沁水盆地柿庄北深部煤层煤体结构发育特征_陆小霞.pdf

第42卷第3期 2014年6月 文章编号l001-198620 1403-0008-04 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY 2.中联煤层气有限责任公司，北京I00011; 3.中国地质大学，海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京100083; 4.安徽理工大学，安徽淮南232001;5.安徽省煤田地质局第一勘探队，安徽淮南232052 摘要煤层结构疏松，易于垮塌，对煤层 气的开采影响较大．针对沁水盆地柿庄地区的深部煤层， 选择人工伽马、声波时差、自然伽马和井径等测井曲线，并结合煤层顶底板的破碎程度，判识了 柿庄北3号和15号煤层的煤体结构。结果显示3号煤的粉煤平均厚Im ，所占比例平均为17.85, 发育在煤层顶部或底部；15号煤的粉煤厚度平均为0.89m，所占比例平均为20.81，粉煤分层 较多，粉煤相对较发育，且多位于煤层的顶底和夫层附近。本区断层对煤层煤体结构影响并不 大，粉煤发育可能主要受精皱的影响。粉煤厚度随埋深加大呈现先减小后增大的趋势，拐点在 1 200I 300 m。由此可见，柿庄北区块煤体结构复杂，在开采煤层气过程中，应注意粉煤的发 育分布。 关键词煤体结构；粉煤；人工伽马；声波时差 中图分类号P618.13文献标识码ADOI I 0.3969/j.issn.I001-1986.2014.03.002 The development charactecistics of deep coal structure in northern Shizhuang area LU Xiaoxia1气HUANGWe时mi1气WANGJiaqi13, TANG Xiuy户，ZENGQinghua5, ZHANG Shouren2，认叫JJian2, CHEN Yanping13 I. School of Energy Resources, China Uniνersity ofGeosciences, Beijing 100083, China; 2. China United Coalbed Methane Co.Ltd., Beijing 1000门，China;3. Key Laboratory of Marine Reservoir Evolution and f今drocarbonAccumulation, Mechanism, Minisny of Education, China University of Geosciences, Beijing I 00083, China; 4. Anhui University of Science αnd Technology, Huainan 232001, China; 5. Coal Geological Bureau of Anhui Province, Huainan 232052, China Abstract Loose coal structure can easily make the wall of the borehole collapsed, having great impact on the ex- ploitation of coalbed methane. So analysis of coal structure is very important. Aiming at the deep coal seam in Shizhuang, according to artificial gamma, acoustic time difference, natural gamma, caliper, the breakage of roof and floor, we classified the structure of seams No.3 and No.15 in northern Shizhuang area. The average thickness of powdered coal of seam No.3 is I m, accounting for 17.85 of the total thickness of the seam. And it develops in the top or the bottom of the seam. Compared with seam No.3, seam No.15 