張 剛，常鎖亮，王瑞瑞，劉 波，曾 博，劉最亮，楊智華

(1.中國礦業(yè)大學煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇徐州 221008；3.太原理工大學 地球科學與工程系，太原 030024；4.煤與煤系氣地質(zhì)山西省重點實驗室，太原 030024；5.陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司，山西陽泉 045000)

在聚煤盆地的演化過程中，不同沉積相的展布特征對聚煤盆地的海陸變遷、構造演化及周圍環(huán)境的相互作用起到了很好的記錄作用，對聚煤盆地沉積相的研究成為研究聚煤盆地演化過程的核心內(nèi)容[1]。在海陸交互相的古地理背景下，晚古生代沁水盆地的沉積環(huán)境成為影響聚煤特征以及煤層氣賦存的主要因素。而聚煤前后的沉積環(huán)境又影響著煤層厚度及其空間展布特征和煤層氣的保存[2]及煤體結構的分布。對聚煤前后沉積相的刻畫，可以了解儲層物性結構及砂體空間展布，進而研究煤系氣的分布規(guī)律及形成條件，對后續(xù)煤系氣的勘探開發(fā)起到指導作用，因此對含煤巖系聚煤前后沉積相的研究是十分有必要的[3]。

前人對沁水盆地太原組地層的沉積環(huán)境已有很多研究，然而以往大量的研究多集中于沁水盆地西北部及東南部，對沁水盆地東北部沉積環(huán)境的研究相對缺少，盡管已有研究表明沁水盆地東北部太原組地層下段沉積環(huán)境為障壁島—潮坪—潟湖—潮坪相沉積[4]，但前人的研究仍存在以下兩個方面的不足，一方面以往研究較籠統(tǒng)，缺少對太原組15號煤層聚煤前后沉積相的精細刻畫；另一方面，沁水盆地太原組地層15號煤層位于太原組地層下段，屬海陸交互相沉積。在海陸交互相的古地理背景下，研究區(qū)地層的巖性、巖相在橫向上變化較快[5]。而傳統(tǒng)的基于地質(zhì)和測井的研究方法利用的是測井在垂向上的高分辨率對地層中的沉積序列進行研究，在橫向分辨率上難以滿足研究區(qū)沉積相的精細刻畫[6]。

本文基于地震沉積學的理論方法，選擇寺家莊礦區(qū)太原組地層部分鉆孔及地震資料進行研究，充分利用測井在垂向上的高分辨率和地震勘探在橫向上的高分辨率的優(yōu)勢，將二者的優(yōu)勢相結合[7]，采用合成記錄、井震聯(lián)合標定、層位追蹤、地層切片、屬性提取等關鍵技術，提取層間屬性，并通過融合屬性來預測目標層段的砂地比[8]，結合研究區(qū)的古地理背景和沉積相模式，對15號煤層聚煤前后沉積相進行精細刻畫，旨在為進一步開展寺家莊礦區(qū)煤及煤層氣資源開發(fā)地質(zhì)條件研究提供重要的沉積因素支撐。

1 地質(zhì)背景

1.1 地層特征

研究區(qū)位于沁水盆地陽泉礦區(qū)(圖1)，以砂巖，砂質(zhì)泥巖，泥巖為主，還發(fā)育三層較厚的灰?guī)r，可作為K2，K3，K4的標志層。除此以外，煤層出現(xiàn)有十層以上，但大多為薄煤層，在太原組底部和中部都發(fā)育較厚的煤層，如15號煤層和9號煤層[9]。依據(jù)巖性特征可以將太原組分為三段：K1砂巖底到K2灰?guī)r底為太原組地層下段，根據(jù)測井資料可知，該段最小厚度為 34.95 m，最大厚度為57.9 m，主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖以及煤層，在底部發(fā)育15號煤層，厚度可達4～7 m，且屬于可開采煤層，同時下段中也間夾1～2層不穩(wěn)定的薄煤層[10]。K1砂巖底到15號煤層頂屬于聚煤前沉積地層，15號煤層頂?shù)終2灰?guī)r底屬于聚煤后沉積地層[11]。K2灰?guī)r底到K4灰?guī)r底為太原組中段，厚度在34.25～51.23 m，含有較厚的石灰?guī)r和粉砂巖，還含有幾層薄煤層，其中包括11號、12號、13號煤層。K4灰?guī)r底部到K7砂巖底部為太原組上段地層，厚度在38.55～69.32 m，砂質(zhì)泥巖，砂巖，泥巖為主，夾有較厚煤層，其中9號煤層屬于厚煤層，厚度可達0.89～3.35m，同時太原組上段地層中也含有1～3層不穩(wěn)定的薄煤層。

