井震联合煤系沉积微相及其演化特征预测

孟凡兴 曹路通 潘永学

(1.山西省第三地质工程勘察院，山西省晋中市，030600； 2.中国地质大学(北京)，北京市海淀区，100083； 3.山西山地物探技术有限公司，山西省晋中市，030600)

构造沉降控制盆地物质聚集、分布规律及沉积特征，盆地类型及沉积特征控制沉积体系与沉积相展布，沉积相带可以指示储层发育规模及物性等特征，即构造控盆、盆地控相、相控储层。通过沉积相的研究，可以间接揭示储层沉积时期的环境、岩性成因及其组合的分布，使得研究人员对储层认识更加深入，因此，沉积相研究在油气及煤田勘探中处于非常重要的位置。而聚煤期沉积环境又影响着煤层乃至煤层形成前后岩性及其孔渗特征的变化，因此针对煤系沉积微相及其演化特征进行研究具有重要意义。

研究区位于鄂尔多斯盆地东缘，河东煤田中部，属于高瓦斯分布区，煤层气资源赋存和开发潜力巨大，区内煤层存在被后期河道冲刷现象，因此开展聚煤前后沉积相的研究是十分必要的。而传统的基于地质和钻测井数据的沉积相分析方法划分的沉积相带在空间分辨率上来说尚难以满足煤炭及煤层气勘探开发的需求，且含煤岩系薄互层现象明显，横向相变快，进一步增加了研究难度，这对煤系沉积相的精准预测提出了较大的挑战。

地震资料可以提供高分辨率横向采样数据和丰富的地下信息，其地震记录可以间接地反映出地质记录的原始沉积环境；而测井资料拥有较高的纵向分辨率，可划分出准层序甚至更小的级别，因此二者联合起来在统一尺度下进行沉积研究具有巨大优势。本文以鄂尔多斯盆地东缘沙曲地区山西组3+4#煤层为例，运用井震联合的方式，借助研究区高精度三维地震资料，以地质统计学和平面插值算法为工具，以砂地比信息作为沉积微相的表征参数，基于层序内砂地比参数利用地层切片提取及优选敏感属性，以多元逐步回归分析法进行属性拟合，以井点微相及岩性信息与砂地比统计关系作为控制进行标定，建立敏感属性与岩性、沉积微相的对应关系，实现聚煤前后沉积微相的精细刻画。

1 研究区概况

研究区位于鄂尔多斯盆地东缘，晋西褶曲带中部地区，鄂尔多斯盆地为中生代陆相盆地，石炭二叠纪地层沉积期间为华北盆地的一部分，在早二叠世山西组沉积时期，整个华北盆地区域性海退的背景下，浅水河流三角洲沉积体系广泛发育。研究区为一缓倾斜的单斜构造，地层走向自北向南由南北向渐变为北西向，倾向由西渐变为南西，地层倾角平缓，一般为3°～7°，地表倾角为3°～15°，局部地段受小褶曲及断层影响可达18°～23°。区内以宽缓的小型褶曲构造为主，断层稀少且延伸短、断距小。煤层埋深变化较大，总体呈现东浅西深的变化趋势。

山西组中下部3#煤层一般与4#煤层合并，称为3+4#煤层，平均厚4.1 m，结构简单，为稳定的全区可采煤层，其顶板多为中—细砂岩、砂质泥岩、泥岩，底板多为砂质泥岩和碎屑岩。由于煤层与围岩之间的波阻抗差异显著，可形成能量强、波形突出、连续性好、易辨认的以4#煤层为主的煤层复合反射波，是本区煤系地层的主要反射波，更是井震联合进行沉积研究的主要依据。

