鄂东南地区深部煤层气煤体结构测井评价研究

付玉通 张 伟 李永臣 代宸宇

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221008；2.中石化华东分公司临汾煤层气分公司，江苏省南京市，210011；3.中石油煤层气有限责任公司，山西省太原市，030000；4. 中国石油大学，北京市昌平区，102200)

★ 煤炭科技·地质与勘探 ★

鄂东南地区深部煤层气煤体结构测井评价研究

付玉通1,2张 伟3李永臣3代宸宇4

(1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏省徐州市，221008；2.中石化华东分公司临汾煤层气分公司，江苏省南京市，210011；3.中石油煤层气有限责任公司，山西省太原市，030000；4. 中国石油大学，北京市昌平区，102200)

为查明延川南深部煤层气煤体结构分布规律，以探井煤层取芯资料和测井数据为研究对象，利用交汇图法建立了煤体结构识别标准。为方便研究和生产需要，将煤层按煤体结构分为粉煤和块煤两类，二者可以通过自然伽马-补偿密度、自然伽马-深侧向交汇图定性识别，粉煤一般具有高自然伽马、高补偿密度、低深侧向、大井径等测井响应特征，块煤具有低自然伽马、低补偿密度、高深侧向等测井响应特征。研究结果表明，粉煤主要分布在断层附近，块煤主要分布在断层和褶皱不发育区。

深部煤层 煤体结构 测井评价 测井相应特征 粉煤 块煤

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

煤体结构是煤层各组成部分颗粒大小、形态特征及其组合关系的表现，对煤层气富集、煤储层渗透性和压裂改造效果有重要影响。依据破碎程度不同，煤体结构可分为原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤4类。识别煤体结构对煤层气的开采具有重要的意义，目前国内外已有学者利用自然伽玛、声波时差、电阻率、补偿密度等测井资料评价研究煤体结构，并取得一定的成果。孟召平等研究晋城矿区煤体结构及其测井响应特征指出，随着煤体破碎程度增高，测井参数的井径、声波时差、补偿中子、自然电位值和自然伽马值逐渐增大；而电阻率、密度随着破碎程度加深逐渐减少。陈跃等提出了利用电阻率测井、井径测井和自然伽玛测井等测井曲线组合识别韩城区块煤体结构的方法，该方法可以确定出厚度在0.5 m 以上的不同煤体结构分层。姚军朋等通过测井资料，利用 Archie公式求解构造煤孔隙结构指数，以此识别构造煤。陶传奇等通过分析煤体结构表征值与各测井曲线间相关性，选取体积密度、自然伽马、井径、声波时差、电阻率曲线，利用多元回归分析方法，建立煤体结构预测模型，并对取芯煤体结构进行了验证，该模型准确性较高。陈晶等基于声波时差、补偿中子、密度及井径等4个测井参数，提出了煤体结构指数这一概念，并用来作为判识构造煤的指标。

前期相关研究成果以定性识别中浅部煤层煤体结构为主，如何定量识别深部煤层煤体结构涉足较少。深部煤层处于高温、高应力和高矿化度条件下，测井响应特征与浅部煤层存在较大差异。煤岩取芯和地下采矿样本较少，这也给相关研究带来较大困难。本文基于测井参数，结合煤岩取芯资料及煤层水产出情况，利用多元回归拟合的方法，建立深部煤层煤体结构预测模型，实现对煤体结构的定量表征。利用该模型预测划分了研究区煤层煤体结构，进而揭示其空间分布规律。

1 地质概况

研究区位于鄂尔多斯盆地东南缘，地处晋陕交界处，属于晋西挠褶带的南端。区内主要开发层位为二叠系山西组2#煤层，埋深780～1750 m，是目前国内商业化开发层位最深的煤层气田。山西组2#煤层整体呈一西倾单斜构造，以中部断裂带为界，东部为墰坪构造带，西部为万宝山构造带。根据地震解释结果，区内断层共发育4条大断层和30余条小断层，断层走向以NNE向和NE向为主。

