基于地球物理測井的煤體結(jié)構(gòu)識別及對煤層氣開采的影響

張瑤，趙軍龍

（西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710065）

0 引言

煤體結(jié)構(gòu)主要分為原生結(jié)構(gòu)（MJ-I）、碎裂結(jié)構(gòu)（MJ-II）、碎粒結(jié)構(gòu)（MJ-III）、糜棱結(jié)構(gòu)（MJ-IV）4種類型（黃波，2018；張俊杰和趙俊龍，2019）。煤體結(jié)構(gòu)三維空間的非均質(zhì)性控制著煤層滲透率以及煤巖力學(xué)性質(zhì)，是制約煤層氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵因素之一（侯世輝，2018），同時(shí)煤體結(jié)構(gòu)還是多煤層煤層氣勘探開發(fā)中主力產(chǎn)層優(yōu)選及產(chǎn)層優(yōu)化組合的關(guān)鍵約束條件，因此，精確識別煤體結(jié)構(gòu)顯得尤為重要（侯月華等，2016）。

前人研究表明，識別儲層煤體結(jié)構(gòu)的直接方法有生產(chǎn)礦井煤體結(jié)構(gòu)實(shí)際編錄，鉆孔煤心描述和煤礦井下煤壁直接判識（傅雪海等，2003；張超等，2017），間接方法有地震反演和測井（王遠(yuǎn)等，2011；彭劉亞等，2013；彭蘇萍等，2018），因直接方法資料不易獲取，地震反演技術(shù)要求較高，近年來對于煤體結(jié)構(gòu)的研究逐漸側(cè)重在測井資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行。傅雪海等（2003）開展了利用測井曲線劃分煤體結(jié)構(gòu)和預(yù)測煤儲層滲透率的研究，陳粵強(qiáng)等（2017）開展了利用測井參數(shù)定量識別韓城礦區(qū)北區(qū)煤體結(jié)構(gòu)的研究，陶傳奇等（2017）開展了基于測井參數(shù)的煤體結(jié)構(gòu)預(yù)測模型及空間展布規(guī)律的研究。這些研究工作為測井方法識別煤體結(jié)構(gòu)研究奠定了重要基礎(chǔ)。

該文針對不同煤體結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的不同測井響應(yīng)特征，基于對現(xiàn)有成果認(rèn)識的梳理，開展地球物理測井應(yīng)用在預(yù)測煤體結(jié)構(gòu)方面的綜合分析。

1 煤體結(jié)構(gòu)的定義、類型及對開發(fā)的影響

1.1 煤體結(jié)構(gòu)的定義及類型劃分

煤體結(jié)構(gòu)指煤層在地質(zhì)歷史演化過程中經(jīng)受各種地質(zhì)作用后，煤體內(nèi)部受破壞變形程度的特征，包含原生煤和構(gòu)造煤兩大類，其概念伴隨著構(gòu)造煤的概念演化，是煤體變形的一種特征表述（黃波，2018）。

構(gòu)造煤按照其結(jié)構(gòu)及物性參數(shù)、成因、宏微觀變形特征及變形機(jī)制和變形環(huán)境被劃分為2～10 類不等，隨著研究的逐漸深入，中國在2013 年首次頒布《煤體結(jié)構(gòu)分類》國家標(biāo)準(zhǔn)，分別從宏觀煤巖類型可辨識度層理完整性、煤體破碎程度、裂隙及揉皺發(fā)育程度、手試強(qiáng)度等方面進(jìn)行了分類，分為原生結(jié)構(gòu)（MJ-I）、碎裂結(jié)構(gòu)（MJ-II）、碎粒結(jié)構(gòu)（MJ-III）、糜棱結(jié)構(gòu)（MJ-IV）4 種類型，但研究者在實(shí)際工作中常因研究區(qū)域和研究目的不同而將構(gòu)造煤劃分成不同的類型，如張坤鵬等（2016）在研究新景煤礦3 號煤層煤體結(jié)構(gòu)時(shí)依據(jù)測井曲線識別的精確度以及實(shí)際工作的需要將煤體結(jié)構(gòu)類型按照破壞程度劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三大類；李劍等（2017）在研究渭北區(qū)塊煤體結(jié)構(gòu)測井評價(jià)及其在射孔段優(yōu)化中的應(yīng)用時(shí)因研究區(qū)糜棱煤所占比例極小，煤質(zhì)松軟，不利于煤層氣的開發(fā)，僅將其煤體結(jié)構(gòu)劃分為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤和碎粒煤3 類。雖然煤體結(jié)構(gòu)的劃分迄今為止還沒有完全統(tǒng)一，但已經(jīng)逐漸向2013 年頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)靠攏。

