關于煤體結構判識方法的探討

羅 沙，汪凌霞

（1.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術研究中心，貴州貴陽 550008；2.貴州煤礦地質工程咨詢與

地質環境監測中心，貴州貴陽 550008；3.貴州省煤田地質局水源隊，貴州六枝 553400）

關于煤體結構判識方法的探討

羅 沙1，2，汪凌霞1，3

（1.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術研究中心，貴州貴陽 550008；2.貴州煤礦地質工程咨詢與

地質環境監測中心，貴州貴陽 550008；3.貴州省煤田地質局水源隊，貴州六枝 553400）

煤體結構是煤層氣選區評價的關鍵地質條件，也是煤層氣高滲高產的決定性因素。本文對煤體結構的判斷方法進行了歸納，其一是通過煤心直接用肉眼進行鑒別；其二是通過測井曲線響應特征進行間接地定性或定量識別。分析認為:煤心鑒別法最直接、可靠，但受取心率、煤心污染破壞程度、取心成本及數量等因素的限制，在實際運用中有一定的局限性；測井曲線識別法是在大量數據中尋找煤體結構與各測井參數的規律特征，應用更廣泛，需事先校正和處理測井數據，建立適合不同地區的測井解釋圖版。建立煤體結構判識圖版，量化各測井參數對煤體結構的影響，對煤層氣選區評價和后期的儲層改造具有重要意義。

煤體結構；煤層氣；判識方法；測井響應

我國晚古生代含煤盆地大多經歷了多次不同規模的構造運動作用，煤層遭受不同程度的構造變形破壞，形成了不同結構類型構造煤[1，2]。煤層氣勘探開發實踐表明，煤體結構在地質選區評價、鉆井與固井儲層污染、儲層改造與排采等煤層氣生產環節中扮演重要角色，而這些環節都與煤層氣井產量的高低息息相關[3]。如何利用現有資料進行煤體結構的準確判斷，是煤層氣開發工作中的一項重要內容。

1 煤體結構的識別方法

國內外對煤體結構的劃分較多，常用的有四分法、三分法和二分法（見表1）。原煤體結構四類分法主要是針對煤礦開采而進行的分類，與GB/T 30050-2013中煤體結構劃分方案基本一致，即煤體結構分為原生結構、碎裂結構、碎粒結構和糜棱結構，其中后三種統稱為構造煤；根據煤層氣勘探開發實際應用情況，為深入弄清煤儲層物性特征及其展布形態，不少學者在四類分法的基礎上，衍生出三類分法[4，5]（Ⅰ類原生結構煤、Ⅱ類過渡煤、Ⅲ類構造煤）和二類分法[6]（原生煤和構造煤）。不同類型煤體結構對煤層氣開發的影響不同，劉宇等[7]認為原生-碎裂煤和碎裂-碎粒煤均有利于煤層氣的產出和開發，但產氣效果前者強于后者，而碎粒-糜棱煤則不利于煤層氣的產出。

表1 煤體結構分類表Tab.1 Classification of coal body structure

目前判斷煤體結構的方法主要可以分為兩類:直接法（煤心鑒別）和間接法（利用測井、超聲波等資料）。直接法是通過鉆孔煤心、煤層露頭或井下揭露的煤層進行宏觀描述、定性識別[8]，間接法主要是通過現代測井技術識別煤體結構的響應特征，建立煤體結構圖版進行定量或定性表征，也可結合地質構造規律進行煤體結構預測[9]，其中煤心資料是直接反映煤層煤體結構的最準確最重要的資料[10]，但在實際運用中表現出較大的局限性[11]。

2 煤心直接識別法

煤體結構判識最直接的方法就是對煤心的煤體結構進行直觀、準確地觀察與鑒別，由于采用肉眼進行宏觀描述，一般采用四類分法。煤心主要來源于鉆孔取心，少量為未風化的煤層露頭以及生產礦井已揭露煤心，而出露的煤層因年代久遠，通常風化嚴重或早被挖空，本文不再說明。

