郑庄地区煤岩结构的测井响应特征及分布规律研究

刘 静 汪 剑 付 蔷 谭青松 孙社敏

(中国石油华北油田公司地球物理勘探研究院，河北 062552)

1 概况

郑庄地区位于沁水盆地南部，总体构造形态为一马蹄形斜坡，东、西、南三个方向为隆起区;北部与沁水盆地腹部相接。区内地层宽阔平缓，地层倾角一般2～7°，平均4°左右。区内大断层稀少，无岩浆活动，属构造相对简单的斜坡带。

目前，主要产气煤层为早二叠世山西组的3号煤层，为三角洲平原沼泽环境中形成的，延伸稳定，是盆地内主要可采煤层之一。工区内煤层厚度一般在5m左右，局部可达7m。

2 煤岩的物理性质及特征曲线的选择

2.1 煤的主要物理性质

工区主要煤层为无烟煤，与其它变质程度的煤岩相比，物理性质总体表现为密度大、导电性较好、硬度大、脆性小和内生裂隙不发育等特点。

2.2 煤岩的特征测井曲线

在煤层气开发实践中，常用的测井有三条孔隙度 (补偿中子、补偿密度、补偿声波)，三条电阻率 (深侧向、浅侧向、视电阻率)及三条岩性(自然伽玛、自然电位、井径)等9条曲线。

通过对郑庄、樊庄地区47口测井资料中3号煤及围岩的五种岩性测井响应的统计，煤具有高电阻率、高声波时差、低自然伽马、低体积密度的特征;灰岩具有高电阻率、高体积密度、低自然伽马、低声波时差的特征;砂岩具有中等电阻率、中等声波时差、低自然伽马、中高体积密度值的特征;泥岩具有低电阻率、中等声波时差、高自然伽马、中等体积密度值的特征;煤矸石具有中高电阻率、中高声波时差、中高自然伽马、中低体积密度值的特征。

煤层具有“三高两低”的电性特征，“三高”为高声波时差，晋城地区煤岩的声波时差值基本在350～450μs/m范围内 (表1)，砂岩、泥岩地层声波时差基本在200～300μs/m之间，因而煤层的高时差值的特点非常明显;高补偿中子值，该地区的煤层补偿中子值基本在50～60g/cm3之间，这也是煤层非常突出的特征;高电阻率值，晋城地区煤层深浅侧向电阻率基本在4000～7000Ω·m，数值均比相邻的砂泥岩地层要高。“两低”为低自然伽马值，与砂岩地层、碳酸盐岩地层类似，煤层也具有低的自然伽马值，一般比砂岩地层数值稍低，比碳酸盐岩地层稍高;低补偿密度值。受煤层分子成分决定，煤层的体积密度值基本在1.2～1.5g/cm3之间，与其他地层相比，特征很明显。

表1 晋城地区测井响应特征数值

由于煤层的体积密度、声波时差、补偿中子与顶底板砂泥岩在测井响应值上差异大，三孔隙度曲线“两高一低”的煤层响应特征具有唯一性。

3 煤岩结构的识别及电性特征

3.1 煤岩结构的划分

原生沉积的煤层其原有结构保存完好，由于煤层硬度小，后期构造的变动会使煤层的原生结构遭到破坏。煤体结构是煤岩在构造应力作用下形变的产物，即煤层各组成部分的颗粒大小、形态特征乃至物理性质发生变化，是煤储层渗透率的间接反映。

由于煤体破碎程度不一，煤体结构通常被分为原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤4类。

由于原生结构煤、碎裂煤煤体结构相对较完整，强度高，储层可改造性好，尤其碎裂煤发育区渗透性好，很可能形成煤层气的富集高产，是煤层气勘探开发过程中的主要目的层。

而碎粒煤、糜棱煤煤体结构松软，强度低，渗透性差，易造成卡钻、砂埋、井眼堵塞等复杂事故，在煤层气勘探开发过程中应尽量避免在构造煤发育区进行勘探。

为便于在煤层气勘探开发过程中，更好地研究、预测煤储层物性特征和展布规律，在原煤体结构四类分法的基础上，采用了原生煤和构造煤的二类分法 (表2)，其中原生煤与原生结构煤、碎裂煤相对应，该类煤适合煤层气的勘探开发;构造煤与碎粒煤、糜棱煤相对应，该类煤不适合煤层气的勘探开发。

3.2 煤岩结构的识别及电性特征

由于测井方法具有分别率高、识别效果好、快速直观、费用低廉等特点，可弥补取心、试井及煤芯分析等方面的不足，因此，测井技术成为识别预测煤岩结构的重要手段。

如何提高测井曲线识别煤体结构的准确性?

