魏迎春 閔洛平 常東亮 李 超 張傲翔 曹代勇

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

不同煤體結(jié)構(gòu)類型煤的破碎程度不同，對(duì)煤層氣排采中煤粉產(chǎn)出具有很大影響。姚征等利用物理模擬實(shí)驗(yàn)手段研究認(rèn)為碎粒煤對(duì)煤層氣排采影響最大。識(shí)別煤層煤體結(jié)構(gòu)類型對(duì)煤層氣的開(kāi)采具有重要的意義，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在利用不同的測(cè)井參數(shù)資料識(shí)別煤體結(jié)構(gòu)方面作了大量研究并取得一定的成果。張玉貴利用電阻率曲線、自然伽馬曲線和人工伽馬曲線識(shí)別了構(gòu)造煤。龍王寅等總結(jié)了煤體結(jié)構(gòu)類型與測(cè)井曲線形態(tài)之間的關(guān)系,并劃分了煤體結(jié)構(gòu)。姚軍朋等利用測(cè)井資料定量判識(shí)構(gòu)造煤。陳躍等利用測(cè)井曲線組合識(shí)別了韓城區(qū)塊的煤體結(jié)構(gòu)。孟召平等分析了晉城礦區(qū)不同煤體結(jié)構(gòu)對(duì)井徑、聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子、自然電位、自然伽馬等響應(yīng)特征。程相振等探討了井徑曲線與煤體結(jié)構(gòu)關(guān)系。張曉玉等運(yùn)用測(cè)井解釋識(shí)別韓城區(qū)塊不同煤體結(jié)構(gòu)類型，分析了其與產(chǎn)出煤粉特征的關(guān)系。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究，但大多數(shù)研究是從煤體結(jié)構(gòu)對(duì)瓦斯突出、煤儲(chǔ)層滲透性和含氣量等方面的影響的角度出發(fā)，而從煤體結(jié)構(gòu)方面研究煤層氣排采中煤粉產(chǎn)出的較之甚少。測(cè)井結(jié)果受多種因素影響，不同區(qū)域測(cè)井參數(shù)響應(yīng)差異較大，特定方法只針對(duì)具體的研究區(qū)適用。因此，本文選擇了煤層氣排采中煤粉產(chǎn)出嚴(yán)重的臨汾區(qū)塊，通過(guò)對(duì)臨汾區(qū)塊參數(shù)井煤芯樣品和測(cè)井響應(yīng)參數(shù)對(duì)比分析，劃分區(qū)內(nèi)煤層煤體結(jié)構(gòu)類型，總結(jié)適合本區(qū)的不同煤體結(jié)構(gòu)類型對(duì)應(yīng)測(cè)井參數(shù)組合特征，識(shí)別5#和8#煤層的煤體結(jié)構(gòu)類型，并預(yù)測(cè)Ⅲ類煤發(fā)育，為煤層氣產(chǎn)出煤粉的管控措施乃至煤層氣勘探開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

臨汾區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東南緣，是鄂爾多斯盆地東緣煤層氣田的重要組成部分，研究區(qū)構(gòu)造斷裂情況如圖1所示。區(qū)塊整體為一西傾單斜構(gòu)造，地面構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，單斜、背斜、撓褶和斷裂構(gòu)造特征比較明顯。研究區(qū)內(nèi)部發(fā)育有NE-SW向的古驛—窯渠背斜貫穿全區(qū)，背斜兩側(cè)斷裂構(gòu)造發(fā)育。

臨汾區(qū)塊主要含煤地層為石炭—二疊系的太原組和山西組地層，含煤超過(guò)10層。其中，山西組5#煤層和太原組8#煤層為煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的主采煤層。5#煤層全區(qū)發(fā)育，分布穩(wěn)定，總厚度3～13.5 m，位于山西組下部，下距K7砂巖3.88～16.80 m。頂板為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及砂巖；底板為泥巖、瀝青質(zhì)泥巖及砂巖。8#煤層全區(qū)發(fā)育，分布穩(wěn)定，總厚度4.8～23 m，位于太原組中下部，K2灰?guī)r為其直接頂板，底板為鋁土質(zhì)泥巖、泥巖及粉砂質(zhì)泥巖，含根化石。臨汾區(qū)塊開(kāi)采煤層埋深普遍900～1200 m，埋深大且構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造斷裂圖

