基于测井资料的临汾区块煤体结构识别及其分布规律

魏迎春 闵洛平 常东亮 李 超 张傲翔 曹代勇

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京市海淀区，100083)

不同煤体结构类型煤的破碎程度不同，对煤层气排采中煤粉产出具有很大影响。姚征等利用物理模拟实验手段研究认为碎粒煤对煤层气排采影响最大。识别煤层煤体结构类型对煤层气的开采具有重要的意义，目前国内外学者在利用不同的测井参数资料识别煤体结构方面作了大量研究并取得一定的成果。张玉贵利用电阻率曲线、自然伽马曲线和人工伽马曲线识别了构造煤。龙王寅等总结了煤体结构类型与测井曲线形态之间的关系,并划分了煤体结构。姚军朋等利用测井资料定量判识构造煤。陈跃等利用测井曲线组合识别了韩城区块的煤体结构。孟召平等分析了晋城矿区不同煤体结构对井径、声波时差、补偿中子、自然电位、自然伽马等响应特征。程相振等探讨了井径曲线与煤体结构关系。张晓玉等运用测井解释识别韩城区块不同煤体结构类型，分析了其与产出煤粉特征的关系。尽管国内外学者对煤体结构进行了大量研究，但大多数研究是从煤体结构对瓦斯突出、煤储层渗透性和含气量等方面的影响的角度出发，而从煤体结构方面研究煤层气排采中煤粉产出的较之甚少。测井结果受多种因素影响，不同区域测井参数响应差异较大，特定方法只针对具体的研究区适用。因此，本文选择了煤层气排采中煤粉产出严重的临汾区块，通过对临汾区块参数井煤芯样品和测井响应参数对比分析，划分区内煤层煤体结构类型，总结适合本区的不同煤体结构类型对应测井参数组合特征，识别5#和8#煤层的煤体结构类型，并预测Ⅲ类煤发育，为煤层气产出煤粉的管控措施乃至煤层气勘探开发提供理论依据。

1 研究区概况

临汾区块位于鄂尔多斯盆地东南缘，是鄂尔多斯盆地东缘煤层气田的重要组成部分，研究区构造断裂情况如图1所示。区块整体为一西倾单斜构造，地面构造相对复杂，单斜、背斜、挠褶和断裂构造特征比较明显。研究区内部发育有NE-SW向的古驿—窑渠背斜贯穿全区，背斜两侧断裂构造发育。

临汾区块主要含煤地层为石炭—二叠系的太原组和山西组地层，含煤超过10层。其中，山西组5#煤层和太原组8#煤层为煤层气勘探开发的主采煤层。5#煤层全区发育，分布稳定，总厚度3～13.5 m，位于山西组下部，下距K7砂岩3.88～16.80 m。顶板为泥岩、泥质粉砂岩及砂岩；底板为泥岩、沥青质泥岩及砂岩。8#煤层全区发育，分布稳定，总厚度4.8～23 m，位于太原组中下部，K2灰岩为其直接顶板，底板为铝土质泥岩、泥岩及粉砂质泥岩，含根化石。临汾区块开采煤层埋深普遍900～1200 m，埋深大且构造相对复杂。

图1 研究区构造断裂图

2 煤体结构类型划分及测井曲线组合特征

2.1 煤体结构类型划分

由于钻井取芯过程会对煤芯造成不同程度的损坏，若按照煤体结构分类标准(GB/T 30050-2013)将其分为原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤，从钻井煤芯识别原位状态的煤体结构较难。对于煤层气勘探开发而言，原生结构煤和碎裂煤产出煤粉较少，对煤层气开发影响较小，而碎粒煤和糜棱煤受到构造强烈破坏，易产出大量煤粉，造成煤粉堵塞煤层气渗流通道、煤粉埋泵、煤粉卡泵等，不利于煤层气产出，降低了煤层气单井的产能。基于以上因素考虑，将临汾区块煤体结构类型划分为Ⅰ类煤、Ⅱ类煤和Ⅲ类煤，分别为块煤(原生结构煤)、块粒煤(碎裂煤和部分碎粒煤)和粒粉煤(碎粒煤和糜棱煤)，如表1所示。

