莎車-葉城盆地侏羅系楊葉組煤層測井精細解釋和評價

豆龍輝

(新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局綜合地質(zhì)勘查隊，新疆烏魯木齊 830009)

0 引言

塔里木盆地西南緣(簡稱塔西南)處于古亞洲構(gòu)造域與特提斯構(gòu)造域的疊加部位，其侏羅紀含煤建造期間為一個斷陷盆地體系,河流、沖積扇以及淺湖相等沉積環(huán)境發(fā)育[1]。塔西南侏羅紀地層除發(fā)育在山前外,還發(fā)育了一系列受斷層控制的斷陷湖盆，形成烏恰、阿克陶、莎車-葉城以及和田等多個含煤盆地，中—下侏羅統(tǒng)康蘇組和楊葉組發(fā)育多層煤層，以沖積扇、扇三角洲、湖泊及沼澤沉積體系發(fā)育為主[2-5]。

由于沉積的特殊性，加上多次復(fù)雜的構(gòu)造疊加，莎車-葉城盆地侏羅系楊葉組煤層發(fā)育普遍厚薄不均，薄煤層普遍發(fā)育，同時煤層呈現(xiàn)高灰分、高容重、低熱量的“兩高一低”特點。在以往測井解釋過程中多存在無法識別煤層及定量解釋厚度的情況，出現(xiàn)了在鉆探過程中地質(zhì)檢驗為煤，煤質(zhì)化驗也達到煤的工業(yè)指標，但測井解釋中根據(jù)以往經(jīng)驗參數(shù)解釋為非煤的情況，也同時出現(xiàn)測井響應(yīng)為典型煤特征的情況，但煤質(zhì)化驗未達到煤的工業(yè)指標的情況。塔西南侏羅紀煤層的測井響應(yīng)呈現(xiàn)復(fù)雜多變的特征，如何通過測井曲線，結(jié)合煤層取心和化驗分析資料，基于“巖心刻度測井”原則，建立一組新的適合“兩高一低”煤的測井解釋參數(shù)，開展“兩高一低”煤層測井精細解釋和評價研究，對測井經(jīng)驗解釋參數(shù)進行修正，為準確評價塔西南煤炭資源潛力提供技術(shù)依據(jù)。

煤層測井響應(yīng)是煤層各種因素綜合影響的結(jié)果。以往煤田測井側(cè)重于煤層、夾矸的識別，煤層埋藏深度和厚度的確定。隨著近些年煤層氣研究和開發(fā)需要，測井在煤儲層的解釋和評價中的作用又被提升到比較高的位置。在煤儲層評價和解釋中，除煤巖的定性和定量識別外，煤工業(yè)分析指標、煤儲層含氣量等也可使用測井資料進行定量化[6-10]，采用的數(shù)學(xué)方法主要包括線性及多元回歸分析，小波分析以及灰色系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等模式識別手段[11-16]。筆者通過煤巖心觀測、測試化驗分析，發(fā)現(xiàn)采用線性及多元回歸分析的結(jié)果與各項指標，其關(guān)聯(lián)性較好，由此說明利用測井曲線開展煤層精細解釋和評價是一種實用有效的方法。

1 研究思路及測井、巖心資料概況

研究思路采用圖1所示開展相關(guān)研究。“視煤”即利用測井曲線響應(yīng)，并結(jié)合巖心開展定性識別和劃分煤層的結(jié)果。

圖1 技術(shù)路線Figure 1 Technology route

莎車-葉城盆地煤田勘探中，完全遵照煤田勘探相關(guān)規(guī)范要求，進行了全井取心工作，并開展了包括煤工業(yè)分析參數(shù)等化驗分析測試工作。測井曲線包括自然伽馬(GR)、聲波時差(Δt，CV)、視電阻率(NR)、自然電位(SP)、長源距伽馬伽馬(GGFR，GG)等，普遍缺少補償密度(DEN)測井曲線。從整體來看，SP曲線在煤系中響應(yīng)特征不明顯，故不予以考慮和論述。DEN曲線是在野外測井時進行了儀器刻度，采用長源距伽馬伽瑪和短源距伽馬伽馬(GGNR)測量進行補償?shù)玫?，GG曲線值與對應(yīng)深度的DEN曲線值成反比關(guān)系，GG值高對應(yīng)于低DEN值。

