利用测井数据解析含煤地层渗透特性_李宏艳.pdf

第41卷第4期 2013年8月 煤田地质与勘探Vol. 41 No.4 Aug. 2013 COAL GEOLOGY 2.煤炭资源高效开采与洁净利用 国家重点实验室，北京100013;3.辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新123000 摘要研究受采动影响含煤地层渗透特性的变化规律，结合电视钻孔成像技术综合分析覆岩破坏 高度，对煤矿开采瓦斯抽放系统钻孔位置合理布直具有重要意义．根据测井资料（密度、伽马），解 析地层边界、泥质含量及纯岩段夹层、弱层的存在及其对含煤地层渗透特性的影响．理论分析与 现场实测表明原始地层伽马曲线和泥质含量可以解析泥岩、粘土层和夹层、弱层的位直；含煤 地层渗透率受采动影响，渗透率增高区由采前泥岩、粘土与其他岩体层交界和原始裂隙区向采后 纯岩夹层、弱层区演化；被研究含煤地层冒落带顶点深度433m，裂隙带顶点深度382m. 关键词测井数据；含煤地层；渗透特性 中图分类号TD712文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.04.005 Analysis on the permeability of coal measures by the use of borehole logging data LI Hongyan12, WANG Weihua123, LIANG Bin矿，SUNWeiji3 1. Mine Safety Technology Branch, China Coal Research Ins伽te,Beijing 100013, China; 2. State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization, China Coal Resea，℃h Institute, Beijing 100013, China; 3. School of Mechanics and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China Abstract Analysis of the permeability of coal measures effected by mining with the help of TV borehole imaging can be significant for reasonable layout of gas drainage hole system. Geophysical logging data gamma, density obtained 台omboreholes can be used for uating ation boundaries, shale contents, interlayer and weak lay- ers. The permeability in the study缸eais different when working face advances. Overlying strata failure height can be made sure by permeability calculated by logging data and borehole television. Conclusion can be obtained as follows the location of ation boundaries, shale contents, interlayer and weak layers can be confirmed in original logging data, increased permeability area evolves from ation boundaries between shale, claystone and other strata and original仓acturezone to interlayer of pure strata and weak layers after mining; caved zone depth is 433 m and fractured zone depth is 382 m. Key words coal measure strata; logging data; permeability characteristies 采动引起裂隙扩展、贯通，为瓦斯流动提供途径， 但受上覆煤岩体性质与构成的影响。含煤地层应力重 新分布与裂隙发育，导致含煤地层中瓦斯的解吸与流 动情况更为复杂。Lunarzewski和Noack指出含煤地 层的变形为瓦斯流动提供通道，地层岩性的改变受变 形的影响很大［1-2］。Whittles等人通过数值模拟得出瓦 斯源与流动路径均与含煤地层的地质特性有关［3-4］。 Palchik在研究煤矿开采裂隙带分布时指出，裂隙带 的位置和瓦斯运移与含煤地层的地质特性和他们距 开采工作面的距离有紧密联系。张子敏等［5］从瓦斯地 质角度研究瓦斯突出，在总结我国瓦斯突出煤层结构 收稿日期2012-05-26 特征的基础上，给不同类型构造煤结构赋予了地质涵 义。陆国帧、彭苏萍、王定武等学者（6-10）通过对现场 部分井田测井曲线、煤层甲烧含量和煤结构的研究， 认为测井曲线解释煤层甲烧含量和煤结构是可行的。 本文根据测井曲线提取地层信息，并结合电视钻 孔成像技术，研究了含煤地层受采动影响渗透特性的变 化规律以及垮落带和导水裂缝带的高度。 