表1煤芯与煤体结构类型对应表

2.2 不同煤体结构测井曲线组合特征

测井曲线解释煤体结构的原理主要基于不同煤体结构类型煤的物性差异表现出的不同特征。按照研究区内3口参数井的煤芯归位方法，将煤芯与对应深度的测井曲线进行对比分析，建立了以深侧向电阻率、井径、自然伽马为主要指标的煤体结构类型划分方法，归纳总结了不同煤体结构煤对应的测井曲线响应特征。

(1)深侧向电阻率测井特征。一般认为原生结构煤层深侧向电阻率较大，受构造破裂作用越强，破碎程度越严重，深侧向电阻率越小。也就是说，受构造破坏程度越大，深侧向电阻率减小幅度越大。

(2)井径测井曲线特征。原生结构由于结构完整，不易破碎，所处煤层段钻井时不易发生垮塌现象，测井曲线呈平滑的直线；破坏程度高的煤层段，由于裂隙发育，在钻井过程中钻井液的冲洗作用下，会出现明显的扩径现象，测井曲线会有凸起。井径测井曲线值的大小在一定程度上反映了煤层破碎程度，因此可以作为划分煤体结构的参数之一。

(3)自然伽玛测井特征。一般情况下，原生结构煤会有较高自然伽玛值，煤层遭受破坏后，裂隙发育，单位体积的自然伽玛值会减小。并非所有煤层自然伽马均表现为低值，由于矿物杂质的主要成分是黏土矿物，所以煤的自然放射性随灰分的增高而增强，表现出较好的线性关系。某些高灰分煤层甚至具有比围岩还要高旳放射性。

Ⅰ类煤深侧向电阻率普遍较大，一般大于2000 Ω·m，峰值高达5000 Ω·m，基本无扩径，自然伽马在42～108 API之间；Ⅱ类煤深侧向电阻率在500～2000 Ω·m，有较明显差异扩径，井径一般在25～40 cm，扩径在X、Y方向有较大差异，自然伽马在50～119 API之间；Ⅲ类煤深侧向电阻率小于500 Ω·m，自然伽马在84～162 API之间，井径一般在22.5～30 cm，稍微扩径或有在X、Y方向无差异扩径，如图2所示。

3 煤体结构分布规律

3.1 5#煤层煤体结构分布规律

研究区的开发井主要分布在古驿—窑渠背斜轴部，呈近南北向长条状展布。基于建立的测井曲线煤体结构解释模板，对研究区的两个主力开发煤层——山西组5#煤层和太原组8#煤层进行煤体结构解释，结果如表2所示。

图2 不同煤体结构的测井曲线组合特征及分层划分

研究区5#煤层各类煤体结构平面分布如图3所示，Ⅰ类煤主要分布于背斜的西翼，远离背斜轴部，且厚度逐渐增厚。Ⅱ、Ⅲ类煤在背斜两翼呈不对称分布，东厚西薄。Ⅱ类煤在背斜的东翼发育，有向东逐渐增厚的趋势，J9井附近最为发育。Ⅲ类煤分布在背斜的东翼，轴部附近煤层最厚，由轴部向东方后先增厚再变薄。综合分析，研究区的煤体结构分布主要受控于古驿-窑渠背斜和断层。

表2 5#煤层煤体结构及分层厚度

3.2 8#煤层煤体结构分布规律

根据研究区19口开发井测井资料识别出8#煤层煤体结构及其分层定厚结果如表3所示,8#煤层煤体结构分布如图4所示。Ⅰ类煤主要分布于背斜的西翼，有背斜轴部向西逐渐增厚的趋势。Ⅱ类煤在背斜两侧呈对称分布，由背斜轴部向两翼逐渐变薄，J9井处较为发育。Ⅲ类煤集中分布由背斜的东翼，远离背斜轴部先开始变薄，接近断裂带逐渐增后。研究区8#煤层煤体结构分布主要受背斜构造的影响，断层的影响次之，在断层与背斜双重构造作用影响下煤体破坏最为严重，Ⅲ类煤更为发育。