1.2 煤體結(jié)構(gòu)對煤層氣開采的影響

煤體結(jié)構(gòu)對煤層氣開采影響較大（馮立杰等，2017），研究表明，煤體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造變形在微觀上造成了孔裂隙分布特征、滲流能力以及煤層氣吸附、擴(kuò)散能力發(fā)生變化，導(dǎo)致煤儲層非均質(zhì)性增強(qiáng)，增大了煤層氣開發(fā)難度（滕娟，2016）（表1）。

（1） 井壁穩(wěn)定性

胡奇等（2014）在研究沁南地區(qū)煤體結(jié)構(gòu)對煤層氣開發(fā)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：煤體結(jié)構(gòu)越破碎，井壁穩(wěn)定性越差，井徑、抽采孔鉆屑量越大，碎粒煤及糜棱煤發(fā)育處，井筒周圍形成厚層的水泥環(huán)，甚至導(dǎo)致砂堵等工程問題，在排采過程中，煤層水及煤層氣均有攜帶煤粉的能力，易造成排采通道的堵塞等。

（2） 孔裂隙分布特征

原生煤很少有裂隙發(fā)育，主控孔隙類型為微孔（孔徑小于2 nm 的孔隙）和過渡孔；碎裂煤的主控孔隙類型為中孔（孔徑為2～50 nm 的孔隙）和大孔（孔徑大于50 nm 的孔隙）；而糜棱煤在經(jīng)歷了塑性剪切作用后，中孔、大孔和裂隙比例迅速降低。不同煤體結(jié)構(gòu)儲層裂隙發(fā)育的差異性主要集中在裂隙連續(xù)性方面，隨著煤巖破碎程度的增加，煤儲層裂隙連續(xù)性降低（Li et al.，2012；滕娟，2016；侯世輝，2018）。

（3） 滲透性

滲透率是評價(jià)煤儲層滲透性的關(guān)鍵指標(biāo)（葉楨妮等，2019），是影響煤層氣解吸、運(yùn)移和開發(fā)的一項(xiàng)重要參數(shù)（趙軍龍和池佳瑋，2019）。煤體結(jié)構(gòu)對煤層氣開采的影響主要表現(xiàn)在對煤層氣滲透率的控制作用以及對煤礦安全的危害作用（滕娟，2016）。不同煤體結(jié)構(gòu)煤層顆粒大小、形態(tài)及相互關(guān)系控制了煤儲層孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而控制著滲透率的變化（黃波，2018）。煤體結(jié)構(gòu)對原煤滲透率的影響研究開展較少。鐘玲文等（2004）研究發(fā)現(xiàn)在有碎粒煤和糜棱煤發(fā)育的煤層，煤體結(jié)構(gòu)對煤層滲透性的影響大于裂隙發(fā)育程度的影響，成為控制滲透性的首要因素；呂閏生等（2012）對焦作煤田的構(gòu)造煤進(jìn)行了滲透率測試，結(jié)果表明滲透率與不同煤體結(jié)構(gòu)關(guān)系曲線近似呈正態(tài)分布，先是呈級數(shù)增大，隨后呈級數(shù)減小。

（4） 氣體吸附解析能力

宋曉夏等（2013）在研究中梁山南礦構(gòu)造煤吸附孔分形特征時(shí)發(fā)現(xiàn)：構(gòu)造變形越強(qiáng)烈，孔表面積越大，微孔含量越多，孔隙結(jié)構(gòu)非均一性越強(qiáng)，氣體吸附能力越強(qiáng)。原生結(jié)構(gòu)煤儲層氣體擴(kuò)散能力最弱，碎粒煤儲層氣體擴(kuò)散能力最強(qiáng)，碎裂煤儲層氣體擴(kuò)散能力介于原生結(jié)構(gòu)煤儲層和碎粒煤儲層之間（侯世輝，2018）。