has more powdered coal, accounting for 20.81 of the total thickness of the seam, and powdered coal develops often in the top or the bottom of the seam and near dirt band. The powdered coal is mainly affected by fold. The powdered coal thickness decreases and then increases with the depth. And the knee point is l 2001 300 m. Consequently, the coal structure of Shizhuang is very complex. We must pay attention to it during the exploitation. Key words coal structure; powdered coal; artificial gamma; acoustic time difference 煤体结构是指煤层在地质历史演化过程中经受 各种地质作用后表现的结构特征。煤体经历变质和 变形作用后，分为j卓生结构煤和构造煤，其中构造 煤又可分为碎裂煤、碎粒煤和廉棱煤［I2］。利用测井 曲线可将煤体划分为正常结构煤（I类）、过渡性结构 煤（II类）和粉状结构煤（简称粉煤，Ill类p-4］。粉煤 收稿日期2013-03-15 基金项目同家科技重大专项课题（2011ZX05042-001 很早就引起采矿人员 的注意，因为瓦斯突出事故一 般都发生在粉煤发育的煤层。随着煤层气勘探开发 的不断深入，粉煤也受到了煤层气开发者的关注。 因为粉煤分层的渗透率极低，而且几乎不可能用人 为方法提高其渗透性；粉煤分层部位的井壁易垮落， 难以维护；粉煤易堵塞排采设备；实测粉煤发育煤 作者简介陆小霞（1986 ），女，江苏南通人．博士研究生，从事煤层气与煤地质研究工作． ChaoXing 第3期陆小霞等沁水盆地柿庄北深部煤层煤体结构发育特征 9 层的含气量值偏低［5-6］。 前人研究表明，山西沁水盆地太原组15号煤层 结构疏松，容易垮塌，煤层气排采过程中煤粉不易控 制［7］。笔者在沁水盆地柿庄区块钻孔现场调研发现， 粉煤的发育给生产带来诸多不利。柿庄区块，尤其是 柿庄北，煤层埋深多在l000 m以深，而研究区周围 又无较深的矿井，无法下井观察粉煤的发育情况。因 此，本文借助测井曲线来判识煤体结构，分析本区太 原组3号和15号煤层的粉煤发育特征，以期为柿庄 北深部煤层气的开发提供技术指导。 1 地质概况 沁水盆地为大型复式向斜构造，盆地先后经历了 印支期、燕山期和喜山期构造运动，榴皱断裂均较为 发育，构造线多为NE NNE走向。研究区柿庄北区 块位于沁水盆地东南部的斜坡上，地层较平缓，倾向 NWW（图I）。柿庄北地质构造以福曲为主，断裂不甚 发育，未见100m以E的断层，偶见陷落柱，总体为 一个西倾的单斜构造。区块中央纵贯南北的向斜构造 又将区块分为3个构造单元东部是平缓的单斜构 造，仅有一些规模很小的断层，倾角一般小于5。， 呈SE向缓慢抬升；中部是挤斥严重的背向斜，轴向 NNE.幅度210m；西部为一个凹槽，构造较复杂， 有数条规模较大的断层，煤层起伏较大［89］。 研究区主要含煤地层为上石炭统太原组和下二 叠统山西组，共发育煤层6～ll层。其中，111西组3 号煤和太原组15号煤厚度较大，全区稳定分布，是 煤层气勘探的主力煤层。 回城镇irthtI二气井四等I句线[L“.]J却ii三四自11,J斜 图l柿庄北构造纲要罔 Fig. I Structural outline of north Shizhuang 2 煤储层特征 3号煤层的埋深最浅约830m，最深在1600 m 以上，总体是东高西低，中部受背向斜影响有较大变 化。3号煤厚4～6m，平均为5.82m，部分夹厚约 0.240.7 m（平均0.44m）的砂质泥岩或泥岩。3号煤为 黑色块状，以亮煤为主，夹镜煤条带，似金属光泽， 具垂直节理，内生裂隙较发育，部分钻孔产植物化石 碎片。其顶板主要由泥岩、粉砂岩和粉砂质泥岩组成， 局部为细、中粒砂岩；底板多为泥岩和粉砂岩［JO］。 15号煤位于3号煤层下部90～l10 m，变化趋势 与3号煤基本相同，且层间距变化不大。15号煤厚 4- 6.6 m，平均为5.3m，含泥质夹肝，横向稳定性 较3号煤差，分叉现象较普遍。