1.2 構造特征

陽泉寺家莊礦區(qū)位于沁水盆地拗陷的東邊緣，太行山的隆起西翼，其基本構造形態(tài)呈單斜，走向為北北西，傾向為南西西[12]。在該單斜上又發(fā)育有次級褶曲，表現(xiàn)為“S”型[13]。地層傾角比較平穩(wěn)，普遍為10°，部分受到褶曲的影響達到20°。寺家莊礦區(qū)斷層構造較其他井田多，主要分布于東部地區(qū)[14]。

(a)寺家莊礦區(qū)構造分布 (b)寺家莊礦區(qū)井位分布圖1 寺家莊礦區(qū)圖Figure 1 Map of Sijiazhuang mining area

2 研究區(qū)15號煤層聚煤前后的砂地比預測及沉積相的刻畫

2.1 測井資料解釋

本文選取研究區(qū)內(nèi)8口井進行單井相解釋，在對測井資料進行標準化處理以后，便可根據(jù)測井曲線特征標定巖性、標志層、沉積相以及沉積亞相。本文主要根據(jù)自然伽馬和深側向電阻率曲線特征對巖性進行標定，在對標志層進行標定時主要根據(jù)測井曲線特征相似的、相對穩(wěn)定的層段進行劃分，此外，還可根據(jù)標志層的特殊巖性對標志層進行劃分與標定，例如K2、K3均為較厚的灰?guī)r，K1為較厚的砂巖[15]。依據(jù)研究區(qū)地質(zhì)背景以及沉積環(huán)境對沉積相進行劃分，沁水盆地東北部太原組地層下段自下而上的沉積環(huán)境依次為障壁島—潮坪—潟湖—潮坪沉積。其中障壁島相沉積主要由厚層細粒和中粗粒砂巖組成，向上變?yōu)槟嗵科撼练e，由泥質(zhì)粉砂巖、泥巖和16號薄煤層組成。隨后海平面上升，形成了由砂質(zhì)泥巖和灰?guī)r所組成的潟湖相沉積。隨后水體變淺，形成較厚的混合坪和泥炭坪，在此基礎上形成了較厚的15號煤層，基于此對研究區(qū)8口井分別進行單井相解釋，為后續(xù)地震資料的解釋工作打下基礎(圖2)。

圖2 研究區(qū)2號井巖性及沉積相劃分Figure 2 Study area well No.2 lithology and sedimentary facies partitioning

2.2 井震結合標定層序界面

本次研究在對地震資料進行解釋之前，首先要確定反射波所對應的標志層，其中合成記錄是聯(lián)系地震資料與測井資料之間的橋梁，通過制作合成記錄并與時間剖面相比對，確定其對應關系，從而賦予地震反射波相應的地質(zhì)屬性，便可在時間剖面上對地震反射波進行層位標定與追蹤[16]，具體操作流程如下：

1)確定含煤巖系沉積等時界面，其方法主要有定性法和定量法，本文采用定量法進行確定，即如果某一同相軸不隨地震頻率變化而變化，那么該同相軸就可反映等時信息。通過對該地區(qū)地震反射波頻譜特征進行分析，得出該地區(qū)地震反射波的主頻率約為50 Hz，頻帶寬度約為10 Hz～70 Hz。因此，選擇30 Hz和70 Hz進行分頻標定。

2)經(jīng)過井震分頻標定的地震標志層K1(K1砂巖)、T15(太原組15號煤)以及K2(K2灰?guī)r)在低頻、中頻和高頻剖面上均穩(wěn)定存在。這些層位具有一定的等時地層意義，可作為建立等時地層格架的參考標志層[17]。

3)結合研究區(qū)制作的合成記錄與測井曲線特征，在地震時間剖面中追蹤了3個連續(xù)性較好的地震層位(圖3)，自下而上分別是K1、T15、K2。

圖3 地震地質(zhì)等時標志層Figure 3 Seismic-geologic isochronous marker beds

2.3 地震子波相位調(diào)整及去強反射

我們利用90°相位轉(zhuǎn)換技術處理研究區(qū)地震數(shù)據(jù)體，使得反射波同相軸與薄層的相關關系得到建立，即薄層的中心部位可由同相軸指示。這時巖性地層的意義便被賦予到反射波同相軸之上，降低了在薄層解釋上的困難[18]。15號煤層層位在零相位地震剖面中為過零點追蹤界面，剖面形態(tài)不能清晰反映煤層巖性特征，而在90°相位地震剖面中T15層位被波谷直接表示，更加清楚地反映了煤的地震剖面特征。