1 含煤地层渗透特性的影晌因素 含煤地层渗透特性主要受地层性质、深度、应力 分布和裂隙影响。 基金项目国家重点基础研究发展计划（973计划）课题。011CB201206）；国家自然科学基金项目（50904033）；辽宁省自 然科学基金项目（20102090 作者简介李宏艳（1978一），女，河北迁安人，博士，高级工程师，从事矿山岩石力学及煤岩动力灾害方面的研究． ChaoXing 19 曲线的地层（石灰岩、砂岩等）。结合测井资料柱状图 可以利用低伽马值背景下的高伽马测井曲线区分和 识别受采动影响产生裂隙的地层。根据式（1）确定地 层中泥质含量 李宏艳等利用测井数据解析含煤地层渗透特性第4期 TT _ GR1 -GJ飞l叩咄 咄－Gl飞hale-Gl\1eanrock 式中GR1为测井曲线实测值，cps;Gl」町础为纯 砂岩或者石灰岩地层伽马值，cps;Gl飞hale为纯泥岩 地层伽马值，cps。 研究区域的各地层岩性参数取值参见表1。在计 算泥质含量的过程中，每个地层的计算都是独立的， 目的是减小误差。 、‘，J 且 ，，．、 2.1 测井曲线解析含煤地层边界与弱层 与油气储层不一样，含煤地层富含泥岩和粘土 岩，主要以夹层的方式存在于砂岩或者石灰岩层段， 是影响含煤地层渗透特性的主要因素之一。 图l显示，对比测井资料结合钻孔柱状图，分析 各层段岩性与测井曲线关系，得到的伽马、密度测井 曲线能够很好地反映含煤地层边界及弱层分布。伽马 曲线异常值能够很好地预测各地层边界。弱层主要有 泥岩和粘土层段，边界和弱层的测井曲线表现为高伽 马值（A一E和的和较低密度值（A’和E’）。边界的存在促 使地层中瓦斯水平流动，弱层本身具有较低的渗透特 性，阻隔瓦斯流动，能够对瓦斯形成圈闭作用，是形成 高压瓦斯源的因素之一。但弱层与其他围岩边界处，是 促进瓦斯水平流动的很好通道。弱层易受采动影响，能 够导通临近岩层，促进瓦斯流动。煤层表现为较低伽马 值、低密度值（B’－D丁，其他岩性岩层均表现出低伽马 值与平稳波动的密度值。 2.2 根据测井鼓据求得地层渗透参数 含煤地层渗透特性与各地层物质的孔隙特性紧 密相关。由于泥质、粘土等成份对孔隙度和孔隙组分 有直接的改造作用和影响，测井资料确定泥质含量 是得到地层渗透率的主要参数之一［8］。泥岩具有高自 然伽马测井曲线的特性被用于区分其他低伽马 伽马值／cps A 利用测井数据解析含煤地层渗透特性2 cps 表1各地层岩性平均伽马值 Average gamma value of different strata 含碳泥岩砂岩石灰岩煤 30 Table 1 泥岩 15 密度测井是一种划分地层、确定地层孔隙度的有 效方法，其原理是根据地层中放射性物质释放高能伽马 射线与地层中各种岩石材料相互作用，发生康普顿效 应，通过测取地层电子密度，经线性推导得到地层真实 密度。由Wyllile公式，得出孔隙度的计算公式为 ＝ρma -A, 一 ρma -Pr 式中ρma为纯地层基质密度，g/cm3;A,为由密度测 井曲线得到，g/cm3；ρf为地层流体的平均密度。密度 测井得到的孔隙度为各种孔隙、裂隙及溶洞孔隙度的总 和。由于受钻井液的影响，地层流体密度取水的密度值。 为了减小各地层段与整个含煤地层孔隙度计算误差，不 同地层段分别计算，所选用的参数见表2。 煤矿开采会引起围岩不同位置应力的增高或降 低。在采空区周围的围岩应力得到一定程度的释放； 沿开采走向、倾向向深部延伸，应力增加，导致裂隙 闭合或者扩展与贯通，影响地层渗透特性。实验室 研究表明，随着应力的增加，煤岩体渗透率呈先降 低后升高的趋势，当试样至峰后破坏阶段，渗透率 达到峰值［11］。工程中，渗透率受裂隙的开度和位置 影响；一些学者研究表明，渗透率的改变与应力之 间呈指数关系。 2 5 150 130 g/cm3 表2各地层岩性平均密度值 Table 2 Average density of different strata 水砂岩石灰岩泥岩煤 由于泥岩对地层密度影响比较大，引人泥质含量 对地层密度测井值进行校正。校正公式如下 As f生二主监ι hfr -1－尺h 联立式（2）和式（匀，得到泥质校正后孔隙度计算 公式 2.5 3 1.35 2.8 2.65 ,, nv nulb - AUAU 到川同141才回回鹦面 叫汀蜀 uam咽 ，、J 句3－ nu－「 Ill－Ill－Ill－tt 」 3 鸣3「 －－ h5F -- 度口「一一 厚♂「一一 层心『一一 储mT一一 ll εJT －－ Ill－－「 ttJ OT -, 如刑粥棚仰州州创川却仍ω剧创伤唰 旦出脑网制 p Pma -A,）－ h（ρma - Psh 1-V.h）（ρma -Pc 研究含煤地层渗透率变化，引人渗透率计算经验 公式，即著名的Timur公式 4 I 5 2.0 2.5 密度／（gm 图l钻孔柱状图和测井曲线图 Fig. 1 Borehole column and logging curves ChaoXing 20 煤田地质与勘探第41卷 K 0.136仨（5 式中K为地层渗透率，mD;swi为束缚水饱和度。 由于钻井液的存在，钻孔中含水饱和度为100。 3 采动影响含煤地层渗透特性的改变 由经验公式计算渗透率与岩心分析得到渗透率 做交会图（图2），两者之间有较好相关性。表3为不同 岩相地层岩心渗透率与计算所得渗透率误差分析表， 两者相对误差小于24.5，故认为经验公式得到渗透 率可以代表地层真实渗透特性。 1.6 1.4 J 1.2 烟1.0 母也 林0.8 7仨 0.6 0.4 0.2 . . . 