15号煤为黑色块状， 以亮煤为主，金属光泽，阶梯状断口，内生裂隙发 育，可见黄铁矿，产植物化石碎片。15号煤直接顶 板为K2灰岩（伪顶多为薄层碳质泥岩、泥岩和含钙 泥岩），底板主要为泥岩、碳质泥岩。 3 煤体结构的测井曲线判识 3.1 判识原理 粉煤的大孔与中孔较正常结构煤发育，含71性 增强，煤体结构和物性发生了变化，导致了相对于 正常结构煤视电阻率幅值降低、视密度减小以及煤 体弹性波传播速度减慢、孔径增大等的曲线形态变 化特征。随煤体破坏程度加深，其r1l线形态变化愈 加明显。一般而言，粉煤的视电阻率附线。目值明显 降低，人工伽马、声波时差、井径幅值明显增大， 自然伽马幅值变化不明显［II］。因研究区钻孔泪lj井参 数中视电阻率反应不明显，本次研究采用了人士伽｜ 马、声波时差、自然伽马和井径4条曲线，并参照 煤层顶底板的破碎程度来判识煤体结构。 在判识的过程中，有两点必须注意一是影响测 井参数的因素很多，煤层结构仅仅是自然因素之一， 煤层矿物质（主要是泥质）含量是另一自然因素，还有 汩1J井仪器与操作、井中环境等人为因素。二是粉状结 构煤和正常结构煤的物性差异是在相同地质条件下 相对比较而言‘两者间的差异微小，在测井曲线上的 反映不明显，至今煤灰测井和煤层气测井都不注意这 些差异。据前人的经验，通过同一煤层内不同分层之 间对比，同一井内不同煤层之间对比，以及邻近井之 间对比，只有综合比较多条曲线的幅值，才能从正常 结构煤中判识出粉状结构煤。此外，还要注意顶板和 ChaoXing 10 煤田地质与勘探第42卷 底板岩层是否破碎，因为与破碎岩层相邻的煤层难以 完整，很有可能成为粉煤。下面以柿庄北X16井15 号煤为例，简述判识煤体结构的过程。 3.2 判识实例 柿庄地区X16井的15号煤层总厚度为l1.5 m, 煤层内部厚3.6m的砂岩层和2.4m厚的含铝泥岩层 将该煤层分为15一11m）、15-22.65m）和15-31.85m 共3个分层（图2）。 15-1煤层人工伽马曲线幅值和井径曲线幅值 明显较高，因此被划为粉煤。 15-2煤层上部的人工伽马曲线幅值、声波时差 曲线幅值以及井径曲线幅值都大于该煤层下部的曲 线幅值，而该煤层下部的曲线特征只接近同口井的 3号煤层的过渡性结构煤。此外，15-2煤层上部的 自然伽马曲线较下部的高，反映上部煤中含矿物质 多，由此可推测该煤层上部的人工伽马曲线幅值和 声波时差曲线幅值可能变小，然而实际是该煤层上 部的人工伽马曲线幅值和声波时差曲线幅值却较 大，这就表明该煤层上部的煤属于粉煤。15-2煤层 下部的煤定为过渡性结构煤比较合适。 15-3煤层上部的人工伽马曲线l隔值和井径曲 线幅值都小于下部，声波时差曲线幅值变化略呈相 反情况。此外，人工伽马曲线和声波时差曲线都表 明煤层底板岩石破碎。因此将15-3煤层下部划为粉 煤，t部划为过渡性结构煤。 3.3 判识结果 运用测井曲线，通过对柿庄北6口井（XlO、X8, ,if皮A.J羔内然伽马 XI 1、Xl6、X5,X6一13）的3号煤层的煤体结构判 别后发现，3号煤层煤体结构比较简单（图3a）。6口 井中，煤层内都没有夹肝，其中2口井（（X8,X6一13 煤层内没有粉状结构煤，其余4口井煤层内只有l 层粉状结构煤，且都呈薄层状，厚度为0.7～1.4m, 平均为lm。在有粉煤的4口井中，其中2口井（XIO 和Xll）的粉煤分布在煤层顶部，另外2口井（X5和 X16）的粉煤分布在煤层底部。在3号煤层中，粉煤 不太发育，粉煤所占的比例较低，为12.07～25。 判识的结果大部分可靠，少部分较可靠，主要是II 类煤可靠性不高，因其较难判定。 运用测井曲线，通过对柿庄北5口井XIO、X8, Xl 1、Xl6、X5）的15号煤层煤体结构判别后发现，除 X5井的煤层结构比较简单外，其他4口井的煤层都有 分叉，从而将15号煤层分为15-1、15-2、153共3 个分层（图3b）。5口井均有粉煤，厚度为0.7～l15 m, 平均0.89ffio其中，3口井（X8,Xl l和X5）只发育l 层粉煤，且都位于煤层顶板附近。XlO井在153煤层 发育两个粉煤分层，且都位于夹研和煤层之间。XI6 井在15一l 、15-2、15-3都发育粉煤，其中15I厚lm, 全是粉煤；15-2的粉煤分布在煤层顶部，15-3的粉煤 分布在煤层底部。总体而言，15号煤层中粉煤所占比 例为7.98～35.71，平均为20.81，粉煤较发育。 通过对比3号与15号煤层发现3号煤的粉煤 比例不大，其不是在煤层顶部就是在煤层底部；而 15号煤的粉煤相对较发育，粉煤夹层较多，且多位 于煤层的顶底和夹肝附近。