關(guān)于煤體結(jié)構(gòu)判識(shí)方法的探討

羅 沙，汪凌霞

（1.貴州省煤層氣頁(yè)巖氣工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽(yáng) 550008；2.貴州煤礦地質(zhì)工程咨詢與

地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，貴州貴陽(yáng) 550008；3.貴州省煤田地質(zhì)局水源隊(duì)，貴州六枝 553400）

關(guān)于煤體結(jié)構(gòu)判識(shí)方法的探討

羅 沙1，2，汪凌霞1，3

（1.貴州省煤層氣頁(yè)巖氣工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽(yáng) 550008；2.貴州煤礦地質(zhì)工程咨詢與

地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，貴州貴陽(yáng) 550008；3.貴州省煤田地質(zhì)局水源隊(duì)，貴州六枝 553400）

煤體結(jié)構(gòu)是煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵地質(zhì)條件，也是煤層氣高滲高產(chǎn)的決定性因素。本文對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的判斷方法進(jìn)行了歸納，其一是通過(guò)煤心直接用肉眼進(jìn)行鑒別；其二是通過(guò)測(cè)井曲線響應(yīng)特征進(jìn)行間接地定性或定量識(shí)別。分析認(rèn)為:煤心鑒別法最直接、可靠，但受取心率、煤心污染破壞程度、取心成本及數(shù)量等因素的限制，在實(shí)際運(yùn)用中有一定的局限性；測(cè)井曲線識(shí)別法是在大量數(shù)據(jù)中尋找煤體結(jié)構(gòu)與各測(cè)井參數(shù)的規(guī)律特征，應(yīng)用更廣泛，需事先校正和處理測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，建立適合不同地區(qū)的測(cè)井解釋圖版。建立煤體結(jié)構(gòu)判識(shí)圖版，量化各測(cè)井參數(shù)對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)煤層氣選區(qū)評(píng)價(jià)和后期的儲(chǔ)層改造具有重要意義。

煤體結(jié)構(gòu)；煤層氣；判識(shí)方法；測(cè)井響應(yīng)

我國(guó)晚古生代含煤盆地大多經(jīng)歷了多次不同規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，煤層遭受不同程度的構(gòu)造變形破壞，形成了不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型構(gòu)造煤[1，2]。煤層氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明，煤體結(jié)構(gòu)在地質(zhì)選區(qū)評(píng)價(jià)、鉆井與固井儲(chǔ)層污染、儲(chǔ)層改造與排采等煤層氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)中扮演重要角色，而這些環(huán)節(jié)都與煤層氣井產(chǎn)量的高低息息相關(guān)[3]。如何利用現(xiàn)有資料進(jìn)行煤體結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確判斷，是煤層氣開(kāi)發(fā)工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

1 煤體結(jié)構(gòu)的識(shí)別方法

國(guó)內(nèi)外對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的劃分較多，常用的有四分法、三分法和二分法（見(jiàn)表1）。原煤體結(jié)構(gòu)四類(lèi)分法主要是針對(duì)煤礦開(kāi)采而進(jìn)行的分類(lèi)，與GB/T 30050-2013中煤體結(jié)構(gòu)劃分方案基本一致，即煤體結(jié)構(gòu)分為原生結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、碎粒結(jié)構(gòu)和糜棱結(jié)構(gòu)，其中后三種統(tǒng)稱為構(gòu)造煤；根據(jù)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)際應(yīng)用情況，為深入弄清煤儲(chǔ)層物性特征及其展布形態(tài)，不少學(xué)者在四類(lèi)分法的基礎(chǔ)上，衍生出三類(lèi)分法[4，5]（Ⅰ類(lèi)原生結(jié)構(gòu)煤、Ⅱ類(lèi)過(guò)渡煤、Ⅲ類(lèi)構(gòu)造煤）和二類(lèi)分法[6]（原生煤和構(gòu)造煤）。不同類(lèi)型煤體結(jié)構(gòu)對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)的影響不同，劉宇等[7]認(rèn)為原生-碎裂煤和碎裂-碎粒煤均有利于煤層氣的產(chǎn)出和開(kāi)發(fā)，但產(chǎn)氣效果前者強(qiáng)于后者，而碎粒-糜棱煤則不利于煤層氣的產(chǎn)出。

