張蔚語(yǔ)

(福建省196地質(zhì)大隊(duì)，福建 漳州 363000)

0 引言

福建省尤溪縣劍溪礦區(qū)煤礦勘查工作始于2007年，目前勘查階段為詳終。根據(jù)幾期施工的鉆孔測(cè)井資料，普遍存在復(fù)煤層測(cè)井厚度誤差較大的情況，尤其是ZK7－5和ZK1－1鉆孔揭露的煤層。因此，擬針對(duì)此問(wèn)題選擇這2個(gè)鉆孔中比較典型、誤差較大的5個(gè)煤層進(jìn)行探討，以便更加合理地確定煤層的最終可采厚度。

1 礦區(qū)概況

劍溪煤礦普查區(qū)位于尤溪縣城23°方位，直距約23 km，行政隸屬尤溪縣中仙鄉(xiāng)劍溪村管轄。礦區(qū)構(gòu)造位置處于閩中斷坳帶中東部位，區(qū)域性政和—大埔北東向斷裂斜貫全區(qū)(福建省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局等，1998)，該區(qū)基本構(gòu)造形態(tài)以北東向構(gòu)造為主，北西向和南北向次之。其所處含煤帶位置為福建省二疊系下統(tǒng)童子巖組含煤巖系東部北端(陳忠惠等，1993)(圖1)。

圖1 福建省構(gòu)造單元分區(qū)及礦區(qū)位置略圖Fig.1 Sketch map showing tectonic division of FujianProvince and the mining area location

研究區(qū)的含煤地層為下二疊統(tǒng)童子巖組(P1t)，主要出露于礦區(qū)中南部。由于滑脫斷層影響造成童子巖組第一段(P1t1)和第二段(P1t2)缺失，區(qū)內(nèi)僅保留童子巖組第三段(P1t3)，經(jīng)地表、鉆孔控制，童子巖組第三段(P1t3)整體上地層保存較為完好，厚度＞370 m，為一套河流－湖泊－沼澤－泥炭沼澤相沉積，以粉砂巖、泥巖為主，夾石英細(xì)砂巖，含煤層煤線(xiàn)24—34層，煤層厚度0.02～1.38 m，煤層總厚度7.32 m，含煤系數(shù)1.98%，其中可采煤層平均總厚度2.50 m，可采含煤系數(shù)0.98%(史幼宏等，2011)。由于礦區(qū)處于福建3個(gè)含煤帶中東部含煤帶的邊緣，含煤地層巖性特征與其他地區(qū)略有不同，煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

2 煤層煤質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)劍溪前期勘查資料，研究區(qū)童子巖組第三段(P1t3)可采煤層共有5層，煤層編號(hào)分別為15、16、17、18和19煤層。其中，不穩(wěn)定大部可采煤層為16、19煤層，不穩(wěn)定局部可采煤層為17、18煤層，極不穩(wěn)定局部可采煤層為15煤層(史幼宏等，2011)。圖2為劍溪礦區(qū)煤層對(duì)比圖(局部)，圖中的煤層厚度為根據(jù)筆者建議的最終采用厚度。本次重點(diǎn)研究的煤層為ZK7－5與ZK1－1的誤差較大的5層復(fù)煤層，由于煤層尚未詳細(xì)對(duì)比，煤層編號(hào)為暫定，因?yàn)楸敬窝芯恐饕治雒簩咏Y(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)井的影響，為敘述方便，暫按1、2、3、4、5 順序編號(hào)，其中 1、2、3號(hào)煤層位于ZK7－5鉆孔，其他位于ZK1－1鉆孔。煤層、煤質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征見(jiàn)圖3、表1。

從圖3、表1可以看出：1號(hào)煤層含1層夾矸;3、4、5號(hào)復(fù)煤層均有2層夾矸;4號(hào)煤層結(jié)構(gòu)從圖面看似簡(jiǎn)單，但根據(jù)野外鑒定，該煤層夾有較多炭質(zhì)泥巖薄層，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，也屬于復(fù)煤層。而從測(cè)井成果看，1、3號(hào)煤層僅有1層夾矸，4號(hào)煤無(wú)夾矸，2、5號(hào)煤則為炭質(zhì)泥巖。

圖2 劍溪礦區(qū)煤層對(duì)比圖(局部)Fig.2 Correlation of partial coal seams

圖3 煤層野外鑒定與測(cè)井結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Field identification and logging structure of coal seams

表1 煤層、煤質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征Table 1 Characteristics of thickness，properties and structure of coal seams

