用測(cè)井曲線參數(shù)測(cè)煤層頂板砂巖層含水性

田 忠， 張平松， 郭立全， 吳榮新

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南232001)

煤田測(cè)井是資源地質(zhì)勘探中必不可少的環(huán)節(jié)之一，所獲得的幾類測(cè)井曲線可以準(zhǔn)確確定煤層頂板砂巖的厚度、空間位置，以及煤層頂板砂巖的層位和構(gòu)造特征;利用測(cè)井相和測(cè)井測(cè)量的地層產(chǎn)狀研究沉積環(huán)境，可以解釋煤層頂板砂巖巖石力學(xué)性質(zhì)，評(píng)價(jià)煤層頂?shù)装宸€(wěn)定性和分析研究煤層炭灰水、巖層砂泥巖含量等。目前，煤田測(cè)井應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛［1］。相比較而言，煤田測(cè)井較石油測(cè)井起步晚，對(duì)許多地質(zhì)問(wèn)題僅能做到定性分析而無(wú)法進(jìn)行定量解釋，尤其是在地層含水率評(píng)測(cè)方面，沒(méi)有既定的經(jīng)驗(yàn)公式和較為系統(tǒng)的研究方法，因此，煤田測(cè)井曲線數(shù)據(jù)資料利用程度不高。筆者結(jié)合石油測(cè)井中的數(shù)據(jù)分析方法，對(duì)皖北某礦目標(biāo)層測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理，評(píng)測(cè)煤層頂板砂巖的含水性，為礦井安全開(kāi)采提供了可利用的輔助資料。

1 測(cè)井評(píng)價(jià)方法

1.1 解釋曲線的選擇

巖體的富水性主要取決于巖體孔隙、裂隙的發(fā)育程度，因而可利用孔隙度來(lái)劃分巖層的富水程度。這兩者之間的線性關(guān)系明顯，含水率隨著孔隙度的增大而增加?？傮w來(lái)說(shuō)，影響煤層頂板砂巖富水性的因素很多，主要包括區(qū)域構(gòu)造、巖性、孔隙特性、裂隙率、賦存條件等。砂巖厚度是決定煤層頂板砂巖富水程度的前提條件，也是影響地下水賦存的首要因素。因此，在進(jìn)行煤層頂板砂巖富水性解釋時(shí)須確定有效的測(cè)井曲線及參數(shù)。對(duì)富水煤層頂板砂巖響應(yīng)較好的曲線為密度曲線、視電阻率曲線、聲波時(shí)差曲線、自然伽馬曲線。煤層頂板砂巖富水性越強(qiáng)，密度曲線、視電阻率曲線值越小，聲波時(shí)差曲線、自然伽馬曲線值越大［2－3］。幾種曲線中視電阻率曲線直接反應(yīng)煤層頂板砂巖導(dǎo)電特性，且與煤層含水性直接相關(guān)，可進(jìn)行精細(xì)解釋。

1.2 富水性解釋模型

借鑒石油測(cè)井中含水飽和度的相關(guān)模型和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析，采用Archie 公式計(jì)算巖石含水飽和度Sw，評(píng)價(jià)煤層頂板砂巖的含水性。Archie 公式為:

式中:F——地層因素，其值主要取決于地層孔隙度φ，且與巖石性質(zhì)、膠結(jié)情況和孔隙結(jié)構(gòu)等有關(guān)，但與地層含水電阻率ρw無(wú)關(guān);

ρ0——100%飽和地層水的巖石電阻率，Ω·m;

a——與巖性有關(guān)的巖性系數(shù)，一般為0.60～1.53;

m——膠結(jié)指數(shù)，與巖石膠結(jié)情況和孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，約取2;

I——巖層電阻增大系數(shù)，其值基本決定于Sw，且與地層的孔隙度和地層含水電阻率無(wú)關(guān);

ρt——地層真電阻率，Ω·m;

b——與巖性有關(guān)的系數(shù)，一般接近于1，常取1;

n——飽和度指數(shù)，與油、氣或水在孔隙中的分布狀況有關(guān)，其值為1.5～2.2，常取2。

油氣勘探中利用Archie 公式進(jìn)行Sw計(jì)算的步驟如下:

