基于地震沉積學方法的煤層厚度預測

曹路通 常鎖亮,3 潘永學 陳 強,3 劉 晶

(1.太原理工大學礦業(yè)工程學院, 山西省太原市，030024; 2. 山西山地物探技術有限公司, 山西省晉中市，030600； 3. 煤與煤系氣地質山西省重點實驗室，山西省太原市，030024)

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曹路通1常鎖亮1,3潘永學2陳 強1,3劉 晶1

(1.太原理工大學礦業(yè)工程學院, 山西省太原市，030024; 2. 山西山地物探技術有限公司, 山西省晉中市，030600； 3. 煤與煤系氣地質山西省重點實驗室，山西省太原市，030024)

為獲得中裕地區(qū)的精細煤厚資料，基于相控沉積理論，借助地震沉積學在地層巖性識別及沉積相帶劃分等方面的優(yōu)勢，提出利用地震沉積學方法預測煤厚的思路。通過對研究區(qū)山西組2#煤層聚煤前后沉積相帶分布及其演化與煤厚相關性分析，實現(xiàn)對2#煤層厚度的預測。結果表明：研究區(qū)2#煤層聚煤前為下三角洲沉積環(huán)境，聚煤后為上三角洲沉積環(huán)境。后期構造及聚煤后沉積環(huán)境對煤厚變化影響較小，而聚煤前沉積環(huán)境及其相帶分布對煤厚變化起控制作用。煤厚預測結果與鉆孔揭露吻合較好，最大絕對誤差厚度為0.24 m，最大相對誤差為9.19%，精度相對較高，證實了該方法的可行性。

地震沉積學 地層切片 巖性識別 沉積相 煤厚預測

煤儲層既是煤層氣的源巖，又是煤層氣的儲層，是影響煤層氣賦存的一個關鍵因素，其重要性不言而喻，因此對煤儲層的厚度變化及其空間展布形態(tài)進行精確預測具有重要意義。煤層屬于薄層，而薄層的定量預測一直是業(yè)界公認的難題之一。

20世紀80年代,我國煤田地質人員主要根據(jù)威得斯(Widess)的薄層理論運用振幅法進行煤層厚度變化趨勢的預測研究。繼威得斯(Widess)的研究之后，國內外地質和地球物理工作者圍繞薄層厚度的定量解釋作了許多探索研究，提出了多種煤層厚度預測的方法，這些方法有各自的假設前提及使用范圍，歸納下來可分為三類：振幅法、直接預測法和統(tǒng)計分析法。這些方法綜合運用了當時相對前沿的技術與理論，如地震屬性技術、頻譜分析、小波變換等，并通過專業(yè)軟件加以實現(xiàn)，使得煤層厚度的定量預測精度不斷提高，促進了實際生產的發(fā)展。但是有些方法仍存在著理論上的不足及實際應用中的局限，因此，有必要進行煤層厚度定量解釋方法的深入研究。

前人通過研究發(fā)現(xiàn)煤層的厚度和分布面積主要受沉積環(huán)境控制，不同類型的沉積相中發(fā)育的煤層在厚度、分布面積等方面有所不同。而地震沉積學作為一門新興的邊緣交叉學科，是目前使用較多的一種沉積相帶預測及其巖性識別的地震地質解釋方法。本文以中裕地區(qū)山西組2#煤層為例，基于相控沉積理論，提出利用地震沉積學相關技術預測煤厚的思路。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省沁水盆地中西部地區(qū)，沁水盆地為一大型復式向斜型盆地，作為華北地臺的一部分，在晚古生代主要是海陸交互相背景下的三角洲沉積體系。山西組作為本研究的主要目的層段，總體為一東南傾向的單斜構造，地層傾角在4°～7°，斷層較少，在其沉積時期，研究區(qū)范圍地形較緩，物源遠距離運移，沉積粒度較細，砂泥巖薄互層發(fā)育。

山西組的主要煤層為1#煤層和2#煤層，1#煤層厚度小且不穩(wěn)定；2#煤層位于山西組中下部，厚度大且全區(qū)穩(wěn)定，因此為本區(qū)主力煤層，但作為傳統(tǒng)的薄層(小于1/4地震波波長)，受地震分辨率限制，難以對其進行精細預測。研究區(qū)地震資料品質較好，目的層段山西組主頻達35～50 Hz，沉積現(xiàn)象豐富，構造較為簡單，這為利用地震沉積學方法預測煤厚提供了良好的條件。因此基于相控沉積理論，借助地震沉積學在沉積相研究方面的優(yōu)勢，通過對聚煤前后沉積環(huán)境的研究，分析沉積相帶與煤厚的關系，從而實現(xiàn)對煤厚及其空間展布形態(tài)的預測。