3 煤層測(cè)井曲線(xiàn)特征

童子巖組煤系地層主要組成為：以深灰色、灰黑色粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖為主，夾石英細(xì)砂巖，以及煤層、煤線(xiàn)。本次鉆孔測(cè)井主要依據(jù)側(cè)向電阻率、自然伽馬、長(zhǎng)源距伽馬－伽馬和單收時(shí)差4條曲線(xiàn)判斷煤層位置，確定煤層的深度、厚度及結(jié)構(gòu)。利用測(cè)井曲線(xiàn)物性組合特征，能較好地進(jìn)行地層的劃分和煤層對(duì)比。研究區(qū)煤層為無(wú)煙煤，一般具有低視電阻率、低密度、弱自然放射性和正異常自然電位等特征(張松木，2010)。各種參數(shù)曲線(xiàn)反映：視電阻率(NR)為低幅值，人工放射性(GGL)為高幅值，自然放射性(GR)為低幅值，聲波時(shí)差(ST)在正常情況下表現(xiàn)為負(fù)異常。各煤層測(cè)井曲線(xiàn)特征見(jiàn)表2。

表2從煤的物理性質(zhì)特征與測(cè)井曲線(xiàn)的正常對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)看，1、3、4號(hào)正常反映煤的測(cè)井曲線(xiàn)特征，而2、5號(hào)則顯示異常，2號(hào)表現(xiàn)為自然伽馬值異常，4號(hào)主要表現(xiàn)為單收時(shí)差異常。若綜合煤層厚度來(lái)看，5個(gè)煤層與曲線(xiàn)的正常對(duì)應(yīng)關(guān)系均不準(zhǔn)確，普遍表現(xiàn)為測(cè)井曲線(xiàn)反映煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，且厚度偏小，個(gè)別參數(shù)甚至反映出炭質(zhì)泥巖的物性特征(圖4)。

表2 各煤層測(cè)井曲線(xiàn)特征Table 2 List of the features of logging curves of coal seams

圖4 各煤層測(cè)井曲線(xiàn)圖Fig.4 Logging curves of different coal seams

4 野外鑒定與測(cè)井厚度的誤差分析

4.1 野外鑒定

1、2、3、4和5號(hào)煤層野外鑒定鉆探取芯厚度分別為 1.54、1.22、1.92、1.00、0.95 m，測(cè)井定厚分別為1.16、0.40(炭泥)、1.13、0.50 和0.83(炭泥)。

從圖3看，鉆探取芯率較高，5層煤平均采取率為86.7%，最高為97.9%(表3)，各煤層特征也較明顯。但與測(cè)井解釋成果對(duì)比，二者誤差較大，而且測(cè)井厚度都低于鉆探厚度，厚度絕對(duì)誤差為0.12～0.82 m不等，平均差0.52 m;測(cè)井厚度平均為鉆探厚度的60.87%，最大為97.37%。2號(hào)、5號(hào)煤從分析結(jié)果看(表1)，明顯是煤，測(cè)井成果則為炭質(zhì)泥巖，且厚度也偏小。產(chǎn)生這么大的誤差，如果不分析誤差、誤判的原因，將會(huì)影響勘查質(zhì)量與成果提交。

4.2 測(cè)井厚度誤差產(chǎn)生的原因

地球物理測(cè)井是煤田勘探中的重要技術(shù)手段之一，只要根據(jù)本地的煤層地球物理特性，選用有效的測(cè)井方法，效果是比較好的;物性差異明顯，通過(guò)測(cè)井方法判斷煤層位置，確定煤層的深度、厚度及結(jié)構(gòu)，也是基本可靠的。但劍溪礦區(qū)復(fù)煤層為什么鉆探與測(cè)井結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大差異，其原因探討如下。

(1)5個(gè)煤層側(cè)向電阻率均為低幅值，對(duì)判層定厚意義不大。

(2)自然伽馬測(cè)井主要用于區(qū)分巖性、定量計(jì)算地層的泥質(zhì)含量。泥巖、頁(yè)巖放射性元素含量高，自然伽馬曲線(xiàn)幅度高;砂巖、煤放射性元素含量低，自然伽馬曲線(xiàn)幅度低(申振強(qiáng)，2013)。砂巖中自然伽馬曲線(xiàn)幅度隨泥質(zhì)含量增減發(fā)生變化。5個(gè)煤層中，2號(hào)煤層之所以表現(xiàn)為略高幅值，是因?yàn)槊簩咏Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾較多薄層炭質(zhì)泥巖造成，自然伽馬表現(xiàn)出泥巖的特征，而且連帶降低人工伽馬和聲速測(cè)井高異常值，如果不參考巖煤芯及化驗(yàn)成果，極易判斷為炭質(zhì)泥巖。其他復(fù)煤層由于受夾矸的影響，如果夾矸為泥巖，就會(huì)拉高自然伽馬值，降低人工伽馬和聲速測(cè)井值，此時(shí)如果以曲線(xiàn)半幅點(diǎn)確定巖層界面，就會(huì)造成煤層厚度偏小的情況。

