两淮煤田煤层测井定厚中的“台阶”问题

2017-09-01丁文灿

宿州学院学报 2017年6期

关键词：炭质伽马煤田

卜军，赵锐，丁文灿

安徽省煤田地质局勘查研究院地质技术部,合肥，230088

两淮煤田煤层测井定厚中的“台阶”问题

卜军，赵锐，丁文灿

安徽省煤田地质局勘查研究院地质技术部,合肥，230088

“台阶”是煤层测井精细定厚过程中常遇到的一类现象，“台阶”问题实际是一类伴生在煤层边上或者夹在煤层中间的炭质泥岩划分问题。“台阶”问题的处理关乎最终提交的煤炭资源储量结果。通过介绍两淮地区煤系地层的基本情况、煤岩的测井响应特征，阐释了安徽煤田地质系统内煤层测井定厚的基本原则和方法，对两种不同类型的“台阶”在测井曲线上的表现形式、划分方法和背后的形成原因进行了详细论述，并尝试提出了处理“台阶”问题的最终解决方案。

两淮煤田；测井解释；煤层定厚；台阶

如果煤层硬度不高，受地质构造运动影响，地层中常常会发育构造煤(即粉煤)，加之钻探工作对煤层造成的影响，有时即便是块煤，也常会被震碎，导致煤心采取率较低[1]。这种现象在安徽两淮煤田煤炭勘查中普遍存在。

通过煤层定厚解释提供准确的煤层深、厚度是煤田测井的重要任务之一。但由于地层情况的复杂性、多样性和井眼中探测环境的特殊性，不同测井方法探测原理的差异、纵向分辨率的不一致，再加上人为主观因素的影响，测井解释员在煤层定厚解释上常存在一些容易为人所忽略的认知误区，这突出地反映在定厚解释中的“台阶”问题上。“台阶”问题实际是一类伴生在煤层边上或者夹在煤层中间的炭质泥岩划分问题，其中涉及到区域的煤层定厚原则和方法、薄夹层的测井划分等[2]。

因煤层定厚中的“台阶”问题而造成定厚解释误差通常要超过0.1 m ，而两淮地区煤系地层产状平缓(<25°)，煤炭资源量估算最低，可采厚度只有0.70 m，在这种情况下，“台阶”问题可造成较大的相对解释误差，且可能将可采煤层点解释为不可采点，从而影响煤炭资源储量的估算结果，尤其对薄煤层影响更大，甚至改变该煤层的稳定性。因此，煤层测井定厚解释中的“台阶”问题需要引起足够的重视。

1 两淮地区煤系地层概况

在中奥陶世以后，华北古板块整体抬升变成陆地，接受长期的剥蚀和夷平，这一过程一直延续到晚石炭世。在晚古生代，华北古板块长期的风化剥蚀状态结束，开始沉积[3]。在石炭-二叠纪时期，华北古板块的构造运动相对稳定，地壳的升降运动是主要的构造运动形式。两淮(即淮南、淮北)聚煤盆地位于南华北，含煤岩系属华北型石炭-二叠纪地层，为一套滨-浅海相沉积。

两淮煤田所处的大地构造位置、含煤地层的发育分布情况、岩性特征以及生物群和岩相古地理等方面均大同小异，仅存在某些岩组厚度的变化和聚煤中心的迁移现象。在煤系地层(年代地层、岩石地层)的划分上，大致可以互相对比，可以认为是属于同一个沉积盆地[4]。两淮地区石炭-二叠系岩石地层从老到新由本溪组、太原组、山西组、下石河子组、上石盒子组和孙家沟组构成，其中太原组、山西组、下石河子组和上石盒子组为含煤地层。两淮煤田含煤岩系除零星出露外，绝大部分为中、新生代地层所覆盖，覆盖层厚度由北东至南西逐渐增厚，据钻探和矿井资料，一般为100～600 m，含煤岩系的岩石类型主要为碎屑岩、碳酸盐岩和煤层等(表1)。

2 区域煤层定厚的原则和方法

与其他岩层相差异的物性特征是煤岩层定性、定厚解释的基础。两淮地区煤岩组成中具有较高含量的壳质组成成分，整体属于中低变质程度烟煤[5]，因具有导电性能差、低密度、低放射性的特点，故在测井曲线上具有明显的“三高两低”的特征，即高声波时差、高中子、高电阻率、低自然伽马和低密度[6]。根据现行的《煤炭地球物理测井规范》，以两条或两条以上曲线各自独立解释结果的平均值作为煤层定厚解释(深度和厚度)的最终结果，将采用值与单条曲线解释结果相比较来评定煤层的质量级别[7]。

表1 两淮地区石炭-二叠煤系地层岩性特征

两淮地区的煤层定厚是在深度比例尺为1∶50的测井曲线上以三侧向电阻率(GR01)、长源距伽马伽马(GGFR)和自然伽马(NG01)三条曲线，依照合适的分层定厚原则，并结合钻探取心资料进行综合确定的。

