利用煤田測井曲線精細解釋淮南某礦1煤層采區(qū)地質特征

徐勝平， 云曉鳴， 汪宏志， 王 軒

（1.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001；2.安徽省煤田地質局第三勘探隊，安徽 宿州 234000）

煤田地球物理測井作為一種重要的物探技術手段，在煤炭資源勘探中發(fā)揮著重要的作用?？碧竭^程中，煤田測井直接通過鉆孔井壁近距離地獲取地層中物理性質信息，其曲線中攜帶著豐富的地質信息，不同屬性參數(shù)與巖煤層結構、物理力學性質、富水儲氣等特征具有一定的相關性［1］。通過對測井曲線的綜合分析，根據(jù)巖煤層的地球物理響應特征，實現(xiàn)對煤礦開采地質條件的解釋。利用單井和多井測井曲線參數(shù)，不僅可以實現(xiàn)對巖煤層深度、厚度及結構的確定，對煤類的劃分，對巖性解釋及地層劃分等常規(guī)解釋應用，而且可以實現(xiàn)巖層孔隙度確定、煤層對比、構造分析，以及沉積環(huán)境分析等相關內容［2］。近年來，安徽省煤田地質局第三勘探隊完成50個左右勘探區(qū)探查任務，以每個勘探區(qū)200個鉆孔數(shù)量計算，已完成近10 000個鉆孔的地質勘探任務，其中絕大多數(shù)鉆孔完成測井任務。而縱觀煤田系統(tǒng)對測井曲線的利用，其所采用的綜合解釋方法不夠突出，地質成果資料解釋普遍采用單井或多井曲線間的簡單組合與對比，實現(xiàn)常規(guī)地質解釋，未能全面利用5大類曲線的信息，在某種程度上造成測井曲線資源的丟失與浪費［3］，這也是全國煤田勘探測井技術應用的現(xiàn)狀。

通過國內外煤田測井技術發(fā)展進程可以看出，20世紀70年代后的煤田測井，無論在數(shù)量和質量上，或是在應用的深度和廣度上都有所提高，測井資料從煤田的普查、預測到勘探直至開采設計，都有著廣泛而有效的應用［4－8］，目前正朝著對測井曲線精細化解釋的方向發(fā)展。本文通過對淮南某礦西二采區(qū)1煤層地質資料、鉆孔測井曲線的收集，確立對各類研究地質條件的敏感曲線，統(tǒng)計和分析測井曲線幅值，對巖煤層儲氣特征、含水性、巖石力學參數(shù)等利用率高的地質屬性進行相關性分析，建立地質物理性質參數(shù)與靈敏測井曲線屬性參數(shù)之間的函數(shù)關系，重建勘探區(qū)綜合地質模型，進一步提高對現(xiàn)有測井曲線資料的利用程度。

1 測井曲線資料精細解釋方法

煤田地球物理測井資料精細解釋是一個對現(xiàn)有資料的信息提取細化過程，重點是通過對測井曲線資料標準化，在精確提取測井曲線幅值的基礎上，針對不同的研究內容，分別構建測井參數(shù)，分析兩者之間的相關關系，進而建立研究區(qū)地質屬性與測井參數(shù)之間的解釋模型。

1.1 測井曲線資料分類及數(shù)值提取

目前，煤田上常用自然電位、視電阻率、自然伽馬、密度、聲波等5類測井曲線，不同曲線反映的巖煤層特征各有不同，其測試的物理量差別較大，因此需要對不同曲線的相關性進行分析和標準化處理，便于進行曲線之間的對比利用，為測井精細地質解釋提供基礎；同時可以建立必要的參數(shù)計算公式和巖煤層的評價標準［9－10］。研究中針對紙質材料還需數(shù)字化，利用CorelDraw、Auto－CAD等矢量化軟件，結合自主編寫的基于CAD平臺開發(fā)的數(shù)值提取軟件將各種物理量分層、定值后形成數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)對比分析做準備。

測井數(shù)據(jù)的提取步驟為：首先利用自主編寫的數(shù)值提取軟件分別拾取測井數(shù)據(jù)的標度和鉆孔深度（即X、Y2個方向），然后選擇需要提取的測井曲線，最后保存為文本格式。軟件界面如圖1所示。

1.2 測井解釋模型建立

通過收集研究區(qū)勘探過程、煤層開采過程獲得的巖煤層地質屬性實測資料，與標準化處理后的層位曲線參數(shù)相對比，進一步構建不同地質條件下地質解釋模型。其重點是以煤層結構特征及其瓦斯含量、巖煤層的力學性質以及巖層富水特征為研究對象，確定其靈敏曲線參數(shù)，利用數(shù)理統(tǒng)計、回歸分析、聚類分析等手段建立其單因素或多因素分析解釋模型。

2 1煤層精細解釋應用

2.1 巖石力學參數(shù)確定

本文以西二采區(qū)1煤頂板砂、泥巖為對象，對視電阻率測井、自然伽馬、伽馬伽馬值等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，在單軸抗壓強度解釋結果基礎上，結合圍壓下砂巖力學性質實驗以及砂巖孔隙度實驗結果，建立一種基于測井資料的單軸到三軸抗壓強度解釋模型［11］。具體來說是通過分析巖石抗拉強度與視電阻率、自然伽馬、伽馬伽馬的相關關系，根據(jù)抗拉強度與測井曲線單因素之間的相關關系，構建復合參數(shù)，分析抗拉強度和復合參數(shù)之間的相關特性。

為了更好地構建復合參數(shù)分析模型，首先分析巖石抗拉強度與測井曲線單因素之間的相關關系，即以巖石抗拉強度為因變量，視電阻率測井值、自然伽馬測井值和伽馬伽馬測井值為自變量，分別分析它們之間的線性相關關系。單因素分析表明巖石抗拉強度與視電阻率呈正相關關系，與自然伽馬、伽馬伽馬呈負相關關系。

