營盤壕井田侏羅系直羅組相控砂體展布與富水規(guī)律研究

張 康，魏久傳，李立堯，謝 超，邢婧文，杜夢(mèng)迪

（山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266590）

煤層頂板水害是威脅煤礦安全的重要因素之一，嚴(yán)重影響著礦井的建設(shè)和安全生產(chǎn)。前人對(duì)煤層頂板富水性進(jìn)行了大量研究，如基于GIS 信息融合的富水性指數(shù)法，基于數(shù)據(jù)分析的模糊聚類分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法等[1-5]?？傮w來說，是通過分析含水層主控因素，確定相應(yīng)權(quán)重，從而進(jìn)行信息融合達(dá)到評(píng)價(jià)富水性的目的。以往的方法對(duì)煤層頂板富水性判斷提供了較好的指導(dǎo)意義，但是很少將沉積體系與砂體展布和富水性相結(jié)合。沉積相是在特定環(huán)境下形成的，其形成的砂體對(duì)地下水的分布具有一定的控制作用。因此，通過沉積學(xué)的原理對(duì)煤層頂板砂體展布規(guī)律與富水性進(jìn)行分析，具有重要意義。為此，引進(jìn)INPEFA 測(cè)井旋回識(shí)別技術(shù)，結(jié)合研究區(qū)巖心、測(cè)井等資料，對(duì)營盤壕井田直羅組地層進(jìn)行重新劃分，并對(duì)其沉積體系進(jìn)行識(shí)別，分析了沉積相與砂體平面展布的內(nèi)在聯(lián)系，為評(píng)價(jià)煤層頂板富水規(guī)律提供了一個(gè)新的思路。

1 研究區(qū)概況

營盤壕井田在地層區(qū)劃上隸屬于華北地層區(qū)鄂爾多斯分區(qū)。研究區(qū)內(nèi)地表大部被現(xiàn)代風(fēng)積沙及湖積沙層覆蓋，零星地段見有第四系黃土出露。據(jù)鉆孔揭露及地質(zhì)填圖資料，區(qū)內(nèi)地層由新至老依次有：全新統(tǒng)沖洪積物，第四系馬蘭組，新近系上新統(tǒng)，白堊系志丹群，侏羅系安定組、直羅組、延安組，三疊系延長組。研究區(qū)侏羅系中統(tǒng)直羅組底部發(fā)育較厚的中粗粒砂巖，與下伏含煤層系延安組成平行不整合接觸；頂部發(fā)育粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖，與安定組成整合接觸。

2 基于INPEFA技術(shù)的直羅組地層劃分

鉆孔揭露表明研究區(qū)直羅組主要由灰綠色砂巖、砂質(zhì)泥巖，紫雜色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖互層組成。直羅組底部發(fā)育灰色、灰綠色粗、中砂巖、細(xì)砂巖；中部為灰綠色細(xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖；頂部為紫紅色雜砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖互層，直羅組巖性如圖1。

圖1 直羅組巖性

對(duì)于研究區(qū)直羅組地層的劃分，目前還沒有明確的劃分方案。薛銳等將直羅組劃分為上下2 段，并將下段細(xì)分為了2 個(gè)亞段[6]；繆宗利等將直羅組分為了4 個(gè)沉積旋回，每個(gè)沉積旋回又進(jìn)一步劃分了2 個(gè)亞旋回[7]；趙蕾將直羅組分為1 個(gè)超長期旋回、3 個(gè)長期旋回和10 個(gè)中期旋回[8]。在參考前人研究成果的基礎(chǔ)上，引入INPEFA 測(cè)井旋回識(shí)別技術(shù)，結(jié)合巖心、測(cè)井資料，將直羅組地層劃分為1 個(gè)長期旋回、3 個(gè)中期旋回以及6 個(gè)短期旋回。

