田 忠， 張平松， 郭立全， 吳榮新

(安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南232001)

煤田測井是資源地質(zhì)勘探中必不可少的環(huán)節(jié)之一，所獲得的幾類測井曲線可以準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造特征;利用測井相和測井測量的地層產(chǎn)狀研究沉積環(huán)境，可以解釋煤層頂板砂巖巖石力學性質(zhì)，評價煤層頂?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，煤田測井應用領域越來越廣泛［1］。相比較而言，煤田測井較石油測井起步晚，對許多地質(zhì)問題僅能做到定性分析而無法進行定量解釋，尤其是在地層含水率評測方面，沒有既定的經(jīng)驗公式和較為系統(tǒng)的研究方法，因此，煤田測井曲線數(shù)據(jù)資料利用程度不高。筆者結合石油測井中的數(shù)據(jù)分析方法，對皖北某礦目標層測井數(shù)據(jù)進行精細處理，評測煤層頂板砂巖的含水性，為礦井安全開采提供了可利用的輔助資料。

1 測井評價方法

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劃分巖層的富水程度。這兩者之間的線性關系明顯，含水率隨著孔隙度的增大而增加?？傮w來說，影響煤層頂板砂巖富水性的因素很多，主要包括區(qū)域構造、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，在進行煤層頂板砂巖富水性解釋時須確定有效的測井曲線及參數(shù)。對富水煤層頂板砂巖響應較好的曲線為密度曲線、視電阻率曲線、聲波時差曲線、自然伽馬曲線。煤層頂板砂巖富水性越強，密度曲線、視電阻率曲線值越小，聲波時差曲線、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煤層頂板砂巖導電特性，且與煤層含水性直接相關，可進行精細解釋。

1.2 富水性解釋模型

借鑒石油測井中含水飽和度的相關模型和經(jīng)驗公式進行分析，采用Archie 公式計算巖石含水飽和度Sw，評價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)、膠結情況和孔隙結構等有關，但與地層含水電阻率ρw無關;

ρ0——100%飽和地層水的巖石電阻率，Ω·m;

a——與巖性有關的巖性系數(shù)，一般為0.60～1.53;

m——膠結指數(shù)，與巖石膠結情況和孔隙結構有關，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關;

ρt——地層真電阻率，Ω·m;

b——與巖性有關的系數(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，其值為1.5～2.2，常取2。

油氣勘探中利用Archie 公式進行Sw計算的步驟如下:

(1)利用人工伽馬測井資料計算地層孔隙度φ。

(2)利用Archie 公式計算地層因素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)，對其應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，應根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)特征，通過實驗統(tǒng)計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，實際ρw測量數(shù)據(jù)缺少，現(xiàn)對該步驟進行微調(diào)以達到計算要求:

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

(2)結合視電阻率測井曲線進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算公式。

Archie 公式的理想應用條件是具有顆?？紫兜募兊貙?，對于泥質(zhì)含量少的地層也可取得較理想結果。但對含黏土或泥質(zhì)較多的地層和裂縫性地層，直接應用Archie 公式解釋時，往往得不到令人滿意的結果［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較大，基本符合Archie 公式的理想條件。

2 富水性評測

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水、裂隙水為主要充水水源的礦床，局部地區(qū)亦有底板進水巖溶水充水礦床。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含水層和三個隔水層，6－1 煤層頂板是兩個含水層之一，屬于砂巖裂隙含水層，是礦井的直接充水含水層。

2.2 目標層的選取

目標層選取要求:在區(qū)域上穩(wěn)定分布，巖性、電性特征明顯，便于全區(qū)對比追蹤;巖性成因相同，具有穩(wěn)定的地球物理響應特征;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)鉆孔抽水實驗結果計算得到，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?，6 －1 煤層頂板具有一定的富水性，對煤層的安全開采有一定影響。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，符合目標層的選取要求，因此，選取6 －1 煤頂板砂巖作為目標層進行評價分析。

2.3 目標層的標準化處理

受各種外在因素的影響，目標層的視電阻率需要進行標準化處理，以使標準化數(shù)據(jù)與地層的實際情況更加接近。文中選取6 －1 煤層頂板的一套砂巖地層作為標準層，對其視電阻率標準化處理。統(tǒng)計不同鉆孔視電阻率測井曲線目標層所在起始深度、視電阻率最大值和最小值，計算目標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行擬合，獲得視電阻率平均值隨平均深度變化的線性關系(圖1)，以此來計算視電阻率曲線在目標層附近的最佳逼近值，作為標準視電阻率值［9－10］。

表1 根據(jù)線性關系求取的標準化視電阻率值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關系Fig．1 Correlation diagram of average apparent resistivity values change with average depth

2.4 含水飽和度計算

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

根據(jù)研究區(qū)地層的實際情況，b 取1，n 取2。經(jīng)過巖樣的實驗測定，其值與經(jīng)驗值誤差在允許范圍內(nèi)。計算求得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%，標準化視電阻率平均值為21.23 Ω·m。結合上述參數(shù)，進一步求得ρ0，并獲得Sw計算式:

根據(jù)表1 中各鉆孔標準化視電阻率值，由式(5)可進一步計算得到各鉆孔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測分布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

布具有較高的關聯(lián)度，局部出現(xiàn)高阻異常。整個區(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，但對整個采區(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)，鉆探揭露時未發(fā)生漏水現(xiàn)象，其隔水性能較好?？梢?，計算預測結果與實際揭露地質(zhì)條件相吻合，表明利用測井曲線參數(shù)預測煤層頂板砂巖含水性的方法具有可行性。

3 結 論

(1)煤層頂板砂巖的含水性與測井曲線參數(shù)之間具有一定的相關性，提取研究區(qū)的視電阻率曲線數(shù)值，對其進行標準化處理，根據(jù)Archie 公式和當?shù)氐膶嶋H地質(zhì)情況得到推算公式中的各個參數(shù)，建立含水飽和度與視電阻率之間的對應關系，進而獲得含水飽和度分布情況，對采區(qū)某一層位的富水性進行預測和評價。

(2)利用測井視電阻率曲線預測煤層頂板砂巖地層富水性的方法，可進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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