基于測井資料的臨汾區塊煤體結構識別及其分布規律

魏迎春 閔洛平 常東亮 李 超 張傲翔 曹代勇

(中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京市海淀區，100083)

不同煤體結構類型煤的破碎程度不同，對煤層氣排采中煤粉產出具有很大影響。姚征等利用物理模擬實驗手段研究認為碎粒煤對煤層氣排采影響最大。識別煤層煤體結構類型對煤層氣的開采具有重要的意義，目前國內外學者在利用不同的測井參數資料識別煤體結構方面作了大量研究并取得一定的成果。張玉貴利用電阻率曲線、自然伽馬曲線和人工伽馬曲線識別了構造煤。龍王寅等總結了煤體結構類型與測井曲線形態之間的關系,并劃分了煤體結構。姚軍朋等利用測井資料定量判識構造煤。陳躍等利用測井曲線組合識別了韓城區塊的煤體結構。孟召平等分析了晉城礦區不同煤體結構對井徑、聲波時差、補償中子、自然電位、自然伽馬等響應特征。程相振等探討了井徑曲線與煤體結構關系。張曉玉等運用測井解釋識別韓城區塊不同煤體結構類型，分析了其與產出煤粉特征的關系。盡管國內外學者對煤體結構進行了大量研究，但大多數研究是從煤體結構對瓦斯突出、煤儲層滲透性和含氣量等方面的影響的角度出發，而從煤體結構方面研究煤層氣排采中煤粉產出的較之甚少。測井結果受多種因素影響，不同區域測井參數響應差異較大，特定方法只針對具體的研究區適用。因此，本文選擇了煤層氣排采中煤粉產出嚴重的臨汾區塊，通過對臨汾區塊參數井煤芯樣品和測井響應參數對比分析，劃分區內煤層煤體結構類型，總結適合本區的不同煤體結構類型對應測井參數組合特征，識別5#和8#煤層的煤體結構類型，并預測Ⅲ類煤發育，為煤層氣產出煤粉的管控措施乃至煤層氣勘探開發提供理論依據。

1 研究區概況

臨汾區塊位于鄂爾多斯盆地東南緣，是鄂爾多斯盆地東緣煤層氣田的重要組成部分，研究區構造斷裂情況如圖1所示。區塊整體為一西傾單斜構造，地面構造相對復雜，單斜、背斜、撓褶和斷裂構造特征比較明顯。研究區內部發育有NE-SW向的古驛—窯渠背斜貫穿全區，背斜兩側斷裂構造發育。

臨汾區塊主要含煤地層為石炭—二疊系的太原組和山西組地層，含煤超過10層。其中，山西組5#煤層和太原組8#煤層為煤層氣勘探開發的主采煤層。5#煤層全區發育，分布穩定，總厚度3～13.5 m，位于山西組下部，下距K7砂巖3.88～16.80 m。頂板為泥巖、泥質粉砂巖及砂巖；底板為泥巖、瀝青質泥巖及砂巖。8#煤層全區發育，分布穩定，總厚度4.8～23 m，位于太原組中下部，K2灰巖為其直接頂板，底板為鋁土質泥巖、泥巖及粉砂質泥巖，含根化石。臨汾區塊開采煤層埋深普遍900～1200 m，埋深大且構造相對復雜。

圖1 研究區構造斷裂圖

2 煤體結構類型劃分及測井曲線組合特征

2.1 煤體結構類型劃分

由于鉆井取芯過程會對煤芯造成不同程度的損壞，若按照煤體結構分類標準(GB/T 30050-2013)將其分為原生結構煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤，從鉆井煤芯識別原位狀態的煤體結構較難。對于煤層氣勘探開發而言，原生結構煤和碎裂煤產出煤粉較少，對煤層氣開發影響較小，而碎粒煤和糜棱煤受到構造強烈破壞，易產出大量煤粉，造成煤粉堵塞煤層氣滲流通道、煤粉埋泵、煤粉卡泵等，不利于煤層氣產出，降低了煤層氣單井的產能。基于以上因素考慮，將臨汾區塊煤體結構類型劃分為Ⅰ類煤、Ⅱ類煤和Ⅲ類煤，分別為塊煤(原生結構煤)、塊粒煤(碎裂煤和部分碎粒煤)和粒粉煤(碎粒煤和糜棱煤)，如表1所示。

