基于測井的古縣區(qū)塊含煤巖系沉積巖粒度分析

馮阿建，陳 強，申有義，楊曉東，魏 巍，劉 舸，康 苒

（1.自然資源部礦業(yè)城市自然資源調(diào)查監(jiān)測與保護重點實驗室，山西晉中 030600；2.山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院有限公司，山西晉中 030600；3.太原理工大學，山西太原 030024）

為積極響應山西省委、省政府提出的“氣化山西”轉(zhuǎn)型跨越發(fā)展的總體戰(zhàn)略部署，開展了“山西省沁水煤田古縣區(qū)塊煤層氣、頁巖氣綜合勘查”項目。含煤巖系作為煤層氣資源形成和封存的重要載體［1-3］，為識別煤層氣富集有利區(qū)，其沉積相的研究顯得尤為重要。目前，砂地比是沉積相分析的重要手段［4-6］，以往的基于測井解釋成果進行砂地比分析的方法，未充分考慮研究區(qū)測井資料的實際情況，只是將砂巖、泥巖各自歸為一類［7］，致使測井解釋成果局部無法正確反映真實情況。本文在對古縣區(qū)塊含煤巖系沉積巖測井響應交匯分析的基礎(chǔ)上，繪制了不同的砂地比圖，通過和煤層厚度對照，總結(jié)出適應研究區(qū)的砂地比計算方法。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

古縣區(qū)塊位于沁水盆地的西南部，太原組和山西組為該區(qū)塊主要含煤層組，其中太原組主要由灰—深灰色的粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r和灰色的砂巖及煤層組成；山西組主要由深灰、灰黑或灰色的泥巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、淺灰色的細粒或中粒砂巖及煤層組成，相對于太原組，砂質(zhì)成分明顯增多。該區(qū)塊主采煤層為2#煤層、9+10#和11#煤層，2#煤層頂板巖性主要為細粒砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖、細砂巖；9+10#煤層頂板巖性主要為石灰?guī)r（K2），偶見泥灰?guī)r，底板巖性為泥巖、細砂巖；11#煤層頂板巖性為泥巖或粉砂巖，底板巖性為泥巖或鋁土質(zhì)泥巖。

2 研究區(qū)沉積巖粒度分析

目前，砂地比是沉積相分析的重要手段，以往的基于測井解釋成果進行砂地比分析的方法，未充分考慮粉砂巖與泥巖較小的測井響應差異及儀器因素的影響，只是將砂巖、泥巖各自歸為一類，致使測井解釋成果局部不能正確反映實際情況［8-11］，因此有必要對不同粒度的砂巖和泥巖的測井響應特征進行分析歸納，為后續(xù)砂地比等的計算提供依據(jù)。

本文整理統(tǒng)計了研究區(qū)含煤巖系各粒度沉積巖的測井響應，在此基礎(chǔ)上分別進行了GR-LLD（自然伽馬-深側(cè)向電阻率）、GR-DEN（自然伽馬-密度）、GR-AC（自然伽馬-聲波時差）交匯分析，由交匯分析結(jié)果可知（圖1）：砂泥巖（暫時將各粒度砂巖和泥巖統(tǒng)稱為砂泥巖）、灰?guī)r、煤和鋁土質(zhì)泥巖測井響應差異較大，各巖性有較好的分區(qū)性，并由此得到了各巖性測井數(shù)值范圍（表1）。