2 基于地球物理測井的煤體結(jié)構(gòu)判識

識別儲層煤體結(jié)構(gòu)最直接的方法是生產(chǎn)礦井煤體結(jié)構(gòu)實(shí)際編錄，鉆孔煤心描述和煤礦井下煤壁直接判識，但井巷編錄對未采區(qū)的資料無法獲取，鉆井取心則常因構(gòu)造煤松軟，采取率低，以及井下條件限制，煤體結(jié)構(gòu)難以描述（傅雪海等，2003；張超等，2017）?；诓煌后w結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)不同，利用疊前地震反演信息得到的多種彈性參數(shù)可以進(jìn)行煤體結(jié)構(gòu)的有效劃分（彭蘇萍等，2008；王遠(yuǎn)等，2011；彭劉亞等，2013；彭蘇萍等，2018），但同步反演對地震資料的AVO 處理環(huán)節(jié)要求高，同時(shí)還存在反射振幅的恢復(fù)與保持、入射角度換算等技術(shù)問題。前人研究結(jié)果表明，地球物理測井技術(shù)是判識煤體結(jié)構(gòu)的可靠技術(shù)手段（傅雪海等，2003；陳萍等，2014），最為經(jīng)濟(jì)高效且有較高的精度（Thomas et al.，2016），煤體物理和化學(xué)性質(zhì)差異使得煤體結(jié)構(gòu)與測井響應(yīng)具有良好的對應(yīng)關(guān)系（Teng et al.，2015，2016）。因此，可基于不同煤體結(jié)構(gòu)具有不同測井響應(yīng)特征，結(jié)合鉆井取心數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，最終實(shí)現(xiàn)煤體結(jié)構(gòu)預(yù)測。

2.1 多種測井方法判識煤體結(jié)構(gòu)的機(jī)理

前人的研究成果表明，預(yù)測煤體結(jié)構(gòu)，要以不同煤體結(jié)構(gòu)具有不同測井響應(yīng)特征為基礎(chǔ)，結(jié)合鉆井取心數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。不同煤體結(jié)構(gòu)間存在著物性差異，這些差異在各地球物理測井上會產(chǎn)生不同響應(yīng)特征，從而為測井參數(shù)預(yù)測煤體結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)，其判識機(jī)理及同一煤田同一煤層在相同變質(zhì)程度情況下不同煤體結(jié)構(gòu)曲線特征見表2（姚軍朋等，2011；陳躍等，2013；滕娟，2016；陳晶等，2017）。

基于測井曲線的煤體結(jié)構(gòu)預(yù)測主要依據(jù)煤體結(jié)構(gòu)物性差異而引起的電性、放射性、聲波時(shí)差等差異，其差異反應(yīng)在測井曲線形態(tài)和幅度上。井徑、聲波、密度、中子測井對識別煤體結(jié)構(gòu)效果較好，電阻率測井次之，隨煤體結(jié)構(gòu)破碎程度加深，自然伽馬測井值在各區(qū)塊增減趨勢不同，但在同一區(qū)塊內(nèi)變化穩(wěn)定且幅值變化較為明顯。

2.2 煤體結(jié)構(gòu)類型定性判識方法

利用測井曲線劃分煤體結(jié)構(gòu)是根據(jù)不同煤體結(jié)構(gòu)具有不同測井響應(yīng)特征而判識。測井曲線中井徑測井曲線對于構(gòu)造煤最為敏感，應(yīng)用也最廣（張超等，2017）。喬偉等（2010）采用單一的井徑曲線，以0.5 m 為尺度分析了井徑與煤體結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)果表明原生煤和碎裂煤對應(yīng)的井徑變化較小，而碎粒煤和糜棱煤的井徑擴(kuò)張表明井徑曲線幅值在原生煤與碎裂煤處表現(xiàn)為低幅值，而在碎粒煤處表現(xiàn)為高幅值，定性判識了煤體結(jié)構(gòu)。考慮到影響測井曲線的因素較多，在利用測井信息判識煤體結(jié)構(gòu)類型的研究中，為提高準(zhǔn)確性，大都采用多種測井手段定性判識。

許啟魯?shù)龋?016）對比了柿莊北地區(qū)原生煤和構(gòu)造煤的測井幅值，結(jié)果表明構(gòu)造煤對應(yīng)了自然伽馬和電阻率幅值低，聲波時(shí)差、井徑幅值高等測井響應(yīng)特征。滕娟（2016）統(tǒng)計(jì)了沁水盆地南部煤體結(jié)構(gòu)對應(yīng)自然伽馬、深側(cè)向電阻率、密度測井響應(yīng)的曲線形狀、幅值范圍和平均幅值，表明隨著煤體結(jié)構(gòu)破碎程度的增強(qiáng)，深側(cè)向電阻率幅值增大，自然伽馬和密度測井幅值減小，測井曲線的變化更加顯著。

經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在各區(qū)塊判識煤體結(jié)構(gòu)過程中，隨煤體結(jié)構(gòu)破碎程度增大，井徑、聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子測井值增大，密度測井值減小趨勢穩(wěn)定；電阻率測井值大都減小，只在傅雪海等（2003）研究的安微淮南、淮北煤田，滕娟（2016）、侯月華等（2016）研究的沁水盆地安澤區(qū)塊，因無煙煤顆粒比表面積增大，吸附和保存了更多的煤層氣，導(dǎo)電能力減弱，顯示電阻率測井隨煤體結(jié)構(gòu)破碎測井曲線幅值增大。各地區(qū)隨煤體結(jié)構(gòu)破碎程度加深，自然伽馬測井值受煤體雜質(zhì)或含放射性元素的地層水影響程度不同（姚軍朋等，2011），曲線幅值變化不同。