3.3 煤体结构与构造应力场关系

河东煤田在石炭-二叠聚煤期后，曾经历过印支期、燕山期及喜山期3次大的构造运动。临汾区块位于鄂尔多斯盆地东缘，属于河东煤田南部。

图3 5#煤层各煤体结构分布

临汾区块经历了三叠纪末的印支运动，受到近NS向的挤压应力，形成NW构造；燕山运动时期，临汾区块受到NW-SE向的挤压力，形成NE-NNE向的构造，同时，受吕梁山隆升推挤的影响，近NS走向的晋西挠褶带形成，由此形成了该区基本构造形态；喜马拉雅运动时期，以印度板块与欧亚大陆的碰撞作用为主而产生的NE-SW向挤压力，使鄂尔多斯盆地构造发生了负反转，盆地周边普遍发生断陷作用。多期不同性质的板缘构造活动，形成了鄂尔多斯盆地东缘总体呈W、NW向缓倾斜的大型单斜构造，属于具有过渡性质的盆缘构造区。构造发育具有明显的分带性，在东西方向上，盆缘以断层及伴生的挠褶为主，中部发育宽缓的褶皱，大宁—吉县地区位于晋西挠褶带南部，构造总体为NE-SW向单斜构造，伴有褶皱。构造煤是在构造应力的作用下形成的，在构造的不同部位，其地应力分布不同，如背斜构造轴部应力大于其翼部所受应力，因而Ⅱ类煤在背斜轴部较翼部更为发育。在背斜构造和断裂构造双重因素控制的区带Ⅲ类煤发育，而在远离背斜轴部和断裂的区带Ⅰ类煤更为发育。

表3 8#煤层煤体结构及分层厚度

3.4 煤体结构与煤粉产出的关系

煤层气开采过程中煤粉的产出与煤体结构存在一定的对应关系，原生结构煤的煤体结构完整，不易破碎，煤芯呈块状，裂隙不发育，不利于煤层气产出，但在采气过程中煤粉产出量最小。碎裂煤结构较为完整，但受构造破坏，煤芯呈碎块状，孔裂隙发育，有利于煤层气开发，但因煤体结构较破碎，压裂过程中致使储层破坏，增大煤粉产出量。碎粒—糜棱煤结构为碎粒状或鳞片状，煤芯呈细粒、粉末状，煤粉易堵塞储层裂隙，不利于煤层气开发，且在开发过程中产出大量煤粉，易发生卡泵现象。因此，查明Ⅲ类煤在区中的分布为制定煤粉管控措施提供依据。

图4 8#煤层各煤体结构分布

4 结论

(1)通过对参数井煤芯观察，将其进行分类Ⅰ类块煤、Ⅱ类块粒煤、Ⅲ类粒粉煤，对照测井曲线，归纳总结不同煤体结构测井曲线特征，Ⅰ类煤电阻率最高，一般大于2000 Ω·m，自然伽马负异常，幅值大，无扩径；Ⅱ类煤电阻率略有降低，一般为500～2000 Ω·m，自然伽马值负异常，幅值降低，有明显扩径，在X、Y方向扩径有差异；Ⅲ类煤的电阻率低于500 Ω·m，自然伽马负异常，幅值较小，无扩径或有轻微扩径。

(2)研究区内的5#、8#煤层煤体结构分布主要受控于古驿—窑渠背斜，以其背斜轴为分带线，西翼原生结构煤发育，东翼一侧构造煤发育。5#煤层中的Ⅰ类煤主要分布于背斜的西翼，远离轴部逐渐增厚；Ⅱ类煤在背斜的东翼发育，由西向东增厚；Ⅲ类煤的分布在背斜的东翼，轴部附近煤层最厚，由轴部向东先增厚再变薄。8#煤层中Ⅰ类煤主要分布于背斜的西翼，有背斜轴部向西逐渐增厚的趋势；Ⅱ类煤在背斜两侧呈对称分布，由背斜轴部向两翼逐渐变薄；Ⅲ类煤集中分布在背斜的东翼，远离背斜轴部先开始变薄，接近断裂带后逐渐增厚。研究区煤体结构的主控因素为背斜构造和东翼的断层。

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