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第 45 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.6 2017 年 12 月 COAL GEOLOGY 2. Petrochina Coalbed Methane Company Limited, Beijing 100028, China Abstract Coal seam of Weibei block is damaged seriously by multi period tectonic movement and the coal structure is very complicated. Based on core samples and well logging data, this paper analyzed response characteristics of different coal structure and presented logging identification chart of different coal structure of No.5 coal seam in fault zone and non-fault zone. The results show that coal structure of No.5 coal seam tends to be complete from bottom to top. In plane view, the structure of coal in northern area is mainly frac- tured coal and coal particles. Coal structure of southern area is relatively complete and local is structure coal. According to fracturing and drainage data, and the development of No.5 coal seam roof, this paper makes studies on daily gas production of different roof perforation ratio. When the roof is sandstone or muddy sandstone, gas production of tectonic coal is higher than that of mudstone or sandy mudstone roof. The more crushing the coal structure, the higher the perforation ratio. If the roof of coal is sandstone or muddy sand- stone, roof perforated ratio can be higher. Keywords coal structure; logging uation; fracturing characteristic; perforation layer; Weibei block 不同煤体结构的储层因物性和岩石力学参数 不同，其改造难易程度和开发效果亦存在很大差 异[1]，因此，开展基于煤体结构的射孔选层方法 和储层改造工艺研究是提升煤层气开发效果的途 径之一。前人对于煤体结构的分类均反映煤体的 变形程度[2-4]。不同类型煤体结构煤岩由于自身性 质的差异，在测井曲线上具有不同的响应特征。 国内学者在利用常规测井资料识别煤体结构研究 方面已经取得一定的成果，在评价不同类型煤体 结构时，多采用电阻率、自然伽马、声波时差和 ChaoXing 第 6 期 李剑等 渭北区块煤体结构测井评价及其在射孔段优化中的应用 55 井径等测井曲线[5-11]。 渭北区块是我国中–高阶煤中煤层气开发较成 熟的区块之一。聚煤期之后，受印支期、燕山期和 喜马拉雅期构造运动的影响，区块煤层变形明显、 煤体结构复杂、构造煤类型多样，增加了煤储层改 造与气井排采的难度[12-13]，煤层气井的泵漏失和卡 泵现象在很大程度上均是由煤粉导致的。研究区探 井与开发井取心资料少，同时由于煤岩机械强度低， 取心率低，限制了利用岩心资料对煤体结构的研究， 而研究区测井资料非常丰富， 便于开展煤体结构的测 井评价研究。前期有学者利用测井资料电阻率、井 径、 自然伽马等对煤体结构进行了评价与研究[8-9,14]。 基于前人对研究区煤体结构的研究现状，以岩心与 测井资料为依托，通过分析 5 号煤层不同煤体结构 的响应特征，建立断裂带与非断裂带区域不同煤体 结构的测井参数识别图版，分析不同煤体结构煤岩 的压裂施工特征及排采效果，提出基于煤体结构及 顶板差异的射孔段优化方法，以期指导煤层气区块 的射孔选层。 1 区域地质概况 渭北区块位于鄂尔多斯盆地东南缘，北邻伊陕 斜坡，南邻渭河地堑系并与秦岭近 EW 向褶皱带相 接，西部与西缘褶皱带南缘末端及北祁连褶皱带相 接。整体为一西倾单斜，地层倾角一般 24，整体 构造特征表现为边浅部复杂，中深部简单。主要含 煤地层为太原组和山西组。 研究区北部和中部分别发育一条贯穿东西的 挤压型断裂带和拉张型断裂带， 这两条断裂规模相 对较大，横向延伸距离 10 km 以上，断层落差 60200 m。断裂带附近煤岩体构造变形强烈而复 杂，伴生多个不同级次断层，走向以 NE 向为主， 断距 10100 m。以中部断裂带为界，将研究区划 分为南北两区，北区整体为一鼻状隆起，南区构造 相对平缓图 1。 