鄭莊地區煤巖結構的測井響應特征及分布規律研究

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

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

目前，主要產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境中形成的，延伸穩定，是盆地內主要可采煤層之一。工區內煤層厚度一般在5m左右，局部可達7m。

2 煤巖的物理性質及特征曲線的選擇

2.1 煤的主要物理性質

工區主要煤層為無煙煤，與其它變質程度的煤巖相比，物理性質總體表現為密度大、導電性較好、硬度大、脆性小和內生裂隙不發育等特點。

2.2 煤巖的特征測井曲線

在煤層氣開發實踐中，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 (深側向、淺側向、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47口測井資料中3號煤及圍巖的五種巖性測井響應的統計，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;灰巖具有高電阻率、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，晉城地區煤巖的聲波時差值基本在350～450μs/m范圍內 (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，晉城地區煤層深淺側向電阻率基本在4000～7000Ω·m，數值均比相鄰的砂泥巖地層要高。“兩低”為低自然伽馬值，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 晉城地區測井響應特征數值

由于煤層的體積密度、聲波時差、補償中子與頂底板砂泥巖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 煤巖結構的識別及電性特征

3.1 煤巖結構的劃分

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

由于煤體破碎程度不一，煤體結構通常被分為原生結構煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤4類。

由于原生結構煤、碎裂煤煤體結構相對較完整，強度高，儲層可改造性好，尤其碎裂煤發育區滲透性好，很可能形成煤層氣的富集高產，是煤層氣勘探開發過程中的主要目的層。

而碎粒煤、糜棱煤煤體結構松軟，強度低，滲透性差，易造成卡鉆、砂埋、井眼堵塞等復雜事故，在煤層氣勘探開發過程中應盡量避免在構造煤發育區進行勘探。

為便于在煤層氣勘探開發過程中，更好地研究、預測煤儲層物性特征和展布規律，在原煤體結構四類分法的基礎上，采用了原生煤和構造煤的二類分法 (表2)，其中原生煤與原生結構煤、碎裂煤相對應，該類煤適合煤層氣的勘探開發;構造煤與碎粒煤、糜棱煤相對應，該類煤不適合煤層氣的勘探開發。

3.2 煤巖結構的識別及電性特征

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，測井技術成為識別預測煤巖結構的重要手段。

如何提高測井曲線識別煤體結構的準確性?

最為有效的方法就是把生產礦井中對煤體結構的實地觀測結果同鄰近鉆孔測井曲線進行對比，確定不同煤巖結構的測井曲線特征形態 (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，確定不同煤巖結構的測井曲線特征形態 (資料有限，且煤巖取芯率低);利用原生結構煤與構造煤在各種物理性質上的差異，造成在多種參數測井曲線上的不同電性特征，對煤體結構進行判識，通過多曲線的綜合分析來確定煤體結構。

3.2.1 一般原理

由于煤巖層特定的物理性質，與其頂底板的巖石之間存在巨大差別，在測井參數響應上就會產生明顯的差異;同樣，就煤層本身而言，同種成因、同一變質程度的煤，受后期構造運動的影響，煤體結構遭受破壞，與原生結構完整的煤體相比，其各種物理性質都會發生變化，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構進行的識別與劃分，主要還是以測井曲線幅值大小和形態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－結構識別－劃分煤層厚度－分析分布規律。

表2 煤體結構分類

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構外，還會受到鉆井液性質、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律性，它不影響曲線的基本形態，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構識別。

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，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 煤體結構的識別

3.2.3.1 原生煤的電性響應特征

原生煤曲線形態特征是判識煤體結構的基礎。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，或煤層頂底板是砂巖時，自然伽馬對界面的響應則變得模糊，表現為漏斗形、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

一般情況下煤巖頂底部灰分含量較高，電阻率幅值會有所降低，深淺側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鍵性的作用。

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

3.2.3.3 構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向曲線，它們在構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;而發育構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。而發育構造煤的井段，由于煤中水分增加，導致煤的電阻率值明顯降低，一般均存在數量級的差別，曲線上表現為低峰狀正異常 (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，而發育構造煤的井段，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);有統計分析表明，縱波速度降低幅度為4.8%－25.7%，平均約13%;

在構造煤發育的井段，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

有統計分析表明，構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，深淺側向相對沒有明顯降低，可能不是構造煤。

3.2.4 煤巖結構厚度的劃分

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

各種結構類型煤分層的定厚應在反映變化相對明顯的主要參數曲線上進行，以發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構的界面，確定原生煤、構造煤的厚度。

對厚度較薄的夾矸或煤巖，可以曲線發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3號煤層結構的展布規律

而同一煤層在一定的區域范圍內其沉積環境、物質來源基本穩定，煤層組成、煤質、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曲線，在一定區域范圍內有著各自相類似的基本形態特征，當煤體結構的變化導致物性改變時必然引起曲線形態特征的相應變化。

本次通過對工區內182口測井資料的分析，在煤巖結構分布上取得以下幾點認識。

4.1 完整原生煤的分布情況

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

圖10 沁水盆地南部華溪2－x井綜合錄井圖

4.2 對煤矸分布規律的認識

平面上:3號煤層中夾矸在研究區絕大部分(90%以上的井)區域均發育;縱向上:夾矸主要發育在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)，個別井區在煤巖上部也有發育。

圖11 沁水盆地南部東xx－x井綜合錄井圖

4.3 對構造煤分布規律的認識

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

5 結語

鄭莊地區3號煤巖的分布規律:完整原生煤主要分布在研究區東部地區;夾矸煤平面上在研究區絕大部分 (90%以上的井)區域均發育;構造煤主要發育在研究區的北部和中心部地區。

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“構造煤”的展布規律，可以在部署煤層氣羽狀水平井時規避風險，為煤層氣開發選區提供依據。

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

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

［3］劉蔚，楊林，等.煤層結構的測井資料分析.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造煤的研究.中國煤田地質［J］．1997，4:70－75.