陽泉寺家莊井田含煤地層煤層測井密度模型和有效孔隙度計算

于振鋒，郝春生，邵顯華，楊昌永，姚晉寶，王 維

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048000；2.易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司，山西 太原 030006)

陽泉礦區(qū)寺家莊井田具有豐富的煤層氣資源[1-3]，但目前仍沒有獲得理想效果[4，5]，主要表現(xiàn)在地面煤層氣抽采不盡如人意，煤層氣井不能獲得持續(xù)穩(wěn)定的煤層氣流，究其緣由主要是對儲層物性認(rèn)識不清。儲層物性作為煤層氣開發(fā)的一個重要指標(biāo)，首要任務(wù)就是孔隙度的計算。目前國內(nèi)外對于研究區(qū)孔隙度的研究很少，而且主要集中于作為煤礦主采煤層的15#煤，而研究區(qū)煤層氣開發(fā)層位則不僅限于15#煤[5]。雖然孔隙度的確定可以通過鉆井取芯并在實驗室測定獲取，但該方法具有耗時長和費用高等缺點。研究區(qū)煤層物性的不均質(zhì)性以及多煤層合采必然需要多井多煤層孔隙度的確定，導(dǎo)致通過取芯和實驗測定來確定孔隙度工作量急劇增大。測井技術(shù)作為一種測量數(shù)據(jù)連續(xù)，成本相對低廉的技術(shù)正好可以彌補這種不足。本文通過系統(tǒng)測試研究區(qū)不同位置含煤地層不同煤層的組分，并與測井參數(shù)相結(jié)合，建立煤層的測井密度模型，以用于計算研究區(qū)不同煤層工業(yè)組分和有效孔隙度，為進一步的煤層氣井施工改造提供煤巖和儲層物性依據(jù)。

1 區(qū)域地層和主要煤層

1.1 區(qū)域地層

研究區(qū)位于沁水煤田的東北邊緣(圖1)。區(qū)內(nèi)山西組和太原組為含煤地層，廣泛分布。太原組屬于石炭系上統(tǒng)，為主要含煤地層之一[6]。本組地層以K7砂巖底為頂界，以K1砂巖底為底界，總厚91.30～153.70m，平均約105m[7]。巖性主要為砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥晶灰?guī)r和煤層。共含9層煤，分別為：7#、8#、9#、11#、12#、13#、14#、15#和16#。沉積環(huán)境從下至上由海相演化為海陸過渡相。

圖1 陽泉礦區(qū)寺家莊井田地理位置圖

山西組屬于二疊系下統(tǒng)，與太原組整合接觸，覆于太原組之上，以K8砂巖底為頂界，以K7砂巖底為底界，總厚41.65～76.55m，平均約65m[8]。巖性主要為砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖和煤層。共含6層煤，分別為：1#、2#、3#、4#、5#和6#。沉積環(huán)境從下至上由由海陸過渡相演化為陸相。

1.2 主要煤層

3#煤：位于石盒子組底界K8砂巖下20m左右，屬于山西組，全區(qū)僅零星位置可采，呈分散狀。煤厚0.10～2.51m，平均0.48m。結(jié)構(gòu)簡單，一般不含夾矸，零星位置含一層夾矸，巖性為粉砂質(zhì)泥巖或細(xì)砂巖，厚0.15～0.53m。頂板巖性為粉砂巖，底板為泥巖或細(xì)砂巖。整體上屬于零星可采但極不穩(wěn)定煤層。

8#煤：研究區(qū)8#煤主要發(fā)育兩層，分別為81#煤和84#煤，屬于太原組。81#煤位于山西組底界K7砂巖下7m左右，84#煤位于81#煤下9m左右。在南掌城、司家溝及趙家莊一帶，這兩層煤合并為一層，總厚平均在1.70m左右；在東南一帶尖滅為不可采區(qū)。81#煤厚度為0～2.27m，平均厚度為0.90m。結(jié)構(gòu)簡單，大面積不含夾矸，少數(shù)含一層或二層夾矸，夾矸厚0.05～0.65m，巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖。頂板巖性為粉砂質(zhì)泥巖或泥巖，底板為粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖。整體上屬局部可采的不穩(wěn)定煤層。84#煤厚度為0～2.10m，平均厚度為0.92m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，常含一層夾矸，夾矸厚0.06～0.70m，巖性為炭質(zhì)泥巖或泥巖。頂板巖性為炭質(zhì)泥巖，底板為細(xì)砂巖。同樣屬于局部可采的不穩(wěn)定煤層。

9#煤：位于K4灰?guī)r之上10m左右，距84#煤2.50～20.80m，平均5.57m，屬于太原組，在井田南部尖滅為不可采區(qū)。煤層厚度為0～3.10m，平均0.95m。結(jié)構(gòu)簡單，常不含夾矸，少數(shù)含一層或兩層，夾矸厚0.04～0.75m，巖性為泥巖。頂板巖性為泥巖或粉砂巖，底板為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖或細(xì)砂巖。屬于大面積可采的較穩(wěn)定煤層。

