兩淮煤田煤層測(cè)井定厚中的“臺(tái)階”問(wèn)題

卜 軍，趙 銳，丁文燦

安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院地質(zhì)技術(shù)部,合肥，230088

兩淮煤田煤層測(cè)井定厚中的“臺(tái)階”問(wèn)題

卜 軍，趙 銳，丁文燦

安徽省煤田地質(zhì)局勘查研究院地質(zhì)技術(shù)部,合肥，230088

“臺(tái)階”是煤層測(cè)井精細(xì)定厚過(guò)程中常遇到的一類現(xiàn)象，“臺(tái)階”問(wèn)題實(shí)際是一類伴生在煤層邊上或者夾在煤層中間的炭質(zhì)泥巖劃分問(wèn)題?！芭_(tái)階”問(wèn)題的處理關(guān)乎最終提交的煤炭資源儲(chǔ)量結(jié)果。通過(guò)介紹兩淮地區(qū)煤系地層的基本情況、煤巖的測(cè)井響應(yīng)特征，闡釋了安徽煤田地質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)煤層測(cè)井定厚的基本原則和方法，對(duì)兩種不同類型的“臺(tái)階”在測(cè)井曲線上的表現(xiàn)形式、劃分方法和背后的形成原因進(jìn)行了詳細(xì)論述，并嘗試提出了處理“臺(tái)階”問(wèn)題的最終解決方案。

兩淮煤田；測(cè)井解釋；煤層定厚；臺(tái)階

如果煤層硬度不高，受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，地層中常常會(huì)發(fā)育構(gòu)造煤(即粉煤)，加之鉆探工作對(duì)煤層造成的影響，有時(shí)即便是塊煤，也常會(huì)被震碎，導(dǎo)致煤心采取率較低[1]。這種現(xiàn)象在安徽兩淮煤田煤炭勘查中普遍存在。

通過(guò)煤層定厚解釋提供準(zhǔn)確的煤層深、厚度是煤田測(cè)井的重要任務(wù)之一。但由于地層情況的復(fù)雜性、多樣性和井眼中探測(cè)環(huán)境的特殊性，不同測(cè)井方法探測(cè)原理的差異、縱向分辨率的不一致，再加上人為主觀因素的影響，測(cè)井解釋員在煤層定厚解釋上常存在一些容易為人所忽略的認(rèn)知誤區(qū)，這突出地反映在定厚解釋中的“臺(tái)階”問(wèn)題上?！芭_(tái)階”問(wèn)題實(shí)際是一類伴生在煤層邊上或者夾在煤層中間的炭質(zhì)泥巖劃分問(wèn)題，其中涉及到區(qū)域的煤層定厚原則和方法、薄夾層的測(cè)井劃分等[2]。

因煤層定厚中的“臺(tái)階”問(wèn)題而造成定厚解釋誤差通常要超過(guò)0.1 m ，而兩淮地區(qū)煤系地層產(chǎn)狀平緩(<25°)，煤炭資源量估算最低，可采厚度只有0.70 m，在這種情況下，“臺(tái)階”問(wèn)題可造成較大的相對(duì)解釋誤差，且可能將可采煤層點(diǎn)解釋為不可采點(diǎn)，從而影響煤炭資源儲(chǔ)量的估算結(jié)果，尤其對(duì)薄煤層影響更大，甚至改變?cè)撁簩拥姆€(wěn)定性。因此，煤層測(cè)井定厚解釋中的“臺(tái)階”問(wèn)題需要引起足夠的重視。

1 兩淮地區(qū)煤系地層概況

在中奧陶世以后，華北古板塊整體抬升變成陸地，接受長(zhǎng)期的剝蝕和夷平，這一過(guò)程一直延續(xù)到晚石炭世。在晚古生代，華北古板塊長(zhǎng)期的風(fēng)化剝蝕狀態(tài)結(jié)束，開(kāi)始沉積[3]。在石炭-二疊紀(jì)時(shí)期，華北古板塊的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，地殼的升降運(yùn)動(dòng)是主要的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形式。兩淮(即淮南、淮北)聚煤盆地位于南華北，含煤巖系屬華北型石炭-二疊紀(jì)地層，為一套濱-淺海相沉積。

