豆龍輝

(新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局綜合地質(zhì)勘查隊(duì)，新疆烏魯木齊 830009)

0 引言

塔里木盆地西南緣(簡(jiǎn)稱塔西南)處于古亞洲構(gòu)造域與特提斯構(gòu)造域的疊加部位，其侏羅紀(jì)含煤建造期間為一個(gè)斷陷盆地體系,河流、沖積扇以及淺湖相等沉積環(huán)境發(fā)育[1]。塔西南侏羅紀(jì)地層除發(fā)育在山前外,還發(fā)育了一系列受斷層控制的斷陷湖盆，形成烏恰、阿克陶、莎車-葉城以及和田等多個(gè)含煤盆地，中—下侏羅統(tǒng)康蘇組和楊葉組發(fā)育多層煤層，以沖積扇、扇三角洲、湖泊及沼澤沉積體系發(fā)育為主[2-5]。

由于沉積的特殊性，加上多次復(fù)雜的構(gòu)造疊加，莎車-葉城盆地侏羅系楊葉組煤層發(fā)育普遍厚薄不均，薄煤層普遍發(fā)育，同時(shí)煤層呈現(xiàn)高灰分、高容重、低熱量的“兩高一低”特點(diǎn)。在以往測(cè)井解釋過程中多存在無法識(shí)別煤層及定量解釋厚度的情況，出現(xiàn)了在鉆探過程中地質(zhì)檢驗(yàn)為煤，煤質(zhì)化驗(yàn)也達(dá)到煤的工業(yè)指標(biāo)，但測(cè)井解釋中根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)參數(shù)解釋為非煤的情況，也同時(shí)出現(xiàn)測(cè)井響應(yīng)為典型煤特征的情況，但煤質(zhì)化驗(yàn)未達(dá)到煤的工業(yè)指標(biāo)的情況。塔西南侏羅紀(jì)煤層的測(cè)井響應(yīng)呈現(xiàn)復(fù)雜多變的特征，如何通過測(cè)井曲線，結(jié)合煤層取心和化驗(yàn)分析資料，基于“巖心刻度測(cè)井”原則，建立一組新的適合“兩高一低”煤的測(cè)井解釋參數(shù)，開展“兩高一低”煤層測(cè)井精細(xì)解釋和評(píng)價(jià)研究，對(duì)測(cè)井經(jīng)驗(yàn)解釋參數(shù)進(jìn)行修正，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)塔西南煤炭資源潛力提供技術(shù)依據(jù)。

煤層測(cè)井響應(yīng)是煤層各種因素綜合影響的結(jié)果。以往煤田測(cè)井側(cè)重于煤層、夾矸的識(shí)別，煤層埋藏深度和厚度的確定。隨著近些年煤層氣研究和開發(fā)需要，測(cè)井在煤儲(chǔ)層的解釋和評(píng)價(jià)中的作用又被提升到比較高的位置。在煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和解釋中，除煤巖的定性和定量識(shí)別外，煤工業(yè)分析指標(biāo)、煤儲(chǔ)層含氣量等也可使用測(cè)井資料進(jìn)行定量化[6-10]，采用的數(shù)學(xué)方法主要包括線性及多元回歸分析，小波分析以及灰色系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等模式識(shí)別手段[11-16]。筆者通過煤巖心觀測(cè)、測(cè)試化驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)采用線性及多元回歸分析的結(jié)果與各項(xiàng)指標(biāo)，其關(guān)聯(lián)性較好，由此說明利用測(cè)井曲線開展煤層精細(xì)解釋和評(píng)價(jià)是一種實(shí)用有效的方法。

1 研究思路及測(cè)井、巖心資料概況

研究思路采用圖1所示開展相關(guān)研究。“視煤”即利用測(cè)井曲線響應(yīng)，并結(jié)合巖心開展定性識(shí)別和劃分煤層的結(jié)果。

圖1 技術(shù)路線Figure 1 Technology route

莎車-葉城盆地煤田勘探中，完全遵照煤田勘探相關(guān)規(guī)范要求，進(jìn)行了全井取心工作，并開展了包括煤工業(yè)分析參數(shù)等化驗(yàn)分析測(cè)試工作。測(cè)井曲線包括自然伽馬(GR)、聲波時(shí)差(Δt，CV)、視電阻率(NR)、自然電位(SP)、長(zhǎng)源距伽馬伽馬(GGFR，GG)等，普遍缺少補(bǔ)償密度(DEN)測(cè)井曲線。從整體來看，SP曲線在煤系中響應(yīng)特征不明顯，故不予以考慮和論述。DEN曲線是在野外測(cè)井時(shí)進(jìn)行了儀器刻度，采用長(zhǎng)源距伽馬伽瑪和短源距伽馬伽馬(GGNR)測(cè)量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫?，GG曲線值與對(duì)應(yīng)深度的DEN曲線值成反比關(guān)系，GG值高對(duì)應(yīng)于低DEN值。