表1 煤體結(jié)構(gòu)分類(lèi)表Tab.1 Classification of coal body structure

目前判斷煤體結(jié)構(gòu)的方法主要可以分為兩類(lèi):直接法（煤心鑒別）和間接法（利用測(cè)井、超聲波等資料）。直接法是通過(guò)鉆孔煤心、煤層露頭或井下揭露的煤層進(jìn)行宏觀描述、定性識(shí)別[8]，間接法主要是通過(guò)現(xiàn)代測(cè)井技術(shù)識(shí)別煤體結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特征，建立煤體結(jié)構(gòu)圖版進(jìn)行定量或定性表征，也可結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律進(jìn)行煤體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)[9]，其中煤心資料是直接反映煤層煤體結(jié)構(gòu)的最準(zhǔn)確最重要的資料[10]，但在實(shí)際運(yùn)用中表現(xiàn)出較大的局限性[11]。

2 煤心直接識(shí)別法

煤體結(jié)構(gòu)判識(shí)最直接的方法就是對(duì)煤心的煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀、準(zhǔn)確地觀察與鑒別，由于采用肉眼進(jìn)行宏觀描述，一般采用四類(lèi)分法。煤心主要來(lái)源于鉆孔取心，少量為未風(fēng)化的煤層露頭以及生產(chǎn)礦井已揭露煤心，而出露的煤層因年代久遠(yuǎn)，通常風(fēng)化嚴(yán)重或早被挖空，本文不再說(shuō)明。

2.1 鉆孔煤心描述

鉆孔取心通常使用的是繩索取心，根據(jù)鉆孔鉆遇巖層巖性和煤層垮塌（與煤體結(jié)構(gòu)有關(guān)）情況，所用泥漿液濃度也不同。受煤體結(jié)構(gòu)類(lèi)型差異的影響，煤中裂隙發(fā)育情況也不同，且煤層硬度較小，不同類(lèi)型的煤心受鉆頭切割產(chǎn)生破裂時(shí)形成的煤心形狀也具差異，主要有塊狀、柱狀、餅狀、粒狀、糊狀。不同形狀的煤心和煤體結(jié)構(gòu)之間有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[8]（見(jiàn)表2），對(duì)比兩者的特征，可作為鉆孔煤心煤體結(jié)構(gòu)的判識(shí)依據(jù)。由于可以真實(shí)的、直觀的觀察煤心，此種方法對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的描述可靠性很高。

雖然利用煤心形狀從宏觀層面上對(duì)煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接、定性地判斷，具有簡(jiǎn)易性和可行性，但仍在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在一定的局限性，（1）受地質(zhì)構(gòu)造、鉆井工藝技術(shù)等影響，鉆井取心過(guò)程中煤心易受到破壞，特別是構(gòu)造煤，往往破裂成粒狀、糊狀后隨鉆井液返出而未進(jìn)入巖心管，導(dǎo)致取心率低[10]；（2）由于煤層氣勘探程度較低，受政策、成本等限制取心井投入較少；（3）以往煤田勘探成果中未重視煤體結(jié)構(gòu)的重要性而對(duì)鉆孔煤心的描述不規(guī)范，缺少煤體結(jié)構(gòu)的詳細(xì)描述信息。

2.2 生產(chǎn)礦井編錄

由于生產(chǎn)礦井開(kāi)挖方式對(duì)煤層煤體結(jié)構(gòu)基本不產(chǎn)生影響，因此對(duì)其揭露的煤層結(jié)構(gòu)依據(jù)GB/T 30050-2013中煤體結(jié)構(gòu)劃分方案進(jìn)行實(shí)際編錄即可。通過(guò)觀察揭露煤層的層理、宏觀煤巖類(lèi)型、煤的粒級(jí)和形狀、強(qiáng)度、裂隙構(gòu)造發(fā)育情況，繪制煤體結(jié)構(gòu)柱狀圖，可以直接反映煤礦區(qū)煤體結(jié)構(gòu)[12]。

但由于礦井揭露區(qū)有限，無(wú)法直接預(yù)測(cè)未采區(qū)煤層的破碎程度，但可綜合地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律推測(cè)[9]。

表2 煤心形狀與煤體結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.2 Corresponding relationship between core shapes and coal body structure

