數(shù)字測井估算巖、煤層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)在山陽井田勘探中的應(yīng)用

（陜西省一三九煤田地質(zhì)水文地質(zhì)有限公司 陜西渭南714000）

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本文通過對山陽井田的聲速、密度測井資料解釋處理，應(yīng)用CLog-ProV2.0數(shù)字測井處理軟件分析、研究，得出山陽井田的煤層頂?shù)装鍘r石的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，說明了應(yīng)用聲速、密度測井資料可以確定煤層頂?shù)装宓膸r石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。

聲速、密度測井資料分析估算巖石力學(xué)性質(zhì)

1 井田概況

澄合礦區(qū)山陽井田位于陜西省合陽縣東部，距合陽縣城5km，面積約43km2，地貌部位屬陜西省渭北東部黃土臺塬區(qū)，上部為第四系風(fēng)積黃土（局部該層下分布有新近系紅粘土），中部為二疊系和石炭系碎屑巖夾煤層，含煤地層為石炭系太原組、二疊系山西組，可采煤層為4號、5號、6、10號，其主采煤層5號煤埋深388~616m，厚度分別為2.86m~9.89m，平均5.5 m。地質(zhì)儲量約4億噸。

5號煤層：5號煤層位于山西組下部，K3標(biāo)志層之上，層位穩(wěn)定，全區(qū)分布，5號煤層埋藏深度在388.40(J8-2)-616.65(40-1)m，一般在500-550m左右。厚度從CH83鉆孔的2.86m到P17號鉆孔的9.89m，平均5.5m，下距6號煤層1.05～9.05m，一般4.70m。全井田發(fā)育且較穩(wěn)定。厚度有一定變化但規(guī)律性明顯,總的趨勢是由淺部向深部變厚的趨勢。含矸1～2層，局部不含夾矸或含三層夾矸。僅在42-1有4層夾矸。夾矸厚度0.10(J1-1)-0.75m（J1-1）。煤層可采（有效厚度）厚度2.71m-9.87m,平均4.5m。

測井使用的儀器是車載psj-2數(shù)字測井儀成套設(shè)備，選用的測井方法參數(shù)包括，視電阻率電位(A0.1m)、密度(長、短源距伽瑪伽瑪（0.4,0.2）)、聲速測井、自然伽瑪、自然電位等參數(shù)。地球物理測井資料完整齊全。

2 利用測井資料評價煤巖層體強度參數(shù)方法

近20年來發(fā)展的聲波測井技術(shù)，對深層巖體的工程地質(zhì)評價，有其獨特的優(yōu)點。它不但簡便易行，快速經(jīng)濟(jì)，而且測定結(jié)果真實，具有代表性。近年來數(shù)字測井和計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，更使其展現(xiàn)出廣闊的前景，對巖體的工程勘探設(shè)計和施工都具有十分重要的意義。

2.1 原理簡述

巖石聲學(xué)探測技術(shù)中所涉及的聲波是在固體介質(zhì)中傳播的一種機(jī)械波。理論上波仔介質(zhì)中的傳播速度；

式中：Vp-從波速度；Vs-橫波速度；μ-切變模量；ε-彈性模量。

聲波傳播速度只取決于介質(zhì)本身的性質(zhì)，即介質(zhì)的彈性模量、剪切模量和密度。當(dāng)介質(zhì)均一時，其波速為常量。對于巖石來講，巖石的組分和結(jié)構(gòu)決定著彈性波的巖石和結(jié)構(gòu)面。因此，波在不同性質(zhì)的巖石（巖體）中傳播將出現(xiàn)不同的速度和振動特性，這就是巖石（巖體）聲波測井的理論依據(jù)。

聲波測井的方法是通過探管發(fā)射器向巖體發(fā)射彈性波，接受器把經(jīng)過巖體傳播一定距離后的彈性波再接收下來，獲得巖體彈性波的傳播時間及頻譜特征，經(jīng)過一系列的計算，然后結(jié)合被測鉆孔巖體的地質(zhì)特點對其進(jìn)行工程地質(zhì)評價。

2.2 巖石強度參數(shù)計算

常用的動態(tài)彈性參數(shù)一般有楊氏模量（E）、切變模量（μ）、體積模量（K）與泊松比（σ）。這些參數(shù)都可用測井?dāng)?shù)據(jù)按下列公式求出：

上述公式中巖石的密度值p用密度測井獲得；縱波時差△tp由聲速測井獲得；有時也可以利用縱波和橫波的一般經(jīng)驗比值，估算橫波時差。據(jù)有關(guān)資料，在砂巖中橫波時差一般為縱波時差的1.73倍。

當(dāng)沒有全波列測井時，可根據(jù)巖石的泥質(zhì)含量估算巖石的泊松比σ：

σ=0.125Q+0.27

式中：Q為相對泥質(zhì)含量，可由孔隙度測井和自然伽瑪測井得出：

式中：фs-聲波測井孔隙度

фD-密度測井孔隙度

Vsh，ф-自然伽瑪測井獲得巖石中泥質(zhì)含量和有效孔隙度然后根據(jù)σ求E、K、μ:

