基于不同测井曲线的煤体结构识别——以大同煤田塔山矿为例

段宏跃，段宏飞，谢卫东

(1.山西煤炭地质物探测绘研究院，山西 晋中 030600；2.大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037000；3.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

煤体结构是指煤层自形成以来经地质构造破坏后煤的结构和构造保留程度，根据煤体受地质构造破坏后的结构特征，煤体结构分为原生结构、碎裂结构、碎粒结构和糜棱结构4种类型[1-2]。煤体结构是煤层勘探、开采和煤层气勘探开发的关键限制条件之一，因此识别煤体结构对于煤层开采及煤层气优化具有重要意义。地球物理技术是识别煤体结构的重要方法，包括井径测井值、声波时差值、补偿中子、补偿密度、自然伽马、三侧向测井和密度测井等技术，并取得了重要的研究进展[3-5]。煤田测井技术能够实现煤岩体地质结构特征的三维反映，该方法适用于宏观煤体结构的分类等，如煤层发育层数和对应埋深、各煤层煤厚及煤层结构复杂程度，也适用于煤岩体物理参数的获取，如煤岩孔-渗参数、油气储集层压力系数、地温梯度特征等，目前煤田地质学领域已将其视为详查和勘探阶段最为重要的技术手段之一[6-7]。龙王寅等[8]基于两淮煤田的不同类型测井曲线特征研究，得出一套煤体结构解释方法；徐光波等[9]通过钻孔岩心及测井特征研究，定性识别出煤体结构特征；姚军朋等[10]以孔隙结构指数m为评价指标，定量识别了构造煤的煤体结构特征；谢学恒等[11]将煤体结构指数N作为评价指标，定量识别煤体结构发育特征；尹欢等[12]通过三维地质建模，基于测井结果综合评价了构造煤发育特征。

大同煤田塔山矿位于华北地台，受加里东期、海西期、印支期、燕山期和喜马拉雅期多期次构造改造叠加，盆地由海相沉积逐步转变为陆相沉积，构造-沉积响应特征较为复杂，总体而言，该含煤盆地的构造类型多样，煤体受损程度严重。而煤炭资源开发前，对煤体结构、区域煤岩类型的精准研究是煤矿工作部署必不可少的前期工作。但当前对于塔山矿煤体结构的综合评价、构造煤的发育特征和控制因素的研究尚属空白，亟须综合整合及利于基础地质资料进行深入探究。故而，本文以大同煤田塔山矿3～5号煤层为研究对象，统计了研究区内50余口钻孔数据，以钻孔岩心井径测井值、声波时差值、补偿密度、自然伽马、三侧向测井和密度测井结果为研究依据，绘制了测井曲线，以交叉学科理论为研究思路，基于前人总结出的评价方法，以及各测井方法所得结果与煤体结构的对应关系，分别定性和定量评价了研究区3～5号煤层煤体结构特征，旨在厘清研究区煤体结构发育规律和构造煤的发育特征以及平面展布特征。

1 构造煤的地球物理特征

构造煤一般是指煤岩体沉积成煤后经构造作用产生相应的形变，并形成了一系列的结构和构造(图1)。构造煤和原生结构煤之间差异明显，于宏观结构、物理特征、化学特征，包括微观原子特征等均具有明显差异性。因此，可借助构造物理特征差异，应用测井技术能够识别构造煤。本次研究基于构造煤物理特性出发，参考构造煤物理差异性特征和前期试验测试结果等，全面分析构造煤在不同测井技术应用条件下的测井曲线特征以及对应煤体结构。

图1 不同煤体结构煤样手标本

(1)密度差异性特征：构造煤为原生结构煤改造形成，煤岩体中宏观-微观尺度的孔-裂隙对应发育，孔隙度对应增加，密度变小。即认为同类煤岩中，构造煤密度明显小于原生结构煤的。

(2)介质传播差异性特征：相对于原生结构煤，构造煤具有低胶结程度、低密度和高孔隙度特征，以致构造煤中声波的传播速度明显低于原生结构煤，震动波的传播是通过煤岩体的震动完成，完整的煤岩中震动波折射次数相对较少，若煤体结构较为破碎导致折射次数增加，若以声波时差表征，则在构造煤中，其值相对于原生结构煤较大。

(3)自然伽马测井特征：构造煤与原生结构煤之间的自然伽马值较为接近，说明地质运动改造对于自然伽马值的影响微弱；局部区域煤层中或煤层地下水元素地球化学特征的差异性使煤岩体自然伽马值存在较大跨度。

(4)中子测井特征：该方法基于煤岩体中氢原子差异性实现煤体结构识别，煤岩中低含水或不含水的条件下，氢原子含量接近，无明显差异，中子测井技术难以有效识别煤体结构特征；若煤岩体含水率较高或水饱和条件下，上文提及构造煤中孔-裂隙较为发育，含水量明显高于原生结构煤的，导致了氢原子含量也相应增高，对应中子测井值差异明显。

