基于不同測井曲線的煤體結構識別
——以大同煤田塔山礦為例

段宏躍，段宏飛，謝衛東

(1.山西煤炭地質物探測繪研究院，山西 晉中 030600；2.大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037000；3.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤體結構是指煤層自形成以來經地質構造破壞后煤的結構和構造保留程度，根據煤體受地質構造破壞后的結構特征，煤體結構分為原生結構、碎裂結構、碎粒結構和糜棱結構4種類型[1-2]。煤體結構是煤層勘探、開采和煤層氣勘探開發的關鍵限制條件之一，因此識別煤體結構對于煤層開采及煤層氣優化具有重要意義。地球物理技術是識別煤體結構的重要方法，包括井徑測井值、聲波時差值、補償中子、補償密度、自然伽馬、三側向測井和密度測井等技術，并取得了重要的研究進展[3-5]。煤田測井技術能夠實現煤巖體地質結構特征的三維反映，該方法適用于宏觀煤體結構的分類等，如煤層發育層數和對應埋深、各煤層煤厚及煤層結構復雜程度，也適用于煤巖體物理參數的獲取，如煤巖孔-滲參數、油氣儲集層壓力系數、地溫梯度特征等，目前煤田地質學領域已將其視為詳查和勘探階段最為重要的技術手段之一[6-7]。龍王寅等[8]基于兩淮煤田的不同類型測井曲線特征研究，得出一套煤體結構解釋方法；徐光波等[9]通過鉆孔巖心及測井特征研究，定性識別出煤體結構特征；姚軍朋等[10]以孔隙結構指數m為評價指標，定量識別了構造煤的煤體結構特征；謝學恒等[11]將煤體結構指數N作為評價指標，定量識別煤體結構發育特征；尹歡等[12]通過三維地質建模，基于測井結果綜合評價了構造煤發育特征。

大同煤田塔山礦位于華北地臺，受加里東期、海西期、印支期、燕山期和喜馬拉雅期多期次構造改造疊加，盆地由海相沉積逐步轉變為陸相沉積，構造-沉積響應特征較為復雜，總體而言，該含煤盆地的構造類型多樣，煤體受損程度嚴重。而煤炭資源開發前，對煤體結構、區域煤巖類型的精準研究是煤礦工作部署必不可少的前期工作。但當前對于塔山礦煤體結構的綜合評價、構造煤的發育特征和控制因素的研究尚屬空白，亟須綜合整合及利于基礎地質資料進行深入探究。故而，本文以大同煤田塔山礦3～5號煤層為研究對象，統計了研究區內50余口鉆孔數據，以鉆孔巖心井徑測井值、聲波時差值、補償密度、自然伽馬、三側向測井和密度測井結果為研究依據，繪制了測井曲線，以交叉學科理論為研究思路，基于前人總結出的評價方法，以及各測井方法所得結果與煤體結構的對應關系，分別定性和定量評價了研究區3～5號煤層煤體結構特征，旨在厘清研究區煤體結構發育規律和構造煤的發育特征以及平面展布特征。

1 構造煤的地球物理特征

構造煤一般是指煤巖體沉積成煤后經構造作用產生相應的形變，并形成了一系列的結構和構造(圖1)。構造煤和原生結構煤之間差異明顯，于宏觀結構、物理特征、化學特征，包括微觀原子特征等均具有明顯差異性。因此，可借助構造物理特征差異，應用測井技術能夠識別構造煤。本次研究基于構造煤物理特性出發，參考構造煤物理差異性特征和前期試驗測試結果等，全面分析構造煤在不同測井技術應用條件下的測井曲線特征以及對應煤體結構。

圖1 不同煤體結構煤樣手標本

(1)密度差異性特征：構造煤為原生結構煤改造形成，煤巖體中宏觀-微觀尺度的孔-裂隙對應發育，孔隙度對應增加，密度變小。即認為同類煤巖中，構造煤密度明顯小于原生結構煤的。

(2)介質傳播差異性特征：相對于原生結構煤，構造煤具有低膠結程度、低密度和高孔隙度特征，以致構造煤中聲波的傳播速度明顯低于原生結構煤，震動波的傳播是通過煤巖體的震動完成，完整的煤巖中震動波折射次數相對較少，若煤體結構較為破碎導致折射次數增加，若以聲波時差表征，則在構造煤中，其值相對于原生結構煤較大。

(3)自然伽馬測井特征：構造煤與原生結構煤之間的自然伽馬值較為接近，說明地質運動改造對于自然伽馬值的影響微弱；局部區域煤層中或煤層地下水元素地球化學特征的差異性使煤巖體自然伽馬值存在較大跨度。

(4)中子測井特征：該方法基于煤巖體中氫原子差異性實現煤體結構識別，煤巖中低含水或不含水的條件下，氫原子含量接近，無明顯差異，中子測井技術難以有效識別煤體結構特征；若煤巖體含水率較高或水飽和條件下，上文提及構造煤中孔-裂隙較為發育，含水量明顯高于原生結構煤的，導致了氫原子含量也相應增高，對應中子測井值差異明顯。

