海陸過渡相煤系含氣層測井響應(yīng)特征分析

尹帥 丁文龍 劉建軍 曹翔宇

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083；2.中國石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院，河北任丘 062552）

海陸過渡相煤系含氣層測井響應(yīng)特征分析

尹帥1丁文龍1劉建軍2曹翔宇1

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083；2.中國石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院，河北任丘 062552）

煤系天然氣聚集規(guī)律復(fù)雜，是當(dāng)前天然氣勘探的熱點領(lǐng)域。沁水盆地南部上古生界廣泛發(fā)育海陸過渡相煤系地層，具有致密氣勘探潛力，但目前研究程度較低?；谝巴饴额^、地震、氣測、常規(guī)及特殊測井資料，對該地區(qū)煤系含氣儲層地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行了劃分。同時，分析了不同類型儲層的測井識別方法及含氣層的各向異性特征。研究結(jié)果表明，該地區(qū)煤系地層發(fā)育煤巖型、致密砂巖型、砂泥巖互層型、泥頁巖型及灰?guī)r型5類儲層單元?；诔Ｒ?guī)及特殊測井，制定了煤系致密氣層識別的標(biāo)準(zhǔn)。巖性、地應(yīng)力及裂縫發(fā)育程度對儲層各向異性均有顯著影響，裂縫發(fā)育程度對巖石各向異性的影響要強(qiáng)于地應(yīng)力。該地區(qū)煤巖具有最強(qiáng)的各向異性，其次為砂巖及泥巖，砂泥巖頻繁互層型地層的各向異性較小。

沁水盆地 海陸過渡相 煤系 含氣層 測井

0 引言

“煤系”又稱“煤巖系”或“含煤建造”，泛指含有煤層或煤線的沉積巖體系［1］。煤系含有豐富的烴源巖，同時其自身也可以儲集大量的天然氣，是目前國內(nèi)外天然氣勘探的重點領(lǐng)域［2-3］。煤系通常為陸相或海陸過渡相沉積，巖性在縱向上及平面上變化都較快，存在較強(qiáng)的非均質(zhì)性及各向異性，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜［4］。因此，煤系地層含氣性及天然氣富集規(guī)律研究的難度較大，目前認(rèn)識尚淺，是當(dāng)前研究的熱點及難點［5］。沁水盆地南部地區(qū)上古生界廣泛發(fā)育海陸過渡相煤系地層，其中煤層氣已獲得商業(yè)開發(fā)，煤系致密砂巖氣目前還尚處于勘探階段。老井復(fù)查及氣測結(jié)果顯示，煤系地層中致密砂巖、泥頁巖及灰?guī)r中均存在氣測異?，F(xiàn)象，因此，推測地區(qū)可能存在多種致密氣藏類型［6］。深入研究該地區(qū)上古生界海陸過渡相煤系地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)及含氣性測井響應(yīng)特征，一方面對指導(dǎo)該地區(qū)致密氣勘探具有現(xiàn)實意義；同時，其也可以成為煤層氣的重要補(bǔ)充，對推動地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。筆者利用該地區(qū)野外露頭、地震、氣測、常規(guī)及特殊測井資料，對上古生界煤系含氣儲層地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行了劃分。同時，分析了不同類型儲層的測井識別方法及含氣層的各向異性特征。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于沁水盆地南部，太原組和山西組是該地區(qū)上古生界最主要的煤系地層，共含煤11～17層；本溪組和下石盒子組均只含薄煤層或煤線。太原組主要為海相沉積，而山西組則是在太原組海相地層層序基礎(chǔ)上沉積的一套海陸交互相沉積，代表溫暖濕潤的氣候環(huán)境。山西組的頂界為下石盒子組的駱駝脖子砂巖底，沉積環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠谉岣珊禋夂颍?-4］。

研究區(qū)石炭系底界為一區(qū)域性的不整合面，從地震反射剖面上對該三級層序界面進(jìn)行識別，可識別出削截不整合（圖1a）。削截也叫“削蝕”，為層序的上界面，是識別層序界面的可靠標(biāo)志，意味著地層曾暴露地表并遭受強(qiáng)烈剝蝕。在二疊系頂面上可識別出上超不整合（圖1b），上超接觸是層序底界面的可靠標(biāo)志，表現(xiàn)為層序的底部地層向原始傾斜界面逐層終止，由于水體的不斷擴(kuò)大，地層呈現(xiàn)出向上逐層超覆的現(xiàn)象［7］。

圖1 沁水盆地南部地區(qū)不整合面特征圖

野外實測露頭剖面及鉆井資料顯示，沁水盆地三疊系及其上覆中生代地層普遍缺失，三疊系頂部為一個重大的不整合面，代表了一次強(qiáng)烈的區(qū)域性構(gòu)造隆升作用。從部分地區(qū)三疊系出露地層中也可識別出角度不整合關(guān)系，為構(gòu)造活動的有力證據(jù)。復(fù)雜構(gòu)造演化及沉積成巖作用對該地區(qū)煤系地層生排烴及儲層含氣性均產(chǎn)生了重要影響，是該地區(qū)天然氣分布特征復(fù)雜的重要原因之一。

