鄭莊地區(qū)煤巖結(jié)構(gòu)的測井響應特征及分布規(guī)律研究

劉 靜 汪 劍 付 薔 譚青松 孫社敏

(中國石油華北油田公司地球物理勘探研究院，河北 062552)

1 概況

鄭莊地區(qū)位于沁水盆地南部，總體構(gòu)造形態(tài)為一馬蹄形斜坡，東、西、南三個方向為隆起區(qū);北部與沁水盆地腹部相接。區(qū)內(nèi)地層寬闊平緩，地層傾角一般2～7°，平均4°左右。區(qū)內(nèi)大斷層稀少，無巖漿活動，屬構(gòu)造相對簡單的斜坡帶。

目前，主要產(chǎn)氣煤層為早二疊世山西組的3號煤層，為三角洲平原沼澤環(huán)境中形成的，延伸穩(wěn)定，是盆地內(nèi)主要可采煤層之一。工區(qū)內(nèi)煤層厚度一般在5m左右，局部可達7m。

2 煤巖的物理性質(zhì)及特征曲線的選擇

2.1 煤的主要物理性質(zhì)

工區(qū)主要煤層為無煙煤，與其它變質(zhì)程度的煤巖相比，物理性質(zhì)總體表現(xiàn)為密度大、導電性較好、硬度大、脆性小和內(nèi)生裂隙不發(fā)育等特點。

2.2 煤巖的特征測井曲線

在煤層氣開發(fā)實踐中，常用的測井有三條孔隙度 (補償中子、補償密度、補償聲波)，三條電阻率 (深側(cè)向、淺側(cè)向、視電阻率)及三條巖性(自然伽瑪、自然電位、井徑)等9條曲線。

通過對鄭莊、樊莊地區(qū)47口測井資料中3號煤及圍巖的五種巖性測井響應的統(tǒng)計，煤具有高電阻率、高聲波時差、低自然伽馬、低體積密度的特征;灰?guī)r具有高電阻率、高體積密度、低自然伽馬、低聲波時差的特征;砂巖具有中等電阻率、中等聲波時差、低自然伽馬、中高體積密度值的特征;泥巖具有低電阻率、中等聲波時差、高自然伽馬、中等體積密度值的特征;煤矸石具有中高電阻率、中高聲波時差、中高自然伽馬、中低體積密度值的特征。

煤層具有“三高兩低”的電性特征，“三高”為高聲波時差，晉城地區(qū)煤巖的聲波時差值基本在350～450μs/m范圍內(nèi) (表1)，砂巖、泥巖地層聲波時差基本在200～300μs/m之間，因而煤層的高時差值的特點非常明顯;高補償中子值，該地區(qū)的煤層補償中子值基本在50～60g/cm3之間，這也是煤層非常突出的特征;高電阻率值，晉城地區(qū)煤層深淺側(cè)向電阻率基本在4000～7000Ω·m，數(shù)值均比相鄰的砂泥巖地層要高?！皟傻汀睘榈妥匀毁ゑR值，與砂巖地層、碳酸鹽巖地層類似，煤層也具有低的自然伽馬值，一般比砂巖地層數(shù)值稍低，比碳酸鹽巖地層稍高;低補償密度值。受煤層分子成分決定，煤層的體積密度值基本在1.2～1.5g/cm3之間，與其他地層相比，特征很明顯。

表1 晉城地區(qū)測井響應特征數(shù)值

由于煤層的體積密度、聲波時差、補償中子與頂?shù)装迳澳鄮r在測井響應值上差異大，三孔隙度曲線“兩高一低”的煤層響應特征具有唯一性。

3 煤巖結(jié)構(gòu)的識別及電性特征

3.1 煤巖結(jié)構(gòu)的劃分

原生沉積的煤層其原有結(jié)構(gòu)保存完好，由于煤層硬度小，后期構(gòu)造的變動會使煤層的原生結(jié)構(gòu)遭到破壞。煤體結(jié)構(gòu)是煤巖在構(gòu)造應力作用下形變的產(chǎn)物，即煤層各組成部分的顆粒大小、形態(tài)特征乃至物理性質(zhì)發(fā)生變化，是煤儲層滲透率的間接反映。

由于煤體破碎程度不一，煤體結(jié)構(gòu)通常被分為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤4類。

