井震聯合煤系沉積微相及其演化特征預測

孟凡興 曹路通 潘永學

(1.山西省第三地質工程勘察院，山西省晉中市，030600； 2.中國地質大學(北京)，北京市海淀區，100083； 3.山西山地物探技術有限公司，山西省晉中市，030600)

構造沉降控制盆地物質聚集、分布規律及沉積特征，盆地類型及沉積特征控制沉積體系與沉積相展布，沉積相帶可以指示儲層發育規模及物性等特征，即構造控盆、盆地控相、相控儲層。通過沉積相的研究，可以間接揭示儲層沉積時期的環境、巖性成因及其組合的分布，使得研究人員對儲層認識更加深入，因此，沉積相研究在油氣及煤田勘探中處于非常重要的位置。而聚煤期沉積環境又影響著煤層乃至煤層形成前后巖性及其孔滲特征的變化，因此針對煤系沉積微相及其演化特征進行研究具有重要意義。

研究區位于鄂爾多斯盆地東緣，河東煤田中部，屬于高瓦斯分布區，煤層氣資源賦存和開發潛力巨大，區內煤層存在被后期河道沖刷現象，因此開展聚煤前后沉積相的研究是十分必要的。而傳統的基于地質和鉆測井數據的沉積相分析方法劃分的沉積相帶在空間分辨率上來說尚難以滿足煤炭及煤層氣勘探開發的需求，且含煤巖系薄互層現象明顯，橫向相變快，進一步增加了研究難度，這對煤系沉積相的精準預測提出了較大的挑戰。

地震資料可以提供高分辨率橫向采樣數據和豐富的地下信息，其地震記錄可以間接地反映出地質記錄的原始沉積環境；而測井資料擁有較高的縱向分辨率，可劃分出準層序甚至更小的級別，因此二者聯合起來在統一尺度下進行沉積研究具有巨大優勢。本文以鄂爾多斯盆地東緣沙曲地區山西組3+4#煤層為例，運用井震聯合的方式，借助研究區高精度三維地震資料，以地質統計學和平面插值算法為工具，以砂地比信息作為沉積微相的表征參數，基于層序內砂地比參數利用地層切片提取及優選敏感屬性，以多元逐步回歸分析法進行屬性擬合，以井點微相及巖性信息與砂地比統計關系作為控制進行標定，建立敏感屬性與巖性、沉積微相的對應關系，實現聚煤前后沉積微相的精細刻畫。

1 研究區概況

研究區位于鄂爾多斯盆地東緣，晉西褶曲帶中部地區，鄂爾多斯盆地為中生代陸相盆地，石炭二疊紀地層沉積期間為華北盆地的一部分，在早二疊世山西組沉積時期，整個華北盆地區域性海退的背景下，淺水河流三角洲沉積體系廣泛發育。研究區為一緩傾斜的單斜構造，地層走向自北向南由南北向漸變為北西向，傾向由西漸變為南西，地層傾角平緩，一般為3°～7°，地表傾角為3°～15°，局部地段受小褶曲及斷層影響可達18°～23°。區內以寬緩的小型褶曲構造為主，斷層稀少且延伸短、斷距小。煤層埋深變化較大，總體呈現東淺西深的變化趨勢。

山西組中下部3#煤層一般與4#煤層合并，稱為3+4#煤層，平均厚4.1 m，結構簡單，為穩定的全區可采煤層，其頂板多為中—細砂巖、砂質泥巖、泥巖，底板多為砂質泥巖和碎屑巖。由于煤層與圍巖之間的波阻抗差異顯著，可形成能量強、波形突出、連續性好、易辨認的以4#煤層為主的煤層復合反射波，是本區煤系地層的主要反射波，更是井震聯合進行沉積研究的主要依據。