2#煤层赋存于山西组下部，煤层厚度为2.09～8.65 m，平均厚度为5.97 m。煤层在研究区内总体呈东南厚、西北薄的变化趋势，东南部厚度达到8 m，西北部厚度2.5 m；煤层受沉积相控制，区块中部形成多个聚煤中心，厚度超过6 m。2#煤层宏观煤岩成分以亮煤为主，夹少量镜煤和暗煤，偶见丝炭薄层。宏观煤岩类型以半亮型煤为主，其次为光亮型和半暗型煤。2#煤层变质程度高，以无烟煤和贫煤为主，其煤质灰分、水分、挥发分含量较低。

2 煤体结构分类及测井响应

2.1 煤体结构分类

研究区内煤层取芯数量有限，取芯过程中煤体结构发生了一定破坏，如果按照常规煤体结构分类法分成原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤4种，岩心观察法难以准确描述划分研究区煤体结构。原生结构煤与碎裂煤受构造破坏影响较小，煤层割理比较发育，煤储层水力压裂改造过程中，易形成主裂缝，储层改造效果较好，二者测井响应特征相似；碎粒煤和糜棱煤测井相应特征相似，受构造破坏影响严重，割理系统不发育，储层改造过程中难以形成主裂缝，改造效果较差。为便于利用测井曲线识别煤体结构特征，并定性判断煤储层改造难易程度和效果，本文将煤体结构划分成块煤和粉煤两种，其中块煤包括原生结构煤和碎裂煤，受构造运动破坏较小，煤层原生结构清晰可见，煤层裂隙的连通性好，是煤层气开发最有利的煤体结构类型；粉煤包括碎粒煤和糜棱煤，受构造破坏影响严重，煤层透气性变差，不利于煤层气的渗透和开采。块煤与粉煤结构和物性具有显著差异，这些差异必然在测井曲线形态和数值上产生一定响应，因而可以通过测井响应来识别煤体结构。

图1 研究区2#煤层取芯照片

2.2 煤体结构测井响应

选取区内9口探井27块2#煤层取芯样品作为研究对象(15块样品为块状煤，12块样品为粉煤)，其中4口井取芯上部为粉煤，中下部为块煤，2口井取芯全部为粉煤，3口井取芯全部为块煤。部分取芯样品照片见图1。在观察对比这9口井煤层段测井曲线(自然伽马(GR)、井径(CAL)、深浅测向(RT、RI)、补偿密度(DEN)和声波时差(DT))形态基础上，取芯段每0.25 m提取一个测井曲线值，归一化处理后，分析总结块煤和粉煤测井反应特征，建立煤体结构识别标准。

图2 不同煤体结构测井曲线组合特征

块煤补偿密度曲线值一般为1.21～1.45 g/cm3，曲线形态近似为一条直线，局部受煤质影响呈波浪状；井径为23～29 cm，略有扩径；自然伽马和深侧向电阻率曲线呈箱型，其中自然伽马一般为16.7～37.8 API，深双侧向电阻率分布范围为1200～8800 Ω·m，深侧向与浅侧向幅度差明显，二者比值在1.1～3.3之间；声波曲线表现为明显的正异常，介于393～473 μs/m，如图2(a)所示，X6井上部为粉煤，下部为块煤时，自然伽马和深侧向测井曲线形态呈钟型，粉煤自然伽马和深侧向值明显小于块煤值；补偿密度曲线呈台阶状，上部粉煤密度值明显高于下部块煤密度值；上部粉煤段井径曲线扩径严重，下部块煤曲线基本不扩径；其他曲线块煤与粉煤差异较小。

