任家庄煤矿煤层煤质测井响应及其预测模型

吴 蒙，秦云虎，王晓青，杨 柳，朱士飞，张 震，毛礼鑫，张 静，李国璋

1.江苏地质矿产设计研究院，江苏 徐州 221006 2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008 3.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116 4.江苏建筑职业技术学院建筑管理学院，江苏 徐州 221116 5.青海大学地质工程系，西宁 810016

0 引言

国内外通常采用自然伽马、自然电位、电阻率、补偿中子及补偿密度等测井曲线解释煤厚、划分沉积微相和微观孔隙结构[1-4]。煤层测井响应具有高声波时差、高电阻率、高中子、低自然伽马、低密度、低自然电位的特征[5]。吴超凡等[6]以密度曲线形态由缓变陡处的拐点，自然伽马与声波时差曲线幅值的二分之一处确定煤层厚度。吕成奎[3]利用定量伽马测井和自然伽马测井之间的数量关系，有效弥补自然伽马异常不能准确识别铀矿化度类型(<0.675‰)的问题。林纯增等[7]认为泥浆电阻率低于或高于地层水电阻率3倍时，采用不同探测深度的电阻率可以有效判识泥浆滤液侵入性质。马建海[8]以侧向电阻率曲线实施反演，建立数学模型，成功获取了泥浆侵入后的储层污染半径。宋子齐等[9]借助自然电位、自然伽马同步幅值变化识别砂岩渗透率、沉积微相和油水储层。赵军等[10]模拟自然电位与自然电位曲线重叠技术识别黏土附加导电作用形成的低阻油气储层。宁波等[11-12]运用多元回归模型研究了黏土矿物质量分数与U、Th、K质量分数的相关性及其预测模型。Mavor等[13]通过密度测井确定了煤层灰分。

目前，煤质测试多停留在采样、实验测试阶段，难以及时、全面地反映煤层煤质信息，不能满足煤矿精准开采。孟召平等[14]以河南赵家寨井田山西组二段1煤层(二1)为研究对象，发现煤质参数与密度、视电阻率、自然电位、自然伽马值存在明显的相关性。邵先杰等[15]采用枚举法标定煤岩各工业组分，发现煤岩密度与灰分呈正相关关系，与固定碳呈负相关关系。于振峰等[16]研究了阳泉矿区煤层，发现灰分与自然伽马值呈正相关关系，固定碳与灰分之间存在较好的负相关关系，挥发分与视电阻率呈较好的线形正相关关系。池佳玮[17]基于岩心测试分析数据，利用体积模型法和回归分析法建立了煤储层固定碳、灰分、水分和挥发分的测井解释模型。前人[14-16]研究多集中于单一煤层与测井之间的关系，很少涵盖多煤层煤质测井响应特征。为此，本文以宁夏任家庄煤矿太原组8#、9#、10#煤层为研究对象，通过实验和统计手段，研究煤质和测井参数之间的关系，建立多元统计预测模型，并对模型进行误差分析和应用结果对比分析。

1 研究区地质概况

任家庄煤矿处于宁夏灵武市东北部毛乌素沙漠边缘，隶属横城矿区，西隔黄河30 km与银川市相望，北部与红石湾煤矿相邻，煤矿南北长约11.50 km，东西宽为1.0～2.6 km，面积为17.76 km2。研究区勘探阶段实施钻孔48个，均进行了常规煤田地球物理测井[18-19]。本区太原组煤层厚度2.11～14.10 m，平均为8.58 m，划分为8#、9#和10#煤层，其中9#煤层为稳定可采煤层，8#和10#为较稳定煤层。发育黄草沟向斜、黄草沟背斜、三道沟背斜和沙沟向斜，煤体结构以碎粒煤和碎裂煤为主[19-20]。该区太原组煤层形成于多期海进海退的沉积环境[18-20]。宏观煤岩类型以半亮型煤为主，半暗型煤次之，显微煤岩组分以凝胶化物为主，矿物多单独存在。煤层短源距伽马-伽马曲线特征以箱型为主，指型和齿型次之；侧向电阻率曲线多表现为箱型和漏斗型，指型次之；自然伽马曲线多表现为指型和箱型，钟型次之；自然电位曲线表现为平直型，反映不明显(图1)。

2 煤层煤质特征

根据国家煤炭相关质量划分标准，研究区太原组煤层煤质以低水分、中灰—中高灰、高挥发分、中—高硫、中高—高发热量的气煤为主，肥煤次之[18-20]。原煤水分质量分数为0.46%～6.34%，灰分产率为5.70%～47.79%，挥发分产率为22.11%～46.32%，固定碳质量分数为36.37%～59.61%，全硫质量分数为0.64%～6.43%，发热量为13.44～32.89 MJ/kg(表1)。

