甘肅柴胡子溝工作區煤層測井方法及解釋成果

田步令

（甘肅煤炭地質勘查院，甘肅 蘭州 730000）

1 概況

工作區位于甘肅省山丹縣老軍鄉龍首山南側，總體呈現北高南低之勢，海拔最高2600 m，最低1700 m，高差900 m，屬中山區。區內最大比高100 m 左右，地形稍復雜，其南部則地形平坦，大多為沖積平原。

工作區屬北溫帶寒冷干旱氣候，夏季炎熱，冬季寒冷，晝夜溫差大；平均最大氣壓823.1 mbar，月平均最高氣溫20.3 ℃（7 月），月平均最低氣溫-11.7 ℃（11 月），歷年平均氣溫5.90 ℃；空氣干燥，歷年蒸發量2 251.7 mm，年降水量平均195 mm；風速平均2.6 m/s，最大可達3.2 m/s，風向多為西北及東南風；歷年平均封凍日期11 月18 日，解凍日期3 月17 日，年最大凍土深度1.43 m。

根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306-2015），該區地震動峰值加速度為0.15 g。根據《建筑抗震設計規程》（DB62/T25-3055-2011），工作區抗震設防烈度為Ⅶ度。

2 工作方法

以LL3、GR、GGL 確定煤層及夾矸，劃分全孔地質剖面，以及判斷地層含水層和破碎帶；利用聲速（SAT）及密度（DNL）曲線進行地層巖石力學性質的計算，對所有煤層均用長源距伽瑪伽瑪、三側向電阻率、自然伽瑪三種以上1:50 放大曲線進行分層定厚[1]。

3 工作區地層

根據工作區內已取得的鉆探資料，認為工作區賦存的地層自上而下為第四系（Q）、新近系臨夏組（N2l）、上侏羅統苦水峽群（J3ks）、中侏羅統新河組（J2x）、中侏羅統中間溝組（J2z）、上二疊統窯溝群（P3yg）、中二疊統大黃溝組（P2d）、下二疊統太原組（P1t）和基底下寒武統大黃山群（∈1dh）[1]。其中下二疊統太原組（P1t）為工作區的主要含煤地層。

3.1 下寒武統大黃山群（∈1dh）

為工作區內最古老的地層，構成工作區的沉積基底。上部以灰綠色厚層狀粉砂質板巖為主，夾變質砂巖，砂巖層的底面具波狀沖刷面及印模，其中含鐵質結核；下部以灰綠色、淡紅色變質砂巖夾泥質板巖，具波痕，構成韻律沉積，底部含同生礫石。

3.2 二疊系（P）

二疊系可分為下二疊統太原組（P1t）、中二疊統大黃溝組（P2d）和上二疊統窯溝群（P3yg）。

1）下二疊統太原組（P1t）

下二疊統太原組為工作區主要含煤地層，屬海陸交互相沉積，巖性以灰白色砂巖及深灰、灰黑色粉砂巖、泥巖為主，其中夾石灰巖、鋁質泥巖、碳質泥巖和煤層[2]，可分為上中下三段。其中，太原組上段（P1t3）：巖性及厚度比較穩定。其特點是純陸相沉積，上部為一套雜色碎屑巖，以含云母砂巖及其上的一層雜色泥巖、粉砂巖為特征，下部為區內主要可采煤層（煤1、煤2上、煤2下），以及灰、灰黑色泥巖、砂巖夾碳質泥巖。厚度具有南薄北厚的特點。整個山丹-永昌盆地的二疊系地層對比性較好[3]，特征也很明顯。

2）中二疊統大黃溝組（P2d）

顏色以紫紅、灰綠、灰、灰白等雜色為主，巖性以含礫粗砂巖、砂巖、砂質泥巖、粉砂巖、礫巖互層，砂巖為巖屑長石砂巖、長石砂巖或雜砂巖，礫巖為復成分礫巖。屬于干熱氣候下的河流沉積，其厚度一般為50.62～200.46 m，平均118.32 m。與下伏下二疊統太原組（P1t）呈假整合接觸。

