數字測井估算巖、煤層力學性質參數在山陽井田勘探中的應用

（陜西省一三九煤田地質水文地質有限公司 陜西渭南714000）

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本文通過對山陽井田的聲速、密度測井資料解釋處理，應用CLog-ProV2.0數字測井處理軟件分析、研究，得出山陽井田的煤層頂底板巖石的物理力學性質參數，說明了應用聲速、密度測井資料可以確定煤層頂底板的巖石力學性質參數。

聲速、密度測井資料分析估算巖石力學性質

1 井田概況

澄合礦區山陽井田位于陜西省合陽縣東部，距合陽縣城5km，面積約43km2，地貌部位屬陜西省渭北東部黃土臺塬區，上部為第四系風積黃土（局部該層下分布有新近系紅粘土），中部為二疊系和石炭系碎屑巖夾煤層，含煤地層為石炭系太原組、二疊系山西組，可采煤層為4號、5號、6、10號，其主采煤層5號煤埋深388~616m，厚度分別為2.86m~9.89m，平均5.5 m。地質儲量約4億噸。

5號煤層：5號煤層位于山西組下部，K3標志層之上，層位穩定，全區分布，5號煤層埋藏深度在388.40(J8-2)-616.65(40-1)m，一般在500-550m左右。厚度從CH83鉆孔的2.86m到P17號鉆孔的9.89m，平均5.5m，下距6號煤層1.05～9.05m，一般4.70m。全井田發育且較穩定。厚度有一定變化但規律性明顯,總的趨勢是由淺部向深部變厚的趨勢。含矸1～2層，局部不含夾矸或含三層夾矸。僅在42-1有4層夾矸。夾矸厚度0.10(J1-1)-0.75m（J1-1）。煤層可采（有效厚度）厚度2.71m-9.87m,平均4.5m。

測井使用的儀器是車載psj-2數字測井儀成套設備，選用的測井方法參數包括，視電阻率電位(A0.1m)、密度(長、短源距伽瑪伽瑪（0.4,0.2）)、聲速測井、自然伽瑪、自然電位等參數。地球物理測井資料完整齊全。

2 利用測井資料評價煤巖層體強度參數方法

近20年來發展的聲波測井技術，對深層巖體的工程地質評價，有其獨特的優點。它不但簡便易行，快速經濟，而且測定結果真實，具有代表性。近年來數字測井和計算機技術的應用，更使其展現出廣闊的前景，對巖體的工程勘探設計和施工都具有十分重要的意義。

2.1 原理簡述

巖石聲學探測技術中所涉及的聲波是在固體介質中傳播的一種機械波。理論上波仔介質中的傳播速度；

式中：Vp-從波速度；Vs-橫波速度；μ-切變模量；ε-彈性模量。

聲波傳播速度只取決于介質本身的性質，即介質的彈性模量、剪切模量和密度。當介質均一時，其波速為常量。對于巖石來講，巖石的組分和結構決定著彈性波的巖石和結構面。因此，波在不同性質的巖石（巖體）中傳播將出現不同的速度和振動特性，這就是巖石（巖體）聲波測井的理論依據。

聲波測井的方法是通過探管發射器向巖體發射彈性波，接受器把經過巖體傳播一定距離后的彈性波再接收下來，獲得巖體彈性波的傳播時間及頻譜特征，經過一系列的計算，然后結合被測鉆孔巖體的地質特點對其進行工程地質評價。

2.2 巖石強度參數計算

常用的動態彈性參數一般有楊氏模量（E）、切變模量（μ）、體積模量（K）與泊松比（σ）。這些參數都可用測井數據按下列公式求出：

上述公式中巖石的密度值p用密度測井獲得；縱波時差△tp由聲速測井獲得；有時也可以利用縱波和橫波的一般經驗比值，估算橫波時差。據有關資料，在砂巖中橫波時差一般為縱波時差的1.73倍。

當沒有全波列測井時，可根據巖石的泥質含量估算巖石的泊松比σ：

σ=0.125Q+0.27

式中：Q為相對泥質含量，可由孔隙度測井和自然伽瑪測井得出：

式中：фs-聲波測井孔隙度

фD-密度測井孔隙度

Vsh，ф-自然伽瑪測井獲得巖石中泥質含量和有效孔隙度然后根據σ求E、K、μ:

