利用煤田测井曲线精细解释淮南某矿1煤层采区地质特征

徐胜平， 云晓鸣， 汪宏志， 王 轩

（1.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2.安徽省煤田地质局第三勘探队，安徽 宿州 234000）

煤田地球物理测井作为一种重要的物探技术手段，在煤炭资源勘探中发挥着重要的作用。勘探过程中，煤田测井直接通过钻孔井壁近距离地获取地层中物理性质信息，其曲线中携带着丰富的地质信息，不同属性参数与岩煤层结构、物理力学性质、富水储气等特征具有一定的相关性［1］。通过对测井曲线的综合分析，根据岩煤层的地球物理响应特征，实现对煤矿开采地质条件的解释。利用单井和多井测井曲线参数，不仅可以实现对岩煤层深度、厚度及结构的确定，对煤类的划分，对岩性解释及地层划分等常规解释应用，而且可以实现岩层孔隙度确定、煤层对比、构造分析，以及沉积环境分析等相关内容［2］。近年来，安徽省煤田地质局第三勘探队完成50个左右勘探区探查任务，以每个勘探区200个钻孔数量计算，已完成近10 000个钻孔的地质勘探任务，其中绝大多数钻孔完成测井任务。而纵观煤田系统对测井曲线的利用，其所采用的综合解释方法不够突出，地质成果资料解释普遍采用单井或多井曲线间的简单组合与对比，实现常规地质解释，未能全面利用5大类曲线的信息，在某种程度上造成测井曲线资源的丢失与浪费［3］，这也是全国煤田勘探测井技术应用的现状。

通过国内外煤田测井技术发展进程可以看出，20世纪70年代后的煤田测井，无论在数量和质量上，或是在应用的深度和广度上都有所提高，测井资料从煤田的普查、预测到勘探直至开采设计，都有着广泛而有效的应用［4－8］，目前正朝着对测井曲线精细化解释的方向发展。本文通过对淮南某矿西二采区1煤层地质资料、钻孔测井曲线的收集，确立对各类研究地质条件的敏感曲线，统计和分析测井曲线幅值，对岩煤层储气特征、含水性、岩石力学参数等利用率高的地质属性进行相关性分析，建立地质物理性质参数与灵敏测井曲线属性参数之间的函数关系，重建勘探区综合地质模型，进一步提高对现有测井曲线资料的利用程度。

1 测井曲线资料精细解释方法

煤田地球物理测井资料精细解释是一个对现有资料的信息提取细化过程，重点是通过对测井曲线资料标准化，在精确提取测井曲线幅值的基础上，针对不同的研究内容，分别构建测井参数，分析两者之间的相关关系，进而建立研究区地质属性与测井参数之间的解释模型。

1.1 测井曲线资料分类及数值提取

目前，煤田上常用自然电位、视电阻率、自然伽马、密度、声波等5类测井曲线，不同曲线反映的岩煤层特征各有不同，其测试的物理量差别较大，因此需要对不同曲线的相关性进行分析和标准化处理，便于进行曲线之间的对比利用，为测井精细地质解释提供基础；同时可以建立必要的参数计算公式和岩煤层的评价标准［9－10］。研究中针对纸质材料还需数字化，利用CorelDraw、Auto－CAD等矢量化软件，结合自主编写的基于CAD平台开发的数值提取软件将各种物理量分层、定值后形成数据库，为后续对比分析做准备。

测井数据的提取步骤为：首先利用自主编写的数值提取软件分别拾取测井数据的标度和钻孔深度（即X、Y2个方向），然后选择需要提取的测井曲线，最后保存为文本格式。软件界面如图1所示。

1.2 测井解释模型建立

通过收集研究区勘探过程、煤层开采过程获得的岩煤层地质属性实测资料，与标准化处理后的层位曲线参数相对比，进一步构建不同地质条件下地质解释模型。其重点是以煤层结构特征及其瓦斯含量、岩煤层的力学性质以及岩层富水特征为研究对象，确定其灵敏曲线参数，利用数理统计、回归分析、聚类分析等手段建立其单因素或多因素分析解释模型。

2 1煤层精细解释应用

2.1 岩石力学参数确定

本文以西二采区1煤顶板砂、泥岩为对象，对视电阻率测井、自然伽马、伽马伽马值等数据进行统计分析，在单轴抗压强度解释结果基础上，结合围压下砂岩力学性质实验以及砂岩孔隙度实验结果，建立一种基于测井资料的单轴到三轴抗压强度解释模型［11］。具体来说是通过分析岩石抗拉强度与视电阻率、自然伽马、伽马伽马的相关关系，根据抗拉强度与测井曲线单因素之间的相关关系，构建复合参数，分析抗拉强度和复合参数之间的相关特性。

为了更好地构建复合参数分析模型，首先分析岩石抗拉强度与测井曲线单因素之间的相关关系，即以岩石抗拉强度为因变量，视电阻率测井值、自然伽马测井值和伽马伽马测井值为自变量，分别分析它们之间的线性相关关系。单因素分析表明岩石抗拉强度与视电阻率呈正相关关系，与自然伽马、伽马伽马呈负相关关系。

