韩城北区煤层结构的测井响应特征

赵希正

(中国煤炭地质总局勘查研究总院 北京 100038)

1 研究区概况

1.1 研究区位置及范围

研究区位于韩城矿区的东北部，桑树坪煤矿之西北侧深部，黄河西岸，行政区划隶属陕西省韩城市管辖。范围由6个坐标点闭合，区内主要煤矿位置及范围如图1-1所示：

1.2 区内以往勘探资料

目前研究区内搜集的煤田勘探资料共有43个钻孔地质资料，其中王峰矿29个，兴隆矿6个，盘龙矿8个。王峰矿无煤田勘探测井资料，兴隆矿与盘龙有常规煤田测井综合柱状图，无测井原始数据。

煤层气勘探孔25个，资料较全，钻孔主要分布在王峰矿区，可作为本区煤层气评价的主要资料来源。

1.3 区内主要煤层

依据韩城矿务局2010年《王峰井田煤炭资源勘探地质报告》及兴隆矿区和盘龙矿区部分资料表明这些矿区内，3号煤层、11号煤层是较稳定的主要可采煤层，可作为整个区内煤层气调查的主要目的层。3号煤层与11号煤层为-西北倾向单斜地层，倾角4-5°左右，在东北部较大，最大达14°左右，存在宽缓的波状起伏，未发现断层。在西部及东北部存在东西走向的向斜构造。

3号煤层距11号煤层41.46 m～80.66 m。

3号煤层钻孔揭露埋深463.35 m～1438.9 m。

11号煤层钻孔揭露埋深528.74 m～1488.3 m。

3号煤层厚度0.55 m～9.1 m。

图1 韩城北区主要矿区示意图Figure 1 A sketch of main coalmine areas in Hancheng north area

11号煤层厚度0.85 m～10.1 m。

2 北区煤层结构的测井响应特征

本区主要煤层3煤与11煤，均属于变质程度高的无烟煤与贫煤，测井资料显示煤层结构变化较大。有些钻孔揭露的3号煤、11号煤在层内结构也有较大的变化。能有效反应煤层结构的测井参数主要为：

2.1 声波时差Δt

测井中Δt代表纵波在岩石中每传播1 m所需用的时间Δtp=1/VpΔtp为纵波时差、单位为μs/m，Vp为纵波速度。

在同一成煤地质条件下的同一煤层，如果煤层原生状态没有被破坏，则它的纵波速度是大致相同的。(煤体的各向异性，产生纵波速度小范围的变化)。如因外力作用而煤体结构发生变化，煤体产生破碎、粉碎，则煤层的非弹性特征增强，力学强度变弱。同时被破坏的煤体内产生的裂隙就会被油、气、水等物质填充，这些游离态的充填物的纵波速度远远低于骨架体煤的速度，引起煤层的整体波速降低，Δt值增大。

由威利时间平均公式：Δtp=Δtma(1-Φ)+ΔtfΦ(式中Δtma为岩石骨架的纵波时差，Δtf为裂隙孔隙中流体的纵波时差，Φ为裂隙孔隙度)

可以看出，煤层中当Δtma与Δtf一定时Φ越大Δtp越大，证明煤体结构破坏程度越大，纵波时差DT值越大，声波传递中的能量衰减越大。

2.2 双侧向LLD、LLS

双侧向电阻率测井具有较高的纵向分辨率。

深侧向LLD的探测深度大于浅侧向LLS，它主要反映井壁以外岩体的视电阻率而浅侧向主要反映井壁浅部冲洗带的视电阻率。

一般情况下，如果岩石以垂直裂隙为主，不管裂隙张开度如何变化，双侧向均呈现正幅值差特征(LLD大于LLS)随张开度的增大，LLD与LLS的幅值差线性增大。

如果岩石以水平裂隙为主，当裂隙内充入流体电阻率值较小时(一般井液矿化度高于地层裂隙水的矿化度，电阻率值很小)深浅电阻率响应均很小，裂隙流体电阻率的减小会导致LLS大于LLD，用LLD与LLS的相对大小可判定岩层的渗透性能与裂隙发育情况。

不同煤体结构的LLD测井响应：

在变质程度相同的同一煤层，LLD视电阻率的大小主要由煤体结构，裂隙充填物的电阻率及井径大小来决定，一般情况下，煤体结构对视电阻率值影响较大，煤体破坏程度越大，其渗透性能越强，煤体内形成的导电网络越发育，使煤层的视电阻率值下降越快。但井径大小对LLD值的影响也很突出，由于探头上的供电电极A、B与测量电极M、N的外径尺寸是一定的，在相同井径的情况下，电极到井壁的距离是相等的，所以井液对LLD值的影响是相同的，当井径变大时，导致电极到地层距离的增大，使LLD值减小，煤层的扩径是无规则的，这种影响也是较复杂的，一般表现为井径越大，LLD值越小。

