多煤层对比方法优化研究_舒建生.pdf

第 47 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.6 2019 年 12 月 COAL GEOLOGY continental strata; physical response; seismic exploration; digital logging; Jurassic coal field in northern Shaanxi 根据国家煤炭工业“十三五”规划，随着我国 中东部矿井浅部资源逐渐衰竭，未来煤炭开发势 必会限制或压缩中东部、重视优化西部。但由于 受到沉积环境等因素控制，西部早–中侏罗世聚煤 ChaoXing 52 煤田地质与勘探 第 47 卷 作用最为强烈，广泛分布侏罗系中统延安组陆相 河流、湖泊含煤沉积建造，沉积岩相和古地理环 境复杂，岩性变化大，煤层层数多、稳定性差， 地质标志层少[1-4]，造成煤层对比依据缺乏、存在 多解现象等难点，直接影响煤层正确评价、地质 构造正确判断、煤炭资源/储量估算结果的可靠性 以及合理开发。 煤岩层对比是煤炭地质勘查和矿井地质工作中 关键的基础地质工作之一，其贯穿于煤炭勘查的不 同阶段及生产开采的全过程。煤炭地质工作者在长 期的生产和勘查过程中已总结出不少有效的煤岩层 对比方法，基本方法有标志层、古生物、岩矿特征、 煤岩煤质、地球化学、地球物理测井、岩相旋回 7 类[5-9]。不同于海陆交替相含煤建造，陆相标志信息 匮乏，以往煤层对比研究多以煤层本身作为主要标 志层，辅助岩相旋回、煤层间距、煤岩煤质和测井 曲线等进行分析，其不足体现在① 煤层既是目的 层，又是标志层，仅依据煤层几何特征有失客观； ② 岩相旋回对比仅能解决含煤组段和煤组对比问 题；③ 煤岩煤质对比由于受制于采样条件，不能发 挥应有的作用。正是由于以上原因造成其煤层对比 可靠程度降低，尤其是多煤层不易确定煤层层位。 但是，近年来煤炭高精度物理探测技术的突破为精 细化矿井地质工作提供了支撑[10-17]， 工程实践证明， 加强高精度地震勘探、 数字测井资料的综合分析和 精细对比、寻找煤岩层物性标志，是解决缺乏标志 层的陆相多煤层对比难题的可行技术途径， 可提高 结果准确性。 这里所谓物性标志是指煤层或岩层在 物性特征差异性表征，在曲线、剖面如数字测井 曲线、地震波组能量、地震时间剖面等上异常突 出或特征显著，易于辨别，并可用作信息追踪。其 技术可操作层面至少包括以下两方面① 煤层厚 度、结构、煤质及围岩性质的物性差异在测井曲线 上呈现显著特征，可形成直观的物性标志[14-15]，可 归纳为 3 类，即煤岩曲线异常幅度宽度标志、曲线 异常形态标志和曲线异常组合标志。② 利用煤层 反射波动力学特征振幅、 能量和地震时间反射波 连续性追踪，可开展煤层对比、验证[15-17]，通过 人工合成记录和波阻抗反演，实现与测井数据的综 合分析对比。随着地震勘探施工禁区的突破及深部 精细探测能力的提高， 地震波组特征值得深入研究。 因此，基于高精度地震勘探、数字测井技术方法快 速进步与广泛应用，笔者结合多年的工程实践，探 讨并构建陆相含煤建造多煤层对比方法组合模 式，并以陕北侏罗纪煤田阿包兔地区勘查工程案 例进行应用剖析，以期提高煤层对比可靠程度， 为西部地区资源勘探开发利用和矿井地质保障提 供技术支撑。 1 陆相煤层对比方法 1.1 煤岩层对比方法优化组合 结合以往工作和实际应用，本次立足陆相含煤 建造煤层对比缺少标志层难题，基于常规七大类煤 层对比方法，充分发挥煤岩层物性标志作用，提出 了陆相煤层精细对比方法组合模式，形成了 7 类 12 项方法组合的架构体系表 1。 