澳大利亞Bowen盆地與Surat盆地煤層特征及應用

王 磊

(1. 中國石化集團國際石油勘探開發有限公司, 北京市朝陽區, 100029；2. 中國科學院地質與地球物理研究所, 北京市朝陽區, 100029；3. 中國地質大學(北京), 北京市海淀區, 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育的逆沖斷層為界。Surat盆地為早侏羅至早白堊世穩定地塊上發育的克拉通內坳陷盆地。Surat盆地位于南緯25°～32°，東經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個超級序列，每個超級序列基底由砂巖組成，與下層單元呈現穿時不整合關系，砂巖被向上變細的煤和湖泊沉積的泥質和碳質巖相上覆，盆地部分區域沉積厚度達3000 m。鏡質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。

該區域的研究已經取得了大量的成果，但對兩個盆地煤的工業分析和顯微組分的研究較少，兩個盆地煤層的對比關系仍需進一步研究。本文對在Bowen盆地采集的4口井46個煤巖樣品和在Surat盆地采集的7口井198個煤巖樣品進行了系統的煤工業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，分布穩定，單層厚度大，含煤層數少，橫向上與Rangal和Baralaba 煤系地層水平相當，可進行區域對比。CRB1和CRB3層為區域連續穩定分布的厚度最大的煤層，單層厚度2～3 m，CRB2層相對較薄，厚度為0.5～0.8 m，煤層累計平均厚度約8 m。煤鏡質體反射率一般大于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煤層又細劃分為Upper Macalister和Lower Macalister煤層；Lower Juandah煤組細分為Nangram、Wambo、Iona和Argyle煤層；Taroom煤組可以細分為Auburn、Bulwer和Condamine煤層。

Walloon亞群煤層埋深為100～1000 m，具有含煤層數多、煤層薄的特點，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1.8～3.5 m，累計厚度平均約20 m。煤鏡質體反射率一般為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，其含量和存在狀態與煤的內部結構及外界條件有關。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結合的水，它吸附在煤的外表面和內部孔隙中。煤的灰分，是指煤完全燃燒后剩下的殘渣。灰分含量越高，煤層吸附氣量越少；灰分含量越低，煤層中的裂縫越發育、滲透率越高。煤的揮發分，即煤在一定溫度下隔絕空氣加熱，逸出物質(氣體或液體)中減掉水分后的含量。煤中去掉水分、灰分、揮發分，剩下的就是固定碳。煤的固定碳是表征煤的變質程度(煤化程度)的一個指標，隨變質程度的增高而增高。所以一些國家以固定碳作為煤分類的一個指標。

煤的工業分析實驗數據顯示，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盆地煤樣品工業分析

在煤化作用過程中，成煤物質發生了復雜的物理化學變化，揮發分含量和含水量減少，固定碳含量和發熱量增加，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。

實驗統計數據顯示，兩個盆地的煤巖樣品的碳含量百分比與樣品的密度成線性負相關，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。根據擬合公式可以計算出Bowen盆地純煤的密度為0.68 g/cm3，而Surat盆地煤巖根據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不到純煤等級，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

在光學顯微鏡下能夠識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、生態及沉積環境控制，按煤的成分和性質分為有機顯微組分和無機顯微組分。煤巖有機顯微組分通常分為鏡質組、殼質組和惰質組。

鏡質組是煤中最常見、最重要的顯微組分，主要由植物的木質-纖維組織受凝膠化作用轉化而成的顯微組分。鏡質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。惰質組又稱絲質組，是由植物遺體主要受絲炭化作用轉化而成的顯微組分的總稱。少數惰質組來源于真菌遺體或是在熱演化過程中次生的顯微組分。煤巖有機顯微組分中殼質組生烴能力最強，鏡質組次之，惰質組最差。

實驗數據顯示，Bowen盆地樣品顯微組分含量見圖4。鏡質組含量主要分布在30%～90%，其中，76%的樣品鏡質組含量大于50%；81%樣品的殼質組含量小于5%；惰質組含量高，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。鏡質組含量明顯高于Bowen盆地，93%的樣品鏡質組含量大于60%；殼質組含量也明顯高于Bowen盆地，60%樣品的殼質組含量分布于10%～20%；Surat盆地惰質組含量明顯低于Bowen盆地，89%樣品的惰質組含量小于10%；Surat盆地殼質組和鏡質組含量明顯高于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

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

樣品數據顯示，Bowen盆地煤層鏡質體反射率值分布于0.73%～0.96%之間，屬于中等成熟度，為Ⅱ型與Ⅲ型中煤級煤。4口井(SCG2、HUC2、COR2、ROSTN2)的樣品實驗數據及擬合曲線中有3口井數據顯示Bowen盆地鏡質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。

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

圖6 Bowen盆地與Surat盆地鏡質體反射率隨深度變化關系圖

4 開發及建議

對比Bowen盆地與Surat盆地的煤樣品，Bowen盆地煤為二疊系煤層，生成時間早，熱演化周期長，煤化程度和煤成熟度高，鏡質體反射率高，固定碳含量高，達到了煙煤級別，易于著火和燃燒，而且灰分和水分含量較少，發熱量較高。因此Bowen盆地煤適合做燃料，用于發電、工業鍋爐用煤、生活用煤及冶金用動力煤等，同時也可用作煉焦原料。Surat盆地煤為侏羅系煤層，生成時間相比Bowen盆地煤晚，熱演化程度和煤化程度低，由于高揮發分和高灰分，超出民用煤的質量控制指標，不宜做民用煤。根據該盆地低鏡質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盆地煤層鏡質組和殼質組含量高，生烴潛力大，可以生成具有經濟價值的煤層氣，因此該盆地煤層還可以用來進行煤層氣開發。

澳大利亞煤炭資源利用具有煤礦規模大、煤礦生產效率和安全生產水平世界領先、產業集中度高的特點，且澳大利亞社會穩定，投資環境良好，有利于企業投資。海外煤炭和煤層氣項目投資額度均較大，建議中國的石油、煤炭、電力、基礎設施建設企業可以組建聯合公司前往澳大利亞投資，并聯合當地有成熟管理經驗的企業共同開發Bowen盆地與Surat盆地煤炭資源和煤層氣資源，也可以充分利用當地的華人團體，聘請優質的律師團隊，在處理征地、社區問題上發揮作用。中國的企業應該合理調整自己的預期，提前做好充分的盡職調查以及應對方案，以降低投資風險。

5 結論

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盆地煤層鏡質組含量為30%～90%，大多數樣品殼質組含量小于5%，惰質組含量高，分布在10%～60%之間。Surat盆地煤層鏡質組大于70%，殼質組含量為10～20%，惰質組含量小于10%。Surat盆地殼質組和鏡質組含量明顯高于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型中煤級煙煤，該煤適合做燃料，同時也可用作煉焦原料。Surat盆地煤層鏡質體反射率值分布于0.4%～0.65%之間，屬于低成熟度，為低煤級煤和Ⅰ型中煤級褐煤，褐煤熱解后可以制作半焦和煤焦油。另外，Surat盆地煤層還可進行煤層氣開發。Bowen盆地由于煤層埋深較深，煤熱演化程度高，鏡質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，鏡質體反射率與深度關系不明顯。

通過分析Bowen盆地及Surat盆地煤層特點，認為澳大利亞具有成熟的可開發煤炭資源，且澳大利亞社會穩定、投資環境良好，建議中國的石油、煤炭、電力、基礎設施建設企業可以組建聯合公司前往澳大利亞投資，并提前做好充分的盡職調查以及應對方案，以降低投資風險。