孟凡興 曹路通 潘永學(xué)

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

構(gòu)造沉降控制盆地物質(zhì)聚集、分布規(guī)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(chǔ)層發(fā)育規(guī)模及物性等特征，即構(gòu)造控盆、盆地控相、相控儲(chǔ)層。通過沉積相的研究，可以間接揭示儲(chǔ)層沉積時(shí)期的環(huán)境、巖性成因及其組合的分布，使得研究人員對儲(chǔ)層認(rèn)識(shí)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(huán)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(jìn)行研究具有重要意義。

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣，河?xùn)|煤田中部，屬于高瓦斯分布區(qū)，煤層氣資源賦存和開發(fā)潛力巨大，區(qū)內(nèi)煤層存在被后期河道沖刷現(xiàn)象，因此開展聚煤前后沉積相的研究是十分必要的。而傳統(tǒng)的基于地質(zhì)和鉆測井?dāng)?shù)據(jù)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(fā)的需求，且含煤巖系薄互層現(xiàn)象明顯，橫向相變快，進(jìn)一步增加了研究難度，這對煤系沉積相的精準(zhǔn)預(yù)測提出了較大的挑戰(zhàn)。

地震資料可以提供高分辨率橫向采樣數(shù)據(jù)和豐富的地下信息，其地震記錄可以間接地反映出地質(zhì)記錄的原始沉積環(huán)境；而測井資料擁有較高的縱向分辨率，可劃分出準(zhǔn)層序甚至更小的級別，因此二者聯(lián)合起來在統(tǒng)一尺度下進(jìn)行沉積研究具有巨大優(yōu)勢。本文以鄂爾多斯盆地東緣沙曲地區(qū)山西組3+4#煤層為例，運(yùn)用井震聯(lián)合的方式，借助研究區(qū)高精度三維地震資料，以地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)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(shù)，基于層序內(nèi)砂地比參數(shù)利用地層切片提取及優(yōu)選敏感屬性，以多元逐步回歸分析法進(jìn)行屬性擬合，以井點(diǎn)微相及巖性信息與砂地比統(tǒng)計(jì)關(guān)系作為控制進(jìn)行標(biāo)定，建立敏感屬性與巖性、沉積微相的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聚煤前后沉積微相的精細(xì)刻畫。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣，晉西褶曲帶中部地區(qū)，鄂爾多斯盆地為中生代陸相盆地，石炭二疊紀(jì)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(shí)期，整個(gè)華北盆地區(qū)域性海退的背景下，淺水河流三角洲沉積體系廣泛發(fā)育。研究區(qū)為一緩傾斜的單斜構(gòu)造，地層走向自北向南由南北向漸變?yōu)楸蔽飨?，傾向由西漸變?yōu)槟衔?，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(dá)18°～23°。區(qū)內(nèi)以寬緩的小型褶曲構(gòu)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(xiàn)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(jié)構(gòu)簡單，為穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層，其頂板多為中—細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖，底板多為砂質(zhì)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(qiáng)、波形突出、連續(xù)性好、易辨認(rèn)的以4#煤層為主的煤層復(fù)合反射波，是本區(qū)煤系地層的主要反射波，更是井震聯(lián)合進(jìn)行沉積研究的主要依據(jù)。

2 含煤巖系層序地層格架的建立

層序界面、層序結(jié)構(gòu)及沉積體系展布是層序地層研究的3個(gè)重要內(nèi)容。其中對層序界面的精確識(shí)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(guān)鍵是通過地震數(shù)據(jù)、野外露頭及測井資料來識(shí)別和劃分各級別層序界面，進(jìn)而建立三維等時(shí)地層格架。根據(jù)本次研究并結(jié)合前人研究成果,認(rèn)為鄂爾多斯盆地東緣地區(qū)石炭二疊含煤巖系層序界面類型有區(qū)域不整合面、正常海退形成的沖刷面、海侵方向轉(zhuǎn)換面和河流下切谷侵蝕面。利用研究區(qū)的測井/鉆孔巖芯資料對山西組進(jìn)行層序界面的識(shí)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(gè)中期基準(zhǔn)面旋回和若干個(gè)短期基準(zhǔn)面旋回，其中兩個(gè)中期基準(zhǔn)面旋回對應(yīng)于山西組下段S1和山西組上段S2。并依據(jù)測井曲線、鉆孔巖芯及區(qū)域古地理背景對研究區(qū)內(nèi)的單井進(jìn)行了測井沉積微相解釋，如圖1所示。