表 1 陆相煤层精细对比方法组合 Table 1 Combination mode of coalbed correlation 工作程序划分 对比方法 煤系宏观对比 煤层精细对比 特殊标志的岩层 地层标志 层位稳定的煤层 特殊岩性的夹矸 曲线异常幅度宽度 煤岩曲线异常形态 测井曲线 异常的纵向组合 煤岩特征标志 组合对比 各类曲线异常组合 显微煤岩组分定量 煤质特征量化指标 煤岩煤质 煤中微量元素富集 反射波层位及其特征 主要方法 地震波组 反射波时间剖面追踪 古生物 动、植物化石 微体古生物化石 岩石矿物 顶底板重矿物分析 方法 优选 组合 辅助方法 沉积旋回 岩相旋回结构 实现综合对 比验证 1.2 对比工作程序及原则 煤岩层对比作为一项重要的技术任务，具体对 比工作总体基于对煤层发育和聚煤成因分析，优选 适应的对比方法，结合表 1 中的对比方法组合，抓 ChaoXing 第 6 期 舒建生等 多煤层对比方法优化研究 53 住显著标志、重视标志组合，按先整体后局部、由 简单到复杂的工作思想，逐项开展点、线、面的推 延对比。在实施中应遵循以下原则。 a. 注重主要煤层标志 首先分析主要开采煤 层特征和物性响应差异、夹矸及围岩特征等，寻求 对比标志依据，并尽可能充分利用各类方法进行综 合对比，建立整体对比架构，并确定基准标志层位， 再开展其他煤层的对比。基准标志层应选择层位稳 定、标志明显的煤层或岩层。 b. 注重运用组合标志 局部范围内陆相含 煤地层往往层位赋存稳定，特征明显的煤层或特 殊岩层，在垂向上形成层位组合和物性异常组合 标志。同时注重运用煤层各类测井曲线异常组合 标志。 c. 注重运用微观标志 条件具备情况下，应注 重煤岩煤质、岩石矿物指标的量化差异对比；注重 测井曲线微观异常形态差异对比，加强该方面深入 研究是最具有潜力和成效的。 d. 注重相互对比验证 多种对比方法协调使 用、相互验证能有效提高煤层对比可靠程度，充分 发挥地震勘探在煤层对比中的追踪验证作用。 2 应用与实践 以陕北侏罗纪煤田阿包兔地区勘查工程为例， 遵循陆相含煤建造多煤层对比方法组合模式，加强 地震勘探和数字测井成果综合分析，深度挖掘并总 结利用煤、岩层物性响应标志和组合特征，按照工 作程序和实施原则，建立该区煤层对比方法组合， 开展精细对比工作。 2.1 地质概况 陕北侏罗纪煤田阿包兔地区位于陕北黄土高原 北部，毛乌素沙漠东南缘，全区被第四系覆盖，属于 掩盖型煤田，钻井揭露地层由老到新依次有三叠系上 统永坪组，侏罗系下统富县组、中统延安组、直罗组、 安定组，白垩系下统洛河组，新近系保德组，第四系 上更新统萨拉乌苏组和全新统。根据岩性组合、岩相 变化及含煤特征，含煤地层延安组自下而上划分为 5 个Ⅲ级沉积旋回和岩性段，除第五段不含煤外，含煤 层数最多可达 18 层， 可对比的编号煤层 8 层， 由上而 下依次为 2-2、3-1、4-1、4-2、4-3、4-4、5-2和 5-3煤层。 各煤层发育特征见图 1 和表 2。 2.2 煤岩层对比 2.2.1 基于煤岩特征组合标志 经分析，除区域性直罗组底部砂岩和延安组底 部砂岩K1标志层界定含煤地层外，区内主要可采 煤层层位组合和测井曲线垂向上的异常组合特征对 比可建立整体宏观对比架构， 具体有以下几种标志。 a. 2-2煤K4及蒙脱质黏土岩K3组合 2-2煤赋存于延安组第四段顶部，其底板赋存一 层稳定薄层状灰黄色蒙脱质黏土岩图 1，质地细 腻，遇水膨胀，颜色独特，岩层厚度 0.30.6 m，X 衍射分析表明，其矿物成分主要为蒙脱石、方解石 和高岭石[18]。 b. 2-2煤K4及下部 5-2煤层K2组合 研究区内主要煤层 2-2、5-2煤层位稳定，厚度变 化规律，二者煤层间距变化小，平均 124.98 m，标 准差 1.38，说明离散程度较低，间距稳定，在垂向 上构成了好的层位组合。 同时，2-2、5-2煤层在侧向电阻率、伽马伽马 曲线和自然伽马曲线的幅度、 宽度较其他煤层差异 异常显著，垂向上构成了测井曲线异常组合特征 图 1。 2.2.2 基于岩相旋回的煤组辅助对比 岩相旋回研究是煤炭地质基础工作，通过建立 含煤地层沉积旋回标准地层柱状，并与全部钻孔岩 相组合进行对比分析可确定煤层。经研究，区内含 煤地层延安组自下而上可划分为 5 个中级沉积旋 回，即第一、二、三、四段和五段，除第五段遭受 后期剥蚀，其余各段主要发育曲流河及滨湖三角洲 沉积建造，形成由下向上从粗碎屑沉积到细碎屑夹 炭质泥岩、煤层沉积结束的沉积模式，构成了较为 完整的聚煤周期。