2.1 鉆孔煤心描述

鉆孔取心通常使用的是繩索取心，根據鉆孔鉆遇巖層巖性和煤層垮塌（與煤體結構有關）情況，所用泥漿液濃度也不同。受煤體結構類型差異的影響，煤中裂隙發育情況也不同，且煤層硬度較小，不同類型的煤心受鉆頭切割產生破裂時形成的煤心形狀也具差異，主要有塊狀、柱狀、餅狀、粒狀、糊狀。不同形狀的煤心和煤體結構之間有較好的對應關系[8]（見表2），對比兩者的特征，可作為鉆孔煤心煤體結構的判識依據。由于可以真實的、直觀的觀察煤心，此種方法對煤體結構的描述可靠性很高。

雖然利用煤心形狀從宏觀層面上對煤體結構進行直接、定性地判斷，具有簡易性和可行性，但仍在實際應用過程中存在一定的局限性，（1）受地質構造、鉆井工藝技術等影響，鉆井取心過程中煤心易受到破壞，特別是構造煤，往往破裂成粒狀、糊狀后隨鉆井液返出而未進入巖心管，導致取心率低[10]；（2）由于煤層氣勘探程度較低，受政策、成本等限制取心井投入較少；（3）以往煤田勘探成果中未重視煤體結構的重要性而對鉆孔煤心的描述不規范，缺少煤體結構的詳細描述信息。

2.2 生產礦井編錄

由于生產礦井開挖方式對煤層煤體結構基本不產生影響，因此對其揭露的煤層結構依據GB/T 30050-2013中煤體結構劃分方案進行實際編錄即可。通過觀察揭露煤層的層理、宏觀煤巖類型、煤的粒級和形狀、強度、裂隙構造發育情況，繪制煤體結構柱狀圖，可以直接反映煤礦區煤體結構[12]。

但由于礦井揭露區有限，無法直接預測未采區煤層的破碎程度，但可綜合地質構造規律推測[9]。

表2 煤心形狀與煤體結構的對應關系Tab.2 Corresponding relationship between core shapes and coal body structure

3 測井曲線識別法

利用煤心判識煤體結構受煤心采取率和數量等的限制，特別是對于構造煤的判識，作為傳統預測方法的井下編錄和鉆孔取心均具有一定局限性[13]，而測井資料非常豐富，其對煤層氣開發評價中的煤體結構預測研究尤為重要[14]，因此近年來在煤層氣開發選區評價時，眾多學者[4-7]在利用測井資料判識煤體結構方面作了大量的研究和實例驗證，效果較好，歸納來看，主要分三種:利用以往煤勘測井資料（自然伽馬、電阻率、伽馬伽馬）、利用煤層氣測井常規九條以及利用井徑曲線，其中前兩種最為常用。

受沉積環境和后期構造的影響，不同煤體結構煤的物理性質差異較大，表現在隨著破壞程度的增高，煤中的自生和外在裂隙增多，體積、密度、孔隙、強度等發生變化，含水性增強，導電性變好，在測井曲線上響應特征不同。要準確地識別煤體結構，須從測井原理出發，找出不同煤體結構在測井曲線上的響應特征（見表3），再結合鉆井取心資料進行對比分析。

3.1 利用以往煤勘測井資料

煤層氣開發初期，由于參數井數量少且取心成本高，選區評價很大程度上是基于以往的多次煤炭勘查成果，大量的煤田孔測井資料中包含豐富的煤體結構信息。煤田勘探較常用的測井曲線包括電阻率（三側向）、自然電位、伽馬伽馬（也稱為人工伽馬或密度）、自然伽馬以及井徑等曲線。對于不同結構煤體物性差異反映明顯的主要是電阻率曲線、伽馬伽馬曲線和自然伽馬曲線。

具體識別方法:首先依據測井曲線識別的精度以及實際工作的需要確定分類標準，大部分學者采用三類分法[5]，并依據分類標準對已有的煤心描述和采區煤壁進行重新描述、編錄、分層、定厚；其次按照區內標志層校正測井曲線，收集數據并進行歸一化處理；最后利用聚類分析法等對處理后的數據進行煤體結構類型的劃分，總結各結構類型煤的測井曲線響應特征，響應特征規律（見表3）。

表3 不同煤體結構部分測井曲線響應特征Tab.3 Logging response characteristics of varies coal body structures