由于原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤煤體結(jié)構(gòu)相對較完整，強度高，儲層可改造性好，尤其碎裂煤發(fā)育區(qū)滲透性好，很可能形成煤層氣的富集高產(chǎn)，是煤層氣勘探開發(fā)過程中的主要目的層。

而碎粒煤、糜棱煤煤體結(jié)構(gòu)松軟，強度低，滲透性差，易造成卡鉆、砂埋、井眼堵塞等復雜事故，在煤層氣勘探開發(fā)過程中應盡量避免在構(gòu)造煤發(fā)育區(qū)進行勘探。

為便于在煤層氣勘探開發(fā)過程中，更好地研究、預測煤儲層物性特征和展布規(guī)律，在原煤體結(jié)構(gòu)四類分法的基礎上，采用了原生煤和構(gòu)造煤的二類分法 (表2)，其中原生煤與原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤相對應，該類煤適合煤層氣的勘探開發(fā);構(gòu)造煤與碎粒煤、糜棱煤相對應，該類煤不適合煤層氣的勘探開發(fā)。

3.2 煤巖結(jié)構(gòu)的識別及電性特征

由于測井方法具有分別率高、識別效果好、快速直觀、費用低廉等特點，可彌補取心、試井及煤芯分析等方面的不足，因此，測井技術(shù)成為識別預測煤巖結(jié)構(gòu)的重要手段。

如何提高測井曲線識別煤體結(jié)構(gòu)的準確性?

最為有效的方法就是把生產(chǎn)礦井中對煤體結(jié)構(gòu)的實地觀測結(jié)果同鄰近鉆孔測井曲線進行對比，確定不同煤巖結(jié)構(gòu)的測井曲線特征形態(tài) (資料缺乏);將鉆井取芯取出的煤巖芯樣品，同其測井曲線進行對比，確定不同煤巖結(jié)構(gòu)的測井曲線特征形態(tài) (資料有限，且煤巖取芯率低);利用原生結(jié)構(gòu)煤與構(gòu)造煤在各種物理性質(zhì)上的差異，造成在多種參數(shù)測井曲線上的不同電性特征，對煤體結(jié)構(gòu)進行判識，通過多曲線的綜合分析來確定煤體結(jié)構(gòu)。

3.2.1 一般原理

由于煤巖層特定的物理性質(zhì)，與其頂?shù)装宓膸r石之間存在巨大差別，在測井參數(shù)響應上就會產(chǎn)生明顯的差異;同樣，就煤層本身而言，同種成因、同一變質(zhì)程度的煤，受后期構(gòu)造運動的影響，煤體結(jié)構(gòu)遭受破壞，與原生結(jié)構(gòu)完整的煤體相比，其各種物理性質(zhì)都會發(fā)生變化，從而引起煤巖電性曲線特征的差異。采用不同的測井方法，可以準確探測出煤體的各種物性特征的變化。

利用測井曲線對煤巖結(jié)構(gòu)進行的識別與劃分，主要還是以測井曲線幅值大小和形態(tài)特征的相對變化來識別與認定，目前還處于定性階段，可分為四個步驟來完成:確定煤層－結(jié)構(gòu)識別－劃分煤層厚度－分析分布規(guī)律。

表2 煤體結(jié)構(gòu)分類

3.2.2 影響因素

在煤階不變的條件下，測井響應除了反映煤體結(jié)構(gòu)外，還會受到鉆井液性質(zhì)、井徑、煤巖灰分含量等因素的影響。通常情況下，鉆井液對曲線的影響有一定的規(guī)律性，它不影響曲線的基本形態(tài)，易于識別。而灰分含量對曲線幅值的影響較小，不會影響到對煤體結(jié)構(gòu)識別。

擴徑可以造成聲波時差增大，密度降低，中子升高;但由于深測向探測距離為1.5～2.2m，淺測向探測距離為0.33m，因此，擴徑一般不會影響深測向曲線形態(tài)，其分辨率為0.6m。

圖1 沁水盆地南部華溪x－x井綜合錄井圖

3.2.3 煤體結(jié)構(gòu)的識別

3.2.3.1 原生煤的電性響應特征

原生煤曲線形態(tài)特征是判識煤體結(jié)構(gòu)的基礎。主要利用差異變化較明顯的五條曲線:補償密度、聲波時差、自然伽馬、深淺側(cè)向電阻率和井徑曲線，其中起決定作用的是補償密度、聲波時差和井徑曲線。

完整的原生煤井徑曲線近似緩波浪狀，無明顯擴徑 (圖1);

