構(gòu)造煤地球物理測井定量判識研究-

1、第36卷增刊1煤炭學報Vol.36Supp.12011年5月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYMay2011文章編號:0253-9993(2011S1-0094-05構(gòu)造煤地球物理測井定量判識研究姚軍朋1,司馬立強1,張玉貴2(1.西南石油大學資源與環(huán)境學院,四川成都610500;2.河南理工大學瓦斯地質(zhì)研究所,河南焦作454000摘要:為定量判識構(gòu)造煤并獲取構(gòu)造煤的高精度厚度信息,以巖石物理與測井地質(zhì)應(yīng)用技術(shù)為指導,研究了構(gòu)造煤的地球物理特征結(jié)果表明:與原生結(jié)構(gòu)煤相比,構(gòu)造煤在地球物理測井曲線上通常表現(xiàn)為低電阻率高聲波時差低密度井徑擴徑補償中子值可能增大等特征基于巖石

2、物理研究結(jié)果,提出利用孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 作為構(gòu)造煤定量判識指標,闡明了用測井資料通過Archie 公式求取構(gòu)造煤孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 的方法與定量判識可行性,將該方法在兩個煤田進行實際應(yīng)用,效果表明:用孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 定量判識構(gòu)造煤并確定厚度是可行的,能夠大大減小定性判識誤差關(guān)鍵詞:構(gòu)造煤;地球物理測井;定量判識;孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)中圖分類號:P631.8文獻標志碼:A收稿日期:2010-05-24責任編輯:韓晉平基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863資助項目(2006AA06Z220Quantitative identification of deformed coals by geophysical

3、loggingYAO Junpeng 1,SIMA Liqiang 1,ZHANG Yugui 2(1.Department of Resource and Environment ,Southwest Petroleum University ,Chengdu 610500,China ,2.Institute of Gasgeology ,Henan Polytechnics University ,Jiaozuo 454000,China Abstract :In order to quantitatively identify and obtain highprecision thic

4、kness,geophysical characteristics of deformed coal were studied with rock physics theory and logging applied technology.The results show that,compared with undeformed coal,deformed coal has low resistivity,high interval transit time,low bulk density,expanding well diameter,probability increasing neu

5、tron porosity in the geophysical logging curve.Based on the rock physics results,the porous structure exponent m was proposed as the quantitative identification index of deformed coal,and illustrated how to calculate with logging curves by Archies formula and the methods feasibility.After the method

6、 was used to identify the deformed coal based on the practical logging data from two coalfield,the application results show that it is effective to use the porous structure exponent to identify the deformed coal and determine its thickness,and the method cangreatly reduce the error of the qualitativ

7、e identification.Key words :deformed coal;geophysical logging;quantitative identification;porous structure exponent 構(gòu)造煤對煤與瓦斯突出分布有重要的控制作用,也是當前制約煤層氣開發(fā)的瓶頸之一構(gòu)造煤是指煤層在構(gòu)造應(yīng)力作用下,發(fā)生成分結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的物理化學變化,引起煤層變形破壞粉化流變等物理效應(yīng)和力化學降解力化學聚合作用的產(chǎn)物1構(gòu)造煤作為構(gòu)造作用的產(chǎn)物必然保留地球物質(zhì)演化的痕跡2,在煤巖地球物理性質(zhì)和參數(shù)上有所表現(xiàn)若能夠提前探測到煤體結(jié)構(gòu)特征及構(gòu)造煤分布規(guī)律,將對煤礦安全管理和煤層氣開

8、發(fā)提供第一手參考資料煤田地質(zhì)勘探表明,地球物理測井信息能夠反映煤體結(jié)構(gòu)特征,很多學者都嘗試利用測井資料識別構(gòu)造煤層,取得了一些重要成果3-7由于受測井儀器巖石物理和人為因素影響,構(gòu)造煤的判識研究目前仍然處于定性階段,定量判識研究較少8,各種判識方法并沒有得到實際推廣應(yīng)用針對構(gòu)造煤在煤增刊1姚軍朋等:構(gòu)造煤地球物理測井定量判識研究礦安全與煤層氣靶區(qū)優(yōu)選中的重要性,以及鉆孔測井資料判識構(gòu)造煤的廣闊應(yīng)用前景,而目前構(gòu)造煤判識又沒有定量化與統(tǒng)一的判別標準,本文通過分析構(gòu)造煤巖石物理特征與測井響應(yīng)特征,運用測井地質(zhì)應(yīng)用技術(shù),探討構(gòu)造煤地球物理測井的定量判識方法,以滿足當前煤礦安全管理和煤層氣勘探開發(fā)的需

