內(nèi)蒙古烏蘭蓋盆地巴彥花組含煤地層的旋回地層學(xué)分析

歐莉華，伊海生，張 超，錢利軍

(1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614000;2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059;3.中國海洋石油總公司深圳分公司，廣州 510240)

沉積地層不僅具有成層性，而且具有旋回性，表現(xiàn)在其巖性、結(jié)構(gòu)、顏色等物理特征變化具有方向性和連續(xù)性[1-2]。測(cè)井曲線包合了豐富的地層信息，能敏感、連續(xù)地反映所測(cè)地層的成層性和旋回性特征。測(cè)井解釋的目的在于綜合利用各種技術(shù)手段，充分挖掘測(cè)井資料所包含的地層信息，建立測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)向地質(zhì)目標(biāo)的映射關(guān)系，描述目的層的地質(zhì)特征[2-7]。測(cè)井曲線具有等間距采樣的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)序列連續(xù)，縱向分辨率高，能反映觀測(cè)地區(qū)的巖性特征和旋回性的變化，滿足時(shí)間序列頻譜分析的要求，因此可以作為檢測(cè)沉積旋回譜系，劃分沉積層序的重要資料，這克服了過去主要運(yùn)用沉積旋回計(jì)數(shù)法和磁化率測(cè)量露頭連續(xù)的剖面，而在一般油氣田勘探區(qū)無巖心或巖心采收率低的探井中難以實(shí)現(xiàn)其地層旋回行研究的限制[4-5]。在常規(guī)測(cè)井曲線中，自然伽馬測(cè)井曲線能敏感地反映泥質(zhì)含量的變化，有效記錄地層序列中沉積旋回和沉積環(huán)境的特點(diǎn)，因而在旋回地層研究中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2,4,8-10]。

隨著研究的不斷深入，從功率譜分析法、最大熵譜分析法到滑移窗頻譜分析技術(shù)，測(cè)井曲線頻譜分析的技術(shù)方法不斷更新，處理過程簡化而精準(zhǔn)度不斷提升。伊海生[5]詳細(xì)闡述了自然伽馬測(cè)井曲線滑移窗頻譜分析在川西須家河組旋回性研究中的應(yīng)用，證明了滑移窗頻譜分析在單井旋回層序分析和井間對(duì)比分析的可行性。本文將采用滑移窗頻譜分析技術(shù)，對(duì)內(nèi)蒙古烏蘭蓋盆地下白堊統(tǒng)巴彥花組含煤地層進(jìn)行頻譜分析，討論其旋回性特征。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

烏蘭蓋盆地位于內(nèi)蒙古西烏珠穆沁旗與東烏珠穆沁旗之間，地理坐標(biāo)大致為東經(jīng)116°6′～119°30′和北緯44°45′～45°56′，面積約15 000 km2，呈北東向展布[11-12]，是中新生代發(fā)展起來的巨型隆起帶和巨型沉降帶的組成部分，表現(xiàn)為不同級(jí)別、不同規(guī)模的隆起和凹陷，如包爾果吉、阿拉達(dá)布斯、高力罕、白音華等沉積凹陷，發(fā)育了三間房、烏尼特、巴彥胡碩、巴旗北、白音華和高力罕等煤田，為晚中生代含煤盆地，含煤地層為下白堊統(tǒng)巴彥花組，其下與侏羅系巖漿巖呈角度不整合接觸，上與上白堊統(tǒng)浩沁組呈整合接觸，或與第三系呈不整合接觸關(guān)系。