兩淮煤田所處的大地構(gòu)造位置、含煤地層的發(fā)育分布情況、巖性特征以及生物群和巖相古地理等方面均大同小異，僅存在某些巖組厚度的變化和聚煤中心的遷移現(xiàn)象。在煤系地層(年代地層、巖石地層)的劃分上，大致可以互相對(duì)比，可以認(rèn)為是屬于同一個(gè)沉積盆地[4]。兩淮地區(qū)石炭-二疊系巖石地層從老到新由本溪組、太原組、山西組、下石河子組、上石盒子組和孫家溝組構(gòu)成，其中太原組、山西組、下石河子組和上石盒子組為含煤地層。兩淮煤田含煤巖系除零星出露外，絕大部分為中、新生代地層所覆蓋，覆蓋層厚度由北東至南西逐漸增厚，據(jù)鉆探和礦井資料，一般為100～600 m，含煤巖系的巖石類型主要為碎屑巖、碳酸鹽巖和煤層等(表1)。

2 區(qū)域煤層定厚的原則和方法

與其他巖層相差異的物性特征是煤巖層定性、定厚解釋的基礎(chǔ)。兩淮地區(qū)煤巖組成中具有較高含量的殼質(zhì)組成成分，整體屬于中低變質(zhì)程度煙煤[5]，因具有導(dǎo)電性能差、低密度、低放射性的特點(diǎn)，故在測(cè)井曲線上具有明顯的“三高兩低”的特征，即高聲波時(shí)差、高中子、高電阻率、低自然伽馬和低密度[6]。根據(jù)現(xiàn)行的《煤炭地球物理測(cè)井規(guī)范》，以兩條或兩條以上曲線各自獨(dú)立解釋結(jié)果的平均值作為煤層定厚解釋(深度和厚度)的最終結(jié)果，將采用值與單條曲線解釋結(jié)果相比較來(lái)評(píng)定煤層的質(zhì)量級(jí)別[7]。

表1 兩淮地區(qū)石炭-二疊煤系地層巖性特征

兩淮地區(qū)的煤層定厚是在深度比例尺為1∶50的測(cè)井曲線上以三側(cè)向電阻率(GR01)、長(zhǎng)源距伽馬伽馬(GGFR)和自然伽馬(NG01)三條曲線，依照合適的分層定厚原則，并結(jié)合鉆探取心資料進(jìn)行綜合確定的。

煤層與圍巖的巖性界面通常也是物性發(fā)生突變的界面，反映在各測(cè)井曲線上的界面特征點(diǎn)即為煤層與圍巖的巖性分層點(diǎn)。每種測(cè)井方法的探測(cè)原理和縱向分辨率不同，分層點(diǎn)選取原則也有差異。同時(shí)，煤層的厚度也對(duì)分層點(diǎn)位置選取有影響。每種測(cè)井方法都有一定的探測(cè)范圍，當(dāng)煤層厚度大于探測(cè)范圍時(shí)，層厚不會(huì)影響分層點(diǎn)的位置；但當(dāng)煤層層厚小于探測(cè)范圍時(shí)，層厚越小，圍巖的影響越大，分層點(diǎn)位置的變動(dòng)也會(huì)越大[8-10]。

2.1 厚層(層厚大于探測(cè)范圍)的分層規(guī)律

圖1 高阻厚煤層三側(cè)向電阻率定厚(潘集煤礦24-3孔8煤)

安徽煤田地質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)采用的視電阻率測(cè)井普遍為三側(cè)向電阻率，探測(cè)范圍較大，是煤層定厚解釋采用的主要曲線之一。在兩淮地區(qū)，對(duì)層厚度大于探測(cè)范圍的煤層，一般以三側(cè)向電阻率曲線的“根部拐點(diǎn)”為分層解釋點(diǎn)(圖1)。

相比于三側(cè)向電阻率曲線，伽馬伽馬曲線的煤層定厚解釋點(diǎn)較為多樣，通常有采用1/3幅值、2/5幅值、1/2幅值三種情況。在安徽煤田地質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)，伽馬伽馬測(cè)井探管的儀器刻度均滿足：ρ=a+bln(Jrr)，(式中，Jrr為探測(cè)的伽馬伽馬計(jì)數(shù)率，a、b為刻度系數(shù)，ρ為地層密度)。本文基于此，嘗試解釋本區(qū)采用這樣的定厚解釋點(diǎn)原則的原因。