最为有效的方法就是把生产矿井中对煤体结构的实地观测结果同邻近钻孔测井曲线进行对比，确定不同煤岩结构的测井曲线特征形态 (资料缺乏);将钻井取芯取出的煤岩芯样品，同其测井曲线进行对比，确定不同煤岩结构的测井曲线特征形态 (资料有限，且煤岩取芯率低);利用原生结构煤与构造煤在各种物理性质上的差异，造成在多种参数测井曲线上的不同电性特征，对煤体结构进行判识，通过多曲线的综合分析来确定煤体结构。

3.2.1 一般原理

由于煤岩层特定的物理性质，与其顶底板的岩石之间存在巨大差别，在测井参数响应上就会产生明显的差异;同样，就煤层本身而言，同种成因、同一变质程度的煤，受后期构造运动的影响，煤体结构遭受破坏，与原生结构完整的煤体相比，其各种物理性质都会发生变化，从而引起煤岩电性曲线特征的差异。采用不同的测井方法，可以准确探测出煤体的各种物性特征的变化。

利用测井曲线对煤岩结构进行的识别与划分，主要还是以测井曲线幅值大小和形态特征的相对变化来识别与认定，目前还处于定性阶段，可分为四个步骤来完成:确定煤层－结构识别－划分煤层厚度－分析分布规律。

表2 煤体结构分类

3.2.2 影响因素

在煤阶不变的条件下，测井响应除了反映煤体结构外，还会受到钻井液性质、井径、煤岩灰分含量等因素的影响。通常情况下，钻井液对曲线的影响有一定的规律性，它不影响曲线的基本形态，易于识别。而灰分含量对曲线幅值的影响较小，不会影响到对煤体结构识别。

扩径可以造成声波时差增大，密度降低，中子升高;但由于深测向探测距离为1.5～2.2m，浅测向探测距离为0.33m，因此，扩径一般不会影响深测向曲线形态，其分辨率为0.6m。

图1 沁水盆地南部华溪x－x井综合录井图

3.2.3 煤体结构的识别

3.2.3.1 原生煤的电性响应特征

原生煤曲线形态特征是判识煤体结构的基础。主要利用差异变化较明显的五条曲线:补偿密度、声波时差、自然伽马、深浅侧向电阻率和井径曲线，其中起决定作用的是补偿密度、声波时差和井径曲线。

完整的原生煤井径曲线近似缓波浪状，无明显扩径 (图1);

补偿密度曲线呈明显负箱形异常，峰顶陡直近微齿状，密度值为1.3～1.5g/cm3(图1、2);

声波时差曲线呈明显正箱形异常，峰顶陡直近微齿状，时差值为400～430μs/m(图1、2);

图2 原生煤声波与密度交汇图

自然伽马曲线在大部分情况，对煤层有较低的响应值，呈明显箱型负异常，但一般在煤层顶、底部含有较多灰分时，或煤层顶底板是砂岩时，自然伽马对界面的响应则变得模糊，表现为漏斗形、反漏斗形或钟形，伽马值15～75API(图1、3);

图3 声波与自然伽玛交汇图

一般情况下煤岩顶底部灰分含量较高，电阻率幅值会有所降低，深浅侧向电阻率曲线呈高幅值钟形异常，曲线圆滑较对称，电阻率值变化较大，最大值一般在3000～8000Ω.m(图1、4)。

图4 声波与深浅侧向电阻率交汇图

3.2.3.2 煤矸的电性响应特征

由于煤矸的主要组成部分是粘土含量高的岩石，因此，在自然伽马曲线和补偿密度曲线上表现为明显的尖峰状正异常，自然伽马和密度曲线对识别夹矸起到了关键性的作用。

煤矸段无明显扩径，在声波时差曲线上表现为脉冲状负异常，在电阻率曲线上表现为峰状负异常(图5)。

各曲线异常幅值的大小与煤矸的厚度和岩石成份有关。

3.2.3.3 构造煤的电性响应特征

图5 沁水盆地南部晋试1x井综合录井图

通常具脆性的原状煤，在构造应力作用下，比砂泥岩组成的围岩更容易遭到破坏而破碎。随着破坏程度的增加，煤岩的碎裂程度会不断加大，从而导致煤岩强度下降、含水性增强，引起传播速度降低、导电性变好、井壁易垮塌等物理性质的变化，这些变化都会在各种测井响应上有所反映，并且，随煤体破坏程度加深，其曲线的变化幅度会更加明显。其中变化最为明显的是井径曲线和深侧向曲线，它们在构造煤的判识中起决定性作用，声波时差曲线起辅助作用。