2 煤體結(jié)構(gòu)類型劃分及測(cè)井曲線組合特征

2.1 煤體結(jié)構(gòu)類型劃分

由于鉆井取芯過(guò)程會(huì)對(duì)煤芯造成不同程度的損壞，若按照煤體結(jié)構(gòu)分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 30050-2013)將其分為原生結(jié)構(gòu)煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤，從鉆井煤芯識(shí)別原位狀態(tài)的煤體結(jié)構(gòu)較難。對(duì)于煤層氣勘探開(kāi)發(fā)而言，原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤產(chǎn)出煤粉較少，對(duì)煤層氣開(kāi)發(fā)影響較小，而碎粒煤和糜棱煤受到構(gòu)造強(qiáng)烈破壞，易產(chǎn)出大量煤粉，造成煤粉堵塞煤層氣滲流通道、煤粉埋泵、煤粉卡泵等，不利于煤層氣產(chǎn)出，降低了煤層氣單井的產(chǎn)能?；谝陨弦蛩乜紤]，將臨汾區(qū)塊煤體結(jié)構(gòu)類型劃分為Ⅰ類煤、Ⅱ類煤和Ⅲ類煤，分別為塊煤(原生結(jié)構(gòu)煤)、塊粒煤(碎裂煤和部分碎粒煤)和粒粉煤(碎粒煤和糜棱煤)，如表1所示。

表1煤芯與煤體結(jié)構(gòu)類型對(duì)應(yīng)表

2.2 不同煤體結(jié)構(gòu)測(cè)井曲線組合特征

測(cè)井曲線解釋煤體結(jié)構(gòu)的原理主要基于不同煤體結(jié)構(gòu)類型煤的物性差異表現(xiàn)出的不同特征。按照研究區(qū)內(nèi)3口參數(shù)井的煤芯歸位方法，將煤芯與對(duì)應(yīng)深度的測(cè)井曲線進(jìn)行對(duì)比分析，建立了以深側(cè)向電阻率、井徑、自然伽馬為主要指標(biāo)的煤體結(jié)構(gòu)類型劃分方法，歸納總結(jié)了不同煤體結(jié)構(gòu)煤對(duì)應(yīng)的測(cè)井曲線響應(yīng)特征。

(1)深側(cè)向電阻率測(cè)井特征。一般認(rèn)為原生結(jié)構(gòu)煤層深側(cè)向電阻率較大，受構(gòu)造破裂作用越強(qiáng)，破碎程度越嚴(yán)重，深側(cè)向電阻率越小。也就是說(shuō)，受構(gòu)造破壞程度越大，深側(cè)向電阻率減小幅度越大。

(2)井徑測(cè)井曲線特征。原生結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)完整，不易破碎，所處煤層段鉆井時(shí)不易發(fā)生垮塌現(xiàn)象，測(cè)井曲線呈平滑的直線；破壞程度高的煤層段，由于裂隙發(fā)育，在鉆井過(guò)程中鉆井液的沖洗作用下，會(huì)出現(xiàn)明顯的擴(kuò)徑現(xiàn)象，測(cè)井曲線會(huì)有凸起。井徑測(cè)井曲線值的大小在一定程度上反映了煤層破碎程度，因此可以作為劃分煤體結(jié)構(gòu)的參數(shù)之一。

(3)自然伽瑪測(cè)井特征。一般情況下，原生結(jié)構(gòu)煤會(huì)有較高自然伽瑪值，煤層遭受破壞后，裂隙發(fā)育，單位體積的自然伽瑪值會(huì)減小。并非所有煤層自然伽馬均表現(xiàn)為低值，由于礦物雜質(zhì)的主要成分是黏土礦物，所以煤的自然放射性隨灰分的增高而增強(qiáng)，表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。某些高灰分煤層甚至具有比圍巖還要高旳放射性。

Ⅰ類煤深側(cè)向電阻率普遍較大，一般大于2000 Ω·m，峰值高達(dá)5000 Ω·m，基本無(wú)擴(kuò)徑，自然伽馬在42～108 API之間；Ⅱ類煤深側(cè)向電阻率在500～2000 Ω·m，有較明顯差異擴(kuò)徑，井徑一般在25～40 cm，擴(kuò)徑在X、Y方向有較大差異，自然伽馬在50～119 API之間；Ⅲ類煤深側(cè)向電阻率小于500 Ω·m，自然伽馬在84～162 API之間，井徑一般在22.5～30 cm，稍微擴(kuò)徑或有在X、Y方向無(wú)差異擴(kuò)徑，如圖2所示。