3）上二疊統窯溝群（P3yg）

顏色以紫紅、灰白、灰綠等雜色為主，巖性以粗砂巖、含礫粗砂巖與粉砂～細砂巖互層，中夾細礫巖及砂質泥巖，砂巖為巖屑長石雜砂巖，礫巖為復成分礫巖，屬于干熱氣候下的河流沉積。由于受上覆地層新近系的剝蝕，厚度變化大，殘余厚度55.16～389.88 m。與下伏大黃溝組（P2d）整合接觸。

3.3 侏羅系（J）

1）中侏羅統中間溝組（J2z）

以灰綠、灰白及淺灰色的粗中粒砂巖、砂礫巖為主，夾泥巖、粉砂巖、細粒砂巖薄層，底部為一厚層狀中礫巖，為本區標志層。本組含煤線，厚121.70 m，與下伏上二疊統窯溝群不整合接觸。

2）中侏羅統新河組（J2x）

上部以湖相沉積的灰白、灰綠色泥質粉砂巖、細粒砂巖為主，夾中粒砂巖及2 層不可采煤層；中部以河湖相沉積的灰白色砂礫巖、粗粒砂巖、中粒砂巖為主，夾一層煤線；下部以河床相砂礫巖沉積為主，夾砂巖薄層，厚187.59 m，與下伏中侏羅統中間溝組整合接觸。

3）上侏羅統苦水峽群（J3ks）

由紫褐、紫紅色細礫巖和砂巖組成，夾泥質粉砂巖薄層，頂部有一層泥晶灰巖，平均厚531.20 m，與下伏中侏羅統新河組整合接觸。

3.4 下白堊統河口群（K1hk）

巖性為紅褐色、紫紅色細礫巖和砂巖組成，成分以石英、長石為主，含云母碎片，棱角狀-次棱角狀，分選差。與下伏上侏羅統苦水峽群為角度不整合接觸。

3.5 新近系臨夏組（N2l）

巖性為紫紅色，中礫巖結構，成分以變質巖礫為主，石英礫次之，充填泥質，棱角狀，分選差。頂部為斷層接觸，成分復雜（有泥巖，砂巖礫變質巖礫等），比較破碎。

3.6 第四系（Q）

區內的覆蓋層，主要為砂礫石層。頂部有厚3～10 m 的次生黃土及耕植土，底部偶見厚度不足10 m 的透鏡狀角礫巖。區內第四系平均厚度85 m。

4 工作區煤層

根據以往及詳查階段施工鉆孔18 個，其中14孔見煤，4 孔未及煤層，18 個鉆孔均未穿透太原組地層。其中10 個鉆孔在穿過3 煤層以后即終孔。

確定工作區含煤地層為下二疊統太原組，其中F1 斷層上盤太原組上段為工作區主要含煤段，含主要可采煤層煤1 和煤2 組；太原組中段的上部含零星可采煤層煤3，中部含不可采煤層煤4、煤5，下部僅含煤線（煤9）；太原組下段不含煤層。煤層總厚度0.62～6.78 m，平均4.02 m，含煤系數7.97%，煤層可采總厚度0.62～5.41 m，平均3.54 m，可采煤層含煤系數6.17%。工作區下二疊統太原組含可采煤層三層，自上而下編號為煤1、煤2上和煤2下，均為大部分可采煤層。

1）煤1 層

位于下二疊統太原組上段（P1t3），分布范圍為勘查區南部，北部煤層尖滅，分布面積約14.96 km2，約占勘查區面積的76.84%。區內18 孔中共有13 孔鉆遇，煤層厚度0.19～1.82 m，平均0.85 m。5個鉆孔達到可采，可采區分布于勘查區南部，面積7.12 km2，占勘查區面積的36.6%，可采煤厚0.62～1.82 m，平均1.21 m，屬較穩定的大部分可采煤層。可采范圍內大部分分布薄煤層。煤1 層下距煤2上層平均11.78 m。