盡管煤體結(jié)構(gòu)的定性判識方法已取得一定成果，但其精度遠(yuǎn)達(dá)不到勘探開發(fā)的需求，因此急需建立煤體結(jié)構(gòu)的定量判識方法。

2.3 煤體結(jié)構(gòu)類型定量判識方法

前人的研究多停留在通過觀察和統(tǒng)計(jì)測井曲線的形態(tài)和幅值來評價(jià)煤體結(jié)構(gòu)的類型的定性評價(jià)階段，但隨著煤與煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，定性判識已遠(yuǎn)達(dá)不到煤層氣現(xiàn)場勘探開發(fā)的需求。因此，有必要建立煤儲層煤體結(jié)構(gòu)的定量判識新方法，有效提高煤體結(jié)構(gòu)判識的準(zhǔn)確性。經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)利用測井曲線定量判識煤體結(jié)構(gòu)的方法主要有如表3所示4 種方法。

表3 所列方法均能有效定量識別煤體結(jié)構(gòu)，且準(zhǔn)確度在定性分析的基礎(chǔ)上大大提升，但都具有一定的局限性，或?qū)y井資料的要求較高，或區(qū)域性質(zhì)明顯，參數(shù)不易確定等。通過對比發(fā)現(xiàn)構(gòu)造煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)法、補(bǔ)償中子-井徑和補(bǔ)償中子-聲波時(shí)差交會圖結(jié)合法兩種方法采用了對煤體結(jié)構(gòu)變化更為敏感穩(wěn)定的密度、聲波時(shí)差、井徑和補(bǔ)償中子測井曲線，更具有普適性，其中構(gòu)造煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)法能劃分出3 種煤體結(jié)構(gòu)，相對來說精度更高。

3 實(shí)例分析

姚軍朋等（2011）對某地區(qū)6 井用構(gòu)造孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m法進(jìn)行煤體結(jié)構(gòu)定量判識，劃分出Ⅰ類（原生結(jié)構(gòu)煤）、Ⅱ類（碎裂結(jié)構(gòu)煤）和Ⅲ類煤（碎粒和糜棱結(jié)構(gòu)煤），判識精度在85%左右。筆者在該井使用謝學(xué)恒和樊明珠（2013）提出的構(gòu)造煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)n法（n=），結(jié)果如圖1 和圖2 所示，以n＜600 為原生結(jié)構(gòu)煤，600＜n＜800 為碎裂結(jié)構(gòu)煤，n＞800 為碎粒和糜棱結(jié)構(gòu)煤作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，判識結(jié)果準(zhǔn)確度可達(dá)到90%。

圖1 某地區(qū)6 井煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)特征

圖2 某地區(qū)6 井煤體結(jié)構(gòu)的測井響應(yīng)及煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)曲線特征（黑色部分為原生結(jié)構(gòu)煤）

表3 利用測井曲線定量判識煤體結(jié)構(gòu)方法

4 結(jié)論

本文梳理了劃分煤體結(jié)構(gòu)的方法、煤體結(jié)構(gòu)對煤層氣開采的影響、總結(jié)了基于地球物理測井資料定性和定量判別煤體結(jié)構(gòu)的方法。

（1） 煤體結(jié)構(gòu)目前多劃分為原生結(jié)構(gòu)（MJ-I）、碎裂結(jié)構(gòu)（MJ-II）、碎粒結(jié)構(gòu)（MJ-III）、糜棱結(jié)構(gòu)（MJ-IV）4 種類型，對煤儲層滲透率及井壁穩(wěn)定性等均有影響，從而影響對煤層氣的開采。

（2） 井徑、聲波、密度、中子測井對識別煤體結(jié)構(gòu)效果較好，電阻率測井次之，隨煤體結(jié)構(gòu)破碎程度加深，自然伽馬測井值在各區(qū)塊增減趨勢不同，但在同一區(qū)塊內(nèi)變化穩(wěn)定且幅值變化較為明顯。

（3） 煤體結(jié)構(gòu)定性判識利用常規(guī)測井信息分層劃分，隨著煤與煤層氣勘探開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，已遠(yuǎn)達(dá)不到勘探開發(fā)的需求，定量判識則在常規(guī)測井信息的基礎(chǔ)上采用構(gòu)造指數(shù)法、交會圖法、多元線性回歸法等其他方法，為未來煤體結(jié)構(gòu)研究方向。