2 地震沉積學預測聚煤前后沉積微相

地震沉積學強調在高精度等時層序地層格架的基礎上，利用地震資料的高橫向分辨率和關鍵技術(地層切片、90°相位轉換、分頻解釋技術)，結合關鍵井巖性以及不同成因類型砂體的地貌特征，以恢復沉積類型和沉積演化歷史。地震沉積學研究需要具有巖性地層意義的數(shù)據(jù)體，因此本文利用90°相位轉換技術將具有巖性地層意義的相位轉換數(shù)據(jù)體作為地震沉積學研究的基礎數(shù)據(jù)體。建立等時地層格架時，先利用測井/鉆孔巖芯數(shù)據(jù)，對山西組層序界面進行識別，然后以井為單位對山西組地層進行高分辨率層序劃分，認為研究區(qū)山西組可以劃分為2個中期基準面旋回和4個短期基準面旋回，并對單井進行沉積微相解釋，結果如圖1所示。

利用分頻井震標定選擇穩(wěn)定不隨頻率變化的地震同相軸作為等時界面的參考標志層，最終分別選取山西組頂部的駱駝脖子砂巖K8和底部的北岔溝砂巖K7及中部的2#煤層頂板作為標志層序界面。為了達到井震研究尺度的統(tǒng)一，結合分頻剖面和單井基準面旋回的劃分，構建研究區(qū)以準層序組和與之對應的中期旋回為單元的等時層序地層格架，并以中期旋回作為最小等時單元，對最小等時單元做地層切片，然后挑選出最能代表相應旋回沉積時期的切片進行屬性提取分析，從而保證地層切片的等時性和實際意義。

基于井控地層切片技術，首先使用等比例切片將最小等時地層單元切分為多個與井上分層對應的等時體提取地震屬性，而后在分析井點相應層序內砂地比與地震屬性的相關關系基礎上優(yōu)選地震屬性。通過地震屬性間互相關分析，選擇相關系數(shù)較高，且平面形態(tài)更符合沉積相展布的地震屬性，頻譜分解、弧長、均方根振幅及波形聚類屬性作為聚煤前后兩個沉積旋回時期的最優(yōu)屬性。通過對優(yōu)選的屬性進行分析，并結合單井巖性及沉積相進行標定，從而可定性的確定砂體范圍、物源、河道展布特征及趨勢，進而對不同沉積微相平面展布有一個直觀的表示，聚煤前均方根振幅屬性和沉積微相分布見圖2，聚煤后弧長屬性和沉積微相分布見圖3。

圖3 聚煤后弧長屬性和沉積微相分布圖

由圖2(b)可以看出，該沉積時期研究區(qū)主要發(fā)育深灰色的泥巖、粉砂巖及薄或中厚層的細粒砂巖，含豐富的植物化石碎片，局部發(fā)育大型交錯層理，為下三角洲平原沉積環(huán)境，伴隨著水體從西北往東南退卻，區(qū)內從北東到西南全區(qū)發(fā)育一條河道，河道局部地區(qū)發(fā)育兩個規(guī)模較小的決口扇，研究區(qū)北部延伸了一個規(guī)模較大的河道，西部和中南部及東部地區(qū)發(fā)育間灣、沼澤微相，覆水較淺，是周期性被水淹沒的低洼地區(qū)，沼澤中植被繁茂，為滯留的弱還原環(huán)境，區(qū)內泥炭大量發(fā)育，為2#煤層的形成創(chuàng)造了良好的條件，在2#煤層沉積后經歷了一次短暫的水進過程，因此在2#煤層上部廣泛發(fā)育一套泥巖蓋層。由圖3(b)可以看出，伴隨著整體的持續(xù)水退背景，研究區(qū)主要發(fā)育灰—深灰色砂質泥巖、粉砂巖和中細粒砂巖，夾1～2層薄煤層，具大型板狀交錯層理，為上三角洲平原上的分流河道、泛濫盆地沉積，分流河道從北東到南西在研究區(qū)內大量發(fā)育，河道縱橫交織，中等粒度，河道南部近東西向分布，方向發(fā)生變化且南部河道間局部發(fā)育沼澤微相，河道外部泛濫盆地分布在整個研究區(qū)內。

