基于地震沉積方法的煤系巖性及其沉積演化特征分析

曹路通，孫 林

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013； 2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

煤系地層不同巖性組合因其巖體本身性質(zhì)差異及其受力條件不同，采動(dòng)干擾破壞了巖體原始的應(yīng)力狀態(tài)，造成其非均勻錯(cuò)動(dòng)形成不同的裂隙系統(tǒng)，裂隙帶發(fā)育特征差異顯著，進(jìn)而導(dǎo)致潛在的礦井涌水、突水、潰沙等安全問題[1]。同時(shí)，深部開采時(shí)，原巖應(yīng)力場逐漸轉(zhuǎn)移，受應(yīng)力環(huán)境及圍巖巖性差異影響，巷道圍巖常呈現(xiàn)非對稱變形特征[2]。另一方面，煤系地層中不同巖性的厚度分布及其所處的相對層位決定了煤炭采掘后的裂隙帶發(fā)育特征，若采后裂隙帶溝通區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造，形成導(dǎo)/富水通道，則對井運(yùn)輸巷道掘進(jìn)及安全回采造成巨大潛在威脅[3]。因此，分析研究煤系地層中的巖性組合及分布具有重要意義。沉積相是沉積環(huán)境的物質(zhì)表現(xiàn)形式，是一個(gè)地質(zhì)時(shí)期內(nèi)沉積環(huán)境、沉積巖性組合及其特征的綜合反映，沉積相的發(fā)育特征及其時(shí)空組合示蹤了聚煤過程中的海陸變遷和周邊環(huán)境的歷史進(jìn)程。因此，煤系沉積作用的研究可間接揭示聚煤前后不同時(shí)期內(nèi)區(qū)域巖性的物質(zhì)基礎(chǔ)、幾何分布及其空間疊置特征[4]。

傳統(tǒng)的巖性及沉積相預(yù)測方法主要是基于地質(zhì)露頭、鉆井巖芯、測井曲線及測井相特征來逐步識(shí)別巖性進(jìn)而劃分沉積相，這些方法工作量很大。對于埋深數(shù)百米的煤層，地質(zhì)露頭無法實(shí)現(xiàn)巖性及沉積相的刻畫，且鉆井及測井信息橫向分辨率低。煤系地層橫向相變快，這也對沉積相帶的空間邊界精細(xì)刻畫提出了更高的要求[5-6]。相對于測井信息，三維地震采樣點(diǎn)密集，數(shù)據(jù)量大，信息豐富，具有較高的橫向分辨率，可以定量—半定量地揭示地下異常地質(zhì)現(xiàn)象。而地震沉積學(xué)基于高品質(zhì)的三維地震資料和地質(zhì)信息，通過地層切片及地震多屬性分析來研究沉積巖性及其演化過程，可為含油氣煤盆地的勘探開發(fā)建立高分辨率層序地層格架，揭示不同沉積時(shí)期的巖性組合及其時(shí)空演化特征[7-8]。

本文以沁南潘莊地區(qū)山西組煤系地層為研究對象，借助研究區(qū)高品質(zhì)的三維地震資料及鉆/測井信息，建立高分辨率層序地層格架，明確區(qū)域沉積的基礎(chǔ)單元并實(shí)施地層切片，通過優(yōu)選適用于反映巖性邊界及沉積特征的地震屬性組合，以各井點(diǎn)的巖性及微相信息進(jìn)行沉積特征標(biāo)定，賦予地震屬性地質(zhì)意義，實(shí)現(xiàn)地震屬性與巖性及巖相間的有效配置，最終結(jié)合區(qū)域古地理背景對山西組不同時(shí)期的沉積巖性、微相邊界及其演化特征進(jìn)行精細(xì)描述和分析探討。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

潘莊地區(qū)山西組煤系地層總體為一北東向傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角較小(<6°)，并發(fā)育一系列北東方向的次級(jí)褶曲，區(qū)內(nèi)僅稀疏分布少量小斷層(落差<10 m)及少許小型陷落柱。區(qū)內(nèi)煤層埋深變化較大，自西南向東北呈現(xiàn)埋深逐漸增大的趨勢(圖1)。3號(hào)煤層位于山西組下部，屬高變質(zhì)無煙煤，煤厚3.15～7.70 m(平均厚5.87 m)，煤層厚度大且穩(wěn)定。研究區(qū)的地震資料經(jīng)過提頻處理后，山西組煤系地層段主頻為30～70 Hz，地震資料品質(zhì)較好，信噪比較高，區(qū)內(nèi)沉積現(xiàn)象豐富，構(gòu)造簡單，有利于地震沉積方法的應(yīng)用。

