韓城北區(qū)煤層結(jié)構(gòu)的測(cè)井響應(yīng)特征

趙希正

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院 北京 100038)

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)位置及范圍

研究區(qū)位于韓城礦區(qū)的東北部，桑樹(shù)坪煤礦之西北側(cè)深部，黃河西岸，行政區(qū)劃隸屬陜西省韓城市管轄。范圍由6個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)閉合，區(qū)內(nèi)主要煤礦位置及范圍如圖1-1所示：

1.2 區(qū)內(nèi)以往勘探資料

目前研究區(qū)內(nèi)搜集的煤田勘探資料共有43個(gè)鉆孔地質(zhì)資料，其中王峰礦29個(gè)，興隆礦6個(gè)，盤(pán)龍礦8個(gè)。王峰礦無(wú)煤田勘探測(cè)井資料，興隆礦與盤(pán)龍有常規(guī)煤田測(cè)井綜合柱狀圖，無(wú)測(cè)井原始數(shù)據(jù)。

煤層氣勘探孔25個(gè)，資料較全，鉆孔主要分布在王峰礦區(qū)，可作為本區(qū)煤層氣評(píng)價(jià)的主要資料來(lái)源。

1.3 區(qū)內(nèi)主要煤層

依據(jù)韓城礦務(wù)局2010年《王峰井田煤炭資源勘探地質(zhì)報(bào)告》及興隆礦區(qū)和盤(pán)龍礦區(qū)部分資料表明這些礦區(qū)內(nèi)，3號(hào)煤層、11號(hào)煤層是較穩(wěn)定的主要可采煤層，可作為整個(gè)區(qū)內(nèi)煤層氣調(diào)查的主要目的層。3號(hào)煤層與11號(hào)煤層為-西北傾向單斜地層，傾角4-5°左右，在東北部較大，最大達(dá)14°左右，存在寬緩的波狀起伏，未發(fā)現(xiàn)斷層。在西部及東北部存在東西走向的向斜構(gòu)造。

3號(hào)煤層距11號(hào)煤層41.46 m～80.66 m。

3號(hào)煤層鉆孔揭露埋深463.35 m～1438.9 m。

11號(hào)煤層鉆孔揭露埋深528.74 m～1488.3 m。

3號(hào)煤層厚度0.55 m～9.1 m。

圖1 韓城北區(qū)主要礦區(qū)示意圖Figure 1 A sketch of main coalmine areas in Hancheng north area

11號(hào)煤層厚度0.85 m～10.1 m。

2 北區(qū)煤層結(jié)構(gòu)的測(cè)井響應(yīng)特征

本區(qū)主要煤層3煤與11煤，均屬于變質(zhì)程度高的無(wú)煙煤與貧煤，測(cè)井資料顯示煤層結(jié)構(gòu)變化較大。有些鉆孔揭露的3號(hào)煤、11號(hào)煤在層內(nèi)結(jié)構(gòu)也有較大的變化。能有效反應(yīng)煤層結(jié)構(gòu)的測(cè)井參數(shù)主要為：

2.1 聲波時(shí)差Δt

測(cè)井中Δt代表縱波在巖石中每傳播1 m所需用的時(shí)間Δtp=1/VpΔtp為縱波時(shí)差、單位為μs/m，Vp為縱波速度。

在同一成煤地質(zhì)條件下的同一煤層，如果煤層原生狀態(tài)沒(méi)有被破壞，則它的縱波速度是大致相同的。(煤體的各向異性，產(chǎn)生縱波速度小范圍的變化)。如因外力作用而煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，煤體產(chǎn)生破碎、粉碎，則煤層的非彈性特征增強(qiáng)，力學(xué)強(qiáng)度變?nèi)酢Ｍ瑫r(shí)被破壞的煤體內(nèi)產(chǎn)生的裂隙就會(huì)被油、氣、水等物質(zhì)填充，這些游離態(tài)的充填物的縱波速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于骨架體煤的速度，引起煤層的整體波速降低，Δt值增大。