煤層結構簡單，13 個鉆遇鉆孔中有4 孔煤1 層含夾矸，均含夾矸1 層，夾矸總厚0.09～0.29 m，平均0.18 m，夾矸巖性多為泥巖。

煤層頂板大多為泥巖、砂質泥巖、泥質粉砂巖；底板大多泥質粉砂巖、粉砂巖、泥巖。

區內煤1 層沉積較穩定，厚度變化不大，局部可采，結構簡單-較簡單，LL3 曲線上多呈“雙峰狀”或“單峰狀”高異常反映（48～243 Ω·m），其值普遍高于其他煤層；在DNL 曲線上呈“幾”字狀或“燕尾狀”低異常反映（1.46～1.63 g/cm3）；在GR 曲線上為低異常的“雙峰狀”或“單峰狀”顯示（117～192 CPS）；SAT 曲線反映為高幅值“剪刀狀”異常（511～552 us/m）。

2）煤2上層

位于下二疊統太原組上段（P1t3），分布范圍為勘查區中南部，北部煤層逐漸尖滅，分布面積約17.32 km2，約占勘查區面積的88.96%。區內18 孔中共有11 孔鉆遇，煤層厚度0.39～3.44 m，平均1.39 m。9 個鉆孔達到可采，可采區分布于勘查區中南部，面積7.95 km2，占勘查區面積的40.83%，可采煤厚0.63～3.44 m，平均1.60 m，屬較穩定的大部分可采煤層。煤2上層下距煤2下層平均6.47 m。

煤層結構復雜。11 個鉆遇鉆孔中有5 孔含夾矸，夾矸1～4 層，夾矸總厚0.37～3.03 m，平均1.08 m，夾矸巖性多為碳質泥巖、泥巖。

煤層頂板大多為粉砂質泥巖、泥巖；底板大多泥質粉砂巖、泥巖。

3）煤2下層

位于下二疊統太原組上段（P1t3），分布范圍為勘查區南部，北部煤層逐漸尖滅，面積約17.19 km2，約占勘查區面積的88.29%。區內18 孔中共有11 孔鉆遇，煤層厚度0.14～3.22 m，平均1.79 m。8 個鉆孔達到可采，可采區分布于勘查區中南部，面積7.07 km2，占勘查區面積的36.31%，可采煤厚1.09～2.09 m，平均1.40 m，屬較穩定的大部分可采煤層。煤2下層下距煤3 層平均18.86 m。

煤層結構復雜。11 個鉆遇鉆孔4 個含夾矸層，含夾矸3～8 層，夾矸總厚1.09～2.90 m，平均2.06 m，夾矸巖性為碳質泥巖。

煤層頂板大多為碳質泥巖、泥巖；底板大多泥巖、碳質泥巖。

煤2 組結構復雜，含煤分層6～8 層。視電阻率、密度、自然伽瑪幅值與煤1無明顯差異，但因分層多，曲線形態復雜。

視電阻率曲線由6～7 個劍形單峰組合而成，其中煤2上層多為3 個劍形單峰組合，呈下收正臺階狀為主，次為倒臺階狀；煤2下層由上部的兩個不對稱齒形劍峰和下部的1 個劍形單峰組成，呈下收倒階梯狀。自然伽瑪曲線形態均呈低峰值雙塔型，形態對稱。

密度與圍巖和煤層夾矸的峰值2.2 g/cm3相比，異常明顯，曲線形態呈寬緩振蕩型或齒狀箱型，形態穩定，一般不會因密度值增大而改變。

5 工作區煤系地層地球物理特征

本區各時代地層物性特征明顯，層次分明，界面清楚，規律性強，測井曲線反映及地質效果良好。巖、煤層物性特征簡述如下：

5.1 煤層物性特征

工作區內煤層與圍巖物性差異較大，各煤層（組）物性組合特征明顯，在測井曲線上皆表現為低密度、低自然伽瑪、高電阻率，即“兩低一高”的特征[4]。該區域內煤層物性特征十分明顯，在測井曲線圖上極易辨認，界面反映清晰。