究其原因是15号煤层较 人门加马井径 二之二、一一λ一气之二工工一一斗～－一－－－→一一－－一－ －－、－－ ‘ , －、、一 一”,,- 、－ ,, , ---- ,, 一’－ r - 、、 、← 一、－、－ - 一－－，－－ －－－－二 一、、、 -- 、－、－－－』二 、－～、 圈圈医望 i主｜冬｜叶JJ草位左印＇IJ数据为煤1；层厚度‘下｜斗） －、 --- －－－、－－－－－－.，....＿ －二二二P霄’－ 图2柿庄北X16井15号煤层煤体结构划分图 Fig.2 Coal structure of well X 16 in north Shizhuang ChaoXing 陆小霞等沁水盆地柿庄北深部煤层煤体结构发育特征第3期 XI] 重翼翼翼翼3 a 140m 3 巳J I Om 煤 层 2 OOm I Om 0.70 m 0.40 m 2.70 m b 15 号 煤 层 5.501TI I l砂m ｝己刀 - l l . X门X6-J 3 XB 0.80m 0.40m 0.30m 0.70m 0.40 m XJ 6 XS 3.60 m 2.10 m 15-3煤回－圈 图33号煤层（a）和15号煤层（b）的煤体结构 Fig.3 Coal structure of seams No.3a and No. l Sb 软，而其顶底板以及夹石干都较硬，两硬夹一软，在这 些部位附近的煤层易受挤压成粉状。 4 粉煤发育的部位及随埋深的变化 粉煤是在一期或多期构造应力作用下，煤体原生 结构、构造发生不同程度的脆裂、破碎或韧性变形或 叠加破坏甚至达到内部化学成分和结构变化的一类 煤［12］。构造应力场控制区域构造发育和演化，不同 的构造应力场产生不同性质的构造，并对煤储层起到 强烈的改造作用，致使煤体结构发生变化，形成粉 煤［13］。柿庄地区断层对煤层煤体结构的影响并不大， 粉煤的发育主要可能是受榴皱的影响。煤层是软分 层，在受构造应力作用形成榴皱时，往往产生塑性流 动，当榴皱发育强烈时，会派生小构造，致使煤体结 构发生破碎，形成软煤［14］。 柿庄北地区粉煤厚度与煤层埋深有一定的相关 性（图的。粉煤厚度随煤层埋深呈现先减小后增加的 趋势，即在12001 300 m出现拐点，1300 m之后 粉煤厚度增加。一般认为，随着煤层埋深的增加，围 压变大，煤岩体的极限强度变大，承载能力变强，岩石 的韧性增强，并且深部较高的地温也使得煤由脆性向 延性转化，流变现象出现，煤体不易被挤压破碎［I匀。 但本文的研究结果与前人不同据现场调研结果，煤层 越深，粉煤越发育一因此，推测其发育可能主要与构造 有关。徐延勇［16］利用叠后波阻抗反演和多属性地震反 演方法预测了柿庄北附近的赵庄煤矿3号煤的构造煤 发育情况，研究结果表明，在纵向的深度域上，随着 时间的增加，构造煤的分布区域也在增加，且随着深 度的增加，构造煤更发育。因此，在柿庄北地区 ，深 部构造煤增加的趋势是可靠的。 1.6 1.5「-- 3号煤 1.4 一－15号t\ E 1.3 迦1.2 I.I 4乓 ;i I。 这0.9 0.8 0.7 0.6 800 . λ . , I / , ι ’ , - I 000 I 200 I 400 t\J去上］以Im 图4粉煤厚度与埋深的相关性 I 600 Fig.4 Correlation between the thickness of powered coal and 5结论 a.柿庄北3号煤层粉煤平均厚lm，粉煤所占比 例平均为17.85，其位千煤层顶部或煤层底部；15 号煤层粉煤较3号煤层发育，其厚度平均为0.89m , 粉煤占比例为20.81。，， 于煤层的顶底和夹石干附近。 b.柿庄北地区断层对煤层煤体结构的影响并不 大，粉煤的发育可能主要是受榴皱的影响。 （下转第16页） ChaoXing 16 煤田地质与勘探第42卷 斜轴附近达到一个高峰之后，瓦斯含量逐渐降低。 c.运用煤层瓦斯富集区判识方法，对集贤煤矿 西二采区瓦斯富集区进行了初步判识。结果表明 岩墙、向斜等构造形迹控制着该矿西二采区的瓦斯 富集区；距岩墙65m范围内、距向斜轴部220m范 围内，煤层瓦斯赋存指数；兰20，为瓦斯富集区； 尤其是岩墙与向斜交叉区域，瓦斯赋存指数高达60, 是煤矿瓦斯灾害的易发、高发 区域。 参考文献 川张子敏，瓦斯地质规律与瓦斯预测［M］.北京煤炭工业出版 丰十．2005 4-50. 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