(1)利用人工伽馬測(cè)井資料計(jì)算地層孔隙度φ。

(2)利用Archie 公式計(jì)算地層因素F。

(3)根據(jù)地層真電阻率ρt和地層含水電阻率ρw，由Archie 公式計(jì)算地層含水飽和度Sw，

由式(3)可以看出，Archie 公式是聯(lián)系電阻率與孔隙度的橋梁，m、a、n、b 及ρw等參數(shù)，對(duì)其應(yīng)用效果具有重要影響，而且它們隨地區(qū)甚至解釋層段而變化。因此，應(yīng)根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)特征，通過(guò)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法得出較為適合的解釋參數(shù)值［4］。

煤田勘探受條件所限，實(shí)際ρw測(cè)量數(shù)據(jù)缺少，現(xiàn)對(duì)該步驟進(jìn)行微調(diào)以達(dá)到計(jì)算要求:

(1)計(jì)算地層的含水率和孔隙度平均值，再計(jì)算該層位的現(xiàn)有含水飽和度。含水率和孔隙度可由礦區(qū)地質(zhì)報(bào)告中提取的多個(gè)鉆孔的測(cè)井曲線得到。

(2)結(jié)合視電阻率測(cè)井曲線進(jìn)行層位視電阻率值提取，并求其平均值。

(3)利用式(3)求取ρ0，獲得煤層整體含水飽和度的計(jì)算公式。

Archie 公式的理想應(yīng)用條件是具有顆?？紫兜募兊貙?，對(duì)于泥質(zhì)含量少的地層也可取得較理想結(jié)果。但對(duì)含黏土或泥質(zhì)較多的地層和裂縫性地層，直接應(yīng)用Archie 公式解釋時(shí)，往往得不到令人滿意的結(jié)果［5－7］。文中所選砂巖層位比較均勻，泥質(zhì)含量較少且厚度相對(duì)較大，基本符合Archie 公式的理想條件。

2 富水性評(píng)測(cè)

2.1 研究區(qū)概況

皖北煤田是新生界松散層所覆蓋的全隱伏煤田，是以頂?shù)装逯苯舆M(jìn)水、裂隙水為主要充水水源的礦床，局部地區(qū)亦有底板進(jìn)水巖溶水充水礦床。皖北某礦三采區(qū)6 －1 煤層位于6 －0 煤層下11 m 左右，是6 煤組內(nèi)發(fā)育最好的一層，煤層平均厚度1.72 m，面積可采率71%，為大部可采的較穩(wěn)定煤層。煤層頂板以砂巖為主，含少量粉砂巖和泥巖，少有巖漿侵入。該礦區(qū)的煤系地層可劃分為兩個(gè)含水層和三個(gè)隔水層，6－1 煤層頂板是兩個(gè)含水層之一，屬于砂巖裂隙含水層，是礦井的直接充水含水層。

2.2 目標(biāo)層的選取

目標(biāo)層選取要求:在區(qū)域上穩(wěn)定分布，巖性、電性特征明顯，便于全區(qū)對(duì)比追蹤;巖性成因相同，具有穩(wěn)定的地球物理響應(yīng)特征;且有一定厚度，一般大于5 m;自然伽馬為低值、電阻率為高值的致密層［8］。根據(jù)鉆孔抽水實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到，q =0.001 94～0.756 30 L/(s·m)，k=0.001 71～12.890 00 m/d，生產(chǎn)礦井涌水量為20.00～878.70 m3/h?？梢?jiàn)，6 －1 煤層頂板具有一定的富水性，對(duì)煤層的安全開(kāi)采有一定影響。該頂板砂巖在區(qū)域分布上較為穩(wěn)定，巖性和電性特征與上下地層的區(qū)別明顯，厚度平均值大于5 m，符合目標(biāo)層的選取要求，因此，選取6 －1 煤頂板砂巖作為目標(biāo)層進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