沉积旋回内各成因单元具有自身 的沉积特点和煤层发育特征图 1， 其中第一段发育 曲流河沉积，垂向上发育上下 2 个次级旋回，自下 而上可划分为河床、天然堤、决口扇、泥炭沼泽 4 个亚相， 且均在顶部分别赋存了 5-3、 5-2煤层。 第二、 三段发育三角洲相沉积，沉积物粒度较细，前者呈 现 4 个次级旋回，以泥岩、粉砂质泥岩开始，向上 过渡为中细粒砂岩结束，煤层位于次级旋回的中下 部，主要发育 4-1、4-2、4-3和 4-4煤层；后者上部发 育完整的次级旋回，底部赋存 3-1煤层。第四段属曲 流河沉积，底部以中、粗粒含砾砂岩与第三段分 界，向上依次相变为细粒砂岩、粉砂岩、泥岩和煤 层，上部或顶部发育厚煤层 2-2煤。 2.2.3 基于煤质特征的量化指标 通过煤质检测数据对比分析发现，研究区内煤 中硫分、煤灰成分SiO2、Fe2O3、煤中微量元素U 指标存在差异表 3，其中 2-2原煤 St,d平均 1.09， 垂向上硫含量显著高于其他煤层图 2， 且形态硫中 无机硫含量明显偏高； 3-1煤煤灰成分中 SiO2含量较 ChaoXing 54 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 1 陕北阿包兔地区延安组层序地层及垂向特征组合柱状图 Fig.1 The sedimentary facies and stratigraphic column of Yan’an ation in Abaotu of northern Shaanxi ChaoXing 第 6 期 舒建生等 多煤层对比方法优化研究 55 表 2 煤层特征一览表 Table 2 Coal seam characteristics 煤层厚度特征 煤层 编号 煤厚/m 标准差 变异系数/ 煤层 结构 对比可 靠程度 煤层 稳定性 2-2 3.676.70/5.12 0.73 14.25 简单 可靠 稳定 3-1 0.253.98/2.70 1.13 41.93 简单 可靠 较稳定 4-1 0.250.75/0.40 0.16 34.76 简单 基本可靠 不稳定 4-2 1.412.43/2.05 0.31 14.89 简单 可靠 稳定 4-3 0.200.82/0.33 0.24 72.39 简单 基本可靠 不稳定 4-4 0.170.72/0.32 0.17 54.10 简单 基本可靠 不稳定 5-2 4.376.30/5.32 0.60 11.38 简单 可靠 稳定 5-3 0.151.52/0.85 0.56 66.30 简单 可靠 较稳定 注表中 0.151.52/0.85 表示最小最大值/平均值，其他数据同。 表 3 煤的显著煤质指标统计 Table 3 Statistics of significant coal quality indicators 煤灰成分质量分数/ 煤层编号 灰分质量分数 Ad/ 全硫质量分数 St,d/ 铀U含量/μgg–1 SiO2 Fe2O3 2-2 5.169.43/7.29 0.652.06/1.09 224/10 24.8240.84/33.66 9.3619.72/15.47 3-1 3.6512.20/7.19 0.300.67/0.46 025/14 40.8857.20/48.60 2.4712.47/8.22 4-2 5.1613.34/7.97 0.380.74/0.52 127/7 29.6843.30/34.63 18.4732.04/24.95 5-2 7.0015.73/8.70 0.371.05/0.54 022/13 30.0039.96/36.09 6.5611.17/8.61 5-3 8.2611.99/10.12 0.411.15/0.78 821/14 34.88 29.99 注表中 5.169.43/7.29 表示最小最大值/平均值，其他数据同。 图 2 各煤中全硫St,d指标对比曲线 Fig.2 Comparison curve of total sulfur content in coal 高；4-2煤煤灰成分 Fe2O3、微量元素 U 含量较其他 煤层差异显著。 