(5)井径的变化：相比于原生结构煤，构造煤存在扩径现象，煤体越破碎，测井曲线的扩径特征越明显。

(6)电阻率差异性特征：上文已分析得出同类煤岩体中，构造煤破碎程度大，孔隙度增大，含水能力变强，钻孔扩径现象明显，导致了煤岩的电阻率明显减小，煤岩体的改造程度越高，越破碎，对应的视电阻率下降幅度越大。

2 研究依据与方法

众多学者总结出了一套成熟的煤体结构评价标准与评价方法，利用交叉学科知识解决地质问题，其中以数学和地球物理学的结合成果最为显著[13-16]。基于钻孔实测数据，包括井径测井值、声波时差值、补偿密度测井值、自然伽马测井、三侧向测井和密度测井等，由实践经验与测试分析得出了各个参数之间的地质联系，以及参数与煤体结构间的对应关系[13-16]。

谢学恒等[11]研究得出，煤体结构指数N可应用于煤体结构识别，计算式为

N=(CAL×DT)/(100×DEN2)，

(1)

式中：N为煤体结构指数，无量纲；CAL为井径测试结果，cm；DT为测井声波时差值，μs/m；DEN为补偿密度测井值，g/cm3。

当平均煤体结构指数N小于50且多数小于40时，可视为原生结构煤；N大于60且多数大于80时，可视为碎粒-糜棱煤；碎裂煤与碎裂-碎粒煤为过度阶段煤，二者差异不大，即N小于70的视为碎裂煤，而N大于70的视为碎裂煤碎裂-碎粒煤。

原生煤所占该煤层厚度的比例A反映煤体结构破坏程度，

(2)

式中：A为原生结构煤比例；d1为煤层中原生结构煤厚度，m；d为该煤层总厚度，m。

一般认为，当A≤20%时，煤体受构造影响很大，煤体结构以碎粒-糜棱煤为主；20%60%时，煤体受构造影响很小，煤体结构以原生结构煤为主。

3 结果与讨论

3.1 基于煤体结构指数的煤体结构解释

上文分析了构造煤与原生结构煤测井曲线的差异及对应控制机理，基于此，应用测井曲线反映的煤岩体密度特征、孔隙度特征、含水率特征和钻孔扩径特征等对煤岩类型和煤体结构特征进行划分。煤岩体的沉积特征控制着岩层中放射性元素类型和含量，一般而言，煤层具有自然伽马特征，判别标识明显；煤层的密度值一般介于1.25～1.75 g/cm3，煤层围岩的密度一般高于2.3 g/cm3，远高于煤层。此外，测井密度特征也可表征煤层结构复杂程度，识别出煤层中的夹矸；构造煤发育区域的钻孔扩径现象明显，井径测井值远高于原生结构煤发育区域的。

首先，根据测井曲线区别煤层与其他岩体，其次，聚焦于煤层内，基于煤体结构指数计算结果，完成煤体结构识别和分类工作。结合大同煤田塔山矿20余口取岩心钻孔、测井结果进行煤体结构识别，对比煤岩手标本观测结果，原生结构煤层段的平均煤体结构指数均<50，相对而言，构造煤层段的平均煤体结构指数>50，由此可判别原生结构煤和构造煤，具体数据参考表1。

由表1可知，碎裂煤层段的煤体结构指数为55.7～70.8，平均69.2；碎裂-碎粒煤的煤体结构指数为57.9～78.1，平均70.4；二者在煤体结构曲线上处于原生结构煤与糜棱煤之间；碎粒-糜棱煤的煤体结构指数为54.5～80.6，平均76.7。

表1 大同煤田3～5号煤层煤体结构及其他岩类测井特征

具体应用时，原生煤与构造煤易于区别，当煤层段平均煤体结构指数<50，同时，大多计算点位煤体结构指数<40，将此区段划分为原生结构煤；当煤层段平均煤体结构指数>60，同时，且有存在一定量的计算点位煤体结构体数>80，将此区段划分为碎粒-糜棱煤；碎裂煤与碎裂-碎粒煤为过渡阶段煤，二者差异不大，可认为平均煤体结构指数<70的为碎裂煤，而平均煤体结构指数>70的为碎裂煤碎裂-碎粒煤。

由于受地质作用影响，煤层的破坏程度增大，煤体孔隙度增大，密度减小，声波的传播速度减慢，从大同煤矿两口井的测井曲线看，研究区3～5号煤层在测井曲线上具有高电阻率、高声波时差、高井径，低自然伽马值、低密度的特征，一般将其简称为“三高两低”，围岩曲线的区别较大，易于识别(图2)。表明煤体结构与电阻率、声波时差、井径，自然伽马值、密度等测井参数存在着一定的相关性。

