甘肃柴胡子沟工作区煤层测井方法及解释成果

田步令

（甘肃煤炭地质勘查院，甘肃 兰州 730000）

1 概况

工作区位于甘肃省山丹县老军乡龙首山南侧，总体呈现北高南低之势，海拔最高2600 m，最低1700 m，高差900 m，属中山区。区内最大比高100 m 左右，地形稍复杂，其南部则地形平坦，大多为冲积平原。

工作区属北温带寒冷干旱气候，夏季炎热，冬季寒冷，昼夜温差大；平均最大气压823.1 mbar，月平均最高气温20.3 ℃（7 月），月平均最低气温-11.7 ℃（11 月），历年平均气温5.90 ℃；空气干燥，历年蒸发量2 251.7 mm，年降水量平均195 mm；风速平均2.6 m/s，最大可达3.2 m/s，风向多为西北及东南风；历年平均封冻日期11 月18 日，解冻日期3 月17 日，年最大冻土深度1.43 m。

根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015），该区地震动峰值加速度为0.15 g。根据《建筑抗震设计规程》（DB62/T25-3055-2011），工作区抗震设防烈度为Ⅶ度。

2 工作方法

以LL3、GR、GGL 确定煤层及夹矸，划分全孔地质剖面，以及判断地层含水层和破碎带；利用声速（SAT）及密度（DNL）曲线进行地层岩石力学性质的计算，对所有煤层均用长源距伽玛伽玛、三侧向电阻率、自然伽玛三种以上1:50 放大曲线进行分层定厚[1]。

3 工作区地层

根据工作区内已取得的钻探资料，认为工作区赋存的地层自上而下为第四系（Q）、新近系临夏组（N2l）、上侏罗统苦水峡群（J3ks）、中侏罗统新河组（J2x）、中侏罗统中间沟组（J2z）、上二叠统窑沟群（P3yg）、中二叠统大黄沟组（P2d）、下二叠统太原组（P1t）和基底下寒武统大黄山群（∈1dh）[1]。其中下二叠统太原组（P1t）为工作区的主要含煤地层。

3.1 下寒武统大黄山群（∈1dh）

为工作区内最古老的地层，构成工作区的沉积基底。上部以灰绿色厚层状粉砂质板岩为主，夹变质砂岩，砂岩层的底面具波状冲刷面及印模，其中含铁质结核；下部以灰绿色、淡红色变质砂岩夹泥质板岩，具波痕，构成韵律沉积，底部含同生砾石。

3.2 二叠系（P）

二叠系可分为下二叠统太原组（P1t）、中二叠统大黄沟组（P2d）和上二叠统窑沟群（P3yg）。

1）下二叠统太原组（P1t）

下二叠统太原组为工作区主要含煤地层，属海陆交互相沉积，岩性以灰白色砂岩及深灰、灰黑色粉砂岩、泥岩为主，其中夹石灰岩、铝质泥岩、碳质泥岩和煤层[2]，可分为上中下三段。其中，太原组上段（P1t3）：岩性及厚度比较稳定。其特点是纯陆相沉积，上部为一套杂色碎屑岩，以含云母砂岩及其上的一层杂色泥岩、粉砂岩为特征，下部为区内主要可采煤层（煤1、煤2上、煤2下），以及灰、灰黑色泥岩、砂岩夹碳质泥岩。厚度具有南薄北厚的特点。整个山丹-永昌盆地的二叠系地层对比性较好[3]，特征也很明显。

2）中二叠统大黄沟组（P2d）

颜色以紫红、灰绿、灰、灰白等杂色为主，岩性以含砾粗砂岩、砂岩、砂质泥岩、粉砂岩、砾岩互层，砂岩为岩屑长石砂岩、长石砂岩或杂砂岩，砾岩为复成分砾岩。属于干热气候下的河流沉积，其厚度一般为50.62～200.46 m，平均118.32 m。与下伏下二叠统太原组（P1t）呈假整合接触。