由威利時(shí)間平均公式：Δtp=Δtma(1-Φ)+ΔtfΦ(式中Δtma為巖石骨架的縱波時(shí)差，Δtf為裂隙孔隙中流體的縱波時(shí)差，Φ為裂隙孔隙度)

可以看出，煤層中當(dāng)Δtma與Δtf一定時(shí)Φ越大Δtp越大，證明煤體結(jié)構(gòu)破壞程度越大，縱波時(shí)差DT值越大，聲波傳遞中的能量衰減越大。

2.2 雙側(cè)向LLD、LLS

雙側(cè)向電阻率測(cè)井具有較高的縱向分辨率。

深側(cè)向LLD的探測(cè)深度大于淺側(cè)向LLS，它主要反映井壁以外巖體的視電阻率而淺側(cè)向主要反映井壁淺部沖洗帶的視電阻率。

一般情況下，如果巖石以垂直裂隙為主，不管裂隙張開(kāi)度如何變化，雙側(cè)向均呈現(xiàn)正幅值差特征(LLD大于LLS)隨張開(kāi)度的增大，LLD與LLS的幅值差線性增大。

如果巖石以水平裂隙為主，當(dāng)裂隙內(nèi)充入流體電阻率值較小時(shí)(一般井液礦化度高于地層裂隙水的礦化度，電阻率值很小)深淺電阻率響應(yīng)均很小，裂隙流體電阻率的減小會(huì)導(dǎo)致LLS大于LLD，用LLD與LLS的相對(duì)大小可判定巖層的滲透性能與裂隙發(fā)育情況。

不同煤體結(jié)構(gòu)的LLD測(cè)井響應(yīng)：

在變質(zhì)程度相同的同一煤層，LLD視電阻率的大小主要由煤體結(jié)構(gòu)，裂隙充填物的電阻率及井徑大小來(lái)決定，一般情況下，煤體結(jié)構(gòu)對(duì)視電阻率值影響較大，煤體破壞程度越大，其滲透性能越強(qiáng)，煤體內(nèi)形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)越發(fā)育，使煤層的視電阻率值下降越快。但井徑大小對(duì)LLD值的影響也很突出，由于探頭上的供電電極A、B與測(cè)量電極M、N的外徑尺寸是一定的，在相同井徑的情況下，電極到井壁的距離是相等的，所以井液對(duì)LLD值的影響是相同的，當(dāng)井徑變大時(shí)，導(dǎo)致電極到地層距離的增大，使LLD值減小，煤層的擴(kuò)徑是無(wú)規(guī)則的，這種影響也是較復(fù)雜的，一般表現(xiàn)為井徑越大，LLD值越小。

2.3 雙井徑CALX、CALY

雙井徑是測(cè)量鉆孔在X、Y不同方向上的直徑大小，煤層破碎嚴(yán)重，整體煤層松散，當(dāng)煤層遇鉆后將產(chǎn)生擴(kuò)徑，擴(kuò)徑的大小與煤體的破碎、松散程度有關(guān)。如煤層呈塊狀、碎塊狀結(jié)構(gòu)，在鉆進(jìn)過(guò)程中，將發(fā)生掉塊，這種掉塊擴(kuò)徑會(huì)產(chǎn)生井徑X、Y方向上的擴(kuò)徑大小不同，即雙井徑測(cè)量值大小不同。如煤層呈粒狀、粉狀結(jié)構(gòu)時(shí)，在鉆進(jìn)過(guò)程中，將發(fā)生坍塌，這種坍塌一般呈現(xiàn)雙井徑同步擴(kuò)徑，擴(kuò)徑范圍較大,有時(shí)井徑也會(huì)產(chǎn)生x,y方向上的不對(duì)稱現(xiàn)象。

2.4 密度DEN

根據(jù)不同密度巖石對(duì)入射伽瑪射線的散射和吸收能力不同的原理，來(lái)測(cè)量研究巖石的密度。

目前使用的密度探頭都帶有定向推靠裝置，測(cè)量結(jié)果基本上不受井徑大小的影響，對(duì)不同密度地層具有較高的分層能力，是煤層分層定厚的一種重要參數(shù)。

