基于测井数据的沁水盆地南部古地理沉积环境恢复与特征分析

陈 国 旭，阮 寅 芝，李 蕊 蕊，刘 盛 东，李 忠 城

(1.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008；3.中联煤层气有限责任公司，北京 100113)

0 引言

聚煤盆地古地理沉积环境对于煤层聚集、煤厚发育以及煤储层物性特征分布具有重要影响，长期以来，古地理沉积环境的恢复研究多停留在专家知识约束下的二维平面定性表达，依据的勘探数据主要源于较少的岩心取样或录井资料，难以实现三维空间上的精细描述[1-4]。地球物理测井是煤层气资源勘探的重要方法，其信息采集涵盖岩层的电化学、导电、声学、放射等诸多地球物理特性，测井曲线对于不同岩性具有多维响应特征，垂向空间分辨率也较高[5]。因此，利用具有多维空间属性特征的测井曲线反演古地理沉积时期的岩层及其组合，对于定量恢复聚煤盆地的成煤环境具有重要意义[6]。

沁水盆地南部煤层气资源丰富，是我国煤层气开发的重要区域。前人通过地质调查等对该地区石炭—二叠系含煤地层进行了不同程度的古地理沉积环境研究，发现该时期为海陆过渡阶段形成的聚煤沉积环境。近年来，一些学者尝试借助常规测井曲线并结合钻井、录井等数据对该地区进行煤岩层序划分和沉积环境识别，但多基于二维视角且利用的测井资料较少，表达方式和精度仍存在优化空间[7-10]。测井数据具有典型的GIS空间数据特征，利用三维GIS技术对聚煤盆地古地理沉积环境进行三维定量恢复，对于煤层气资源三维空间精细化勘探与开发具有重要作用[11-14]。因此，本文以位于沁水盆地南部的柿庄南区块为研究区，在简要阐述该地区古地理沉积背景的基础上，探索基于测井数据的聚煤盆地古地理沉积环境三维空间恢复方法，并对其空间特征进行分析。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

柿庄南区块隶属于山西省沁水县和高平市，面积为388 km2。该区块是我国最早进行煤层气资源勘探与开发的试验区块之一，积累了丰富的煤层气勘探与开发资料，区内有1 300余口钻井且东部密集、西部稀疏(图1)。柿庄南区块地质构造简单，地层较平缓，石炭—二叠系地层保存较完整，自下而上主要发育有本溪组、太原组、山西组及下石盒子组4层[15]。该区块煤层气开发主力煤层为3#煤层，蕴含于二叠系山西组，组内岩性主要由砂岩、泥岩、砂泥岩混合物及煤层组成，地层厚度介于30～85 m之间，平均厚度66.05 m，顶部与上覆地层整合接触，底部为K7砂岩标志层，为海陆过渡的三角洲平原沉积体系。

图1 柿庄南区块地理位置Fig.1 Location of Shizhuangnan Block

1.2 研究方法

本文研究方法实现流程(图2)为：1)岩性识别与岩层划分。利用K-means空间聚类方法对研究区煤系地层测井曲线岩性响应特征进行样本训练，以定量识别单井岩性并划分岩层。2)地层沉积环境定量恢复。依据岩层划分成果，结合测井曲线形态特征指示的沉积环境，综合厘定单井沉积序列及其古地理沉积环境特征。3)古地理沉积环境三维特征分析。基于单井沉积序列划分成果，运用Delaunay三角剖分技术形成覆盖全区的连井剖面精细控制网，从纵、横、斜各方向厘定沉积序列井间空间连接关系，构建沉积环境演化三维可视化模型。该方法不仅可为聚煤盆地古地理沉积环境三维空间恢复提供技术支持，所构建的模型也可为该地区煤层气资源的精细化勘探和开发提供可靠的地质依据。

图2 基于测井数据的三维古地理沉积环境恢复流程Fig.2 Restoration process of 3D paleogeographic sedimentary environment based on logging data

2 结果分析

2.1 基于测井数据的岩性识别与岩层划分

岩性及其组合能综合反映聚煤盆地煤系地层的沉积演化特征，基于测井曲线识别地层岩性并划分岩层是古地理沉积环境恢复的首要工作[16]。K-means空间聚类算法不需要预先设定各类岩性的测井曲线响应中心，只需确定目标层岩性种类即可求取岩性特征响应域[17-20]。柿庄南区块主要发育砂岩、泥岩、煤等8类岩性，K-means空间聚类算法适用于该地区岩性识别。

2.1.1 地层岩性敏感测井曲线优选 以研究区地质编录较齐全的参数井作为样本进行训练，将反映不同地球物理特性的测井曲线数据标准化后进行单因素方差分析，发现补偿密度(DEN)和自然伽马(GR)两条测井曲线对区内各类岩性的聚类结果具有显著影响(表1)，故选取DEN和GR两条测井曲线进行K-means空间聚类分析。

