付玉通 張 偉 李永臣 代宸宇

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221008；2.中石化華東分公司臨汾煤層氣分公司，江蘇省南京市，210011；3.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，山西省太原市，030000；4. 中國石油大學(xué)，北京市昌平區(qū)，102200)

★ 煤炭科技·地質(zhì)與勘探 ★

鄂東南地區(qū)深部煤層氣煤體結(jié)構(gòu)測井評價(jià)研究

付玉通1,2張 偉3李永臣3代宸宇4

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇省徐州市，221008；2.中石化華東分公司臨汾煤層氣分公司，江蘇省南京市，210011；3.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，山西省太原市，030000；4. 中國石油大學(xué)，北京市昌平區(qū)，102200)

為查明延川南深部煤層氣煤體結(jié)構(gòu)分布規(guī)律，以探井煤層取芯資料和測井?dāng)?shù)據(jù)為研究對象，利用交匯圖法建立了煤體結(jié)構(gòu)識別標(biāo)準(zhǔn)。為方便研究和生產(chǎn)需要，將煤層按煤體結(jié)構(gòu)分為粉煤和塊煤兩類，二者可以通過自然伽馬-補(bǔ)償密度、自然伽馬-深側(cè)向交匯圖定性識別，粉煤一般具有高自然伽馬、高補(bǔ)償密度、低深側(cè)向、大井徑等測井響應(yīng)特征，塊煤具有低自然伽馬、低補(bǔ)償密度、高深側(cè)向等測井響應(yīng)特征。研究結(jié)果表明，粉煤主要分布在斷層附近，塊煤主要分布在斷層和褶皺不發(fā)育區(qū)。

深部煤層 煤體結(jié)構(gòu) 測井評價(jià) 測井相應(yīng)特征 粉煤 塊煤

AbstractTo find out the distribution law of the structure of deep coal body with CBM in the south of Yanchuan county, taking the core data and logging data of the exploratory well as the research object, the identification standard of coal structure was established by using the method of intersection chart. For the convenience of research and production needs, according to coal structure, the coal was divided into powdered coal and lump coal, which could be qualitatively analyzed by natural gamma ray-compensation density (GR-DEN) and natural gamma ray-deep laterolog (GR-LLD) intersection chart. The powdered coal had high GR, high DEN, low LLD, big calliper (CAL) and other logging response characteristics, while the lump coal had the logging response characteristics of low GR, low DEN and high LLD. The results showed that the powdered coal was mainly distributed near faults, and the distribution area of lump coal had low development degree of faults and folds.

Keywordsdeep coal seam, coal structure, logging evaluation, logging response characteristics, powdered coal, lump coal

煤體結(jié)構(gòu)是煤層各組成部分顆粒大小、形態(tài)特征及其組合關(guān)系的表現(xiàn)，對煤層氣富集、煤儲(chǔ)層滲透性和壓裂改造效果有重要影響。依據(jù)破碎程度不同，煤體結(jié)構(gòu)可分為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤4類。識別煤體結(jié)構(gòu)對煤層氣的開采具有重要的意義，目前國內(nèi)外已有學(xué)者利用自然伽瑪、聲波時(shí)差、電阻率、補(bǔ)償密度等測井資料評價(jià)研究煤體結(jié)構(gòu)，并取得一定的成果。孟召平等研究晉城礦區(qū)煤體結(jié)構(gòu)及其測井響應(yīng)特征指出，隨著煤體破碎程度增高，測井參數(shù)的井徑、聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子、自然電位值和自然伽馬值逐漸增大；而電阻率、密度隨著破碎程度加深逐漸減少。陳躍等提出了利用電阻率測井、井徑測井和自然伽瑪測井等測井曲線組合識別韓城區(qū)塊煤體結(jié)構(gòu)的方法，該方法可以確定出厚度在0.5 m 以上的不同煤體結(jié)構(gòu)分層。姚軍朋等通過測井資料，利用 Archie公式求解構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)，以此識別構(gòu)造煤。陶傳奇等通過分析煤體結(jié)構(gòu)表征值與各測井曲線間相關(guān)性，選取體積密度、自然伽馬、井徑、聲波時(shí)差、電阻率曲線，利用多元回歸分析方法，建立煤體結(jié)構(gòu)預(yù)測模型，并對取芯煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證，該模型準(zhǔn)確性較高。陳晶等基于聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子、密度及井徑等4個(gè)測井參數(shù)，提出了煤體結(jié)構(gòu)指數(shù)這一概念，并用來作為判識構(gòu)造煤的指標(biāo)。