利用韓城北區(qū)25個(gè)孔煤層氣綜合測(cè)井的原始數(shù)據(jù)提取以上測(cè)井參數(shù)的原始數(shù)據(jù)。以WLC13孔3號(hào)煤與WLC25孔11號(hào)煤為例繪制煤層與煤層頂?shù)装宓臏y(cè)井曲線柱狀如圖2、圖3，圖中可明顯的看出不同參數(shù)的測(cè)井曲線在煤層及巖圍上響應(yīng)特征。

圖2 WLC13三煤CAL、DEN、DT、GR曲線Figure 2 WLC13 coal No.3 CAL, DEN, DT and GR traces

3 煤體結(jié)構(gòu)的劃分

對(duì)區(qū)內(nèi)每個(gè)煤層氣勘探鉆孔的3號(hào)煤11號(hào)煤層的測(cè)井參數(shù)DT、DEN進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)出各煤層的層內(nèi)常見(jiàn)值及各圍巖層常見(jiàn)值繪制交會(huì)圖如圖4：

從圖可以看出，各類巖性地層在圖版中的位置差別比較明顯，顯示了圍巖層與煤層之間明顯的物性差異，能使煤、巖劃分和分層定厚準(zhǔn)確無(wú)誤。

從圖上看出，煤層的主要圍巖：灰?guī)r、砂巖、泥巖的密度(ρ)值范圍在2.0～2.8g/m3。聲波時(shí)差值范圍(Δt)在110～240μs/m。其表現(xiàn)特征為：DEN值在灰?guī)r、砂巖、泥巖上主要集中在2.4～2.7g/m3。DEN在2.4以下證明巖層有可能破碎。

Δt值在灰?guī)r上最小，砂巖中等，泥巖最大，灰?guī)r主要集中在155～160μs/m，砂巖主要集中在190～220μs/m，泥巖主要集中在220～240μs/m。如果各巖層的Δt值大于各自的范圍證明巖層有可能破碎。

煤層DEN值范圍在1.15～1.45(g/m3)。

Δt值范圍在360～580μs/m。

其表現(xiàn)特征為：DEN值在煤層上主要集中在1.2～1.4g/m3。

Δt值煤層主要集中在400～450μs/m。如果煤層的Δt值大于這個(gè)范圍證明煤體結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生變化，Δt在越大煤體結(jié)構(gòu)的破壞程度越大。可根據(jù)煤層的Δt值的大小范圍來(lái)確定煤體結(jié)構(gòu)的類型。本區(qū)內(nèi)煤體結(jié)構(gòu)劃分為四個(gè)類型分別為：Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類。

4 煤體結(jié)構(gòu)的解釋原則

對(duì)煤層結(jié)構(gòu)的 劃分是在統(tǒng)計(jì)分析北區(qū)煤層氣綜合測(cè)井的原始數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合本區(qū)的實(shí)際情況，來(lái)劃分解釋煤層結(jié)構(gòu)的，解釋原則如下：

①目前，國(guó)內(nèi)外聲波測(cè)井大多數(shù)采用單發(fā)雙收裝置，即一個(gè)發(fā)射換能器，兩個(gè)接收換能器，它們相互間的距離是固定的，測(cè)量縱波通過(guò)井壁到達(dá)兩個(gè)接收器的時(shí)間之差，即Δt來(lái)反應(yīng)地層對(duì)縱波的傳播速度，這樣就自動(dòng)消除了井徑大小對(duì)測(cè)量值的影響，所以Δt在判定煤層結(jié)構(gòu)中不受井徑影響。由于是機(jī)械波傳播，不受煤層變質(zhì)程度，裂隙、孔隙水礦化度的影響。但當(dāng)煤層厚度小于2倍的源距(聲波發(fā)射器與接收器的最大距離)時(shí)，煤層的Δt將由于頂、底板相對(duì)高速地層的影響而變低，所以厚度小于1.5 m的煤層，測(cè)井所測(cè)得的Δt小于實(shí)際值，在解釋中需要注意。