表1 DEN和GR曲线单因素方差分析结果Table 1 Results of one-way ANOVA of DEN and GR curves

2.1.2 测井曲线岩性响应特征提取 本研究利用K-means空间聚类算法对测井曲线数据循环迭代，将训练结果与原始样本的岩心取样和测井记录进行比对和回判，以确定各类岩性的聚类中心。从DEN、GR测井曲线样本数据聚类结果(图3)可知，研究区8类岩石空间分异特征明显。依据测井曲线数据集与各类岩性的响应关系，求取测井曲线对各类岩石的幅值响应范围(表2)，进而依据测井曲线岩性特征响应域对各钻井岩性进行识别。

图3 测井曲线样本数据聚类结果Fig.3 Clustering results of logging sample data

表2 各类岩石与测井曲线的幅值响应范围Table 2 The amplitude response range of various lithologies and logging curves

2.1.3 基于层序格架的岩层划分 岩层层序格架是测井曲线岩层划分的基础，也是厘定古地理沉积环境的依据[21]。依据柿庄南区块参数井地质编录资料，结合测井曲线岩性响应的域值范围及形态特征，对参数井进行岩性识别和岩层划分；经井间统计和对比分析，确立山西组地层的岩层层序格架(图4)作为全区测井曲线识别岩性和划分岩层的基础，进而依据岩层及其组合揭示其古地理沉积环境特征。

图4 基于测井曲线数据的二叠系山西组岩层层序划分结果(SZ-01井)Fig.4 Division results of strata sequence of Permian Shanxi Formation based on logging data(well SZ-01)

2.2 地层沉积环境定量恢复

基于岩层沉积环境特征，结合区内沉积微相及其耦合的测井曲线几何形态，即可实现单井沉积微相的识别，进而揭示该井的沉积演化特征。

2.2.1 岩层沉积环境特征分析 由图4可知，山西组底部主要沉积细砂岩，该岩层测井曲线的特征为高DEN、低GR值；其上部沉积有中砂岩，加之广泛沉积的泥岩及砂泥混合物，这些沉积组合为3#煤层的发育提供了良好的古地理沉积环境。3#煤层厚度大且煤质较好，是山西组地层的重要标志，其测井曲线特征为DEN值和GR值均较低且呈箱形结构。山西组地层中部水动力条件较强，发育有反粒序沉积的砂岩，测井曲线GR值较高且呈箱形和指形结构；中上部广泛沉积泥岩和细砂泥混合物，该阶段发育有2#煤层，但由于水体的逐渐后退和陆相作用的加强，煤层大部分呈尖灭状态，仅有少量赋存，测井曲线特征表现为钟形或指形结构。山西组沉积后期，由于河流动力作用的加强且携带大量泥沙，细砂岩逐渐沉积，进入下石盒子组沉积时期，该阶段测井曲线的GR值自下而上逐渐升高，呈齿化箱形结构。

2.2.2 沉积微相及其测井曲线形态特征分析 结合前人研究成果和测井数据分析可知，山西组地层为海陆过渡的三角洲平原沉积体系，主要发育有分流河道、天然堤、决口扇、分流间湾和泥炭沼泽5种沉积微相[22,23]。经参数井样本数据分析，挖掘出各沉积微相与测井曲线几何形态的耦合关系(表3)，具体特征为：1)分流河道以中砂、细砂、粉砂等砂质沉积为主，泥质极少，层序逐渐变细，为山西组三角洲平原沉积环境的主体，测井曲线主要表现为中高幅微齿的箱形和钟形几何特征。2)天然堤的沉积粒度较细，以粉砂沉积为主，主要形成于山西组沉积初期，分布在分流河道两旁；由于河水冲刷较难保存，仅有少量沉积，测井曲线受砂质沉积影响主要表现为低幅的指形或微齿形结构。3)决口扇由以细砂岩和粉砂岩为代表的砂质沉积物组成，粒度介于分流河道和天然堤之间，测井曲线常表现为中低幅的扁钟形结构。4)分流间湾常与海相连，孕育厚煤带，是区内分布最广泛的沉积微相，以砂质泥岩、泥质砂岩、泥岩等粘土质沉积为主，其间也有少量的细砂质沉积，测井曲线常表现为中低幅的平直形和微齿形几何特征。5)泥炭沼泽沉积环境水动力条件微弱，植物繁茂，主要有暗色有机质泥岩或煤在此沉积，区内发育3#主力煤层，煤层分布广泛且厚度均匀，该沉积测井曲线的响应特征明显，DEN值较低，GR值也低于100，主要表现为高幅的箱形和钟形结构。

表3 沉积微相与测井曲线形态特征的耦合关系Table 3 Coupling relationship between sedimentary microfacies and logging curve shape