前期相關(guān)研究成果以定性識別中淺部煤層煤體結(jié)構(gòu)為主，如何定量識別深部煤層煤體結(jié)構(gòu)涉足較少。深部煤層處于高溫、高應(yīng)力和高礦化度條件下，測井響應(yīng)特征與淺部煤層存在較大差異。煤巖取芯和地下采礦樣本較少，這也給相關(guān)研究帶來較大困難。本文基于測井參數(shù)，結(jié)合煤巖取芯資料及煤層水產(chǎn)出情況，利用多元回歸擬合的方法，建立深部煤層煤體結(jié)構(gòu)預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)對煤體結(jié)構(gòu)的定量表征。利用該模型預(yù)測劃分了研究區(qū)煤層煤體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而揭示其空間分布規(guī)律。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南緣，地處晉陜交界處，屬于晉西撓褶帶的南端。區(qū)內(nèi)主要開發(fā)層位為二疊系山西組2#煤層，埋深780～1750 m，是目前國內(nèi)商業(yè)化開發(fā)層位最深的煤層氣田。山西組2#煤層整體呈一西傾單斜構(gòu)造，以中部斷裂帶為界，東部為墰坪構(gòu)造帶，西部為萬寶山構(gòu)造帶。根據(jù)地震解釋結(jié)果，區(qū)內(nèi)斷層共發(fā)育4條大斷層和30余條小斷層，斷層走向以NNE向和NE向?yàn)橹鳌?/p>

2#煤層賦存于山西組下部，煤層厚度為2.09～8.65 m，平均厚度為5.97 m。煤層在研究區(qū)內(nèi)總體呈東南厚、西北薄的變化趨勢，東南部厚度達(dá)到8 m，西北部厚度2.5 m；煤層受沉積相控制，區(qū)塊中部形成多個(gè)聚煤中心，厚度超過6 m。2#煤層宏觀煤巖成分以亮煤為主，夾少量鏡煤和暗煤，偶見絲炭薄層。宏觀煤巖類型以半亮型煤為主，其次為光亮型和半暗型煤。2#煤層變質(zhì)程度高，以無煙煤和貧煤為主，其煤質(zhì)灰分、水分、揮發(fā)分含量較低。

2 煤體結(jié)構(gòu)分類及測井響應(yīng)

2.1 煤體結(jié)構(gòu)分類

研究區(qū)內(nèi)煤層取芯數(shù)量有限，取芯過程中煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定破壞，如果按照常規(guī)煤體結(jié)構(gòu)分類法分成原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤4種，巖心觀察法難以準(zhǔn)確描述劃分研究區(qū)煤體結(jié)構(gòu)。原生結(jié)構(gòu)煤與碎裂煤受構(gòu)造破壞影響較小，煤層割理比較發(fā)育，煤儲(chǔ)層水力壓裂改造過程中，易形成主裂縫，儲(chǔ)層改造效果較好，二者測井響應(yīng)特征相似；碎粒煤和糜棱煤測井相應(yīng)特征相似，受構(gòu)造破壞影響嚴(yán)重，割理系統(tǒng)不發(fā)育，儲(chǔ)層改造過程中難以形成主裂縫，改造效果較差。為便于利用測井曲線識別煤體結(jié)構(gòu)特征，并定性判斷煤儲(chǔ)層改造難易程度和效果，本文將煤體結(jié)構(gòu)劃分成塊煤和粉煤兩種，其中塊煤包括原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)破壞較小，煤層原生結(jié)構(gòu)清晰可見，煤層裂隙的連通性好，是煤層氣開發(fā)最有利的煤體結(jié)構(gòu)類型；粉煤包括碎粒煤和糜棱煤，受構(gòu)造破壞影響嚴(yán)重，煤層透氣性變差，不利于煤層氣的滲透和開采。塊煤與粉煤結(jié)構(gòu)和物性具有顯著差異，這些差異必然在測井曲線形態(tài)和數(shù)值上產(chǎn)生一定響應(yīng)，因而可以通過測井響應(yīng)來識別煤體結(jié)構(gòu)。