這種估算泊松比的方法一般只適合用于沙泥巖地層。

在目前的測井解釋中，普遍應用強度指數R來估價巖體強度。

在煤田測井中，一般用R來估算煤層頂、底板的強度，它在數值上和巖芯樣品的抗壓強度不僅具有較好的相關性，而且數值也非常接近。在石油測井中R又稱產砂指數，它是衡量砂巖的強度參數。

有時也可以利用縱波和橫波的一般經驗比值，估算橫波時差。據有關資料，在砂巖中橫波時差一般為縱波時差的1.73倍。

在目前的測井解釋中，普遍應用強度指數R來估價巖體強度。

3 山陽井田地層巖石力學性質分析應用

山陽井田共進行了22個鉆孔的密度、聲速測井工作，對所施測有的聲速原始資料應用CLogProV2.0均進行了巖石力學性質參數的計算處理工作，確定巖石的物理力學性質所采取的各種參數方法、信息，主要是密度測井和聲波測井所獲取的原始數據。通過計算機處理、計算獲得巖石的強度指數、體積模量、切變模量、楊氏模量、泊松比等巖石力學性質資料的測井曲線和測井計算值，對所有的巖石力學性質參數進行了統計和分析，地層巖石力學性質匯總表見表1。這些數據資料是在原始自然狀態下獲得的，它是通過國內外大量實踐工作而總結的一套行之有效的計算公式，是比較接近原始巖石的力學性質，具有真實可靠性。

表1 西卓子井田測井計算巖（土）體物理力學性質參數匯總表

西卓子井田山西組、太原組含煤地層力學性質參數與測試資料比較，測井資料計算的參數值都比較高。文獻介紹，聲波、密度測井對巖石中的微小裂隙響應不靈敏，絕大部分地層都存在微小裂隙，因此而削弱的巖石強度無法估計，這樣計算出的巖石強度指數為其上限。也可以看出由于同一地區、同一組內巖石的礦物成分、膠結物、膠結程度，以及巖石的完整性、裂隙發育程度、層理等影響巖石強度的因素變化不大，所以巖石的強度主要取決于巖石的顆粒大小。粗粒砂巖的強度最大，泥巖的強度最小。所以利用測井資料計算巖石的力學性質參數客觀、準確、成果可靠，全面反映了巖石的力學性質，為以后的開發利用提供了可靠的科學依據。

4 山陽井田可采煤層頂底板巖石力學性質的分析

山陽井田共有3層可采煤層，煤層的頂板巖性一般為粉砂巖和細粒砂巖，個別有泥巖和中粒砂巖，底板巖性一般為泥巖和粉砂巖個別為粗粒砂巖。根據各種參數的數據與整個井田統計的各種巖石力學性質參數的數據相比較，可以清楚的看出，煤層頂板巖石的強度指數、體積模量、切變模量、楊氏模量等各種參數的數值都比較高，與其它同類巖石參考比較，推斷結論是：煤層頂板巖石比較致密，耐壓能力強，不易破碎。底板巖石多屬致密、堅硬、半堅硬不易破碎的層狀巖石。另外，我們把這些數據與本井田進行取芯分析，化驗資料比較基本吻合。這就充分說明：利用測井數據計算的巖石力學性質參數，客觀、準確可信度高，全面的反映了井田巖石的力學物理性質，為山陽井田以后的開發利用提供可靠的科學依據。

5 結束語

通過以上資料的分析研究和資料的綜合對比，說明密度、聲速測井對巖石力學性質的分析成果，能充分反映整個井田的煤層頂、底板巖石的力學特征。結合勘查鉆孔中取出的巖芯樣品的地質描述及實驗數據測試資料，可進行巖體的穩定性評估和工程地質評價。利用測井資料，既經濟，又系統，全面的提高了地質勘探工作的經濟效益，為礦井建設和煤礦開采提供準確、可靠的科學依據，具有重要的實用價值。

數字測井估算巖、煤層力學性質參數在山陽井田勘探中的應用

■曹志堅

P314[文獻碼]B

1000-405X（2016）-10-65-2