用测井曲线参数测煤层顶板砂岩层含水性

田 忠， 张平松， 郭立全， 吴荣新

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南232001)

煤田测井是资源地质勘探中必不可少的环节之一，所获得的几类测井曲线可以准确确定煤层顶板砂岩的厚度、空间位置，以及煤层顶板砂岩的层位和构造特征;利用测井相和测井测量的地层产状研究沉积环境，可以解释煤层顶板砂岩岩石力学性质，评价煤层顶底板稳定性和分析研究煤层炭灰水、岩层砂泥岩含量等。目前，煤田测井应用领域越来越广泛［1］。相比较而言，煤田测井较石油测井起步晚，对许多地质问题仅能做到定性分析而无法进行定量解释，尤其是在地层含水率评测方面，没有既定的经验公式和较为系统的研究方法，因此，煤田测井曲线数据资料利用程度不高。笔者结合石油测井中的数据分析方法，对皖北某矿目标层测井数据进行精细处理，评测煤层顶板砂岩的含水性，为矿井安全开采提供了可利用的辅助资料。

1 测井评价方法

1.1 解释曲线的选择

岩体的富水性主要取决于岩体孔隙、裂隙的发育程度，因而可利用孔隙度来划分岩层的富水程度。这两者之间的线性关系明显，含水率随着孔隙度的增大而增加。总体来说，影响煤层顶板砂岩富水性的因素很多，主要包括区域构造、岩性、孔隙特性、裂隙率、赋存条件等。砂岩厚度是决定煤层顶板砂岩富水程度的前提条件，也是影响地下水赋存的首要因素。因此，在进行煤层顶板砂岩富水性解释时须确定有效的测井曲线及参数。对富水煤层顶板砂岩响应较好的曲线为密度曲线、视电阻率曲线、声波时差曲线、自然伽马曲线。煤层顶板砂岩富水性越强，密度曲线、视电阻率曲线值越小，声波时差曲线、自然伽马曲线值越大［2－3］。几种曲线中视电阻率曲线直接反应煤层顶板砂岩导电特性，且与煤层含水性直接相关，可进行精细解释。

1.2 富水性解释模型

借鉴石油测井中含水饱和度的相关模型和经验公式进行分析，采用Archie 公式计算岩石含水饱和度Sw，评价煤层顶板砂岩的含水性。Archie 公式为:

式中:F——地层因素，其值主要取决于地层孔隙度φ，且与岩石性质、胶结情况和孔隙结构等有关，但与地层含水电阻率ρw无关;

ρ0——100%饱和地层水的岩石电阻率，Ω·m;

a——与岩性有关的岩性系数，一般为0.60～1.53;

m——胶结指数，与岩石胶结情况和孔隙结构有关，约取2;

I——岩层电阻增大系数，其值基本决定于Sw，且与地层的孔隙度和地层含水电阻率无关;

ρt——地层真电阻率，Ω·m;

b——与岩性有关的系数，一般接近于1，常取1;

n——饱和度指数，与油、气或水在孔隙中的分布状况有关，其值为1.5～2.2，常取2。

油气勘探中利用Archie 公式进行Sw计算的步骤如下:

(1)利用人工伽马测井资料计算地层孔隙度φ。

(2)利用Archie 公式计算地层因素F。

(3)根据地层真电阻率ρt和地层含水电阻率ρw，由Archie 公式计算地层含水饱和度Sw，

由式(3)可以看出，Archie 公式是联系电阻率与孔隙度的桥梁，m、a、n、b 及ρw等参数，对其应用效果具有重要影响，而且它们随地区甚至解释层段而变化。因此，应根据研究区地质特征，通过实验统计方法得出较为适合的解释参数值［4］。

煤田勘探受条件所限，实际ρw测量数据缺少，现对该步骤进行微调以达到计算要求:

(1)计算地层的含水率和孔隙度平均值，再计算该层位的现有含水饱和度。含水率和孔隙度可由矿区地质报告中提取的多个钻孔的测井曲线得到。

(2)结合视电阻率测井曲线进行层位视电阻率值提取，并求其平均值。

(3)利用式(3)求取ρ0，获得煤层整体含水饱和度的计算公式。

Archie 公式的理想应用条件是具有颗粒孔隙的纯地层，对于泥质含量少的地层也可取得较理想结果。但对含黏土或泥质较多的地层和裂缝性地层，直接应用Archie 公式解释时，往往得不到令人满意的结果［5－7］。文中所选砂岩层位比较均匀，泥质含量较少且厚度相对较大，基本符合Archie 公式的理想条件。