假定煤層與圍巖的巖性界面為解釋點(diǎn)，基于伽馬伽馬測(cè)井的對(duì)稱性原理，探測(cè)體積將分別位于煤層與圍巖的界面上、下部分各一半。設(shè)伽馬伽馬測(cè)井的整個(gè)探測(cè)體積為v，則v內(nèi)的等效密度為：

根據(jù)前文提到的儀器刻度公式：

ρ解釋點(diǎn)=(a+blnJrr煤層+a+blnJrr圍巖)/2

=a+b(lnJrr煤層+lnJrr圍巖)/2

從上式可看出，當(dāng)圍巖與煤層密度非常接近時(shí)，可以采用半幅點(diǎn)分層，但這種情況在本區(qū)幾乎不存在。進(jìn)一步的實(shí)例研究表明[8]，當(dāng)煤層與圍巖密度差異很大時(shí)，解釋點(diǎn)取接近圍巖的1/3幅值處最接近視電阻率曲線解釋的煤層厚度；當(dāng)煤層與圍巖的密度差異不甚大時(shí)，解釋點(diǎn)取接近圍巖的2/5幅值處精度較高。一般來(lái)說(shuō)，在兩淮煤田，對(duì)層厚度大于探測(cè)范圍的煤層，把解釋點(diǎn)取在接近圍巖的1/3幅值處(圖2)。

圖2 厚煤層的伽馬伽馬曲線定厚(潘集煤礦25-1孔4-1煤)

對(duì)自然伽馬、自然電位、聲波時(shí)差等曲線，當(dāng)煤層層厚足夠大時(shí)(層厚大于探測(cè)范圍)，一般以半幅點(diǎn)分層，該原則在兩淮煤田也適用(圖3)。

2.2 薄層(層厚小于探測(cè)范圍)的分層規(guī)律

層厚對(duì)分層點(diǎn)的影響是薄煤層劃分中的關(guān)鍵問(wèn)題。當(dāng)層厚小于探測(cè)范圍時(shí)，煤層層厚越薄，影響越大，有時(shí)煤層厚度太薄，曲線沒(méi)有反映。此時(shí)，再使用層厚大于探測(cè)范圍的厚煤層分層方法去解釋煤層厚度，會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，且誤差隨煤層變薄而加大[9]。對(duì)這種情況，在兩淮地區(qū)伽馬伽馬曲線可放寬至接近圍巖的1/3～3/5異常幅度分層定厚(一般取1/2)，而三側(cè)向電阻率曲線一般按“根部拐點(diǎn)”至1/3異常幅度分層。

圖3 厚煤層自然伽馬曲線定厚(潘集煤礦11-5孔11-2煤)

3 “臺(tái)階”現(xiàn)象分析

3.1 伴生在煤層邊上的炭質(zhì)泥巖

此為典型的“臺(tái)階”現(xiàn)象，它們的曲線幅值明顯小于與之鄰近的煤層而形成臺(tái)階(圖4、5、6)。“臺(tái)階”的厚度一般不是太大，本地區(qū)1970年代的放炮取芯和當(dāng)前的繩索取芯鉆進(jìn)均證實(shí)，這類“臺(tái)階”不是煤，而是伴生在煤層邊上的炭質(zhì)泥巖。

圖4 “臺(tái)階”的劃分——實(shí)例一(劉莊煤礦3101孔)

實(shí)例一中“臺(tái)階”階梯現(xiàn)象明顯，B部分與臨近主煤層A明顯分離，其三條定厚曲線的幅值明顯低于鄰近的A和C煤層，但高于附近的泥巖層，B部分是炭質(zhì)泥巖而不是煤層(圖4)。實(shí)例二、三(圖5、6)則與圖4稍有差異，它們的“臺(tái)階”階梯現(xiàn)象常常在三條曲線中的某一或兩條曲線(如三側(cè)向電阻率或者長(zhǎng)源距伽馬伽馬)有顯示，但多呈平滑過(guò)渡狀態(tài)。從沉積上講，這類測(cè)井曲線上平滑過(guò)渡狀態(tài)的“臺(tái)階”正好反映某個(gè)地質(zhì)時(shí)期內(nèi)該區(qū)域從深水區(qū)向沼澤區(qū)或者從沼澤區(qū)向深水區(qū)漸變的演變過(guò)程[11]。