煤層與砂巖層呈整合接觸狀態(tài)且二者波阻抗差異較大，因此砂巖的地震反射波特征會被淹沒在煤層的強反射波中，這就加大了對研究區(qū)砂地比預測的難度[19]。所以本文對地震反射波進行去強反射調(diào)整，實現(xiàn)在煤層強反射能量背景中獲取砂巖的弱響應特征信息。

去強反射前，太原組15號煤層對應的是波谷位置且振幅較強。經(jīng)去強反射后，太原組15號煤層所在位置的振幅值明顯降低。隨著匹配次數(shù)的增加，所選時窗內(nèi)強反射振幅值逐步降低，形成新的波組特征(圖4)。

2.4 基于地層切片技術的屬性提取與優(yōu)選

地層切片技術具有等比例切片的特點，即通過等比例內(nèi)插的手段，在選定的兩個層面內(nèi)插入切片，從而保證了切片的實用性，所以選取地層切片技術進行切片的制作[20]。地層切片對于傳統(tǒng)的切片技術(時間切片和層位切片)而言，最大的特點就是可以在兩個選定界面之間等比例內(nèi)插出一系列切片，并根據(jù)內(nèi)插切片生成不同的地震屬性切片。

(a)去強反射前地震時間剖面 (b)去強反射后地震時間剖面圖圖4 去強反射前后的地震時間剖面對比Figure 4 Comparison of seismic time sections before and after strong reflections removal

地層切片技術可分三步實現(xiàn)：第一，選擇等時地震的參考層，即井震聯(lián)合追蹤出的標志層K2、T15和K1[21]；第二，建立地層時間模型。由于切片是等比例內(nèi)插生成，故所有切片所包含的時間間隔一般是相同的，通過內(nèi)插線性函數(shù)，可以創(chuàng)建出接近實際沉積地層的切片模型。第三，通過所建立的切片模型來提取相應的地震屬性，從而形成對應地震屬性切片。

前人實踐表明：和振幅有關的地震屬性可以反映具波阻抗差異的沉積扇體；弧長是反映反射關系的橫向變化，可以反映砂巖或泥巖地層；能量半衰時則可以反映地層中巖性巖相在橫向上的變化[22]。因此對地層切片進行地震敏感屬性提取時，根據(jù)前人總結的經(jīng)驗，分別對15號煤層頂、底板中的地層切片提取均方根振幅，能量半衰時、弧長、高階累量方差、平均振幅、最大振幅6種地震屬性，表1、表2分別為15號煤層底板和頂板所對應的地震屬性值。

表1 15號煤層底板所對應的屬性值Table 1 Attribute value corresponding to the bottom of No.15 coal seam

表2 15號煤層頂板所對應的屬性值Table 2 Coal No.15 roof corresponding attribute values

在對單一地震屬性和各層序砂地比進行交匯分析之前，要對每一個地震屬性先進行標準化處理[23]。本次采用極差標準化的計算方法，設本次獲取的屬性值為xi：

(1)

表3 15號煤層底板對應標準化后的屬性值Table 3 Coal No.15 floor corresponding normalized attribute values

表4 15號煤層頂板對應標準化后的屬性值Table 4 Coal No.15 roof corresponding normalized attribute values

本文在對地震屬性進行極差標準化后，建立每口井中的煤層底板砂地比與單一地震屬性的擬合關系圖(圖5)以及每口井中的煤層頂板砂地比與單一地震屬性的擬合關系圖(圖6)。

各井中煤層頂?shù)装迳暗乇葦?shù)據(jù)與單一地震屬性經(jīng)交匯分析后發(fā)現(xiàn)相關性系數(shù)(R2)絕大多數(shù)在0.7以下，為減少單一屬性進行預測時所帶來的誤差，需要選取兩個相關性系數(shù)較高的地震屬性進行屬性融合。最終優(yōu)選出高階累量方差(R2=0.639)和平均振幅(R2=0.637)作為預測底板砂地比的屬性組合，高階累量方差(R2=0.750)和平均振幅(R2=0.642)作為預測頂板砂地比的屬性組合。

2.5 砂地比預測

經(jīng)優(yōu)選得出的屬性組合還需進行回歸分析驗證其是否能有效地運用于研究區(qū)砂地比預測，進而得出屬性融合后的擬合公式[24]。首先對15號煤層底板優(yōu)選敏感屬性(平均振幅和高階累量方差)進行回歸分析(表5)：

表5 15號煤層底板屬性組合回歸分析Table 5 Coal No.15 floor attribute combination regression analysis

