区的焦油产率系数，则会忽视平面分布中煤层厚度与焦油产率的加权关系，从而导致计算结果出现误差。

表9 为三塘湖与吐哈两大盆地各煤田、矿区富油煤预测资源量统计结果。其中三塘湖盆地2 000 m 以浅的富油煤资源量约670.83 亿t，由于三塘湖盆地八道湾组与西山窑组含煤地层埋藏多为800～1 500 m，2 000 m 以深煤层占比较少，估算资源量基本与盆地富油煤总资源量大致吻合。吐哈盆地2 000 m 以浅的富油煤资源量约417.55 亿t，而吐哈盆地含煤地层埋深会出现大于2 000 m 的情况，因此盆地总富油煤资源量会高于这个数值。

表9 新疆东部各盆地富油煤储量估算Table 9 Estimation of tar-rich coal reserves in eastern Xinjiang basins

6 富油煤开发前景展望

开发富油煤时既要最大化程度获取油气资源，同时必须满足绿色低碳的发展要求。研究区富油煤主要发育在下侏罗统和中侏罗统，主力富油煤层的埋深普遍超过800 m，采煤后运至地面干馏的传统开发方式面临经济性挑战，必须探索富油煤原位干馏开发的新技术。如图10 所示，煤炭地下干馏是指通过石油工程技术在地下煤层建立热量导入和产品产出通道，通过人工加热方式使煤原位发生干馏反应，热解产物包括焦油、煤气(CH4、H2、轻烃C2+等)、水等，煤中的碳元素主要以半焦形式留在地下，产生的二氧化碳可为三塘湖-吐哈盆地的油田提供气驱气源，剩余的二氧化碳可以利用半焦层原位埋存，煤炭地下干馏通过“取氢留碳”[1]实现煤炭资源清洁转化。

图10 煤炭地下干馏示意Fig.10 Schematic diagram of underground coal pyrolysis

煤炭地下干馏以焦油、煤气作为主要产物，开发过程包括地质选址、井型井网设计、工程建井、煤层改造、监测控制、油气开采等关键环节。水平井在增大煤层加热范围方面具有显著优势，是主要的开发井型，井下高功率加热电缆、高温气体对流等多种方式都能用以加热富油煤层，井下高功率加热电缆是目前相对成熟的加热技术(图10)，美国壳牌公司研发的加热电缆温度上限可以达到650 ℃，加热过程中消耗的电能可以由风光发电生产的清洁电力供给，绿电通过电解水生产的绿氢能够用于焦油加氢精制，获得更加优质清洁的燃料油，煤气经过净化提纯后可作为清洁燃料燃气或者化工原料气(图10)，实现新能源与化石能源的融合发展。

笔者开展了白石湖、大南湖矿区富油煤样品的热解提质实验，从表10、11 的结果看出，研究区热解焦油组分主要由饱和分、芳香分、胶质组成；煤气中甲烷、氢气是主要的产物，2 者体积占比达到64.8%～71.3%，二氧化碳体积占比仅为1.8%～2.6%。三塘湖-吐哈盆地富油煤总资源量为1 088.38 亿t，假设80%的富油煤实现煤炭地下干馏开发，平均焦油产率为10%，平均吨煤产气为150 m3，其中甲烷占比30%、H2占比35%，匡算研究区可生产焦油87.07 亿t，煤气13.06 万亿m3，其中包括甲烷3.92 万亿m3、氢气4.57万亿m3。目前中石油正在自主攻关研发井下高功率加热电缆，一旦煤炭地下干馏技术成熟推广后，三塘湖-吐哈盆地的富油煤资源开发潜力巨大。

表10 三塘湖-吐哈盆地富油煤热解焦油组分含量Table 10 Tar component content of tar-rich coal pyrolysis in Santanghu and Turpan-Hami Basins

表11 三塘湖-吐哈盆地富油煤热解气体组分体积分数Table 11 Content of pyrolysis gas components of tar-rich coal in Santanghu and Turpan-Hami Basins

7 结论

(1)三塘湖盆地富油煤层分布于下侏罗统八道湾组上段(J1b2)、下侏罗统三工河组(J1s)以及中侏罗统西山窑组下段(J2x1)3 个层位，盆地主要发育湖泊相和河流相沉积体系；吐哈盆地富油煤发育在中侏罗统西山窑组中段(J2x2)，发育湖泊相和沼泽相沉积体系。成煤期的温暖潮湿的气候条件、盐类、沼泽水体为富油煤的发育提供了物质来源和发育条件。

(2)研究区总体煤质属特低-中低水分、低-中低灰分、中高-高挥发分煤，平均碳质量分数72.86%～83.93%，焦油产率平均6.14%～14.58%。三塘湖盆地富油煤以富含镜质组、惰质组的腐植煤为主，成煤期整体处于较强的还原环境，煤中大量的均质镜质体是煤中重要的生油组分。吐哈盆地煤中壳质组质量分数相对较高，同时煤岩组分中的微壳质体与基质镜质体都是煤成液态烃的重要物源，中-低阶变质程度更利于富油煤发育。

(3)三塘湖盆地富油煤层累计平均厚度达93.66 m，可采厚度达79.96 m，焦油产率平均值为13.67%，总体属高油煤，主要富集在汉水泉—库木苏凹陷以及淖毛湖凹陷白石湖—英格库勒次凹陷两大区域；吐哈盆地油煤层累计平均厚度达41.57 m，可采厚度达34.24 m，焦油产率平均为7.6%，研究区内总体为含富油煤，富油煤在哈密大南湖南部、托克逊、吐鲁番等地区零星分布。

(4)三塘湖-吐哈盆地富油煤资源潜力较好，估算三塘湖盆地2 000 m 以浅的富油煤资源量约670.83亿t，吐哈盆地2 000 m 以浅的富油煤资源量约417.55 亿t，可作为新疆东部富油煤资源的重点勘探区，煤炭地下干馏有望成为富油煤低碳绿色开发的技术方向。