新景煤矿保安区煤体结构特征及测井模型构建

李俊堂,王如江,高 彬,吴财芳

(1.阳泉新宇岩土工程有限责任公司，山西 阳泉 045000；2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008)

煤体结构是影响煤层气勘探开发的重要因素，不仅会影响到煤储层的孔渗特征及煤层气的富集，也会影响到煤层气的压裂改造与高效开发[1]。对于煤层气开发工程，提高煤层气井产能的稳定性是解决我国大量煤层气区块“有气难采”症结的关键，基于此，前人在储层评价、有利区优选、煤层压裂改造、排采优化等方面做了大量的工作[2-9]。部分学者认为地质选区、煤层压裂改造乃至排采优化，最终的落脚点仍在煤体结构上，只有清晰地把握开发区块煤体结构，才能实现优化煤层气开发方案，进而提高煤层气井产量的目的[10-11]。

由于三维地震勘探装备价格昂贵，构造煤发育区取心率低，使其无法在煤体结构判识时被广泛应用。测井技术日趋成为目前识别煤体结构的重要方法[12]。部分学者通过岩心描述和测井响应特征对煤体结构进行定性识别，该方法虽然准确性较高，但操作复杂且效率较低，难以满足煤层气大规模开发的需要[13-14]。姚军朋等基于岩石物理研究结果提出了以孔隙结构指数为构造煤定量判识指标的方法，并论证了定量判识的可行性[15]；马国栋等利用小波分析、聚类分析的方法识别了4种不同类型的煤体，并识别出了煤层中的夹矸[16]。

虽然煤体结构测井解释模型多样，但是不同解释模型普遍存在地域的局限性，目前尚无对新景煤矿煤体结构定量评价的针对性研究。新景煤矿构造煤发育，单一煤层剖面上往往发育多种类型构造煤，煤体结构对煤与瓦斯突出和煤层气勘探开发的影响尤为显著[17-19]。因此，复杂的煤体结构是制约本区煤层气勘探开发的重要地质约束条件。笔者以构造煤发育的新景煤矿保安区为例，以区内测井参数相对完整的煤田地质钻孔和煤层气井为基础，引入地质强度因子GSI(Geological Strength Index)，结合多元回归分析，建立适合研究区的煤体结构评价模型，并对井下煤壁剖面和地面钻孔煤心进行验证，以期为煤层气勘探开发提供指导。

1 地质概况

新景煤矿井田位于阳泉矿区大单斜构造的西部，井田东部与三矿毗邻，西部以保安河沟水流中心线为界与七元矿相连，北部与一矿相连，南部以桃河洪水位线为界与二矿井田隔河相望。平面上广泛发育NNE-NE向次级褶皱，呈背、向斜相间，以斜列式和平列式短轴褶皱为主，局部可见帚状、环状、S形等组合；剖面上以上部开阔、下部紧闭的平行褶皱为主，局部发育一些不协调的层面褶皱；区内大中型断层发育较少，以受褶皱控制的小型断层为主，多为张性和压扭性断裂。整体而言，研究区内形态各异、组合多样的褶皱群构成了本区构造的主体[20-21]。新景煤矿保安区由保安东和保安西组成，总体位于新景煤矿井田西北部。新景煤矿保安区15#煤层构造图如图1所示。

图1 新景煤矿保安区15#煤层构造图

研究区综合地层柱状图如图2所示。

图2 研究区综合地层柱状图

研究区地层由老至新依次为古生界奥陶系中统、石炭系中上统、二叠系、三叠系、新生界新近系、第四系。含煤地层主要包括石炭系上统太原组和二叠系下统山西组、太原组，可采及局部可采煤层有 7层，分别是山西组3#、6#煤层与太原组8#、9#、12#、13#、15#煤层[17]。上述煤层镜质组最大反射率Ro,max介于2.17%～3.43%，均为高变质的贫煤及无烟煤。

2 煤体结构特征

生产矿井井下编录与钻孔煤心描述是煤体结构划分最直接、准确的方法，但在实际应用过程中亦有局限性[18]。对于井下编录，虽然可以有效判识采动区煤体结构，但受限于井下数据采集范围，无法获取未采动区的煤体结构数据；对于钻孔煤心描述，研究区构造煤发育、煤体结构复杂、钻孔取心率普遍较低，因此难以通过钻孔取心的方法准确判识构造煤发育区煤体结构。相比以上2种方法，测井方法可获得研究区内不同地层连续的测井响应数据，是最有可能实现大范围煤体结构判识的重要方法。但测井结果受多种因素影响，导致不同区域煤层的测井响应特征往往存在较大差异，需根据研究区内煤储层特性，建立适合该区的煤体结构解释模型。

保安区煤层气勘探开发的主力煤层为8#、15#煤层，本研究对主力煤层煤体结构判识的思路如下：在煤体结构划分的基础上，结合测井曲线定性判识结果对主力煤层进行GSI赋值，然后通过相关性分析提取对煤体结构反应敏感的测井曲线，减小无关信息的干扰，结合钻孔取心判识结果，建立适合保安区的煤体结构解释模型，并验证模型的准确性。

