煤田測井

煤田測井是指利用煤層與圍岩在岩性物性上的差別套用地球物理測井儀器測定鑽孔內的地質情況和岩石物理性質的測井方式。

基本介紹

• 中文名：煤田測井
• 外文名：coal geophysical logging
• 學科：地球物理勘探
• 發展歷程：我國已與國際接軌
• 測井回響：岩性、物性特徵
• 機遇：地質、鑽探、測井

發展歷程

60多年來，我國煤田測井技術得到了長足發展。由最初單一的電性測井發展為電、核、聲、熱、光、磁等多參數綜合測井，技術領域涵蓋煤田地質勘查的方方面面。所有參數方法的綜合套用，提高了測井的地質效果和解釋精度，拓寬了學術及技術套用領域，獲取了豐富的地質工程信息。測井技術裝備不斷發展和創新，儀器由單道測量發展為雙道和多道組合測量，由半自動到全自動模擬記錄發展為數字採集、數字傳輸和記錄，資料整理由人工解釋和描繪曲線發展為計算機自動化處理、解釋和成圖。新技術的不斷套用促使煤田地球物理測井的質量和效率不斷提高，目前，我國的煤田測井技術水平發展到與國際接軌的高度。

上世紀80年代中期，國外數字測井技術的引進與套用是我國煤田測井技術的一次跨越式發展與重大變革。1986年，在引進吸收和改造美國MT.SOPRIS系列Ⅲ數字測井儀的基礎上，生產了兩套TYSC—1型煤田數字測井儀器系統，並在河南、山東兩省的地質隊投入了試用，效果很好。之後，又陸續推出國產TYSC—2型、TYSC—3Q型等數字測井儀器系統裝備各物探單位。

現在，我國已經逐步建成一套比較完整的煤田測井儀器製造系統和良好的測井數據處理軟體研發環境。測井儀器正向著高效率、高計數通過率、高能量解析度、高耐溫、耐壓、高抗震、小體積、價格適中等方向完善。渭南煤礦專用設備廠、上海地學儀器研究所、重慶地質儀器廠、北京中地英捷物探儀器研究所、河北力時力拓地質儀器有限公司等廠家在吸收國際先進的電子儀器製造技術的基礎上，生產的系列數字測井儀器系統，技術先進、性能優越、功能多、體積小、重量輕、方法組合系列化，深受廣大測井用戶青睞，產品暢銷全國，並出口非洲、東南亞等世界許多國家，已在煤炭、地礦、石油、冶金、水電、建工、道路、核工業和軍工系統廣泛套用。

與測井儀器系統的發展相配套，我國煤田測井數據處理軟體的功能也在不斷增強，內容更加豐富，已完全甩掉國外英文界面的解釋系統，使用自主研發的全視窗化Windows全中文界面處理軟體。基於個人計算機技術和全視窗化操作界面的更新一代測井處理軟體的投入使用，使測井資料庫管理水平和數據處理速度有了極大提升。從資料庫管理、原始數據預處理、岩性分析、煤質分析、地質剖面解釋到成果圖、表輸出等等，輕鬆自如，方便快捷。

煤層的測井回響

一、用測井資料建立煤系地層岩性剖面

煤層、砂岩、粉砂岩、灰岩、泥岩具有不同的電性特徵。煤層、砂岩、泥岩在電性上有明顯的差別，砂岩中子孔隙度在12%以內，體積密度2.5～2.75g/cm之內，反映砂岩很緻密，岩性細含有灰質；泥岩中子孔隙度在20%～34%，體積密度在2.4～2.75g/cm之內，反映泥岩已充分壓實；煤層具有很高的中子孔隙度，低的補償密度、低的光電有效截面。

二、煤層的物性特徵

煤層具有三高三低的物性特徵，並因煤的變質程度不同，測井回響值也有所差別。華北地區石炭系和二疊系的煤層主要分布在石炭系的山西組和二疊系的太原組，該套煤系地層主要岩性是砂岩、粉砂岩、泥岩、碳質泥岩、煤、石灰岩，煙煤的鏡質體反射率在1.0%～1.6%之間，無煙煤的鏡質體反射率在3.6%～3.8%之間，它們的測井回響值也有所差別。

