基于測井數據的沁水盆地南部古地理沉積環境恢復與特征分析

陳 國 旭，阮 寅 芝，李 蕊 蕊，劉 盛 東，李 忠 城

(1.合肥工業大學資源與環境工程學院，安徽 合肥 230009；2.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008；3.中聯煤層氣有限責任公司，北京 100113)

0 引言

聚煤盆地古地理沉積環境對于煤層聚集、煤厚發育以及煤儲層物性特征分布具有重要影響，長期以來，古地理沉積環境的恢復研究多停留在專家知識約束下的二維平面定性表達，依據的勘探數據主要源于較少的巖心取樣或錄井資料，難以實現三維空間上的精細描述[1-4]。地球物理測井是煤層氣資源勘探的重要方法，其信息采集涵蓋巖層的電化學、導電、聲學、放射等諸多地球物理特性，測井曲線對于不同巖性具有多維響應特征，垂向空間分辨率也較高[5]。因此，利用具有多維空間屬性特征的測井曲線反演古地理沉積時期的巖層及其組合，對于定量恢復聚煤盆地的成煤環境具有重要意義[6]。

沁水盆地南部煤層氣資源豐富，是我國煤層氣開發的重要區域。前人通過地質調查等對該地區石炭—二疊系含煤地層進行了不同程度的古地理沉積環境研究，發現該時期為海陸過渡階段形成的聚煤沉積環境。近年來，一些學者嘗試借助常規測井曲線并結合鉆井、錄井等數據對該地區進行煤巖層序劃分和沉積環境識別，但多基于二維視角且利用的測井資料較少，表達方式和精度仍存在優化空間[7-10]。測井數據具有典型的GIS空間數據特征，利用三維GIS技術對聚煤盆地古地理沉積環境進行三維定量恢復，對于煤層氣資源三維空間精細化勘探與開發具有重要作用[11-14]。因此，本文以位于沁水盆地南部的柿莊南區塊為研究區，在簡要闡述該地區古地理沉積背景的基礎上，探索基于測井數據的聚煤盆地古地理沉積環境三維空間恢復方法，并對其空間特征進行分析。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

柿莊南區塊隸屬于山西省沁水縣和高平市，面積為388 km2。該區塊是我國最早進行煤層氣資源勘探與開發的試驗區塊之一，積累了豐富的煤層氣勘探與開發資料，區內有1 300余口鉆井且東部密集、西部稀疏(圖1)。柿莊南區塊地質構造簡單，地層較平緩，石炭—二疊系地層保存較完整，自下而上主要發育有本溪組、太原組、山西組及下石盒子組4層[15]。該區塊煤層氣開發主力煤層為3#煤層，蘊含于二疊系山西組，組內巖性主要由砂巖、泥巖、砂泥巖混合物及煤層組成，地層厚度介于30～85 m之間，平均厚度66.05 m，頂部與上覆地層整合接觸，底部為K7砂巖標志層，為海陸過渡的三角洲平原沉積體系。

圖1 柿莊南區塊地理位置Fig.1 Location of Shizhuangnan Block

1.2 研究方法

本文研究方法實現流程(圖2)為：1)巖性識別與巖層劃分。利用K-means空間聚類方法對研究區煤系地層測井曲線巖性響應特征進行樣本訓練，以定量識別單井巖性并劃分巖層。2)地層沉積環境定量恢復。依據巖層劃分成果，結合測井曲線形態特征指示的沉積環境，綜合厘定單井沉積序列及其古地理沉積環境特征。3)古地理沉積環境三維特征分析。基于單井沉積序列劃分成果，運用Delaunay三角剖分技術形成覆蓋全區的連井剖面精細控制網，從縱、橫、斜各方向厘定沉積序列井間空間連接關系，構建沉積環境演化三維可視化模型。該方法不僅可為聚煤盆地古地理沉積環境三維空間恢復提供技術支持，所構建的模型也可為該地區煤層氣資源的精細化勘探和開發提供可靠的地質依據。

圖2 基于測井數據的三維古地理沉積環境恢復流程Fig.2 Restoration process of 3D paleogeographic sedimentary environment based on logging data

2 結果分析

2.1 基于測井數據的巖性識別與巖層劃分

巖性及其組合能綜合反映聚煤盆地煤系地層的沉積演化特征，基于測井曲線識別地層巖性并劃分巖層是古地理沉積環境恢復的首要工作[16]。K-means空間聚類算法不需要預先設定各類巖性的測井曲線響應中心，只需確定目標層巖性種類即可求取巖性特征響應域[17-20]。柿莊南區塊主要發育砂巖、泥巖、煤等8類巖性，K-means空間聚類算法適用于該地區巖性識別。

2.1.1 地層巖性敏感測井曲線優選 以研究區地質編錄較齊全的參數井作為樣本進行訓練，將反映不同地球物理特性的測井曲線數據標準化后進行單因素方差分析，發現補償密度(DEN)和自然伽馬(GR)兩條測井曲線對區內各類巖性的聚類結果具有顯著影響(表1)，故選取DEN和GR兩條測井曲線進行K-means空間聚類分析。