3 研究區(qū)煤厚變化地質控制因素分析

控制煤厚變化的因素是沉積環(huán)境和地質構造兩個方面,煤層厚度的區(qū)域變化主要受沉積環(huán)境控制，構造主要引起煤層厚度的局部變化。

3.1 后期構造對煤厚變化的影響

沁水盆地在穩(wěn)定沉積了二疊系煤層后，先后經歷了印支期、燕山期和喜馬拉雅期三期構造運動。三疊紀時期發(fā)生的印支運動板塊碰撞區(qū)離本區(qū)較遠，對本地區(qū)地殼變形影響小，對煤厚變化影響可忽略；在侏羅、白堊紀時期發(fā)生了燕山運動，盆地整體上升遭受剝蝕，但研究區(qū)山西組含煤巖系基本上沒有遭受風化剝蝕，保存較完整；燕山晚期構造運動劇烈，但構造產生的斷層和褶皺對研究區(qū)煤厚的影響亦不十分明顯，區(qū)內大多數(shù)斷層兩盤的巖層及煤厚并沒有顯著的差異，從鉆井揭露的情況看，褶皺作用也沒有使煤層發(fā)生明顯的塑性變形；而研究區(qū)中部和南部規(guī)模較小的幾條斷層則是在新生代初期喜馬拉雅活動期所產生的大規(guī)模右旋張扭運動造成地塊間相對受力而派生的次級斷層，對煤厚變化影響很小。總的來說后期構造運動對煤層厚度影響相對較小。

3.2 聚煤前后沉積相與煤厚變化的關系

煤層厚度和分布面積主要受沉積環(huán)境控制，不同類型的沉積相發(fā)育帶的煤層在厚度、分布面積等方面不同。依據(jù)研究區(qū)層序劃分情況，2#煤層形成于山西組下段(S1)沉積后期，因此聚煤前為下三角洲沉積環(huán)境，此時區(qū)內低洼的覆水沼澤廣泛發(fā)育，水體安靜，低能半還原的沉積環(huán)境有利于泥炭大量堆積，為2#煤層的形成提供了良好的條件。同時在研究區(qū)內從北東到西南方向發(fā)育一條河道，河道中部發(fā)育兩個面積較小的決口扇體，且研究區(qū)北部有區(qū)外延伸的一河道末端，這些區(qū)域內砂體發(fā)育，使得聚煤時基底不平，從而影響了上部泥炭沼澤的發(fā)育，泥炭層堆積較薄，對煤層的發(fā)育起到了不利作用。2#煤層形成后經歷了一次短暫的水進過程，區(qū)內廣泛發(fā)育的一套泥巖蓋層對2#煤層的儲存起到了至關重要的作用。2#煤層聚煤后研究區(qū)進入了山西組上段(S2)上三角洲平原沉積時期，水體能量總體增強，河道廣泛發(fā)育，對下伏地層起到一定的沖刷作用，但是從揭露的鉆井巖心來看，除了南部14-1和14-3兩口井中2#煤層的直接頂板泥巖蓋層被沖蝕穿透，致使煤層減薄，其余絕大部分井的泥巖蓋層均未被河道穿透。從巖性分析來看2#煤層頂部砂巖和煤厚也沒有明顯相關性，反而聚煤前山西組下段(S1)沉積時期砂體厚度分布與煤厚呈較高的負相關關系，如圖4所示，因此判斷2#煤層的沉積厚度受山西組下段沉積環(huán)境的控制，這對研究區(qū)2#煤層的厚度預測提供了有利條件。

圖4 2#煤層厚度與山西組下段砂地比相關性分析

3.3 煤厚預測

通過以上分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)后期構造運動對2#煤層厚度變化影響較小，煤厚變化受沉積環(huán)境的控制，泥炭沼澤及間灣發(fā)育的地方煤層厚度大，而分流河道和決口扇等砂體發(fā)育的地方煤層薄，煤厚與該時期砂體呈負相關關系。因此以聚煤前山西組下段層序內沉積相帶的分布為控制條件，結合地震較高的橫向分辨率及地震沉積學對沉積相巖性分布方面的優(yōu)勢，利用該層序段內優(yōu)選出的均方根屬性與砂地比之間的相關性計算出該時期砂地比的分布情況，然后以砂地比為橋梁，利用2#煤層與該時期砂體之間的負相關關系，對2#煤層的厚度及其空間展布形態(tài)進行了預測，結果如圖5所示。從圖中可見研究區(qū)2#煤層全區(qū)分布，煤層較厚，研究區(qū)中部及北部河道、決口扇等砂體發(fā)育的沉積微相內煤層相對減薄，最薄區(qū)位于河道內部；而泥炭沼澤發(fā)育的地方煤層較厚，最厚區(qū)位于研究區(qū)西北部暗色泥巖、炭質泥巖最發(fā)育地區(qū)，這符合地質沉積規(guī)律，且預測結果和鉆井揭露的煤厚吻合較好，見表1，2#煤層預測的最大絕對誤差厚度為0.24m，最大相對誤差為9.19%，精度相對較高。