②視電阻率的測(cè)量是供電極系與測(cè)量電極系通過(guò)井液偶合到井壁，則井液電阻率及井徑大小對(duì)視電阻率的測(cè)量產(chǎn)生較為復(fù)雜的影響。煤層的變質(zhì)程度不均影響也會(huì)很大。

圖3 WLC25十一煤CNL、CAL、DEN-MSFL、DT-LLS、LLD曲線Figure 3 WLC25 coal No.11 CNL, CAL, DEN-MSFL, DT-LLS and LLD traces

圖4 DT-DEN交會(huì)圖Figure 4 DT-DEN crossplot

③雙井徑在煤層上的擴(kuò)徑大小雖能反映煤層的破碎、松散程度，但受泥漿護(hù)壁程度的影響，特別是較薄的煤層和含有夾層的煤層更為突出，遇煤后的鉆進(jìn)時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)擴(kuò)徑也有一定的影響。

綜上所述，相比而言，Δt在解釋煤層結(jié)構(gòu)中影響因素相對(duì)較少，所以本區(qū)煤層結(jié)構(gòu)的定性解釋原則是以Δt為主，結(jié)合深淺側(cè)向視電阻率曲線、雙井徑曲線、及密度曲線(主要用來(lái)劃分煤層厚度與夾層)進(jìn)行綜合分析研究，用本區(qū)已知鉆孔的取心煤樣進(jìn)行校對(duì)，取心煤樣如5圖示：煤體結(jié)構(gòu)以粉煤與碎粒煤為主，塊煤次之。

對(duì)Δt所對(duì)應(yīng)的煤體結(jié)構(gòu)大致劃分為Ⅳ類：

塊狀、含碎塊—Ⅰ類，Δt小于390μs/m；

碎塊、含碎粒—Ⅱ類，Δt在390～420μs/m；

粒狀、含粉狀—Ⅲ類，Δt在420～470μs/m；

粉狀—Ⅳ類，Δt大于470μs/m。

(以上對(duì)DT值的劃分僅限于本區(qū)，數(shù)值上無(wú)通用性。但從縱波在巖介質(zhì)中的傳播原理來(lái)講：縱波在煤巖中傳播速度與其結(jié)構(gòu)特性具有很好的相關(guān)性)。對(duì)研究區(qū)不同煤體結(jié)構(gòu)的劃分結(jié)果進(jìn)行賦值，繪制北區(qū)三號(hào)煤層與十一層的煤體結(jié)構(gòu)平面分布圖，如圖6、圖7。

由圖中可以看出： 三號(hào)煤層與十一號(hào)煤層的煤體結(jié)構(gòu)的分布特征基本相似。在區(qū)內(nèi)的中東部有小面積的Ⅰ類結(jié)構(gòu)分布，其余大部分面積為Ⅱ、Ⅲ類結(jié)構(gòu)分布區(qū)。在區(qū)內(nèi)的東南部及西北部以Ⅲ、Ⅳ類結(jié)構(gòu)為主。

圖5 韓城北區(qū)煤體結(jié)構(gòu)Figure 5 Coal mass structures in Hancheng north area

圖6 北區(qū)3號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)平面分布圖Figure 6 Coal No.3 coal mass structures planar distribution in Hancheng north area

圖7 北區(qū)十一層的煤體結(jié)構(gòu)平面分布圖Figure 7 Coal No.11 coal mass structures planar distribution in Hancheng north area

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

5.1 不同的煤體結(jié)構(gòu)具有不同的測(cè)井曲線響應(yīng)特征

①Ⅰ類煤體結(jié)構(gòu)(塊狀為主)。Δt曲線幅值最大值小于390μs/m。曲線形態(tài)在煤層段異常平滑，局部波動(dòng)較小。LLD曲線幅值相對(duì)較高，最大值一般大于800Ω·m(相對(duì)為高值，但具體數(shù)值變化范圍較大)曲線形態(tài)在煤層頂?shù)捉缑婕眲∽兏?，異常最大值呈尖峰狀。CALX、CALY曲線擴(kuò)徑值較小，一般井徑值擴(kuò)大小于10cm，曲線形態(tài)為緩波浪狀，CALX、CALY幅值有一定差異。