X2井粉煤自然伽马曲线呈锯齿状，显示煤层中含泥质成分较多，一般在26.2～70.2 API；煤层段明显扩径，一般在23.0～30.7 cm；补偿密度一般为1.32～1.59 g/cm3，呈波浪状；深侧向电阻率分布范围为611～2353 Ω·m，呈尖峰状，深侧向与浅侧向幅度差不明显，二者比值在1.1～1.5之间；声波时差曲线表现为明显的正异常，介于390～430 μs/m，如图2(b)所示。

2.3 测井曲线划分煤体结构

针对研究区内块煤与粉煤自然伽马、深侧向、补偿密度和井径曲线测井响应和形态差异明显，选取4条曲线识别煤体结构。

首先通过自然伽马与补偿密度交汇图区分出高自然伽马、高密度粉煤，此类煤层自然伽马一般大于50 API，密度大于1.39 g/cm3，位于自然伽马和补偿密度交汇图右上部，如图3(a)所示；然后通过自然伽马和深侧向交汇图区分出低自然伽马、低密度粉煤，如图3(b)所示，交汇图虚线上部为块煤，虚线下部为粉煤；最后将研究区其他井测井曲线值投到自然伽马—补偿密度、自然伽马—深侧向交汇图上，判别其煤体结构。

2.4 煤体结构测井相应影响因素

不同煤体结构测井响应特征不同，这是利用测井曲线识别煤体结构的理论基础。但是，煤层测井曲线响应特征受其他因素影响，如煤层水矿化度、井径、测井技术水平等。研究区西部煤层水矿化度是东部煤层的10倍左右，导致西部相同煤体结构深侧向测井响应值低于东部。此外，研究区煤层普遍扩径，扩径会导致其他测井曲线发生相应的变化，比如会使补偿密度和深侧向降低，补偿中子增大。因此，利用测井曲线识别煤体结构前，必须对数据进行归一化处理，消除其他因素影响。

图3 测井曲线交汇图识别煤体结构

3 煤体结构分布规律

对测井数据进行归一化处理后，利用自然伽马-补偿密度、自然伽马—深侧向交汇图识别研究区煤体结构，然后根据识别结果绘制出研究区2#煤层煤体结构分布图，见图4。从图4可以看出，粉煤主要分布在距中部大断层1～2个井距区域和西部小断层密集发布区附近，分布明显受断层控制。断层附近构造活动强烈，煤层受强烈挤压后，煤体原生结构受到严重破坏，煤层普遍糜棱化，割理裂隙系统闭合，煤层孔隙性和渗透性普遍变差，此类煤水力压裂改造困难，不利于煤层气产出。因而，后期煤层气勘探开发过程中，煤层气井位部署应该尽量避开大断层附近区域和小断层密集发育区。

断层不发育区及褶皱平缓区煤层构造活动较弱，原生结构未受破坏或受破坏较轻，煤层以块煤为主，割理裂隙系统比较发育，煤层孔隙性和渗透性较好，煤层水力压裂改造相对较易，是煤层气开发有利区，建议后期煤层气勘探开发过程中井位部署优先考虑这类区域。

图4 研究区2#煤层煤体结构分布图

4 结论

通过煤层取芯资料与测井曲线对比分析，发现粉煤和块煤煤体结构自然伽马、补偿密度、深侧向和井径曲线有明显差异。通过自然伽马-补偿密度交汇图和自然伽马-深侧向交汇图能够定性识别粉煤和块煤，粉煤的自然伽马GR大于50 API，补偿密度DEN大于1.39 g/cm3，深侧向RT小于2000 Ω·m，井径CAL大于25 cm。

研究区煤体结构分布主要受断层控制。粉煤主要分布在距大断层1～2个井距区域和小断层密集发育区，块煤主要分布在断层或褶皱不发育区。

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(责任编辑 郭东芝)

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，张伟，李永臣等. 鄂东南地区深部煤层气煤体结构测井评价研究[J]. 中国煤炭，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，山东曹县人，博士研究生，从事煤层气地质评价与排采管理工作。