圖1 研究區(qū)3號(hào)煤層構(gòu)造特征分布

2 高分辨率等時(shí)地層格架的建立

地層切片是地震沉積研究的關(guān)鍵，為了確保地層切片的等時(shí)沉積意義，建立高分辨率層序地層格架是首要條件[9]。不同于傳統(tǒng)的層序劃分方法，高分辨率層序地層劃分揭示的地層關(guān)系其等時(shí)性更加客觀，根據(jù)基準(zhǔn)面旋回方法，結(jié)合巖性粒度遞變規(guī)律識(shí)別劃分層序界面，已成為等時(shí)地層格架構(gòu)建的首選[10-11]。層序界面的識(shí)別及劃分是地層格架構(gòu)建的基礎(chǔ)，基于前人學(xué)者對沁南地區(qū)石炭—二疊煤系地層層序界面的認(rèn)識(shí)，區(qū)域不整合面、海退形成的沖刷面、海進(jìn)海退的轉(zhuǎn)換面、河流下切谷侵蝕面等均可作為區(qū)域地層界面的劃分標(biāo)準(zhǔn)[6]?；诖耍Y(jié)合研究區(qū)鉆井巖芯、測井?dāng)?shù)據(jù)、露頭信息及其古地理背景，開展潘莊地區(qū)山西組煤系地層高分辨率層序界面的識(shí)別及劃分，最終劃分了3個(gè)中期旋回(對應(yīng)3個(gè)4級(jí)層序)和若干短期旋回，自下至上分別為Sq10、Sq11和Sq12。并基于巖性、巖相及古地理背景，實(shí)施了單井沉積微相精細(xì)解釋(圖2)，為后期沉積巖性及微相演化研究奠定基礎(chǔ)。

圖2 單井山西組層序地層劃分及沉積相解釋

受地震分辨率影響，煤系地層等時(shí)界面判識(shí)難度較大，地震同相軸分叉合并現(xiàn)象普遍，等時(shí)界面的確定易受穿層現(xiàn)象的影響，因此地震沉積學(xué)研究中提出了參考等時(shí)界面的概念來解決這一問題[7-8]。山西組底部和頂部的K7和K8巖層為河流下切谷沉積砂體，具有一定的時(shí)間—地層意義，可將其確定為該區(qū)的等時(shí)參考標(biāo)志層，其在地震剖面上能量較強(qiáng)，為中—高頻強(qiáng)振幅，全區(qū)穩(wěn)定可追蹤，同相軸產(chǎn)狀穩(wěn)定，受地震頻率變化影響較小[5]。煤層是盆地某一階段演化結(jié)束的標(biāo)志，研究區(qū)3號(hào)煤層厚度大、全區(qū)穩(wěn)定，該層位可作為研究區(qū)層序劃分的等時(shí)參考標(biāo)志層?；谘芯繀^(qū)山西組高分辨率層序地層劃分情況(圖3)并結(jié)合地震剖面揭示信息，在地震—測井統(tǒng)一研究尺度的基礎(chǔ)上，明確了中期旋回作為研究區(qū)區(qū)域沉積研究的基本等時(shí)單元，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域等時(shí)地層格架的構(gòu)建(圖4)。

圖3 山西組層序地層劃分及連井剖面對比

圖4 研究區(qū)山西組等時(shí)層序地層格架的建立

3 基于地層切片的地震屬性優(yōu)選分析

地層切片，就其本質(zhì)而言是一種基于變時(shí)窗的屬性提取及分析技術(shù)，多適用于頂?shù)讜r(shí)間難以界定的薄層[11-12]?；诘貙忧衅幚砗蟮娜S地震數(shù)據(jù)體可形成不同的屬性體切片，其揭示了相應(yīng)地質(zhì)時(shí)間內(nèi)的地震響應(yīng)特征[13]。通過分析不同時(shí)期屬性切片，可以揭示相應(yīng)時(shí)期的沉積巖性分布及其繼承性演化特征[14-15]。研究區(qū)山西組煤系地層以中期旋回作為沉積演化研究的基礎(chǔ)單元，以1ms為間隔對其進(jìn)行切片處理，選擇沉積現(xiàn)象豐富、邊界清晰具有代表性的切片進(jìn)行多地震沉積研究。