物性特徵三高為：

(1)電阻率值為中高值，變化範圍大。

雙側向的數值在幾十歐姆米至幾千歐姆米；在好的煤層，深側向和淺側向之間有明顯的正差異。

(2)補償中子值大。數值一般在50%左右，高者可達70%以上。

(3)聲波時差值大，煤層縱波時差值在350～450μs/m之間，橫波時差在500～700μs/m之間。

物性特徵三低為：

(1)自然伽馬值低：煤層的自然伽馬值低，一般在20～80API之間，煤質不純的最大值可達200API。釷，鈾和鈾的含量也低，個別煤層鈾含量高。

(2)體積密度值低：煤層的體積密度值低，煤層體積密度值在1.2～2.0g/cm。

(3)光電有效截面值低：煤層的光電有效截面值低，煤層光電有效截面值在0.5～1.2b/e範圍內。

另外煤層的井徑曲線受鑽井工藝和鑽井液性能影響，煤層會發生垮塌，使井徑擴大。

煤層的聲強反射係數比其它地層都小，聲波井周成像是記錄聲波在井壁處反射波的能量，由於煤層反射係數小，聲波透過地層的能量多，而反射的能量少，因此電視圖像顏色深。

三、煤儲層孔滲特徵

煤層中氣體的貯存和流動機理、氣井的生產動態、儲層特性（孔隙度、滲透率）的變化等方面與常規儲氣層有明顯的區別，這些區別的產生都與煤層的孔隙特徵有關。

1. 煤儲層孔隙結構

煤儲層的孔隙結構類型屬裂縫—孔隙型結構，煤基質被天然裂縫（割理）網分隔成許多方塊，每個方塊中的煤基質由煤粒和微孔隙組成。基質是儲氣空間，甲烷被吸附在微孔的表面，但其滲透率很低，一般為（附2-～附2-）×附2-μm。在濃度差的作用下，甲烷透過基質擴散到裂縫中，裂縫在煤的總孔隙體積中占次要地位，儲氣功能很低，可有少量游離氣儲存其中，但裂縫的滲透率高，是甲烷滲流的主要通道。

煤中的天然裂縫，又稱割理是煤化作用和構造應力影響的結果。它通常發育成大致相互垂直的兩組，主要的、延伸較大的一組叫面割理，次要的、與面割理大致垂直的一組叫端割理。割理是煤中流體運移的主要通道，並且有方向性，因而它是控制煤層氣方向滲透的主要因素，割理間距是煤儲層模擬中的一個重要參數。

2. 煤的表面積

煤是一種多孔介質，其中含有大量的表面積（也稱內表面），下表是孔隙直徑與其表面積和容積的關係。由表分析，微孔和微微孔體積還不到總孔隙體積的55%，而其孔隙表面積卻占整個表面積的97%以上。通常用比表面積（即單位重量煤樣中所含有的孔隙內表面積）度量煤表面積的大小，煤的比表面積與煤的變質程度有關，用CO₂做吸附測量煤的表面積，低變質煤（長焰煤—氣煤）的比表面積為50～90m/g，中等變質煤（肥煤—瘦煤）為20～130m/g，高變質煤（貧煤-無煙煤）為90～190m/g。

煤的孔隙直徑與其表面積

孔隙類型	孔隙直徑，mm	孔隙表面積，%	孔隙體積，%
微微孔	<2×10×-	62.2	12.5
微孔	2×10×-～10×-	35.1	42.2
小孔	10×-～10×-	2.5	28.1
中孔	10×-～10×-	0.2	17.2

3. 煤的孔隙

測定煤的孔隙度目前有兩種方法，一種是用水測定，一種是用氦測定。這兩種方法所測量的孔隙度有較大的差別，前者一般小於後者1%～2%，這是由於氦分子的直徑小於水分子，因而能進入微小孔隙之中造成的。

煤的孔隙均以微細孔隙為主，較大孔隙發育較差。霍多斯提出煤的孔隙的分級標準：

超微孔和微孔：孔徑<10nm，為煤的吸附容積；

小孔（或過渡孔）：孔徑為10～100nm，為毛細管凝結和瓦斯擴張空間；

中孔：孔徑為100～1000nm，為煤緩慢的層流滲透空間；

大孔：孔徑>1000nm，為強烈的滲透空間。

煤的孔隙度一般不超過5%，最低者僅為0.8%。煤孔隙分布中微孔隙為38.76%～82.24%，且多在50%以上；小孔和中孔不超過10%，大孔為10%～44%。

煤的孔隙度分布與煤的鏡質反射率有關，長焰煤階段煤中微孔居多大孔較少，隨著變質程度加重，煤中微孔減少，而大孔明顯增多；在焦煤中，煤中微孔比例最少，肥煤和焦煤中大孔隙最多；從焦煤開始至瘦煤階段，煤中微孔隨變質程度的增加而增多，而大孔也漸趨減少。

低變質程度煤的孔隙最發育，中等變質程度的肥煤，焦煤孔隙發育最差；其後隨著煤化程度的增高孔隙又有增加的趨勢。

煤層厚度及沉積相分析

依據煤層三高三低的電性特徵，以曲線的半幅點作為劃分煤層的地層界面，確定煤層的厚度。用測井資料劃分煤層界面，確定煤層厚度是比較準確的。也有地質錄井的煤層與測井解釋的煤層數及厚度差別大的，這種情況大都發生在薄煤層，以及厚煤層中的泥質夾層，是因地質錄井的精度較低造成的，也有對煤層識別上的不同造成的，如測井解釋時根據電性來確定是碳質泥岩而不是煤層。