2 含煤巖系層序地層格架的建立

層序界面、層序結構及沉積體系展布是層序地層研究的3個重要內容。其中對層序界面的精確識別是層序劃分的前提條件，因此也是最重要的。層序地層劃分的關鍵是通過地震數據、野外露頭及測井資料來識別和劃分各級別層序界面，進而建立三維等時地層格架。根據本次研究并結合前人研究成果,認為鄂爾多斯盆地東緣地區石炭二疊含煤巖系層序界面類型有區域不整合面、正常海退形成的沖刷面、海侵方向轉換面和河流下切谷侵蝕面。利用研究區的測井/鉆孔巖芯資料對山西組進行層序界面的識別與劃分，以山西組底部的K3砂巖(北岔溝砂巖)，頂部的K4砂巖(駱駝脖子砂巖)及3+4#煤層頂板為界面，將山西組劃分為兩個中期基準面旋回和若干個短期基準面旋回，其中兩個中期基準面旋回對應于山西組下段S1和山西組上段S2。并依據測井曲線、鉆孔巖芯及區域古地理背景對研究區內的單井進行了測井沉積微相解釋，如圖1所示。

井震聯合對研究區山西組進行精細構造解釋，解釋了山西組頂底P1X、P1S和3+4#煤層3個層位，其中山西組的頂部P1X層位以K4砂巖為標志層，底部P1S層位以K3砂巖為標志層，這兩套砂巖均為海退背景下的河流下切谷侵蝕充填的結果，可作為區域性標志層序界面，具有一定的時間—地層意義，且在地震剖面上表現為中高頻，全區穩定可連續追蹤，同相軸產狀也比較穩定。而煤層一般在盆地演化某一階段后期形成，因此常將煤層作為這一演化階段的結束，且以4#煤層為主的煤層復合反射波，是本區煤系地層的主要反射波，因此這些層位都可以作為等時地層格架的參考標志層。通過井震聯合標定發現只有中期基準面旋回可以在地震剖面上穩定追蹤，且全區可見，受地震分辨率限制，短期基準面旋回在地震剖面上界面不明顯，無法穩定追蹤，為了在井震統一的尺度下進行聚煤前后沉積的研究，將中期基準面旋回作為本次研究的基礎單元，建立等時地層格架，如圖2所示。

圖1 FL-EP1井沉積微相解釋

圖2 井震聯合等時地層格架的建立

3 基于地層切片的地震屬性提取及組合優選

應用地層切片提取地震屬性，建立地震屬性與區域巖性和沉積相的定性或定量關系，將地震屬性轉化為地質信息，可在沉積學理論的指導下獲得精細的沉積展布信息。

3.1 地震屬性的提取

通常而言地震屬性都是固定時窗內的地震反射參數，因此提取地震屬性要求一定的提取時窗。而地層切片本質上是一種變時窗的屬性分析技術，比較適合于頂底時間難以確定的薄層。基于地層切片提取不同的地震屬性，形成屬性切片體，其代表了相應地質時間內所反映的地震響應特征。通過選取不同時間內具有代表性的屬性進行分析比較可以間接揭示該區域在相應地質年代的沉積特征及其演化情況。這里以中期基準面旋回為研究單元，對研究單元進行地層切片，然后挑選出最能代表相應旋回沉積時期的切片進行敏感地震屬性的提取。結合專家經驗法提取了振幅類、復地震道統計類、頻(能)譜統計類、層序、相關統計類屬性共計16種能夠反映砂體、巖性邊界、含油氣特征的敏感地震屬性。

3.2 地震屬性的優選

任何一種地震屬性都具有特殊性和針對性，每種屬性都只是儲層一個或幾個特征參數的地球物理響應，并不能全方位的反映儲層特征，只適用于某一特征的預測。因此充分運用地震資料良好的橫向連續性特點，優選出與目的層段特征相關的敏感屬性組合，才能更加精細地刻畫目的層段平面特征提高預測精度。

為了找到能夠較好地反映目的層段沉積特征，又能夠相互獨立的地震屬性組合，首先基于層序內沉積微相的表征參數砂地比與井點屬性值的相關關系進行屬性初選，而后通過屬性間相關分析，選擇相關系數較高，且平面形態更加符合沉積相展布的地震屬性作為沉積研究的最優組合。由于不同地震屬性其量綱及數量級不同，缺乏相對的可比性,因此將地震屬性進行極差標準化，使得不同種類的屬性數值轉化到[0,1]的統一尺度下進行研究。本文首先利用交匯分析法建立層序內井點砂地比與地震屬性的相關關系，如圖3所示，再利用聚類分析法通過分析屬性間的相關系數階，剔除相關系數較大的屬性，進而保證各屬性的相對獨立性及算法穩定性，最終優選出聚煤前后的最佳屬性組合。其中3+4#煤層聚煤前的最優屬性組合為平均反射強度和最大波峰屬性，如圖4所示，聚煤后最優屬性組合為弧長和最大波谷屬性，如圖5所示。將這兩組屬性作為進行聚煤前后不同層序內進行沉積研究的最優屬性組合。

