阳泉寺家庄井田含煤地层煤层测井密度模型和有效孔隙度计算

于振锋，郝春生，邵显华，杨昌永，姚晋宝，王 维

(1.煤与煤层气共采国家重点实验室，山西 晋城 048000；2.易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司，山西 太原 030006)

阳泉矿区寺家庄井田具有丰富的煤层气资源[1-3]，但目前仍没有获得理想效果[4，5]，主要表现在地面煤层气抽采不尽如人意，煤层气井不能获得持续稳定的煤层气流，究其缘由主要是对储层物性认识不清。储层物性作为煤层气开发的一个重要指标，首要任务就是孔隙度的计算。目前国内外对于研究区孔隙度的研究很少，而且主要集中于作为煤矿主采煤层的15#煤，而研究区煤层气开发层位则不仅限于15#煤[5]。虽然孔隙度的确定可以通过钻井取芯并在实验室测定获取，但该方法具有耗时长和费用高等缺点。研究区煤层物性的不均质性以及多煤层合采必然需要多井多煤层孔隙度的确定，导致通过取芯和实验测定来确定孔隙度工作量急剧增大。测井技术作为一种测量数据连续，成本相对低廉的技术正好可以弥补这种不足。本文通过系统测试研究区不同位置含煤地层不同煤层的组分，并与测井参数相结合，建立煤层的测井密度模型，以用于计算研究区不同煤层工业组分和有效孔隙度，为进一步的煤层气井施工改造提供煤岩和储层物性依据。

1 区域地层和主要煤层

1.1 区域地层

研究区位于沁水煤田的东北边缘(图1)。区内山西组和太原组为含煤地层，广泛分布。太原组属于石炭系上统，为主要含煤地层之一[6]。本组地层以K7砂岩底为顶界，以K1砂岩底为底界，总厚91.30～153.70m，平均约105m[7]。岩性主要为砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩、泥晶灰岩和煤层。共含9层煤，分别为：7#、8#、9#、11#、12#、13#、14#、15#和16#。沉积环境从下至上由海相演化为海陆过渡相。

图1 阳泉矿区寺家庄井田地理位置图

山西组属于二叠系下统，与太原组整合接触，覆于太原组之上，以K8砂岩底为顶界，以K7砂岩底为底界，总厚41.65～76.55m，平均约65m[8]。岩性主要为砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩和煤层。共含6层煤，分别为：1#、2#、3#、4#、5#和6#。沉积环境从下至上由由海陆过渡相演化为陆相。

1.2 主要煤层

3#煤：位于石盒子组底界K8砂岩下20m左右，属于山西组，全区仅零星位置可采，呈分散状。煤厚0.10～2.51m，平均0.48m。结构简单，一般不含夹矸，零星位置含一层夹矸，岩性为粉砂质泥岩或细砂岩，厚0.15～0.53m。顶板岩性为粉砂岩，底板为泥岩或细砂岩。整体上属于零星可采但极不稳定煤层。

8#煤：研究区8#煤主要发育两层，分别为81#煤和84#煤，属于太原组。81#煤位于山西组底界K7砂岩下7m左右，84#煤位于81#煤下9m左右。在南掌城、司家沟及赵家庄一带，这两层煤合并为一层，总厚平均在1.70m左右；在东南一带尖灭为不可采区。81#煤厚度为0～2.27m，平均厚度为0.90m。结构简单，大面积不含夹矸，少数含一层或二层夹矸，夹矸厚0.05～0.65m，岩性为泥岩或炭质泥岩。顶板岩性为粉砂质泥岩或泥岩，底板为粉砂岩或粉砂质泥岩。整体上属局部可采的不稳定煤层。84#煤厚度为0～2.10m，平均厚度为0.92m。煤层结构简单，常含一层夹矸，夹矸厚0.06～0.70m，岩性为炭质泥岩或泥岩。顶板岩性为炭质泥岩，底板为细砂岩。同样属于局部可采的不稳定煤层。

9#煤：位于K4灰岩之上10m左右，距84#煤2.50～20.80m，平均5.57m，属于太原组，在井田南部尖灭为不可采区。煤层厚度为0～3.10m，平均0.95m。结构简单，常不含夹矸，少数含一层或两层，夹矸厚0.04～0.75m，岩性为泥岩。顶板岩性为泥岩或粉砂岩，底板为泥岩、粉砂质泥岩或细砂岩。属于大面积可采的较稳定煤层。

