基于地球物理测井的煤体结构识别及对煤层气开采的影响

张瑶，赵军龙

（西安石油大学地球科学与工程学院，陕西省油气成藏地质学重点实验室，陕西西安 710065）

0 引言

煤体结构主要分为原生结构（MJ-I）、碎裂结构（MJ-II）、碎粒结构（MJ-III）、糜棱结构（MJ-IV）4种类型（黄波，2018；张俊杰和赵俊龙，2019）。煤体结构三维空间的非均质性控制着煤层渗透率以及煤岩力学性质，是制约煤层气勘探开发的关键因素之一（侯世辉，2018），同时煤体结构还是多煤层煤层气勘探开发中主力产层优选及产层优化组合的关键约束条件，因此，精确识别煤体结构显得尤为重要（侯月华等，2016）。

前人研究表明，识别储层煤体结构的直接方法有生产矿井煤体结构实际编录，钻孔煤心描述和煤矿井下煤壁直接判识（傅雪海等，2003；张超等，2017），间接方法有地震反演和测井（王远等，2011；彭刘亚等，2013；彭苏萍等，2018），因直接方法资料不易获取，地震反演技术要求较高，近年来对于煤体结构的研究逐渐侧重在测井资料的基础上进行。傅雪海等（2003）开展了利用测井曲线划分煤体结构和预测煤储层渗透率的研究，陈粤强等（2017）开展了利用测井参数定量识别韩城矿区北区煤体结构的研究，陶传奇等（2017）开展了基于测井参数的煤体结构预测模型及空间展布规律的研究。这些研究工作为测井方法识别煤体结构研究奠定了重要基础。

该文针对不同煤体结构所表现出的不同测井响应特征，基于对现有成果认识的梳理，开展地球物理测井应用在预测煤体结构方面的综合分析。

1 煤体结构的定义、类型及对开发的影响

1.1 煤体结构的定义及类型划分

煤体结构指煤层在地质历史演化过程中经受各种地质作用后，煤体内部受破坏变形程度的特征，包含原生煤和构造煤两大类，其概念伴随着构造煤的概念演化，是煤体变形的一种特征表述（黄波，2018）。

构造煤按照其结构及物性参数、成因、宏微观变形特征及变形机制和变形环境被划分为2～10 类不等，随着研究的逐渐深入，中国在2013 年首次颁布《煤体结构分类》国家标准，分别从宏观煤岩类型可辨识度层理完整性、煤体破碎程度、裂隙及揉皱发育程度、手试强度等方面进行了分类，分为原生结构（MJ-I）、碎裂结构（MJ-II）、碎粒结构（MJ-III）、糜棱结构（MJ-IV）4 种类型，但研究者在实际工作中常因研究区域和研究目的不同而将构造煤划分成不同的类型，如张坤鹏等（2016）在研究新景煤矿3 号煤层煤体结构时依据测井曲线识别的精确度以及实际工作的需要将煤体结构类型按照破坏程度划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三大类；李剑等（2017）在研究渭北区块煤体结构测井评价及其在射孔段优化中的应用时因研究区糜棱煤所占比例极小，煤质松软，不利于煤层气的开发，仅将其煤体结构划分为原生结构煤、碎裂煤和碎粒煤3 类。虽然煤体结构的划分迄今为止还没有完全统一，但已经逐渐向2013 年颁布的国家标准靠拢。

1.2 煤体结构对煤层气开采的影响

煤体结构对煤层气开采影响较大（冯立杰等，2017），研究表明，煤体结构的构造变形在微观上造成了孔裂隙分布特征、渗流能力以及煤层气吸附、扩散能力发生变化，导致煤储层非均质性增强，增大了煤层气开发难度（滕娟，2016）（表1）。

（1） 井壁稳定性

胡奇等（2014）在研究沁南地区煤体结构对煤层气开发的影响时发现：煤体结构越破碎，井壁稳定性越差，井径、抽采孔钻屑量越大，碎粒煤及糜棱煤发育处，井筒周围形成厚层的水泥环，甚至导致砂堵等工程问题，在排采过程中，煤层水及煤层气均有携带煤粉的能力，易造成排采通道的堵塞等。

