內蒙古烏蘭蓋盆地巴彥花組含煤地層的旋回地層學分析

歐莉華，伊海生，張 超，錢利軍

(1.成都理工大學工程技術學院，四川 樂山 614000;2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610059;3.中國海洋石油總公司深圳分公司，廣州 510240)

沉積地層不僅具有成層性，而且具有旋回性，表現在其巖性、結構、顏色等物理特征變化具有方向性和連續性[1-2]。測井曲線包合了豐富的地層信息，能敏感、連續地反映所測地層的成層性和旋回性特征。測井解釋的目的在于綜合利用各種技術手段，充分挖掘測井資料所包含的地層信息，建立測井數據向地質目標的映射關系，描述目的層的地質特征[2-7]。測井曲線具有等間距采樣的特點，數據序列連續，縱向分辨率高，能反映觀測地區的巖性特征和旋回性的變化，滿足時間序列頻譜分析的要求，因此可以作為檢測沉積旋回譜系，劃分沉積層序的重要資料，這克服了過去主要運用沉積旋回計數法和磁化率測量露頭連續的剖面，而在一般油氣田勘探區無巖心或巖心采收率低的探井中難以實現其地層旋回行研究的限制[4-5]。在常規測井曲線中，自然伽馬測井曲線能敏感地反映泥質含量的變化，有效記錄地層序列中沉積旋回和沉積環境的特點，因而在旋回地層研究中得到了廣泛的應用[1-2,4,8-10]。

隨著研究的不斷深入，從功率譜分析法、最大熵譜分析法到滑移窗頻譜分析技術，測井曲線頻譜分析的技術方法不斷更新，處理過程簡化而精準度不斷提升。伊海生[5]詳細闡述了自然伽馬測井曲線滑移窗頻譜分析在川西須家河組旋回性研究中的應用，證明了滑移窗頻譜分析在單井旋回層序分析和井間對比分析的可行性。本文將采用滑移窗頻譜分析技術，對內蒙古烏蘭蓋盆地下白堊統巴彥花組含煤地層進行頻譜分析，討論其旋回性特征。

1 區域地質背景

烏蘭蓋盆地位于內蒙古西烏珠穆沁旗與東烏珠穆沁旗之間，地理坐標大致為東經116°6′～119°30′和北緯44°45′～45°56′，面積約15 000 km2，呈北東向展布[11-12]，是中新生代發展起來的巨型隆起帶和巨型沉降帶的組成部分，表現為不同級別、不同規模的隆起和凹陷，如包爾果吉、阿拉達布斯、高力罕、白音華等沉積凹陷，發育了三間房、烏尼特、巴彥胡碩、巴旗北、白音華和高力罕等煤田，為晚中生代含煤盆地，含煤地層為下白堊統巴彥花組，其下與侏羅系巖漿巖呈角度不整合接觸，上與上白堊統浩沁組呈整合接觸，或與第三系呈不整合接觸關系。

巴彥花組沉積時期盆地以湖泊沉積環境為主，發育了沖積扇、辮狀河三角洲、湖泊、湖底扇、扇三角洲等沉積相類型[12]。盆地形成早起，在盆地邊緣發育了大面積的沖積扇，形成了底部的礫巖和砂巖沉積。隨著盆地水體逐漸加深，湖泊相沉積占主導，在濱湖亞相中沼澤微相發育，形成了較厚的煤層。之后盆地東南部邊界斷裂活動加劇，湖盆快速沉陷，在盆地南緣發育了扇三角洲沉積，盆地北部發育了大面積的辮狀河三角洲沉積，盆地內部則發育了湖底扇沉積。至盆地發展后期，構造活動又相對穩定，湖盆面積繼續擴大，形成了較厚的湖泊相砂泥巖沉積。烏蘭蓋盆地是一個重要的含煤盆地和成油盆地，盆地半深湖-深湖亞相和沼澤微相的暗色泥巖和炭質泥巖具有良好的生烴能力和油氣勘探潛力。

本文采用的測井數據來自高力罕煤田(圖1)。高力罕煤田位于烏蘭蓋盆地東部，是烏蘭蓋盆地內的一個大煤田，其下白堊統巴彥花組根據顏色、巖性特征，沉積相規律可劃分為4個巖性段。