圖5 “臺(tái)階”的劃分——實(shí)例二(潘集煤礦16-1孔)

圖6 “臺(tái)階”的劃分——實(shí)例三(潘集煤礦6-3孔)

“臺(tái)階”階梯現(xiàn)象明顯的實(shí)例較容易在測(cè)井曲線上找出煤層與炭質(zhì)泥巖的界面；而當(dāng)“臺(tái)階”階梯現(xiàn)象不明顯時(shí)，“臺(tái)階”常呈現(xiàn)在電阻率曲線和伽馬伽馬曲線上，表現(xiàn)出與臨近的煤層曲線平滑過(guò)渡，與相鄰煤層的界面線剛好經(jīng)過(guò)自然伽馬曲線異常的半幅點(diǎn)(圖7、8)。這與前文提到的煤層定厚分層規(guī)律相吻合。

圖7 “臺(tái)階”的劃分——實(shí)例四(潘集煤礦18-2孔)

圖8 “臺(tái)階”的劃分——實(shí)例五(潘集煤礦16-2孔)

對(duì)從最低可采厚度(0.70 m)到1.30 m之間的煤層，根據(jù)現(xiàn)行《煤炭地球物理測(cè)井規(guī)范》DZ/T0080-2010[7]和《煤炭地質(zhì)勘查鉆孔質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》MT/T1042-2007[12]，優(yōu)質(zhì)煤層的定義是煤層采用成果與單條曲線各自獨(dú)立解釋成果的最大厚度誤差小于等于0.10 m；而對(duì)合格煤層，則要求大于0.10 m，而小于等于0.15 m。這就是說(shuō)，對(duì)厚度剛好等于可采厚度(0.70 m)的煤層，最終采用的合格解釋成果可能為0.55～0.85 m。在此合格的解釋成果中，本來(lái)可采的煤層亦有50%的幾率會(huì)被解釋為不可采；而另外還有50%的幾率將使得煤層被解釋成厚度增加。這種情況對(duì)臨近可采煤層尤為重要，如果解釋不好，可能將厚度大于最低可采厚度的臨近可采煤層解釋為不可采煤層，或者將臨近最低可采厚度的不可采煤層解釋為可采煤層。在這種情況下，由于“臺(tái)階”問(wèn)題造成的煤層厚度誤差，對(duì)煤炭資源勘查成果的影響顯得特別重要，實(shí)例六即為此種情況(圖9)。原先的煤層厚度被確定為0.65 m，但此例中，綜合三條曲線，劃出的作為“臺(tái)階”的炭質(zhì)泥巖部分明顯過(guò)厚，導(dǎo)致該煤層由本來(lái)可采而變成了不可采，也即為本文前言中提到的處理“臺(tái)階”問(wèn)題不慎重而造成的資源浪費(fèi)現(xiàn)象。

圖9 “臺(tái)階”的劃分——實(shí)例六(潘集煤礦10-1孔)

3.2 煤層中的薄炭質(zhì)泥巖夾矸

此類“臺(tái)階”并非是由于前文中提到的伴生在煤層邊上的炭質(zhì)泥巖所引起，而是由一系列因素綜合造成的。根據(jù)賴奎斯特采樣原理，當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)中最高頻率的2倍時(shí)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)才能完整地保留原始信號(hào)中的信息[13]。這就是說(shuō)，數(shù)字波若要保留模擬波的完整信息，采樣間隔必須小于原始周期信號(hào)波長(zhǎng)的1/2。從這個(gè)層面上講，本區(qū)用到的數(shù)字測(cè)井曲線采樣間隔為5 cm，僅能準(zhǔn)確保留厚度大于10 cm的地層基本信息。因而，對(duì)厚度小于10 cm的薄夾層(具有突出意義的是煤層中的薄夾矸)，采樣間隔為5 cm的數(shù)字測(cè)井曲線就難以準(zhǔn)確劃分?？紤]到地層不是周期信號(hào)，也不嚴(yán)格遵循賴奎斯特采樣定律，對(duì)于類似于本文中出現(xiàn)的此類“臺(tái)階”的“薄夾矸+薄煤層”組合，某些測(cè)井曲線反映出的分辨形態(tài)不甚明顯，這也在情理之中。

