基于地球物理測井的煤體結構識別及對煤層氣開采的影響

張瑤，趙軍龍

（西安石油大學地球科學與工程學院，陜西省油氣成藏地質學重點實驗室，陜西西安 710065）

0 引言

煤體結構主要分為原生結構（MJ-I）、碎裂結構（MJ-II）、碎粒結構（MJ-III）、糜棱結構（MJ-IV）4種類型（黃波，2018；張俊杰和趙俊龍，2019）。煤體結構三維空間的非均質性控制著煤層滲透率以及煤巖力學性質，是制約煤層氣勘探開發的關鍵因素之一（侯世輝，2018），同時煤體結構還是多煤層煤層氣勘探開發中主力產層優選及產層優化組合的關鍵約束條件，因此，精確識別煤體結構顯得尤為重要（侯月華等，2016）。

前人研究表明，識別儲層煤體結構的直接方法有生產礦井煤體結構實際編錄，鉆孔煤心描述和煤礦井下煤壁直接判識（傅雪海等，2003；張超等，2017），間接方法有地震反演和測井（王遠等，2011；彭劉亞等，2013；彭蘇萍等，2018），因直接方法資料不易獲取，地震反演技術要求較高，近年來對于煤體結構的研究逐漸側重在測井資料的基礎上進行。傅雪海等（2003）開展了利用測井曲線劃分煤體結構和預測煤儲層滲透率的研究，陳粵強等（2017）開展了利用測井參數定量識別韓城礦區北區煤體結構的研究，陶傳奇等（2017）開展了基于測井參數的煤體結構預測模型及空間展布規律的研究。這些研究工作為測井方法識別煤體結構研究奠定了重要基礎。

該文針對不同煤體結構所表現出的不同測井響應特征，基于對現有成果認識的梳理，開展地球物理測井應用在預測煤體結構方面的綜合分析。

1 煤體結構的定義、類型及對開發的影響

1.1 煤體結構的定義及類型劃分

煤體結構指煤層在地質歷史演化過程中經受各種地質作用后，煤體內部受破壞變形程度的特征，包含原生煤和構造煤兩大類，其概念伴隨著構造煤的概念演化，是煤體變形的一種特征表述（黃波，2018）。

構造煤按照其結構及物性參數、成因、宏微觀變形特征及變形機制和變形環境被劃分為2～10 類不等，隨著研究的逐漸深入，中國在2013 年首次頒布《煤體結構分類》國家標準，分別從宏觀煤巖類型可辨識度層理完整性、煤體破碎程度、裂隙及揉皺發育程度、手試強度等方面進行了分類，分為原生結構（MJ-I）、碎裂結構（MJ-II）、碎粒結構（MJ-III）、糜棱結構（MJ-IV）4 種類型，但研究者在實際工作中常因研究區域和研究目的不同而將構造煤劃分成不同的類型，如張坤鵬等（2016）在研究新景煤礦3 號煤層煤體結構時依據測井曲線識別的精確度以及實際工作的需要將煤體結構類型按照破壞程度劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三大類；李劍等（2017）在研究渭北區塊煤體結構測井評價及其在射孔段優化中的應用時因研究區糜棱煤所占比例極小，煤質松軟，不利于煤層氣的開發，僅將其煤體結構劃分為原生結構煤、碎裂煤和碎粒煤3 類。雖然煤體結構的劃分迄今為止還沒有完全統一，但已經逐漸向2013 年頒布的國家標準靠攏。

1.2 煤體結構對煤層氣開采的影響

煤體結構對煤層氣開采影響較大（馮立杰等，2017），研究表明，煤體結構的構造變形在微觀上造成了孔裂隙分布特征、滲流能力以及煤層氣吸附、擴散能力發生變化，導致煤儲層非均質性增強，增大了煤層氣開發難度（滕娟，2016）（表1）。

（1） 井壁穩定性

胡奇等（2014）在研究沁南地區煤體結構對煤層氣開發的影響時發現：煤體結構越破碎，井壁穩定性越差，井徑、抽采孔鉆屑量越大，碎粒煤及糜棱煤發育處，井筒周圍形成厚層的水泥環，甚至導致砂堵等工程問題，在排采過程中，煤層水及煤層氣均有攜帶煤粉的能力，易造成排采通道的堵塞等。