1)1段為底部砂礫巖段(K1b1)，不整合于侏羅系之上，普遍發育，厚度從十余米至數百米，由洪積、沖積堆積形成的礫巖、砂巖組成。

2)2段為含煤巖段(K1b2)，普遍發育，但煤層厚度不一，巖性以灰色、深灰色、灰黑色泥巖、粉砂巖、細砂巖為主，局部夾薄層礫巖、炭質泥巖和煤層。

3)3段為雜色砂泥巖、礫巖段(K1b3)，普遍發育，主要巖性為灰色、灰綠色、深灰色泥巖、粉砂巖，夾薄層礫巖和細砂巖，沉積構造發育。

4)4段為砂泥巖段(K1b4)，主要由灰色、淺灰色、灰綠色泥巖、粉砂巖、細砂巖夾紫紅色泥巖薄層組成，研究區內很少鉆孔揭露[13]。巴彥花組之上為新近系上新統(N2)湖相紅色、紫紅色黏土、粉砂質黏土及砂礫石沉積層，與巴彥花組呈不整合接觸。

圖1 高力罕煤田zk2001、zk608、zk008鉆孔分布位置圖(據文獻[13]修改)

2 分析方法及結果

在測井曲線滑移窗頻譜分析中，通常選取上下變化幅度較一致的測井曲線，因為當變化幅度相差較大時，在變化幅度大的層段頻譜峰明顯，而變化幅度小的層段頻譜峰表現不明顯或無頻譜峰顯示。在這種情況下，可以采用5點滑動平均法，縮小變化幅度，再進行頻譜分析。

由于研究區多數鉆孔皆未鉆越巴彥花組底界，且多數鉆孔巴彥花組厚度較薄，本次研究選取高力罕煤田中3個下穿巴彥花組底界，巴彥花組地層較厚，曲線上下變化幅度較一致的鉆孔zk2001、zk608和zk008的自然伽馬測井數據進行頻譜分析，測點間距為0.125 m，單位為PA/kg。3個鉆孔中巴彥花組均只發育了K1b1～K1b3，未見巴彥花組4段。鉆孔zk2001深約908 m，其中巴彥花組進深為42.35～705.00 m。第2段進深117.2～680.0 m為含煤巖段，含煤層厚度大，層數較多。zk608深約639.80 m，其中巴彥花組進深為55～605.8 m，第2段進深171.6～487.4 m為含煤巖段，含煤4層，最大煤層厚度約3 m。zk008深約789.0 m，其中巴彥花組進深為31.1～573.70 m，第2段進深91.0～518.30m為含煤巖段，煤層厚度小，僅含一層不可采煤層。

數據處理過程如下：選取自然伽馬測井數據，提取峰值，重建一個新的數據序列，因為自然伽馬測井曲線的峰值一般對應泥巖層中點，相鄰兩個峰值點之間的距離即代表一個砂泥巖旋回的厚度，通過這一轉換將代表巖性變化的原始數據序列轉換為指示旋回變化的數據序列；滑動窗頻譜分析采用Analyseries軟件[14]，選用B-Tukey程序，Parzen窗口，窗口數量150，采樣間距取1 m，窗口大小取默認值，滑移窗頻譜分析結果如圖2所示。

在頻譜分析圖中3個鉆孔均可識別出6個旋回層序、5個旋回層序界面，從上至下標定為CB1—CB5，旋回波長在7.5～40 m之間變化，頻譜特征峰分布以多峰型組合樣式為主，即一個旋回層序內存在多種旋回樣式，說明地層中同時存在高頻和低頻節律。也可見平坦狀頻譜分布曲線，則說明地層中局部層段缺乏旋回性。由于頻譜分析的邊緣效應，3個鉆孔中巴彥花組的頂界面都沒顯示出來，但可以推斷其頂界面附近必存在1個旋回層序界面，可以命名為CB0。3個鉆孔中zk2001和zk608中的煤層發育在CB5-CB4旋回層序中，zk008中的煤層發育在CB4-CB3旋回層序中。在頻譜分析圖中，含煤旋回層序表現為多峰形式，從3個鉆孔的頻譜分析圖中可以看出，含煤旋回層序與其他旋回層序的最大區別在于含煤旋回層序中有一個波長在40 m左右的頻譜峰。

