方山—白沙煤矿区地质地球物理特征及测井技术研究

2021-11-29尹海涛李军峰彭四明

能源与环保 2021年11期

申狄，尹海涛，李军峰，彭四明

(河南省资源环境调查一院物探岩土研究所，河南郑州 451150)

煤田地球物理测井是煤田地质勘探工作中必不可缺的探测手段。随着测井技术的进一步完善，数字测井的利用，增加了有效的物性参数。计算机对测井资料的处理，开发了测井曲线的多种用途，拓宽了测井资料的利用领域。现在，煤田测井能够提供准确、可靠的煤层、岩层、井斜、井温以及构造方面的成果资料，弥补了钻探过程中的缺陷，验证了分层鉴定的成果。特别是在煤、岩层对比方面具有独特的优势，并在煤质分析、岩石力学性质计算、古地理成煤环境和聚煤规律研究方面也显示出其优越性。研究为煤田地质勘探，提交优质报告发挥着越来越重要的作用[1-2]。

1 矿区地质地球物理特征

1.1 简述

矿区内西、北部为基岩裸露区，东南部被第四系覆盖，根据以前的地质工作成果，地层层序由老至新依次为古生界奥陶系，石炭系(本溪组、太原组)，二叠系(山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组)，三叠系和第四系等。

1.1.1 奥陶系

(1)奥陶系地层(O2m)。与下伏寒武系呈平行不整合接触。主要岩性为灰—深灰色厚层状角砾灰岩、白云质灰岩夹黄色薄层泥岩等。物性呈现为一高两低特征(电阻率高大方正，人工伽马和自然伽马低平)，但随着泥质含量的增加，裂隙和溶洞的发育，曲线随之有所变化，如图1所示。

图1 奥陶系地层曲线形态特征

1.1.2 石炭系

由本溪组(C2b)和太原组(C2t)组成，与下伏奥陶系或寒武系平行不整合接触，厚52.32～87.47m，平均厚74.83 m。

(1)本溪组(C2b)。主要由铝质黏土岩、泥岩和硫铁矿层组成，厚0～17.18 m，平均厚13.80 m。据岩性特点分为上、下2段，下段一般为黄铁矿层及铁质泥岩；上段主要由铝土矿、铝土质泥岩和黏土矿组成。

(2)太原组(C2t，一煤段)。底界为一1煤层或与之层位相当的炭质泥岩、泥岩底面，顶界到L11灰岩顶面，含8～11层煤，本组平均厚58.65 m。从石炭系地层曲线形态上看，电阻率曲线在铝土质泥岩上反映最低，L1-2和L7-8灰岩反映较高，中间为胡石砂岩段相对较低；自然伽马曲线在铝土质泥岩上反映最高，下部由于黄铁矿层及铁质泥岩的影响，幅值相应较低，在灰岩和砂岩上反映很低，而人工伽马曲线在整个层段基值很低，只有在煤层上有较为明显的煤层高幅值反映。一1煤部分发育、可采，其他偶见煤线或是炭质泥岩，如图2所示。

图2 石炭系地层曲线形态特征

1.1.3 二叠系

(1)山西组(P1s 二煤段)。山西组整合于石炭系之上，上界止砂锅窑砂岩(标4)的底面，厚度为46.22～81.46 m，平均厚67.36 m。主要由砂岩、砂质泥岩、泥岩和煤层组成。含煤1～3层。其中二1煤层全区可采，为本勘查区的主要可采煤层，其余煤层均不可采，按岩性和物性特征为：①二1煤层段：自太原组灰岩顶面至大占砂岩底，下部岩性为灰—深灰色中细粒石英砂岩、泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩呈互层状产出，具波状、透镜状及脉状层理，含植物根化石，较稳定。其中二1煤层厚0.55～15.17 m，平均厚6.90 m，全区较稳定，大部含1～2层夹矸。②顶、低部为砂质泥岩、泥岩薄层。在曲线上反映为两高一低，即电阻率、人工伽马高，自然伽马低，曲线呈馒头状、矩形状。明显易辨，是曲线对比的主要标志。③大占砂岩段、香炭砂岩段。随着岩石颗粒和泥质含量的不同，曲线随之变化，泥岩段电阻率幅值变低，自然伽马随之升高，在二2-3煤层上人工伽马曲线反映明显，如图3所示。