井震聯(lián)合對研究區(qū)山西組進(jìn)行精細(xì)構(gòu)造解釋，解釋了山西組頂?shù)譖1X、P1S和3+4#煤層3個(gè)層位，其中山西組的頂部P1X層位以K4砂巖為標(biāo)志層，底部P1S層位以K3砂巖為標(biāo)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(jié)果，可作為區(qū)域性標(biāo)志層序界面，具有一定的時(shí)間—地層意義，且在地震剖面上表現(xiàn)為中高頻，全區(qū)穩(wěn)定可連續(xù)追蹤，同相軸產(chǎn)狀也比較穩(wěn)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(jié)束，且以4#煤層為主的煤層復(fù)合反射波，是本區(qū)煤系地層的主要反射波，因此這些層位都可以作為等時(shí)地層格架的參考標(biāo)志層。通過井震聯(lián)合標(biāo)定發(fā)現(xiàn)只有中期基準(zhǔn)面旋回可以在地震剖面上穩(wěn)定追蹤，且全區(qū)可見，受地震分辨率限制，短期基準(zhǔn)面旋回在地震剖面上界面不明顯，無法穩(wěn)定追蹤，為了在井震統(tǒng)一的尺度下進(jìn)行聚煤前后沉積的研究，將中期基準(zhǔn)面旋回作為本次研究的基礎(chǔ)單元，建立等時(shí)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(lián)合等時(shí)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(yōu)選

應(yīng)用地層切片提取地震屬性，建立地震屬性與區(qū)域巖性和沉積相的定性或定量關(guān)系，將地震屬性轉(zhuǎn)化為地質(zhì)信息，可在沉積學(xué)理論的指導(dǎo)下獲得精細(xì)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(shí)窗內(nèi)的地震反射參數(shù)，因此提取地震屬性要求一定的提取時(shí)窗。而地層切片本質(zhì)上是一種變時(shí)窗的屬性分析技術(shù)，比較適合于頂?shù)讜r(shí)間難以確定的薄層?；诘貙忧衅崛〔煌牡卣饘傩?，形成屬性切片體，其代表了相應(yīng)地質(zhì)時(shí)間內(nèi)所反映的地震響應(yīng)特征。通過選取不同時(shí)間內(nèi)具有代表性的屬性進(jìn)行分析比較可以間接揭示該區(qū)域在相應(yīng)地質(zhì)年代的沉積特征及其演化情況。這里以中期基準(zhǔn)面旋回為研究單元，對研究單元進(jìn)行地層切片，然后挑選出最能代表相應(yīng)旋回沉積時(shí)期的切片進(jìn)行敏感地震屬性的提取。結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)法提取了振幅類、復(fù)地震道統(tǒng)計(jì)類、頻(能)譜統(tǒng)計(jì)類、層序、相關(guān)統(tǒng)計(jì)類屬性共計(jì)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(yōu)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(chǔ)層一個(gè)或幾個(gè)特征參數(shù)的地球物理響應(yīng)，并不能全方位的反映儲(chǔ)層特征，只適用于某一特征的預(yù)測。因此充分運(yùn)用地震資料良好的橫向連續(xù)性特點(diǎn)，優(yōu)選出與目的層段特征相關(guān)的敏感屬性組合，才能更加精細(xì)地刻畫目的層段平面特征提高預(yù)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(dú)立的地震屬性組合，首先基于層序內(nèi)沉積微相的表征參數(shù)砂地比與井點(diǎn)屬性值的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行屬性初選，而后通過屬性間相關(guān)分析，選擇相關(guān)系數(shù)較高，且平面形態(tài)更加符合沉積相展布的地震屬性作為沉積研究的最優(yōu)組合。由于不同地震屬性其量綱及數(shù)量級不同，缺乏相對的可比性,因此將地震屬性進(jìn)行極差標(biāo)準(zhǔn)化，使得不同種類的屬性數(shù)值轉(zhuǎn)化到[0,1]的統(tǒng)一尺度下進(jìn)行研究。本文首先利用交匯分析法建立層序內(nèi)井點(diǎn)砂地比與地震屬性的相關(guān)關(guān)系，如圖3所示，再利用聚類分析法通過分析屬性間的相關(guān)系數(shù)階，剔除相關(guān)系數(shù)較大的屬性，進(jìn)而保證各屬性的相對獨(dú)立性及算法穩(wěn)定性，最終優(yōu)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(yōu)屬性組合為平均反射強(qiáng)度和最大波峰屬性，如圖4所示，聚煤后最優(yōu)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(jìn)行聚煤前后不同層序內(nèi)進(jìn)行沉積研究的最優(yōu)屬性組合。

