基于測井曲線物理建模技術(shù)在煤系巖相分析中的應(yīng)用

湯紅偉

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 概況

袁大灘井田位于陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫礦區(qū)東北部，榆溪河以西，無定河以北，古長城西北處。井田內(nèi)地表被第四系松散沉積物覆蓋。鉆孔揭露區(qū)內(nèi)地層由老至新依次為：三疊系上統(tǒng)永坪組，侏羅系下統(tǒng)富縣組、中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組，白堊系下統(tǒng)洛河組，第四系中更新統(tǒng)離石組、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組及全新統(tǒng)風(fēng)積沙。

本區(qū)延安組煤層發(fā)育，可采煤層7層，其中主要可采煤層為2號、3-1、4-2、5號煤層，2號煤層厚度較大。

2號煤層頂板主要充水水源一是洛河組與安定組碎屑巖類風(fēng)化殼孔隙裂隙承壓水，其巖性主要為砂巖，厚為30～60m；二是安定組砂巖孔隙裂隙承壓水巖性以中細(xì)粒砂巖為主，厚為12.46～87.33m，平均厚50.61m。

近年來，煤層頂板水害已成為制約袁大灘煤礦安全生產(chǎn)的重大隱患，為了研究2號煤層頂板砂巖含水層富水性發(fā)育規(guī)律，開展了對2號煤層頂板巖性的精細(xì)解釋。

1 測井方法

由于井田內(nèi)的測井曲線不全，僅有自然伽馬、自然電位、電阻率和密度測井，尤其缺乏聲波測井資料。

為準(zhǔn)確識別煤層頂板巖性，克服測井資料不全和錄井巖相不準(zhǔn)等技術(shù)瓶頸，本文將測井地層評價和巖石物理建模作為一個整體進(jìn)行研究(圖1)。

應(yīng)用現(xiàn)有的測井曲線對煤層頂板巖性進(jìn)行精細(xì)解釋，獲得泥質(zhì)含量、孔隙度、飽和度等地層參數(shù)，然后將該地層參數(shù)作為巖石物理建模的輸入，優(yōu)選合理的巖石物理模型和參數(shù)，最終獲得正演速度、密度等彈性參數(shù)，以應(yīng)用于后續(xù)的煤層頂板巖性預(yù)測研究。

圖1 技術(shù)研究流程Figure 1 Technical research flow

2 測井精細(xì)解釋評價

基于后續(xù)巖石物理正演縱波速度和地震反演項(xiàng)目研究的需求，對測井資料進(jìn)行儲層參數(shù)評價。由于地層較淺，主要分析泥質(zhì)含量和孔隙度的特征變化，流體部分按照飽含水進(jìn)行處理。

①泥質(zhì)含量的計(jì)算

式中：SH為泥質(zhì)指數(shù)；GR為自然伽馬測井曲線；GRmin為純砂巖自然伽馬曲線值；GRmax為純泥巖自然伽馬曲線值。

式中：VClay為泥質(zhì)含量；GCUR為地層參數(shù)。

②孔隙度計(jì)算

由于研究工區(qū)內(nèi)資料有限，僅有密度孔隙度曲線，因此孔隙度運(yùn)用密度曲線計(jì)算，計(jì)算公式：

式中：PHID為密度孔隙度；DENm為骨架密度；DEN為密度測井曲線；DENf為流體密度；DENsh為泥巖密度；Vclay為粘土含量。

利用上述方法計(jì)算泥質(zhì)含量和孔隙度，獲得巖石的體積模型，然后根據(jù)泥質(zhì)含量和孔隙度進(jìn)行巖性劃分(圖2)，巖性劃分標(biāo)準(zhǔn)為：VClay>0.3，砂質(zhì)泥；VClay<0.3，PHID<0.1，細(xì)砂巖；Vclay<0.3，PHID>0.1，中砂巖；煤層：DEN<2.1g/cm3。

圖2 K1-1井的測井解釋體積模型Figure 2 Well K1-1 well logging interpretation volume model

在巖石物理建模過程中，應(yīng)用xu-white模型[1]計(jì)算干巖骨架彈性模量，利用Batzle-Wang模型計(jì)算流體的彈性模量，采用Gassman方程進(jìn)行流體替換分析。在實(shí)際分析過程中需要注意以下幾個關(guān)鍵點(diǎn)。