图3 山西组地层曲线形态特征

(2)下石盒子与上石盒子组(P1x 、P2s三—九煤段)。与下伏山西组整合接触，下界至砂锅窑砂岩底面，上界止于平顶山砂岩(标1)底面，平均约533 m。上、下石盒子组段涵盖了砂锅窑、老君庙、田家沟等多层中细粒砂岩、粉砂岩和砂质泥岩，还有“大紫斑泥岩”等地层，按岩石粒度、胶结、泥质含量、颗粒成分的不同，各种曲线在形态上反映不一样，颗粒越粗、泥质含量少，电阻率曲线高，人工伽马和自然伽马反映则低，泥岩在电阻率曲线上最低，自然伽马曲线较高，煤层在曲线上反映较为明显，也呈两高一低反映，由于七煤煤质不好，电阻率曲线幅值较低，人工伽马曲线也较低，而自然伽马曲线基值相对本区七煤组较为稳定，多数可采，其他为煤线或是炭质泥岩，如图4所示。

图4 七煤组地层曲线形态特征

(3)上统石千峰组(P2sh)。下界自平顶山砂岩(标1)底，上界至三叠系金斗山砂岩底，厚310.25～377.14 m，平均343.70 m。该组地层粗中粒砂岩反映都较为明显，其主要是平顶山砂岩，以其在电阻率曲线上形态高大，层位较厚，特别明显，也是曲线对比的主要标志，自然伽马曲线有起伏变化，人工伽马幅值较低，如图5所示。

图5 平顶山砂岩曲线形态特征

1.1.4 三叠系与第四系

该区三叠系中细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩和泥岩在曲线形态上电阻率曲线有较为明显变化，自然伽马曲线基值较低，变化不大，人工伽马曲线基值略有增加，起伏不大。第四系黄土层、黏土反映最低，起伏很小，但有砾石层时，曲线反映比较明显，变化不一(图6)。

图6 三、四系地层曲线形态特征

1.1.5 构造与断层

受构造、断裂、断层影响，部分钻孔出现了地层重复、缺失，岩性破碎，煤层变薄或缺失、破碎带夹煤等，断层带的曲线形态为电阻率幅值低、呈锯齿状、人工伽马和自然伽马起伏变化较大，井径扩大等反映。有些影响煤层变薄、煤质差等现象(图7)。

图7 断层带曲线形态特征

1.2 岩、煤层地球物理特征

方山—白沙煤矿深部详查阶段钻孔施工，以第四系表土开孔，穿过三叠系砂泥岩段，揭露二叠系主要含煤地层，基本钻孔以石炭系L7-8灰岩为终孔层位，其中，只有3个钻孔穿过石炭系见奥陶灰岩终孔。测井曲线在各层段物性特征明显，解释依据可靠。各主要煤岩层、标志层的地球物理特征见表1。

表1 煤岩层、标志层的地球物理特征

2 测井技术

2.1 测井仪器、设备类型

该区勘探中所用的测井仪器及设备，除有煤矿专用仪器设备厂生产的部分探管外，全部为PSJ-2型数字测井系统及设备。该仪器性能良好、工作稳定、质量可靠，完全能够满足煤田地质测井工作需要。仪器、设备见表2。

表2 仪器设备

2.2 测井工作方法及其测井技术条件

(1)测井工作方法。此次勘探全部采用数字测井。数字测井对煤、岩层定性选取方法主要有自然伽马、伽马—伽马(长源距)、伽马—伽马(短源距)、视电阻率、自然电位井径等测井方法。对煤层定厚选取的方法有：自然伽马、伽马—伽马(长、短源距)、视电阻率、三侧向电阻率等与井径配合采用。井下仪器采用数字传输，计算机采集打印成图，资料处理软件采用CLGIS和《ClogProV2.0》测井解释系统，经过读库、预处理、编辑、打印成数字测井综合解释成果图和监视测井曲线图。测井根据设计要求对钻孔进行井斜、井温、近稳态测温等工程测井。测井资料成果采用现场、室内两级验收、队总工办审核定级。成果资料符合《煤炭地球物理测井规范》(DZ/T 0080—2010)要求，按照《煤田勘探钻孔工程质量标准》进行验收评级[3-5]。