9、要1構(gòu)造煤地球物理特征根據(jù)構(gòu)造對煤體結(jié)構(gòu)的破壞情況,文獻9-11依據(jù)煤體結(jié)構(gòu)對煤體進行了分類研究構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤不僅在宏觀結(jié)構(gòu)上,而且在物理性質(zhì)電學性質(zhì)化學性質(zhì)和放射性等方面都有差異許多學者都在實驗室和現(xiàn)場作了大量實驗12,實驗結(jié)果證實了它們的差異性根據(jù)前人研究,運用巖石物理理論對構(gòu)造煤進行了地球物理特征分析1.1構(gòu)造煤巖石物理特征(1構(gòu)造煤密度特征實驗證明,構(gòu)造煤不僅增加了中孔和過渡孔的孔容,而且也影響到微孔的孔容原生結(jié)構(gòu)煤被破壞成構(gòu)造煤時影響到各種尺度的孔容,中孔過渡孔微孔的增加會降低煤的密度所以,同一井田同一煤層內(nèi)不同煤體結(jié)構(gòu)的煤密度存在差異,構(gòu)造煤低于原生結(jié)構(gòu)煤,構(gòu)造煤破碎程度越大密

10、度越小(2構(gòu)造煤電學性質(zhì)實驗數(shù)據(jù)顯示,同一煤田同一煤層在相同變質(zhì)程度情況下構(gòu)造煤比原生結(jié)構(gòu)煤破碎,物理化學性質(zhì)有不同程度的變化構(gòu)造煤中自由基濃度高13,小分子含量也會增加14,大量的自由基和小分子與煤層中的水分子共同作用,使煤的電化學性質(zhì)發(fā)生改變,煤中的導電網(wǎng)絡(luò)變發(fā)達,導電離子在電場作用下更加自由地遷移,結(jié)果使電阻率減小,電導率增大,這使得構(gòu)造煤和原生結(jié)構(gòu)煤之間存在著明顯的電學性質(zhì)差異(3構(gòu)造煤聲學特征與原生結(jié)構(gòu)煤相比,構(gòu)造煤密度小,結(jié)構(gòu)疏松,孔隙與微裂隙發(fā)育,這些因素導致其中傳播的聲波速度減小,聲波時差增大,同時也會吸收聲波能量,導致聲波能量衰減,最終在聲學參數(shù)的差異上表現(xiàn)出來,這些特征對利

11、用聲學參數(shù)識別構(gòu)造煤提供了基礎(chǔ)條件(4構(gòu)造煤的強度11-12,15大量實驗研究表明,原生結(jié)構(gòu)煤的強度系數(shù)f值較大,隨煤階升高呈整體增大的規(guī)律性變化對于同一礦區(qū)同一煤層和煤階的煤體,f值主要決定于煤的破壞程度,隨破壞程度增高煤體強度有規(guī)律地降低構(gòu)造煤比較破碎,煤顆粒細小,強度低,f值很小,力學強度參數(shù)普遍小于原生結(jié)構(gòu)煤1.2構(gòu)造煤地球物理測井響應(yīng)特征原生結(jié)構(gòu)煤與圍巖相比硬度小,后期構(gòu)造作用使其遭到破壞,導致煤體被摩擦擠壓剪切拉張揉皺破碎,變成構(gòu)造煤1與原生結(jié)構(gòu)煤相比,構(gòu)造煤的物理化學性質(zhì)都會發(fā)生變化,用測井儀器探測構(gòu)造煤巖石物理參數(shù)能夠了解構(gòu)造煤的巖石物理參數(shù)的變化要準確地判識出構(gòu)造煤,必須從測