(5)井徑的變化：相比于原生結構煤，構造煤存在擴徑現象，煤體越破碎，測井曲線的擴徑特征越明顯。

(6)電阻率差異性特征：上文已分析得出同類煤巖體中，構造煤破碎程度大，孔隙度增大，含水能力變強，鉆孔擴徑現象明顯，導致了煤巖的電阻率明顯減小，煤巖體的改造程度越高，越破碎，對應的視電阻率下降幅度越大。

2 研究依據與方法

眾多學者總結出了一套成熟的煤體結構評價標準與評價方法，利用交叉學科知識解決地質問題，其中以數學和地球物理學的結合成果最為顯著[13-16]。基于鉆孔實測數據，包括井徑測井值、聲波時差值、補償密度測井值、自然伽馬測井、三側向測井和密度測井等，由實踐經驗與測試分析得出了各個參數之間的地質聯系，以及參數與煤體結構間的對應關系[13-16]。

謝學恒等[11]研究得出，煤體結構指數N可應用于煤體結構識別，計算式為

N=(CAL×DT)/(100×DEN2)，

(1)

式中：N為煤體結構指數，無量綱；CAL為井徑測試結果，cm；DT為測井聲波時差值，μs/m；DEN為補償密度測井值，g/cm3。

當平均煤體結構指數N小于50且多數小于40時，可視為原生結構煤；N大于60且多數大于80時，可視為碎粒-糜棱煤；碎裂煤與碎裂-碎粒煤為過度階段煤，二者差異不大，即N小于70的視為碎裂煤，而N大于70的視為碎裂煤碎裂-碎粒煤。

原生煤所占該煤層厚度的比例A反映煤體結構破壞程度，

(2)

式中：A為原生結構煤比例；d1為煤層中原生結構煤厚度，m；d為該煤層總厚度，m。

一般認為，當A≤20%時，煤體受構造影響很大，煤體結構以碎粒-糜棱煤為主；20%60%時，煤體受構造影響很小，煤體結構以原生結構煤為主。

3 結果與討論

3.1 基于煤體結構指數的煤體結構解釋

上文分析了構造煤與原生結構煤測井曲線的差異及對應控制機理，基于此，應用測井曲線反映的煤巖體密度特征、孔隙度特征、含水率特征和鉆孔擴徑特征等對煤巖類型和煤體結構特征進行劃分。煤巖體的沉積特征控制著巖層中放射性元素類型和含量，一般而言，煤層具有自然伽馬特征，判別標識明顯；煤層的密度值一般介于1.25～1.75 g/cm3，煤層圍巖的密度一般高于2.3 g/cm3，遠高于煤層。此外，測井密度特征也可表征煤層結構復雜程度，識別出煤層中的夾矸；構造煤發育區域的鉆孔擴徑現象明顯，井徑測井值遠高于原生結構煤發育區域的。

首先，根據測井曲線區別煤層與其他巖體，其次，聚焦于煤層內，基于煤體結構指數計算結果，完成煤體結構識別和分類工作。結合大同煤田塔山礦20余口取巖心鉆孔、測井結果進行煤體結構識別，對比煤巖手標本觀測結果，原生結構煤層段的平均煤體結構指數均<50，相對而言，構造煤層段的平均煤體結構指數>50，由此可判別原生結構煤和構造煤，具體數據參考表1。

由表1可知，碎裂煤層段的煤體結構指數為55.7～70.8，平均69.2；碎裂-碎粒煤的煤體結構指數為57.9～78.1，平均70.4；二者在煤體結構曲線上處于原生結構煤與糜棱煤之間；碎粒-糜棱煤的煤體結構指數為54.5～80.6，平均76.7。

表1 大同煤田3～5號煤層煤體結構及其他巖類測井特征

具體應用時，原生煤與構造煤易于區別，當煤層段平均煤體結構指數<50，同時，大多計算點位煤體結構指數<40，將此區段劃分為原生結構煤；當煤層段平均煤體結構指數>60，同時，且有存在一定量的計算點位煤體結構體數>80，將此區段劃分為碎粒-糜棱煤；碎裂煤與碎裂-碎粒煤為過渡階段煤，二者差異不大，可認為平均煤體結構指數<70的為碎裂煤，而平均煤體結構指數>70的為碎裂煤碎裂-碎粒煤。

由于受地質作用影響，煤層的破壞程度增大，煤體孔隙度增大，密度減小，聲波的傳播速度減慢，從大同煤礦兩口井的測井曲線看，研究區3～5號煤層在測井曲線上具有高電阻率、高聲波時差、高井徑，低自然伽馬值、低密度的特征，一般將其簡稱為“三高兩低”，圍巖曲線的區別較大，易于識別(圖2)。表明煤體結構與電阻率、聲波時差、井徑，自然伽馬值、密度等測井參數存在著一定的相關性。