(2)测井技术条件。本次勘探所用测井仪器、设备都严格按照《煤炭地球物理测井规范》要求，进行校验、刻度，横向比例、深度比例选取合理，符合要求，所有测井参数野外数据采集采样间隔均为0.05 m。测井参数、方法和技术条件详见表3。

表3 测井参数、方法和技术条件

3 测井资料的处理与解释

煤田地球物理测井是利用煤、岩层的物性特征，通过专用的测井仪器采集，室内计算机处理，把地层的有效信息反映到测井曲线上，解释出单孔煤、岩性地质剖面，进而掌握地下煤层、岩层、构造、水文等地质情况。一种物性参数具有多解性，往往只能反映地层性质的某一个侧面，所以煤田测井需要多种参数，相互补充，综合分析研究，进行解释。并把握好每一种参数在综合解释时所占的比例，才能得到与实际地层基本相符合的解释成果。

3.1 测井资料的处理过程

本矿区勘探共施测30个钻孔，全部采用数字测井，数据的采集是由计算机完成的。对于室内资料的处理，同样是在计算机上进行的，其过程主要有以下几个方面：①建立数据库。对野外采集的数据输入计算机。②曲线编辑。就是对各条曲线的头、尾及中间的个别飞点进行编辑、滤波，使得整条曲线形态正常；并将各曲线的横向比例由数码换算成相应的单位；还有曲线的计算，如密度三侧向探管所采集的电压与电流，经过计算后才能得出三侧向电阻率曲线；另外曲线数据的统计，曲线的对齐都在此完成。需要说明的是伽马—伽马曲线理应经过计算后得出密度曲线，但由于以往仪器和处理程序的不太完善，计算得出密度曲线与实际相应深度煤、岩层的密度误差明显，为能使与以前测井资料的整体统一，所以没有对伽马—伽马(HGG)曲线进行密度计算，仍采用伽马—伽马(HGG)曲线，对煤、岩层进行定性、定厚。③屏幕上进行煤层、岩层的解释与分层。④成果输出。包括煤层、岩层、测斜、测温各成果表，全孔数字测井综合解释成果图和煤层解释成果图。⑤图件转换。利用软件功能，将输出成果图件转换成可供地质人员和工程技术人员直接使用的AutoCAD或MapGIS图。

3.2 岩层的识别与分层

(1)岩层的物性特征。该区地质构造相对简单，地层稳定，岩层物性特征明显，岩层主要以石灰岩、粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩及泥岩组成。石灰岩的电阻率为高幅值反映，白云岩最高。粗粒砂岩及中粒砂岩为中高，细粒砂岩中低，粉砂岩、砂质泥岩及泥岩为低阻反映。自然电位曲线砂岩反映较好，粗粒砂岩、中粒砂岩的自然电位呈现较大的负异常，细粒砂岩反映幅值小，粉砂岩及泥岩的自然电位接近于基线。伽马—伽马曲线上，石灰岩、粗砂岩、中粗砂岩、细粒砂岩以低值反映，粉砂岩、砂质泥岩均以中幅值反映。随着泥质含量增高，天然放射性物质的含量增大，曲线幅值随着含泥量增多而增高。区内各种岩层物性差异大，各测井参数曲线异常突出，曲线界面清晰，主要利用视电阻率曲线和自然伽马曲线进行分层定厚解释，地质效果明显，解释成果比较可靠。

(2)岩层解释过程。岩层解释剖面是利用测井处理软件中的自动解释和人工屏幕解释功能相结合完成的。通过对本区钻探资料和测井资料的比照和综合分析认为：0.1 m视电阻率、自然电位、自然伽马、伽马—伽马曲线岩层物性反映明显，因此选用0.1 m视电阻率、自然伽马、伽马—伽马曲线为主，辅以自然电位、三侧向和井径曲线，对全孔岩层进行定性和定厚解释，解释比例为1∶200。