表1 DEN和GR曲線單因素方差分析結果Table 1 Results of one-way ANOVA of DEN and GR curves

2.1.2 測井曲線巖性響應特征提取 本研究利用K-means空間聚類算法對測井曲線數據循環迭代，將訓練結果與原始樣本的巖心取樣和測井記錄進行比對和回判，以確定各類巖性的聚類中心。從DEN、GR測井曲線樣本數據聚類結果(圖3)可知，研究區8類巖石空間分異特征明顯。依據測井曲線數據集與各類巖性的響應關系，求取測井曲線對各類巖石的幅值響應范圍(表2)，進而依據測井曲線巖性特征響應域對各鉆井巖性進行識別。

圖3 測井曲線樣本數據聚類結果Fig.3 Clustering results of logging sample data

表2 各類巖石與測井曲線的幅值響應范圍Table 2 The amplitude response range of various lithologies and logging curves

2.1.3 基于層序格架的巖層劃分 巖層層序格架是測井曲線巖層劃分的基礎，也是厘定古地理沉積環境的依據[21]。依據柿莊南區塊參數井地質編錄資料，結合測井曲線巖性響應的域值范圍及形態特征，對參數井進行巖性識別和巖層劃分；經井間統計和對比分析，確立山西組地層的巖層層序格架(圖4)作為全區測井曲線識別巖性和劃分巖層的基礎，進而依據巖層及其組合揭示其古地理沉積環境特征。

圖4 基于測井曲線數據的二疊系山西組巖層層序劃分結果(SZ-01井)Fig.4 Division results of strata sequence of Permian Shanxi Formation based on logging data(well SZ-01)

2.2 地層沉積環境定量恢復

基于巖層沉積環境特征，結合區內沉積微相及其耦合的測井曲線幾何形態，即可實現單井沉積微相的識別，進而揭示該井的沉積演化特征。

2.2.1 巖層沉積環境特征分析 由圖4可知，山西組底部主要沉積細砂巖，該巖層測井曲線的特征為高DEN、低GR值；其上部沉積有中砂巖，加之廣泛沉積的泥巖及砂泥混合物，這些沉積組合為3#煤層的發育提供了良好的古地理沉積環境。3#煤層厚度大且煤質較好，是山西組地層的重要標志，其測井曲線特征為DEN值和GR值均較低且呈箱形結構。山西組地層中部水動力條件較強，發育有反粒序沉積的砂巖，測井曲線GR值較高且呈箱形和指形結構；中上部廣泛沉積泥巖和細砂泥混合物，該階段發育有2#煤層，但由于水體的逐漸后退和陸相作用的加強，煤層大部分呈尖滅狀態，僅有少量賦存，測井曲線特征表現為鐘形或指形結構。山西組沉積后期，由于河流動力作用的加強且攜帶大量泥沙，細砂巖逐漸沉積，進入下石盒子組沉積時期，該階段測井曲線的GR值自下而上逐漸升高，呈齒化箱形結構。

2.2.2 沉積微相及其測井曲線形態特征分析 結合前人研究成果和測井數據分析可知，山西組地層為海陸過渡的三角洲平原沉積體系，主要發育有分流河道、天然堤、決口扇、分流間灣和泥炭沼澤5種沉積微相[22,23]。經參數井樣本數據分析，挖掘出各沉積微相與測井曲線幾何形態的耦合關系(表3)，具體特征為：1)分流河道以中砂、細砂、粉砂等砂質沉積為主，泥質極少，層序逐漸變細，為山西組三角洲平原沉積環境的主體，測井曲線主要表現為中高幅微齒的箱形和鐘形幾何特征。2)天然堤的沉積粒度較細，以粉砂沉積為主，主要形成于山西組沉積初期，分布在分流河道兩旁；由于河水沖刷較難保存，僅有少量沉積，測井曲線受砂質沉積影響主要表現為低幅的指形或微齒形結構。3)決口扇由以細砂巖和粉砂巖為代表的砂質沉積物組成，粒度介于分流河道和天然堤之間，測井曲線常表現為中低幅的扁鐘形結構。4)分流間灣常與海相連，孕育厚煤帶，是區內分布最廣泛的沉積微相，以砂質泥巖、泥質砂巖、泥巖等粘土質沉積為主，其間也有少量的細砂質沉積，測井曲線常表現為中低幅的平直形和微齒形幾何特征。5)泥炭沼澤沉積環境水動力條件微弱，植物繁茂，主要有暗色有機質泥巖或煤在此沉積，區內發育3#主力煤層，煤層分布廣泛且厚度均勻，該沉積測井曲線的響應特征明顯，DEN值較低，GR值也低于100，主要表現為高幅的箱形和鐘形結構。

表3 沉積微相與測井曲線形態特征的耦合關系Table 3 Coupling relationship between sedimentary microfacies and logging curve shape