補償密度曲線呈明顯負箱形異常，峰頂陡直近微齒狀，密度值為1.3～1.5g/cm3(圖1、2);

聲波時差曲線呈明顯正箱形異常，峰頂陡直近微齒狀，時差值為400～430μs/m(圖1、2);

圖2 原生煤聲波與密度交匯圖

自然伽馬曲線在大部分情況，對煤層有較低的響應值，呈明顯箱型負異常，但一般在煤層頂、底部含有較多灰分時，或煤層頂?shù)装迨巧皫r時，自然伽馬對界面的響應則變得模糊，表現(xiàn)為漏斗形、反漏斗形或鐘形，伽馬值15～75API(圖1、3);

圖3 聲波與自然伽瑪交匯圖

一般情況下煤巖頂?shù)撞炕曳趾枯^高，電阻率幅值會有所降低，深淺側(cè)向電阻率曲線呈高幅值鐘形異常，曲線圓滑較對稱，電阻率值變化較大，最大值一般在3000～8000Ω.m(圖1、4)。

圖4 聲波與深淺側(cè)向電阻率交匯圖

3.2.3.2 煤矸的電性響應特征

由于煤矸的主要組成部分是粘土含量高的巖石，因此，在自然伽馬曲線和補償密度曲線上表現(xiàn)為明顯的尖峰狀正異常，自然伽馬和密度曲線對識別夾矸起到了關(guān)鍵性的作用。

煤矸段無明顯擴徑，在聲波時差曲線上表現(xiàn)為脈沖狀負異常，在電阻率曲線上表現(xiàn)為峰狀負異常(圖5)。

各曲線異常幅值的大小與煤矸的厚度和巖石成份有關(guān)。

3.2.3.3 構(gòu)造煤的電性響應特征

圖5 沁水盆地南部晉試1x井綜合錄井圖

通常具脆性的原狀煤，在構(gòu)造應力作用下，比砂泥巖組成的圍巖更容易遭到破壞而破碎。隨著破壞程度的增加，煤巖的碎裂程度會不斷加大，從而導致煤巖強度下降、含水性增強，引起傳播速度降低、導電性變好、井壁易垮塌等物理性質(zhì)的變化，這些變化都會在各種測井響應上有所反映，并且，隨煤體破壞程度加深，其曲線的變化幅度會更加明顯。其中變化最為明顯的是井徑曲線和深側(cè)向曲線，它們在構(gòu)造煤的判識中起決定性作用，聲波時差曲線起輔助作用。

完整的原生煤井徑曲線近似緩波浪狀，無明顯擴徑;而發(fā)育構(gòu)造煤的井徑由于煤體破碎，擴大比較嚴重，呈明顯的箱型或鈍峰狀，峰頂較圓滑(圖6);

圖6 沁水盆地南部鄭試5x井綜合錄井圖

原生煤其電阻率曲線呈高幅值鐘形異常，曲線圓滑較對稱。而發(fā)育構(gòu)造煤的井段，由于煤中水分增加，導致煤的電阻率值明顯降低，一般均存在數(shù)量級的差別，曲線上表現(xiàn)為低峰狀正異常 (圖7);

圖7 沁水盆地南部鄭試1x井綜合錄井圖

原生煤聲波時差曲線呈明顯正箱形異常，峰頂陡直近微齒狀，而發(fā)育構(gòu)造煤的井段，由于煤體破碎，時差值一般大于430μs/m，曲線呈明顯臺階狀(圖6);有統(tǒng)計分析表明，縱波速度降低幅度為4.8%－25.7%，平均約13%;

在構(gòu)造煤發(fā)育的井段，由于煤體破碎，孔隙、裂隙等的增加，煤巖密度會減小，而粘土含量的增高，也會使自然伽馬增大，但在補償密度和自然伽馬曲線上響應值都較低 (圖8、9)，差異不明顯，有交叉，分析原因主要是灰份的影響較大。

圖8 固10－x綜合錄井圖

有統(tǒng)計分析表明，構(gòu)造煤的密度降低幅度一般為1.4%～8.6%，平均為5%，而在補償密度曲線上，只有0.1g/cm3左右的降幅，特征不明顯，因此，補償密度曲線一般只做為構(gòu)造煤識別的輔助曲線。