3.3 煤层的识别与分层

(1)煤层解释参数选择。由于测井资料存在多解性和疑似性，对煤层界面的划分不能简单孤立地进行，应充分利用视电阻率、伽马—伽马、自然伽马、自然电位、声速时差等参数曲线，在对齐测井曲线的前提下进行综合处理和解释。该区内煤层与围岩物性差异很大，特征明显。现场根据煤层“两高一低”(视电阻率高、伽马—伽马高、自然伽马低)的物性特征，便可准确可靠地确定煤层，然后回放1∶50放大曲线，确定其厚度和结构。实际上，以伽马—伽马、自然伽马为主参数，辅以视电阻率(或三侧向电阻率)，达到定性定厚解释煤层的目的。当然煤厚解释点的位置会随煤厚变化而适当调整。

(2)煤层测井解释原则。①简单煤层测井解释原则。此次勘探过程中，结合该区实际地质状况，确定了结构简单煤层的定厚解释原则。煤层测井解释原则见表4。②夹矸定厚原则。遇到薄煤层或复杂结构煤层时，要结合地质地层揭露情况进行分析和总结，同时借助多个主要参数和辅助参数对物性进行分析，以减少解释误差，从而达到准确可靠划分煤层界面的目的。若厚煤层中出现多层夹矸时，可针对不同的夹矸厚度及岩性灵活处理，使测井解释出的夹矸厚度更接近于实际夹矸厚度。

表4 煤层测井解释原则

复杂结构煤层夹矸解释方法。①夹矸厚度介于0.8～0.4 m时，自然伽马和伽马—伽马曲线，按根部1/3～1/4点定厚；视电阻率(或三侧向)曲线，按拐点定厚。②夹矸厚度小于0.4 m时，自然伽马和伽马—伽马曲线，按根部1/5～1/7点定厚；视电阻率(或三侧向)曲线，按拐点定厚。

(3)煤层解释过程。为了减小煤层深度、厚度解释误差，在测井现场，先对煤层进行双柱状解释，即分别在伽马—伽马、自然伽马1∶50定厚曲线上按相应解释原则解释煤层位置和结构，再依据公式LYER=LYE1×0.5+LYE2×0.5进行加权平均，生成《某孔测井现场煤层初步解释成果表》，打印成图表，便于现场地质和工程技术人员观察验收。室内解释，采用三柱状解释法，对伽马—伽马、自然伽马、视电阻率(或三侧向电阻率)3条曲线分别解释，从而生成《煤层成果及质量评级表》。煤层解释成果如图8所示。

图8 七煤和二1煤解释成果

3.4 断层的解释

在钻孔中出现的断层是可以反映到测井曲线上的，一般来说，断点周围会形成破碎带，在破碎段测井曲线会出现突变现象，破碎段岩层结构松散，渗透性加强，井径易扩大，曲线上表现为电阻率值偏低，人工伽马、自然伽马曲线有起伏变化，其他曲线无变化规律。断层解释如图9所示。

图9 断层解释

3.5 含水层的解释

依据测井曲线，可划分第三、四系砂层、砾石层和基岩风化带、断层带空隙性含水层；老地层的基岩风化带及断层破碎带等构造水以及灰岩岩溶水等含水层，利用电阻率和自然电位曲线，大致确定含水层的深度和厚度，利用自然伽马曲线分析研究地层破碎带及溶洞的充填情况，用流量测井或盐化测井计算含水层的水量，确定含水层的性质。

4 地质效果

4.1 地层物性分析

方山—白沙矿区揭露地层从大的方面分，主要有第四系、三叠系、石炭二叠系和奥陶系，地层物性分析如下。

(1)第四系。从各钻孔统计结果看，表层深浅不一，见基岩深度0～22.00 m，有些钻孔开孔直接见山，部分钻孔黄土下有砾石层，由于上部松散层，孔径变化大，基本无水位，无法测量出曲线或对曲线干扰严重，表层解释依据钻探，因而不做评述。

(2)三叠系。以平顶山砂岩底部为界，上部为粗、中粒砂岩在物性反映上比较明显，特别是平顶山砂岩在最为突出，此层砂岩厚度大，地层稳定，电阻率曲线挺拔而明显，是主要的标志层。