（2） 孔裂隙分布特征

原生煤很少有裂隙发育，主控孔隙类型为微孔（孔径小于2 nm 的孔隙）和过渡孔；碎裂煤的主控孔隙类型为中孔（孔径为2～50 nm 的孔隙）和大孔（孔径大于50 nm 的孔隙）；而糜棱煤在经历了塑性剪切作用后，中孔、大孔和裂隙比例迅速降低。不同煤体结构储层裂隙发育的差异性主要集中在裂隙连续性方面，随着煤岩破碎程度的增加，煤储层裂隙连续性降低（Li et al.，2012；滕娟，2016；侯世辉，2018）。

（3） 渗透性

渗透率是评价煤储层渗透性的关键指标（叶桢妮等，2019），是影响煤层气解吸、运移和开发的一项重要参数（赵军龙和池佳玮，2019）。煤体结构对煤层气开采的影响主要表现在对煤层气渗透率的控制作用以及对煤矿安全的危害作用（滕娟，2016）。不同煤体结构煤层颗粒大小、形态及相互关系控制了煤储层孔隙度和孔隙结构特征，进而控制着渗透率的变化（黄波，2018）。煤体结构对原煤渗透率的影响研究开展较少。钟玲文等（2004）研究发现在有碎粒煤和糜棱煤发育的煤层，煤体结构对煤层渗透性的影响大于裂隙发育程度的影响，成为控制渗透性的首要因素；吕闰生等（2012）对焦作煤田的构造煤进行了渗透率测试，结果表明渗透率与不同煤体结构关系曲线近似呈正态分布，先是呈级数增大，随后呈级数减小。

（4） 气体吸附解析能力

宋晓夏等（2013）在研究中梁山南矿构造煤吸附孔分形特征时发现：构造变形越强烈，孔表面积越大，微孔含量越多，孔隙结构非均一性越强，气体吸附能力越强。原生结构煤储层气体扩散能力最弱，碎粒煤储层气体扩散能力最强，碎裂煤储层气体扩散能力介于原生结构煤储层和碎粒煤储层之间（侯世辉，2018）。

2 基于地球物理测井的煤体结构判识

识别储层煤体结构最直接的方法是生产矿井煤体结构实际编录，钻孔煤心描述和煤矿井下煤壁直接判识，但井巷编录对未采区的资料无法获取，钻井取心则常因构造煤松软，采取率低，以及井下条件限制，煤体结构难以描述（傅雪海等，2003；张超等，2017）。基于不同煤体结构的物理性质不同，利用叠前地震反演信息得到的多种弹性参数可以进行煤体结构的有效划分（彭苏萍等，2008；王远等，2011；彭刘亚等，2013；彭苏萍等，2018），但同步反演对地震资料的AVO 处理环节要求高，同时还存在反射振幅的恢复与保持、入射角度换算等技术问题。前人研究结果表明，地球物理测井技术是判识煤体结构的可靠技术手段（傅雪海等，2003；陈萍等，2014），最为经济高效且有较高的精度（Thomas et al.，2016），煤体物理和化学性质差异使得煤体结构与测井响应具有良好的对应关系（Teng et al.，2015，2016）。因此，可基于不同煤体结构具有不同测井响应特征，结合钻井取心数据进行对比分析，最终实现煤体结构预测。

2.1 多种测井方法判识煤体结构的机理

前人的研究成果表明，预测煤体结构，要以不同煤体结构具有不同测井响应特征为基础，结合钻井取心数据进行对比分析。不同煤体结构间存在着物性差异，这些差异在各地球物理测井上会产生不同响应特征，从而为测井参数预测煤体结构提供理论依据，其判识机理及同一煤田同一煤层在相同变质程度情况下不同煤体结构曲线特征见表2（姚军朋等，2011；陈跃等，2013；滕娟，2016；陈晶等，2017）。

基于测井曲线的煤体结构预测主要依据煤体结构物性差异而引起的电性、放射性、声波时差等差异，其差异反应在测井曲线形态和幅度上。井径、声波、密度、中子测井对识别煤体结构效果较好，电阻率测井次之，随煤体结构破碎程度加深，自然伽马测井值在各区块增减趋势不同，但在同一区块内变化稳定且幅值变化较为明显。

2.2 煤体结构类型定性判识方法

利用测井曲线划分煤体结构是根据不同煤体结构具有不同测井响应特征而判识。测井曲线中井径测井曲线对于构造煤最为敏感，应用也最广（张超等，2017）。乔伟等（2010）采用单一的井径曲线，以0.5 m 为尺度分析了井径与煤体结构的对应关系，结果表明原生煤和碎裂煤对应的井径变化较小，而碎粒煤和糜棱煤的井径扩张表明井径曲线幅值在原生煤与碎裂煤处表现为低幅值，而在碎粒煤处表现为高幅值，定性判识了煤体结构。考虑到影响测井曲线的因素较多，在利用测井信息判识煤体结构类型的研究中，为提高准确性，大都采用多种测井手段定性判识。