2 含煤岩系层序地层格架的建立

层序界面、层序结构及沉积体系展布是层序地层研究的3个重要内容。其中对层序界面的精确识别是层序划分的前提条件，因此也是最重要的。层序地层划分的关键是通过地震数据、野外露头及测井资料来识别和划分各级别层序界面，进而建立三维等时地层格架。根据本次研究并结合前人研究成果,认为鄂尔多斯盆地东缘地区石炭二叠含煤岩系层序界面类型有区域不整合面、正常海退形成的冲刷面、海侵方向转换面和河流下切谷侵蚀面。利用研究区的测井/钻孔岩芯资料对山西组进行层序界面的识别与划分，以山西组底部的K3砂岩(北岔沟砂岩)，顶部的K4砂岩(骆驼脖子砂岩)及3+4#煤层顶板为界面，将山西组划分为两个中期基准面旋回和若干个短期基准面旋回，其中两个中期基准面旋回对应于山西组下段S1和山西组上段S2。并依据测井曲线、钻孔岩芯及区域古地理背景对研究区内的单井进行了测井沉积微相解释，如图1所示。

井震联合对研究区山西组进行精细构造解释，解释了山西组顶底P1X、P1S和3+4#煤层3个层位，其中山西组的顶部P1X层位以K4砂岩为标志层，底部P1S层位以K3砂岩为标志层，这两套砂岩均为海退背景下的河流下切谷侵蚀充填的结果，可作为区域性标志层序界面，具有一定的时间—地层意义，且在地震剖面上表现为中高频，全区稳定可连续追踪，同相轴产状也比较稳定。而煤层一般在盆地演化某一阶段后期形成，因此常将煤层作为这一演化阶段的结束，且以4#煤层为主的煤层复合反射波，是本区煤系地层的主要反射波，因此这些层位都可以作为等时地层格架的参考标志层。通过井震联合标定发现只有中期基准面旋回可以在地震剖面上稳定追踪，且全区可见，受地震分辨率限制，短期基准面旋回在地震剖面上界面不明显，无法稳定追踪，为了在井震统一的尺度下进行聚煤前后沉积的研究，将中期基准面旋回作为本次研究的基础单元，建立等时地层格架，如图2所示。

图1 FL-EP1井沉积微相解释

图2 井震联合等时地层格架的建立

3 基于地层切片的地震属性提取及组合优选

应用地层切片提取地震属性，建立地震属性与区域岩性和沉积相的定性或定量关系，将地震属性转化为地质信息，可在沉积学理论的指导下获得精细的沉积展布信息。

3.1 地震属性的提取

通常而言地震属性都是固定时窗内的地震反射参数，因此提取地震属性要求一定的提取时窗。而地层切片本质上是一种变时窗的属性分析技术，比较适合于顶底时间难以确定的薄层。基于地层切片提取不同的地震属性，形成属性切片体，其代表了相应地质时间内所反映的地震响应特征。通过选取不同时间内具有代表性的属性进行分析比较可以间接揭示该区域在相应地质年代的沉积特征及其演化情况。这里以中期基准面旋回为研究单元，对研究单元进行地层切片，然后挑选出最能代表相应旋回沉积时期的切片进行敏感地震属性的提取。结合专家经验法提取了振幅类、复地震道统计类、频(能)谱统计类、层序、相关统计类属性共计16种能够反映砂体、岩性边界、含油气特征的敏感地震属性。

3.2 地震属性的优选

任何一种地震属性都具有特殊性和针对性，每种属性都只是储层一个或几个特征参数的地球物理响应，并不能全方位的反映储层特征，只适用于某一特征的预测。因此充分运用地震资料良好的横向连续性特点，优选出与目的层段特征相关的敏感属性组合，才能更加精细地刻画目的层段平面特征提高预测精度。

为了找到能够较好地反映目的层段沉积特征，又能够相互独立的地震属性组合，首先基于层序内沉积微相的表征参数砂地比与井点属性值的相关关系进行属性初选，而后通过属性间相关分析，选择相关系数较高，且平面形态更加符合沉积相展布的地震属性作为沉积研究的最优组合。由于不同地震属性其量纲及数量级不同，缺乏相对的可比性,因此将地震属性进行极差标准化，使得不同种类的属性数值转化到[0,1]的统一尺度下进行研究。本文首先利用交汇分析法建立层序内井点砂地比与地震属性的相关关系，如图3所示，再利用聚类分析法通过分析属性间的相关系数阶，剔除相关系数较大的属性，进而保证各属性的相对独立性及算法稳定性，最终优选出聚煤前后的最佳属性组合。其中3+4#煤层聚煤前的最优属性组合为平均反射强度和最大波峰属性，如图4所示，聚煤后最优属性组合为弧长和最大波谷属性，如图5所示。将这两组属性作为进行聚煤前后不同层序内进行沉积研究的最优属性组合。