煤层与围岩的岩性界面通常也是物性发生突变的界面，反映在各测井曲线上的界面特征点即为煤层与围岩的岩性分层点。每种测井方法的探测原理和纵向分辨率不同，分层点选取原则也有差异。同时，煤层的厚度也对分层点位置选取有影响。每种测井方法都有一定的探测范围，当煤层厚度大于探测范围时，层厚不会影响分层点的位置；但当煤层层厚小于探测范围时，层厚越小，围岩的影响越大，分层点位置的变动也会越大[8-10]。

2.1 厚层(层厚大于探测范围)的分层规律

图1 高阻厚煤层三侧向电阻率定厚(潘集煤矿24-3孔8煤)

安徽煤田地质系统内采用的视电阻率测井普遍为三侧向电阻率，探测范围较大，是煤层定厚解释采用的主要曲线之一。在两淮地区，对层厚度大于探测范围的煤层，一般以三侧向电阻率曲线的“根部拐点”为分层解释点(图1)。

相比于三侧向电阻率曲线，伽马伽马曲线的煤层定厚解释点较为多样，通常有采用1/3幅值、2/5幅值、1/2幅值三种情况。在安徽煤田地质系统内，伽马伽马测井探管的仪器刻度均满足：ρ=a+bln(Jrr)，(式中，Jrr为探测的伽马伽马计数率，a、b为刻度系数，ρ为地层密度)。本文基于此，尝试解释本区采用这样的定厚解释点原则的原因。

假定煤层与围岩的岩性界面为解释点，基于伽马伽马测井的对称性原理，探测体积将分别位于煤层与围岩的界面上、下部分各一半。设伽马伽马测井的整个探测体积为v，则v内的等效密度为：

根据前文提到的仪器刻度公式：

ρ解释点=(a+blnJrr煤层+a+blnJrr围岩)/2

=a+b(lnJrr煤层+lnJrr围岩)/2

从上式可看出，当围岩与煤层密度非常接近时，可以采用半幅点分层，但这种情况在本区几乎不存在。进一步的实例研究表明[8]，当煤层与围岩密度差异很大时，解释点取接近围岩的1/3幅值处最接近视电阻率曲线解释的煤层厚度；当煤层与围岩的密度差异不甚大时，解释点取接近围岩的2/5幅值处精度较高。一般来说，在两淮煤田，对层厚度大于探测范围的煤层，把解释点取在接近围岩的1/3幅值处(图2)。

图2 厚煤层的伽马伽马曲线定厚(潘集煤矿25-1孔4-1煤)

对自然伽马、自然电位、声波时差等曲线，当煤层层厚足够大时(层厚大于探测范围)，一般以半幅点分层，该原则在两淮煤田也适用(图3)。

2.2 薄层(层厚小于探测范围)的分层规律

层厚对分层点的影响是薄煤层划分中的关键问题。当层厚小于探测范围时，煤层层厚越薄，影响越大，有时煤层厚度太薄，曲线没有反映。此时，再使用层厚大于探测范围的厚煤层分层方法去解释煤层厚度，会出现较大的误差，且误差随煤层变薄而加大[9]。对这种情况，在两淮地区伽马伽马曲线可放宽至接近围岩的1/3～3/5异常幅度分层定厚(一般取1/2)，而三侧向电阻率曲线一般按“根部拐点”至1/3异常幅度分层。

图3 厚煤层自然伽马曲线定厚(潘集煤矿11-5孔11-2煤)

3 “台阶”现象分析

3.1 伴生在煤层边上的炭质泥岩

此为典型的“台阶”现象，它们的曲线幅值明显小于与之邻近的煤层而形成台阶(图4、5、6)。“台阶”的厚度一般不是太大，本地区1970年代的放炮取芯和当前的绳索取芯钻进均证实，这类“台阶”不是煤，而是伴生在煤层边上的炭质泥岩。

图4 “台阶”的划分——实例一(刘庄煤矿3101孔)

实例一中“台阶”阶梯现象明显，B部分与临近主煤层A明显分离，其三条定厚曲线的幅值明显低于邻近的A和C煤层，但高于附近的泥岩层，B部分是炭质泥岩而不是煤层(图4)。实例二、三(图5、6)则与图4稍有差异，它们的“台阶”阶梯现象常常在三条曲线中的某一或两条曲线(如三侧向电阻率或者长源距伽马伽马)有显示，但多呈平滑过渡状态。从沉积上讲，这类测井曲线上平滑过渡状态的“台阶”正好反映某个地质时期内该区域从深水区向沼泽区或者从沼泽区向深水区渐变的演变过程[11]。

图5 “台阶”的划分——实例二(潘集煤矿16-1孔)

图6 “台阶”的划分——实例三(潘集煤矿6-3孔)

“台阶”阶梯现象明显的实例较容易在测井曲线上找出煤层与炭质泥岩的界面；而当“台阶”阶梯现象不明显时，“台阶”常呈现在电阻率曲线和伽马伽马曲线上，表现出与临近的煤层曲线平滑过渡，与相邻煤层的界面线刚好经过自然伽马曲线异常的半幅点(图7、8)。这与前文提到的煤层定厚分层规律相吻合。