3 測(cè)井曲線識(shí)別法

利用煤心判識(shí)煤體結(jié)構(gòu)受煤心采取率和數(shù)量等的限制，特別是對(duì)于構(gòu)造煤的判識(shí)，作為傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法的井下編錄和鉆孔取心均具有一定局限性[13]，而測(cè)井資料非常豐富，其對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)中的煤體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)研究尤為重要[14]，因此近年來(lái)在煤層氣開(kāi)發(fā)選區(qū)評(píng)價(jià)時(shí)，眾多學(xué)者[4-7]在利用測(cè)井資料判識(shí)煤體結(jié)構(gòu)方面作了大量的研究和實(shí)例驗(yàn)證，效果較好，歸納來(lái)看，主要分三種:利用以往煤勘測(cè)井資料（自然伽馬、電阻率、伽馬伽馬）、利用煤層氣測(cè)井常規(guī)九條以及利用井徑曲線，其中前兩種最為常用。

受沉積環(huán)境和后期構(gòu)造的影響，不同煤體結(jié)構(gòu)煤的物理性質(zhì)差異較大，表現(xiàn)在隨著破壞程度的增高，煤中的自生和外在裂隙增多，體積、密度、孔隙、強(qiáng)度等發(fā)生變化，含水性增強(qiáng)，導(dǎo)電性變好，在測(cè)井曲線上響應(yīng)特征不同。要準(zhǔn)確地識(shí)別煤體結(jié)構(gòu)，須從測(cè)井原理出發(fā)，找出不同煤體結(jié)構(gòu)在測(cè)井曲線上的響應(yīng)特征（見(jiàn)表3），再結(jié)合鉆井取心資料進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 利用以往煤勘測(cè)井資料

煤層氣開(kāi)發(fā)初期，由于參數(shù)井?dāng)?shù)量少且取心成本高，選區(qū)評(píng)價(jià)很大程度上是基于以往的多次煤炭勘查成果，大量的煤田孔測(cè)井資料中包含豐富的煤體結(jié)構(gòu)信息。煤田勘探較常用的測(cè)井曲線包括電阻率（三側(cè)向）、自然電位、伽馬伽馬（也稱為人工伽馬或密度）、自然伽馬以及井徑等曲線。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)煤體物性差異反映明顯的主要是電阻率曲線、伽馬伽馬曲線和自然伽馬曲線。

具體識(shí)別方法:首先依據(jù)測(cè)井曲線識(shí)別的精度以及實(shí)際工作的需要確定分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，大部分學(xué)者采用三類(lèi)分法[5]，并依據(jù)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)已有的煤心描述和采區(qū)煤壁進(jìn)行重新描述、編錄、分層、定厚；其次按照區(qū)內(nèi)標(biāo)志層校正測(cè)井曲線，收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行歸一化處理；最后利用聚類(lèi)分析法等對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行煤體結(jié)構(gòu)類(lèi)型的劃分，總結(jié)各結(jié)構(gòu)類(lèi)型煤的測(cè)井曲線響應(yīng)特征，響應(yīng)特征規(guī)律（見(jiàn)表3）。

表3 不同煤體結(jié)構(gòu)部分測(cè)井曲線響應(yīng)特征Tab.3 Logging response characteristics of varies coal body structures

3.2 利用煤層氣常規(guī)綜合測(cè)井資料

煤層氣勘查開(kāi)發(fā)時(shí)期的鉆孔基本按照《煤層氣資源勘查技術(shù)規(guī)范》（GBT 29119-2012）中的要求進(jìn)行了綜合測(cè)井（常規(guī)九條），以便提供更多的信息指導(dǎo)后期的開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)工作。區(qū)分不同煤體結(jié)構(gòu)的原理方法與煤田測(cè)井資料類(lèi)似，主要在于找出不同煤體結(jié)構(gòu)所反映的測(cè)井參數(shù)特征或建立測(cè)井解釋模板，區(qū)別在于測(cè)井參數(shù)更多，獲取的信息越多，準(zhǔn)確度越高。