1）煤1 層物性測井曲線特征

區內煤1 層沉積較穩定，厚度變化不大，局部可采，結構簡單-較簡單，LL3 曲線上多呈“雙峰狀”或“單峰狀”高異常反映（48～243 Ω·m），其值普遍高于其他煤層；在DNL 曲線上呈“幾”字狀或“燕尾狀”低異常反映（1.46～1.63 g/cm3）；在GR 曲線上為低異常的“雙峰狀”或“單峰狀”顯示（117～192 CPS）；SAT 曲線反映為高幅值“剪刀狀”異常（511～552 us/m）。 在煤層對比中，以巖相對比是尋找本煤層的主要方向。煤1 層測井曲線特征圖如圖1。

圖1 煤1 層測井曲線特征圖

2）煤2 層物性測井曲線特征

煤層物性特征明顯表現為：LL3 曲線上呈不規則的“群筍狀”高異常（26～96 Ω·m）；在DNL曲線上表現為“鋸齒狀”低異常（1.33～2.33 g/cm3）；GR 曲線上表現為“群峰狀”低異常（52～263 CPS）。此段測井曲線密度和視電阻率均變化平緩，而自然伽瑪變化較大。煤2層測井曲線特征圖如圖2。

圖2 煤2 層測井曲線特征圖

5.2 煤系地層巖層地球物理特征

煤系地層巖層各參數曲線物性特征明顯，較好劃分井田內各種巖層的巖性。巖層物性特征如下：

1）泥巖

煤系地層泥巖密度相對較大[5]，在DNL 曲線上顯示較高異常反映（1.61～1.96 g/cm3），在本工作區內泥巖層段鉆孔孔徑一般都容易不規則擴大，在測井曲線上反映為隨著井徑擴大而密度減小，在GR 曲線上呈高異常反映（186～307 CPS），且GR曲線幅值越高，一般對應層段的泥質含量越高，在LL3 曲線呈中低幅值反映（20～50 Ω·m），隨著井徑擴大有可能呈現為極低阻值近似直線形態。

2）粉砂巖和砂質泥巖

粉砂巖和砂質泥巖密度較大，在DNL 曲線呈較高異常反映（1.43～2.32 g/cm3），泥質含量較其他砂巖高，GR 曲線幅值較泥巖略低（98～263 CPS），GR 曲線幅值越高一般對應層段泥質含量越高，在LL3 曲線呈中高幅值反映（21～221 Ω·m）。

3）砂巖

砂巖的組成成分比較復雜，當砂巖的巖性由粗、中、細砂巖順序排列時，其孔隙度逐漸減小，泥質含量逐漸增加。因此在DNL 曲線上，隨著砂巖的巖性由粗變細，砂巖的密度逐漸增大，在部分層段由于砂巖極其松散可能造成井徑擴大現象，DNL 曲線的幅值范圍為（1.65～2.62 g/cm3）。在GR 曲線上，隨著巖性顆粒的變細和泥質含量的增大，曲線的幅值隨之增大，GR 曲線的幅值范圍為（35～222 CPS）。而在LL3 曲線上隨著巖性孔隙度的減小，巖層導電性能逐漸減弱，電阻率幅值逐漸增大，LL3 曲線的幅值范圍為（37～506 Ω·m）。

4）碳質泥巖

碳質泥巖的泥質含量變化范圍較大，隨著泥質含量的變化，碳質泥巖物性特征主要表現為：碳質泥巖的密度大于煤而小于泥巖，在長源距伽瑪伽瑪（GGL）曲線上有似煤異常反映，因此在DNL 曲線上碳質泥巖幅值呈現中低值（1.75～2.20 g/cm3），在GR 曲線上反映較高，且隨著泥質含量的增大，GR 曲線幅值不斷增大，GR 曲線的幅值范圍為（93～250 CPS），電阻率值一般呈現中高阻值，且與頂底板巖性界面清晰，各條曲線物性反映較煤層反應要弱，LL3 曲線的幅值范圍為（50～113 Ω·m）。

6 結論

所測各參數曲線反映良好，無畸變和其他非正常顯示。所采集數據多達10 種以上參數，資料采集準確齊全。測井參數選擇合理，煤巖層定性、定厚較為可靠。根據測井結論能確定煤層深度、厚度及結構，掌握煤系地層煤、巖層物性特征及組合規律，可劃分鉆孔巖性，推斷解釋各時代地層界面。