(3)石炭二叠系。是主要的含煤层段，分组加以简述。①上下石盒子和山西组以田家沟、老君庙、砂锅窑、大占砂岩为辅助主要标志，中间含有二—九煤组，其中二1煤层位稳定，煤质好，厚度大，多数有夹肝，其本身也是最好的标志层，七煤在本区多数钻孔存在，多数煤层达不到可采厚度，在统计的30个钻孔中，40%的煤层达到可采厚度，其他煤层或以煤线出现，或是炭质泥岩，很少可采，且煤质也不很好，没有开采价值。在物性特征上二1煤各种曲线反映好、明显，是矿区主要的可采煤层，可采价值很高。②太原组以L7-8灰岩和L1-3灰岩在电阻率曲线上反映比较明显，含煤一1到一8煤近8层煤线，多数为煤层以煤线或炭质泥岩出现，且不稳定，煤质较差，只有一1煤稍为稳定，局部可采，煤质较硬。③本溪组铝土质泥岩在自然伽马曲线上反映明显，幅值最高，层位稳定，是地层的主要标志，也是石炭二叠与奥陶的重要分界。

通过以上分析，结合地质资料，按照各层的物性特征，可以有效地划分岩性，解释地质构造，确定断裂带，划分断层，推断段距和断层性质，从而进行地层对比和地质构造研究，以提高测井资料的应用效果。

4.2 主要煤层煤质简析

(1)一1煤层。赋存于太原组底部，一1煤层的顶板为灰岩，底板为泥岩或铝土岩。区内穿见一1煤层位的钻孔3个，见煤点3个，可采见煤点1个，煤厚0.62～0.97 m，平均厚0.75 m，煤层结构较简单，且无夹矸，属局部可采煤层，变质程度高，煤质较硬。

(2)二1煤层。底板为泥岩、砂质泥岩，局部为粉砂岩、细粒砂岩；其直接顶板多为薄层泥岩，局部为细、中粒砂岩(大占砂岩)。煤层结构较简单，偶见夹矸1～3层，此区此层位见煤点27层次，其中(ZK2197孔和ZK2212孔)二1煤达不到可采厚度，另外(ZK1006、ZK0117、ZK1609)3个孔二1煤缺失，煤层厚度0.55～15.17 m，平均厚度6.90 m，夹矸岩性为炭质泥岩。通过物性反映看煤层层位稳定，泥质含量低，煤质较好，并且煤层厚，是本区主要可采煤层。

(3)七煤组。赋存于上石盒子组，七煤组共有见煤点26层次，可采见煤点12个，煤厚0.29～1.70 m，平均厚0.76 m，煤层结构较简单，从物性反映特征看，电阻率幅值较低，自然伽马幅值相对较高，人工伽马幅值相对较低，泥质含量高，煤质不好。

4.3 其他有益矿产

根据《煤炭地球物理测井规范》(DZ/T008—2010)的要求，凡“自然伽马的异常值达7.17 pA/kg，其厚度大于0.7 m以上的岩层；异常层厚度虽小于0.7 m，但异常值与厚度的乘积大于5 (pA/kg)·m的层位；可采煤层中的自然伽马的异常值超过4.3 pA/kg的煤层，要解释出其深度、厚度和最大值”。此次详查勘探，共施测30个钻孔，只有7个钻孔的本溪组铝土质泥岩和平顶山砂岩段放射性含量较高，其中达到《煤炭地球物理测井规范》要求的放射性异常层位8层(表5)。

表5 方山—白沙矿区自然伽马异常统计

表中所列7个钻孔的放射性异常含量值均大于《煤炭地球物理测井规范》(DZ/T 0080—2010)要求的异常值，因为本溪组铝土质泥岩层比较稳定，厚度变化为3.25～11.52 m，平均厚度7.68 m，一般上层品位较高，下部因其他矿物质含量的增加而放射性异常值降低，但因揭露钻孔少，埋深较大，无法定论。平顶山砂岩段中间或附近时常会出现薄层的放射性异常层，多数钻孔不超过《煤炭地球物理测井规范》(DZ/T 0080—2010)要求的异常值，有个别钻孔大于《煤炭地球物理测井规范》(DZ/T 0080—2010)要求的异常值，表5中提供钻孔4层资料。

测井成果资料在煤田地质勘探中的可靠程度是非常高的。经钻探取心和地质鉴定编录成果与测井成果资料进行比较，其误差非常小，也充分证明测井成果是准确、可信的。