线性分析结果表明，两者具有中度相关性。为了使预测结果更接近真实值，在单因素分析的基础上，设置测井复合参数F＝lnR／（lnGR×lnGG）。该复合参数F代表了抗拉强度与3种测井值之间的综合相关性。利用采区内钻孔相同层位岩石抗拉强度实测值，可进一步构建抗拉强度与复合参数之间的函数关系为y＝25.54x－2.597，其相关系数为0.674。根据此式可对1煤采区各钻孔处1煤层顶板砂岩层段抗拉强度进行预测，获得整个采区1煤层顶板砂岩层段抗拉强度分布图如图2所示。可以看出，在1煤采区其顶板砂岩抗拉强度具有分布差异，其重点是采区深部靠近煤上山位置的1煤顶板砂泥岩层段强度相对较低，因此需要在工作面巷道掘进以及工作面回采维护中加以重视，这在几条上山掘进中已得到验证。

图2 抗拉强度分布图

2.2 岩煤层储气特征解释

由于煤层物性及其储气特殊性，目前还不能靠单一的测井资料对煤层瓦斯含量做出准确的解释，多数是通过数理统计的方法，结合地区地质经验建立统计关系［12－14］。研究中通过视电阻率测井、自然伽马测井、伽马伽马测井及工业分析相关参数，建立统计关系的煤层瓦斯含量解释与预报方法。

试验以淮南某矿西二采区1煤为对象开展。由于含气量的增加会使深浅电阻相对变化率、声波时差和中子孔隙度进一步增大，使自然伽马和体积密度值进一步降低。因此，可以通过这些测井参数的变化来反映含气量的变化。根据收集的采区钻孔测井数据和各曲线对煤层参数的贡献程度，结合储层变化对测井分析的需要，确定利用视电阻率、自然伽马和伽马伽马值形成复合参数L，构建复合参数L与煤层瓦斯含量的关系模型。其构建方法如下所述。

测井曲线复合参数与煤层瓦斯含气量之间具有良好的相关性，由此获得线性关系式为：Q气＝f（L）＝－1.636L＋82.56，R＝0.92。由此可对整个采区钻孔处的1煤层测井含气量进行计算和预测，结果如图3所示。经过对比，由测井复合参数给出的预测结果与采区个别工作面抽采揭露的煤层实测含气量之间具有良好的对应性，表明利用上述方法进行煤层含气量预测在生产中具有可行性，其预测结果可为矿井安全生产及采场瓦斯预测提供参考。

图3 1煤层含气量预测图

2.3 岩煤层富水特征解释

勘探区的水文地质资料对于建设矿井和开采具有重要意义，利用测井资料研究水文地质问题的优越性大，它可充分利用区内已有的测井曲线，对比分析含水层的层位、分布情况及其含水性，便于掌握整个采区的基本情况。视电阻率是煤田测井最先采用的参数，它不仅是岩煤层定性定厚参数之一，而且是解释渗透性地层砂岩体含水层的主要参数［15］。

研究以西二采区1煤顶板砂岩作为研究地层，讨论其赋水特性。结合勘探过程中岩层饱和度测试数据、钻孔视电阻率曲线等前期资料，利用Archie公式计算的采区岩层的含水饱和度分布图如图4所示。

图4 含水饱和度分布图

可以看出，采区1煤层顶板砂岩层段含水性具有差异，其中随着埋深增加其含水饱和度增加，采区下部岩层赋水性比上部要大，且在走向上局部具有分带差异性。1煤顶板砂岩含水组之间有泥质岩类隔水层间隔，而且断层带一般不含水，导水性也较弱，所以相互之间无水力联系。与上覆松散含水层和下伏太原组灰岩含水层之间，在自然状态下，无水力联系。对于采区深部含水饱和度高异常区域，在巷道掘进过程中已揭露证实，此结果还可为工作面回采过程中顶板水害防治提供参考。

3 结 论

（1）以淮南某矿1煤采区开采地质条件进行测井曲线精细分析试验研究，取得1煤层瓦斯含量、1煤层顶板厚砂岩层段赋水性以及力学性质评价等精细解释结果，室内岩石测试试验、现场实测数据、矿井生产揭露地质条件数据等综合验证表明，利用测井曲线单因素、多因素综合判断成果与实际测试数据之间具有良好的一致性。

（2）结合煤田勘探系统测井曲线现状，形成的煤田勘探测井曲线精细解释的方法具有一定的可靠性，该方法可为现有矿井曲线资料再利用、今后勘探曲线深入解释提供有效手段，为煤炭生产提供更多更为有效的地质信息。

（3）受数据条件限制，对于地质条件的精细判断还需结合所获得的多种地质信息综合分析，对于精细方法还需结合区域特点进行深入研究，进一步扩大其应用范围和效果。

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