福建尤溪剑溪矿区复煤层钻探与测井厚度误差原因分析

张蔚语

(福建省196地质大队，福建 漳州 363000)

0 引言

福建省尤溪县剑溪矿区煤矿勘查工作始于2007年，目前勘查阶段为详终。根据几期施工的钻孔测井资料，普遍存在复煤层测井厚度误差较大的情况，尤其是ZK7－5和ZK1－1钻孔揭露的煤层。因此，拟针对此问题选择这2个钻孔中比较典型、误差较大的5个煤层进行探讨，以便更加合理地确定煤层的最终可采厚度。

1 矿区概况

剑溪煤矿普查区位于尤溪县城23°方位，直距约23 km，行政隶属尤溪县中仙乡剑溪村管辖。矿区构造位置处于闽中断坳带中东部位，区域性政和—大埔北东向断裂斜贯全区(福建省地质矿产勘查开发局等，1998)，该区基本构造形态以北东向构造为主，北西向和南北向次之。其所处含煤带位置为福建省二叠系下统童子岩组含煤岩系东部北端(陈忠惠等，1993)(图1)。

图1 福建省构造单元分区及矿区位置略图Fig.1 Sketch map showing tectonic division of FujianProvince and the mining area location

研究区的含煤地层为下二叠统童子岩组(P1t)，主要出露于矿区中南部。由于滑脱断层影响造成童子岩组第一段(P1t1)和第二段(P1t2)缺失，区内仅保留童子岩组第三段(P1t3)，经地表、钻孔控制，童子岩组第三段(P1t3)整体上地层保存较为完好，厚度＞370 m，为一套河流－湖泊－沼泽－泥炭沼泽相沉积，以粉砂岩、泥岩为主，夹石英细砂岩，含煤层煤线24—34层，煤层厚度0.02～1.38 m，煤层总厚度7.32 m，含煤系数1.98%，其中可采煤层平均总厚度2.50 m，可采含煤系数0.98%(史幼宏等，2011)。由于矿区处于福建3个含煤带中东部含煤带的边缘，含煤地层岩性特征与其他地区略有不同，煤层结构相对复杂。

2 煤层煤质及结构特征

根据剑溪前期勘查资料，研究区童子岩组第三段(P1t3)可采煤层共有5层，煤层编号分别为15、16、17、18和19煤层。其中，不稳定大部可采煤层为16、19煤层，不稳定局部可采煤层为17、18煤层，极不稳定局部可采煤层为15煤层(史幼宏等，2011)。图2为剑溪矿区煤层对比图(局部)，图中的煤层厚度为根据笔者建议的最终采用厚度。本次重点研究的煤层为ZK7－5与ZK1－1的误差较大的5层复煤层，由于煤层尚未详细对比，煤层编号为暂定，因为本次研究主要分析煤层结构对测井的影响，为叙述方便，暂按1、2、3、4、5 顺序编号，其中 1、2、3号煤层位于ZK7－5钻孔，其他位于ZK1－1钻孔。煤层、煤质及结构特征见图3、表1。

从图3、表1可以看出：1号煤层含1层夹矸;3、4、5号复煤层均有2层夹矸;4号煤层结构从图面看似简单，但根据野外鉴定，该煤层夹有较多炭质泥岩薄层，结构更加复杂，也属于复煤层。而从测井成果看，1、3号煤层仅有1层夹矸，4号煤无夹矸，2、5号煤则为炭质泥岩。

图2 剑溪矿区煤层对比图(局部)Fig.2 Correlation of partial coal seams

图3 煤层野外鉴定与测井结构图Fig.3 Field identification and logging structure of coal seams

表1 煤层、煤质及结构特征Table 1 Characteristics of thickness，properties and structure of coal seams

3 煤层测井曲线特征

童子岩组煤系地层主要组成为：以深灰色、灰黑色粉砂岩、泥岩、炭质泥岩为主，夹石英细砂岩，以及煤层、煤线。本次钻孔测井主要依据侧向电阻率、自然伽马、长源距伽马－伽马和单收时差4条曲线判断煤层位置，确定煤层的深度、厚度及结构。利用测井曲线物性组合特征，能较好地进行地层的划分和煤层对比。研究区煤层为无烟煤，一般具有低视电阻率、低密度、弱自然放射性和正异常自然电位等特征(张松木，2010)。各种参数曲线反映：视电阻率(NR)为低幅值，人工放射性(GGL)为高幅值，自然放射性(GR)为低幅值，声波时差(ST)在正常情况下表现为负异常。各煤层测井曲线特征见表2。

