煤系地層沉積旋回分析及煤層對比研究在Galilee盆地中的應(yīng)用

仲米虹，李樂忠，唐武

（1．中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，北京100007；2．中海油研究總院，北京100027）

0 引 言

測井技術(shù)在沉積旋回劃分和煤層對比方面都發(fā)揮著重要的作用，通過分析測井響應(yīng)特征和曲線形態(tài)可以識別常規(guī)地層巖性［1－7］，也可以作為地層等時對比的依據(jù)［8－11］，前人對此做了大量的工作，取得了豐富的研究成果。然而，對于巖性變化頻繁且呈薄互層的煤系地層，單一測井曲線很難敏感反映巖性變化特征［5］，給地層沉積旋回的準(zhǔn)確劃分帶來挑戰(zhàn)，煤層多且薄的特征給等時對比工作帶來多解性，增加勘探的風(fēng)險。

本文利用測井、錄井和巖心資料，通過建立綜合巖性識別曲線準(zhǔn)確劃分沉積旋回并厘清其特征；同時，采用多種方法消除對比多解性，為該地區(qū)的煤層氣勘探提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

Galilee盆地位于澳大利亞東北部的昆士蘭州境內(nèi)，盆地西南側(cè)與Maneroo地臺相接。二疊紀(jì)時期Galilee盆地主要發(fā)育河流、三角洲及湖泊相沉積，包括早二疊世的Aramac組和晚二疊世的Betts Creek組。研究區(qū)位于Galilee盆地中西部Hulton－Rand構(gòu)造帶上，以辮狀河三角洲平原沉積為主［12－14］。由于近物源，沉積物搬運(yùn)距離短，分選較差，巖性主要為不等粒度的砂巖、泥質(zhì)砂巖、碳質(zhì)泥巖及煤層，且由于辮狀河道變道頻繁，快速沉積，縱向上巖性變化大，地層薄互層特征明顯。研究區(qū)煤層埋深800～1200m，厚度薄，多為1m左右，最厚可達(dá)10m。煤層中等變質(zhì)，屬于長煙煤－氣煤，含氣量最大為8m3／t，具有較好的資源潛力。該區(qū)域煤系地層是煤層氣的重要儲集體，因此沉積旋回的準(zhǔn)確劃分、特征分析及煤層對比對該區(qū)塊勘探評價具有重要指導(dǎo)意義。

2 沉積旋回劃分

地層巖性的識別是沉積旋回劃分的基礎(chǔ)，該區(qū)地層厚度薄且?guī)r性變化頻繁，利用單一測井曲線及錄井難以準(zhǔn)確識別巖性，再加上一些影響因素，例如泥巖中多含碳質(zhì)，使得測井曲線值域上有重疊，可產(chǎn)生多解性，給沉積旋回的準(zhǔn)確劃分帶來困難。為此，首先建立1條綜合巖性識別曲線，用于沉積旋回的劃分。

2．1 建立綜合巖性識別曲線

研究區(qū)有自然伽馬、三孔隙度測井（補(bǔ)償密度、聲波時差和補(bǔ)償中子）、深淺側(cè)向電阻率、自然電位、井徑及光電截面指數(shù)等常規(guī)測井曲線。利用巖心描述及錄井?dāng)?shù)據(jù)對不同巖性在不同測井系列的響應(yīng)特征及值域范圍進(jìn)行統(tǒng)計，同時考慮到不同測井系列的測量原理及影響因素，分析了測井曲線在該區(qū)塊二疊紀(jì)地層的巖性敏感性（見表1）。

選用敏感性較好的自然伽馬、三孔隙度測井及深側(cè)向電阻率曲線，根據(jù)它們與巖石粒序之間的相關(guān)性建立1條綜合巖性識別曲線LIC（Lithology I－dentify Curve），并通過錄井及巖心描述對曲線值域進(jìn)行劃分，形成地層巖性剖面，以滿足準(zhǔn)確劃分巖性的要求［11］。