莎車-葉城盆地位于新疆南疆三地州莎車-葉城地區(qū)。莎車-葉城地區(qū)為國家級連片貧困地區(qū)，屬貧缺煤地區(qū)，煤炭供需緊張、找煤難度大、煤價較高。按照《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T0215—2002)指導(dǎo)意見17.1，南疆三地州煤炭資源量估算指標為：灰分(Ad)下限值不限定(國標為<40%)，發(fā)熱量(Qnet，d)>12.5MJ/kg(國標為17MJ/kg)，硫分(S)<3%(同國標)。

2 煤巖層測井響應(yīng)特征

莎車-葉城侏羅系楊葉組地層巖性主要包括粗砂巖、中砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥巖、碳質(zhì)泥巖和煤層，在測井曲線上，這些巖性在測井曲線上有響應(yīng)差異，可定性進行識別(圖2)。隨著砂巖巖性從粗變細，GR值呈現(xiàn)從小增大的趨勢，NR值呈現(xiàn)從大變小的趨勢，其變化趨勢如圖2中箭頭所示。

圖2 SC1-02鉆孔70～130m深度測井曲線及巖性柱狀圖Figure 2 Well SC1-02 logging curves and lithology column with depth from 70 to 130m

測井曲線上，煤層表現(xiàn)為極高的GG值，GR值普遍小，NR值以高值為主，CV值大小不定，以高值為主。GG曲線和GR曲線峰形相對呈現(xiàn)矩形方塊，高GG值和低GR值特征明顯，GG曲線幅值特別高，與煤層低密度值的特征相對應(yīng)，在煤層定性識別上起主要作用，是煤層定性劃分的重要依據(jù)。NR值普遍呈現(xiàn)高值，在煤層定性識別和劃分中也作為主要的參數(shù)曲線加以考慮。CV曲線在煤層上表現(xiàn)高低特征明顯度較差，主要是受煤中灰分含量等多種因素變化的影響，在巖性識別和劃分上暫不予考慮。通過這種定性識別和劃分煤層的結(jié)果，稱為“似煤”測井響應(yīng)。通過對測井曲線形態(tài)的綜合分析，結(jié)合巖心資料，確定煤巖層定性解釋的測井響應(yīng)(表1)。

3 煤層工業(yè)分析參數(shù)相互關(guān)系

莎車-葉城盆地楊葉組煤灰分與硫分、發(fā)熱量之間的關(guān)系分別見圖3和圖4。圖3和圖4表明，硫分、發(fā)熱量均和灰分呈現(xiàn)很好的負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別達到0.92和0.898。圖2中硫分含量中95%均的值均小于南疆三地州煤炭資源量估算指標中3%指標，所以在煤層定量解釋中可不予以考慮。雖然南疆三地州煤炭資源量估算指標中對煤灰分不做要求，但從發(fā)熱量按照>12.5MJ/kg要求來看，莎車-葉城盆地楊葉組灰分值應(yīng)<54.94%。

表1 煤巖層定性解釋的測井響應(yīng)

圖3 楊葉組煤灰分和硫分交會圖Figure 3 Crossplot for ash and sulfur in Yangye formation

莎車-葉城盆地楊葉組煤灰分和發(fā)熱量之間的關(guān)系見圖3。

圖4 楊葉組煤灰分和發(fā)熱量交會圖Figure 4 Crossplot for ash content and calorific value in Yangye formation

莎車-葉城盆地楊葉組煤灰分和真密度、視密度之間的關(guān)系見圖5和圖6。煤灰分與真密度、視密度之間關(guān)系密切，相關(guān)系數(shù)達到0.707和0.724，說明煤層真密度和視密度能夠反映煤灰分值。按照莎車-葉城盆地楊葉組灰分值應(yīng)<54.94%的要求，真密度和視密度上限值分別為1.98g/cm3和2.03g/cm3。當(dāng)灰分值=0時為純煤，其真密度為1.19g/cm3。

圖5 楊葉組煤灰分和真密度交會圖Figure 5 Crossplot for ash content and ture density in Yangye formation

圖6 楊葉組煤灰分和視密度交會圖Figure 6 Crossplot for ash content and apparent density in Yangye formation