图3 不同层序单元内地震属性与砂地比相关性分析

图4 聚煤前优选敏感属性组合

图5 聚煤后优选敏感属性组合

4 聚煤前后沉积微相精细刻画及其演化分析

4.1 敏感属性的拟合及标定

将优选的属性组合作为自变量进行多元逐步线性回归分析，建立属性组合与相应层序单元内沉积相表征参数砂地比的拟合关系，生成拟合属性图。利用层序内单井岩性及沉积微相划分情况进行标定，赋予其地质沉积意义，进而转化为沉积微相的平面展布图。聚煤前沉积阶段由优选的平均反射强度和最大波峰振幅属性拟合而成的属性图和聚煤后沉积阶段由优选的弧长属性和最大波谷振幅属性拟合而成的属性图见图6。复数道统计类的平均反射强度属性可突出振幅异常，可用于识别三角洲河道、洪积扇等地质现象；振幅类的最大波峰、波谷振幅属性适合绘制层序内或沿特定反射体上的振幅异常图，在地层岩性相变分析及薄砂层厚度计算方面等具有优势；频谱统计类的弧长属性可用于砂泥岩和砂岩地层的含砂量分析以及层序地层分析。因此这些拟合属性也能很好地反映地层岩性、含砂量、沉积及河道边界等信息，为利用井资料对其进行标定提供坚实的基础。通过利用单井相应层序内岩性及微相划分情况对聚煤前拟合属性的标定，发现红色高值区域代表水下分流河道沉积微相，黄色及浅绿色区域代表水下天然堤沉积微相，青色及蓝色区域代表泥质含量较高的分流间湾及泥炭沼泽沉积微相。通过对聚煤后拟合属性进行标定，发现红色、橙色高值区域为高含砂量的陆上分流河道沉积微相， 黄色、浅绿色区域代表陆上天然堤沉积微相，青色及蓝色等低值区域代表多泥质沉积的泛滥平原、泥炭沼泽微相。

图6 聚煤前后属性拟合图

4.2 沉积微相的精细刻画及演化分析

在区域古地理背景、沉积模式、物源方向、单井相及地震资料研究的基础上，以聚煤前后中期基准面旋回作为井震联合研究的基本单元，在沉积学及现代沉积模式的指导下，通过井震联合方式，充分运用地震资料较高的横向分辨率对优选敏感属性进行拟合，结合测井的高纵向分辨率，利用单井岩性及沉积微相解释结果进行标定，建立了地震属性与沉积相、岩性之间的对应关系，赋予其地质意义，实现了对不同相带、岩性空间展布特征的精细刻画，如图7所示。