2.2.4 基于测井曲线的异常形态 区内煤、岩层物性条件较好，煤层测井曲线形 态与围岩物性差异显著，煤、岩层界面清楚，主要 煤层测井曲线呈现“两高一低”的典型异常特征，在 幅值、形态等方面均形成了特有的形态特征，构成 了测井曲线异常物性特征标志图 4， 在该区煤层精 细对比中发挥了最重要的作用， 例如 2-2煤层侧向电 阻率曲线在箱形凸起基础上的“三峰两谷”组合，即 3 个凸起，2 个回落；4-2煤层长源距伽马伽马曲线 在箱形高值凸起的基础上呈现出两峰一谷形态；5-2 煤层侧向电阻率曲线在箱形凸起基础上呈锯齿状高 异常。 2.2.5 基于地震剖面波组追踪 a. 主要反射波层位确定及特征对比 区内地震测线布设呈网格状，主测线布设与勘 查线重合。通过人工合成地震记录对地震时间剖面 进行层位标定，主要发育 T2、T3、T4 和 T5 四组标 准反射波，分别对应 2-2、3-1、4-2、5-2煤层，各反 射波特征各异图 4， 其中来自 2-2煤层的反射波T2 波形特征最明显，信噪比高，同相轴表现为上下相 位，能量强，连续性最好。 b. 地震标准反射波时间剖面追踪 区内 2-2、3-1、4-2和 5-2煤层与围岩波阻抗差异 明显，均产生较强的反射波，易于识别，在时间剖 面上基本上可连续追踪对比图 5， 结合地震测线相 互交叉特点，对整道波形进行对比，可为煤层追踪 对比提供较为可靠的依据。 总体研究表明， 区内主要可采 2-2煤层层位分布 稳定，煤层结构简单，厚度相对稳定，同时煤岩煤 质、测井响应、地震波组等可对比的标志特征显著， ChaoXing 56 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 3 各煤层测井曲线特征对比 Fig.3 Comparison of geophysical logging response characteristics of coal seams ChaoXing 第 6 期 舒建生等 多煤层对比方法优化研究 57 图 4 钻孔测井资料人工合成地震记录 Fig.4 Synthetic seismic records of borehole logging data 图 5 勘探线地震时间剖面 Fig.5 Seismic time profile of the seismic survey lines 作为基准对比层位最佳。 2.3 对比可靠程度分析 基于以上煤层对比方法组合模式，本着因地制 宜的原则，深挖煤岩物性标志、重视运用组合标志 有序开展综合分析对比和验证，查明了区内主要煤 层的层位和赋存范围，研究表明，可采煤层 2-2、3-1、 4-2、5-2和 5-3煤层特征明显、层位稳定，对比结果可 靠，其余煤层对比基本可靠。 3 结 论 a. 深入分析了陆相含煤建造常规煤层对比方 法的缺陷和物性响应标志的优势，探讨构建了多煤 ChaoXing 58 煤田地质与勘探 第 47 卷 层对比方法组合模式， 形成了 7 类 12 项方法组合的 架构体系，并提出了工作程序和实施原则。 b. 通过典型陕北侏罗纪阿包兔地区的工程实 践表明，利用煤岩物性标志、重视运用组合标志可 有效提高煤层对比的可靠程度。研究表明，该区基 于煤岩特征组合标志、测井曲线异常形态和地震波 组特征追踪方法，辅助岩相旋回结构、煤质量化指 标开展煤层综合对比和验证， 可采煤层 2-2、 3-1、 4-2、 5-2、5-3煤的层位特征明显，对比结果可靠。 c. 加强利用物性标志开展多煤层对比方法优 化组合和应用，为西部地区煤炭资源勘查及其共生 矿产资源勘查层位对比提供技术路线，对于资源开 发利用、矿井地质保障具有重要的现实意义。 d. 建议后期开展更多构造复杂、多煤层发育区 的方法验证。 参考文献 [1] 张韬. 中国主要聚煤期沉积环境与聚煤规律[M]. 北京地质 出版社，1995. 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