2.3 双井径CALX、CALY

双井径是测量钻孔在X、Y不同方向上的直径大小，煤层破碎严重，整体煤层松散，当煤层遇钻后将产生扩径，扩径的大小与煤体的破碎、松散程度有关。如煤层呈块状、碎块状结构，在钻进过程中，将发生掉块，这种掉块扩径会产生井径X、Y方向上的扩径大小不同，即双井径测量值大小不同。如煤层呈粒状、粉状结构时，在钻进过程中，将发生坍塌，这种坍塌一般呈现双井径同步扩径，扩径范围较大,有时井径也会产生x,y方向上的不对称现象。

2.4 密度DEN

根据不同密度岩石对入射伽玛射线的散射和吸收能力不同的原理，来测量研究岩石的密度。

目前使用的密度探头都带有定向推靠装置，测量结果基本上不受井径大小的影响，对不同密度地层具有较高的分层能力，是煤层分层定厚的一种重要参数。

利用韩城北区25个孔煤层气综合测井的原始数据提取以上测井参数的原始数据。以WLC13孔3号煤与WLC25孔11号煤为例绘制煤层与煤层顶底板的测井曲线柱状如图2、图3，图中可明显的看出不同参数的测井曲线在煤层及岩围上响应特征。

图2 WLC13三煤CAL、DEN、DT、GR曲线Figure 2 WLC13 coal No.3 CAL, DEN, DT and GR traces

3 煤体结构的划分

对区内每个煤层气勘探钻孔的3号煤11号煤层的测井参数DT、DEN进行统计，统计出各煤层的层内常见值及各围岩层常见值绘制交会图如图4：

从图可以看出，各类岩性地层在图版中的位置差别比较明显，显示了围岩层与煤层之间明显的物性差异，能使煤、岩划分和分层定厚准确无误。

从图上看出，煤层的主要围岩：灰岩、砂岩、泥岩的密度(ρ)值范围在2.0～2.8g/m3。声波时差值范围(Δt)在110～240μs/m。其表现特征为：DEN值在灰岩、砂岩、泥岩上主要集中在2.4～2.7g/m3。DEN在2.4以下证明岩层有可能破碎。

Δt值在灰岩上最小，砂岩中等，泥岩最大，灰岩主要集中在155～160μs/m，砂岩主要集中在190～220μs/m，泥岩主要集中在220～240μs/m。如果各岩层的Δt值大于各自的范围证明岩层有可能破碎。

煤层DEN值范围在1.15～1.45(g/m3)。

Δt值范围在360～580μs/m。

其表现特征为：DEN值在煤层上主要集中在1.2～1.4g/m3。

Δt值煤层主要集中在400～450μs/m。如果煤层的Δt值大于这个范围证明煤体结构有可能发生变化，Δt在越大煤体结构的破坏程度越大。可根据煤层的Δt值的大小范围来确定煤体结构的类型。本区内煤体结构划分为四个类型分别为：Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类。

4 煤体结构的解释原则

对煤层结构的 划分是在统计分析北区煤层气综合测井的原始数据资料的基础上，结合本区的实际情况，来划分解释煤层结构的，解释原则如下：

①目前，国内外声波测井大多数采用单发双收装置，即一个发射换能器，两个接收换能器，它们相互间的距离是固定的，测量纵波通过井壁到达两个接收器的时间之差，即Δt来反应地层对纵波的传播速度，这样就自动消除了井径大小对测量值的影响，所以Δt在判定煤层结构中不受井径影响。由于是机械波传播，不受煤层变质程度，裂隙、孔隙水矿化度的影响。但当煤层厚度小于2倍的源距(声波发射器与接收器的最大距离)时，煤层的Δt将由于顶、底板相对高速地层的影响而变低，所以厚度小于1.5 m的煤层，测井所测得的Δt小于实际值，在解释中需要注意。

②视电阻率的测量是供电极系与测量电极系通过井液偶合到井壁，则井液电阻率及井径大小对视电阻率的测量产生较为复杂的影响。煤层的变质程度不均影响也会很大。

图3 WLC25十一煤CNL、CAL、DEN-MSFL、DT-LLS、LLD曲线Figure 3 WLC25 coal No.11 CNL, CAL, DEN-MSFL, DT-LLS and LLD traces

图4 DT-DEN交会图Figure 4 DT-DEN crossplot

③双井径在煤层上的扩径大小虽能反映煤层的破碎、松散程度，但受泥浆护壁程度的影响，特别是较薄的煤层和含有夹层的煤层更为突出，遇煤后的钻进时间长短对扩径也有一定的影响。

综上所述，相比而言，Δt在解释煤层结构中影响因素相对较少，所以本区煤层结构的定性解释原则是以Δt为主，结合深浅侧向视电阻率曲线、双井径曲线、及密度曲线(主要用来划分煤层厚度与夹层)进行综合分析研究，用本区已知钻孔的取心煤样进行校对，取心煤样如5图示：煤体结构以粉煤与碎粒煤为主，块煤次之。