通过对任家庄煤矿太原组煤层中水分、灰分、挥发分、固定碳统计分析发现，灰分产率与固定碳质量分数呈显著的负相关关系(图2a)，水分质量分数与挥发分产率呈微弱的正相关关系(图2b)。

3 煤层煤质与测井参数的相关性

煤层煤质受有机物质和无机物质的性质、质量分数和结构控制，也受聚煤环境、成煤原始物质、煤化作用和后期风化作用等因素影响[14]。煤质指标与测井参数值之间的响应强度及相关性取决于煤的密度、放射性和导电性等煤自身性质[16]。

图1 研究区712号钻孔测井曲线图

表1 研究区太原组煤层煤质分析表

R. 相关系数。

煤层煤质以水分、灰分、挥发分和固定碳为主。在对煤储层地球物理性质、测井参数幅值变化和基本形态研究的基础上，在1∶20的煤层测井曲线上，按照0.5 m的间距采集测井响应值。数字测井采集自然电位、自然伽马值、侧向电阻率和短源距伽马-伽马值，测井数据处理过程包括钻孔取样深度和测井深度的校正。其中：自然电位取自然电位测井值与泥岩基线值之间的差值，泥岩基线值是8#、9#和10#煤层的平均值；自然伽马值、短源距伽马-伽马值取各自曲线的加权平均值；侧向电阻率取自然对数加权平均值。然后对测井参数值分别进行归一化处理：

(1)

式中：X为原始数据；X′为预处理后的数据；Xmax为测井参数的最大值；Xmin为测井参数的最小值。

3.1 水分与测井参数的关系

煤质分析的水分数据指在沉积过程中吸附在泥质颗粒表面上的内生水分，主要因为外在水分多为自由水状态，容易蒸发散失[21]。研究区水分与侧向电阻率呈负相关关系(图3a)，水分与自然伽马值、短源距伽马-伽马值和自然电位呈正相关关系(图3b、c、d)。这是因为煤层水分主要吸附在泥质颗粒表面，水分增加可使煤层导电性变好，煤储层的侧向电阻率相应减小[14]。煤储层中泥质颗粒极小，比表面积大，吸附能力强，加之较高水分的煤层中泥质颗粒表面多赋存有高浓度的放射性元素，因此自然伽马值增高[22-23]。同时测井响应幅度受煤炭的变质程度、煤岩成分、矿物杂质、水分质量分数以及孔隙度等多因素影响[24]。

3.2 灰分与测井参数的关系

刘家瑾等[24]指出随着煤层灰分增加，烟煤的电阻率降低，自然电位增大。孟召平等[14]发现煤层中吸湿矿物杂质的电阻率低于烟煤中有机质的电阻率，煤层伽马射线强度正比于煤中灰分。研究区灰分与测井参数的关系如图4所示。其中，灰分与侧向电阻率和短源距伽马-伽马值呈负相关关系(图4a、c)，与自然伽马值和自然电位呈正相关关系(图4b、d)。这与煤的电阻率受煤化程度、煤岩组分、水分和孔隙度等多种因素综合影响有关[4, 25]。研究区煤类多为气煤和肥煤，灰分中SiO2、CaO、Fe2O3质量分数超过50%，表明无机矿物的质量分数决定了灰分产率。同时，烟煤侧向电阻率随着煤中黏土矿物质量分数增高而降低[26-27]。同一煤层的烟煤，宏观煤岩类型按光亮型煤→半亮型煤→半暗型煤→暗淡型煤，煤层电阻率逐渐增大。自然伽马反映煤层中放射性元素的多少，而煤中放射性元素质量分数主要受沉积过程中岩浆岩放射性颗粒数量的影响[14, 22]。随着煤化程度的加深，水分和腐植酸质量分数显著减小，离子导电性急剧下降。

3.3 挥发分与测井参数的关系

煤中挥发分为有机质中高温下可挥发的部分。研究区挥发分与侧向电阻率呈负相关关系(图5a)，与自然伽马值、短源距伽马-伽马值、自然电位呈正相关关系(图5b、c、d)。烟煤以离子导电性为主，煤岩随变质程度增强，离子导电性减弱，相应挥发分降低[28]，表明挥发分与电阻率呈负相关关系。煤中有机物质的氧化还原作用和硫化物氧化作用均可以产生自然电位[29]。煤化程度增强，挥发分降低，煤中硫化物的氧化作用减少，因此自然电位与挥发分呈正相关关系[14]。