2.1 煤体结构类型划分

针对不同的研究区域和目的，构造煤煤体结构分类方法不同。对于煤层气开发工程，一般将其分为构造变形较弱、原生结构保存较好的原生结构煤；构造变形较强、原生结构已被破坏的碎裂煤；构造变形极强，原生结构遭严重破坏的碎粒煤和糜棱煤[19]。钻取煤心时煤体易受损，会对煤体结构造成一定程度的影响；其次，在煤层气开发过程中，原生结构煤与碎裂煤均可取得较好的开发效果，碎粒煤与糜棱煤在常规水力压裂改造措施下均易被煤粉堵塞导致难以形成有效的渗流通道。此外，构造煤煤体结构分类越细致，测井解释区分不同结构的难度越大，精度越低[22]。因此，在保证煤层气开发效果的基础上，将煤体结构分为以下三类：Ⅰ类煤(原生结构煤)、Ⅱ类煤(碎裂煤)、Ⅲ类煤(碎粒煤、糜棱煤)[23]。

2.2 测井数据整理与分析

研究区内测井参数主要包括：自然伽马(natural gamma ray(GR))、密度(density(DEN))、井径1、井径2(borehole diameter 1，borehole diameter 2(CAL1、CAL2))、深—浅双侧向电阻率(deep-shallow investigate double lateral resistivity log(RD-RS))、声波时差(acoustic(AC))。测井曲线种类较多，不同测井曲线对煤体结构的响应不同，其解释效果存在较大差异。若选取单一测井曲线，则难以保证解释结果的准确性；若将所有测井曲线均用于煤体结构解释，则会导致变量过多，不同变量解释结果难免存在矛盾，这不利于对测井结果的系统分析[24]。因此，从现有测井曲线中优选几种效果好、相关度低的曲线，既可以保证解释结果的准确性，又简单易行，减少非必要的工作量。

对于井径1与井径2，分别代表井筒平面上2个正交方向的井径。受控于地应力，二者在对煤体结构进行表征时具有相似的特征。因此，根据井径参数对比结果选取对不同煤体结构反应更为明显的井径2。

深—浅双侧向电阻率主要应用于岩层剖面划分，二者在泥岩层或非渗流层应用时，曲线基本重合，故选取深双侧向电阻率作为煤体结构解释参数之一[23]。

综上所述，本研究主要选取自然伽马、密度、井径2、深双侧向电阻率和声波时差来评价和预测研究区煤体结构。鉴于深双侧向电阻率取值区间较大，为便于后续相关性分析及建模，对其数据进行对数放缩。以A1井为例，整理并分析主力煤层测井响应特征，结合煤心照片，对A1井8#、15#煤层的煤体结构进行定性划分，结果如图3、图4所示(图中CAL2为井径2，GR为自然伽马，RD为深双侧向电阻率，DEN为密度，AC为声波时差)。

图3 A1井8#煤层不同煤体结构测井响应

图4 A1井15#煤层不同煤体结构测井响应

由图3、图4可见，不同煤体结构煤岩存在明显的物性差异，在测井曲线中其表现为测井数据的变化，井径2、声波时差测井值随煤体破碎程度的增加呈明显增大的趋势；自然伽马、密度、深双侧向电阻率呈减小的趋势。上述参数对煤体结构的变化响应精确，相关性明显，可用于煤体结构定量评价模型的构建。

2.3 主力煤层GSI赋值

地质强度因子GSI由HOEK、KAISER和BROWN 在1995年建立，是一种已被证实可以量化表征煤体结构的岩体分类方法，不同煤体结构GSI赋值如表1所示[10]。

表1 不同煤体结构GSI赋值

为了更精准地判识保安区8#、15#煤层煤体结构，在钻孔煤体结构的完整程度、煤体结构面裂隙、节理的质量情况评价的基础上，参考对煤体结构的定性判识结果，依据GSI岩体分类方法对8#、15#煤层煤体结构进行定量表征，实现研究区内煤体结构的定量判识。

参考煤体结构定性分析结果，结合研究区内2口煤层气井和24个钻孔煤心实际完整程度、面割理、裂隙的质量状况，对煤心结构进行宏观描述，在此基础上对煤心进行煤体结构定量表征，判定不同煤体结构GSI值[25-26](见表1)。

在对GSI赋值后，对初步筛选的测井曲线与GSI值进行相关性分析，提取对煤体结构反应敏感的重要测井参数。煤层气井、钻孔测井值与GSI值相关性分析结果如图5所示。

GR/(API)