11#煤：位于K4灰岩之下0.5左右，或为其直接顶板，属于太原组。区内分布广泛，仅有个别尖灭点。煤层厚度为0.10～0.55m，平均0.35m。结构简单，不含夹矸，顶板岩性为泥岩或灰岩，底板为粉砂质泥岩或粉砂岩。整体上属于层位较稳定的不可采煤层。

13#煤：位于K3灰岩下，K3灰岩为其直接顶板，属于太原组。全区大面积分布，仅在南部耿秦宫至潘掌一线以南尖灭。煤层厚度为0.15～1.15m，平均0.45m。底板岩性为粉砂岩或细砂岩。全区分布广泛，仅个别点达可采厚度。整体上属于不可采的较稳定煤层。

15#煤：位于K2灰岩下18m左右，属于太原组，为研究区主力可采煤层。全区稳定分布，石亭、北掌城一带较薄，北部上庄一带最厚。煤层厚度为2.79～7.40m，平均5.12m。常含夹矸，夹矸层数一般为二至四层，最多可达六层，岩性为泥岩或炭质泥岩。顶板岩性为粉砂质泥岩或粉砂岩，底板为炭质泥岩、粉砂质泥岩或粉砂岩。整体上属于全区稳定可采煤层。

2 煤岩组分分析

利用测井曲线计算煤层组分就需要实验条件下和测井条件下煤岩所含组分相同。由于测井过程中需要井内充满水，这些水会充填煤层的有效孔隙度，并且对测井相应造成影响。因此本次煤岩组分分析实验将分为两个部分：一是将煤岩浸泡充满测井所用清水，并测量含水量；二是煤岩的工业分析实验。最终将清水和煤岩组分作为整体，计算各组分的质量百分含量(表1)。

表1 阳泉矿区寺家庄井田含煤地层主要煤层煤岩组分 %

3#煤：原煤灰分27.52%～30.06%，平均28.07%。原煤挥发分10.91%～12.18%，平均11.29%。原煤固定碳57.45%～61.27%，平均59.84%。原煤全硫含量0.21%～1.82%，平均0.62%。磷含量平均0.007%。属高灰低硫特低磷煤。

8#煤：原煤灰分10.49%～38.83%，平均20.01%。原煤挥发分8.12%～15.38%，平均9.25%。原煤固定碳45.50%～81.24%，平均73.55%。原煤全硫含量0.56%～7.76%，平均2.62%。磷含量，平均0.010%。属中灰中高硫低磷煤。

9#煤：原煤灰分11.60%～37.30%，平均18.89%。原煤挥发分8.05%～11.34%，平均9.92%。原煤固定碳61.07%～79.97%，平均70.16%。原煤全硫含量0.36%～6.58%，平均1.82%。磷含量平均0.003%。属中灰中硫特低磷煤。

11#煤：原煤灰分9.54%～36.09%，平均22.35%。原煤挥发分9.58%～12.25%，平均10.25%。原煤固定碳1.36%～76.62%，平均64.58%。原煤全硫含量0.68%～8.56%，平均2.94%。磷含量，平均0.013%。属中灰中高硫低磷煤。

13#煤：原煤灰分11.50%～25.84%，平均15.69%。原煤挥发分8.71%～16.27%，平均11.76%。原煤固定碳57.44%～79.52%，平均69.63%。原煤全硫含量0.66%～8.37%，平均3.63%。磷含量平均0.004%。属中灰中硫特低磷煤。

15#煤：原煤灰分6.06%～22.89%平均14.86%。原煤挥发分7.37%～12.41%，平均8.76%。原煤固定碳65.12%～86.44%，平均77.58%。原煤全硫含量0.43%～3.66%，平均1.28%。磷含量平均0.037%。属中灰中硫低磷煤。

3 利用测井曲线计算煤岩组分

3.1 煤岩灰分

煤层灰分是煤在完全燃烧之后留下的残余物，其主要组分为粘土矿物[9]。自然伽马测井主要反应的是反射性元素在放射性方面的物理表现，而这些元素极容易为粘土矿物所吸附[10，11]。因此，含粘土矿物高的岩石往往具有高的自然伽马。本文通过统计原煤灰分和所对应的自然伽马值(表2)，建立这两者之间的数学关系。