煤的形成和發育受著沉積環境的控制和影響，而沉積相是沉積環境的物質表現。詳細研究煤層賦存有大環境中各亞環境（沉積微相）與煤層厚度之間的關係，從而可根據成煤環境預測煤層厚度。在含煤岩系的沉積學研究中，地球物理測井資料顯示出特有的效能。

1 測井相—沉積相法

測井相分析的基本方法，就是從測井資料中選取一組最能反映沉積岩相特徵的測井參數物理量，並從中提取與岩相有關的幅值信息。首先套用數學處理方法將地層剖面劃分成若干個測井相，然後把這些測井相與基準孔中岩層、岩相等地質資料進行詳細對比，確定出每個測井相所對應的岩相類型及沉積特徵。以此來預測未取心孔的沉積特徵，繪製出各鑽孔的測井相——岩相圖及整個煤田區內的沉積相平面分布圖，用來進行煤層分布規律的預測。

2 測井相序—沉積相法

在沉積學中，相反映的是沉積時期的物理、化學以及生物條件；而相序表達的則是沉積時間和空間的變化。並且兩者有一定的相依關係。在測井曲線上相序的表征除幅值信息外，主要是相的組合關係，即相序：

測井曲線形態的主要特徵有：幅度；形狀（分為箱形、鐘形、漏斗形、對稱齒形及平直形五種）；接觸關係；次級形態（鋸齒個數、齒峰、齒谷數據大小、包絡線形態、齒中線形態等）。

測井相序分析方法就是把測井曲線（如γ曲線）形態特徵化，找出表征這些形態特徵的，用計算機處理的量化指標（如曲線均值、相對重心、相對變號個數、方差及二階導數等）。根據基準孔的岩相資料，確定出各種岩相對應的測井曲線形態特徵量化後的標準模式，通過Bayes判別分析，建立起測井相序解釋岩相的判別方程，並最終確定沉積相。

3 砂體分布、含砂率法

由於砂體的厚度可以反映出成煤前的古地理和成煤期沉積物的堆積與保存狀況，因而可以利用砂體厚度與煤厚的關係來預測煤層厚度的變化。

含砂率在一定程度上反映了沉積相。據以往研究及經驗表明含砂率與煤厚的關係密切。

煤層厚度變化趨勢圖，不是單憑見煤點厚度內插繪製的，也不是只憑單一的數學關係式繪製，而是考慮了在不同的沉積環境部位，不同的堆積、破壞條件后綜合繪製的，也就是計算機自動繪圖後按沉積環境變化加入人為修正。在修正後的厚度變化趨勢圖上，對後施工的鑽孔煤層厚度進行了預測。

利用測井資料研究沉積環境，據沉積相的變化規律，運用與煤層厚度關係密切的主砂體的變化趨勢及地層含砂率變化趨勢，確定煤層的厚度變化趨勢。在具備了一定的鑽孔網度後，預測煤層厚度精度就可以控制在1.0m以下。也就是說，利用測井相研究沉積相的變化，根據沉積相的變化分析煤層沉積和賦存的變化規律，可以更加合理地做出煤層厚度等值線圖，使計算出的儲量結果更準確。

煤田測井技術套用現狀

隨著測井方法和套用技術的不斷發展，測井可解決的地質問題越來越多，由初期只能解釋煤層發展到劃分全鑽孔岩性剖面、測定放射性礦層、含水層、地熱水、流量、岩石強度、岩層產狀、破碎帶、裂隙帶和溶洞位置，對岩層進行岩性分析、對煤層進行碳、灰、水百分含量分析並估算發熱量；由單孔解釋發展為利用多孔測井曲線對比，確定斷層位置，劃分含煤地層與上覆地層的界限，研究沉積環境和勘探區內煤層厚度變化趨勢等，為地質部門提供豐富可靠的實用性資料。

近十幾年來，隨著我國對煤層氣、“可燃冰層”的研究開發，採用新型數學模型估算煤儲層含氣量的測井解釋軟體已經研發成功，一些老專家為我國首次採用煤田測井方法解釋天然氣水合物儲集層技術研究獻計獻策，並為之做了大量艱苦、細緻的工作，取得了一些初步成果。測井成果的良好利用使得這種勘探方法已經成為進行煤田地質勘探必不可缺的手段。