对Δt所对应的煤体结构大致划分为Ⅳ类：

块状、含碎块—Ⅰ类，Δt小于390μs/m；

碎块、含碎粒—Ⅱ类，Δt在390～420μs/m；

粒状、含粉状—Ⅲ类，Δt在420～470μs/m；

粉状—Ⅳ类，Δt大于470μs/m。

(以上对DT值的划分仅限于本区，数值上无通用性。但从纵波在岩介质中的传播原理来讲：纵波在煤岩中传播速度与其结构特性具有很好的相关性)。对研究区不同煤体结构的划分结果进行赋值，绘制北区三号煤层与十一层的煤体结构平面分布图，如图6、图7。

由图中可以看出： 三号煤层与十一号煤层的煤体结构的分布特征基本相似。在区内的中东部有小面积的Ⅰ类结构分布，其余大部分面积为Ⅱ、Ⅲ类结构分布区。在区内的东南部及西北部以Ⅲ、Ⅳ类结构为主。

图5 韩城北区煤体结构Figure 5 Coal mass structures in Hancheng north area

图6 北区3号煤层煤体结构平面分布图Figure 6 Coal No.3 coal mass structures planar distribution in Hancheng north area

图7 北区十一层的煤体结构平面分布图Figure 7 Coal No.11 coal mass structures planar distribution in Hancheng north area

5 结论及认识

5.1 不同的煤体结构具有不同的测井曲线响应特征

①Ⅰ类煤体结构(块状为主)。Δt曲线幅值最大值小于390μs/m。曲线形态在煤层段异常平滑，局部波动较小。LLD曲线幅值相对较高，最大值一般大于800Ω·m(相对为高值，但具体数值变化范围较大)曲线形态在煤层顶底界面急剧变高，异常最大值呈尖峰状。CALX、CALY曲线扩径值较小，一般井径值扩大小于10cm，曲线形态为缓波浪状，CALX、CALY幅值有一定差异。

②Ⅱ类煤体结构(碎块状为主)。Δt曲线幅值大致在390～420μs/m。曲线形态在煤层段幅值呈波浪状变化。LLD曲线幅值在煤层段波动较大，大于500Ω·m(但在不同钻孔最大值变化范围很大)。CALX、CALY曲线扩径较Ⅰ类稍大。曲线形态为缓波浪状，CALX、CALY幅值有一定差异。

③Ⅲ类煤体结构(粒状为主、)。Δt曲线幅值大致在420～470μs/m。曲线形态在煤层段幅值平稳有小幅宽缓波动。LLD曲线幅值在Δt范围相同的不同钻孔中变化范围较大无一定规律(可能为煤的变质程度不同所致)。CALX、CALY曲线扩径较大，在厚煤层一般扩径值大于20cm，薄煤层扩径相对较小，曲线形态CALX、CALY基本同步变化，煤层中部幅值相对较大。如WLC25号孔，十一煤测井曲线解释图所示。

④Ⅳ类煤体结构(粉煤为主)。Δt曲线幅值最大值大于470μs/m.曲线形态在煤层段幅值平稳，有小幅宽缓波动。LLD曲线幅值在DT值范围相同的不同钻孔中一般变化范围在几十Ω·m到500Ω·m。曲线形态在煤层段呈破浪状或小幅宽缓波动形态。CALX、CALY曲线在煤层段扩径严重，基本到量程最大值，曲线在最大值时呈一条直线。

5.2 煤层顶底板岩层结构的测井曲线响应特征

本区对煤层顶底板岩层结构的解释划分是主要以井径曲线CAL、声波差曲线Δt、深侧向视电阻率曲线LLD为依据。

一般情况下如岩层无裂隙、无破碎、掉块现象，则DT与LLD曲线呈平缓形态，其幅值大小为本区岩性所对应的DT与LLD值(见骨架岩层参数表)。CAL曲线无扩径反应，如岩层存在裂隙，则DT值产生波动，LLD幅值变低，CA曲线无扩径反应。若岩层产生破碎或掉块，则DT与LLD值波动幅度增大，这时CAL曲线产生波动，波动越大，岩层破碎掉块程度越大。对煤层顶底板的完整性解释，可根据以上三条曲线的异常相对大小来划分的。

对煤层结构及顶底板岩层结构的定性解释,深侧向LLD视电阻率值的划分应是一个相对大小概念，由于本区视电阻率变化范围很大，不能排除煤变质程度不均及井径所引起的变化。对双井径CALX、CALY值的划分，同样不能排除施工条件所产生的变化。主要参数Δt值，结合以上三种参数进行综合分析研究，对煤层结构的定性解释应该是合理可行的。

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