2.2.3 地層沉積微相識別及沉積環境演化特征分析 依據研究區古地理沉積背景及建立的巖層沉積格架，結合測井曲線幾何形態特征進一步識別各沉積微相單元，進而構建單井沉積環境剖面序列(圖5)，揭示地層古地理沉積環境演化特征。由圖5可知，山西組地層沉積初期，海平面下降，主要發育以砂巖沉積為主體的分流河道，上覆天然堤；隨著沉積環境逐步穩定，分流間灣沉積微相大面積發育，細粒度的泥巖和砂泥混合物廣泛沉積，泥炭沼澤沉積環境為厚煤層的發育和煤層氣的富集提供了良好條件；接著，三角洲進入建設階段，分流河道帶來的大量砂質沉積形成決口扇，由于地形起伏和不穩定的水動力條件，該時期決口扇發育不連續；隨著陸相作用不斷加強，煤層的發育環境遭到破壞，該時期泥炭沼澤沉積環境較弱，發育的2#煤層厚度較薄甚至缺失；而后，砂體沉積厚度逐漸增大，大面積發育分流河道，進入下石盒子組地層沉積階段，表現為上三角洲平原和沖積平原沉積環境。

圖5 基于測井曲線數據的二疊系山西組沉積微相識別及沉積環境演化特征分析(SZ-02井)Fig.5 Identification of sedimentary microfacies units and sedimentary environment evolution characteristics of Permian Shanxi Formation based on logging data(Well SZ-02)

2.3 古地理沉積環境三維特征分析

綜合1 300余口煤層氣井的鉆井、測井及分層數據，并依據井間沉積剖面的三維空間連接關系，通過空間插值形成空間上連續的沉積層序DEM，最終通過三維建模技術建立柿莊南區塊山西組煤系地層三維沉積環境模型；砂巖、泥巖、煤等在三維空間中的交替沉積形成了分流河道、分流間灣、天然堤、決口扇等沉積微相(圖6)。

圖6 柿莊南區塊山西組地層三維沉積環境模型Fig.6 3D visualization of paleogeographic sedimentary environment of Permian Shanxi Formation in Shizhuangnan Block

經三維模型分析可知，二疊系山西組地層沉積初期處于海陸過渡的下三角洲沉積階段，海進、海退為分流間灣、泥炭沼澤沉積環境的形成和厚煤層的發育提供了廣闊平臺。地層底部發育的分流間灣平均厚度為10.91 m，泥炭沼澤沉積發育的3#煤層平均厚度為6.25 m(圖7)。受海水影響，山西組底部分流間灣、泥炭沼澤微相的發育厚度與覆水深度呈現較強的相關性，覆水越深，厚度越小。而西北方向水動力條件較弱，分流間灣留存積水較多，有利于植物生長，致使區內泥炭沼澤發育較好；東南方向則受海進、海退過程擾動，水體活動相對頻繁，水下沖蝕作用導致部分沉積物被海水帶走，造成海退方向上煤層底部分流間灣和泥炭沼澤沉積發育厚度逐漸變薄并呈現一定的分帶性(圖8)。然而，由于海退方向上泥炭沼澤覆水程度相對較深，還原條件較好，活動的水體導致木本與草本植物大量繁殖和共生，煤質發育較好；同時由于大規模海退后三角洲進入建設階段，該地區煤層頂部的分流間灣沉積受分流河道擾動相對較小，封存煤層的泥巖及砂質泥巖沉積厚度較高，有利于煤層氣的富集高產。

圖7 山西組沉積初期底部分流間灣、泥炭沼澤沉積厚度直方圖Fig.7 Column diagram of stratigraphic sedimentary thickness of distributary bay and peat swamp in Permian Shanxi Formation

圖8 山西組沉積初期分流間灣、泥炭沼澤沉積厚度空間演化特征Fig.8 Spatial evolution characteristics of stratigraphic sedimentary thickness of distributary bay and peat swamp in Permian Shanxi Formation

3 結論

聚煤盆地古地理沉積環境的三維空間恢復對于煤層氣資源的三維可視化勘探及靶區優選至關重要。本文基于具有多維空間屬性特征的測井曲線數據，提出聚煤盆地古地理沉積環境三維可視化恢復方法；借助K-means空間聚類算法求取敏感測井曲線的巖性響應特征，實現了基于測井曲線的巖性特征識別和單井巖層劃分，進而綜合巖層及耦合的測井曲線形態特征識別沉積微相單元，重構單井古地理沉積環境演化剖面序列；最后，結合井間沉積剖面空間連接關系，構建柿莊南區塊山西組煤系地層古地理沉積環境三維模型。結果表明，柿莊南區塊二疊系山西組地層主要發育分流河道、分流間灣、天然堤、決口扇和泥炭沼澤5種沉積微相，泥炭沼澤微相發育的3#煤層平均厚度為6.25 m；因受海進、海退過程的影響，3#煤層的三維空間聚集與覆水深度呈現一定的相關性，空間上表現為沿海退方向煤層逐漸變薄并具有分帶特征，局部表現為東南地區煤層煤質較好且封存煤層的泥巖及砂質泥巖沉積較厚，對煤層氣富集高產區的優選具有較好的指示作用。然而，由于沉積微相的井間連接關系及相變特征均較復雜且具有一定的不確定性，三維建模過程中如何減少這些因素的影響以提高模型的精度，有待深入研究。