2.1 INPEFA技術(shù)及其原理

INPEFA 曲線是通過對(duì)PEFA 數(shù)據(jù)進(jìn)行特定積分得來的。而PEFA 數(shù)據(jù)是利用最大熵頻譜分析法（MESA）對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行處理得到的[9-10]。INPEFA 技術(shù)的地質(zhì)意義在于其曲線在特定深度段的趨勢(shì)代表地層沉積的連續(xù)。正趨勢(shì)代表水進(jìn)過程，正向尖峰代表可能的最大海（湖）泛面；負(fù)趨勢(shì)代表水退過程，負(fù)向尖峰代表可能的層序界面或者不整合面[11-12]，INFEFA 曲線合成圖（K4-5 孔）如圖2。

圖2 INFEFA 曲線合成圖（K4-5 孔）

2.2 研究區(qū)直羅組地層劃分

INPEFA 技術(shù)的本質(zhì)是對(duì)PEFA 曲線的積分處理，不同測(cè)井曲線所處理出的結(jié)果意義不同；積分區(qū)間的選取對(duì)處理的結(jié)果與精度存在一定的影響。同時(shí)由于數(shù)學(xué)方法的單一性，在進(jìn)行地層劃分時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮到巖性以及其他測(cè)井資料。選取可以較好反應(yīng)泥質(zhì)變化的GR 曲線進(jìn)行INPEFA 技術(shù)處理，遵循從整體到局部的處理順序，結(jié)合巖性、測(cè)井資料，將直羅組劃分為1 個(gè)長期旋回、3 個(gè)中期旋回、6 個(gè)短期旋回。其中3 個(gè)中期旋回分別對(duì)應(yīng)直羅組一段、直羅組二段、直羅組三段，每段細(xì)分為2 個(gè)亞段，K4-5 孔地層劃分方案與沉積相分析如圖3。

1）直羅組一段以灰綠色中-細(xì)砂巖為主，中間夾雜灰綠色粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，具有粒度向上變細(xì)的正韻律沉積旋回，INPEFA 曲線總體呈現(xiàn)正趨勢(shì)，代表1 個(gè)水進(jìn)的沉積過程。下亞段以粗、中砂巖為主，部分含有礫石，自然伽馬曲線形態(tài)成箱型，與下伏延安組成不整合接觸；上亞段與下亞段相比，粒度變細(xì)，以灰綠色細(xì)砂巖、泥巖為主，自然伽馬測(cè)井曲線在幅值上出現(xiàn)波動(dòng)，存在砂泥互層的現(xiàn)象。

2）直羅組二段以灰綠色細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，INPEFA 曲線呈現(xiàn)正趨勢(shì)，依舊為1 個(gè)水進(jìn)的過程。二段與一段相比，粒度變細(xì)，自然伽馬測(cè)井曲線不穩(wěn)定。下亞段以灰綠色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，呈現(xiàn)向上變細(xì)的正粒續(xù)；上亞段較下亞段自然伽馬曲線趨于穩(wěn)定，砂巖單體厚度增加。

3）直羅組三段以灰綠色細(xì)砂巖為主，頂部可見紫紅色雜砂巖、泥巖。與直羅組二段不同，直羅組三段自然伽馬曲線形態(tài)為鐘型，具有良好的曲流河沉積測(cè)井響應(yīng)特征。下亞段以灰綠色細(xì)砂巖為主，中間偶爾夾雜少量砂質(zhì)泥巖，自然伽馬測(cè)井曲線形態(tài)為箱型；上亞段以灰綠色粉砂巖、泥巖為主，部分鉆孔頂部可見紫紅色雜砂巖、泥巖。直羅組三段上亞段在一些鉆孔有缺失現(xiàn)象。

圖3 K4-5 孔地層劃分方案與沉積相分析

3 主要沉積相類型

沉積相測(cè)井響應(yīng)如圖4。

圖4 沉積相測(cè)井響應(yīng)