圖9 鄭試5x綜合錄井圖

井徑擴大，聲波時差沒有增大，深淺側(cè)向相對沒有明顯降低，可能不是構(gòu)造煤。

3.2.4 煤巖結(jié)構(gòu)厚度的劃分

煤層厚度是評價煤層氣資源量大小的一項重要參數(shù)。利用測井資料可以對煤巖結(jié)構(gòu)的厚度進行準確地劃分，也就是準確地劃分出原生煤、構(gòu)造煤和夾矸的厚度。

各種結(jié)構(gòu)類型煤分層的定厚應在反映變化相對明顯的主要參數(shù)曲線上進行，以發(fā)生變化的曲線半幅點為準，同時參考其他測井曲線劃分煤巖結(jié)構(gòu)的界面，確定原生煤、構(gòu)造煤的厚度。

對厚度較薄的夾矸或煤巖，可以曲線發(fā)生變化的始末點作為分層界線點，兩點之間的厚度即為夾矸或煤巖的分層厚度。

4 鄭莊-樊莊地區(qū)3號煤層結(jié)構(gòu)的展布規(guī)律

而同一煤層在一定的區(qū)域范圍內(nèi)其沉積環(huán)境、物質(zhì)來源基本穩(wěn)定，煤層組成、煤質(zhì)、物性等也基本相近或存在一定變化趨勢，因此，同一原狀煤層的不同物性參數(shù)曲線，在一定區(qū)域范圍內(nèi)有著各自相類似的基本形態(tài)特征，當煤體結(jié)構(gòu)的變化導致物性改變時必然引起曲線形態(tài)特征的相應變化。

本次通過對工區(qū)內(nèi)182口測井資料的分析，在煤巖結(jié)構(gòu)分布上取得以下幾點認識。

4.1 完整原生煤的分布情況

3號煤層中沒有構(gòu)造煤或夾矸發(fā)育，整體為完整或較完整的原生煤的井，主要分布在研究區(qū)東部地區(qū) (圖10)。

圖10 沁水盆地南部華溪2－x井綜合錄井圖

4.2 對煤矸分布規(guī)律的認識

平面上:3號煤層中夾矸在研究區(qū)絕大部分(90%以上的井)區(qū)域均發(fā)育;縱向上:夾矸主要發(fā)育在3號煤層的下部，距煤底2m左右處，厚度一般在0.5～2m之間 (圖11)，個別井區(qū)在煤巖上部也有發(fā)育。

圖11 沁水盆地南部東xx－x井綜合錄井圖

4.3 對構(gòu)造煤分布規(guī)律的認識

平面上:構(gòu)造煤主要發(fā)育在研究區(qū)的上部和中心部地區(qū);東部地區(qū)幾乎沒有構(gòu)造煤發(fā)育，西部地區(qū)構(gòu)造煤也較少發(fā)育?？v向上:構(gòu)造煤主要發(fā)育在3號煤層的下1/3～1/2處 (圖12a)，但在研究區(qū)西北部，構(gòu)造煤主要發(fā)育在煤層的上1/3～1/2處(圖12b)，厚度一般在1～3m之間;個別井區(qū)3號煤巖均為構(gòu)造煤，厚度有5～6m。

5 結(jié)語

鄭莊地區(qū)3號煤巖的分布規(guī)律:完整原生煤主要分布在研究區(qū)東部地區(qū);夾矸煤平面上在研究區(qū)絕大部分 (90%以上的井)區(qū)域均發(fā)育;構(gòu)造煤主要發(fā)育在研究區(qū)的北部和中心部地區(qū)。

圖12 沁水盆地南部鄭試4x井綜合錄井圖

通過分析，基本掌握了鄭莊地區(qū)“構(gòu)造煤”的展布規(guī)律，可以在部署煤層氣羽狀水平井時規(guī)避風險，為煤層氣開發(fā)選區(qū)提供依據(jù)。

［1］傅雪海，姜波，等.用測井曲線劃分煤體結(jié)構(gòu)和預測煤儲層滲透率.測井技術(shù)［J］．2003，27(2):140－143.

［2］孫四清，陳致勝，等.測井曲線判識構(gòu)造軟煤技術(shù)預測煤與麗斯突出.煤田地質(zhì)與勘探［J］．2006，34:65－67.

［3］劉蔚，楊林，等.煤層結(jié)構(gòu)的測井資料分析.會議論文，北京:中國煤炭學會，2007.

［4］王定武.利用模擬測井曲線判識構(gòu)造煤的研究.中國煤田地質(zhì)［J］．1997，4:70－75.