2 富水性评测

2.1 研究区概况

皖北煤田是新生界松散层所覆盖的全隐伏煤田，是以顶底板直接进水、裂隙水为主要充水水源的矿床，局部地区亦有底板进水岩溶水充水矿床。皖北某矿三采区6 －1 煤层位于6 －0 煤层下11 m 左右，是6 煤组内发育最好的一层，煤层平均厚度1.72 m，面积可采率71%，为大部可采的较稳定煤层。煤层顶板以砂岩为主，含少量粉砂岩和泥岩，少有岩浆侵入。该矿区的煤系地层可划分为两个含水层和三个隔水层，6－1 煤层顶板是两个含水层之一，属于砂岩裂隙含水层，是矿井的直接充水含水层。

2.2 目标层的选取

目标层选取要求:在区域上稳定分布，岩性、电性特征明显，便于全区对比追踪;岩性成因相同，具有稳定的地球物理响应特征;且有一定厚度，一般大于5 m;自然伽马为低值、电阻率为高值的致密层［8］。根据钻孔抽水实验结果计算得到，q =0.001 94～0.756 30 L/(s·m)，k=0.001 71～12.890 00 m/d，生产矿井涌水量为20.00～878.70 m3/h。可见，6 －1 煤层顶板具有一定的富水性，对煤层的安全开采有一定影响。该顶板砂岩在区域分布上较为稳定，岩性和电性特征与上下地层的区别明显，厚度平均值大于5 m，符合目标层的选取要求，因此，选取6 －1 煤顶板砂岩作为目标层进行评价分析。

2.3 目标层的标准化处理

受各种外在因素的影响，目标层的视电阻率需要进行标准化处理，以使标准化数据与地层的实际情况更加接近。文中选取6 －1 煤层顶板的一套砂岩地层作为标准层，对其视电阻率标准化处理。统计不同钻孔视电阻率测井曲线目标层所在起始深度、视电阻率最大值和最小值，计算目标层平均深度和视电阻率平均值(表1)，并利用不同井的平均深度值和视电阻率平均值进行拟合，获得视电阻率平均值随平均深度变化的线性关系(图1)，以此来计算视电阻率曲线在目标层附近的最佳逼近值，作为标准视电阻率值［9－10］。

表1 根据线性关系求取的标准化视电阻率值Table 1 Standard apparent resistivity values getted buy linear relationship

图1 视电阻率平均值随平均深度变化相关关系Fig．1 Correlation diagram of average apparent resistivity values change with average depth

2.4 含水饱和度计算

利用Archie 方程组建立岩石含水饱和度Sw与视电阻率ρ 之间的非线性关系:

根据研究区地层的实际情况，b 取1，n 取2。经过岩样的实验测定，其值与经验值误差在允许范围内。计算求得6 － 1 煤层顶板砂岩层含水率为1.61%，孔隙度为7.56%，含水饱和度为21.3%，标准化视电阻率平均值为21.23 Ω·m。结合上述参数，进一步求得ρ0，并获得Sw计算式:

根据表1 中各钻孔标准化视电阻率值，由式(5)可进一步计算得到各钻孔6 －1 煤顶板砂岩含水饱和度值，如表2 所示。

表2 6－1 煤顶板砂岩各钻孔含水饱和度Table 2 Water saturation in various drilling of 6-1 coal roof sandstone

根据表2 获得采区目标层含水饱和度分布，如图2 所示。与视电阻率均值分布图(图3)相对比，可以看出，含水饱和度的分布情况与视电阻率均值的分

图2 6 －1 煤顶板砂岩层段含水饱和度预测分布Fig．2 Predicted distribution of water saturation of 6-1 coal roof sandstone

图3 6 －1 煤顶板砂岩层段视电阻率均值分布特征Fig．3 6-1 coal roof sandstone distribution map of apparent resistivity values

布具有较高的关联度，局部出现高阻异常。整个区域中，6－1 煤层顶板砂岩富水性较弱，仅在工作面布置外围(图2 右上角)处含水饱和度较高，砂岩富水性增强，但对整个采区回采影响不大。根据勘探揭露资料，该层段岩性致密完整，裂隙不发育，层段厚度为50～140 m，单位涌水量q =0.009 38 L/(s·m)，钻探揭露时未发生漏水现象，其隔水性能较好。可见，计算预测结果与实际揭露地质条件相吻合，表明利用测井曲线参数预测煤层顶板砂岩含水性的方法具有可行性。

3 结 论

(1)煤层顶板砂岩的含水性与测井曲线参数之间具有一定的相关性，提取研究区的视电阻率曲线数值，对其进行标准化处理，根据Archie 公式和当地的实际地质情况得到推算公式中的各个参数，建立含水饱和度与视电阻率之间的对应关系，进而获得含水饱和度分布情况，对采区某一层位的富水性进行预测和评价。

(2)利用测井视电阻率曲线预测煤层顶板砂岩地层富水性的方法，可进一步丰富勘探阶段的成果，为煤矿防治水工作提供有效的参数数据。

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