首先，提取對巖性邊界及沉積現(xiàn)象敏感的包括頻(能)譜類、振幅類、相位類、復(fù)地震道類等多種地震屬性；然后，基于單井不同沉積旋回時(shí)期內(nèi)砂地比與不同地震屬性的配置關(guān)系，優(yōu)選屬性組合(相關(guān)性要大于0.5)；最后，確定了山西組底部Sq10層序的最優(yōu)屬性組合為最大波峰振幅屬性和均方根振幅屬性(圖5(a)、圖5(b))，中部Sq11層序?yàn)槠骄瓷鋸?qiáng)度屬性和均方根振幅屬性(圖5(c)，圖5(d))；上部Sq12層序?yàn)槠骄瓷鋸?qiáng)度屬性和最大波峰振幅屬性(圖5(e)，圖5(f))。

平均反射強(qiáng)度屬性可以突出地質(zhì)異?，F(xiàn)象，多用于河道砂體及沉積邊界的識(shí)別；最大波峰/波谷屬性多用于揭示地層振幅異常，對巖性、巖相的快速變化較為敏感；均方根振幅屬性對振幅變化尤為敏感，常用于地層砂泥巖含量、巖性粒度等級(jí)遞變特征分析及砂體厚度計(jì)算等[11]。圖5(a)、圖5(b)為3號(hào)煤層聚煤前Sq10層序沉積時(shí)期的屬性組合，經(jīng)過各個(gè)井點(diǎn)中相應(yīng)層序內(nèi)沉積巖性及微相解釋結(jié)果標(biāo)定，表明圖5(a)、圖5(b)中是水下分流河道砂質(zhì)沉積的反映；圖5(a)中及圖5(b)中的白色區(qū)域?yàn)樗绿烊坏碳?xì)砂體沉積或河道間粉砂及泥質(zhì)砂巖沉積的反映；而圖5(a)中的深色區(qū)域及圖5(b)中的深色及灰色等區(qū)域可作為分流間灣或泥炭沼澤等泥質(zhì)沉積巖性特征的響應(yīng)。

圖5(c)、圖5(d)是對應(yīng)于3號(hào)煤層聚煤后Sq11層序沉積時(shí)期的屬性組合，經(jīng)過井點(diǎn)巖性及沉積相標(biāo)定認(rèn)為圖5(c)和圖5(d)中紅—黃色分布范圍為高含砂量的分流河道微相；圖5(c)中的綠色區(qū)域及圖5(d)中的灰色區(qū)域?yàn)樘烊坏涛⑾嗟姆从常欢鴪D5(c)中的白色、藍(lán)色區(qū)域及圖5(d)中的白色、綠色及紫色分布為泛濫盆地或泥炭沼澤等高泥質(zhì)含量的沉積微相。

圖5(e)、圖5(f)是對應(yīng)于層序Sq12沉積時(shí)期的屬性組合，井點(diǎn)巖性信息及微相解釋結(jié)果標(biāo)定顯示圖5(e)、圖5(f)中紅—黃色分布為高含砂量的分流河道微相的反映；圖5(e)、圖5(f)中的綠色范圍揭示了天然堤微相的分布；而圖5(e)中的藍(lán)色區(qū)域及圖5(f)中的白色、藍(lán)色等分布反映了砂質(zhì)含量較低的泛濫盆地或泥炭沼澤沉積微相。

圖5 研究區(qū)山西組不同沉積時(shí)期的優(yōu)選屬性組合

4 沉積巖性及其微相演化特征分析

基于對區(qū)域古地理背景、單井沉積巖性—微相、地震沉積信息的研究與分析，結(jié)合現(xiàn)代沉積模式，以中期旋回作為該區(qū)沉積研究的基本單元，通過最優(yōu)屬性組合揭示不同時(shí)期的沉積巖性信息及其空間形態(tài)特征?；趩尉鄳?yīng)層序內(nèi)巖性及沉積微相解釋結(jié)果標(biāo)定地震屬性組合，建立巖性、沉積微相與地震屬性間的配置關(guān)系，賦予各敏感屬性以地質(zhì)沉積意義，最終闡明了研究區(qū)山西組不同沉積時(shí)期、不同相帶、不同巖性空間組合形態(tài)的分布特征及其演化過程(圖6)。

