基于测井的古县区块含煤岩系沉积岩粒度分析

冯阿建，陈 强，申有义，杨晓东，魏 巍，刘 舸，康 苒

（1.自然资源部矿业城市自然资源调查监测与保护重点实验室，山西晋中 030600；2.山西省煤炭地质物探测绘院有限公司，山西晋中 030600；3.太原理工大学，山西太原 030024）

为积极响应山西省委、省政府提出的“气化山西”转型跨越发展的总体战略部署，开展了“山西省沁水煤田古县区块煤层气、页岩气综合勘查”项目。含煤岩系作为煤层气资源形成和封存的重要载体［1-3］，为识别煤层气富集有利区，其沉积相的研究显得尤为重要。目前，砂地比是沉积相分析的重要手段［4-6］，以往的基于测井解释成果进行砂地比分析的方法，未充分考虑研究区测井资料的实际情况，只是将砂岩、泥岩各自归为一类［7］，致使测井解释成果局部无法正确反映真实情况。本文在对古县区块含煤岩系沉积岩测井响应交汇分析的基础上，绘制了不同的砂地比图，通过和煤层厚度对照，总结出适应研究区的砂地比计算方法。

1 研究区地质背景

古县区块位于沁水盆地的西南部，太原组和山西组为该区块主要含煤层组，其中太原组主要由灰—深灰色的粉砂岩、砂质泥岩、石灰岩和灰色的砂岩及煤层组成；山西组主要由深灰、灰黑或灰色的泥岩、粉砂岩、砂质泥岩、浅灰色的细粒或中粒砂岩及煤层组成，相对于太原组，砂质成分明显增多。该区块主采煤层为2#煤层、9+10#和11#煤层，2#煤层顶板岩性主要为细粒砂岩、泥岩、砂质泥岩，底板为泥岩、细砂岩；9+10#煤层顶板岩性主要为石灰岩（K2），偶见泥灰岩，底板岩性为泥岩、细砂岩；11#煤层顶板岩性为泥岩或粉砂岩，底板岩性为泥岩或铝土质泥岩。

2 研究区沉积岩粒度分析

目前，砂地比是沉积相分析的重要手段，以往的基于测井解释成果进行砂地比分析的方法，未充分考虑粉砂岩与泥岩较小的测井响应差异及仪器因素的影响，只是将砂岩、泥岩各自归为一类，致使测井解释成果局部不能正确反映实际情况［8-11］，因此有必要对不同粒度的砂岩和泥岩的测井响应特征进行分析归纳，为后续砂地比等的计算提供依据。

本文整理统计了研究区含煤岩系各粒度沉积岩的测井响应，在此基础上分别进行了GR-LLD（自然伽马-深侧向电阻率）、GR-DEN（自然伽马-密度）、GR-AC（自然伽马-声波时差）交汇分析，由交汇分析结果可知（图1）：砂泥岩（暂时将各粒度砂岩和泥岩统称为砂泥岩）、灰岩、煤和铝土质泥岩测井响应差异较大，各岩性有较好的分区性，并由此得到了各岩性测井数值范围（表1）。

表1 岩性测井响应数值范围Table 1 Range of logging response value for lithology

图1 古县区块岩性交汇分析Figure 1 Cross analysis of lithology of Guxian block

为进一步划分不同粒度的砂岩和泥岩，对研究区含煤岩系的粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩和泥岩的测井响应进行了GR-LLD的交汇分析（图2a）［12］，发现这六种岩性不容易分辨，尤其是粉砂岩、砂质泥岩和泥岩有较为严重的重叠现象，为进一步划分粉砂岩、砂质泥岩和泥岩，对其进行了GR-DEN、GR-AC交汇分析，发现三者仍然难以划分（图3）。但由图2 可以发现粗砂岩、中砂岩、细砂岩和粉砂岩、砂质泥岩、泥岩的界限比较明显，因此尝试将粗砂岩、中砂岩、细砂岩归为一类，称为粗-细砂岩；将粉砂岩、砂质泥岩、泥岩归为一类，称为粉砂-泥岩，得到交汇分析图（图2b），由此得到粗-细砂岩、粉砂-泥岩的测井响应数值范围（表2）。

表2 砂、泥岩测井响应数值范围Table 2 Range of logging response for sandstone and mudstone

图2 砂岩、泥岩GR-LLD交汇分析Figure 2 Cross analysis of GR-LLD for sandstone and mudstone

图3 粉砂岩-砂质泥岩-泥岩交汇分析Figure 3 Cross analysis for siltstone sandy mudstone and mudstone

3 研究区“砂地比”分析

由砂泥岩粒度分析可知，研究区粉砂岩、砂质泥岩和泥岩测井响应差异较小，GR-LLD、GR-DEN、GR-AC的交汇分析很难将三者划分开来，那么传统的砂地比统计中将粉砂岩计入砂岩厚度在本研究区就值得考量［13-14］。基于此，本文尝试统计了2#煤所在层序（山西组2#煤顶板泥岩至K7 砂岩）含粉砂砂地比、去粉砂砂地比和2#煤的煤层厚度，并分别成图进行对比（图4、图5）。

图4 2#煤所在层序含粉砂（a）、去粉砂（b）砂地比对比Figure 4 Sandstone/Strata Ratio comparison between with silt（a）and without silt（b）for the stratigraphic sequence nearby No.2 coal seam

图5 2#煤层厚度（a）及所在层序沉积相（b）位置Figure 5 Thickness of No.2 coal seam（a）and the position of sedimentary facies（b）of the stratigraphic sequence nearby No.2 coal seam

通过对比2#煤所在层序含粉砂砂地比图和2#煤层厚度图、2#煤所在层序去粉砂砂地比和2#煤层厚度图，发现2#煤所在层序去粉砂砂地比图和煤层厚度图对应性比较好，符合前人研究的一般认识“砂地比大的区域煤层较薄，砂地比小的区域煤层较厚”［11-13］，而2#煤所在层序含粉砂砂地比图与2#煤层厚度图对应不好。

同时，去粉砂砂地比图、2#煤层厚度图与2#煤层所在层序的沉积相图也有很好的对应关系。2#煤层厚煤区主要发育于三角洲平原中的泥炭沼泽微相，其次为分流间湾微相和牛轭湖微相，薄煤区主要发育于分流河道微相［15］。因此本文认为本研究区采用去粉砂砂地比的方法进行含煤岩系沉积相的分析更为合理。

4 结论

1）通过对研究区各种岩性进行GR-LLD、GRDEN、GR-AC 交汇分析，发现砂泥岩、灰岩、煤和铝土质泥岩有较明显的测井响应特征，易于区分，并得到了各岩性的测井数值范围。

2）重点对粉砂岩、砂质泥岩、泥岩进行交汇分析，发现三种岩性测井响应差异较小，界限难以划分。

3）通过去粉砂砂地比、含粉砂的砂地比与2#煤的煤层厚度对比，认为该研究区“去粉砂砂地比”与煤层厚度有良好的对应关系，能够更好地反映该区沉积相变化特征。