3）上二叠统窑沟群（P3yg）

颜色以紫红、灰白、灰绿等杂色为主，岩性以粗砂岩、含砾粗砂岩与粉砂～细砂岩互层，中夹细砾岩及砂质泥岩，砂岩为岩屑长石杂砂岩，砾岩为复成分砾岩，属于干热气候下的河流沉积。由于受上覆地层新近系的剥蚀，厚度变化大，残余厚度55.16～389.88 m。与下伏大黄沟组（P2d）整合接触。

3.3 侏罗系（J）

1）中侏罗统中间沟组（J2z）

以灰绿、灰白及浅灰色的粗中粒砂岩、砂砾岩为主，夹泥岩、粉砂岩、细粒砂岩薄层，底部为一厚层状中砾岩，为本区标志层。本组含煤线，厚121.70 m，与下伏上二叠统窑沟群不整合接触。

2）中侏罗统新河组（J2x）

上部以湖相沉积的灰白、灰绿色泥质粉砂岩、细粒砂岩为主，夹中粒砂岩及2 层不可采煤层；中部以河湖相沉积的灰白色砂砾岩、粗粒砂岩、中粒砂岩为主，夹一层煤线；下部以河床相砂砾岩沉积为主，夹砂岩薄层，厚187.59 m，与下伏中侏罗统中间沟组整合接触。

3）上侏罗统苦水峡群（J3ks）

由紫褐、紫红色细砾岩和砂岩组成，夹泥质粉砂岩薄层，顶部有一层泥晶灰岩，平均厚531.20 m，与下伏中侏罗统新河组整合接触。

3.4 下白垩统河口群（K1hk）

岩性为红褐色、紫红色细砾岩和砂岩组成，成分以石英、长石为主，含云母碎片，棱角状-次棱角状，分选差。与下伏上侏罗统苦水峡群为角度不整合接触。

3.5 新近系临夏组（N2l）

岩性为紫红色，中砾岩结构，成分以变质岩砾为主，石英砾次之，充填泥质，棱角状，分选差。顶部为断层接触，成分复杂（有泥岩，砂岩砾变质岩砾等），比较破碎。

3.6 第四系（Q）

区内的覆盖层，主要为砂砾石层。顶部有厚3～10 m 的次生黄土及耕植土，底部偶见厚度不足10 m 的透镜状角砾岩。区内第四系平均厚度85 m。

4 工作区煤层

根据以往及详查阶段施工钻孔18 个，其中14孔见煤，4 孔未及煤层，18 个钻孔均未穿透太原组地层。其中10 个钻孔在穿过3 煤层以后即终孔。

确定工作区含煤地层为下二叠统太原组，其中F1 断层上盘太原组上段为工作区主要含煤段，含主要可采煤层煤1 和煤2 组；太原组中段的上部含零星可采煤层煤3，中部含不可采煤层煤4、煤5，下部仅含煤线（煤9）；太原组下段不含煤层。煤层总厚度0.62～6.78 m，平均4.02 m，含煤系数7.97%，煤层可采总厚度0.62～5.41 m，平均3.54 m，可采煤层含煤系数6.17%。工作区下二叠统太原组含可采煤层三层，自上而下编号为煤1、煤2上和煤2下，均为大部分可采煤层。

1）煤1 层

位于下二叠统太原组上段（P1t3），分布范围为勘查区南部，北部煤层尖灭，分布面积约14.96 km2，约占勘查区面积的76.84%。区内18 孔中共有13 孔钻遇，煤层厚度0.19～1.82 m，平均0.85 m。5个钻孔达到可采，可采区分布于勘查区南部，面积7.12 km2，占勘查区面积的36.6%，可采煤厚0.62～1.82 m，平均1.21 m，属较稳定的大部分可采煤层。可采范围内大部分分布薄煤层。煤1 层下距煤2上层平均11.78 m。