線性分析結果表明，兩者具有中度相關性。為了使預測結果更接近真實值，在單因素分析的基礎上，設置測井復合參數(shù)F＝lnR／（lnGR×lnGG）。該復合參數(shù)F代表了抗拉強度與3種測井值之間的綜合相關性。利用采區(qū)內鉆孔相同層位巖石抗拉強度實測值，可進一步構建抗拉強度與復合參數(shù)之間的函數(shù)關系為y＝25.54x－2.597，其相關系數(shù)為0.674。根據(jù)此式可對1煤采區(qū)各鉆孔處1煤層頂板砂巖層段抗拉強度進行預測，獲得整個采區(qū)1煤層頂板砂巖層段抗拉強度分布圖如圖2所示。可以看出，在1煤采區(qū)其頂板砂巖抗拉強度具有分布差異，其重點是采區(qū)深部靠近煤上山位置的1煤頂板砂泥巖層段強度相對較低，因此需要在工作面巷道掘進以及工作面回采維護中加以重視，這在幾條上山掘進中已得到驗證。

圖2 抗拉強度分布圖

2.2 巖煤層儲氣特征解釋

由于煤層物性及其儲氣特殊性，目前還不能靠單一的測井資料對煤層瓦斯含量做出準確的解釋，多數(shù)是通過數(shù)理統(tǒng)計的方法，結合地區(qū)地質經驗建立統(tǒng)計關系［12－14］。研究中通過視電阻率測井、自然伽馬測井、伽馬伽馬測井及工業(yè)分析相關參數(shù)，建立統(tǒng)計關系的煤層瓦斯含量解釋與預報方法。

試驗以淮南某礦西二采區(qū)1煤為對象開展。由于含氣量的增加會使深淺電阻相對變化率、聲波時差和中子孔隙度進一步增大，使自然伽馬和體積密度值進一步降低。因此，可以通過這些測井參數(shù)的變化來反映含氣量的變化。根據(jù)收集的采區(qū)鉆孔測井數(shù)據(jù)和各曲線對煤層參數(shù)的貢獻程度，結合儲層變化對測井分析的需要，確定利用視電阻率、自然伽馬和伽馬伽馬值形成復合參數(shù)L，構建復合參數(shù)L與煤層瓦斯含量的關系模型。其構建方法如下所述。

測井曲線復合參數(shù)與煤層瓦斯含氣量之間具有良好的相關性，由此獲得線性關系式為：Q氣＝f（L）＝－1.636L＋82.56，R＝0.92。由此可對整個采區(qū)鉆孔處的1煤層測井含氣量進行計算和預測，結果如圖3所示。經過對比，由測井復合參數(shù)給出的預測結果與采區(qū)個別工作面抽采揭露的煤層實測含氣量之間具有良好的對應性，表明利用上述方法進行煤層含氣量預測在生產中具有可行性，其預測結果可為礦井安全生產及采場瓦斯預測提供參考。

圖3 1煤層含氣量預測圖

2.3 巖煤層富水特征解釋

勘探區(qū)的水文地質資料對于建設礦井和開采具有重要意義，利用測井資料研究水文地質問題的優(yōu)越性大，它可充分利用區(qū)內已有的測井曲線，對比分析含水層的層位、分布情況及其含水性，便于掌握整個采區(qū)的基本情況。視電阻率是煤田測井最先采用的參數(shù)，它不僅是巖煤層定性定厚參數(shù)之一，而且是解釋滲透性地層砂巖體含水層的主要參數(shù)［15］。

研究以西二采區(qū)1煤頂板砂巖作為研究地層，討論其賦水特性。結合勘探過程中巖層飽和度測試數(shù)據(jù)、鉆孔視電阻率曲線等前期資料，利用Archie公式計算的采區(qū)巖層的含水飽和度分布圖如圖4所示。

圖4 含水飽和度分布圖

可以看出，采區(qū)1煤層頂板砂巖層段含水性具有差異，其中隨著埋深增加其含水飽和度增加，采區(qū)下部巖層賦水性比上部要大，且在走向上局部具有分帶差異性。1煤頂板砂巖含水組之間有泥質巖類隔水層間隔，而且斷層帶一般不含水，導水性也較弱，所以相互之間無水力聯(lián)系。與上覆松散含水層和下伏太原組灰?guī)r含水層之間，在自然狀態(tài)下，無水力聯(lián)系。對于采區(qū)深部含水飽和度高異常區(qū)域，在巷道掘進過程中已揭露證實，此結果還可為工作面回采過程中頂板水害防治提供參考。

3 結 論

（1）以淮南某礦1煤采區(qū)開采地質條件進行測井曲線精細分析試驗研究，取得1煤層瓦斯含量、1煤層頂板厚砂巖層段賦水性以及力學性質評價等精細解釋結果，室內巖石測試試驗、現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)、礦井生產揭露地質條件數(shù)據(jù)等綜合驗證表明，利用測井曲線單因素、多因素綜合判斷成果與實際測試數(shù)據(jù)之間具有良好的一致性。

（2）結合煤田勘探系統(tǒng)測井曲線現(xiàn)狀，形成的煤田勘探測井曲線精細解釋的方法具有一定的可靠性，該方法可為現(xiàn)有礦井曲線資料再利用、今后勘探曲線深入解釋提供有效手段，為煤炭生產提供更多更為有效的地質信息。

（3）受數(shù)據(jù)條件限制，對于地質條件的精細判斷還需結合所獲得的多種地質信息綜合分析，對于精細方法還需結合區(qū)域特點進行深入研究，進一步擴大其應用范圍和效果。

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