本次回歸分析得出的擬合公式：

Y=0.084+0.525X1+0.476X2

(2)

式中：Y代表15號煤層底板砂地比；X1代表經(jīng)標準化后的高階累量方差值；X2代表經(jīng)標準化后的平均振幅值。

(a)高階累量方差與砂地比擬合圖；(b)均方根振幅與砂地比擬合圖；(c)能量半衰時與砂地比擬合圖；(d)弧長與砂地比擬合圖；(e)最大振幅與砂地比擬合圖；(f)平均振幅與砂地比擬合圖圖5 15號煤層底板砂地比與地震屬性交匯分析Figure 5 Coal No.15 floor total sandstone thickness to strata thickness ratio and seismic attribute cross analysis

(a)高階累量方差與砂地比擬合圖；(b)能量半衰時與砂地比擬合圖；(c)均方根振幅與砂地比擬合圖；(d)弧長與砂地比擬合圖；(e)最大振幅與砂地比擬合圖；(f)平均振幅與砂地比擬合圖圖6 15號煤層頂板砂地比與地震屬性交匯分析Figure 6 Coal No.15 rooftotal sandstone thickness to strata thickness ratio and seismic attribute cross analysis

聚煤前地震屬性組合經(jīng)回歸分析之后得出線性回歸系數(shù)為0.800 339，大于0.8，說明該屬性組合可用來預測煤層底板砂地比。因此可根據(jù)回歸分析所得出的擬合公式結合克里金插值方法對15號煤層底板砂地比進行預測，編制砂地比等值線圖[25](圖7)。

圖7 基于融合屬性預測15號煤層底板砂地比分布Figure 7 Coal no.15 floortotal sandstone thickness to strata thickness ratio distributions based on attribute synthesis prediction

其次對15號煤層頂板優(yōu)選敏感屬性(平均振幅和高階累量方差)進行回歸分析(表6)：

表6 15號煤層頂板屬性組合回歸分析Table 6 Coal No.15 roof attribute combination regression analysis

本次回歸分析得出的擬合公式：

Y=1.325-2.461X1+0.046X2

(3)

式中：Y代表15號煤層頂板砂地比；X1代表經(jīng)標準化后的高階累量方差值；X2代表經(jīng)標準化后的平均振幅值。

聚煤后地震屬性組合經(jīng)回歸分析之后得出其線性回歸系數(shù)為0.866 094，大于0.8，說明該屬性組合可用來預測煤層頂板砂地比。因此可根據(jù)回歸分析所得出的擬合公式結合克里金插值方法對15號煤層頂板砂地比進行預測，編制砂地比等值線圖(圖8)。

本文在屬性融合得出研究區(qū)聚煤前后砂地比等值線圖后，結合區(qū)域地質(zhì)資料、沉積環(huán)境、單井相以及地震資料對聚煤前后沉積相進行刻畫。在晚古生代時期，沁水盆地主要為海陸交互相沉積，在太原組15號煤層聚煤前期，經(jīng)歷了障壁島—潮坪—潟湖—潮坪環(huán)境，在潮坪沉積相中識別出了混合坪沉積亞相，在15號煤層聚煤后期，沉積環(huán)境為潮坪相沉積，在潮坪相沉積中識別出了泥炭坪和混合坪兩種沉積亞相(圖9)。

砂地比圖8 基于融合屬性預測15號煤層頂板砂地比分布Figure 8 Coal no.15 roof total sandstone thickness to strata thickness ratio distributions based on attribute synthesis prediction

(a)聚煤前沉積相 (b)聚煤后沉積相圖9 15號煤層聚煤前后沉積相分布Figure 9 Sedimentary facies distribution before and after coal No.15 accumulation

3 結論

本文充分結合地球物理測井與三維地震勘探優(yōu)勢，以陽泉礦區(qū)寺家莊煤礦為例，基于地震沉積學的理論方法，利用測井資料與地震資料，結合研究區(qū)地質(zhì)資料，對研究區(qū)聚煤前后砂地比分布特征進行了預測，并對其沉積相進行了刻畫。主要得出以下結論：

1)高階累量方差和平均振幅可作為預測研究區(qū)15號煤層頂?shù)装迳暗乇葏?shù)的敏感屬性組合。

2)結合單井相，地震資料以及地質(zhì)背景對研究區(qū)沉積相進行了識別，聚煤前為障壁島—潮坪—潟湖—潮坪相沉積，聚煤后為潮坪相沉積。在潮坪相的基礎上又識別出了泥炭坪，混合坪兩種沉積亞相。