煤层结构简单，13 个钻遇钻孔中有4 孔煤1 层含夹矸，均含夹矸1 层，夹矸总厚0.09～0.29 m，平均0.18 m，夹矸岩性多为泥岩。

煤层顶板大多为泥岩、砂质泥岩、泥质粉砂岩；底板大多泥质粉砂岩、粉砂岩、泥岩。

区内煤1 层沉积较稳定，厚度变化不大，局部可采，结构简单-较简单，LL3 曲线上多呈“双峰状”或“单峰状”高异常反映（48～243 Ω·m），其值普遍高于其他煤层；在DNL 曲线上呈“几”字状或“燕尾状”低异常反映（1.46～1.63 g/cm3）；在GR 曲线上为低异常的“双峰状”或“单峰状”显示（117～192 CPS）；SAT 曲线反映为高幅值“剪刀状”异常（511～552 us/m）。

2）煤2上层

位于下二叠统太原组上段（P1t3），分布范围为勘查区中南部，北部煤层逐渐尖灭，分布面积约17.32 km2，约占勘查区面积的88.96%。区内18 孔中共有11 孔钻遇，煤层厚度0.39～3.44 m，平均1.39 m。9 个钻孔达到可采，可采区分布于勘查区中南部，面积7.95 km2，占勘查区面积的40.83%，可采煤厚0.63～3.44 m，平均1.60 m，属较稳定的大部分可采煤层。煤2上层下距煤2下层平均6.47 m。

煤层结构复杂。11 个钻遇钻孔中有5 孔含夹矸，夹矸1～4 层，夹矸总厚0.37～3.03 m，平均1.08 m，夹矸岩性多为碳质泥岩、泥岩。

煤层顶板大多为粉砂质泥岩、泥岩；底板大多泥质粉砂岩、泥岩。

3）煤2下层

位于下二叠统太原组上段（P1t3），分布范围为勘查区南部，北部煤层逐渐尖灭，面积约17.19 km2，约占勘查区面积的88.29%。区内18 孔中共有11 孔钻遇，煤层厚度0.14～3.22 m，平均1.79 m。8 个钻孔达到可采，可采区分布于勘查区中南部，面积7.07 km2，占勘查区面积的36.31%，可采煤厚1.09～2.09 m，平均1.40 m，属较稳定的大部分可采煤层。煤2下层下距煤3 层平均18.86 m。

煤层结构复杂。11 个钻遇钻孔4 个含夹矸层，含夹矸3～8 层，夹矸总厚1.09～2.90 m，平均2.06 m，夹矸岩性为碳质泥岩。

煤层顶板大多为碳质泥岩、泥岩；底板大多泥岩、碳质泥岩。

煤2 组结构复杂，含煤分层6～8 层。视电阻率、密度、自然伽玛幅值与煤1无明显差异，但因分层多，曲线形态复杂。

视电阻率曲线由6～7 个剑形单峰组合而成，其中煤2上层多为3 个剑形单峰组合，呈下收正台阶状为主，次为倒台阶状；煤2下层由上部的两个不对称齿形剑峰和下部的1 个剑形单峰组成，呈下收倒阶梯状。自然伽玛曲线形态均呈低峰值双塔型，形态对称。

密度与围岩和煤层夹矸的峰值2.2 g/cm3相比，异常明显，曲线形态呈宽缓振荡型或齿状箱型，形态稳定，一般不会因密度值增大而改变。

5 工作区煤系地层地球物理特征

本区各时代地层物性特征明显，层次分明，界面清楚，规律性强，测井曲线反映及地质效果良好。岩、煤层物性特征简述如下：

5.1 煤层物性特征

工作区内煤层与围岩物性差异较大，各煤层（组）物性组合特征明显，在测井曲线上皆表现为低密度、低自然伽玛、高电阻率，即“两低一高”的特征[4]。该区域内煤层物性特征十分明显，在测井曲线图上极易辨认，界面反映清晰。