3.2 利用煤層氣常規綜合測井資料

煤層氣勘查開發時期的鉆孔基本按照《煤層氣資源勘查技術規范》（GBT 29119-2012）中的要求進行了綜合測井（常規九條），以便提供更多的信息指導后期的開發評價工作。區分不同煤體結構的原理方法與煤田測井資料類似，主要在于找出不同煤體結構所反映的測井參數特征或建立測井解釋模板，區別在于測井參數更多，獲取的信息越多，準確度越高。

在不同的地區，使用的測井參數組合不同，采用的方法不同，許多學者根據不同地區的特點做了大量探索工作，取得了良好效果，如張許良等[9]將地質構造與測井曲線結合起來定量劃分煤體結構；何游等[10]通過對聲波阻抗－補償中子交匯由定性到定量綜合分析實現了煤體結構的定量判識；傅雪海等[4，16]利用測井曲線形態劃分了煤體結構；湯友誼等[17]利用斜率方差法對煤層段測井曲線進行了分層，并考慮了測井曲線斜率變化，最終采用概率統計法對煤體結構進行了判別；侯月華等[18]采用對應分析（即R-Q分析）法建立了測井參數與煤心取樣之間的疊合關系來劃分煤體結構。

利用測井曲線定量表征煤體結構是目前常用的重要方法之一，主要原理在于不同煤體結構具有不同測井響應特征。但除煤體結構外，測井技術條件、鉆井液性質、井徑、煤質等多種環境因素均可引起測井曲線發生變化，因此在利用測井曲線劃分煤體結構時，應綜合多種參數進行對比與驗證，以保證判識成果可靠。

4 結論

（1）不同煤體結構的煤心具有不同的形狀，根據不同煤心形狀便能確定其煤體結構。雖然此法從宏觀層面上直接、定性進行煤體結構判識，簡易、可靠，但因受取心率、煤心污染破壞程度、取心成本及數量、描述規范性等因素的影響，在實際應用過程中存在一定的局限性，應盡量從地質、鉆井技術等方面控制，提高辨識度。

（2）豐富的煤炭、煤層氣測井資料是判識煤體結構最有效的方法之一，不同地區不同測井參數在不同煤體結構上的響應不同，需建立適合不同地區的解釋圖版。但測井響應除了反映煤體結構外，還會受到測井技術、鉆井液性質、井徑、煤巖灰分含量等因素的影響，應在有條件情況下利用先進的數字測井提高精度，綜合多測井參數線對煤體結構的反映，相互應證，建立相關性更好的解釋圖版。

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Discussion on methods of coal body structure identification

LUO Sha1，2，WANG Lingxia1，3
（1.Guizhou Provincial CBM and Shale Gas Engineering Research Center，Guiyang Guizhou 550008，China；2.Guizhou Coal Mine Geological Engineering Consultant and Geological Environmental Monitoring Center，Guiyang Guizhou 550008，China；3.Water Source Team of Guizhou Coal Geological Bureau，Liuzhi Guizhou 553400，China）

Coal body structure is a crucial geological condition in CBM exploration target optimization,and is also a dominant factor influencing the permeability and production of CBM.Identification methods of coal body structure have been induced in the paper,one is direct identifying based on observation of coal cores,and other is indirect quantitative or qualitative identification by logging response characteristics.The analysis shows that coal cores identification is the most direct and reliable,but restricted by factors such as coring rate,pollution degree of coal cores,coring cost and quantity,et al,which have certain limits in practice applying.Identification by logging curves is widely applied with searching regularities and characteristics between coal body structures and logging parameters from abundant data,but need to revise and manage logging data before establishing different chartsfitting different areas.Establishment identification standard for coal body structures and quantization of effects of various logging parameters on coal body structures have important significance for CBM exploration target optimization and late reservoir reconstruction.

coal body structure；CBM；identification method；logging response

TE122.11

A

1673-5285（2017）04-0098-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.04.025

2017－03-14

貴州省地質勘查基金項目，項目編號:2016-0；中國地質調查局項目，項目編號:12120114020201-05共同資助。

羅沙，男（1983-），碩士研究生，工程師，目前主要從事煤層氣、頁巖氣開發評價工作。