圖1 研究區(qū)2#煤層取芯照片

2.2 煤體結(jié)構(gòu)測井響應(yīng)

選取區(qū)內(nèi)9口探井27塊2#煤層取芯樣品作為研究對象(15塊樣品為塊狀煤，12塊樣品為粉煤)，其中4口井取芯上部為粉煤，中下部為塊煤，2口井取芯全部為粉煤，3口井取芯全部為塊煤。部分取芯樣品照片見圖1。在觀察對比這9口井煤層段測井曲線(自然伽馬(GR)、井徑(CAL)、深淺測向(RT、RI)、補(bǔ)償密度(DEN)和聲波時(shí)差(DT))形態(tài)基礎(chǔ)上，取芯段每0.25 m提取一個(gè)測井曲線值，歸一化處理后，分析總結(jié)塊煤和粉煤測井反應(yīng)特征，建立煤體結(jié)構(gòu)識別標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 不同煤體結(jié)構(gòu)測井曲線組合特征

塊煤補(bǔ)償密度曲線值一般為1.21～1.45 g/cm3，曲線形態(tài)近似為一條直線，局部受煤質(zhì)影響呈波浪狀；井徑為23～29 cm，略有擴(kuò)徑；自然伽馬和深側(cè)向電阻率曲線呈箱型，其中自然伽馬一般為16.7～37.8 API，深雙側(cè)向電阻率分布范圍為1200～8800 Ω·m，深側(cè)向與淺側(cè)向幅度差明顯，二者比值在1.1～3.3之間；聲波曲線表現(xiàn)為明顯的正異常，介于393～473 μs/m，如圖2(a)所示，X6井上部為粉煤，下部為塊煤時(shí)，自然伽馬和深側(cè)向測井曲線形態(tài)呈鐘型，粉煤自然伽馬和深側(cè)向值明顯小于塊煤值；補(bǔ)償密度曲線呈臺階狀，上部粉煤密度值明顯高于下部塊煤密度值；上部粉煤段井徑曲線擴(kuò)徑嚴(yán)重，下部塊煤曲線基本不擴(kuò)徑；其他曲線塊煤與粉煤差異較小。

X2井粉煤自然伽馬曲線呈鋸齒狀，顯示煤層中含泥質(zhì)成分較多，一般在26.2～70.2 API；煤層段明顯擴(kuò)徑，一般在23.0～30.7 cm；補(bǔ)償密度一般為1.32～1.59 g/cm3，呈波浪狀；深側(cè)向電阻率分布范圍為611～2353 Ω·m，呈尖峰狀，深側(cè)向與淺側(cè)向幅度差不明顯，二者比值在1.1～1.5之間；聲波時(shí)差曲線表現(xiàn)為明顯的正異常，介于390～430 μs/m，如圖2(b)所示。

2.3 測井曲線劃分煤體結(jié)構(gòu)

針對研究區(qū)內(nèi)塊煤與粉煤自然伽馬、深側(cè)向、補(bǔ)償密度和井徑曲線測井響應(yīng)和形態(tài)差異明顯，選取4條曲線識別煤體結(jié)構(gòu)。

首先通過自然伽馬與補(bǔ)償密度交匯圖區(qū)分出高自然伽馬、高密度粉煤，此類煤層自然伽馬一般大于50 API，密度大于1.39 g/cm3，位于自然伽馬和補(bǔ)償密度交匯圖右上部，如圖3(a)所示；然后通過自然伽馬和深側(cè)向交匯圖區(qū)分出低自然伽馬、低密度粉煤，如圖3(b)所示，交匯圖虛線上部為塊煤，虛線下部為粉煤；最后將研究區(qū)其他井測井曲線值投到自然伽馬—補(bǔ)償密度、自然伽馬—深側(cè)向交匯圖上，判別其煤體結(jié)構(gòu)。