圖3 不同層序單元內地震屬性與砂地比相關性分析

圖4 聚煤前優選敏感屬性組合

圖5 聚煤后優選敏感屬性組合

4 聚煤前后沉積微相精細刻畫及其演化分析

4.1 敏感屬性的擬合及標定

將優選的屬性組合作為自變量進行多元逐步線性回歸分析，建立屬性組合與相應層序單元內沉積相表征參數砂地比的擬合關系，生成擬合屬性圖。利用層序內單井巖性及沉積微相劃分情況進行標定，賦予其地質沉積意義，進而轉化為沉積微相的平面展布圖。聚煤前沉積階段由優選的平均反射強度和最大波峰振幅屬性擬合而成的屬性圖和聚煤后沉積階段由優選的弧長屬性和最大波谷振幅屬性擬合而成的屬性圖見圖6。復數道統計類的平均反射強度屬性可突出振幅異常，可用于識別三角洲河道、洪積扇等地質現象；振幅類的最大波峰、波谷振幅屬性適合繪制層序內或沿特定反射體上的振幅異常圖，在地層巖性相變分析及薄砂層厚度計算方面等具有優勢；頻譜統計類的弧長屬性可用于砂泥巖和砂巖地層的含砂量分析以及層序地層分析。因此這些擬合屬性也能很好地反映地層巖性、含砂量、沉積及河道邊界等信息，為利用井資料對其進行標定提供堅實的基礎。通過利用單井相應層序內巖性及微相劃分情況對聚煤前擬合屬性的標定，發現紅色高值區域代表水下分流河道沉積微相，黃色及淺綠色區域代表水下天然堤沉積微相，青色及藍色區域代表泥質含量較高的分流間灣及泥炭沼澤沉積微相。通過對聚煤后擬合屬性進行標定，發現紅色、橙色高值區域為高含砂量的陸上分流河道沉積微相， 黃色、淺綠色區域代表陸上天然堤沉積微相，青色及藍色等低值區域代表多泥質沉積的泛濫平原、泥炭沼澤微相。

圖6 聚煤前后屬性擬合圖

4.2 沉積微相的精細刻畫及演化分析

在區域古地理背景、沉積模式、物源方向、單井相及地震資料研究的基礎上，以聚煤前后中期基準面旋回作為井震聯合研究的基本單元，在沉積學及現代沉積模式的指導下，通過井震聯合方式，充分運用地震資料較高的橫向分辨率對優選敏感屬性進行擬合，結合測井的高縱向分辨率，利用單井巖性及沉積微相解釋結果進行標定，建立了地震屬性與沉積相、巖性之間的對應關系，賦予其地質意義，實現了對不同相帶、巖性空間展布特征的精細刻畫，如圖7所示。