许启鲁等（2016）对比了柿庄北地区原生煤和构造煤的测井幅值，结果表明构造煤对应了自然伽马和电阻率幅值低，声波时差、井径幅值高等测井响应特征。滕娟（2016）统计了沁水盆地南部煤体结构对应自然伽马、深侧向电阻率、密度测井响应的曲线形状、幅值范围和平均幅值，表明随着煤体结构破碎程度的增强，深侧向电阻率幅值增大，自然伽马和密度测井幅值减小，测井曲线的变化更加显著。

经过文献调研发现，在各区块判识煤体结构过程中，随煤体结构破碎程度增大，井径、声波时差、补偿中子测井值增大，密度测井值减小趋势稳定；电阻率测井值大都减小，只在傅雪海等（2003）研究的安微淮南、淮北煤田，滕娟（2016）、侯月华等（2016）研究的沁水盆地安泽区块，因无烟煤颗粒比表面积增大，吸附和保存了更多的煤层气，导电能力减弱，显示电阻率测井随煤体结构破碎测井曲线幅值增大。各地区随煤体结构破碎程度加深，自然伽马测井值受煤体杂质或含放射性元素的地层水影响程度不同（姚军朋等，2011），曲线幅值变化不同。

尽管煤体结构的定性判识方法已取得一定成果，但其精度远达不到勘探开发的需求，因此急需建立煤体结构的定量判识方法。

2.3 煤体结构类型定量判识方法

前人的研究多停留在通过观察和统计测井曲线的形态和幅值来评价煤体结构的类型的定性评价阶段，但随着煤与煤层气勘探开发技术的进步，定性判识已远达不到煤层气现场勘探开发的需求。因此，有必要建立煤储层煤体结构的定量判识新方法，有效提高煤体结构判识的准确性。经文献调研发现利用测井曲线定量判识煤体结构的方法主要有如表3所示4 种方法。

表3 所列方法均能有效定量识别煤体结构，且准确度在定性分析的基础上大大提升，但都具有一定的局限性，或对测井资料的要求较高，或区域性质明显，参数不易确定等。通过对比发现构造煤体结构指数法、补偿中子-井径和补偿中子-声波时差交会图结合法两种方法采用了对煤体结构变化更为敏感稳定的密度、声波时差、井径和补偿中子测井曲线，更具有普适性，其中构造煤体结构指数法能划分出3 种煤体结构，相对来说精度更高。

3 实例分析

姚军朋等（2011）对某地区6 井用构造孔隙结构指数m法进行煤体结构定量判识，划分出Ⅰ类（原生结构煤）、Ⅱ类（碎裂结构煤）和Ⅲ类煤（碎粒和糜棱结构煤），判识精度在85%左右。笔者在该井使用谢学恒和樊明珠（2013）提出的构造煤体结构指数n法（n=），结果如图1 和图2 所示，以n＜600 为原生结构煤，600＜n＜800 为碎裂结构煤，n＞800 为碎粒和糜棱结构煤作为划分标准，判识结果准确度可达到90%。

图1 某地区6 井煤体结构指数特征

图2 某地区6 井煤体结构的测井响应及煤体结构指数曲线特征（黑色部分为原生结构煤）

表3 利用测井曲线定量判识煤体结构方法

4 结论

本文梳理了划分煤体结构的方法、煤体结构对煤层气开采的影响、总结了基于地球物理测井资料定性和定量判别煤体结构的方法。

（1） 煤体结构目前多划分为原生结构（MJ-I）、碎裂结构（MJ-II）、碎粒结构（MJ-III）、糜棱结构（MJ-IV）4 种类型，对煤储层渗透率及井壁稳定性等均有影响，从而影响对煤层气的开采。

（2） 井径、声波、密度、中子测井对识别煤体结构效果较好，电阻率测井次之，随煤体结构破碎程度加深，自然伽马测井值在各区块增减趋势不同，但在同一区块内变化稳定且幅值变化较为明显。

（3） 煤体结构定性判识利用常规测井信息分层划分，随着煤与煤层气勘探开发技术的进步，已远达不到勘探开发的需求，定量判识则在常规测井信息的基础上采用构造指数法、交会图法、多元线性回归法等其他方法，为未来煤体结构研究方向。