表1煤芯與煤體結構類型對應表

2.2 不同煤體結構測井曲線組合特征

測井曲線解釋煤體結構的原理主要基于不同煤體結構類型煤的物性差異表現出的不同特征。按照研究區內3口參數井的煤芯歸位方法，將煤芯與對應深度的測井曲線進行對比分析，建立了以深側向電阻率、井徑、自然伽馬為主要指標的煤體結構類型劃分方法，歸納總結了不同煤體結構煤對應的測井曲線響應特征。

(1)深側向電阻率測井特征。一般認為原生結構煤層深側向電阻率較大，受構造破裂作用越強，破碎程度越嚴重，深側向電阻率越小。也就是說，受構造破壞程度越大，深側向電阻率減小幅度越大。

(2)井徑測井曲線特征。原生結構由于結構完整，不易破碎，所處煤層段鉆井時不易發生垮塌現象，測井曲線呈平滑的直線；破壞程度高的煤層段，由于裂隙發育，在鉆井過程中鉆井液的沖洗作用下，會出現明顯的擴徑現象，測井曲線會有凸起。井徑測井曲線值的大小在一定程度上反映了煤層破碎程度，因此可以作為劃分煤體結構的參數之一。

(3)自然伽瑪測井特征。一般情況下，原生結構煤會有較高自然伽瑪值，煤層遭受破壞后，裂隙發育，單位體積的自然伽瑪值會減小。并非所有煤層自然伽馬均表現為低值，由于礦物雜質的主要成分是黏土礦物，所以煤的自然放射性隨灰分的增高而增強，表現出較好的線性關系。某些高灰分煤層甚至具有比圍巖還要高旳放射性。

Ⅰ類煤深側向電阻率普遍較大，一般大于2000 Ω·m，峰值高達5000 Ω·m，基本無擴徑，自然伽馬在42～108 API之間；Ⅱ類煤深側向電阻率在500～2000 Ω·m，有較明顯差異擴徑，井徑一般在25～40 cm，擴徑在X、Y方向有較大差異，自然伽馬在50～119 API之間；Ⅲ類煤深側向電阻率小于500 Ω·m，自然伽馬在84～162 API之間，井徑一般在22.5～30 cm，稍微擴徑或有在X、Y方向無差異擴徑，如圖2所示。

3 煤體結構分布規律

3.1 5#煤層煤體結構分布規律

研究區的開發井主要分布在古驛—窯渠背斜軸部，呈近南北向長條狀展布。基于建立的測井曲線煤體結構解釋模板，對研究區的兩個主力開發煤層——山西組5#煤層和太原組8#煤層進行煤體結構解釋，結果如表2所示。

圖2 不同煤體結構的測井曲線組合特征及分層劃分

研究區5#煤層各類煤體結構平面分布如圖3所示，Ⅰ類煤主要分布于背斜的西翼，遠離背斜軸部，且厚度逐漸增厚。Ⅱ、Ⅲ類煤在背斜兩翼呈不對稱分布，東厚西薄。Ⅱ類煤在背斜的東翼發育，有向東逐漸增厚的趨勢，J9井附近最為發育。Ⅲ類煤分布在背斜的東翼，軸部附近煤層最厚，由軸部向東方后先增厚再變薄。綜合分析，研究區的煤體結構分布主要受控于古驛-窯渠背斜和斷層。

表2 5#煤層煤體結構及分層厚度

3.2 8#煤層煤體結構分布規律

根據研究區19口開發井測井資料識別出8#煤層煤體結構及其分層定厚結果如表3所示,8#煤層煤體結構分布如圖4所示。Ⅰ類煤主要分布于背斜的西翼，有背斜軸部向西逐漸增厚的趨勢。Ⅱ類煤在背斜兩側呈對稱分布，由背斜軸部向兩翼逐漸變薄，J9井處較為發育。Ⅲ類煤集中分布由背斜的東翼，遠離背斜軸部先開始變薄，接近斷裂帶逐漸增后。研究區8#煤層煤體結構分布主要受背斜構造的影響，斷層的影響次之，在斷層與背斜雙重構造作用影響下煤體破壞最為嚴重，Ⅲ類煤更為發育。