在不同的地區(qū)，使用的測(cè)井參數(shù)組合不同，采用的方法不同，許多學(xué)者根據(jù)不同地區(qū)的特點(diǎn)做了大量探索工作，取得了良好效果，如張?jiān)S良等[9]將地質(zhì)構(gòu)造與測(cè)井曲線結(jié)合起來(lái)定量劃分煤體結(jié)構(gòu)；何游等[10]通過(guò)對(duì)聲波阻抗－補(bǔ)償中子交匯由定性到定量綜合分析實(shí)現(xiàn)了煤體結(jié)構(gòu)的定量判識(shí)；傅雪海等[4，16]利用測(cè)井曲線形態(tài)劃分了煤體結(jié)構(gòu)；湯友誼等[17]利用斜率方差法對(duì)煤層段測(cè)井曲線進(jìn)行了分層，并考慮了測(cè)井曲線斜率變化，最終采用概率統(tǒng)計(jì)法對(duì)煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了判別；侯月華等[18]采用對(duì)應(yīng)分析（即R-Q分析）法建立了測(cè)井參數(shù)與煤心取樣之間的疊合關(guān)系來(lái)劃分煤體結(jié)構(gòu)。

利用測(cè)井曲線定量表征煤體結(jié)構(gòu)是目前常用的重要方法之一，主要原理在于不同煤體結(jié)構(gòu)具有不同測(cè)井響應(yīng)特征。但除煤體結(jié)構(gòu)外，測(cè)井技術(shù)條件、鉆井液性質(zhì)、井徑、煤質(zhì)等多種環(huán)境因素均可引起測(cè)井曲線發(fā)生變化，因此在利用測(cè)井曲線劃分煤體結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)綜合多種參數(shù)進(jìn)行對(duì)比與驗(yàn)證，以保證判識(shí)成果可靠。

4 結(jié)論

（1）不同煤體結(jié)構(gòu)的煤心具有不同的形狀，根據(jù)不同煤心形狀便能確定其煤體結(jié)構(gòu)。雖然此法從宏觀層面上直接、定性進(jìn)行煤體結(jié)構(gòu)判識(shí)，簡(jiǎn)易、可靠，但因受取心率、煤心污染破壞程度、取心成本及數(shù)量、描述規(guī)范性等因素的影響，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在一定的局限性，應(yīng)盡量從地質(zhì)、鉆井技術(shù)等方面控制，提高辨識(shí)度。

（2）豐富的煤炭、煤層氣測(cè)井資料是判識(shí)煤體結(jié)構(gòu)最有效的方法之一，不同地區(qū)不同測(cè)井參數(shù)在不同煤體結(jié)構(gòu)上的響應(yīng)不同，需建立適合不同地區(qū)的解釋圖版。但測(cè)井響應(yīng)除了反映煤體結(jié)構(gòu)外，還會(huì)受到測(cè)井技術(shù)、鉆井液性質(zhì)、井徑、煤巖灰分含量等因素的影響，應(yīng)在有條件情況下利用先進(jìn)的數(shù)字測(cè)井提高精度，綜合多測(cè)井參數(shù)線對(duì)煤體結(jié)構(gòu)的反映，相互應(yīng)證，建立相關(guān)性更好的解釋圖版。

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Discussion on methods of coal body structure identification

LUO Sha1，2，WANG Lingxia1，3
（1.Guizhou Provincial CBM and Shale Gas Engineering Research Center，Guiyang Guizhou 550008，China；2.Guizhou Coal Mine Geological Engineering Consultant and Geological Environmental Monitoring Center，Guiyang Guizhou 550008，China；3.Water Source Team of Guizhou Coal Geological Bureau，Liuzhi Guizhou 553400，China）

Coal body structure is a crucial geological condition in CBM exploration target optimization,and is also a dominant factor influencing the permeability and production of CBM.Identification methods of coal body structure have been induced in the paper,one is direct identifying based on observation of coal cores,and other is indirect quantitative or qualitative identification by logging response characteristics.The analysis shows that coal cores identification is the most direct and reliable,but restricted by factors such as coring rate,pollution degree of coal cores,coring cost and quantity,et al,which have certain limits in practice applying.Identification by logging curves is widely applied with searching regularities and characteristics between coal body structures and logging parameters from abundant data,but need to revise and manage logging data before establishing different chartsfitting different areas.Establishment identification standard for coal body structures and quantization of effects of various logging parameters on coal body structures have important significance for CBM exploration target optimization and late reservoir reconstruction.

coal body structure；CBM；identification method；logging response

TE122.11

A

1673-5285（2017）04-0098-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.04.025

2017－03-14

貴州省地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào):2016-0；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào):12120114020201-05共同資助。

羅沙，男（1983-），碩士研究生，工程師，目前主要從事煤層氣、頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)工作。