莎車-葉城盆地位于新疆南疆三地州莎車-葉城地區(qū)。莎車-葉城地區(qū)為國(guó)家級(jí)連片貧困地區(qū)，屬貧缺煤地區(qū)，煤炭供需緊張、找煤難度大、煤價(jià)較高。按照《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T0215—2002)指導(dǎo)意見17.1，南疆三地州煤炭資源量估算指標(biāo)為：灰分(Ad)下限值不限定(國(guó)標(biāo)為<40%)，發(fā)熱量(Qnet，d)>12.5MJ/kg(國(guó)標(biāo)為17MJ/kg)，硫分(S)<3%(同國(guó)標(biāo))。

2 煤巖層測(cè)井響應(yīng)特征

莎車-葉城侏羅系楊葉組地層巖性主要包括粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖、碳質(zhì)泥巖和煤層，在測(cè)井曲線上，這些巖性在測(cè)井曲線上有響應(yīng)差異，可定性進(jìn)行識(shí)別(圖2)。隨著砂巖巖性從粗變細(xì)，GR值呈現(xiàn)從小增大的趨勢(shì)，NR值呈現(xiàn)從大變小的趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)如圖2中箭頭所示。

圖2 SC1-02鉆孔70～130m深度測(cè)井曲線及巖性柱狀圖Figure 2 Well SC1-02 logging curves and lithology column with depth from 70 to 130m

測(cè)井曲線上，煤層表現(xiàn)為極高的GG值，GR值普遍小，NR值以高值為主，CV值大小不定，以高值為主。GG曲線和GR曲線峰形相對(duì)呈現(xiàn)矩形方塊，高GG值和低GR值特征明顯，GG曲線幅值特別高，與煤層低密度值的特征相對(duì)應(yīng)，在煤層定性識(shí)別上起主要作用，是煤層定性劃分的重要依據(jù)。NR值普遍呈現(xiàn)高值，在煤層定性識(shí)別和劃分中也作為主要的參數(shù)曲線加以考慮。CV曲線在煤層上表現(xiàn)高低特征明顯度較差，主要是受煤中灰分含量等多種因素變化的影響，在巖性識(shí)別和劃分上暫不予考慮。通過這種定性識(shí)別和劃分煤層的結(jié)果，稱為“似煤”測(cè)井響應(yīng)。通過對(duì)測(cè)井曲線形態(tài)的綜合分析，結(jié)合巖心資料，確定煤巖層定性解釋的測(cè)井響應(yīng)(表1)。

3 煤層工業(yè)分析參數(shù)相互關(guān)系

莎車-葉城盆地楊葉組煤灰分與硫分、發(fā)熱量之間的關(guān)系分別見圖3和圖4。圖3和圖4表明，硫分、發(fā)熱量均和灰分呈現(xiàn)很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.92和0.898。圖2中硫分含量中95%均的值均小于南疆三地州煤炭資源量估算指標(biāo)中3%指標(biāo)，所以在煤層定量解釋中可不予以考慮。雖然南疆三地州煤炭資源量估算指標(biāo)中對(duì)煤灰分不做要求，但從發(fā)熱量按照>12.5MJ/kg要求來看，莎車-葉城盆地楊葉組灰分值應(yīng)<54.94%。

表1 煤巖層定性解釋的測(cè)井響應(yīng)

圖3 楊葉組煤灰分和硫分交會(huì)圖Figure 3 Crossplot for ash and sulfur in Yangye formation

莎車-葉城盆地楊葉組煤灰分和發(fā)熱量之間的關(guān)系見圖3。

圖4 楊葉組煤灰分和發(fā)熱量交會(huì)圖Figure 4 Crossplot for ash content and calorific value in Yangye formation

莎車-葉城盆地楊葉組煤灰分和真密度、視密度之間的關(guān)系見圖5和圖6。煤灰分與真密度、視密度之間關(guān)系密切，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.707和0.724，說明煤層真密度和視密度能夠反映煤灰分值。按照莎車-葉城盆地楊葉組灰分值應(yīng)<54.94%的要求，真密度和視密度上限值分別為1.98g/cm3和2.03g/cm3。當(dāng)灰分值=0時(shí)為純煤，其真密度為1.19g/cm3。

圖5 楊葉組煤灰分和真密度交會(huì)圖Figure 5 Crossplot for ash content and ture density in Yangye formation

圖6 楊葉組煤灰分和視密度交會(huì)圖Figure 6 Crossplot for ash content and apparent density in Yangye formation