圖3 不同層序單元內(nèi)地震屬性與砂地比相關(guān)性分析

圖4 聚煤前優(yōu)選敏感屬性組合

圖5 聚煤后優(yōu)選敏感屬性組合

4 聚煤前后沉積微相精細(xì)刻畫及其演化分析

4.1 敏感屬性的擬合及標(biāo)定

將優(yōu)選的屬性組合作為自變量進(jìn)行多元逐步線性回歸分析，建立屬性組合與相應(yīng)層序單元內(nèi)沉積相表征參數(shù)砂地比的擬合關(guān)系，生成擬合屬性圖。利用層序內(nèi)單井巖性及沉積微相劃分情況進(jìn)行標(biāo)定，賦予其地質(zhì)沉積意義，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為沉積微相的平面展布圖。聚煤前沉積階段由優(yōu)選的平均反射強(qiáng)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(yōu)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(fù)數(shù)道統(tǒng)計(jì)類的平均反射強(qiáng)度屬性可突出振幅異常，可用于識(shí)別三角洲河道、洪積扇等地質(zhì)現(xiàn)象；振幅類的最大波峰、波谷振幅屬性適合繪制層序內(nèi)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(jì)算方面等具有優(yōu)勢；頻譜統(tǒng)計(jì)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(jìn)行標(biāo)定提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過利用單井相應(yīng)層序內(nèi)巖性及微相劃分情況對聚煤前擬合屬性的標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)紅色高值區(qū)域代表水下分流河道沉積微相，黃色及淺綠色區(qū)域代表水下天然堤沉積微相，青色及藍(lán)色區(qū)域代表泥質(zhì)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(jìn)行標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)紅色、橙色高值區(qū)域?yàn)楦吆傲康年懮戏至骱拥莱练e微相， 黃色、淺綠色區(qū)域代表陸上天然堤沉積微相，青色及藍(lán)色等低值區(qū)域代表多泥質(zhì)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(xì)刻畫及演化分析

在區(qū)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(chǔ)上，以聚煤前后中期基準(zhǔn)面旋回作為井震聯(lián)合研究的基本單元，在沉積學(xué)及現(xiàn)代沉積模式的指導(dǎo)下，通過井震聯(lián)合方式，充分運(yùn)用地震資料較高的橫向分辨率對優(yōu)選敏感屬性進(jìn)行擬合，結(jié)合測井的高縱向分辨率，利用單井巖性及沉積微相解釋結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，建立了地震屬性與沉積相、巖性之間的對應(yīng)關(guān)系，賦予其地質(zhì)意義，實(shí)現(xiàn)了對不同相帶、巖性空間展布特征的精細(xì)刻畫，如圖7所示。