首先采用中子—密度測井交會求取砂泥巖層的孔隙度φ，再利用威利公式反算地層骨架聲波時差Δtma，該參數(shù)對巖性有較為顯著的響應(yīng)特征［5］。通過將砂巖、泥質(zhì)砂巖及碳質(zhì)泥巖所對應(yīng)的的GR、Rt與Δtma繪制交會圖（見圖1）。其結(jié)果表明，GR和Rt與Δtma為明顯的正相關(guān)關(guān)系，隨著巖石粒度逐漸變細(xì)，三者均呈現(xiàn)不同程度的增大趨勢。因此，利用這3個參數(shù)與巖性粒度之間的關(guān)系建立公式求取LIC曲線（見圖2）。

表1 巖性－測井系列對應(yīng)值域統(tǒng)計及敏感性分析表

圖1 骨架聲波與自然伽馬及深側(cè)向電阻率之間的關(guān)系

圖2 W井巖性識別對比圖

煤層段以上各參數(shù)的求取方法與砂泥巖不同，需要利用特殊測井類型。但由于煤層的自然伽馬和密度曲線響應(yīng)特征與其他巖性差異明顯（見表1），且LIC曲線值隨著粒序變細(xì)而減小，因此利用FORWARD軟件將煤層段（GR＜70且DEN＜1．8）的LIC曲線賦值為0，則可滿足識別巖性及下一步分析沉積旋回的要求。

隨著綜合巖性識別曲線值的減小，地層巖性由砂巖到泥質(zhì)砂巖，再過渡到碳質(zhì)泥巖，最后為煤層，曲線幅度隨巖性變化劇烈，具有較高的敏感性。

根據(jù)W井巖心描述及錄井?dāng)?shù)據(jù)建立了LIC曲線值域劃分標(biāo)準(zhǔn)：煤層的LIC值為0，碳質(zhì)泥巖為（0～0．2）×10－5ft／（μm·Ω·m·API），泥質(zhì)砂巖為（0．2～0．85）×10－5ft／（μm·Ω·m·API），砂巖為大于0．85×10－5ft／（μm·Ω·m·API）。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，利用FORWARD軟件生成地層巖性剖面（見圖2），通過與巖心及錄井識別的地層剖面對比，可看出LIC曲線能夠較為準(zhǔn)確的識別薄互層的巖性變化，且準(zhǔn)確率大于75%，最高達(dá)94．5%（見表2），能夠滿足沉積旋回分析及地層對比的要求。

表2 測井識別準(zhǔn)確率統(tǒng)計

2．2 沉積旋回特征分析

研究區(qū)內(nèi)二疊紀(jì)主要發(fā)育辮狀河三角洲平原亞相，以辮狀河道沉積為主，河道充填層序主要由不等粒砂巖組成，河道底部可見礫巖沉積。在河道兩側(cè)的洼地發(fā)育越岸沉積，巖性多為粉砂巖、泥巖及煤層，煤層厚度變化大且分布不太穩(wěn)定。以G井為例研究區(qū)塊內(nèi)二疊系煤系地層的沉積旋回特征，并利用綜合巖性識別曲線LIC、GR及錄井、巖心數(shù)據(jù)劃出了3個長期旋回、6個中期旋回以及18個短期旋回（見圖3），其中依據(jù)旋回過程中煤系地層的發(fā)育特征可劃分為3個演化階段，分別為2次湖侵和1次湖退［10］。