11#煤：位于K4灰?guī)r之下0.5左右，或為其直接頂板，屬于太原組。區(qū)內(nèi)分布廣泛，僅有個別尖滅點。煤層厚度為0.10～0.55m，平均0.35m。結(jié)構(gòu)簡單，不含夾矸，頂板巖性為泥巖或灰?guī)r，底板為粉砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。整體上屬于層位較穩(wěn)定的不可采煤層。

13#煤：位于K3灰?guī)r下，K3灰?guī)r為其直接頂板，屬于太原組。全區(qū)大面積分布，僅在南部耿秦宮至潘掌一線以南尖滅。煤層厚度為0.15～1.15m，平均0.45m。底板巖性為粉砂巖或細(xì)砂巖。全區(qū)分布廣泛，僅個別點達(dá)可采厚度。整體上屬于不可采的較穩(wěn)定煤層。

15#煤：位于K2灰?guī)r下18m左右，屬于太原組，為研究區(qū)主力可采煤層。全區(qū)穩(wěn)定分布，石亭、北掌城一帶較薄，北部上莊一帶最厚。煤層厚度為2.79～7.40m，平均5.12m。常含夾矸，夾矸層數(shù)一般為二至四層，最多可達(dá)六層，巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖。頂板巖性為粉砂質(zhì)泥巖或粉砂巖，底板為炭質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖或粉砂巖。整體上屬于全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。

2 煤巖組分分析

利用測井曲線計算煤層組分就需要實驗條件下和測井條件下煤巖所含組分相同。由于測井過程中需要井內(nèi)充滿水，這些水會充填煤層的有效孔隙度，并且對測井相應(yīng)造成影響。因此本次煤巖組分分析實驗將分為兩個部分：一是將煤巖浸泡充滿測井所用清水，并測量含水量；二是煤巖的工業(yè)分析實驗。最終將清水和煤巖組分作為整體，計算各組分的質(zhì)量百分含量(表1)。

表1 陽泉礦區(qū)寺家莊井田含煤地層主要煤層煤巖組分 %

3#煤：原煤灰分27.52%～30.06%，平均28.07%。原煤揮發(fā)分10.91%～12.18%，平均11.29%。原煤固定碳57.45%～61.27%，平均59.84%。原煤全硫含量0.21%～1.82%，平均0.62%。磷含量平均0.007%。屬高灰低硫特低磷煤。

8#煤：原煤灰分10.49%～38.83%，平均20.01%。原煤揮發(fā)分8.12%～15.38%，平均9.25%。原煤固定碳45.50%～81.24%，平均73.55%。原煤全硫含量0.56%～7.76%，平均2.62%。磷含量，平均0.010%。屬中灰中高硫低磷煤。

9#煤：原煤灰分11.60%～37.30%，平均18.89%。原煤揮發(fā)分8.05%～11.34%，平均9.92%。原煤固定碳61.07%～79.97%，平均70.16%。原煤全硫含量0.36%～6.58%，平均1.82%。磷含量平均0.003%。屬中灰中硫特低磷煤。

11#煤：原煤灰分9.54%～36.09%，平均22.35%。原煤揮發(fā)分9.58%～12.25%，平均10.25%。原煤固定碳1.36%～76.62%，平均64.58%。原煤全硫含量0.68%～8.56%，平均2.94%。磷含量，平均0.013%。屬中灰中高硫低磷煤。

13#煤：原煤灰分11.50%～25.84%，平均15.69%。原煤揮發(fā)分8.71%～16.27%，平均11.76%。原煤固定碳57.44%～79.52%，平均69.63%。原煤全硫含量0.66%～8.37%，平均3.63%。磷含量平均0.004%。屬中灰中硫特低磷煤。

15#煤：原煤灰分6.06%～22.89%平均14.86%。原煤揮發(fā)分7.37%～12.41%，平均8.76%。原煤固定碳65.12%～86.44%，平均77.58%。原煤全硫含量0.43%～3.66%，平均1.28%。磷含量平均0.037%。屬中灰中硫低磷煤。

3 利用測井曲線計算煤巖組分

3.1 煤巖灰分

煤層灰分是煤在完全燃燒之后留下的殘余物，其主要組分為粘土礦物[9]。自然伽馬測井主要反應(yīng)的是反射性元素在放射性方面的物理表現(xiàn)，而這些元素極容易為粘土礦物所吸附[10，11]。因此，含粘土礦物高的巖石往往具有高的自然伽馬。本文通過統(tǒng)計原煤灰分和所對應(yīng)的自然伽馬值(表2)，建立這兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