表2从煤的物理性质特征与测井曲线的正常对应关系来看，1、3、4号正常反映煤的测井曲线特征，而2、5号则显示异常，2号表现为自然伽马值异常，4号主要表现为单收时差异常。若综合煤层厚度来看，5个煤层与曲线的正常对应关系均不准确，普遍表现为测井曲线反映煤层结构较简单，且厚度偏小，个别参数甚至反映出炭质泥岩的物性特征(图4)。

表2 各煤层测井曲线特征Table 2 List of the features of logging curves of coal seams

图4 各煤层测井曲线图Fig.4 Logging curves of different coal seams

4 野外鉴定与测井厚度的误差分析

4.1 野外鉴定

1、2、3、4和5号煤层野外鉴定钻探取芯厚度分别为 1.54、1.22、1.92、1.00、0.95 m，测井定厚分别为1.16、0.40(炭泥)、1.13、0.50 和0.83(炭泥)。

从图3看，钻探取芯率较高，5层煤平均采取率为86.7%，最高为97.9%(表3)，各煤层特征也较明显。但与测井解释成果对比，二者误差较大，而且测井厚度都低于钻探厚度，厚度绝对误差为0.12～0.82 m不等，平均差0.52 m;测井厚度平均为钻探厚度的60.87%，最大为97.37%。2号、5号煤从分析结果看(表1)，明显是煤，测井成果则为炭质泥岩，且厚度也偏小。产生这么大的误差，如果不分析误差、误判的原因，将会影响勘查质量与成果提交。

4.2 测井厚度误差产生的原因

地球物理测井是煤田勘探中的重要技术手段之一，只要根据本地的煤层地球物理特性，选用有效的测井方法，效果是比较好的;物性差异明显，通过测井方法判断煤层位置，确定煤层的深度、厚度及结构，也是基本可靠的。但剑溪矿区复煤层为什么钻探与测井结果会出现较大差异，其原因探讨如下。

(1)5个煤层侧向电阻率均为低幅值，对判层定厚意义不大。

(2)自然伽马测井主要用于区分岩性、定量计算地层的泥质含量。泥岩、页岩放射性元素含量高，自然伽马曲线幅度高;砂岩、煤放射性元素含量低，自然伽马曲线幅度低(申振强，2013)。砂岩中自然伽马曲线幅度随泥质含量增减发生变化。5个煤层中，2号煤层之所以表现为略高幅值，是因为煤层结构复杂，夹较多薄层炭质泥岩造成，自然伽马表现出泥岩的特征，而且连带降低人工伽马和声速测井高异常值，如果不参考岩煤芯及化验成果，极易判断为炭质泥岩。其他复煤层由于受夹矸的影响，如果夹矸为泥岩，就会拉高自然伽马值，降低人工伽马和声速测井值，此时如果以曲线半幅点确定岩层界面，就会造成煤层厚度偏小的情况。

(3)声速测井利用声波在不同密度的岩石中传播速度的差异，判定岩性和定量计算孔隙度的大小，是获得正确深时关系的基础数据。其获得的曲线称声波曲线或者声波时差曲线，反映了在规定时间内声波在固体介质内的传播速度，声波曲线的值越大，反映地层的传播速度越慢，地层弹性越差;反之，声波值越小，则弹性越大，深度越大(丁卫平等，2012)。泥岩、页岩、煤孔隙小较致密，声波穿越单位厚度地层用的时间短，速度快，所以，声速曲线幅度较高，呈尖刀状向右突出;砂岩孔隙发育，孔隙内含水，声波穿越单位厚度地层用的时间长，速度慢，声速曲线幅度较低、较平直;如果砂岩物性和孔隙中填充物发生变化，砂岩的声速曲线就会出现一些小的起伏或摆动;砂岩疏松，物性变好，曲线向右抬升;反之，砂岩致密，物性变差，曲线向左偏移(丁次乾，2008)。5号煤层煤芯上部纵向上1/3为泥岩，中部含2层夹矸，上层为细砂岩，下层为炭质泥岩，受夹矸的综合影响，造成声速曲线幅值偏低，以致于造成测井解释为炭质泥岩的误判。