基于上述原因，三條曲線中常常有一二條(通常為電阻率曲線)在接近煤層頂、底界限處表現(xiàn)為“薄夾矸+薄層”的顯示，而其他曲線卻無(wú)法顯示出薄夾矸的形態(tài)，而僅僅呈現(xiàn)出“臺(tái)階”現(xiàn)象。這類“臺(tái)階”并非是由于前文提到的伴生在煤層邊上的炭質(zhì)泥巖所引起的，而是由于煤層中的薄炭質(zhì)泥巖夾矸對(duì)與其臨近的薄煤層幅值的顯著拉低效應(yīng)造成的。此時(shí)，這一二條曲線在薄層處的曲線幅值已明顯低于主煤層，而其他曲線則直接顯示成“臺(tái)階”。但如前述所說(shuō)，此類情況宜解釋為“薄炭質(zhì)泥巖夾矸+薄煤層”，恰如實(shí)例七和實(shí)例八(圖10、11)。當(dāng)然，若薄層處的曲線幅值過(guò)低，而其他曲線又都呈“臺(tái)階”顯示，此時(shí)“薄夾矸+薄層”可全部解釋成炭質(zhì)泥巖。

圖10 “臺(tái)階”的劃分——實(shí)例七(張樓煤礦29-11孔)

圖11 “臺(tái)階”的劃分——實(shí)例八(潘集煤礦16-4孔)

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)兩淮煤田勘查測(cè)井資料的分析、對(duì)比，歸納、整理了煤層測(cè)井定厚中存在的兩類“臺(tái)階”現(xiàn)象的表現(xiàn)形式、劃分方法和形成原因，期望為今后的煤田勘查工作提供有益的借鑒。

4.1 伴生在煤層邊上的炭質(zhì)泥巖

此類“臺(tái)階”在階梯現(xiàn)象明顯時(shí)，較容易在測(cè)井曲線上找出煤層與炭質(zhì)泥巖的界面；而當(dāng)“臺(tái)階”階梯現(xiàn)象不明顯時(shí)，“臺(tái)階”常呈現(xiàn)在電阻率和伽馬伽馬曲線上，表現(xiàn)出與臨近的煤層曲線平滑過(guò)渡，與相鄰煤層的界面線常剛好經(jīng)過(guò)自然伽馬曲線異常的半幅點(diǎn)。從沉積上講，此類炭質(zhì)泥巖“臺(tái)階”反映某個(gè)地質(zhì)時(shí)期內(nèi)該區(qū)域從深水區(qū)向沼澤區(qū)或者從沼澤區(qū)向深水區(qū)漸變的演變過(guò)程。

4.2 煤層中的薄炭質(zhì)泥巖夾矸

此類薄炭質(zhì)泥巖夾矸所造成的“臺(tái)階”的形成受一系列因素綜合影響，數(shù)字測(cè)井曲線的采樣間隔、薄炭質(zhì)泥巖夾矸和上下煤層的厚度等，總的說(shuō)來(lái)，是由于煤層中的薄炭質(zhì)泥巖夾矸對(duì)與其臨近的薄煤層幅值的顯著拉低效應(yīng)所造成的，此時(shí)，薄層處的曲線幅值(通常為電阻率曲線)已明顯低于主煤層而又不太低，而其他曲線則又直接顯示成“臺(tái)階”時(shí)，此類情況宜解釋為“薄炭質(zhì)泥巖夾矸+薄煤層”。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.06.031

2017-03-05

安徽省地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目“淮南煤田潘集煤礦外圍煤炭詳查”(2014-煤-1)。

卜軍(1966-)，安徽肥東人，高級(jí)工程師，研究方向：煤田地質(zhì)與勘查。

P631.8

A

1673-2006(2017)06-0119-06