2 煤系地層含氣層測井響應(yīng)特征

2.1 含氣層單元結(jié)構(gòu)劃分

研究區(qū)石炭—二疊煤系含氣層地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要可劃分為煤巖型、致密砂巖型、砂泥巖互層型、泥頁巖型及灰?guī)r型5類含氣儲層單元（圖2），其中前兩類是最主要的類型。煤巖型儲層（圖2a）主要為太原組15號煤層及山西組3號煤層，這兩個煤層的厚度較大，在區(qū)內(nèi)分布也最穩(wěn)定，含氣量通常大于15 m3/t。致密砂巖型儲層（圖2b）指大段砂巖夾薄泥巖層，單砂層的厚度通常大于2～3 m，砂地比通常大于70%。砂泥巖互層型儲層（圖2c）指砂巖和泥（頁）巖頻繁互層，砂地比約為50%。泥頁巖型儲層（圖2d）指大段泥頁巖夾薄層砂巖，砂地比通常小于40%?；?guī)r型儲層（圖2e）指大段灰?guī)r含氣層。煤巖是煤系地層主要的烴源巖，該地區(qū)天然氣具有僅臨烴源巖，近距離富集的成藏條件。

2.2 含氣層測井識別

2.2.1 常規(guī)測井

圖2 研究區(qū)煤系含氣儲層單元劃分圖

圖3所示為研究區(qū)QSX井含氣層測井評價成果圖，從氣測全烴結(jié)果可以看出，該井在山西組底部及太原組的含氣性較好，而山西組中上部地層及下石盒子組的含氣性較差。

圖3 QSX井含氣層測井評價圖

所研究3號煤的宏觀煤巖類型為光亮煤，少數(shù)為半光亮煤及半暗煤，僅在局部夾有薄層暗淡煤。煤巖成分以亮煤為主，鏡煤主要為中—細(xì)至寬條帶狀結(jié)構(gòu)，夾少量薄層狀絲炭體。根據(jù)煤體結(jié)構(gòu)劃分的煤巖類型主要為原生結(jié)構(gòu)煤，僅在斷層附近有少量碎裂結(jié)構(gòu)煤分布。

煤巖地層通常具有較好的含氣性，為含氣層（圖3）。富氣煤巖層在常規(guī)測井曲線上主要表現(xiàn)為：低自然伽馬（小于60 API）、低密度（1.25～1.6 g/cm3）、低泥質(zhì)含量（小于15%）、高縱波時差（350～450 μs/m）及深、淺電阻率出現(xiàn)一定幅度差的特征（圖3）。隨著煤巖含氣量的增加，密度、聲波時差及電阻率測井曲線的響應(yīng)變化較為明顯，表現(xiàn)為巖石密度值會略降；聲波時差值則出現(xiàn)較大幅度升高；同時，巖石電阻率值出現(xiàn)大幅度降低，且深淺側(cè)向電阻率間具有較大的幅度差。

此外，致密砂巖儲層也是該煤系地層中的重要富氣單元，為天然氣勘探的重要目標(biāo)。具有較好含氣性的致密砂巖儲層主要表現(xiàn)為以下4方面測井響應(yīng)：①密度與補(bǔ)償中子或縱波時差測井曲線間存在一定“幅度差”，表現(xiàn)為密度曲線值相對偏小，而補(bǔ)償中子或縱波時差曲線值相對偏高（圖3）。圖3中有密度測井的曲線道（第5曲線道）通過曲線疊合方法將密度與補(bǔ)償中子間具有“幅度差”（黃色）的部分標(biāo)示出來。其中，下石盒子組有多段地層具有“幅度差”，但這些層段多為干層及氣水層，含氣性差，這與該地層中泥質(zhì)含量高及保存條件較差有關(guān)。山西組及太原組含氣層與第5曲線道所反映的“幅度差”層段具有較好的對應(yīng)性。②地層含氣時會引起聲波時差增加，因此該曲線往往出現(xiàn)周期跳躍現(xiàn)象（圖3）。③地層含氣時巖石密度測井值會略降。④地層含氣時巖石電阻率值會升高。

2.2.2 陣列聲波測井

根據(jù)陣列聲波測井也可以對煤系含氣層進(jìn)行有效識別，如圖4所示。致密砂巖儲層（圖4A）的各聲波時差要明顯小于煤巖儲層（圖4B）。由于地層含氣，各類儲層的聲波幅度會向低幅度方向偏移，煤巖儲層的縱波、橫波及斯通利波幅度均會出現(xiàn)一定程度降低（圖4B）；而致密砂巖儲層的縱波、橫波及斯通利波幅度值要相對高一些，當(dāng)?shù)貙雍瑲鈺r，聲波幅度值會出現(xiàn)一定程度波動（圖4A）。同時，地層含氣會引起縱波、橫波及斯通利波的衰減，煤巖儲層的衰減幅度要明顯大于致密砂巖儲層（圖4）。從單、偶級變密度圖像上可以清楚地區(qū)分煤巖儲層，煤巖儲層的反射曲線比較模糊（圖4B）；對于致密砂巖儲層來說，具有較好含氣顯示的層段同時具有較好的滲透性，其單、偶級變密度圖像往往呈現(xiàn)出“V”字型反射（圖4A）。