研究區(qū)山西組沉積時(shí)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(fā)育，而三角洲前緣和前三角洲不發(fā)育為特征。該時(shí)期受北部興蒙海槽持續(xù)向南俯沖、消減的影響，北部伊盟隆起及物源區(qū)顯著隆升，海水逐步向南退出。聚煤前山西組下段沉積時(shí)期研究區(qū)主要發(fā)育深灰、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、中—細(xì)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(huán)境，物源從研究區(qū)東北部、西北部進(jìn)入?yún)^(qū)內(nèi)，水動(dòng)力條件較弱，一般為細(xì)粒沉積。研究區(qū)北部和西部發(fā)育水下分流河道，東南部存在區(qū)外的延伸河道，河道主要發(fā)育灰色、灰黑色中厚層的中—細(xì)粒砂巖、粉砂巖，以細(xì)粒石英砂巖為主，具波狀層理，粒度較細(xì)，河道較窄，支流不甚發(fā)育，整體向南東方向展布，能量較弱。水下分流河道兩側(cè)多發(fā)育水下天然堤微相，主要以深灰色粉砂巖、細(xì)粒砂巖及砂質(zhì)泥巖為主，厚度較小，但其延伸距離較遠(yuǎn)。在研究區(qū)中部及西北部地區(qū)主要發(fā)育泥質(zhì)沉積的分流間灣、泥炭沼澤微相，以黑色—灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖和粉砂巖為主，含豐富的植物根部化石，均勻?qū)永恚哂虚L期覆水沉積特征。聚煤后山西組上段沉積時(shí)期，隨著海退的持續(xù)發(fā)生，三角洲平原的進(jìn)積作用不斷加強(qiáng)，研究區(qū)的沉積環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱松先侵奁皆练e，水動(dòng)力能量增強(qiáng)，徑流量增大，河道攜帶能力也在提高，使得區(qū)內(nèi)砂質(zhì)沉積增多。在此背景下，由圖7可以看出，聚煤前發(fā)育在研究區(qū)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(kuò)展，且東南部的區(qū)外延伸河道其范圍也有顯著增大。此時(shí)期河道沉積以灰白色—灰色中粗粒砂巖、淺灰色細(xì)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(fā)育。分流河道兩側(cè)的天然堤微相以淺灰色的細(xì)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(yuǎn)。進(jìn)入上三角洲平原沉積時(shí)期，聚煤前的分流間灣由于持續(xù)水退演變?yōu)榱朔簽E平原，主要以灰黑色的泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，含少量的植物根部化石，局部地區(qū)發(fā)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(qū)山西組沉積時(shí)期伴隨著由北西向東南的逐漸水退，區(qū)內(nèi)沉積環(huán)境從下三角洲平原沉積過渡到上三角洲平原，構(gòu)造活動(dòng)微弱，沉積較為穩(wěn)定，地層厚度變化較小，呈現(xiàn)出一種漸變的演化過程。研究區(qū)聚煤前后沉積微相表現(xiàn)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(guī)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(qū)河道形態(tài)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(xiàn)北西—南東流向，分流間灣、沼澤大量發(fā)育，粒度以細(xì)粒為主，顏色以深灰—灰黑色為主，泥質(zhì)沉積大量發(fā)育，為廣闊的覆水環(huán)境，河流能量弱，為泥炭的發(fā)育聚集提供了廣闊的平臺(tái)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(qū)穩(wěn)定可采的3+4#煤層。聚煤后在海退的大背景下三角洲進(jìn)積作用不斷加強(qiáng)，使得區(qū)內(nèi)分流河道廣泛發(fā)育，河道加寬，能量增強(qiáng)，粒度變粗，支流增多，河道進(jìn)一步延伸，成為研究區(qū)內(nèi)的主要微相，砂質(zhì)沉積顏色也由聚煤前的深灰—灰黑色演變?yōu)榱藴\灰—灰白色，砂質(zhì)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(xù)的海退，三角洲向東南進(jìn)積作用不斷加劇，至山西組沉積結(jié)束，進(jìn)入下石盒子組沉積時(shí)期，研究區(qū)開始發(fā)育陸相河流沉積體系。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)山西組可以劃分為兩個(gè)中期基準(zhǔn)面旋回和若干短期基準(zhǔn)面旋回，而中期基準(zhǔn)面旋回是井震統(tǒng)一尺度進(jìn)行沉積研究的基礎(chǔ)。

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

(3)山西組3+4#煤層聚煤前后呈現(xiàn)出由下三角洲平原到上三角洲平原沉積環(huán)境的過渡，識(shí)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(shí)期的巖性邊界及其空間展布特征有了清晰的認(rèn)識(shí)，為后期的煤炭及煤層氣勘探開發(fā)提供沉積學(xué)依據(jù)。

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