图2 塔山矿ZK3钻孔3～5号煤层测井曲线特征

大同煤田塔山矿ZK3号钻孔3～5号煤层测井曲线如图2所示，共分为6层，夹矸5层，煤层中部受岩浆岩侵入影响部分变质为天然焦，可见煌斑岩。煤层相对复杂，煤体结构指数为29.2～84.9，平均68.7，整体处于碎裂煤与碎裂-碎粒煤过渡阶段，顶底两煤层为原生煤，未见糜棱煤。

3.2 不同结构煤体平面展布特征

不同煤体结构类型对于矿井开采过程中施工布置，机械设备的应用等有一定的指示作用，确定井田的煤体结构区域性分布特征对矿井工作效率意义重大。本次研究共收集大同煤田塔山矿50余口钻孔岩心和测井资料，基于煤体结构指数法分别计算了3～5号煤层煤体结构分层特征和厘清了煤层厚度分布特征。在区域煤体结构可视化分析过程中，通过原生煤在3～5号煤层中的厚度比例系数A表征煤体结构的完整性，当A≤20%时，认为受构造影响很大，认定该区域的煤层主要为碎粒-糜棱煤；当20%﹤A≤40%时，认定该区域中煤层主要为碎裂-碎粒煤；当40%﹤A≤60%时，认为煤体结构整体以碎裂煤为主；当A>60%时，认为受构造影响很小，认定煤体结构整体以原生煤为主。

在大同塔山矿区共收集31口钻井、测井资料，通过上述方法划分了3～5号煤层煤体结构分层及厚度，结合区域构造的主要发育位置及井下煤体结构观察，绘制了塔山矿3～5号主采煤层煤体结构平面分布图(图3)。由图3可知，大同塔山矿区3～5号主采煤层煤体结构相对比较复杂，受构造运动影响较大，整体呈现“中间构造煤发育，四周原生煤发育，构造煤以碎裂煤为主，见碎粒-糜棱煤发育”特征。

图3 塔山矿3～5号煤层煤体结构平面展布特征

通过对比研究区煤体构造发育特征，发现3～5号煤层煤体结构特征明显受构造发育规律控制(图4)。图3中存在几处碎粒-糜棱煤和碎裂-碎粒煤发育区，而相对构造纲要图中，正是构造复杂区，具体而言，构造煤发育的区域内断裂构造及褶皱极为发育，断裂密度高，延伸长度大，褶皱所造成的地层平面变形复杂，且不同断裂和褶皱间的构造交点多，地层破坏严重，导致了原生煤体破碎，进而形成了破碎的构造煤，总体而言，构造越复杂，煤体结构越破碎。而原生煤，即原生结构煤主要发育于研究区边缘区，对比构造纲要图，发现区域内构造稳定，大型断裂即褶皱发育较少，甚至不发育断裂，因此构造简单，地层及煤层保存条件较好，大部分为原生结构煤。

图4 塔山矿构造纲要简图

研究区太原组3～5号煤层，为三大成煤期之一的石炭-二叠系煤层，研究区地处华北克拉通内，阴山—燕山纬向构造带南部。自石炭-二叠系3～5号煤层形成以来，研究区先后经历了海西期、印之期、燕山期和喜马拉雅期构造运动，多其构造作用叠加，形成了目前研究区的构造格局，对应形成了当今的3～5号煤层煤体结构分布特征。塔山矿勘探和采掘过程中工程布置参考3～5号煤层煤体结构特征展布规律，可大大降低施工过程中卡钻、漏水等发生概率，有效提高开采效率和安全性。

4 结 论

(1)建立了大同煤田塔山矿3～5号煤层煤体结构及其他岩性的敏感测井曲线响应范围表，并对应计算了煤体结构指数N和原生煤比例A。并通过计算煤体结构指数N，划分了原生结构、碎裂结构、碎裂-碎粒结构和碎粒-糜棱结构4类煤体结构类型。

(2)通过塔山矿特征钻孔的测井曲线分析，发现3～5号煤层在测井曲线具有高电阻率、高声波时差、高井径，低自然伽马值、低密度的特征，围岩测井曲线的特征区别明显。原生结构煤发育于井田周围，受构造影响较小，而中部煤体破碎严重，尤其是雁8，W903和T401孔周围最为严重，为碎粒-糜棱岩。

(3)研究区构造煤发育及展布特征明显受构造作用控制，煤体结构破碎区对应了构造复杂区，而周边及局部构造简单区，3～5号煤层煤体结构则以原生煤为主。这表明构造规模、延伸特征、构造交点分布等严重影响了煤体结构的稳定性。