表2 陽泉礦區(qū)寺家莊井田含煤地層主要煤層部分灰分和自然伽馬值

圖2 陽泉礦區(qū)寺家莊井田含煤地層主要煤層灰分與自然伽馬、灰分與固定碳散點圖

由散點圖(圖2)可以看出，研究區(qū)煤層灰分和自然伽馬值呈線性正相關(guān)。通過對散點進行線性回歸，可以求出其回歸方程：

GR=2.0952A-5.1547，相關(guān)系數(shù)R2=0.9373。

進而推導(dǎo)出運用自然伽馬值計算灰分質(zhì)量百分比的公式：

A=0.4473GR+3.5127，相關(guān)系數(shù)R2=0.9373。

3.2 煤巖固定碳

固定碳是煤炭燃燒產(chǎn)生熱量的主要組分，是煤巖排除水分、揮發(fā)分和灰分后的剩余部分，當(dāng)不同煤巖水分和揮發(fā)分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)相近時，固定碳與灰分會呈現(xiàn)好的相關(guān)關(guān)系。研究表明煤層的固定碳與灰分呈線性相關(guān)，本文通過統(tǒng)計原煤灰分和所對應(yīng)的固定碳含量(表3)，建立這兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

表3 陽泉礦區(qū)寺家莊井田含煤地層主要煤層部分灰分和固定碳 %

由散點圖(圖2)可以看出，研究區(qū)煤層固定碳和灰分呈線性負(fù)相關(guān)。通過對散點進行線性回歸，可以求出其回歸方程：

FC=-1.2012A+92.59，相關(guān)系數(shù)R2=0.9831。

3.3 煤巖揮發(fā)分

揮發(fā)分是煤中的有機質(zhì)在一定溫度條件下，受熱分解后逸出的物質(zhì)在除去水分后剩下的組分，包括甲烷、一氧化碳和一些復(fù)雜的有機化合物等[12，13]。這些組分的存在會明顯增大煤巖的電阻率，因此本文通過統(tǒng)計原煤揮發(fā)分和所對應(yīng)的視電阻率值(表4)，建立這兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

由散點圖(圖3)可以看出，煤層揮發(fā)分和視電阻率值呈線性正相關(guān)。通過對散點進行線性回歸，可以求出其回歸方程：

R=12.8270V+4.7113，相關(guān)系數(shù)R2=0.8287。

進而推導(dǎo)出運用自然伽馬值計算灰分質(zhì)量百分比的公式：

V=0.0646R+1.5808，相關(guān)系數(shù)R2=0.8287。

圖3 陽泉礦區(qū)寺家莊井田含煤地層主要煤層揮發(fā)分與視電阻率值散點圖

4 測井密度模型

測井模型的建立可以基于密度或中子參數(shù)[14，15]，由于研究區(qū)的測井資料中子資料相對較少，而密度資料每井必有，因此研究區(qū)測井模型的建立基于密度測井較為合適。本次研究將煤層體積分成固定碳、揮發(fā)分、灰分和測井液(孔隙中充滿測井液)四部分，作為對測井響應(yīng)的貢獻(xiàn)之和，即：

m=mfc+mv+ma+mw

密度：

ρ=ρ·FC+ρ·V+ρ·A+Vw·ρw

式中，ρ為煤層對密度測井的響應(yīng)值；FC、V、A分別為固定碳、揮發(fā)分和灰分的質(zhì)量百分含量；Vw為測井液的相對體積百分含量，即有效孔隙度；ρw為測井液的密度。

5 有效孔隙度的計算

首先運用測井資料計算相應(yīng)的固定碳、揮發(fā)分和灰分的質(zhì)量百分含量，然后運用密度模型計算出測井液的質(zhì)量百分含量，最后根據(jù)測井液的密度求出測井液的相對體積百分含量，即有效孔隙度。通過對所測煤巖樣品進行測井孔隙度計算，并與實測值相對比，結(jié)果顯示(表5)計算值與測井值相差不超過10%，測井密度模型計算孔隙度能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)需要。

表5 陽泉礦區(qū)寺家莊井田含煤地層主要煤層實測孔隙度和密度測井孔隙度 %

6 結(jié) 論

1)研究區(qū)含煤地層主要煤層為3#、8#、9#、11#、13#和15#煤。3#煤屬高灰低硫特低磷煤，8#和11#煤屬中灰中高硫低磷煤，9#和13#煤屬中灰中硫特低磷煤，15#煤屬中灰中硫低磷煤。

2)研究區(qū)煤層灰分主要組分為粘土礦物，導(dǎo)致灰分與自然伽馬值呈線性正相關(guān)；不同煤巖水分和揮發(fā)分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)相近使得固定碳與灰分呈線性負(fù)相關(guān)；揮發(fā)分的存在會明顯增大煤巖的電阻率，因此揮發(fā)分與視電阻率值呈線性正相關(guān)。運用自然伽馬和視電阻率可以將研究區(qū)煤層灰分、固定碳和揮發(fā)分質(zhì)量百分含量計算出來。

3)將煤層體積分成固定碳、揮發(fā)分、灰分和測井液(孔隙中充滿測井液)四部分，作為對測井響應(yīng)的貢獻(xiàn)之和。首先運用測井資料計算相應(yīng)的固定碳、揮發(fā)分和灰分的質(zhì)量百分含量，然后運用建立的測井密度模型計算煤層有效孔隙度。計算結(jié)果與實測結(jié)果相差不超過10%。