12、井原理構(gòu)造煤地球物理特性出發(fā)16-17,并結(jié)合構(gòu)造煤巖石物理特征和實際資料,對構(gòu)造煤地球物理測井響應(yīng)特征進行系統(tǒng)的分析總結(jié),測井響應(yīng)具有以下特征: (1電法測井特征同一煤層中,由于構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤的物性差異,構(gòu)造煤的視電阻率通常比原生結(jié)構(gòu)煤有所降低(電導率升高,下降幅度越大反映出煤體的破壞程度就越高;煤為非極性體,井壁不易形成泥餅,所以煤體破壞程度對擴散吸附過濾電動勢的影響不大,產(chǎn)生的自然電位一般沒有明顯的規(guī)律性變化(2聲波測井特征構(gòu)造煤比原生結(jié)構(gòu)煤膠結(jié)程度差,孔隙更發(fā)育,密度顯著減小,聲波在構(gòu)造煤中的傳播速度一般小于原生結(jié)構(gòu)煤,而聲波時差與聲速成反比,通常構(gòu)造煤的縱波橫波聲波時差比原生結(jié)構(gòu)

13、煤要大,常出現(xiàn) 周波跳躍”現(xiàn)象,聲波能量測井曲線上有能量衰減現(xiàn)象(3放射性測井特征煤本身不含放射性元素,自然伽馬值通常很低,構(gòu)造煤的自然伽馬測井曲線與原生結(jié)構(gòu)煤相比差異很小受煤體雜質(zhì)或含放射性元素的地層水影響,有些地區(qū)的煤層含有較高的放射性元素,構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤的自然伽馬值可能有差異構(gòu)造煤破壞程度高,孔隙增加,密度減小,用伽馬射線照射煤層時,構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤相比吸收的伽馬射線增加,散射的伽馬射線減小,其強度就減小,伽馬-伽馬(補償密度測井值表現(xiàn)為低值中子測井主要測量地層的含氫指數(shù),構(gòu)造煤和原生結(jié)構(gòu)煤在含氫指數(shù)上基本無差別,因此干煤的中子測井值幾乎相同;但構(gòu)造煤比原生結(jié)構(gòu)煤孔隙裂隙發(fā)育,小分

14、子數(shù)量增加,含水量有所變化,當含氫指數(shù)較大時構(gòu)造煤的中子測井值就會比原生結(jié)構(gòu)煤有所增高另外,構(gòu)造煤的井徑測井曲線特征表現(xiàn)為擴徑,破碎程度越高擴徑現(xiàn)象越明顯2構(gòu)造煤定量判識研究綜合考慮構(gòu)造煤的各種物理化學特征,在構(gòu)造煤地球物理測井定量判識研究中,主要根據(jù)不同類型構(gòu)造煤的物性差異進行判識59煤炭學報2011年第36卷2.1定量判識參數(shù)巖石物理參數(shù)變化反映出巖石物理化學性質(zhì)不同,測井儀器能夠連續(xù)地采集巖石的物理參數(shù),研究這些參數(shù)能夠揭示出巖石的本質(zhì)1942年Archie 用充滿地層水的純砂巖進行實驗研究,得到了巖石電阻率與巖石結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系,即著名的Archie 公式F =R o R w =a m式

15、中,F 為地層因素;R o 為100%飽含地層水的巖石電阻率,m;R w 為地層水電阻率,m;為地層孔隙度;a 為巖性系數(shù);m 為孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)或膠結(jié)指數(shù)對Archie 公式兩邊取對數(shù),整理后得m =(lg R w +lg a -lg R o /lg 由于a 接近于1,于是m =(lg R w -lg R o /lg m 為巖石膠結(jié)程度的反映,與巖石孔隙的大小均勻性彎曲程度和表面積有關(guān)構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤的最大區(qū)別就在于孔隙結(jié)構(gòu)特征或膠結(jié)程度不同,因此,孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 是區(qū)別構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤的重要參數(shù)計算m 時用到巖石孔隙度,可以運用密度-中子或密度-聲波交會法求取根據(jù)煤質(zhì)組分建立測井解釋體積模