巴彥花組沉積時(shí)期盆地以湖泊沉積環(huán)境為主，發(fā)育了沖積扇、辮狀河三角洲、湖泊、湖底扇、扇三角洲等沉積相類型[12]。盆地形成早起，在盆地邊緣發(fā)育了大面積的沖積扇，形成了底部的礫巖和砂巖沉積。隨著盆地水體逐漸加深，湖泊相沉積占主導(dǎo)，在濱湖亞相中沼澤微相發(fā)育，形成了較厚的煤層。之后盆地東南部邊界斷裂活動(dòng)加劇，湖盆快速沉陷，在盆地南緣發(fā)育了扇三角洲沉積，盆地北部發(fā)育了大面積的辮狀河三角洲沉積，盆地內(nèi)部則發(fā)育了湖底扇沉積。至盆地發(fā)展后期，構(gòu)造活動(dòng)又相對(duì)穩(wěn)定，湖盆面積繼續(xù)擴(kuò)大，形成了較厚的湖泊相砂泥巖沉積。烏蘭蓋盆地是一個(gè)重要的含煤盆地和成油盆地，盆地半深湖-深湖亞相和沼澤微相的暗色泥巖和炭質(zhì)泥巖具有良好的生烴能力和油氣勘探潛力。

本文采用的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)來自高力罕煤田(圖1)。高力罕煤田位于烏蘭蓋盆地東部，是烏蘭蓋盆地內(nèi)的一個(gè)大煤田，其下白堊統(tǒng)巴彥花組根據(jù)顏色、巖性特征，沉積相規(guī)律可劃分為4個(gè)巖性段。

1)1段為底部砂礫巖段(K1b1)，不整合于侏羅系之上，普遍發(fā)育，厚度從十余米至數(shù)百米，由洪積、沖積堆積形成的礫巖、砂巖組成。

2)2段為含煤巖段(K1b2)，普遍發(fā)育，但煤層厚度不一，巖性以灰色、深灰色、灰黑色泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖為主，局部夾薄層礫巖、炭質(zhì)泥巖和煤層。

3)3段為雜色砂泥巖、礫巖段(K1b3)，普遍發(fā)育，主要巖性為灰色、灰綠色、深灰色泥巖、粉砂巖，夾薄層礫巖和細(xì)砂巖，沉積構(gòu)造發(fā)育。

4)4段為砂泥巖段(K1b4)，主要由灰色、淺灰色、灰綠色泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖夾紫紅色泥巖薄層組成，研究區(qū)內(nèi)很少鉆孔揭露[13]。巴彥花組之上為新近系上新統(tǒng)(N2)湖相紅色、紫紅色黏土、粉砂質(zhì)黏土及砂礫石沉積層，與巴彥花組呈不整合接觸。

圖1 高力罕煤田zk2001、zk608、zk008鉆孔分布位置圖(據(jù)文獻(xiàn)[13]修改)

2 分析方法及結(jié)果

在測(cè)井曲線滑移窗頻譜分析中，通常選取上下變化幅度較一致的測(cè)井曲線，因?yàn)楫?dāng)變化幅度相差較大時(shí)，在變化幅度大的層段頻譜峰明顯，而變化幅度小的層段頻譜峰表現(xiàn)不明顯或無頻譜峰顯示。在這種情況下，可以采用5點(diǎn)滑動(dòng)平均法，縮小變化幅度，再進(jìn)行頻譜分析。

由于研究區(qū)多數(shù)鉆孔皆未鉆越巴彥花組底界，且多數(shù)鉆孔巴彥花組厚度較薄，本次研究選取高力罕煤田中3個(gè)下穿巴彥花組底界，巴彥花組地層較厚，曲線上下變化幅度較一致的鉆孔zk2001、zk608和zk008的自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，測(cè)點(diǎn)間距為0.125 m，單位為PA/kg。3個(gè)鉆孔中巴彥花組均只發(fā)育了K1b1～K1b3，未見巴彥花組4段。鉆孔zk2001深約908 m，其中巴彥花組進(jìn)深為42.35～705.00 m。第2段進(jìn)深117.2～680.0 m為含煤巖段，含煤層厚度大，層數(shù)較多。zk608深約639.80 m，其中巴彥花組進(jìn)深為55～605.8 m，第2段進(jìn)深171.6～487.4 m為含煤巖段，含煤4層，最大煤層厚度約3 m。zk008深約789.0 m，其中巴彥花組進(jìn)深為31.1～573.70 m，第2段進(jìn)深91.0～518.30m為含煤巖段，煤層厚度小，僅含一層不可采煤層。