(3)聲速測(cè)井利用聲波在不同密度的巖石中傳播速度的差異，判定巖性和定量計(jì)算孔隙度的大小，是獲得正確深時(shí)關(guān)系的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其獲得的曲線(xiàn)稱(chēng)聲波曲線(xiàn)或者聲波時(shí)差曲線(xiàn)，反映了在規(guī)定時(shí)間內(nèi)聲波在固體介質(zhì)內(nèi)的傳播速度，聲波曲線(xiàn)的值越大，反映地層的傳播速度越慢，地層彈性越差;反之，聲波值越小，則彈性越大，深度越大(丁衛(wèi)平等，2012)。泥巖、頁(yè)巖、煤孔隙小較致密，聲波穿越單位厚度地層用的時(shí)間短，速度快，所以，聲速曲線(xiàn)幅度較高，呈尖刀狀向右突出;砂巖孔隙發(fā)育，孔隙內(nèi)含水，聲波穿越單位厚度地層用的時(shí)間長(zhǎng)，速度慢，聲速曲線(xiàn)幅度較低、較平直;如果砂巖物性和孔隙中填充物發(fā)生變化，砂巖的聲速曲線(xiàn)就會(huì)出現(xiàn)一些小的起伏或擺動(dòng);砂巖疏松，物性變好，曲線(xiàn)向右抬升;反之，砂巖致密，物性變差，曲線(xiàn)向左偏移(丁次乾，2008)。5號(hào)煤層煤芯上部縱向上1/3為泥巖，中部含2層夾矸，上層為細(xì)砂巖，下層為炭質(zhì)泥巖，受夾矸的綜合影響，造成聲速曲線(xiàn)幅值偏低，以致于造成測(cè)井解釋為炭質(zhì)泥巖的誤判。

表3 煤層野外鑒定及測(cè)井厚度變化情況對(duì)比Table 3 Correlation of coal thicknesses determined by field identification and logging

(4)長(zhǎng)源距伽馬測(cè)井，也叫人工伽馬測(cè)井，用伽馬源發(fā)射的伽馬射線(xiàn)照射地層，根據(jù)康普頓效應(yīng)測(cè)量地層體積密度的測(cè)井方法，在煤田測(cè)井中主要用于確定地層的體積密度，了解地層的巖性。其曲線(xiàn)特征表現(xiàn)為：峰值通常以巖層中心為對(duì)稱(chēng);以γ為單位時(shí)，高密度層上具低γ值，低密度層上具高γ值;以密度層為單位時(shí)，高密層上具高密度值，低密度層上具低密度值(李舟波，2003)。從1—5號(hào)煤層人工伽馬曲線(xiàn)分析，均有高γ異常顯示，該曲線(xiàn)是4條曲線(xiàn)中，對(duì)煤的低密度特征反映最好的1條曲線(xiàn)，部分煤層峰值偏低，如圖4中的2號(hào)、5號(hào)煤層，其主要原因是受夾矸的影響，尤其是煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，灰分含量高時(shí)，影響更為明顯。

綜上所述，造成測(cè)井厚度與鉆探厚度誤差較大的主要因素是煤層中的夾矸及灰分含量，盡管夾矸及灰分的物理性質(zhì)與煤層存在較大差異，但由于煤層中的夾矸多、厚度小或灰分高，降低了煤層在不同曲線(xiàn)上的特征高值，有些曲線(xiàn)甚至出現(xiàn)非煤的性質(zhì)，而有些非煤地層卻出現(xiàn)似煤特征，如硅質(zhì)膠結(jié)的砂巖、粗砂巖，具有較高的電阻率，低自然放射性特征;井徑擴(kuò)大的井段具有低放射性、低密度特征，再加上單一的測(cè)井曲線(xiàn)本身的多解性，因此用單一參數(shù)或2種參數(shù)進(jìn)行判定，會(huì)導(dǎo)致測(cè)井曲線(xiàn)判層失誤、煤層厚度變小的情況發(fā)生。