通過灰分和發(fā)熱量、真密度、視密度交會(huì)，可確定，煤層灰分上限值為54.94%，真密度為1.98 g/cm3、視密度2.03g/cm3。

4 煤工業(yè)分析參數(shù)的測(cè)井解釋

測(cè)井曲線對(duì)煤工業(yè)分析參數(shù)具有一定的響應(yīng)，所以可以建立它們之間的相關(guān)關(guān)系。一般情況下，隨著灰分含量的增加，GR、DEN曲線均表現(xiàn)為增大的趨勢(shì)，CV，GGFR曲線表現(xiàn)為減少的趨勢(shì)，主要原因是由于純煤的密度較小，而灰分的密度較大，隨著灰分含量的增加，DEN肯定增加，聲波穿過同樣厚度煤層所用時(shí)間減少，CV相應(yīng)減少；而純煤不含放射性物質(zhì)，放射性很弱，灰分容易吸附放射性物質(zhì)，所以灰分含量越高，放射性強(qiáng)度越大，GR呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

莎車-葉城盆地楊葉組煤灰分和GR測(cè)井值之間的關(guān)系見圖7。從圖中可以看出，莎車-葉城盆地煤層GR和灰分關(guān)系不明顯。同樣，灰分和GG、CV、NR之間單因素關(guān)系也不明顯，無法從單一的測(cè)井曲線進(jìn)行煤的判斷。

圖7 楊葉組煤灰分和GR測(cè)井值Figure 7 Chart for ash content and GR value in Yangye formation

通過多元回歸，建立莎車-葉城盆地煤灰分和NR、GR、GGFR、CV測(cè)井值之間的相關(guān)關(guān)系，可計(jì)算出灰分值(式1)。根據(jù)所給樣品以及所得到的回歸方程來看，R2=0.65，F(xiàn)=6.051遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顯著性水平(Significance)的F=0.000 9值，證明回歸方程有效并可用于灰分的測(cè)井精細(xì)解釋。

Ad=-11.83+0.013 3×NR+0.004 6×GGFR

+0.035 9×CV+0.399 7×GR

(1)

5 煤層測(cè)井精細(xì)解釋和評(píng)價(jià)

采用線性及多元回歸法建立的灰分含量與發(fā)熱量、真密度、視密度、測(cè)井曲線之間關(guān)系，針對(duì)煤炭資源量估計(jì)中煤發(fā)熱量下限值的要求，反推出灰分含量上限值，然后通過測(cè)井曲線的灰分、發(fā)熱量、真密度和視密度的求解，采用發(fā)熱量下限和灰分上限值進(jìn)行煤層的精細(xì)解釋和評(píng)價(jià)。由于發(fā)熱量、灰分的測(cè)井解釋肯定有誤差存在，所以采用發(fā)熱量下限和灰分上限值兩個(gè)指標(biāo)確定的煤層定量識(shí)別參數(shù)，更能符合實(shí)際勘探的需求。

以具有化驗(yàn)分析資料的莎車-葉城盆地先鋒煤礦SC13-1井進(jìn)行測(cè)井精細(xì)解釋和評(píng)價(jià)(表2)。

表2 SC13-1井工業(yè)分析數(shù)據(jù)表

圖8 SC13-1鉆孔55～105m深度測(cè)井綜合解釋圖Figure 8 Comprehensive logging interpretation with depth from 55 to 105m on well SC13-1

從圖8可以看出，利用測(cè)井曲線能夠?qū)⒚簩痈?xì)劃分和準(zhǔn)確定位，煤層的位置及厚度經(jīng)過測(cè)井重新解釋后，能與測(cè)井曲線特征更加吻合，同時(shí)，在55～70m層段內(nèi)的煤層，從巖心觀測(cè)來看，只劃分出了兩層夾矸，但通過測(cè)井解釋，夾矸數(shù)應(yīng)為4層，主要表現(xiàn)在GG曲線從大值向小值的回返，以及GR曲線值的增大。從測(cè)井精細(xì)解釋和化驗(yàn)分析的灰分值來看，55～70m層段內(nèi)的煤層符合較好，但95～105m層段內(nèi)其化驗(yàn)分析的值要略?。粡陌l(fā)熱量值來看，55～70m層段內(nèi)的煤層符合較好，但95～105m層段內(nèi)化驗(yàn)分析的值要略大。

6 結(jié)論

1)煤層呈現(xiàn)“兩高一低”的特征，即高灰分、高容重、低發(fā)熱量，煤層的測(cè)井響應(yīng)呈現(xiàn)高視電阻率、低自然伽馬、低密度(長(zhǎng)短源距伽馬伽馬極高)的特征。

2)煤灰分與揮發(fā)分、水分、全硫之間線性關(guān)系不明確，灰分與發(fā)熱量成反比關(guān)系，通過發(fā)熱量下限值可確定莎車-葉城盆地楊葉組煤的灰分、密度上限值及純煤密度。

3)通過多元回歸建立煤灰分的測(cè)井解釋模型，可由測(cè)井值直接估算出煤灰分含量，估算的灰分和發(fā)熱量值作為定量判斷煤層依據(jù)。