不同密度分級下富油煤微觀結構研究

李新 韓波 張哲豪 何羽飛 常進宇 趙奔

1. 中國石油集團測井有限公司地質研究院 陜西 西安 710077

2. 西安科技大學地質與環境學院 陜西 西安 710054

我國資源結構呈“缺油、少氣、相對富煤”的特點，這決定了煤炭在一次性能源生產和消費中的相對主導地位。隨著社會經濟的快速發展，煤炭的生產和消費呈快速增長的趨勢。因此，石油供不應求的問題成為了我國能源發展的關鍵性問題[1]。

富油煤通過熱解可以產出油、氣和半焦，可作為煤基油氣資源緩解油氣供應緊張的局面，且具有較大的資源潛力。煤田地質學中對富油煤的定義是：低溫干餾焦油產率（Tar.d）為7%～12%[2]。廣義將焦油產率大于7%的煤定義為富油煤。富油煤中不穩定化學結構是在低溫（300～600℃）熱解下可轉化為油氣資源的煤主要結構，是評價煤基油氣資源潛力的關鍵要素，富油煤結構的準確預測是目前亟待解決的關鍵問題之一。本文從宏觀密度出發，分析不同密度下富油煤的微觀物質結構，旨在探討富油煤微觀結構的密度響應特征。

1 樣品采集與處理

1.1 樣品采集

樣品采自陜北侏羅紀煤田，研究區內地層由老至新依次有[3，4]：三疊系上統永坪組（T3y），侏羅系中統延安組（J2y）、直羅組（J2z）、安定組（J2a）、新近系上新統保德組（N2b），第四系中更新統離石組（Q2l），第四系上更新統薩拉烏蘇組（Q3s）和馬蘭組（Q3m），第四系全新統風積沙（Q4eol）和沖積層（Q4al），其中延安組為本區含煤地層，垂向層序結構明顯，自下而上劃分為五個中級旋回巖段，分別含5個煤組。

1.2 樣品制備

將樣品粉碎至過200目篩，并采用比重液是氯化鋅溶液（GB474）[5]對樣品分離，具體操作步驟如下：①在燒杯中配置一定相對密度的氯化鋅溶液（需加入適量的稀鹽酸）；②將煤粉樣品倒入燒杯中，充分攪拌至充分混合，再用超聲波振蕩5～10分鐘；③靜置12小時，撈起浮煤；④按比重0.05的間隔配置氯化鋅溶液相對密度，重復上述步驟。

1.3 紅外光譜分析

紅外光譜法是根據分子振動和轉動反饋出的信息來鑒定有機質的結構及化學成分的技術。絕大多數有機質的振動能級躍遷引起的吸收都出現在中紅外光譜區，其吸收峰一般反應基團的伸縮振動，所以主要用于鑒定官能團。

可將煤的紅外光譜吸收峰歸為四類[6，7]：芳香烴結構（700～900cm-1）、含氧、氮、硫官能團（1000～1800cm-1）、脂肪官能團（2800～3000cm-1）、羥基官能團（3000～3600cm-1）。

2 富油煤分子結構分析

2.1 芳香結構吸收峰解析

波數在700～900cm-1屬于指紋區，由于各單鍵振動與C-H振動的相互作用，使得該區域的圖譜較復雜。該區大致有3個明顯的特征峰，分別位于波數為750cm-1、810cm-1、860cm-1左右（圖1）。

圖1 芳香結構分峰擬合：（a）～（f）的浮煤密度分別為1.2g/cm3、1.25g/cm3、1.28g/cm3、1.325g/cm3、1.47g/cm3、>1.47g/cm3

各密度下苯環二取代與苯環三取代相對含量都很高，尤其在密度為1.2g/cm3時苯環二取代的含量異常高。單取代芳烴在各密度級下含量很少，呈現先升后降的趨勢；二取代芳烴隨密度增大總體呈上升趨勢；同樣，三取代芳烴含量起伏不大，但總體呈現一個增多的規律；四取代芳烴含量隨密度先增加，到密度為1.28g/cm3時達到最值，然后有緩慢下降；五取代芳烴除在密度為1.25g/cm3時含量異常高意外，其他密度級下含量變化不大，呈一個先升后降的趨勢，在密度等于1.47g/cm3時開始下降。

2.2 脂肪吸收帶解析

波數在2800～3000cm-1的吸收峰歸屬與脂肪結構吸收帶。脂肪結構的官能團類型主要是-CH3、-CH2以及CH的伸縮振動（圖2）。

圖2 脂肪結構分峰擬合：（a）～（f）的浮煤密度分別為1.2g/cm3、1.25g/cm3、1.28g/cm3、1.325g/cm3、1.47g/cm3、>1.47g/cm3

脂肪結構中各官能團隨密度增加的相對含量及趨勢見圖4.28。脂肪結構較其他結構來說，規律性明顯。脂肪結構中存在歸屬不明確的官能團種類，其含量大約在5%左右，趨勢平緩；對稱CH2、CH3的伸縮振動趨勢平緩，隨密度增大呈微緩的上升趨勢，不是很明顯；CH伸縮振動除密度等1.47g/cm3時異常低以外，整體呈上升趨勢；不對稱CH2、CH3的伸縮振動含量隨密度增大，先下降在上升，然后在密度大于1.47g/cm3時又下降。

3 結論

（1）陜北侏羅紀富油煤可以利用比重液（ZnCl2溶液）可以進行不同密度分級，分級密度主要介于1.2～1.47g/cm3。

（2）隨著密度級的增大，苯環結構類型增多，含量增多。

（3）隨著密度級的增大，脂肪結構中的CH3-、CH2-含量的減少；脂肪結構整體呈遞減規律。