（2） 孔裂隙分布特征

原生煤很少有裂隙發育，主控孔隙類型為微孔（孔徑小于2 nm 的孔隙）和過渡孔；碎裂煤的主控孔隙類型為中孔（孔徑為2～50 nm 的孔隙）和大孔（孔徑大于50 nm 的孔隙）；而糜棱煤在經歷了塑性剪切作用后，中孔、大孔和裂隙比例迅速降低。不同煤體結構儲層裂隙發育的差異性主要集中在裂隙連續性方面，隨著煤巖破碎程度的增加，煤儲層裂隙連續性降低（Li et al.，2012；滕娟，2016；侯世輝，2018）。

（3） 滲透性

滲透率是評價煤儲層滲透性的關鍵指標（葉楨妮等，2019），是影響煤層氣解吸、運移和開發的一項重要參數（趙軍龍和池佳瑋，2019）。煤體結構對煤層氣開采的影響主要表現在對煤層氣滲透率的控制作用以及對煤礦安全的危害作用（滕娟，2016）。不同煤體結構煤層顆粒大小、形態及相互關系控制了煤儲層孔隙度和孔隙結構特征，進而控制著滲透率的變化（黃波，2018）。煤體結構對原煤滲透率的影響研究開展較少。鐘玲文等（2004）研究發現在有碎粒煤和糜棱煤發育的煤層，煤體結構對煤層滲透性的影響大于裂隙發育程度的影響，成為控制滲透性的首要因素；呂閏生等（2012）對焦作煤田的構造煤進行了滲透率測試，結果表明滲透率與不同煤體結構關系曲線近似呈正態分布，先是呈級數增大，隨后呈級數減小。

（4） 氣體吸附解析能力

宋曉夏等（2013）在研究中梁山南礦構造煤吸附孔分形特征時發現：構造變形越強烈，孔表面積越大，微孔含量越多，孔隙結構非均一性越強，氣體吸附能力越強。原生結構煤儲層氣體擴散能力最弱，碎粒煤儲層氣體擴散能力最強，碎裂煤儲層氣體擴散能力介于原生結構煤儲層和碎粒煤儲層之間（侯世輝，2018）。

2 基于地球物理測井的煤體結構判識

識別儲層煤體結構最直接的方法是生產礦井煤體結構實際編錄，鉆孔煤心描述和煤礦井下煤壁直接判識，但井巷編錄對未采區的資料無法獲取，鉆井取心則常因構造煤松軟，采取率低，以及井下條件限制，煤體結構難以描述（傅雪海等，2003；張超等，2017）。基于不同煤體結構的物理性質不同，利用疊前地震反演信息得到的多種彈性參數可以進行煤體結構的有效劃分（彭蘇萍等，2008；王遠等，2011；彭劉亞等，2013；彭蘇萍等，2018），但同步反演對地震資料的AVO 處理環節要求高，同時還存在反射振幅的恢復與保持、入射角度換算等技術問題。前人研究結果表明，地球物理測井技術是判識煤體結構的可靠技術手段（傅雪海等，2003；陳萍等，2014），最為經濟高效且有較高的精度（Thomas et al.，2016），煤體物理和化學性質差異使得煤體結構與測井響應具有良好的對應關系（Teng et al.，2015，2016）。因此，可基于不同煤體結構具有不同測井響應特征，結合鉆井取心數據進行對比分析，最終實現煤體結構預測。

2.1 多種測井方法判識煤體結構的機理

前人的研究成果表明，預測煤體結構，要以不同煤體結構具有不同測井響應特征為基礎，結合鉆井取心數據進行對比分析。不同煤體結構間存在著物性差異，這些差異在各地球物理測井上會產生不同響應特征，從而為測井參數預測煤體結構提供理論依據，其判識機理及同一煤田同一煤層在相同變質程度情況下不同煤體結構曲線特征見表2（姚軍朋等，2011；陳躍等，2013；滕娟，2016；陳晶等，2017）。

基于測井曲線的煤體結構預測主要依據煤體結構物性差異而引起的電性、放射性、聲波時差等差異，其差異反應在測井曲線形態和幅度上。井徑、聲波、密度、中子測井對識別煤體結構效果較好，電阻率測井次之，隨煤體結構破碎程度加深，自然伽馬測井值在各區塊增減趨勢不同，但在同一區塊內變化穩定且幅值變化較為明顯。

2.2 煤體結構類型定性判識方法

利用測井曲線劃分煤體結構是根據不同煤體結構具有不同測井響應特征而判識。測井曲線中井徑測井曲線對于構造煤最為敏感，應用也最廣（張超等，2017）。喬偉等（2010）采用單一的井徑曲線，以0.5 m 為尺度分析了井徑與煤體結構的對應關系，結果表明原生煤和碎裂煤對應的井徑變化較小，而碎粒煤和糜棱煤的井徑擴張表明井徑曲線幅值在原生煤與碎裂煤處表現為低幅值，而在碎粒煤處表現為高幅值，定性判識了煤體結構?？紤]到影響測井曲線的因素較多，在利用測井信息判識煤體結構類型的研究中，為提高準確性，大都采用多種測井手段定性判識。