通過灰分和發(fā)熱量、真密度、視密度交會，可確定，煤層灰分上限值為54.94%，真密度為1.98 g/cm3、視密度2.03g/cm3。

4 煤工業(yè)分析參數(shù)的測井解釋

測井曲線對煤工業(yè)分析參數(shù)具有一定的響應(yīng)，所以可以建立它們之間的相關(guān)關(guān)系。一般情況下，隨著灰分含量的增加，GR、DEN曲線均表現(xiàn)為增大的趨勢，CV，GGFR曲線表現(xiàn)為減少的趨勢，主要原因是由于純煤的密度較小，而灰分的密度較大，隨著灰分含量的增加，DEN肯定增加，聲波穿過同樣厚度煤層所用時間減少，CV相應(yīng)減少；而純煤不含放射性物質(zhì)，放射性很弱，灰分容易吸附放射性物質(zhì)，所以灰分含量越高，放射性強度越大，GR呈現(xiàn)增大趨勢。

莎車-葉城盆地楊葉組煤灰分和GR測井值之間的關(guān)系見圖7。從圖中可以看出，莎車-葉城盆地煤層GR和灰分關(guān)系不明顯。同樣，灰分和GG、CV、NR之間單因素關(guān)系也不明顯，無法從單一的測井曲線進行煤的判斷。

圖7 楊葉組煤灰分和GR測井值Figure 7 Chart for ash content and GR value in Yangye formation

通過多元回歸，建立莎車-葉城盆地煤灰分和NR、GR、GGFR、CV測井值之間的相關(guān)關(guān)系，可計算出灰分值(式1)。根據(jù)所給樣品以及所得到的回歸方程來看，R2=0.65，F(xiàn)=6.051遠遠大于顯著性水平(Significance)的F=0.000 9值，證明回歸方程有效并可用于灰分的測井精細解釋。

Ad=-11.83+0.013 3×NR+0.004 6×GGFR

+0.035 9×CV+0.399 7×GR

(1)

5 煤層測井精細解釋和評價

采用線性及多元回歸法建立的灰分含量與發(fā)熱量、真密度、視密度、測井曲線之間關(guān)系，針對煤炭資源量估計中煤發(fā)熱量下限值的要求，反推出灰分含量上限值，然后通過測井曲線的灰分、發(fā)熱量、真密度和視密度的求解，采用發(fā)熱量下限和灰分上限值進行煤層的精細解釋和評價。由于發(fā)熱量、灰分的測井解釋肯定有誤差存在，所以采用發(fā)熱量下限和灰分上限值兩個指標確定的煤層定量識別參數(shù)，更能符合實際勘探的需求。

以具有化驗分析資料的莎車-葉城盆地先鋒煤礦SC13-1井進行測井精細解釋和評價(表2)。

表2 SC13-1井工業(yè)分析數(shù)據(jù)表

圖8 SC13-1鉆孔55～105m深度測井綜合解釋圖Figure 8 Comprehensive logging interpretation with depth from 55 to 105m on well SC13-1

從圖8可以看出，利用測井曲線能夠?qū)⒚簩痈殑澐趾蜏蚀_定位，煤層的位置及厚度經(jīng)過測井重新解釋后，能與測井曲線特征更加吻合，同時，在55～70m層段內(nèi)的煤層，從巖心觀測來看，只劃分出了兩層夾矸，但通過測井解釋，夾矸數(shù)應(yīng)為4層，主要表現(xiàn)在GG曲線從大值向小值的回返，以及GR曲線值的增大。從測井精細解釋和化驗分析的灰分值來看，55～70m層段內(nèi)的煤層符合較好，但95～105m層段內(nèi)其化驗分析的值要略??；從發(fā)熱量值來看，55～70m層段內(nèi)的煤層符合較好，但95～105m層段內(nèi)化驗分析的值要略大。

6 結(jié)論

1)煤層呈現(xiàn)“兩高一低”的特征，即高灰分、高容重、低發(fā)熱量，煤層的測井響應(yīng)呈現(xiàn)高視電阻率、低自然伽馬、低密度(長短源距伽馬伽馬極高)的特征。

2)煤灰分與揮發(fā)分、水分、全硫之間線性關(guān)系不明確，灰分與發(fā)熱量成反比關(guān)系，通過發(fā)熱量下限值可確定莎車-葉城盆地楊葉組煤的灰分、密度上限值及純煤密度。

3)通過多元回歸建立煤灰分的測井解釋模型，可由測井值直接估算出煤灰分含量，估算的灰分和發(fā)熱量值作為定量判斷煤層依據(jù)。