表1 巖性測井響應數(shù)值范圍Table 1 Range of logging response value for lithology

圖1 古縣區(qū)塊巖性交匯分析Figure 1 Cross analysis of lithology of Guxian block

為進一步劃分不同粒度的砂巖和泥巖，對研究區(qū)含煤巖系的粗砂巖、中砂巖、細砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖的測井響應進行了GR-LLD的交匯分析（圖2a）［12］，發(fā)現(xiàn)這六種巖性不容易分辨，尤其是粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖有較為嚴重的重疊現(xiàn)象，為進一步劃分粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖，對其進行了GR-DEN、GR-AC交匯分析，發(fā)現(xiàn)三者仍然難以劃分（圖3）。但由圖2 可以發(fā)現(xiàn)粗砂巖、中砂巖、細砂巖和粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖的界限比較明顯，因此嘗試將粗砂巖、中砂巖、細砂巖歸為一類，稱為粗-細砂巖；將粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖歸為一類，稱為粉砂-泥巖，得到交匯分析圖（圖2b），由此得到粗-細砂巖、粉砂-泥巖的測井響應數(shù)值范圍（表2）。

表2 砂、泥巖測井響應數(shù)值范圍Table 2 Range of logging response for sandstone and mudstone

圖2 砂巖、泥巖GR-LLD交匯分析Figure 2 Cross analysis of GR-LLD for sandstone and mudstone

圖3 粉砂巖-砂質(zhì)泥巖-泥巖交匯分析Figure 3 Cross analysis for siltstone sandy mudstone and mudstone

3 研究區(qū)“砂地比”分析

由砂泥巖粒度分析可知，研究區(qū)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖測井響應差異較小，GR-LLD、GR-DEN、GR-AC的交匯分析很難將三者劃分開來，那么傳統(tǒng)的砂地比統(tǒng)計中將粉砂巖計入砂巖厚度在本研究區(qū)就值得考量［13-14］。基于此，本文嘗試統(tǒng)計了2#煤所在層序（山西組2#煤頂板泥巖至K7 砂巖）含粉砂砂地比、去粉砂砂地比和2#煤的煤層厚度，并分別成圖進行對比（圖4、圖5）。

圖4 2#煤所在層序含粉砂（a）、去粉砂（b）砂地比對比Figure 4 Sandstone/Strata Ratio comparison between with silt（a）and without silt（b）for the stratigraphic sequence nearby No.2 coal seam

圖5 2#煤層厚度（a）及所在層序沉積相（b）位置Figure 5 Thickness of No.2 coal seam（a）and the position of sedimentary facies（b）of the stratigraphic sequence nearby No.2 coal seam

通過對比2#煤所在層序含粉砂砂地比圖和2#煤層厚度圖、2#煤所在層序去粉砂砂地比和2#煤層厚度圖，發(fā)現(xiàn)2#煤所在層序去粉砂砂地比圖和煤層厚度圖對應性比較好，符合前人研究的一般認識“砂地比大的區(qū)域煤層較薄，砂地比小的區(qū)域煤層較厚”［11-13］，而2#煤所在層序含粉砂砂地比圖與2#煤層厚度圖對應不好。

同時，去粉砂砂地比圖、2#煤層厚度圖與2#煤層所在層序的沉積相圖也有很好的對應關(guān)系。2#煤層厚煤區(qū)主要發(fā)育于三角洲平原中的泥炭沼澤微相，其次為分流間灣微相和牛軛湖微相，薄煤區(qū)主要發(fā)育于分流河道微相［15］。因此本文認為本研究區(qū)采用去粉砂砂地比的方法進行含煤巖系沉積相的分析更為合理。

4 結(jié)論

1）通過對研究區(qū)各種巖性進行GR-LLD、GRDEN、GR-AC 交匯分析，發(fā)現(xiàn)砂泥巖、灰?guī)r、煤和鋁土質(zhì)泥巖有較明顯的測井響應特征，易于區(qū)分，并得到了各巖性的測井數(shù)值范圍。

2）重點對粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖進行交匯分析，發(fā)現(xiàn)三種巖性測井響應差異較小，界限難以劃分。

3）通過去粉砂砂地比、含粉砂的砂地比與2#煤的煤層厚度對比，認為該研究區(qū)“去粉砂砂地比”與煤層厚度有良好的對應關(guān)系，能夠更好地反映該區(qū)沉積相變化特征。