完整的原生煤井径曲线近似缓波浪状，无明显扩径;而发育构造煤的井径由于煤体破碎，扩大比较严重，呈明显的箱型或钝峰状，峰顶较圆滑(图6);

图6 沁水盆地南部郑试5x井综合录井图

原生煤其电阻率曲线呈高幅值钟形异常，曲线圆滑较对称。而发育构造煤的井段，由于煤中水分增加，导致煤的电阻率值明显降低，一般均存在数量级的差别，曲线上表现为低峰状正异常 (图7);

图7 沁水盆地南部郑试1x井综合录井图

原生煤声波时差曲线呈明显正箱形异常，峰顶陡直近微齿状，而发育构造煤的井段，由于煤体破碎，时差值一般大于430μs/m，曲线呈明显台阶状(图6);有统计分析表明，纵波速度降低幅度为4.8%－25.7%，平均约13%;

在构造煤发育的井段，由于煤体破碎，孔隙、裂隙等的增加，煤岩密度会减小，而粘土含量的增高，也会使自然伽马增大，但在补偿密度和自然伽马曲线上响应值都较低 (图8、9)，差异不明显，有交叉，分析原因主要是灰份的影响较大。

图8 固10－x综合录井图

有统计分析表明，构造煤的密度降低幅度一般为1.4%～8.6%，平均为5%，而在补偿密度曲线上，只有0.1g/cm3左右的降幅，特征不明显，因此，补偿密度曲线一般只做为构造煤识别的辅助曲线。

图9 郑试5x综合录井图

井径扩大，声波时差没有增大，深浅侧向相对没有明显降低，可能不是构造煤。

3.2.4 煤岩结构厚度的划分

煤层厚度是评价煤层气资源量大小的一项重要参数。利用测井资料可以对煤岩结构的厚度进行准确地划分，也就是准确地划分出原生煤、构造煤和夹矸的厚度。

各种结构类型煤分层的定厚应在反映变化相对明显的主要参数曲线上进行，以发生变化的曲线半幅点为准，同时参考其他测井曲线划分煤岩结构的界面，确定原生煤、构造煤的厚度。

对厚度较薄的夹矸或煤岩，可以曲线发生变化的始末点作为分层界线点，两点之间的厚度即为夹矸或煤岩的分层厚度。

4 郑庄-樊庄地区3号煤层结构的展布规律

而同一煤层在一定的区域范围内其沉积环境、物质来源基本稳定，煤层组成、煤质、物性等也基本相近或存在一定变化趋势，因此，同一原状煤层的不同物性参数曲线，在一定区域范围内有着各自相类似的基本形态特征，当煤体结构的变化导致物性改变时必然引起曲线形态特征的相应变化。

本次通过对工区内182口测井资料的分析，在煤岩结构分布上取得以下几点认识。

4.1 完整原生煤的分布情况

3号煤层中没有构造煤或夹矸发育，整体为完整或较完整的原生煤的井，主要分布在研究区东部地区 (图10)。

图10 沁水盆地南部华溪2－x井综合录井图

4.2 对煤矸分布规律的认识

平面上:3号煤层中夹矸在研究区绝大部分(90%以上的井)区域均发育;纵向上:夹矸主要发育在3号煤层的下部，距煤底2m左右处，厚度一般在0.5～2m之间 (图11)，个别井区在煤岩上部也有发育。

图11 沁水盆地南部东xx－x井综合录井图

4.3 对构造煤分布规律的认识

平面上:构造煤主要发育在研究区的上部和中心部地区;东部地区几乎没有构造煤发育，西部地区构造煤也较少发育。纵向上:构造煤主要发育在3号煤层的下1/3～1/2处 (图12a)，但在研究区西北部，构造煤主要发育在煤层的上1/3～1/2处(图12b)，厚度一般在1～3m之间;个别井区3号煤岩均为构造煤，厚度有5～6m。

5 结语

郑庄地区3号煤岩的分布规律:完整原生煤主要分布在研究区东部地区;夹矸煤平面上在研究区绝大部分 (90%以上的井)区域均发育;构造煤主要发育在研究区的北部和中心部地区。

图12 沁水盆地南部郑试4x井综合录井图

通过分析，基本掌握了郑庄地区“构造煤”的展布规律，可以在部署煤层气羽状水平井时规避风险，为煤层气开发选区提供依据。

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