②Ⅱ類煤體結(jié)構(gòu)(碎塊狀為主)。Δt曲線幅值大致在390～420μs/m。曲線形態(tài)在煤層段幅值呈波浪狀變化。LLD曲線幅值在煤層段波動(dòng)較大，大于500Ω·m(但在不同鉆孔最大值變化范圍很大)。CALX、CALY曲線擴(kuò)徑較Ⅰ類稍大。曲線形態(tài)為緩波浪狀，CALX、CALY幅值有一定差異。

③Ⅲ類煤體結(jié)構(gòu)(粒狀為主、)。Δt曲線幅值大致在420～470μs/m。曲線形態(tài)在煤層段幅值平穩(wěn)有小幅寬緩波動(dòng)。LLD曲線幅值在Δt范圍相同的不同鉆孔中變化范圍較大無(wú)一定規(guī)律(可能為煤的變質(zhì)程度不同所致)。CALX、CALY曲線擴(kuò)徑較大，在厚煤層一般擴(kuò)徑值大于20cm，薄煤層擴(kuò)徑相對(duì)較小，曲線形態(tài)CALX、CALY基本同步變化，煤層中部幅值相對(duì)較大。如WLC25號(hào)孔，十一煤測(cè)井曲線解釋圖所示。

④Ⅳ類煤體結(jié)構(gòu)(粉煤為主)。Δt曲線幅值最大值大于470μs/m.曲線形態(tài)在煤層段幅值平穩(wěn)，有小幅寬緩波動(dòng)。LLD曲線幅值在DT值范圍相同的不同鉆孔中一般變化范圍在幾十Ω·m到500Ω·m。曲線形態(tài)在煤層段呈破浪狀或小幅寬緩波動(dòng)形態(tài)。CALX、CALY曲線在煤層段擴(kuò)徑嚴(yán)重，基本到量程最大值，曲線在最大值時(shí)呈一條直線。

5.2 煤層頂?shù)装鍘r層結(jié)構(gòu)的測(cè)井曲線響應(yīng)特征

本區(qū)對(duì)煤層頂?shù)装鍘r層結(jié)構(gòu)的解釋劃分是主要以井徑曲線CAL、聲波差曲線Δt、深側(cè)向視電阻率曲線LLD為依據(jù)。

一般情況下如巖層無(wú)裂隙、無(wú)破碎、掉塊現(xiàn)象，則DT與LLD曲線呈平緩形態(tài)，其幅值大小為本區(qū)巖性所對(duì)應(yīng)的DT與LLD值(見(jiàn)骨架巖層參數(shù)表)。CAL曲線無(wú)擴(kuò)徑反應(yīng)，如巖層存在裂隙，則DT值產(chǎn)生波動(dòng)，LLD幅值變低，CA曲線無(wú)擴(kuò)徑反應(yīng)。若巖層產(chǎn)生破碎或掉塊，則DT與LLD值波動(dòng)幅度增大，這時(shí)CAL曲線產(chǎn)生波動(dòng)，波動(dòng)越大，巖層破碎掉塊程度越大。對(duì)煤層頂?shù)装宓耐暾越忉?，可根?jù)以上三條曲線的異常相對(duì)大小來(lái)劃分的。

對(duì)煤層結(jié)構(gòu)及頂?shù)装鍘r層結(jié)構(gòu)的定性解釋,深側(cè)向LLD視電阻率值的劃分應(yīng)是一個(gè)相對(duì)大小概念，由于本區(qū)視電阻率變化范圍很大，不能排除煤變質(zhì)程度不均及井徑所引起的變化。對(duì)雙井徑CALX、CALY值的劃分，同樣不能排除施工條件所產(chǎn)生的變化。主要參數(shù)Δt值，結(jié)合以上三種參數(shù)進(jìn)行綜合分析研究，對(duì)煤層結(jié)構(gòu)的定性解釋?xiě)?yīng)該是合理可行的。

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