图7 “台阶”的划分——实例四(潘集煤矿18-2孔)

图8 “台阶”的划分——实例五(潘集煤矿16-2孔)

对从最低可采厚度(0.70 m)到1.30 m之间的煤层，根据现行《煤炭地球物理测井规范》DZ/T0080-2010[7]和《煤炭地质勘查钻孔质量标准》MT/T1042-2007[12]，优质煤层的定义是煤层采用成果与单条曲线各自独立解释成果的最大厚度误差小于等于0.10 m；而对合格煤层，则要求大于0.10 m，而小于等于0.15 m。这就是说，对厚度刚好等于可采厚度(0.70 m)的煤层，最终采用的合格解释成果可能为0.55～0.85 m。在此合格的解释成果中，本来可采的煤层亦有50%的几率会被解释为不可采；而另外还有50%的几率将使得煤层被解释成厚度增加。这种情况对临近可采煤层尤为重要，如果解释不好，可能将厚度大于最低可采厚度的临近可采煤层解释为不可采煤层，或者将临近最低可采厚度的不可采煤层解释为可采煤层。在这种情况下，由于“台阶”问题造成的煤层厚度误差，对煤炭资源勘查成果的影响显得特别重要，实例六即为此种情况(图9)。原先的煤层厚度被确定为0.65 m，但此例中，综合三条曲线，划出的作为“台阶”的炭质泥岩部分明显过厚，导致该煤层由本来可采而变成了不可采，也即为本文前言中提到的处理“台阶”问题不慎重而造成的资源浪费现象。

图9 “台阶”的划分——实例六(潘集煤矿10-1孔)

3.2 煤层中的薄炭质泥岩夹矸

此类“台阶”并非是由于前文中提到的伴生在煤层边上的炭质泥岩所引起，而是由一系列因素综合造成的。根据赖奎斯特采样原理，当采样频率大于信号中最高频率的2倍时，采样之后的数字信号才能完整地保留原始信号中的信息[13]。这就是说，数字波若要保留模拟波的完整信息，采样间隔必须小于原始周期信号波长的1/2。从这个层面上讲，本区用到的数字测井曲线采样间隔为5 cm，仅能准确保留厚度大于10 cm的地层基本信息。因而，对厚度小于10 cm的薄夹层(具有突出意义的是煤层中的薄夹矸)，采样间隔为5 cm的数字测井曲线就难以准确划分。考虑到地层不是周期信号，也不严格遵循赖奎斯特采样定律，对于类似于本文中出现的此类“台阶”的“薄夹矸+薄煤层”组合，某些测井曲线反映出的分辨形态不甚明显，这也在情理之中。

基于上述原因，三条曲线中常常有一二条(通常为电阻率曲线)在接近煤层顶、底界限处表现为“薄夹矸+薄层”的显示，而其他曲线却无法显示出薄夹矸的形态，而仅仅呈现出“台阶”现象。这类“台阶”并非是由于前文提到的伴生在煤层边上的炭质泥岩所引起的，而是由于煤层中的薄炭质泥岩夹矸对与其临近的薄煤层幅值的显著拉低效应造成的。此时，这一二条曲线在薄层处的曲线幅值已明显低于主煤层，而其他曲线则直接显示成“台阶”。但如前述所说，此类情况宜解释为“薄炭质泥岩夹矸+薄煤层”，恰如实例七和实例八(图10、11)。当然，若薄层处的曲线幅值过低，而其他曲线又都呈“台阶”显示，此时“薄夹矸+薄层”可全部解释成炭质泥岩。

图10 “台阶”的划分——实例七(张楼煤矿29-11孔)

图11 “台阶”的划分——实例八(潘集煤矿16-4孔)

4 结语

通过对两淮煤田勘查测井资料的分析、对比，归纳、整理了煤层测井定厚中存在的两类“台阶”现象的表现形式、划分方法和形成原因，期望为今后的煤田勘查工作提供有益的借鉴。

4.1 伴生在煤层边上的炭质泥岩

此类“台阶”在阶梯现象明显时，较容易在测井曲线上找出煤层与炭质泥岩的界面；而当“台阶”阶梯现象不明显时，“台阶”常呈现在电阻率和伽马伽马曲线上，表现出与临近的煤层曲线平滑过渡，与相邻煤层的界面线常刚好经过自然伽马曲线异常的半幅点。从沉积上讲，此类炭质泥岩“台阶”反映某个地质时期内该区域从深水区向沼泽区或者从沼泽区向深水区渐变的演变过程。

4.2 煤层中的薄炭质泥岩夹矸

此类薄炭质泥岩夹矸所造成的“台阶”的形成受一系列因素综合影响，数字测井曲线的采样间隔、薄炭质泥岩夹矸和上下煤层的厚度等，总的说来，是由于煤层中的薄炭质泥岩夹矸对与其临近的薄煤层幅值的显著拉低效应所造成的，此时，薄层处的曲线幅值(通常为电阻率曲线)已明显低于主煤层而又不太低，而其他曲线则又直接显示成“台阶”时，此类情况宜解释为“薄炭质泥岩夹矸+薄煤层”。

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