數(shù)據(jù)處理過程如下：選取自然伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，提取峰值，重建一個(gè)新的數(shù)據(jù)序列，因?yàn)樽匀毁ゑR測(cè)井曲線的峰值一般對(duì)應(yīng)泥巖層中點(diǎn)，相鄰兩個(gè)峰值點(diǎn)之間的距離即代表一個(gè)砂泥巖旋回的厚度，通過這一轉(zhuǎn)換將代表巖性變化的原始數(shù)據(jù)序列轉(zhuǎn)換為指示旋回變化的數(shù)據(jù)序列；滑動(dòng)窗頻譜分析采用Analyseries軟件[14]，選用B-Tukey程序，Parzen窗口，窗口數(shù)量150，采樣間距取1 m，窗口大小取默認(rèn)值，滑移窗頻譜分析結(jié)果如圖2所示。

在頻譜分析圖中3個(gè)鉆孔均可識(shí)別出6個(gè)旋回層序、5個(gè)旋回層序界面，從上至下標(biāo)定為CB1—CB5，旋回波長在7.5～40 m之間變化，頻譜特征峰分布以多峰型組合樣式為主，即一個(gè)旋回層序內(nèi)存在多種旋回樣式，說明地層中同時(shí)存在高頻和低頻節(jié)律。也可見平坦?fàn)铑l譜分布曲線，則說明地層中局部層段缺乏旋回性。由于頻譜分析的邊緣效應(yīng)，3個(gè)鉆孔中巴彥花組的頂界面都沒顯示出來，但可以推斷其頂界面附近必存在1個(gè)旋回層序界面，可以命名為CB0。3個(gè)鉆孔中zk2001和zk608中的煤層發(fā)育在CB5-CB4旋回層序中，zk008中的煤層發(fā)育在CB4-CB3旋回層序中。在頻譜分析圖中，含煤旋回層序表現(xiàn)為多峰形式，從3個(gè)鉆孔的頻譜分析圖中可以看出，含煤旋回層序與其他旋回層序的最大區(qū)別在于含煤旋回層序中有一個(gè)波長在40 m左右的頻譜峰。

圖2 zk2001、zk608、zk008巴彥花組滑移窗頻譜分析對(duì)比

3 討論

1)頻譜分析圖中，旋回層序界面與地層界面并不重合，是因?yàn)榈貙臃侄瓮ǔＲ詭r性的明顯差異為界線，而旋回頻譜峰的出現(xiàn)與否取決于砂-泥巖旋回厚度變化，這主要受沉積速率的控制。特征頻譜峰和頻譜峰譜系轉(zhuǎn)換面標(biāo)志著沉積速率的突變面，既可能是侵蝕間斷面，也可能是低沉積速率的凝縮段出現(xiàn)的位置。旋回層序的旋回波長大，則表明單位時(shí)間內(nèi)沉積厚度大，即沉積速率大。根據(jù)研究區(qū)沉積特征認(rèn)為CB1和CB2為凝縮段位置，CB3和CB5為沉積速率轉(zhuǎn)換面，CB4則有不同的意義。根據(jù)3個(gè)鉆孔的沉積特征，認(rèn)為zk608和zk2001鉆孔中CB4為沉積速率轉(zhuǎn)換面，而位于盆地邊緣的zk008鉆孔中CB4可能為一侵蝕面。

2)zk2001、zk608和zk008都識(shí)別出了6個(gè)旋回層序，表明頻譜分析在沉積盆地內(nèi)井間側(cè)向旋回層序?qū)Ρ纫约熬g高分辨率層序地層的劃分方面有較好應(yīng)用空間，可能比利用巖性差異對(duì)比劃分層序的精準(zhǔn)度更高。對(duì)比3個(gè)鉆孔發(fā)現(xiàn)不同的鉆孔頻譜特征又存在一定差異，說明頻譜分析還能反映局部范圍的沉積變化特征。