3 煤體結(jié)構(gòu)分布規(guī)律

3.1 5#煤層煤體結(jié)構(gòu)分布規(guī)律

研究區(qū)的開(kāi)發(fā)井主要分布在古驛—窯渠背斜軸部，呈近南北向長(zhǎng)條狀展布?；诮⒌臏y(cè)井曲線煤體結(jié)構(gòu)解釋模板，對(duì)研究區(qū)的兩個(gè)主力開(kāi)發(fā)煤層——山西組5#煤層和太原組8#煤層進(jìn)行煤體結(jié)構(gòu)解釋，結(jié)果如表2所示。

圖2 不同煤體結(jié)構(gòu)的測(cè)井曲線組合特征及分層劃分

研究區(qū)5#煤層各類煤體結(jié)構(gòu)平面分布如圖3所示，Ⅰ類煤主要分布于背斜的西翼，遠(yuǎn)離背斜軸部，且厚度逐漸增厚。Ⅱ、Ⅲ類煤在背斜兩翼呈不對(duì)稱分布，東厚西薄。Ⅱ類煤在背斜的東翼發(fā)育，有向東逐漸增厚的趨勢(shì)，J9井附近最為發(fā)育。Ⅲ類煤分布在背斜的東翼，軸部附近煤層最厚，由軸部向東方后先增厚再變薄。綜合分析，研究區(qū)的煤體結(jié)構(gòu)分布主要受控于古驛-窯渠背斜和斷層。

表2 5#煤層煤體結(jié)構(gòu)及分層厚度

3.2 8#煤層煤體結(jié)構(gòu)分布規(guī)律

根據(jù)研究區(qū)19口開(kāi)發(fā)井測(cè)井資料識(shí)別出8#煤層煤體結(jié)構(gòu)及其分層定厚結(jié)果如表3所示,8#煤層煤體結(jié)構(gòu)分布如圖4所示。Ⅰ類煤主要分布于背斜的西翼，有背斜軸部向西逐漸增厚的趨勢(shì)。Ⅱ類煤在背斜兩側(cè)呈對(duì)稱分布，由背斜軸部向兩翼逐漸變薄，J9井處較為發(fā)育。Ⅲ類煤集中分布由背斜的東翼，遠(yuǎn)離背斜軸部先開(kāi)始變薄，接近斷裂帶逐漸增后。研究區(qū)8#煤層煤體結(jié)構(gòu)分布主要受背斜構(gòu)造的影響，斷層的影響次之，在斷層與背斜雙重構(gòu)造作用影響下煤體破壞最為嚴(yán)重，Ⅲ類煤更為發(fā)育。

3.3 煤體結(jié)構(gòu)與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)關(guān)系

河?xùn)|煤田在石炭-二疊聚煤期后，曾經(jīng)歷過(guò)印支期、燕山期及喜山期3次大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。臨汾區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東緣，屬于河?xùn)|煤田南部。

圖3 5#煤層各煤體結(jié)構(gòu)分布

臨汾區(qū)塊經(jīng)歷了三疊紀(jì)末的印支運(yùn)動(dòng)，受到近NS向的擠壓應(yīng)力，形成NW構(gòu)造；燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)期，臨汾區(qū)塊受到NW-SE向的擠壓力，形成NE-NNE向的構(gòu)造，同時(shí)，受呂梁山隆升推擠的影響，近NS走向的晉西撓褶帶形成，由此形成了該區(qū)基本構(gòu)造形態(tài)；喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)時(shí)期，以印度板塊與歐亞大陸的碰撞作用為主而產(chǎn)生的NE-SW向擠壓力，使鄂爾多斯盆地構(gòu)造發(fā)生了負(fù)反轉(zhuǎn)，盆地周邊普遍發(fā)生斷陷作用。多期不同性質(zhì)的板緣構(gòu)造活動(dòng)，形成了鄂爾多斯盆地東緣總體呈W、NW向緩傾斜的大型單斜構(gòu)造，屬于具有過(guò)渡性質(zhì)的盆緣構(gòu)造區(qū)。構(gòu)造發(fā)育具有明顯的分帶性，在東西方向上，盆緣以斷層及伴生的撓褶為主，中部發(fā)育寬緩的褶皺，大寧—吉縣地區(qū)位于晉西撓褶帶南部，構(gòu)造總體為NE-SW向單斜構(gòu)造，伴有褶皺。構(gòu)造煤是在構(gòu)造應(yīng)力的作用下形成的，在構(gòu)造的不同部位，其地應(yīng)力分布不同，如背斜構(gòu)造軸部應(yīng)力大于其翼部所受應(yīng)力，因而Ⅱ類煤在背斜軸部較翼部更為發(fā)育。在背斜構(gòu)造和斷裂構(gòu)造雙重因素控制的區(qū)帶Ⅲ類煤發(fā)育，而在遠(yuǎn)離背斜軸部和斷裂的區(qū)帶Ⅰ類煤更為發(fā)育。