許啟魯等（2016）對比了柿莊北地區原生煤和構造煤的測井幅值，結果表明構造煤對應了自然伽馬和電阻率幅值低，聲波時差、井徑幅值高等測井響應特征。滕娟（2016）統計了沁水盆地南部煤體結構對應自然伽馬、深側向電阻率、密度測井響應的曲線形狀、幅值范圍和平均幅值，表明隨著煤體結構破碎程度的增強，深側向電阻率幅值增大，自然伽馬和密度測井幅值減小，測井曲線的變化更加顯著。

經過文獻調研發現，在各區塊判識煤體結構過程中，隨煤體結構破碎程度增大，井徑、聲波時差、補償中子測井值增大，密度測井值減小趨勢穩定；電阻率測井值大都減小，只在傅雪海等（2003）研究的安微淮南、淮北煤田，滕娟（2016）、侯月華等（2016）研究的沁水盆地安澤區塊，因無煙煤顆粒比表面積增大，吸附和保存了更多的煤層氣，導電能力減弱，顯示電阻率測井隨煤體結構破碎測井曲線幅值增大。各地區隨煤體結構破碎程度加深，自然伽馬測井值受煤體雜質或含放射性元素的地層水影響程度不同（姚軍朋等，2011），曲線幅值變化不同。

盡管煤體結構的定性判識方法已取得一定成果，但其精度遠達不到勘探開發的需求，因此急需建立煤體結構的定量判識方法。

2.3 煤體結構類型定量判識方法

前人的研究多停留在通過觀察和統計測井曲線的形態和幅值來評價煤體結構的類型的定性評價階段，但隨著煤與煤層氣勘探開發技術的進步，定性判識已遠達不到煤層氣現場勘探開發的需求。因此，有必要建立煤儲層煤體結構的定量判識新方法，有效提高煤體結構判識的準確性。經文獻調研發現利用測井曲線定量判識煤體結構的方法主要有如表3所示4 種方法。

表3 所列方法均能有效定量識別煤體結構，且準確度在定性分析的基礎上大大提升，但都具有一定的局限性，或對測井資料的要求較高，或區域性質明顯，參數不易確定等。通過對比發現構造煤體結構指數法、補償中子-井徑和補償中子-聲波時差交會圖結合法兩種方法采用了對煤體結構變化更為敏感穩定的密度、聲波時差、井徑和補償中子測井曲線，更具有普適性，其中構造煤體結構指數法能劃分出3 種煤體結構，相對來說精度更高。

3 實例分析

姚軍朋等（2011）對某地區6 井用構造孔隙結構指數m法進行煤體結構定量判識，劃分出Ⅰ類（原生結構煤）、Ⅱ類（碎裂結構煤）和Ⅲ類煤（碎粒和糜棱結構煤），判識精度在85%左右。筆者在該井使用謝學恒和樊明珠（2013）提出的構造煤體結構指數n法（n=），結果如圖1 和圖2 所示，以n＜600 為原生結構煤，600＜n＜800 為碎裂結構煤，n＞800 為碎粒和糜棱結構煤作為劃分標準，判識結果準確度可達到90%。

圖1 某地區6 井煤體結構指數特征

圖2 某地區6 井煤體結構的測井響應及煤體結構指數曲線特征（黑色部分為原生結構煤）

表3 利用測井曲線定量判識煤體結構方法

4 結論

本文梳理了劃分煤體結構的方法、煤體結構對煤層氣開采的影響、總結了基于地球物理測井資料定性和定量判別煤體結構的方法。

（1） 煤體結構目前多劃分為原生結構（MJ-I）、碎裂結構（MJ-II）、碎粒結構（MJ-III）、糜棱結構（MJ-IV）4 種類型，對煤儲層滲透率及井壁穩定性等均有影響，從而影響對煤層氣的開采。

（2） 井徑、聲波、密度、中子測井對識別煤體結構效果較好，電阻率測井次之，隨煤體結構破碎程度加深，自然伽馬測井值在各區塊增減趨勢不同，但在同一區塊內變化穩定且幅值變化較為明顯。

（3） 煤體結構定性判識利用常規測井信息分層劃分，隨著煤與煤層氣勘探開發技術的進步，已遠達不到勘探開發的需求，定量判識則在常規測井信息的基礎上采用構造指數法、交會圖法、多元線性回歸法等其他方法，為未來煤體結構研究方向。