圖2 塔山礦ZK3鉆孔3～5號煤層測井曲線特征

大同煤田塔山礦ZK3號鉆孔3～5號煤層測井曲線如圖2所示，共分為6層，夾矸5層，煤層中部受巖漿巖侵入影響部分變質為天然焦，可見煌斑巖。煤層相對復雜，煤體結構指數為29.2～84.9，平均68.7，整體處于碎裂煤與碎裂-碎粒煤過渡階段，頂底兩煤層為原生煤，未見糜棱煤。

3.2 不同結構煤體平面展布特征

不同煤體結構類型對于礦井開采過程中施工布置，機械設備的應用等有一定的指示作用，確定井田的煤體結構區域性分布特征對礦井工作效率意義重大。本次研究共收集大同煤田塔山礦50余口鉆孔巖心和測井資料，基于煤體結構指數法分別計算了3～5號煤層煤體結構分層特征和厘清了煤層厚度分布特征。在區域煤體結構可視化分析過程中，通過原生煤在3～5號煤層中的厚度比例系數A表征煤體結構的完整性，當A≤20%時，認為受構造影響很大，認定該區域的煤層主要為碎粒-糜棱煤；當20%﹤A≤40%時，認定該區域中煤層主要為碎裂-碎粒煤；當40%﹤A≤60%時，認為煤體結構整體以碎裂煤為主；當A>60%時，認為受構造影響很小，認定煤體結構整體以原生煤為主。

在大同塔山礦區共收集31口鉆井、測井資料，通過上述方法劃分了3～5號煤層煤體結構分層及厚度，結合區域構造的主要發育位置及井下煤體結構觀察，繪制了塔山礦3～5號主采煤層煤體結構平面分布圖(圖3)。由圖3可知，大同塔山礦區3～5號主采煤層煤體結構相對比較復雜，受構造運動影響較大，整體呈現“中間構造煤發育，四周原生煤發育，構造煤以碎裂煤為主，見碎粒-糜棱煤發育”特征。

圖3 塔山礦3～5號煤層煤體結構平面展布特征

通過對比研究區煤體構造發育特征，發現3～5號煤層煤體結構特征明顯受構造發育規律控制(圖4)。圖3中存在幾處碎粒-糜棱煤和碎裂-碎粒煤發育區，而相對構造綱要圖中，正是構造復雜區，具體而言，構造煤發育的區域內斷裂構造及褶皺極為發育，斷裂密度高，延伸長度大，褶皺所造成的地層平面變形復雜，且不同斷裂和褶皺間的構造交點多，地層破壞嚴重，導致了原生煤體破碎，進而形成了破碎的構造煤，總體而言，構造越復雜，煤體結構越破碎。而原生煤，即原生結構煤主要發育于研究區邊緣區，對比構造綱要圖，發現區域內構造穩定，大型斷裂即褶皺發育較少，甚至不發育斷裂，因此構造簡單，地層及煤層保存條件較好，大部分為原生結構煤。

圖4 塔山礦構造綱要簡圖

研究區太原組3～5號煤層，為三大成煤期之一的石炭-二疊系煤層，研究區地處華北克拉通內，陰山—燕山緯向構造帶南部。自石炭-二疊系3～5號煤層形成以來，研究區先后經歷了海西期、印之期、燕山期和喜馬拉雅期構造運動，多其構造作用疊加，形成了目前研究區的構造格局，對應形成了當今的3～5號煤層煤體結構分布特征。塔山礦勘探和采掘過程中工程布置參考3～5號煤層煤體結構特征展布規律，可大大降低施工過程中卡鉆、漏水等發生概率，有效提高開采效率和安全性。

4 結 論

(1)建立了大同煤田塔山礦3～5號煤層煤體結構及其他巖性的敏感測井曲線響應范圍表，并對應計算了煤體結構指數N和原生煤比例A。并通過計算煤體結構指數N，劃分了原生結構、碎裂結構、碎裂-碎粒結構和碎粒-糜棱結構4類煤體結構類型。

(2)通過塔山礦特征鉆孔的測井曲線分析，發現3～5號煤層在測井曲線具有高電阻率、高聲波時差、高井徑，低自然伽馬值、低密度的特征，圍巖測井曲線的特征區別明顯。原生結構煤發育于井田周圍，受構造影響較小，而中部煤體破碎嚴重，尤其是雁8，W903和T401孔周圍最為嚴重，為碎粒-糜棱巖。

(3)研究區構造煤發育及展布特征明顯受構造作用控制，煤體結構破碎區對應了構造復雜區，而周邊及局部構造簡單區，3～5號煤層煤體結構則以原生煤為主。這表明構造規模、延伸特征、構造交點分布等嚴重影響了煤體結構的穩定性。