測井技術的綜合套用能力雖得到全面提升，但在實際生產中，鑽孔環境對測井數據的影響一直困擾測井成果的準確性。被測量對象（地層）必須與標準對象（刻度裝置）具有相同或相近的儀器回響特徵、且符合線性疊加原理，這是進行數字測井信息套用分析的基礎，是測井信息地質套用的技術前提條件。野外測井採集的數據只有通過精確標定才可進行相應的數理分析並提供精準的地層信息，否則誤差將不可估量。當前，無論電性測井、聲波測井、核測井還是成像技術的套用、地層產狀分析等方法都不同程度存在受井下環境（諸如井徑、井內泥漿、目的層厚度及傾角等）影響的弊端。實際的測井環境條件與標準刻度條件不一致會不同程度導致解釋偏差，給生產帶來一定困難。加強測井資料處理中環境校正可在很大程度上減少或消除偏差，現階段測井數據處理中採用多次測量平均法、比值法、累積輻射處理、重疊技術等可有效改善測井信息的套用效果，我國煤田測井領域還應加強這方面的基礎研究。

有關部門應進一步加強測井隊伍的職業道德教育和技術管理，預防各自為戰、重視經濟效益忽視質量提高及造假的行為發生。面對當前快速發展的經濟大潮，尤其需要加強煤田測井技術管理，統一執行國家頒發的《煤炭地球物理測井規範》，完善煤田測井刻度裝置，建立完備的全國統一執行的設備刻度體制，以使各單位建立詳細的技術檔案，有關部門定期檢查、長期監督，規範我國煤田測井市場、淨化煤田測井隊伍。

機遇與挑戰

煤田測井技術的進步給當前煤田地質勘查提供了豐富的可用信息，同時，煤田測井工作也面臨著諸多機遇和挑戰。隨著煤田地質勘查行業的轉型和向新領域發展，亟待測井部門解決的地質問題越來越多，技術要求越來越高。為應對挑戰，測井工作應進一步加強基礎理論研究，開發套用新方法、新技術。

依據測井解釋成果確定鑽孔地質剖面，是煤田地質勘查行業轉變發展方式的途徑之一。針對當前數字測井技術的快速發展，我們提倡在地質、地球物理條件較好的作業區，在總結全區地層物性的基礎上，設計施工無芯鑽孔，依靠測井技術提供必需的地質資料，從而提高勘查效率，降低勘查成本。但這項系統工程的具體實施需

要由地質、鑽探、測井三方面緊密結合。當前，山東、遼寧、山西、青海的一些礦區和井田在這方面已經取得了成功經驗。

面對科技的快速發展和勘探市場化的需求，在今後的煤田測井中，大力發展新型測井方法已勢在必行。發展高端的測井方法、加快新技術的推廣套用是適應新形勢的要求，我們需要有諸如模擬測井向數位化測井跨越式邁進的大發展，尤其是核測井和超聲成像測井等具有潛能的核心技術需要全面推廣。

高分辨中子俘獲伽瑪能譜測井技術可在鑽孔內直接探測地層中的多種元素及其含量，為定量分析煤層與岩層提供了新手段，從根本上克服傳統測井方法依賴間接的物性反映值進行解釋而引起多解性的弊端。

成像測井技術作為第四代測井技術於20世紀90年代初正式商業套用於油氣田勘查，如今國內的煤田測井儀器製造商（如上海地學儀器研究所、重慶地質儀器廠、河北力時力拓等）已掌握適合煤田測井的孔內成像技術，並逐步研製出系列儀器套用於煤田測井生產中。成像測井能夠在井下大量採集豐富的地層信息，將孔壁的各種狀態真實地傳輸到地面電腦，並通過專用的圖像處理技術得到井壁二維圖像或井眼周圍某一探測範圍內的三維圖像。我們可以預測，隨著該項技術的進一步成熟，成像測井對未來煤田勘探與開發將起著十分重要的作用。

高分辨中子俘獲伽瑪能譜測井技術和孔內成像技術的逐步套用是我國煤田測井的主推方向和抓手。加快加速器放射源技術套用於核測井領域的步伐，進一步減小人員傷害，提高測井施工的安全係數也勢在必行。煤田測井儀器還應進一步向著系列化、高度組合化、模組化的方向發展，以適應未來勘查市場高效化、節約化、安全化的發展需求。

數據處理與解釋技術是煤田測井專業的核心技術，今後要進一步完善測井儀器刻度裝置，建立相應的刻度體制，研究煤層氣、頁岩氣和“可燃冰層”的解釋模型，完善資料解釋系統，建立煤田測井資料庫的工作首當重要。前些年有些省份組建的測井工作站也是一種發展模式。培養造就一批有開發服務技能和應變能力的複合型測井專業人才，提供優質成果，提高服務技能和市場競爭力。

隨著國家十三五規劃的發展實施，國家建設對煤炭能源的需求必定會進一步加大，且在今後較長一段時間不會有大的改觀。漫漫征程，充滿挑戰，形勢迫使我國煤田測井行業還要不懈努力，為國民經濟建設找到充沛的後備資源。