3.1 辮狀河相

研究區(qū)辮狀河相主要發(fā)育在直羅組一段。底部為灰綠色粗、中砂巖，部分含有礫石，發(fā)育沖刷面、槽狀交錯(cuò)層理，為河道沉積微相；上部為灰綠色粉砂巖、泥巖，發(fā)育波狀層理或水平層理，為河漫灘沉積微相。整體來說，研究區(qū)辮狀河沉積在垂向剖面上表現(xiàn)為粒度向上變細(xì)的水進(jìn)正旋回，自然伽馬曲線為較為光滑的箱裝形態(tài)（圖4（a））。

3.2 辮狀河三角洲前緣相

研究區(qū)辮狀河三角洲前緣相多發(fā)育在直羅組二段，主要發(fā)由水下分流河道與水下分流河道間沉積組成，在研究區(qū)東南部，偶見遠(yuǎn)砂壩沉積微相。其中水下分流河道微相為主體，其沉積特點(diǎn)與辮狀河河道沉積類似，但整體粒度比辮狀河河道沉積要細(xì)，單層砂體變薄。水下分流河道間是水下分流河道沉積之間較細(xì)的沉積物質(zhì)，多為粉砂巖、泥巖，可見水平層理和小型交錯(cuò)層理。辮狀河三角洲平原前緣亞相自然伽馬測(cè)井曲線表現(xiàn)活躍，沒有特定的形態(tài)特征（圖4（b））。

3.3 曲流河相

研究區(qū)曲流河相主要發(fā)育在直羅組三段，主要包括河道沉積、邊灘沉積、天然堤以及河漫灘沉積。下部為灰綠色細(xì)砂巖，可見槽狀、板狀交錯(cuò)層理；上部為灰綠色粉砂巖、泥巖，部分可見紫紅的泥巖，發(fā)育小型交錯(cuò)層理與平行層理。曲流河的“二元結(jié)構(gòu)”較明顯，自然伽馬測(cè)井曲線為鐘型與箱型的組合，與曲流河沉積的測(cè)井響應(yīng)相符合（圖4（c））。

4 研究區(qū)相控砂體展布與富水規(guī)律

4.1 直羅組一段

直羅組一段沉積時(shí)期，盆地開始緩慢上升，研究區(qū)沉積體系由湖泊沉積向河流相沉積轉(zhuǎn)變。直羅組一段發(fā)育辮狀河沉積體系，主要由砂質(zhì)辮狀河道沉積微相以及心灘沉積微相組成。由于辮狀河水動(dòng)力強(qiáng)、改道頻繁的沉積特點(diǎn)，使得河道沉積微相以中粗砂巖為主，分選性較差，砂巖層互相重疊，砂體孔隙度較大；研究區(qū)直羅組一段辮狀河河道微相廣發(fā)發(fā)育，使得砂體在橫向上具有較好的連續(xù)性，提供了非常大的儲(chǔ)水空間。下亞段巖性以粗砂中砂巖為主，砂體厚度平均為20.34 m，砂地比平均為0.6，砂質(zhì)辮狀河道沉積微相與心灘沉積微相發(fā)育較多；上亞段巖性以中砂巖、細(xì)砂巖為主，砂體平均厚度為12.11 m，砂地比為平均為0.4，心灘沉積微相減少，河道變窄，支流變多，直羅組一段砂巖厚度等值線與沉積相平面圖如圖5。