3)zk2001頻譜分析圖中，CB4-CB3旋回頻譜峰不明顯，表現(xiàn)為平坦?fàn)铑l譜特征。研究發(fā)現(xiàn)在zk2001煤層之上不遠(yuǎn)發(fā)育了厚度近百米的泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)均一。推測(cè)因?yàn)槟鄮r巖性單一，砂泥巖旋回的周期極短，變化幅度小，所以在全井段頻譜圖中沒有出現(xiàn)頻譜峰?？梢赃x取某段測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行放大掃描，得到放大的頻譜分析圖，并可識(shí)別出其中旋回波長更短的旋回界面。

4)對(duì)比3個(gè)鉆孔的旋回譜系特征可以發(fā)現(xiàn)，zk2001和zk608的頻譜峰較簡單、規(guī)則，旋回界面容易識(shí)別，而zk008的頻譜峰則較雜亂，峰值較多。從高力罕煤田鉆孔分布圖中可以看到，zk008位于沉積凹陷邊緣，盆地邊緣沉積作用復(fù)雜，還可能發(fā)生了剝蝕作用，導(dǎo)致沉積旋回不完整或缺失等，因而頻譜峰較多、較雜亂。zk2001和zk608位于沉積凹陷內(nèi)部，其沉積則能完整地記錄盆地的旋回過程，所以頻譜峰較穩(wěn)定、簡單，能有效地反映盆地旋回性特征。因此，如果要分析沉積盆地完整的旋回過程，盡量選擇沉積盆地內(nèi)部的鉆孔。

5)巴彥花組為一套含煤地層，頻譜分析結(jié)果表明煤層的發(fā)育也具有旋回性，受旋回因素的控制，包含于整個(gè)沉積盆地的旋回過程中，是沉積盆地旋回的一部分。煤層發(fā)育層段以多峰型為特征，在zk2001和zk608鉆孔中主要有3個(gè)峰值，波長分別約為40 m、17 m和10 m，40 m波長是3口鉆井中最大波長的頻譜峰，說明成煤與更高的沉積速率有關(guān)。但就整個(gè)沉積盆地來說，要形成煤層需要一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的沉積環(huán)境，沉積物堆積速度不能過高，以利于植被的生長和埋藏。綜合分析認(rèn)為煤層的發(fā)育與整個(gè)盆地穩(wěn)定的沉積速率有關(guān)，還與較高的植被生長埋藏速率有關(guān)，其沉積過程受氣候的控制。

6)觀察發(fā)現(xiàn)zk2001和zk608中煤層均發(fā)育在CB5-CB4層序中，而ZK008中煤層發(fā)育在CB4-CB3層序中。這可能與沉積盆地水體的加深有關(guān)，zk2001和zk608相對(duì)更靠近盆地內(nèi)部，因而在沉積盆地形成早期并發(fā)生了沼澤化，形成了煤層。隨著水體的加深，zk2001和zk608所在位置逐漸發(fā)展為淺湖、半深湖沉積環(huán)境，而zk008所在位置發(fā)生沼澤化，形成煤層，但由于成煤條件較差，所以煤層發(fā)育不佳。

4 結(jié)束語

對(duì)于沉積速率轉(zhuǎn)換面和侵蝕面，這些界面主要表現(xiàn)為峰型的轉(zhuǎn)換、峰強(qiáng)弱的不同上。自然伽馬測(cè)井曲線能有效記錄地層的沉積旋回和沉積環(huán)境特點(diǎn)，敏感地反映沉積速率的變化，利用滑移窗頻譜分析能很好地識(shí)別出這些變化的位置。無論是單井的沉積旋回分析還是井間旋回對(duì)比都表現(xiàn)良好。

煤層的發(fā)育受控于整個(gè)沉積盆地的旋回中，煤層發(fā)育層段表現(xiàn)為頻譜峰值穩(wěn)定，以多峰形態(tài)為主，反映煤層的形成除了與沉積盆地中長周期穩(wěn)定的沉積速率有關(guān)外，還與短周期較高速率的植物生長埋藏有關(guān)。盆地中不同位置可能成煤時(shí)間有所差別，通過井間旋回層序?qū)Ρ瓤梢宰R(shí)別出不同的成煤期。