3.4 固定碳与测井参数的关系

固定碳为有机质中高温下不可挥发的部分，是衡量煤变质程度的一个标准。研究区固定碳与测井参数的关系如图6所示。其中，固定碳质量分数与侧向电阻率和短源距伽马-伽马值呈正相关关系(图6a、c)，与自然伽马值和自然电位呈负相关关系(图6b、d)。煤层电阻率随着煤化程度的增强呈现先增大后减小的趋势[14,25]。低碳化的褐煤电阻率低，因其自身疏松孔隙较大，含有大量水分和腐植酸根离子，因此具有较好的离子导电性[28]。随着煤化程度的加深，水分和腐植酸质量分数显著减小，离子导电性急剧下降。高碳化的褐煤和烟煤电阻率较高，然而当烟煤变质到无烟煤程度，有机质分子高度聚合，尤其接近石墨的晶格，煤将变为半导体性质的电子导电物质，电阻率急剧下降，接近于零[14]。固定碳质量分数越低，煤层中无机矿物质质量分数越高，其颗粒表面越易附着放射性元素，因此自然伽马值和自然电位均较高[22]。

图3 研究区煤中水分与测井参数关系图

图4 研究区煤中灰分与测井参数关系图

4 基于测井曲线预测煤层煤质的多元回归模型

在煤质指标和测井参数相关分析的基础上，选择相关性较密切的测井参数进行多元回归分析，分别建立了水分、灰分、挥发分和固定碳的预测方程[12, 14]。

经过煤层煤质与测井参数的相关分析，发现水分与自然伽马值、短源距伽马-伽马值、侧向电阻率关系密切；灰分、固定碳与自然伽马值、短源距伽马-伽马值、自然电位相关性好；挥发份与自然伽马值、侧向电阻率、自然电位相关性好[14,17]。运用SPSS软件对煤质指标进行多元线性拟合建立预测模型(表2)。

水分质量分数、灰分产率、挥发分产率和固定碳质量分数与测井参数的判定系数(R2)分别为0.40、0.62、0.39和0.67(表2)。利用F函数对所建立的预测方程进行检验，给出置信水平α=0.05，煤质预测模型中自变量数目n=3、样本数N=21。查F函数分布表知：Fα(n，N-n-1)=F0.05(3，17)=3.200，水分、灰分、挥发分和固定碳的F统计量分别为3.680、9.368、3.587和11.694，均大于3.200， 说明表2中煤质参数预测模型有效。

为进一步验证预测模型的可靠性，运用建立的多元拟合模型对宁夏任家庄煤矿太原组煤样进行水分、灰分、挥发分和固定碳的预测和检验。预测结果见表3、表4、表5和表6。根据预测结果与实际结果的相对误差与绝对误差对比分析可以看出，建立的多元拟合模型预测煤质参数误差较小，可以较好地服务于煤矿开采。

图6 研究区煤中固定碳与测井参数关系图

表2 研究区煤质指标预测模型

表3 研究区检验煤样水分预测误差统计表

表4 研究区检验煤样灰分预测误差统计表

表5 研究区检验煤样挥发分预测误差统计表

表6 研究区检验煤样固定碳预测误差统计表

5 结论

1)研究区太原组煤质以低水分、中灰—中高灰、高挥发分、中—高硫、中高—高发热量的气煤为主，肥煤次之。其中，水分与挥发分呈微弱的正相关关系，灰分与固定碳呈显著的负相关关系。煤层短源距伽马-伽马曲线特征以箱型为主，指型和齿型次之；侧向电阻率曲线多表现为箱型和漏斗型，指型次之；自然伽马曲线多表现为指型和箱型，钟型次之；自然电位曲线表现为平直型，反映不明显。

2)通过对太原组煤层煤质和测井曲线特征分析发现，煤中水分与侧向电阻率呈负相关关系，与自然电位、自然伽马值和短源距伽马-伽马值呈正相关关系；灰分与短源距伽马-伽马值、侧向电阻率呈负相关关系，与自然伽马值、自然电位呈正相关关系；挥发分与侧向电阻率呈负相关关系，与自然电位、自然伽马值和短源距伽马-伽马值呈正相关关系；固定碳与短源距伽马-伽马值、侧向电阻率呈正相关关系，与自然伽马值、自然电位呈负相关关系。

3)借助SPSS软件建立了煤质多元拟合模型，通过F函数检验和煤样预测检验相结合，证实了该模型可以有效地预测煤层煤质。