表2 阳泉矿区寺家庄井田含煤地层主要煤层部分灰分和自然伽马值

图2 阳泉矿区寺家庄井田含煤地层主要煤层灰分与自然伽马、灰分与固定碳散点图

由散点图(图2)可以看出，研究区煤层灰分和自然伽马值呈线性正相关。通过对散点进行线性回归，可以求出其回归方程：

GR=2.0952A-5.1547，相关系数R2=0.9373。

进而推导出运用自然伽马值计算灰分质量百分比的公式：

A=0.4473GR+3.5127，相关系数R2=0.9373。

3.2 煤岩固定碳

固定碳是煤炭燃烧产生热量的主要组分，是煤岩排除水分、挥发分和灰分后的剩余部分，当不同煤岩水分和挥发分质量百分数相近时，固定碳与灰分会呈现好的相关关系。研究表明煤层的固定碳与灰分呈线性相关，本文通过统计原煤灰分和所对应的固定碳含量(表3)，建立这两者之间的数学关系。

表3 阳泉矿区寺家庄井田含煤地层主要煤层部分灰分和固定碳 %

由散点图(图2)可以看出，研究区煤层固定碳和灰分呈线性负相关。通过对散点进行线性回归，可以求出其回归方程：

FC=-1.2012A+92.59，相关系数R2=0.9831。

3.3 煤岩挥发分

挥发分是煤中的有机质在一定温度条件下，受热分解后逸出的物质在除去水分后剩下的组分，包括甲烷、一氧化碳和一些复杂的有机化合物等[12，13]。这些组分的存在会明显增大煤岩的电阻率，因此本文通过统计原煤挥发分和所对应的视电阻率值(表4)，建立这两者之间的数学关系。

由散点图(图3)可以看出，煤层挥发分和视电阻率值呈线性正相关。通过对散点进行线性回归，可以求出其回归方程：

R=12.8270V+4.7113，相关系数R2=0.8287。

进而推导出运用自然伽马值计算灰分质量百分比的公式：

V=0.0646R+1.5808，相关系数R2=0.8287。

图3 阳泉矿区寺家庄井田含煤地层主要煤层挥发分与视电阻率值散点图

4 测井密度模型

测井模型的建立可以基于密度或中子参数[14，15]，由于研究区的测井资料中子资料相对较少，而密度资料每井必有，因此研究区测井模型的建立基于密度测井较为合适。本次研究将煤层体积分成固定碳、挥发分、灰分和测井液(孔隙中充满测井液)四部分，作为对测井响应的贡献之和，即：

m=mfc+mv+ma+mw

密度：

ρ=ρ·FC+ρ·V+ρ·A+Vw·ρw

式中，ρ为煤层对密度测井的响应值；FC、V、A分别为固定碳、挥发分和灰分的质量百分含量；Vw为测井液的相对体积百分含量，即有效孔隙度；ρw为测井液的密度。

5 有效孔隙度的计算

首先运用测井资料计算相应的固定碳、挥发分和灰分的质量百分含量，然后运用密度模型计算出测井液的质量百分含量，最后根据测井液的密度求出测井液的相对体积百分含量，即有效孔隙度。通过对所测煤岩样品进行测井孔隙度计算，并与实测值相对比，结果显示(表5)计算值与测井值相差不超过10%，测井密度模型计算孔隙度能够满足工业生产需要。

表5 阳泉矿区寺家庄井田含煤地层主要煤层实测孔隙度和密度测井孔隙度 %

6 结 论

1)研究区含煤地层主要煤层为3#、8#、9#、11#、13#和15#煤。3#煤属高灰低硫特低磷煤，8#和11#煤属中灰中高硫低磷煤，9#和13#煤属中灰中硫特低磷煤，15#煤属中灰中硫低磷煤。

2)研究区煤层灰分主要组分为粘土矿物，导致灰分与自然伽马值呈线性正相关；不同煤岩水分和挥发分质量百分数相近使得固定碳与灰分呈线性负相关；挥发分的存在会明显增大煤岩的电阻率，因此挥发分与视电阻率值呈线性正相关。运用自然伽马和视电阻率可以将研究区煤层灰分、固定碳和挥发分质量百分含量计算出来。

3)将煤层体积分成固定碳、挥发分、灰分和测井液(孔隙中充满测井液)四部分，作为对测井响应的贡献之和。首先运用测井资料计算相应的固定碳、挥发分和灰分的质量百分含量，然后运用建立的测井密度模型计算煤层有效孔隙度。计算结果与实测结果相差不超过10%。