研究区山西组沉积时期为陆表海古地理背景下的河控三角洲沉积体系，该沉积体系以汇水中心普遍较浅、三角洲平原和间湾发育，而三角洲前缘和前三角洲不发育为特征。该时期受北部兴蒙海槽持续向南俯冲、消减的影响，北部伊盟隆起及物源区显著隆升，海水逐步向南退出。聚煤前山西组下段沉积时期研究区主要发育深灰、灰黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、中—细粒砂岩和若干煤层，含植物碎屑化石，具脉状层理、波状层理，为下三角洲平原沉积环境，物源从研究区东北部、西北部进入区内，水动力条件较弱，一般为细粒沉积。研究区北部和西部发育水下分流河道，东南部存在区外的延伸河道，河道主要发育灰色、灰黑色中厚层的中—细粒砂岩、粉砂岩，以细粒石英砂岩为主，具波状层理，粒度较细，河道较窄，支流不甚发育，整体向南东方向展布，能量较弱。水下分流河道两侧多发育水下天然堤微相，主要以深灰色粉砂岩、细粒砂岩及砂质泥岩为主，厚度较小，但其延伸距离较远。在研究区中部及西北部地区主要发育泥质沉积的分流间湾、泥炭沼泽微相，以黑色—灰黑色泥岩、砂质泥岩、碳质泥岩和粉砂岩为主，含丰富的植物根部化石，均匀层理，具有长期覆水沉积特征。聚煤后山西组上段沉积时期，随着海退的持续发生，三角洲平原的进积作用不断加强，研究区的沉积环境逐渐转变为了上三角洲平原沉积，水动力能量增强，径流量增大，河道携带能力也在提高，使得区内砂质沉积增多。在此背景下，由图7可以看出，聚煤前发育在研究区北部和西部的分流河道在聚煤后其宽度和展布范围有了明显的扩展，且东南部的区外延伸河道其范围也有显著增大。此时期河道沉积以灰白色—灰色中粗粒砂岩、浅灰色细粒石英砂岩及粉砂岩为主，粒度及颜色也有明显的变化，局部中粗粒砂岩底部有冲刷痕迹，河道支流比较发育。分流河道两侧的天然堤微相以浅灰色的细粒石英砂岩和粉砂岩为主，厚度较聚煤前有了提升，但其延伸范围距河道不远。进入上三角洲平原沉积时期，聚煤前的分流间湾由于持续水退演变为了泛滥平原，主要以灰黑色的泥岩、砂质泥岩、粉砂岩为主，含少量的植物根部化石，局部地区发育泥岩沼泽微相。

图7 聚煤前后沉积微相平面展布图

研究区山西组沉积时期伴随着由北西向东南的逐渐水退，区内沉积环境从下三角洲平原沉积过渡到上三角洲平原，构造活动微弱，沉积较为稳定，地层厚度变化较小，呈现出一种渐变的演化过程。研究区聚煤前后沉积微相表现为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间湾微相泥炭沼泽微相陆上分流河道微相陆上天然堤微相泛滥平原、泥炭沼泽微相的演化规律。从图7聚煤前后相带展布特征可以看出聚煤前后研究区河道形态大体一致，局部差异明显，聚煤前分流河道较窄，延伸有限，支流较少，整体呈现北西—南东流向，分流间湾、沼泽大量发育，粒度以细粒为主，颜色以深灰—灰黑色为主，泥质沉积大量发育，为广阔的覆水环境，河流能量弱，为泥炭的发育聚集提供了广阔的平台和有利的保存条件，在这种情况下沉积了较厚的5#煤层及全区稳定可采的3+4#煤层。聚煤后在海退的大背景下三角洲进积作用不断加强，使得区内分流河道广泛发育，河道加宽，能量增强，粒度变粗，支流增多，河道进一步延伸，成为研究区内的主要微相，砂质沉积颜色也由聚煤前的深灰—灰黑色演变为了浅灰—灰白色，砂质沉积的增多使得泛滥平原及泥炭沼泽展布范围较聚煤前有了较大的压缩，对泥炭聚集较为不利，使得此后沉积的2#煤层平均厚度不足1 m。随着持续的海退，三角洲向东南进积作用不断加剧，至山西组沉积结束，进入下石盒子组沉积时期，研究区开始发育陆相河流沉积体系。

5 结论

(1)研究区山西组可以划分为两个中期基准面旋回和若干短期基准面旋回，而中期基准面旋回是井震统一尺度进行沉积研究的基础。

(2)以沉积微相的表征参数砂地比作为地震属性优选的依据，基于聚类分析法确定了平均反射强度和最大波峰属性为聚煤前最优属性组合，弧长和最大波谷属性为聚煤后最优属性组合。

(3)山西组3+4#煤层聚煤前后呈现出由下三角洲平原到上三角洲平原沉积环境的过渡，识别了分流河道、天然堤、分流间湾、泛滥平原、泥炭沼泽等微相，并对不同时期的岩性边界及其空间展布特征有了清晰的认识，为后期的煤炭及煤层气勘探开发提供沉积学依据。

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