圖5 直羅組一段砂巖厚度等值線與沉積相平面圖

4.2 直羅組二段

直羅組二段沉積時(shí)期，水進(jìn)沉積繼續(xù)，使得研究區(qū)沉積體系由辮狀河沉積向辮狀河三角洲沉積體系轉(zhuǎn)變。直羅組二段主要發(fā)育辮狀河三角洲前緣沉積亞相，由水下分流河道與水下分流河道間組成。辮狀河道沉積微相的沉積特點(diǎn)在水下分流河道沉積微相這里得到了一定的保留，基本繼承了早期辮狀河沉積的空間分布，發(fā)育了多條分流河道，在橫向上形成了板狀的交錯(cuò)疊加的砂體模式。與直羅組一段的辮狀河道沉積相比，本段砂體的厚度較小，橫向上的連續(xù)性也較差。下亞段平均砂厚為12.44 m，砂地比平均為0.45；上亞段平均砂厚為9.73 m，砂地比平均為0.35。上亞段與下亞段相比，分流河道變窄，砂體變薄，泥質(zhì)含量增加，這與當(dāng)時(shí)盆地繼續(xù)下降的構(gòu)造環(huán)境一致，直羅組二段砂巖厚度等值線與沉積相平面圖如圖6。

圖6 直羅組二段砂巖厚度等值線與沉積相平面圖

4.3 直羅組三段

直羅組三段沉積時(shí)期，盆地再次上升，研究區(qū)沉積體系由辮狀河三角洲沉積轉(zhuǎn)變?yōu)榍骱酉?。直羅組三段曲流河沉積包括河道、天然堤、邊灘、決口扇、河漫灘等沉積微相，其中以河道沉積微相為主。研究區(qū)主要發(fā)育3 條自北向南的河流，依舊繼承了直羅組前期的物源方向。這個(gè)時(shí)期的河道變的比以前曲折，河床砂巖沉積變厚，與辮狀河相比，河道趨于穩(wěn)定，變道不再頻繁，砂巖以細(xì)砂巖為主，單層砂體變厚，在平面上展布范圍較大，但儲(chǔ)水能力較直羅組下端辮狀河沉積要差。下亞段砂巖厚度平均為13.14 m，砂地比平均為0.46；上亞段砂巖厚度平均為10 m，砂地比平均為0.35，直羅組三段砂巖厚度等值線與沉積相平面圖如圖7。

總體來說，研究區(qū)所處盆地經(jīng)歷了先下降后上升的構(gòu)造演化，形成了辮狀河-辮狀河三角洲-曲流河3 種沉積模式的沉積轉(zhuǎn)變，與之相對(duì)應(yīng)的是直羅組各段砂體厚度與展布特征的變化。各段砂體較厚、展布較好的地方，基本為河道、心灘、水下分流河道等沉積微相。其中，直羅組下段發(fā)育的河道沉積微相所形成的砂體粒度較粗、孔隙較大、連通性較好、在平面上展布較廣，為主要含水層；直羅組中段的水下分流河道、上段的河道沉積微相也為儲(chǔ)水提供了一定的空間。此外，心灘、河口壩等沉積微相在縱向上也是良好的儲(chǔ)水空間。

圖7 直羅組三段砂巖厚度等值線與沉積相平面圖

5 結(jié) 論

1）在分析研究區(qū)直羅組巖心、測(cè)井資料的基礎(chǔ)上，引入INPEFA 測(cè)井旋回識(shí)別技術(shù)，將研究區(qū)直羅組劃分為為1 個(gè)長期旋回、3 個(gè)中期旋回、6 個(gè)短期旋回。

2）通過對(duì)研究區(qū)沉積特征的分析，判斷出研究區(qū)先后經(jīng)歷了辮狀河沉積、辮狀河三角洲沉積以及曲流河沉積等沉積體系，并識(shí)別出了河道、心灘、邊灘、天然堤、河漫灘、水下分流河道、水下分流河道間、沙壩等沉積微相。

3）編制研究區(qū)沉積相與砂體厚度平面展布圖，通過對(duì)比分析，認(rèn)為研究區(qū)沉積體系對(duì)砂體展布具有一定的控制作用。河道、水下分流河道、心灘、沙壩等沉積微相砂體較厚、展布較好，為研究區(qū)地下水提供了良好的儲(chǔ)存空間。其中，直羅組一段底部發(fā)育的辮狀河河道沉積微相形成的砂體為主要含水層。