2.4 煤體結(jié)構(gòu)測井相應(yīng)影響因素

不同煤體結(jié)構(gòu)測井響應(yīng)特征不同，這是利用測井曲線識別煤體結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)。但是，煤層測井曲線響應(yīng)特征受其他因素影響，如煤層水礦化度、井徑、測井技術(shù)水平等。研究區(qū)西部煤層水礦化度是東部煤層的10倍左右，導(dǎo)致西部相同煤體結(jié)構(gòu)深側(cè)向測井響應(yīng)值低于東部。此外，研究區(qū)煤層普遍擴(kuò)徑，擴(kuò)徑會(huì)導(dǎo)致其他測井曲線發(fā)生相應(yīng)的變化，比如會(huì)使補(bǔ)償密度和深側(cè)向降低，補(bǔ)償中子增大。因此，利用測井曲線識別煤體結(jié)構(gòu)前，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，消除其他因素影響。

圖3 測井曲線交匯圖識別煤體結(jié)構(gòu)

3 煤體結(jié)構(gòu)分布規(guī)律

對測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，利用自然伽馬-補(bǔ)償密度、自然伽馬—深側(cè)向交匯圖識別研究區(qū)煤體結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)識別結(jié)果繪制出研究區(qū)2#煤層煤體結(jié)構(gòu)分布圖，見圖4。從圖4可以看出，粉煤主要分布在距中部大斷層1～2個(gè)井距區(qū)域和西部小斷層密集發(fā)布區(qū)附近，分布明顯受斷層控制。斷層附近構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，煤層受強(qiáng)烈擠壓后，煤體原生結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，煤層普遍糜棱化，割理裂隙系統(tǒng)閉合，煤層孔隙性和滲透性普遍變差，此類煤水力壓裂改造困難，不利于煤層氣產(chǎn)出。因而，后期煤層氣勘探開發(fā)過程中，煤層氣井位部署應(yīng)該盡量避開大斷層附近區(qū)域和小斷層密集發(fā)育區(qū)。

斷層不發(fā)育區(qū)及褶皺平緩區(qū)煤層構(gòu)造活動(dòng)較弱，原生結(jié)構(gòu)未受破壞或受破壞較輕，煤層以塊煤為主，割理裂隙系統(tǒng)比較發(fā)育，煤層孔隙性和滲透性較好，煤層水力壓裂改造相對較易，是煤層氣開發(fā)有利區(qū)，建議后期煤層氣勘探開發(fā)過程中井位部署優(yōu)先考慮這類區(qū)域。

圖4 研究區(qū)2#煤層煤體結(jié)構(gòu)分布圖

4 結(jié)論

通過煤層取芯資料與測井曲線對比分析，發(fā)現(xiàn)粉煤和塊煤煤體結(jié)構(gòu)自然伽馬、補(bǔ)償密度、深側(cè)向和井徑曲線有明顯差異。通過自然伽馬-補(bǔ)償密度交匯圖和自然伽馬-深側(cè)向交匯圖能夠定性識別粉煤和塊煤，粉煤的自然伽馬GR大于50 API，補(bǔ)償密度DEN大于1.39 g/cm3，深側(cè)向RT小于2000 Ω·m，井徑CAL大于25 cm。

研究區(qū)煤體結(jié)構(gòu)分布主要受斷層控制。粉煤主要分布在距大斷層1～2個(gè)井距區(qū)域和小斷層密集發(fā)育區(qū)，塊煤主要分布在斷層或褶皺不發(fā)育區(qū)。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

LoggingevaluationresearchonthestructureofdeepcoalbodywithCBMinthesoutheastofHubeiprovince

Fu Yutong1,2, Zhang Wei3, Li Yongchen3, Dai Chenyu4

(1. School of Resources and Geosciences, China University of Mining & Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008, China;2. Linfen Coalbed Methane Branch Company of Sinopec East China Oil & Gas Company, Nanjing, Jiangsu 210011, China;3.PetroChina Coalbed Methane Company Limited, Taiyuan, Shanxi 030000, China;4. China University of Petroleum, Beijing, Changping, Beijing 102200, China)

P618.11

A

付玉通，張偉，李永臣等. 鄂東南地區(qū)深部煤層氣煤體結(jié)構(gòu)測井評價(jià)研究[J]. 中國煤炭，2017，43(9)：31-34，47. Fu Yutong, Zhang Wei, Li Yongchen, et al. Logging evaluation research on the structure of deep coal body with CBM in the southeast of Hubei province [J]. China Coal, 2017, 43(9):31-34，47.

付玉通(1986-)，男，山東曹縣人，博士研究生，從事煤層氣地質(zhì)評價(jià)與排采管理工作。