16、型,把煤層體積看成是純煤灰分水分3部分對測井響應(yīng)的貢獻之和,即D EN =V c c +V a a +V w w C NL =V c N c +V a N a +V w N w A C =V c A c +V a A a +V w A w 1=V c +V a +V ìîíïïïïïw式中,D EN C NL A C 分別為煤的密度中子聲波測井值;i N i A i 和V i (i =caw分別為純煤灰分水分的密度值中子值聲波值和相對體積2.2定量判識可行性分析煤層泥質(zhì)含量低,受鉆井擾動作用,鉆孔周圍煤層瓦斯大量放

17、散,對測井影響可以忽略不計,完全滿足Archie 公式的應(yīng)用條件巖電實驗證明,孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 是巖石骨架膠結(jié)程度巖石顆粒巖石孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙網(wǎng)絡(luò)的綜合反映同一煤級的原生結(jié)構(gòu)煤膠結(jié)程度高,煤體致密,煤中孔隙呈孤立分布,孔隙曲折度較高,煤體中的導電基和導電離子少,導電通道少而且連通性差使得導電路徑變長,所以電阻率通常較高,m 值比較大原生結(jié)構(gòu)煤隨著破壞程度由小到大逐漸變成塊狀破裂煤或碎裂煤粒狀碎粒煤粉狀糜棱煤隨著原生結(jié)構(gòu)煤的破壞,煤顆粒間的孔隙與微裂隙發(fā)育,顆粒由大變小,比表面積增加,孔隙曲折度變低,煤中導電的自由基濃度小分子數(shù)量也會不斷增加,孔隙導電路徑會大大改善,導電網(wǎng)絡(luò)變發(fā)達且連通性好,煤的電

18、阻率也開始由高變低各種因素的綜合作用會在孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 的變化上表現(xiàn)出來,其結(jié)果是孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 逐漸變小這與砂巖逐漸到泥巖的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)變化相似同一煤田同一煤層隨著煤體破壞程度增加,煤巖孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)會由大到小發(fā)生變化,這對構(gòu)造煤的定量判識提供了可行性2.3應(yīng)用效果分析目前,許多學者對構(gòu)造煤的分類主要考慮粒度大小結(jié)構(gòu)成因等因素,研究目的不盡相同本文從構(gòu)造煤對煤礦安全與煤層氣勘探開發(fā)的重要意義出發(fā),借鑒前人研究,依據(jù)不同類型構(gòu)造煤的物性差異和地球物理測井響應(yīng)特征,將煤體劃分為3類:I 類為原生結(jié)構(gòu)煤,II 類為破裂或碎裂狀構(gòu)造煤,III 類為碎?；蛎永鉅顦?gòu)造煤該分類有利于構(gòu)造煤的地球物理測井判識

19、,且對煤礦安全或煤層氣開發(fā)有指導作用對兩個煤田相同煤層(均為無煙煤的測井曲線資料計算了煤巖孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m ,見表1計算的構(gòu)造煤定量判識參數(shù)m 的結(jié)果表明:原生結(jié)構(gòu)煤(I 類的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 值一般大于1.41,平均在1.491.77;破裂煤或碎裂煤(II 類的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 值在1.081.67,平均在1.191.50;碎粒煤或糜棱煤(III 類的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 值在0.481.37,平均在0.841.27表1煤體結(jié)構(gòu)判別結(jié)果統(tǒng)計Table 1Results of coal structure identified井名不同煤體結(jié)構(gòu)的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 值范圍I 類II 類III 類1.191.50

20、0.841.27研究區(qū)資料計算結(jié)果顯示,相鄰破壞程度煤的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 有一定的交叉重疊,一方面是因為受煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及非均質(zhì)性影響,另一方面是因為受測井儀分辨率和測井環(huán)境的影響根據(jù)統(tǒng)計的結(jié)果能夠較明確地將煤體結(jié)構(gòu)劃分為三大類69增刊1姚軍朋等:構(gòu)造煤地球物理測井定量判識研究深入分析研究區(qū)資料的計算結(jié)果與應(yīng)用效果,將孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m >1.5作為研究區(qū)原生結(jié)構(gòu)煤判識的下限,很容易將原生結(jié)構(gòu)煤與構(gòu)造煤區(qū)別開來而構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 隨著煤體破碎程度而變化,煤體越破碎,孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 值越小當孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m <1.3時,仍能夠?qū)⒀芯繀^(qū)85.7%的III 類煤與II 類煤區(qū)分開,且判識的煤