這種估算泊松比的方法一般只適合用于沙泥巖地層。

在目前的測井解釋中，普遍應(yīng)用強度指數(shù)R來估價巖體強度。

在煤田測井中，一般用R來估算煤層頂、底板的強度，它在數(shù)值上和巖芯樣品的抗壓強度不僅具有較好的相關(guān)性，而且數(shù)值也非常接近。在石油測井中R又稱產(chǎn)砂指數(shù)，它是衡量砂巖的強度參數(shù)。

有時也可以利用縱波和橫波的一般經(jīng)驗比值，估算橫波時差。據(jù)有關(guān)資料，在砂巖中橫波時差一般為縱波時差的1.73倍。

在目前的測井解釋中，普遍應(yīng)用強度指數(shù)R來估價巖體強度。

3 山陽井田地層巖石力學(xué)性質(zhì)分析應(yīng)用

山陽井田共進(jìn)行了22個鉆孔的密度、聲速測井工作，對所施測有的聲速原始資料應(yīng)用CLogProV2.0均進(jìn)行了巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的計算處理工作，確定巖石的物理力學(xué)性質(zhì)所采取的各種參數(shù)方法、信息，主要是密度測井和聲波測井所獲取的原始數(shù)據(jù)。通過計算機(jī)處理、計算獲得巖石的強度指數(shù)、體積模量、切變模量、楊氏模量、泊松比等巖石力學(xué)性質(zhì)資料的測井曲線和測井計算值，對所有的巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計和分析，地層巖石力學(xué)性質(zhì)匯總表見表1。這些數(shù)據(jù)資料是在原始自然狀態(tài)下獲得的，它是通過國內(nèi)外大量實踐工作而總結(jié)的一套行之有效的計算公式，是比較接近原始巖石的力學(xué)性質(zhì)，具有真實可靠性。

表1 西卓子井田測井計算巖（土）體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)匯總表

西卓子井田山西組、太原組含煤地層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)與測試資料比較，測井資料計算的參數(shù)值都比較高。文獻(xiàn)介紹，聲波、密度測井對巖石中的微小裂隙響應(yīng)不靈敏，絕大部分地層都存在微小裂隙，因此而削弱的巖石強度無法估計，這樣計算出的巖石強度指數(shù)為其上限。也可以看出由于同一地區(qū)、同一組內(nèi)巖石的礦物成分、膠結(jié)物、膠結(jié)程度，以及巖石的完整性、裂隙發(fā)育程度、層理等影響巖石強度的因素變化不大，所以巖石的強度主要取決于巖石的顆粒大小。粗粒砂巖的強度最大，泥巖的強度最小。所以利用測井資料計算巖石的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)客觀、準(zhǔn)確、成果可靠，全面反映了巖石的力學(xué)性質(zhì)，為以后的開發(fā)利用提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

4 山陽井田可采煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)性質(zhì)的分析

山陽井田共有3層可采煤層，煤層的頂板巖性一般為粉砂巖和細(xì)粒砂巖，個別有泥巖和中粒砂巖，底板巖性一般為泥巖和粉砂巖個別為粗粒砂巖。根據(jù)各種參數(shù)的數(shù)據(jù)與整個井田統(tǒng)計的各種巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)相比較，可以清楚的看出，煤層頂板巖石的強度指數(shù)、體積模量、切變模量、楊氏模量等各種參數(shù)的數(shù)值都比較高，與其它同類巖石參考比較，推斷結(jié)論是：煤層頂板巖石比較致密，耐壓能力強，不易破碎。底板巖石多屬致密、堅硬、半堅硬不易破碎的層狀巖石。另外，我們把這些數(shù)據(jù)與本井田進(jìn)行取芯分析，化驗資料比較基本吻合。這就充分說明：利用測井?dāng)?shù)據(jù)計算的巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，客觀、準(zhǔn)確可信度高，全面的反映了井田巖石的力學(xué)物理性質(zhì)，為山陽井田以后的開發(fā)利用提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)束語

通過以上資料的分析研究和資料的綜合對比，說明密度、聲速測井對巖石力學(xué)性質(zhì)的分析成果，能充分反映整個井田的煤層頂、底板巖石的力學(xué)特征。結(jié)合勘查鉆孔中取出的巖芯樣品的地質(zhì)描述及實驗數(shù)據(jù)測試資料，可進(jìn)行巖體的穩(wěn)定性評估和工程地質(zhì)評價。利用測井資料，既經(jīng)濟(jì)，又系統(tǒng)，全面的提高了地質(zhì)勘探工作的經(jīng)濟(jì)效益，為礦井建設(shè)和煤礦開采提供準(zhǔn)確、可靠的科學(xué)依據(jù)，具有重要的實用價值。

數(shù)字測井估算巖、煤層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)在山陽井田勘探中的應(yīng)用

■曹志堅

P314[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-10-65-2