第1次湖侵從Aramac組底部開始至Betts Creek組底部的9號煤層底結(jié)束，巖性整體向上變細(xì)，砂層層厚逐漸變薄，LIC曲線先增大后減小，GR曲線整體呈鐘形。該階段發(fā)育10號至13號4套煤層，煤層厚度均比較薄，局部有分叉和缺失現(xiàn)象。湖退階段由9號煤層底開始，到Betts Creek組中部結(jié)束，巖性向上變粗，砂巖層向上增厚，LIC曲線值逐漸增大，GR曲線形態(tài)為漏斗形，由越岸沉積演化為辮狀河道沉積。該階段發(fā)育6套煤層，煤層較上一階段普遍增厚，間隔均勻，橫向分布較為穩(wěn)定，其中5號、6號和7號煤為該區(qū)主力產(chǎn)氣煤層。第2次湖侵階段至二疊系頂結(jié)束，其中，3個中期旋回分別代表了3次湖侵過程，每個旋回自下而上巖性變細(xì)、砂厚減薄、以煤層結(jié)束，縱向上首尾相接，依次疊置。該階段發(fā)育1號至3號煤層，其中3號煤層最厚，穩(wěn)定分布，偶爾出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，可以作為標(biāo)志煤層，也是二疊系的主力煤層。

上述分析表明，3個沉積階段的特征顯著，總的演化趨勢是湖侵－湖退－湖侵，曲線整體齒化特征明顯，表明物源豐富，沉積能量有節(jié)奏的變化。另外，煤層的發(fā)育和分布受到沉積環(huán)境的控制，通過對單井沉積旋回劃分及特征分析，明確了區(qū)塊內(nèi)二疊系各煤層的分布特征。

圖3 G井沉積旋回柱狀圖

3 煤層對比分析

主力煤層的分布預(yù)測是進(jìn)行煤層氣勘探的重要研究工作，而煤層對比是把握煤層分布規(guī)律的關(guān)鍵手段之一，具有重要作用。煤層對比分析是一項綜合性的研究，以測井曲線為常用工具，根據(jù)不同情況多種方法相互配合、相互驗(yàn)證，可宏觀對比，亦可微觀校對，以提高煤層對比的準(zhǔn)確性。

3．1 沉積旋回對比法

沉積旋回法是煤層對比中準(zhǔn)確性較高的一種方法，煤層的分布受區(qū)域性沉積環(huán)境的控制，因此，可利用沉積旋回的結(jié)構(gòu)在宏觀上確定主力煤層的橫向展布。

在劃分區(qū)塊內(nèi)各單井沉積旋回的基礎(chǔ)上，根據(jù)各主力煤層在各沉積階段中發(fā)育的位置開展連井煤層對比，取得了較好的效果［見圖4（a）］。通過對比得出，二疊系的煤層厚度變化較大，但在研究區(qū)內(nèi)橫向連續(xù)性較好，煤層間距變化小，僅在局部有分叉和尖滅現(xiàn)象，說明沉積環(huán)境及構(gòu)造條件穩(wěn)定。研究區(qū)內(nèi)的主力煤層是Betts Creek組的3號煤層和4至9號煤層構(gòu)成的煤組。

3．2 煤層和煤組對比法

圖4 區(qū)塊典型井煤層對比剖面圖

研究區(qū)內(nèi)可單獨(dú)作為標(biāo)志煤層對比的是3號煤層［見圖4（b）］，其厚度居全區(qū)之首，廣泛發(fā)育，分布穩(wěn)定，局部有分叉現(xiàn)象，可作為全區(qū)的標(biāo)志層。其自然伽馬曲線略呈漏斗形，密度曲線呈大段低值，且由上至下密度值越來越小，深側(cè)向電阻率呈中等幅度寬弧形［15－16］。

當(dāng)單個煤層綜合特征不顯著時，在厚度、間隔等方面具有一定共性的一套煤組在測井曲線上會顯示出某種組合特征，可作為煤組對比的標(biāo)志，也可稱為間隔－測井曲線綜合對比法。

該區(qū)塊二疊系Betts Creek組下部的4號到9號煤層組成的煤組特征顯著，是全區(qū)的標(biāo)志煤組［見圖4（c）］。該煤組的煤層厚度較為均勻，為1～4m，分布間隔穩(wěn)定且密集，煤層間為薄層砂巖。在測井曲線特征上，自然伽馬為低值，曲線呈中－高幅，齒狀，密度及深側(cè)向電阻率曲線呈指狀與單峰交替組合形態(tài)。在煤組對比的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)各煤層間距、曲線特征等線索，將煤層一一對應(yīng)，該方法在該區(qū)塊取得了較好的應(yīng)用效果［16］。