圖2 zk2001、zk608、zk008巴彥花組滑移窗頻譜分析對比

3 討論

1)頻譜分析圖中，旋回層序界面與地層界面并不重合，是因為地層分段通常以巖性的明顯差異為界線，而旋回頻譜峰的出現與否取決于砂-泥巖旋回厚度變化，這主要受沉積速率的控制。特征頻譜峰和頻譜峰譜系轉換面標志著沉積速率的突變面，既可能是侵蝕間斷面，也可能是低沉積速率的凝縮段出現的位置。旋回層序的旋回波長大，則表明單位時間內沉積厚度大，即沉積速率大。根據研究區沉積特征認為CB1和CB2為凝縮段位置，CB3和CB5為沉積速率轉換面，CB4則有不同的意義。根據3個鉆孔的沉積特征，認為zk608和zk2001鉆孔中CB4為沉積速率轉換面，而位于盆地邊緣的zk008鉆孔中CB4可能為一侵蝕面。

2)zk2001、zk608和zk008都識別出了6個旋回層序，表明頻譜分析在沉積盆地內井間側向旋回層序對比以及井間高分辨率層序地層的劃分方面有較好應用空間，可能比利用巖性差異對比劃分層序的精準度更高。對比3個鉆孔發現不同的鉆孔頻譜特征又存在一定差異，說明頻譜分析還能反映局部范圍的沉積變化特征。

3)zk2001頻譜分析圖中，CB4-CB3旋回頻譜峰不明顯，表現為平坦狀頻譜特征。研究發現在zk2001煤層之上不遠發育了厚度近百米的泥巖，泥質結構均一。推測因為泥巖巖性單一，砂泥巖旋回的周期極短，變化幅度小，所以在全井段頻譜圖中沒有出現頻譜峰?？梢赃x取某段測井數據進行放大掃描，得到放大的頻譜分析圖，并可識別出其中旋回波長更短的旋回界面。

4)對比3個鉆孔的旋回譜系特征可以發現，zk2001和zk608的頻譜峰較簡單、規則，旋回界面容易識別，而zk008的頻譜峰則較雜亂，峰值較多。從高力罕煤田鉆孔分布圖中可以看到，zk008位于沉積凹陷邊緣，盆地邊緣沉積作用復雜，還可能發生了剝蝕作用，導致沉積旋回不完整或缺失等，因而頻譜峰較多、較雜亂。zk2001和zk608位于沉積凹陷內部，其沉積則能完整地記錄盆地的旋回過程，所以頻譜峰較穩定、簡單，能有效地反映盆地旋回性特征。因此，如果要分析沉積盆地完整的旋回過程，盡量選擇沉積盆地內部的鉆孔。

5)巴彥花組為一套含煤地層，頻譜分析結果表明煤層的發育也具有旋回性，受旋回因素的控制，包含于整個沉積盆地的旋回過程中，是沉積盆地旋回的一部分。煤層發育層段以多峰型為特征，在zk2001和zk608鉆孔中主要有3個峰值，波長分別約為40 m、17 m和10 m，40 m波長是3口鉆井中最大波長的頻譜峰，說明成煤與更高的沉積速率有關。但就整個沉積盆地來說，要形成煤層需要一個相對穩定的沉積環境，沉積物堆積速度不能過高，以利于植被的生長和埋藏。綜合分析認為煤層的發育與整個盆地穩定的沉積速率有關，還與較高的植被生長埋藏速率有關，其沉積過程受氣候的控制。

6)觀察發現zk2001和zk608中煤層均發育在CB5-CB4層序中，而ZK008中煤層發育在CB4-CB3層序中。這可能與沉積盆地水體的加深有關，zk2001和zk608相對更靠近盆地內部，因而在沉積盆地形成早期并發生了沼澤化，形成了煤層。隨著水體的加深，zk2001和zk608所在位置逐漸發展為淺湖、半深湖沉積環境，而zk008所在位置發生沼澤化，形成煤層，但由于成煤條件較差，所以煤層發育不佳。

4 結束語

對于沉積速率轉換面和侵蝕面，這些界面主要表現為峰型的轉換、峰強弱的不同上。自然伽馬測井曲線能有效記錄地層的沉積旋回和沉積環境特點，敏感地反映沉積速率的變化，利用滑移窗頻譜分析能很好地識別出這些變化的位置。無論是單井的沉積旋回分析還是井間旋回對比都表現良好。

煤層的發育受控于整個沉積盆地的旋回中，煤層發育層段表現為頻譜峰值穩定，以多峰形態為主，反映煤層的形成除了與沉積盆地中長周期穩定的沉積速率有關外，還與短周期較高速率的植物生長埋藏有關。盆地中不同位置可能成煤時間有所差別，通過井間旋回層序對比可以識別出不同的成煤期。