1）煤1 层物性测井曲线特征

区内煤1 层沉积较稳定，厚度变化不大，局部可采，结构简单-较简单，LL3 曲线上多呈“双峰状”或“单峰状”高异常反映（48～243 Ω·m），其值普遍高于其他煤层；在DNL 曲线上呈“几”字状或“燕尾状”低异常反映（1.46～1.63 g/cm3）；在GR 曲线上为低异常的“双峰状”或“单峰状”显示（117～192 CPS）；SAT 曲线反映为高幅值“剪刀状”异常（511～552 us/m）。 在煤层对比中，以岩相对比是寻找本煤层的主要方向。煤1 层测井曲线特征图如图1。

图1 煤1 层测井曲线特征图

2）煤2 层物性测井曲线特征

煤层物性特征明显表现为：LL3 曲线上呈不规则的“群笋状”高异常（26～96 Ω·m）；在DNL曲线上表现为“锯齿状”低异常（1.33～2.33 g/cm3）；GR 曲线上表现为“群峰状”低异常（52～263 CPS）。此段测井曲线密度和视电阻率均变化平缓，而自然伽玛变化较大。煤2层测井曲线特征图如图2。

图2 煤2 层测井曲线特征图

5.2 煤系地层岩层地球物理特征

煤系地层岩层各参数曲线物性特征明显，较好划分井田内各种岩层的岩性。岩层物性特征如下：

1）泥岩

煤系地层泥岩密度相对较大[5]，在DNL 曲线上显示较高异常反映（1.61～1.96 g/cm3），在本工作区内泥岩层段钻孔孔径一般都容易不规则扩大，在测井曲线上反映为随着井径扩大而密度减小，在GR 曲线上呈高异常反映（186～307 CPS），且GR曲线幅值越高，一般对应层段的泥质含量越高，在LL3 曲线呈中低幅值反映（20～50 Ω·m），随着井径扩大有可能呈现为极低阻值近似直线形态。

2）粉砂岩和砂质泥岩

粉砂岩和砂质泥岩密度较大，在DNL 曲线呈较高异常反映（1.43～2.32 g/cm3），泥质含量较其他砂岩高，GR 曲线幅值较泥岩略低（98～263 CPS），GR 曲线幅值越高一般对应层段泥质含量越高，在LL3 曲线呈中高幅值反映（21～221 Ω·m）。

3）砂岩

砂岩的组成成分比较复杂，当砂岩的岩性由粗、中、细砂岩顺序排列时，其孔隙度逐渐减小，泥质含量逐渐增加。因此在DNL 曲线上，随着砂岩的岩性由粗变细，砂岩的密度逐渐增大，在部分层段由于砂岩极其松散可能造成井径扩大现象，DNL 曲线的幅值范围为（1.65～2.62 g/cm3）。在GR 曲线上，随着岩性颗粒的变细和泥质含量的增大，曲线的幅值随之增大，GR 曲线的幅值范围为（35～222 CPS）。而在LL3 曲线上随着岩性孔隙度的减小，岩层导电性能逐渐减弱，电阻率幅值逐渐增大，LL3 曲线的幅值范围为（37～506 Ω·m）。

4）碳质泥岩

碳质泥岩的泥质含量变化范围较大，随着泥质含量的变化，碳质泥岩物性特征主要表现为：碳质泥岩的密度大于煤而小于泥岩，在长源距伽玛伽玛（GGL）曲线上有似煤异常反映，因此在DNL 曲线上碳质泥岩幅值呈现中低值（1.75～2.20 g/cm3），在GR 曲线上反映较高，且随着泥质含量的增大，GR 曲线幅值不断增大，GR 曲线的幅值范围为（93～250 CPS），电阻率值一般呈现中高阻值，且与顶底板岩性界面清晰，各条曲线物性反映较煤层反应要弱，LL3 曲线的幅值范围为（50～113 Ω·m）。

6 结论

所测各参数曲线反映良好，无畸变和其他非正常显示。所采集数据多达10 种以上参数，资料采集准确齐全。测井参数选择合理，煤岩层定性、定厚较为可靠。根据测井结论能确定煤层深度、厚度及结构，掌握煤系地层煤、岩层物性特征及组合规律，可划分钻孔岩性，推断解释各时代地层界面。