结果表明，GSI赋值结果与定性分析结果基本一致，井径2(CAL2)及声波时差(AC)与GSI值相关性最好，拟合优度分别达到0.782 6和0.516 7;其次是密度(DEN)测井，拟合优度为0.200 8；自然伽马(GR)与深双侧向电阻率(RD)相关性较差，拟合优度仅为0.017 7、0.020 3。由于自然伽马与深双侧向电阻率与GSI值相关性较差，为了简化测井模型计算流程，提高解释精度，故仅采用相关性较高的测井参数进行模型构建。

2.4 模型构建与验证

通过对GSI值与自然伽马、深双侧向电阻率、密度、井径2、声波时差进行多元回归分析，根据各组分回归分析结果，选取井径2、密度、声波时差建立煤层气井测井解释模型：

I=aX+bY+cZ+d

(1)

式中：I为地质强度因子GSI；X为CAL2测值；Y为DEN测值；Z为AC测值；a、b、c、d为回归系数。

利用选取的参数进行拟合，各回归系数的拟合结果为：a=-0.88、b=23.19、c=-0.08、d=85.71。由此可得保安区煤体结构与测井参数的多元回归方程如下：

I=-0.88X+23.19Y-0.08Z+85.71

(2)

该方程拟合优度达到0.870 6(见图5(f))，表明其相关性较好。

以新景煤矿保安区矿井井壁观测结果及A2井邻近钻孔煤心样品为研究对象，验证煤体结构测井解释方法的合理性。通过测井解释模型(式(2))计算得到A2井煤层煤体结构分层及占比结果，如图6所示。

(a)煤体结构分层

由图6可见，A2井8#煤层厚度为2.26 m，以Ⅱ类煤为主，占比为71.4%，分布于煤层中部；其次是Ⅰ类煤，占比为28.6%，分布于煤层顶部及底部。15#煤层被厚度为 0.70 m 夹矸分割为上、下两层，上层煤厚为3.66 m，全部为Ⅱ类煤；下层煤厚为 1.65 m，以Ⅰ类煤为主，其次是Ⅲ类煤，仅含少量Ⅱ类煤；全层Ⅱ类煤占比为71.7%，Ⅰ类煤占比为20.7%，Ⅲ类煤占比为7.6%。

根据测井解释成果可知，新景煤矿保安区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类煤均有发育。8#煤层1口煤层气井和20个煤田地质钻孔测井数据解释结果显示：8#煤层净煤平均总厚度为1.77 m，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类煤净煤平均厚度分别为0.64、0.54、0.59 m，分别占净煤煤层总厚度的36.16%、30.51%、33.33%。15#煤层2口煤层气井和24个煤田地质钻孔的测井数据解释结果显示：15#煤层净煤平均总厚度为6.19 m，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类煤净煤平均厚度为1.76、3.14、1.29 m，分别占净煤煤层总厚度的28.43%、50.73%、20.84%。

新景煤矿15225综采工作面井壁观测结果如图7 所示，邻近钻孔煤心样品如图8 所示。

图7 A2井8#煤层采掘工作面井壁煤体结构

图8 A2井邻近钻孔15#煤层煤体结构

将测井解释结果与图7、图8进行对比，表明对比结果具有较好的一致性。8#煤层以Ⅱ类煤为主，其次是Ⅰ类煤；15#煤层以Ⅱ类煤为主，其次是Ⅰ类煤。Ⅲ类煤最少，位于下分层顶部，与夹矸层相邻。

通过对比发现，8#、15#煤层“Ⅰ+Ⅱ类煤”分别占净煤煤层总厚度的66.67%、79.16%，Ⅲ类煤分别占净煤煤层总厚度的33.33%、20.84%；15#煤层的构造变形破坏程度明显低于8#煤层，更有利于煤层气的开发。因此从Ⅲ类煤占比的角度来看，15#煤层的煤体结构略优于8#煤层。

3 结论

1)新景煤矿保安区8#、15#煤层的煤体结构类型分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类，不同煤体结构煤岩测井响应特征的差异明显，井径2、声波时差测井值随煤体破碎程度的增加呈明显增大的趋势，自然伽马、密度、深双侧向电阻率测井值呈减小的趋势。

2)引入地质强度因子GSI，在对煤体结构进行定性判识的基础上，依据GSI岩体分类方法对8#、15#煤层煤体结构进行定量表征：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类煤GSI赋值分别为60～90、40～60、0～40。测井参数与GSI线性回归结果表明：井径2、声波时差与GSI值相关性最好，其次是密度，自然伽马和深双侧向电阻率相关性较差。

3)在多元回归分析的基础上，构建了新景煤矿保安区8#、15#煤层煤体结构测井解释模型，其R2达到0.870 6，井壁观测、钻孔取心结果与测井解释结果具有较好的一致性。8#煤层Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类煤分别占净煤煤层总厚度的36.16%、30.51%、33.33%；15#煤层Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类煤分别占净煤煤层总厚度的28.43%、50.73%、20.84%。总体而言，保安区8#、15#煤层均受到构造的改造作用，从Ⅲ类煤占比的角度可认为15#煤层煤体结构略优于8#煤层。