另外，位于Aramac組的10號至13號煤層厚度雖薄，也會出現(xiàn)局部缺失和分叉，但區(qū)塊在二疊紀(jì)構(gòu)造穩(wěn)定，地質(zhì)環(huán)境理想，煤層發(fā)育間隔均勻，橫向上變化小，也將其作為一個煤組展開對比。

3．3 數(shù)學(xué)對比法

當(dāng)單煤層對比出現(xiàn)多解性時可采用數(shù)學(xué)對比法。如10號和11號煤層對比至R5井時，發(fā)現(xiàn)R5井在該層段僅發(fā)育一套煤層，而10號和11號煤層發(fā)育的旋回階段、厚度及測井曲線特征相似，用定性的方法很難對比，因此，采用了判別分析方法，從定量的角度入手。

判別分析在研究中的具體應(yīng)用：把10號和11號煤層作為2個已知的因變量，從這2套煤層中選取自然伽馬（GR）、密度（DEN）和煤層厚度（T）3個變量作為自變量，從研究區(qū)中選取了9口井，共采集了這2套煤層的18個已知樣品（10號和11號煤層各9個），利用其中14個樣品建立判別函數(shù)［17］，剩余4個樣品用來檢驗(yàn)其正確性。

經(jīng)計算得到典型判別函數(shù)為

式（2）中系數(shù)為非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)；特征值正則相關(guān)性為0．915；顯著性Sig值為0，小于0．005，說明建立的函數(shù)有顯著的判別力，是有效的。

由此建立判別標(biāo)準(zhǔn)，以10號和11號煤層判別函數(shù)平均值的加權(quán)平均值作為臨界點(diǎn)，則大于臨界點(diǎn)的是10號煤層，小于的為11號煤層。經(jīng)計算，該判別函數(shù)的臨界點(diǎn)為－0．0018。

為了驗(yàn)證該函數(shù)的準(zhǔn)確性，用剩余4個已知樣品的3個變量重新代入函數(shù)，可根據(jù)已知的煤層對比結(jié)果判斷其效果（見表3）。從表3中可以看出，這4個樣品判別準(zhǔn)確，可以將2套煤層完全區(qū)分開。因此，將R5井未知煤層3個自變量代入函數(shù)，得到函數(shù)值為－3．51，小于臨界點(diǎn)，則可判定為11號煤層。

這種定量的數(shù)學(xué)對比方法在解決少量煤層對比難點(diǎn)方面取得了較好的效果，是一種有效的煤層對比輔助方法。

表3 判別分析結(jié)果驗(yàn)證

4 結(jié) 論

（1）Galilee盆地二疊紀(jì)煤系地層巖性變化大且具有薄互層的特征，綜合巖性識別曲線在準(zhǔn)確劃分該種類型煤系地層沉積旋回方面取得了較好效果。

（2）在以綜合巖性識別曲線為主要參考依據(jù)下，將Galilee盆地二疊系劃分了3個長期旋回、6個中期旋回以及18個短期旋回，揭示出了該地區(qū)的沉積旋回特征，分析了其湖侵－湖退－湖侵的演化階段，進(jìn)而呈現(xiàn)出各主力煤層在各階段的發(fā)育規(guī)律。

（3）在單井分析基礎(chǔ)上，綜合利用沉積旋回、煤層和煤組及數(shù)學(xué)方法開展多井煤層對比，從定性到定量，從宏觀到微觀，準(zhǔn)確、全面地展示出該區(qū)煤層較好的橫向連續(xù)性，明確了主力煤層、煤組分布特征，為煤層氣的勘探提供了參考依據(jù)。

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