圖4 煤系含氣儲層陣列聲波測井響應(yīng)特征圖

2.3 含氣層各向異性特征

各向異性是致密儲層的固有屬性，利用陣列聲波測井資料分析致密儲層各向異性是目前較為常用的一種方法。地下巖石處于三向應(yīng)力環(huán)境下，且通常發(fā)育一些裂縫或微裂隙，沿著水平最大主應(yīng)力方向或平行于裂隙走向方向，地層巖石的剛度或強(qiáng)度都要相對高一些，對應(yīng)偏振橫波的傳播速度也更快一些。因此，快橫波方向通?？芍甘镜貙又兴阶畲笾鲬?yīng)力方向或裂縫走向，因此，可以利用該方法研究儲層在水平方向的平面各向異性。根據(jù)研究區(qū)目的層成像測井進(jìn)行擴(kuò)徑分析，結(jié)果顯示該地區(qū)地應(yīng)力方向為NE45°方向。研究區(qū)裂縫的形成具有期次性，天然裂縫主要有4個主方向，分別為南北向、北西向、北北東向和北東向，與印支期以來4個階段（印支期、燕山期、喜馬拉雅運動早期及喜馬拉雅運動中晚期）的構(gòu)造運動的擠壓方向具有較好的一致性。4個階段構(gòu)造運動的擠壓方向不同，現(xiàn)今應(yīng)力方向與喜馬拉雅運動中晚期擠壓方向近似。

圖5所示為QSX井各向異性分析成果圖，可以看出，煤儲層段（如1 725～1 732 m井段）具有較強(qiáng)的各向異性，其平均各向異性可以達(dá)到15%。1 698～1 709 m井段致密砂巖的平均各向異性主要分布在3%～9%，地層具有一定各向異性，但其各向異性要明顯小于煤巖。該致密砂巖段的含氣性較差，與保存條件不好有關(guān)；但該井段的裂縫發(fā)育程度較好，這是造成地層各向異性的主要原因。1 710～1 725 m為大段泥巖，地層平均各向異性主要分布在3%～10%，地層各向異性與泥巖地層中發(fā)育一些微裂隙及復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境有關(guān)。1 734～1 748 m井段主要為泥巖層，同時夾數(shù)層致密砂巖，該井段平均各向異性約為0，具有各向同性特征，表明地層中裂縫不發(fā)育。從快橫波傳播方向判斷，該井段的應(yīng)力方向約為北西向（圖5）。因此，地應(yīng)力對地層巖石各向異性的影響較小，而當(dāng)?shù)貙又邪l(fā)育裂縫時，地層通常具有較強(qiáng)的各向異性。該研究表明，裂縫發(fā)育程度對巖石各向異性的影響要強(qiáng)于地應(yīng)力。該地區(qū)砂泥巖頻繁互層型地層的各向異性較小。

圖5 QSX井各向異性分析成果圖

快橫波方位分析反映出地層中存在兩個優(yōu)勢橫波傳播方向，分別為北西向和北東向，北東向的強(qiáng)度要略高于北西向（圖5）。其與該地區(qū)天然裂縫走向及古應(yīng)力環(huán)境均具有一定對應(yīng)性。該地區(qū)主要發(fā)育北西向及北東向區(qū)域性天然裂縫。其中，北西向天然裂縫通常認(rèn)為受燕山運動影響，而北東向天然裂縫則與喜馬拉雅運動有關(guān)。煤系地層各向異性在縱向上存在較大的差異，利用快橫波方法進(jìn)行分析是一種有效的方法。

3 結(jié)論

1）將沁水盆地南部上古生界煤系劃分為煤巖型、致密砂巖型、砂泥巖互層型、泥頁巖型及灰?guī)r型5類儲層單元。

2）基于常規(guī)及特殊測井，制定了煤系致密氣層儲層識別的標(biāo)準(zhǔn)。

3）巖性、地應(yīng)力及裂縫發(fā)育程度對煤系致密儲層各向異性均有顯著影響，裂縫發(fā)育程度對巖石各向異性的影響要強(qiáng)于地應(yīng)力。煤巖具有最強(qiáng)的各向異性，其次為砂泥巖，砂泥巖頻繁互層型地層的各向異性較小。

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（編輯：盧櫟羽）

B

2095-1132（2016）06-0012-04

10.3969/j.issn.2095-1132.2016.06.004

修訂回稿日期：2016-11-21

國家自然科學(xué)基金項目（41372139、41072098）；國家科技重大專項專題（2011ZX05018-001-002、2011ZX05009-002-205、2011ZX05033-004）。

尹帥（1989-），博士研究生，研究方向為石油構(gòu)造分析與控油作用、非常規(guī)油氣構(gòu)造和裂縫及其與含氣量關(guān)系。E-mail：speedysys@163.com。