3.3 煤體結構與構造應力場關系

河東煤田在石炭-二疊聚煤期后，曾經歷過印支期、燕山期及喜山期3次大的構造運動。臨汾區塊位于鄂爾多斯盆地東緣，屬于河東煤田南部。

圖3 5#煤層各煤體結構分布

臨汾區塊經歷了三疊紀末的印支運動，受到近NS向的擠壓應力，形成NW構造；燕山運動時期，臨汾區塊受到NW-SE向的擠壓力，形成NE-NNE向的構造，同時，受呂梁山隆升推擠的影響，近NS走向的晉西撓褶帶形成，由此形成了該區基本構造形態；喜馬拉雅運動時期，以印度板塊與歐亞大陸的碰撞作用為主而產生的NE-SW向擠壓力，使鄂爾多斯盆地構造發生了負反轉，盆地周邊普遍發生斷陷作用。多期不同性質的板緣構造活動，形成了鄂爾多斯盆地東緣總體呈W、NW向緩傾斜的大型單斜構造，屬于具有過渡性質的盆緣構造區。構造發育具有明顯的分帶性，在東西方向上，盆緣以斷層及伴生的撓褶為主，中部發育寬緩的褶皺，大寧—吉縣地區位于晉西撓褶帶南部，構造總體為NE-SW向單斜構造，伴有褶皺。構造煤是在構造應力的作用下形成的，在構造的不同部位，其地應力分布不同，如背斜構造軸部應力大于其翼部所受應力，因而Ⅱ類煤在背斜軸部較翼部更為發育。在背斜構造和斷裂構造雙重因素控制的區帶Ⅲ類煤發育，而在遠離背斜軸部和斷裂的區帶Ⅰ類煤更為發育。

表3 8#煤層煤體結構及分層厚度

3.4 煤體結構與煤粉產出的關系

煤層氣開采過程中煤粉的產出與煤體結構存在一定的對應關系，原生結構煤的煤體結構完整，不易破碎，煤芯呈塊狀，裂隙不發育，不利于煤層氣產出，但在采氣過程中煤粉產出量最小。碎裂煤結構較為完整，但受構造破壞，煤芯呈碎塊狀，孔裂隙發育，有利于煤層氣開發，但因煤體結構較破碎，壓裂過程中致使儲層破壞，增大煤粉產出量。碎粒—糜棱煤結構為碎粒狀或鱗片狀，煤芯呈細粒、粉末狀，煤粉易堵塞儲層裂隙，不利于煤層氣開發，且在開發過程中產出大量煤粉，易發生卡泵現象。因此，查明Ⅲ類煤在區中的分布為制定煤粉管控措施提供依據。

圖4 8#煤層各煤體結構分布

4 結論

(1)通過對參數井煤芯觀察，將其進行分類Ⅰ類塊煤、Ⅱ類塊粒煤、Ⅲ類粒粉煤，對照測井曲線，歸納總結不同煤體結構測井曲線特征，Ⅰ類煤電阻率最高，一般大于2000 Ω·m，自然伽馬負異常，幅值大，無擴徑；Ⅱ類煤電阻率略有降低，一般為500～2000 Ω·m，自然伽馬值負異常，幅值降低，有明顯擴徑，在X、Y方向擴徑有差異；Ⅲ類煤的電阻率低于500 Ω·m，自然伽馬負異常，幅值較小，無擴徑或有輕微擴徑。

(2)研究區內的5#、8#煤層煤體結構分布主要受控于古驛—窯渠背斜，以其背斜軸為分帶線，西翼原生結構煤發育，東翼一側構造煤發育。5#煤層中的Ⅰ類煤主要分布于背斜的西翼，遠離軸部逐漸增厚；Ⅱ類煤在背斜的東翼發育，由西向東增厚；Ⅲ類煤的分布在背斜的東翼，軸部附近煤層最厚，由軸部向東先增厚再變薄。8#煤層中Ⅰ類煤主要分布于背斜的西翼，有背斜軸部向西逐漸增厚的趨勢；Ⅱ類煤在背斜兩側呈對稱分布，由背斜軸部向兩翼逐漸變薄；Ⅲ類煤集中分布在背斜的東翼，遠離背斜軸部先開始變薄，接近斷裂帶后逐漸增厚。研究區煤體結構的主控因素為背斜構造和東翼的斷層。

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