2.3 目標(biāo)層的標(biāo)準(zhǔn)化處理

受各種外在因素的影響，目標(biāo)層的視電阻率需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以使標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)與地層的實(shí)際情況更加接近。文中選取6 －1 煤層頂板的一套砂巖地層作為標(biāo)準(zhǔn)層，對(duì)其視電阻率標(biāo)準(zhǔn)化處理。統(tǒng)計(jì)不同鉆孔視電阻率測(cè)井曲線目標(biāo)層所在起始深度、視電阻率最大值和最小值，計(jì)算目標(biāo)層平均深度和視電阻率平均值(表1)，并利用不同井的平均深度值和視電阻率平均值進(jìn)行擬合，獲得視電阻率平均值隨平均深度變化的線性關(guān)系(圖1)，以此來(lái)計(jì)算視電阻率曲線在目標(biāo)層附近的最佳逼近值，作為標(biāo)準(zhǔn)視電阻率值［9－10］。

表1 根據(jù)線性關(guān)系求取的標(biāo)準(zhǔn)化視電阻率值Table 1 Standard apparent resistivity values getted buy linear relationship

圖1 視電阻率平均值隨平均深度變化相關(guān)關(guān)系Fig．1 Correlation diagram of average apparent resistivity values change with average depth

2.4 含水飽和度計(jì)算

利用Archie 方程組建立巖石含水飽和度Sw與視電阻率ρ 之間的非線性關(guān)系:

根據(jù)研究區(qū)地層的實(shí)際情況，b 取1，n 取2。經(jīng)過(guò)巖樣的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，其值與經(jīng)驗(yàn)值誤差在允許范圍內(nèi)。計(jì)算求得6 － 1 煤層頂板砂巖層含水率為1.61%，孔隙度為7.56%，含水飽和度為21.3%，標(biāo)準(zhǔn)化視電阻率平均值為21.23 Ω·m。結(jié)合上述參數(shù)，進(jìn)一步求得ρ0，并獲得Sw計(jì)算式:

根據(jù)表1 中各鉆孔標(biāo)準(zhǔn)化視電阻率值，由式(5)可進(jìn)一步計(jì)算得到各鉆孔6 －1 煤頂板砂巖含水飽和度值，如表2 所示。

表2 6－1 煤頂板砂巖各鉆孔含水飽和度Table 2 Water saturation in various drilling of 6-1 coal roof sandstone

根據(jù)表2 獲得采區(qū)目標(biāo)層含水飽和度分布，如圖2 所示。與視電阻率均值分布圖(圖3)相對(duì)比，可以看出，含水飽和度的分布情況與視電阻率均值的分

圖2 6 －1 煤頂板砂巖層段含水飽和度預(yù)測(cè)分布Fig．2 Predicted distribution of water saturation of 6-1 coal roof sandstone

圖3 6 －1 煤頂板砂巖層段視電阻率均值分布特征Fig．3 6-1 coal roof sandstone distribution map of apparent resistivity values

布具有較高的關(guān)聯(lián)度，局部出現(xiàn)高阻異常。整個(gè)區(qū)域中，6－1 煤層頂板砂巖富水性較弱，僅在工作面布置外圍(圖2 右上角)處含水飽和度較高，砂巖富水性增強(qiáng)，但對(duì)整個(gè)采區(qū)回采影響不大。根據(jù)勘探揭露資料，該層段巖性致密完整，裂隙不發(fā)育，層段厚度為50～140 m，單位涌水量q =0.009 38 L/(s·m)，鉆探揭露時(shí)未發(fā)生漏水現(xiàn)象，其隔水性能較好。可見(jiàn)，計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際揭露地質(zhì)條件相吻合，表明利用測(cè)井曲線參數(shù)預(yù)測(cè)煤層頂板砂巖含水性的方法具有可行性。

3 結(jié) 論

(1)煤層頂板砂巖的含水性與測(cè)井曲線參數(shù)之間具有一定的相關(guān)性，提取研究區(qū)的視電阻率曲線數(shù)值，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，根據(jù)Archie 公式和當(dāng)?shù)氐膶?shí)際地質(zhì)情況得到推算公式中的各個(gè)參數(shù)，建立含水飽和度與視電阻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而獲得含水飽和度分布情況，對(duì)采區(qū)某一層位的富水性進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。

(2)利用測(cè)井視電阻率曲線預(yù)測(cè)煤層頂板砂巖地層富水性的方法，可進(jìn)一步豐富勘探階段的成果，為煤礦防治水工作提供有效的參數(shù)數(shù)據(jù)。

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