表3 煤层野外鉴定及测井厚度变化情况对比Table 3 Correlation of coal thicknesses determined by field identification and logging

(4)长源距伽马测井，也叫人工伽马测井，用伽马源发射的伽马射线照射地层，根据康普顿效应测量地层体积密度的测井方法，在煤田测井中主要用于确定地层的体积密度，了解地层的岩性。其曲线特征表现为：峰值通常以岩层中心为对称;以γ为单位时，高密度层上具低γ值，低密度层上具高γ值;以密度层为单位时，高密层上具高密度值，低密度层上具低密度值(李舟波，2003)。从1—5号煤层人工伽马曲线分析，均有高γ异常显示，该曲线是4条曲线中，对煤的低密度特征反映最好的1条曲线，部分煤层峰值偏低，如图4中的2号、5号煤层，其主要原因是受夹矸的影响，尤其是煤层结构复杂，灰分含量高时，影响更为明显。

综上所述，造成测井厚度与钻探厚度误差较大的主要因素是煤层中的夹矸及灰分含量，尽管夹矸及灰分的物理性质与煤层存在较大差异，但由于煤层中的夹矸多、厚度小或灰分高，降低了煤层在不同曲线上的特征高值，有些曲线甚至出现非煤的性质，而有些非煤地层却出现似煤特征，如硅质胶结的砂岩、粗砂岩，具有较高的电阻率，低自然放射性特征;井径扩大的井段具有低放射性、低密度特征，再加上单一的测井曲线本身的多解性，因此用单一参数或2种参数进行判定，会导致测井曲线判层失误、煤层厚度变小的情况发生。

5 结论

(1)复煤层测井厚度与钻探厚度出现较大差异的主要原因是复煤层中夹矸，或煤层高灰分的影响。

(2)视电阻率、自然伽马、声速测井与人工伽马4种常用的测井方法，一般在煤层稳定、结构简单的情况下，选其2种参数算出平均值定厚、定深，就能满足规范要求。如果遇到复杂或高灰分煤层，曲线有异常，且界面不清，特别是顶、底板为高阻层时，往往会产生误判或解释厚度偏小。因此，用单一或任意2种测井参数对煤层进行定性、定厚解释都有可能出现错误的判定时，建议对煤层先做出定性解释，再根据煤层取芯率综合确定煤层采用厚度。如果煤层取芯率高达90%以上，且煤层结构清晰、宏观特征明显、顶底板完整，则以钻探结果为准定厚;如果煤层取芯率偏低，而测井曲线特征反映明显时，当以测井曲线判层为准。

(3)当现场出现如2号、5号煤层钻探与测井结果产生较大误差，测井曲线显示为炭质泥岩特征时，经野外鉴定煤层煤质特征明显，则以钻探成果为准，进行现场初步验收，否则按测井结果进行初验。现场出现较大争议的煤芯采样送检，最终成果则根据煤质测试结果予以纠正。

(4)在煤田测井定性、定厚和结构解释过程中，不参考钻探取芯率多少而坚持以测井曲线判断，或者因为钻探取芯率高，不参考测井曲线的特征而盲目拟合钻探结果都是不正确的。在测井煤层解释结果与地质编录出现问题时，有必要对取芯段的岩芯、煤芯进行实地鉴定，测井曲线与钻探取芯要相互对照，根据实际情况综合研究确定煤层厚度，既要充分发挥煤田测井技术的优势，也要尊重客观事实，使煤层定厚更加合理。

(5)根据上述原则，建议剑溪矿区的5个煤层中，1号、3号、4号煤层采取率＞90%时，应以钻探成果为主定厚;2号煤层以煤质分析结果定性，以自然与人工伽马曲线为主定厚;5号煤层以煤质分析结果定性，以钻探岩煤芯采取率为主，自然与人工伽马曲线为辅综合判层定厚。根据本研究成果重新判层和综合定厚后，剑溪矿区最后采用的煤层厚度更为合理，并被普查工作采用。

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