圖5 基于沉積相表征參數(shù)的2#煤層厚度預測

孔號2#煤層厚度預測值/m2#煤層厚度實際值/m絕對誤差/m相對誤差/%10-1238240-002-07411-140740500204412-132031200824913-228228100104414-125124001145110-217516101487411-231630700930212-228926502491913-3323329-006-17814-233533300206410-317316500849911-322721401359312-3266273-007-26413-5315316-001-02314-31531520010972304153148005321

本文利用地震沉積學方法技術，基于聚煤前沉積相砂地比與煤厚的相關關系，預測研究區(qū)2#煤層厚度，該方法充分運用了地震資料在橫向上分辨率較高的特點及地震沉積學在沉積相帶、巖性分布方面的優(yōu)勢，取得了良好的效果，證明了該方法的可行性，為利用聚煤前后沉積環(huán)境的演化分析預測煤厚及其空間展布形態(tài)進行了可行的實踐，為拓展地震沉積學的研究方向提供了新的思路。

4 結論

(1)研究區(qū)山西組地層可劃分為2個中期旋回和4個短期旋回，為達到井震統(tǒng)一尺度，以中期旋回作為地震沉積學研究的最小等時單元，以90°相位旋轉數(shù)據(jù)體作為切片屬性提取的基礎數(shù)據(jù)體開展地震沉積學研究。

(2)研究區(qū)山西組含煤巖系為海陸交互相背景下的河控三角洲沉積體系，2#煤層聚煤前為下三角洲沉積環(huán)境，聚煤后為上三角洲沉積環(huán)境。

(3)研究區(qū)煤厚及其變化主要受沉積環(huán)境控制，且起主要作用的是聚煤前的沉積環(huán)境及其相帶分布，泥炭沼澤及間灣煤層厚度最大，而聚煤后的沉積環(huán)境及后期構造對2#煤層厚度變化影響較小。

(4)2#煤層厚度與聚煤前的沉積砂體之間呈負相關關系，以聚煤前的沉積相帶及其巖性分布為控制，以該時期沉積相的表征參數(shù)(砂地比)為橋梁，利用煤厚與砂體的相關關系，初步實現(xiàn)了對煤層厚度變化及其空間展布形態(tài)的預測，預測結果與鉆孔揭露吻合較好，證實了該方法的可行性。

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(責任編輯 郭東芝)

Predition of coal seam thickness based on seismic sedimentology method

Cao Lutong1, Chang Suoliang1,3, Pan Yongxue2, Chen Qiang1,3, Liu Jing1

(1.College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China; 2. Shanxi Shandi Geophysical Prospecting Technology Co., Ltd., Jinzhong, Shanxi 030600, China； 3. Shanxi Key Laboratory of Coal and Coal Measure Gas Geology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

In order to obtain the fine coal thickness data of Zhongyu area, based on theory of facies control sedimentation, the authors put forward the idea of using seismic sedimentology method to predict the thickness of coal seam with the help of seismic sedimentology in lithology identification and sedimentary facies classification and other advantages. The thickness of No. 2 coal seam was predicted by analyzing the correlation between distribution and evolution of the sedimentary facies belt and coal thickness before and after the coal accumulation of the No. 2 coal seam of Shanxi Formation in research area. The results showed that the No. 2 coal seam was in lower delta deposit environment before the coal accumulation and in upper delta deposit environment after the coal accumulation. Later geologic structure and the depositional environment after coal accumulation had little influence on change of coal thickness, while the depositional environment and its facies belt distribution before the coal accumulation played a controlling role in the change of coal thickness. The coal thickness prediction results were in good agreement with the drilling results, the maximum absolute error of the coal thickness was 0.24 m and the maximum relative error was 9.19%, the accuracy was relatively high, which confirmed the feasibility of the method.

seismic sedimentology, strata slicing, lithology identification, sedimentary facies, coal thickness prediction

山西省煤基重點科技攻關資助(MQ201401)

曹路通，常鎖亮，潘永學等. 基于地震沉積學方法的煤層厚度預測[J].中國煤炭，2017,43(3)：27-31，35. Cao Lutong, Chang Suoliang, Pan Yongxue, et al. Predition of coal seam thickness based on seismic sedimentology method[J]. China Coal, 2017,43(3):27-31，35.

P631

A

曹路通(1990-)，男，河南汝州人，在讀碩士研究生，主要從事地震地質綜合研究工作。