21、厚絕對誤差小于0.2m若消除井眼圍巖和測井環(huán)境影響判識精度將會進一步提高圖1為利用孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 對煤體結(jié)構(gòu)類型判識的結(jié)果從圖中可知,用m 值很容易將煤層與圍巖區(qū)別開,m 值的突變點即為煤層與圍巖的分界點對圖中II 類煤層厚度若僅根據(jù)曲線形態(tài)應(yīng)劃分在762.2m 處,實際分析表明在761.8m 更為合適;同樣,圖中的III 類煤層厚度應(yīng)該在766.2m 處,利用m 值作為判識指標判識煤體結(jié)構(gòu),能夠減小定性判識帶來的誤差分析認為,構(gòu)造煤層的圍巖在鉆井過程中受擾動影響易破碎坍塌,測井曲線上表現(xiàn)為 假構(gòu)造煤層”特征,增加了定性判識的誤差孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 是煤巖物理參數(shù)的綜合反映,用來進行定量判識能夠減

22、小判識誤差 圖1某地區(qū)6井中構(gòu)造煤判識結(jié)果Fig.1Identified results of deformed coal in well 6in an area補償密度單位為g /cm 3;聲波時差單位為s /m;補償中子單位為%3結(jié)論依據(jù)煤體結(jié)構(gòu)的分類,分析總結(jié)了構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤的地球物理特征與測井響應(yīng)特征,同一煤田同一煤層的構(gòu)造煤與原生結(jié)構(gòu)煤差異顯著:構(gòu)造煤易破碎,井徑擴徑,擴徑幅度反映構(gòu)造煤破壞程度;構(gòu)造煤電阻率低,電阻率下降的幅度反映出煤體的破壞程度;構(gòu)造煤密度小,伽馬-伽馬(補償密度測井值表現(xiàn)為低值;聲波時差值大,測井曲線上常出現(xiàn) 聲波跳躍”現(xiàn)象,聲波能量測井有衰減;中子測井值可

23、能有所增大這些差異為利用地球物理測井判識構(gòu)造煤提供了基礎(chǔ)基于構(gòu)造煤的巖石物理與測井響應(yīng)特征,提出利用孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 進行構(gòu)造煤的定量判識闡明了利用Archie 公式求取構(gòu)造煤的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 的方法,分析表明采用孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 進行構(gòu)造煤定量判識是可行性實際應(yīng)用效果表明:相鄰破壞程度煤的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 值域有一定的交叉重疊,利用m 值將構(gòu)造煤分為很小的類有困難,但能夠較明確地將煤體結(jié)構(gòu)劃分為原生結(jié)構(gòu)煤破裂或碎裂狀構(gòu)造煤碎?；蛎永鉅顦?gòu)造煤三大類,對煤礦安全和煤層氣開發(fā)有指導作用研究認為,用孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m 判識構(gòu)造煤及進行厚度確定是一種有效的新方法,對研究區(qū)來說能夠大大減小定性判別造成的誤差,對煤

24、礦安全和煤層氣開發(fā)工作有重要的參考價值由于研究資料有限,該定量判識方法僅對無煙煤層進行了研究,對于其它煤級的煤層還需深入研究參考文獻:1張子敏.瓦斯地質(zhì)學M.徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2009.2曹代勇.試論煤田構(gòu)造應(yīng)力場研究的形變標志物J.煤炭學報,1991,16(1:73-80.Cao Daiyong.Deformation indicators for study of tectonic stresses field in coalfieldsJ.Journal of China Coal Society,1991,16(1:73-80.3張子敏,張玉貴.大平煤礦特大型煤與瓦斯突出瓦斯地

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