研究區山西組沉積時期為陸表海古地理背景下的河控三角洲沉積體系，該沉積體系以匯水中心普遍較淺、三角洲平原和間灣發育，而三角洲前緣和前三角洲不發育為特征。該時期受北部興蒙海槽持續向南俯沖、消減的影響，北部伊盟隆起及物源區顯著隆升，海水逐步向南退出。聚煤前山西組下段沉積時期研究區主要發育深灰、灰黑色泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、中—細粒砂巖和若干煤層，含植物碎屑化石，具脈狀層理、波狀層理，為下三角洲平原沉積環境，物源從研究區東北部、西北部進入區內，水動力條件較弱，一般為細粒沉積。研究區北部和西部發育水下分流河道，東南部存在區外的延伸河道，河道主要發育灰色、灰黑色中厚層的中—細粒砂巖、粉砂巖，以細粒石英砂巖為主，具波狀層理，粒度較細，河道較窄，支流不甚發育，整體向南東方向展布，能量較弱。水下分流河道兩側多發育水下天然堤微相，主要以深灰色粉砂巖、細粒砂巖及砂質泥巖為主，厚度較小，但其延伸距離較遠。在研究區中部及西北部地區主要發育泥質沉積的分流間灣、泥炭沼澤微相，以黑色—灰黑色泥巖、砂質泥巖、碳質泥巖和粉砂巖為主，含豐富的植物根部化石，均勻層理，具有長期覆水沉積特征。聚煤后山西組上段沉積時期，隨著海退的持續發生，三角洲平原的進積作用不斷加強，研究區的沉積環境逐漸轉變為了上三角洲平原沉積，水動力能量增強，徑流量增大，河道攜帶能力也在提高，使得區內砂質沉積增多。在此背景下，由圖7可以看出，聚煤前發育在研究區北部和西部的分流河道在聚煤后其寬度和展布范圍有了明顯的擴展，且東南部的區外延伸河道其范圍也有顯著增大。此時期河道沉積以灰白色—灰色中粗粒砂巖、淺灰色細粒石英砂巖及粉砂巖為主，粒度及顏色也有明顯的變化，局部中粗粒砂巖底部有沖刷痕跡，河道支流比較發育。分流河道兩側的天然堤微相以淺灰色的細粒石英砂巖和粉砂巖為主，厚度較聚煤前有了提升，但其延伸范圍距河道不遠。進入上三角洲平原沉積時期，聚煤前的分流間灣由于持續水退演變為了泛濫平原，主要以灰黑色的泥巖、砂質泥巖、粉砂巖為主，含少量的植物根部化石，局部地區發育泥巖沼澤微相。

圖7 聚煤前后沉積微相平面展布圖

研究區山西組沉積時期伴隨著由北西向東南的逐漸水退，區內沉積環境從下三角洲平原沉積過渡到上三角洲平原，構造活動微弱，沉積較為穩定，地層厚度變化較小，呈現出一種漸變的演化過程。研究區聚煤前后沉積微相表現為由三角洲平原的水下分流河道微相水下天然堤微相水下分流間灣微相泥炭沼澤微相陸上分流河道微相陸上天然堤微相泛濫平原、泥炭沼澤微相的演化規律。從圖7聚煤前后相帶展布特征可以看出聚煤前后研究區河道形態大體一致，局部差異明顯，聚煤前分流河道較窄，延伸有限，支流較少，整體呈現北西—南東流向，分流間灣、沼澤大量發育，粒度以細粒為主，顏色以深灰—灰黑色為主，泥質沉積大量發育，為廣闊的覆水環境，河流能量弱，為泥炭的發育聚集提供了廣闊的平臺和有利的保存條件，在這種情況下沉積了較厚的5#煤層及全區穩定可采的3+4#煤層。聚煤后在海退的大背景下三角洲進積作用不斷加強，使得區內分流河道廣泛發育，河道加寬，能量增強，粒度變粗，支流增多，河道進一步延伸，成為研究區內的主要微相，砂質沉積顏色也由聚煤前的深灰—灰黑色演變為了淺灰—灰白色，砂質沉積的增多使得泛濫平原及泥炭沼澤展布范圍較聚煤前有了較大的壓縮，對泥炭聚集較為不利，使得此后沉積的2#煤層平均厚度不足1 m。隨著持續的海退，三角洲向東南進積作用不斷加劇，至山西組沉積結束，進入下石盒子組沉積時期，研究區開始發育陸相河流沉積體系。

5 結論

(1)研究區山西組可以劃分為兩個中期基準面旋回和若干短期基準面旋回，而中期基準面旋回是井震統一尺度進行沉積研究的基礎。

(2)以沉積微相的表征參數砂地比作為地震屬性優選的依據，基于聚類分析法確定了平均反射強度和最大波峰屬性為聚煤前最優屬性組合，弧長和最大波谷屬性為聚煤后最優屬性組合。

(3)山西組3+4#煤層聚煤前后呈現出由下三角洲平原到上三角洲平原沉積環境的過渡，識別了分流河道、天然堤、分流間灣、泛濫平原、泥炭沼澤等微相，并對不同時期的巖性邊界及其空間展布特征有了清晰的認識，為后期的煤炭及煤層氣勘探開發提供沉積學依據。

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