①巖石物理模型可選種類很多，但都有其應(yīng)用的適用條件。通過密度曲線計(jì)算的孔隙度值域在5%～20%，因此利用針對砂泥巖二相介質(zhì)的xu-white方法進(jìn)行干巖骨架模型的建立是合適的。

②Alpha參數(shù)的調(diào)整。儲層中不同孔隙空間類型，通過橢球體幾何空間進(jìn)行刻畫，橢球體的空間短軸與長軸之比定義為孔隙空間寬長比，用Alpha來表示。當(dāng)Alpha越小，孔隙形狀越細(xì)，越接近細(xì)長型裂縫型孔隙；當(dāng)Alpha越大，孔隙形狀越接近圓形。通過對石英礦物和粘土礦物的Alpha值進(jìn)行擾動分析，分別給予不同的寬長比值，其中粘土的Alpha為0.04，石英礦物的Alpha值為0.12。

依據(jù)上述過程和方法，建立巖石物理模型(圖4)，并利用該模型參數(shù)正演密度、速度等彈性參數(shù)曲線。

圖5為巖石物理正演曲線(左圖為K1-1井、右圖為K1-3井)，每張圖中從左至右分別為，第一列為巖性曲線：藍(lán)色為自然伽馬，橙色為自然電位；第二列為深度道；第三列為測井電阻率，第四列為正演的縱波時差；第五列曲線： 紅色為正演密度，黑色為實(shí)測的密度曲線；第六列為正演橫波時差；第七列為縱波阻抗。

圖3 K1-3井測井解釋結(jié)果和錄井結(jié)果對比(左側(cè)為測井解釋巖性劃分，右側(cè)為錄井巖性劃分)Figure 3 Comparison of well K1-3 well logging interpreted and geological logging results

圖4 巖石物理建模技術(shù)流程圖Figure 4 Rock physical modeling technical flow

通過對比分析，正演密度曲線與實(shí)測密度曲線(圖5)誤差小于8%，表明密度正演結(jié)果可靠。但是正演的速度曲線還需要其他方法進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。進(jìn)行正演速度曲線可靠性分析的方法是進(jìn)行合成記錄標(biāo)定，可以對比地震速度和正演速度的一致性，圖6為上述二井的合成記錄和地震對比圖6，由此可以看出：

①時間值是利用計(jì)算的聲波時差進(jìn)行積分獲得的，沒有任何的拉伸壓縮調(diào)整，說明速度的絕對值和地震速度匹配一致；

②合成記錄的振幅和地震振幅的相對關(guān)系基本一致，相關(guān)系數(shù)高達(dá)90%，說明巖石物理模型正演的速度的相對關(guān)系是正確的。

在此基礎(chǔ)上，將縱波速度和密度乘積計(jì)算縱波阻抗曲線，然后分巖性建立直方圖(圖7)。明顯地，煤層速度最低，中粒砂巖低于泥質(zhì)砂巖，最為致密的細(xì)粉砂巖阻抗最高。因此， 可以利用縱波阻抗很好地區(qū)分不同的巖相。

圖5 巖石物理正演曲線Figure 5 Rock physical forward traces

圖6 利用正演結(jié)果進(jìn)行合成記錄標(biāo)定Figure 6 Synthetic record calibrations through forwarded results

圖7 分巖相縱波阻抗直方圖Figure 7 Lithologic facies based compressional wave impedance histogram

3 結(jié)論

在聲波曲線缺失的條件下，利用精細(xì)測井解釋和巖石物理建模，可以獲得正演的縱波速度曲線，利用該曲線進(jìn)行井震標(biāo)定，通過合成記錄和地震的對比可以確定正演曲線的準(zhǔn)確性。同時，在獲得聲波曲線的基礎(chǔ)上，計(jì)算縱波阻抗，進(jìn)行巖石物理分析，指示該區(qū)域縱波阻抗可以區(qū)分中粒砂巖和細(xì)粉砂巖。因此，在后續(xù)的研究中，利用疊后的波阻抗反演可以解決巖性劃分問題。

[1]Xu S, White R E. A new velocity model for clay- sand mixtures[J]. Geophysical Prospecting, 1995, 43: 93-118.

[2]Xu S, White R E. A physical model for shear-wave velocity prediction[J]. Geopysical Prospecting,1996,44:687-717.

[3]Batzle M, Wang Z. Seismic properties of pore fluids[J]. Geophysics,1992,57:1396-1408.

[4]GassmannF.Elasticity of porpousrock[J]. Viertel-jahrschrift der NaturforschendenGescllschaft in urich, 1951,96:1-21.