2.2.3 地层沉积微相识别及沉积环境演化特征分析 依据研究区古地理沉积背景及建立的岩层沉积格架，结合测井曲线几何形态特征进一步识别各沉积微相单元，进而构建单井沉积环境剖面序列(图5)，揭示地层古地理沉积环境演化特征。由图5可知，山西组地层沉积初期，海平面下降，主要发育以砂岩沉积为主体的分流河道，上覆天然堤；随着沉积环境逐步稳定，分流间湾沉积微相大面积发育，细粒度的泥岩和砂泥混合物广泛沉积，泥炭沼泽沉积环境为厚煤层的发育和煤层气的富集提供了良好条件；接着，三角洲进入建设阶段，分流河道带来的大量砂质沉积形成决口扇，由于地形起伏和不稳定的水动力条件，该时期决口扇发育不连续；随着陆相作用不断加强，煤层的发育环境遭到破坏，该时期泥炭沼泽沉积环境较弱，发育的2#煤层厚度较薄甚至缺失；而后，砂体沉积厚度逐渐增大，大面积发育分流河道，进入下石盒子组地层沉积阶段，表现为上三角洲平原和冲积平原沉积环境。

图5 基于测井曲线数据的二叠系山西组沉积微相识别及沉积环境演化特征分析(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 古地理沉积环境三维特征分析

综合1 300余口煤层气井的钻井、测井及分层数据，并依据井间沉积剖面的三维空间连接关系，通过空间插值形成空间上连续的沉积层序DEM，最终通过三维建模技术建立柿庄南区块山西组煤系地层三维沉积环境模型；砂岩、泥岩、煤等在三维空间中的交替沉积形成了分流河道、分流间湾、天然堤、决口扇等沉积微相(图6)。

图6 柿庄南区块山西组地层三维沉积环境模型Fig.6 3D visualization of paleogeographic sedimentary environment of Permian Shanxi Formation in Shizhuangnan Block

经三维模型分析可知，二叠系山西组地层沉积初期处于海陆过渡的下三角洲沉积阶段，海进、海退为分流间湾、泥炭沼泽沉积环境的形成和厚煤层的发育提供了广阔平台。地层底部发育的分流间湾平均厚度为10.91 m，泥炭沼泽沉积发育的3#煤层平均厚度为6.25 m(图7)。受海水影响，山西组底部分流间湾、泥炭沼泽微相的发育厚度与覆水深度呈现较强的相关性，覆水越深，厚度越小。而西北方向水动力条件较弱，分流间湾留存积水较多，有利于植物生长，致使区内泥炭沼泽发育较好；东南方向则受海进、海退过程扰动，水体活动相对频繁，水下冲蚀作用导致部分沉积物被海水带走，造成海退方向上煤层底部分流间湾和泥炭沼泽沉积发育厚度逐渐变薄并呈现一定的分带性(图8)。然而，由于海退方向上泥炭沼泽覆水程度相对较深，还原条件较好，活动的水体导致木本与草本植物大量繁殖和共生，煤质发育较好；同时由于大规模海退后三角洲进入建设阶段，该地区煤层顶部的分流间湾沉积受分流河道扰动相对较小，封存煤层的泥岩及砂质泥岩沉积厚度较高，有利于煤层气的富集高产。

图7 山西组沉积初期底部分流间湾、泥炭沼泽沉积厚度直方图Fig.7 Column diagram of stratigraphic sedimentary thickness of distributary bay and peat swamp in Permian Shanxi Formation

图8 山西组沉积初期分流间湾、泥炭沼泽沉积厚度空间演化特征Fig.8 Spatial evolution characteristics of stratigraphic sedimentary thickness of distributary bay and peat swamp in Permian Shanxi Formation

3 结论

聚煤盆地古地理沉积环境的三维空间恢复对于煤层气资源的三维可视化勘探及靶区优选至关重要。本文基于具有多维空间属性特征的测井曲线数据，提出聚煤盆地古地理沉积环境三维可视化恢复方法；借助K-means空间聚类算法求取敏感测井曲线的岩性响应特征，实现了基于测井曲线的岩性特征识别和单井岩层划分，进而综合岩层及耦合的测井曲线形态特征识别沉积微相单元，重构单井古地理沉积环境演化剖面序列；最后，结合井间沉积剖面空间连接关系，构建柿庄南区块山西组煤系地层古地理沉积环境三维模型。结果表明，柿庄南区块二叠系山西组地层主要发育分流河道、分流间湾、天然堤、决口扇和泥炭沼泽5种沉积微相，泥炭沼泽微相发育的3#煤层平均厚度为6.25 m；因受海进、海退过程的影响，3#煤层的三维空间聚集与覆水深度呈现一定的相关性，空间上表现为沿海退方向煤层逐渐变薄并具有分带特征，局部表现为东南地区煤层煤质较好且封存煤层的泥岩及砂质泥岩沉积较厚，对煤层气富集高产区的优选具有较好的指示作用。然而，由于沉积微相的井间连接关系及相变特征均较复杂且具有一定的不确定性，三维建模过程中如何减少这些因素的影响以提高模型的精度，有待深入研究。