表3 8#煤層煤體結(jié)構(gòu)及分層厚度

3.4 煤體結(jié)構(gòu)與煤粉產(chǎn)出的關(guān)系

煤層氣開(kāi)采過(guò)程中煤粉的產(chǎn)出與煤體結(jié)構(gòu)存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，原生結(jié)構(gòu)煤的煤體結(jié)構(gòu)完整，不易破碎，煤芯呈塊狀，裂隙不發(fā)育，不利于煤層氣產(chǎn)出，但在采氣過(guò)程中煤粉產(chǎn)出量最小。碎裂煤結(jié)構(gòu)較為完整，但受構(gòu)造破壞，煤芯呈碎塊狀，孔裂隙發(fā)育，有利于煤層氣開(kāi)發(fā)，但因煤體結(jié)構(gòu)較破碎，壓裂過(guò)程中致使儲(chǔ)層破壞，增大煤粉產(chǎn)出量。碎?！永饷航Y(jié)構(gòu)為碎粒狀或鱗片狀，煤芯呈細(xì)粒、粉末狀，煤粉易堵塞儲(chǔ)層裂隙，不利于煤層氣開(kāi)發(fā)，且在開(kāi)發(fā)過(guò)程中產(chǎn)出大量煤粉，易發(fā)生卡泵現(xiàn)象。因此，查明Ⅲ類煤在區(qū)中的分布為制定煤粉管控措施提供依據(jù)。

圖4 8#煤層各煤體結(jié)構(gòu)分布

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)參數(shù)井煤芯觀察，將其進(jìn)行分類Ⅰ類塊煤、Ⅱ類塊粒煤、Ⅲ類粒粉煤，對(duì)照測(cè)井曲線，歸納總結(jié)不同煤體結(jié)構(gòu)測(cè)井曲線特征，Ⅰ類煤電阻率最高，一般大于2000 Ω·m，自然伽馬負(fù)異常，幅值大，無(wú)擴(kuò)徑；Ⅱ類煤電阻率略有降低，一般為500～2000 Ω·m，自然伽馬值負(fù)異常，幅值降低，有明顯擴(kuò)徑，在X、Y方向擴(kuò)徑有差異；Ⅲ類煤的電阻率低于500 Ω·m，自然伽馬負(fù)異常，幅值較小，無(wú)擴(kuò)徑或有輕微擴(kuò)徑。

(2)研究區(qū)內(nèi)的5#、8#煤層煤體結(jié)構(gòu)分布主要受控于古驛—窯渠背斜，以其背斜軸為分帶線，西翼原生結(jié)構(gòu)煤發(fā)育，東翼一側(cè)構(gòu)造煤發(fā)育。5#煤層中的Ⅰ類煤主要分布于背斜的西翼，遠(yuǎn)離軸部逐漸增厚；Ⅱ類煤在背斜的東翼發(fā)育，由西向東增厚；Ⅲ類煤的分布在背斜的東翼，軸部附近煤層最厚，由軸部向東先增厚再變薄。8#煤層中Ⅰ類煤主要分布于背斜的西翼，有背斜軸部向西逐漸增厚的趨勢(shì)；Ⅱ類煤在背斜兩側(cè)呈對(duì)稱分布，由背斜軸部向兩翼逐漸變??；Ⅲ類煤集中分布在背斜的東翼，遠(yuǎn)離背斜軸部先開(kāi)始變薄，接近斷裂帶后逐漸增厚。研究區(qū)煤體結(jié)構(gòu)的主控因素為背斜構(gòu)造和東翼的斷層。

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