5 結(jié)論

(1)復(fù)煤層測(cè)井厚度與鉆探厚度出現(xiàn)較大差異的主要原因是復(fù)煤層中夾矸，或煤層高灰分的影響。

(2)視電阻率、自然伽馬、聲速測(cè)井與人工伽馬4種常用的測(cè)井方法，一般在煤層穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的情況下，選其2種參數(shù)算出平均值定厚、定深，就能滿(mǎn)足規(guī)范要求。如果遇到復(fù)雜或高灰分煤層，曲線(xiàn)有異常，且界面不清，特別是頂、底板為高阻層時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生誤判或解釋厚度偏小。因此，用單一或任意2種測(cè)井參數(shù)對(duì)煤層進(jìn)行定性、定厚解釋都有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的判定時(shí)，建議對(duì)煤層先做出定性解釋?zhuān)俑鶕?jù)煤層取芯率綜合確定煤層采用厚度。如果煤層取芯率高達(dá)90%以上，且煤層結(jié)構(gòu)清晰、宏觀特征明顯、頂?shù)装逋暾?，則以鉆探結(jié)果為準(zhǔn)定厚;如果煤層取芯率偏低，而測(cè)井曲線(xiàn)特征反映明顯時(shí)，當(dāng)以測(cè)井曲線(xiàn)判層為準(zhǔn)。

(3)當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)如2號(hào)、5號(hào)煤層鉆探與測(cè)井結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，測(cè)井曲線(xiàn)顯示為炭質(zhì)泥巖特征時(shí)，經(jīng)野外鑒定煤層煤質(zhì)特征明顯，則以鉆探成果為準(zhǔn)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)初步驗(yàn)收，否則按測(cè)井結(jié)果進(jìn)行初驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)較大爭(zhēng)議的煤芯采樣送檢，最終成果則根據(jù)煤質(zhì)測(cè)試結(jié)果予以糾正。

(4)在煤田測(cè)井定性、定厚和結(jié)構(gòu)解釋過(guò)程中，不參考鉆探取芯率多少而堅(jiān)持以測(cè)井曲線(xiàn)判斷，或者因?yàn)殂@探取芯率高，不參考測(cè)井曲線(xiàn)的特征而盲目擬合鉆探結(jié)果都是不正確的。在測(cè)井煤層解釋結(jié)果與地質(zhì)編錄出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，有必要對(duì)取芯段的巖芯、煤芯進(jìn)行實(shí)地鑒定，測(cè)井曲線(xiàn)與鉆探取芯要相互對(duì)照，根據(jù)實(shí)際情況綜合研究確定煤層厚度，既要充分發(fā)揮煤田測(cè)井技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，也要尊重客觀事實(shí)，使煤層定厚更加合理。

(5)根據(jù)上述原則，建議劍溪礦區(qū)的5個(gè)煤層中，1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)煤層采取率＞90%時(shí)，應(yīng)以鉆探成果為主定厚;2號(hào)煤層以煤質(zhì)分析結(jié)果定性，以自然與人工伽馬曲線(xiàn)為主定厚;5號(hào)煤層以煤質(zhì)分析結(jié)果定性，以鉆探巖煤芯采取率為主，自然與人工伽馬曲線(xiàn)為輔綜合判層定厚。根據(jù)本研究成果重新判層和綜合定厚后，劍溪礦區(qū)最后采用的煤層厚度更為合理，并被普查工作采用。

陳忠惠，張木生.1993.福建下二疊統(tǒng)童子巖組的沉積環(huán)境和聚煤規(guī)律［M］.湖北武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社.

丁次乾.2008.礦場(chǎng)地球物理［M］.北京：中國(guó)石油大學(xué)出版社.

丁衛(wèi)平，余先川.2012.地震、測(cè)井和地質(zhì)數(shù)據(jù)融合與實(shí)現(xiàn)［J］.地質(zhì)學(xué)刊，36(1)：48－53.

福建省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局，福建省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊(duì).1998.福建省地質(zhì)圖(1∶500 000)說(shuō)明書(shū)［M］.福建福州：福建省地圖出版社.

李舟波.2003.地球物理測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理與綜合解釋?zhuān)跰］.吉林長(zhǎng)春：吉林大學(xué)出版社.

史幼宏，王金和.2011.福建省尤溪縣劍溪礦區(qū)煤礦普查地質(zhì)報(bào)告［R］.福建沙縣：福建省196地質(zhì)大隊(duì).

申振強(qiáng).2013.測(cè)井曲線(xiàn)的識(shí)別及應(yīng)用［J］.延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，27(5)：108－109.

張松木.2010.龍永煤田煤層測(cè)井解釋的幾個(gè)要點(diǎn)［J］.能源與環(huán)境，(5)：94－95.