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 岩，L、分析渗透率／mD 图2计算渗透率与岩心分析渗透率交会图 Fig. 2 Intersection plot of calculated permeability and per- meability from core analysis 表3不同岩相地层岩心渗透率与计算渗透率误差分析表 Table 3 Analysis of errors between core permeability and calculated permeability of different strata 岩相相关系数R相对误差／F检验值 泥质粉砂岩0.97 19.7 260.7 含泥粉砂岩。.9524.1 48.8 细砂质粉砂岩。.9915.6 383.3 粉砂质细砂岩0.95 21.8 92.8 含粉砂细砂岩0.95 24.5 334.6 细砂岩0.88 20.9 43.2 由于泥岩，粘土岩等弱层和岩层交界的存在，采 动引起应力和裂隙重新分布等原因，含煤地层渗透特 性在采前与采后均有改变。结合钻孔电视成像资料和 测井资料，研究祁东某矿区7121工作面开采前后， 上覆围岩受采动影响，含煤地层渗透率分布及变化情 况。图3与图4分别为采前与采后泥质含量与孔隙度 和渗透率变化曲线交会图。 采前含煤地层总体呈现渗透率较小，变化范围在 0.1-0.5 mD，仅个别层段呈现渗透率较大的特点。整 个含煤地层孔隙度平均在0.2～0.3旷／m3，但个别层段 出现孔隙度大于0.5，如图中所示A-H。这些存在天 然裂隙、叠片夹层所致。为进一步确定导致某一层段 渗透率增大的原因，引用电视成像钻井资料，直观了 解个别地层的详细情况。图5是目标层段。点对应的 钻井电视成像图，天然裂隙存在导致位置对应的层段 渗透率较大（＞10mD），故被认为是α点渗透率增大。 由于泥质从图片上可辨识，含量比较大，与图3中 图3采前测井资料整理后交会图 Fig.3 Intersection plot of logging data Before mining 380 390 E 400 最 需1 410 420 430 440 孔隙度／（m3m-3）泥质含最／（m3m-渗透率／mD 0 0.4 0.8 0 0.4 0.8 0 10 20 30 440 440 图4采后测井资料整理后交会图 Fig. 4 Intersection plot of logging data after mining N 388.00 388.04 388.08 388.12 是388.16 剧388.20 388.24 388.28 388.32 E s w N 发育横向裂隙， 最宽0.038m 图5目标层段。点对应的钻井电视成像 Fig. 5 Borehole TV image coηesponding to point in the target interval ChaoXing 第4期李宏艳等利用测井数据解析含煤地层渗透特性 21 a点位置测井得到的泥质含量相吻合。图3中泥质含 量在390--410m的砂岩层段平均仅为5俨8。个别泥 质含量大的位置（b-d点），也可被用于辨别泥岩和粘 土层的存在，其渗透率为周围岩层渗透率的5～10倍。 采后含煤地层总体呈渗透率增大的特点（图4, 一般层段渗透率在1～IOmD，与采前相同岩性层段渗 透率相比，其值增加了l～2个数量级。增加的原因是 受到煤层工作面推进采动的影响，工作面上覆围岩应 力重新分布，裂隙扩展贯通，泥岩和粘土岩等弱层或 夹层受到破坏，导通上下砂岩或石灰岩层，致使整个 地层渗透割献。图4与图3相比，渗透率增大区域与 孔隙度的增大呈很好的对应关系，孔隙度大于0.5旷／m3 的层段（A’－H，对应泥质含量较低，在10呼←20。其原 因是受采动影响，上覆围岩由于地层压力和自重的影 响、采空区的存在和抵抗变形能力差的泥岩层和粘土层 的破坏，裂隙向砂岩或石灰岩层深部弱层或夹层段扩 展，导致其孔隙度和渗透率增大。 根据含煤地层采动前后渗透率的变化结合钻孔 电视成像来确定覆岩破坏高度。图6为采后433m钻 井层段成像图。图中纵横多条裂隙交错，岩层很破碎， 采后此段地层渗透率与采前渗透率（0.47mD）相比， 扩大到135-2035 mD，可确定此段为冒落带顶点。 由图4渗透率突然增大的382m层段，结合图7钻孔电 视成像，地层渗透性由采前1.46mD到采后的l.67mD, 图6采后433m层段钻孔成像 Fig. 6 Borehole image at 433 m a负ermining 图7果后382m层段钻孔成像 Fig. 7 Borehole image at 382 m after mining 变化不大，确定此段是裂隙带顶点。由此得出的覆岩 破坏高度与现场钻井液流失量分析得到的高度有很 好的一致性。 4结论 a.根据泥质含量测井曲线，能有效辨别泥岩和 粘土岩层，以及纯砂岩或石灰岩层的弱层和夹层。根 据测井数据通过经验公式推导出地层渗透率，采前地 层渗透率较大的位置一般位于泥质含量较高的泥岩 和粘土岩层与其他岩层交界处或天然孔裂隙、溶洞 处。采后含煤地层整体渗透率增加，但渗透率较大位 置向泥质含量比较小的纯砂岩或石灰岩深部的弱层 及夹层位置转移。 b.根据测井曲线及得到的渗透率变化曲线，结 合钻孔成像技术可以确定上覆岩体受采动影响的覆 岩破坏高度，得到的结论与现场钻井液流失量分析两 带高度结果吻合情况很好。 参考文献 [1] LUNARZEWSK.l W L. 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