研究区古生代地层中主要煤层为太原组的 5 号 与 11 号煤层和山西组的 3 号煤层，其中 5 号与 11 号煤层厚度 3.05.0 m，分布稳定，是煤层气开发的 主力层位[15]。各煤层之间夹层主要为灰色泥岩、浅 灰色泥质砂岩、砂岩和灰色灰岩等。以含水介质为 依据，将含水地层由新到老划分为松散岩类、碎屑 岩类、 碎屑岩夹碳酸盐岩类及碳酸盐岩类含水岩组， 其中山西组砂岩裂隙含水层、 太原组灰岩–砂岩岩溶 裂隙含水层对煤层气开发有直接影响。但从排采砂 岩层的气井产水量来看，研究区砂岩层低含水，对 煤层气排采影响弱。 图 1 渭北区块 11 号煤层顶面构造图 Fig.1 Structure of the top of seam 11 in Weibei block 2 煤体结构评价 2.1 煤体结构划分 对渭北区块 22 口探井 192 块 5 号煤层岩心进行 宏观描述，将其煤体结构划分为原生结构煤、碎裂 煤和碎粒煤 3 类表 1。特别注意的是，研究区糜棱 煤所占比例极小，煤质松软，不利于煤层气的开发， 此次不进行研究。随着煤岩变形程度的增加，煤岩 结构整体性和割理发育变差，颗粒逐渐由块状→碎 块→碎粒→碎粉状。 表 1 不同煤体结构宏观描述标准 Table 1 Macro-description standard of different coal body structure 煤体结构 宏观描述 原生结构煤 柱状、短柱状。钢灰色，似金属光泽。煤岩成 分以暗煤为主，亮煤次之，半暗煤。煤体质轻、 性脆、 坚硬。 发育2组裂隙， 主裂隙12条/5 cm， 次裂隙24条/5 cm，可见黄铁矿充填。外生裂 隙发育且有方解石脉充填2 碎裂煤 主要为26 cm 厘米级块状，板状、饼状次之， 少量毫米级颗粒。钢灰色，似金属光泽，煤岩 成分以亮煤为主，含少量镜煤，总体裂隙较发 育，密度7条/cm，无矿物充填 碎粒煤 主要呈粉状，少量碎块。煤岩类型为暗煤–半 暗煤。煤体质轻、污手。割理无法观测 2.2 煤体结构判识图版 在对取心井煤体结构划分的基础上，选取 5 号 煤层不同煤体结构的测井响应特征进行分析，结果 表明井径CAL、自然伽马GR和电阻率LLD 对煤体结构响应较为显著，而自然电位SP、声波 时差AC、补偿中子CNL、补偿密度DEN响应不 ChaoXing 56 煤田地质与勘探 第 45 卷 明显。因此，优选出井径CAL、自然伽马GR和 电阻率LLD3 个测井参数，分断裂带与非断裂带建 立其与煤体结构之间的关系图 2。通过分析发现 a. 同一断裂带或非断裂带中，随着煤体变形程 度的增加，CAL 和 GR 值均增大。非断裂带内碎裂 煤与碎粒煤的 GR 值差别较小，需综合 LLD 值识别 煤体结构。 b. 断裂带与非断裂带相比， 原生结构煤的 CAL 值差异相对较小，而前者碎裂煤与碎粒煤的 GR 值 较后者更集中于高值区图 2a，图 2b。 c. 非断裂带煤体结构与 LLD 相关性明显图 2c。 随着煤岩变形程度的增加，煤岩电阻率逐渐降低。 原生结构煤岩 LLD 值约为碎粒煤的 1.25 倍或更大。 在断裂带区域，煤岩电阻率与煤体结构之间的关系 不甚明显，这可能与局部断裂为通天断裂，地表水 通过局部断裂带进入地层等因素有关。 基于上述特征与规律，按照断裂带与非断裂带 分别建立 5 号煤层煤体结构的测井识别图版，其中 断裂带区域利用 CAL 和 GR 2 个测井参数识别煤体 结构井图 2a， 非断裂带区域利用 CAL、 GR 和 LLD 3 个测井参数识别煤体结构图 2b，图 2c。根据图 版可知，随煤体破坏程度增加，CAL 逐渐增大扩径 程度主要受煤体硬度影响，LLD 逐渐减小仅表现 在非断裂带，与构造煤在地球物理测井曲线上的一 般特征一致[7-11]。由此建立了渭北区块 5 号煤层的 煤体结构测井划分标准表 2。 图 2 断裂带与非断裂带 5 号煤层煤体结构测井识别图版 Fig.2 Logging identification plates of coal structure of seam 5 in fault zone and none-fault zone 表2 渭北区块上古生界5号煤层煤体结构测井划分标准 Table 2 Classification criteria of Permian coal in Weibei block 区域 测井参数 原生结构煤碎裂煤 碎粒煤 GR/API 85.5 断裂带 CAL/cm 32.2 GR/API 70 CAL/cm 31.3 非断裂带 LLD/Ωm 2 600 2 1002 600 1000 碎裂煤 32 1823 否 1015 6001500 碎粒煤 77 2028 否 1520 85.5 API；非断 裂带内， 碎裂煤一般 CAL31 cm， GR70 API， LLD 2 100 Ω/m。利用测井解释图版得出，5 号煤层自下 而上煤体结构趋于完整；平面上，除南部局部井区 发育原生结构煤外，多为碎裂煤或碎粒煤，断裂带 附近以碎粒煤为主。 b. 为提高煤层气井产气量并减少煤粉的产出， 碎裂煤及碎粒煤的煤储层射孔，应考虑煤岩顶板发 育情况确定顶板的射开程度。顶板为砂岩或泥质砂 岩的最佳顶板射开比例为 0.50.7，顶板为泥岩或砂 质泥岩的最佳顶板射开比例为 0.350.45。 致谢本文得到了中石油煤层气有限责任公司 教授级高级工程师徐凤银和中国矿业大学北京邵 龙义教授的指导和帮助，在此表示感谢 参考文献 [1] 倪小明，苏现波，张小冬. 煤层气开发地质学[M]. 北京化 学工业出版社，2009. 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