研究區(qū)Sq10沉積時(shí)期(圖6(a))，區(qū)內(nèi)主要沉積暗色泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部含細(xì)粒砂巖，具少量植物碎屑化石，為下三角洲平原沉積特征。水下分流河道自研究區(qū)西北地區(qū)進(jìn)入，向東部及南部延展，分支河道較少，河道寬度大，多為灰色細(xì)粒砂巖及粉砂巖沉積，厚度小，表明區(qū)域較弱的水動(dòng)力條件。水下天然堤微相多分布在研究區(qū)北部地區(qū)，沿分流河道兩側(cè)延伸，局部范圍較廣，但厚度有限，多以粉砂巖及泥質(zhì)砂巖沉積為主。其余全區(qū)廣泛發(fā)育分流間灣和泥炭沼澤微相，以灰黑色—暗色泥巖、炭質(zhì)泥巖為主，覆水沼澤大面積發(fā)育，水動(dòng)力條件弱，水體近乎靜止，為3號(hào)煤層的沉積創(chuàng)造了有利條件。研究區(qū)Sq11層序沉積時(shí)期(圖6(b))，隨著海退作用的持續(xù)發(fā)生、沉積作用的加劇，研究區(qū)逐漸過渡為上三角洲平原沉積。該時(shí)期河道徑流量逐漸增大，水動(dòng)力條件加強(qiáng)，區(qū)域砂質(zhì)沉積明顯增多?；诖吮尘?，研究區(qū)河道持續(xù)向東部、南部延伸，影響范圍相比Sq10沉積時(shí)期有了明顯的擴(kuò)展，且支流十分發(fā)育。此時(shí)期河道沉積砂體以灰色—淺灰色中細(xì)砂巖為主，厚度較大，局部砂體底部存在侵蝕、切割、沖刷痕跡。天然堤分布在河道邊緣附近，延伸有限。研究區(qū)東部和西部地區(qū)由分流間灣逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱朔簽E盆地沉積，主要發(fā)育暗色泥巖、泥質(zhì)砂巖和細(xì)粒砂巖等，局部地區(qū)發(fā)育沼澤微相。

圖6 研究區(qū)山西組不同時(shí)期沉積巖性分布及其微相演化過程

進(jìn)入Sq12層序沉積時(shí)期，該時(shí)期三角洲平原進(jìn)積作用持續(xù)加強(qiáng)，研究區(qū)繼續(xù)保留上三角洲平原沉積特征。該時(shí)期河控三角洲體系在該地區(qū)現(xiàn)象尤為明顯，河道北部進(jìn)入研究區(qū)，各支流縱橫交織，且不斷加寬，中細(xì)粒砂巖廣泛發(fā)育，局部地區(qū)甚至發(fā)育粗粒砂體，以淺灰色—灰白色為主。主體河道向東西向展布，Sq10和Sq11沉積時(shí)期研究區(qū)南部的支流河道基本消失，而在研究區(qū)西北部出現(xiàn)由北向南的分流河道，呈扇形展布。該河道與向東方向展布的河道呈疊加特征。天然堤微相廣泛分布在河道附近，以淺灰色細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂巖為主。整個(gè)研究區(qū)南部廣泛分布泛濫盆地微相，少有泥炭沼澤微相。隨著三角洲進(jìn)積作用的持續(xù)發(fā)生，到了下盒子組沉積時(shí)期，研究區(qū)逐漸發(fā)育陸相河流沉積體系。

5 結(jié)論

(1)山西組自下至上可劃分為3個(gè)中期旋回，分別對應(yīng)Sq10、Sq11和Sq12三個(gè)四級(jí)層序，而中期旋回可作為該地區(qū)區(qū)域地震沉積研究的基本等時(shí)單元。

(2)最大波峰振幅、平均反射強(qiáng)度振幅及均方根振幅可作為最優(yōu)屬性組合，實(shí)施研究區(qū)山西組煤系地層不同歷史時(shí)期的沉積巖性及其微相特征研究。

(3)山西組煤系地層沉積時(shí)期為三角洲平原古地理環(huán)境，3號(hào)煤層聚煤前后砂質(zhì)沉積逐漸增多，泥質(zhì)沉積逐漸減少。從山西組初期到后期，區(qū)內(nèi)分流河道的分布由研究區(qū)中部演變?yōu)閮H在研究區(qū)北部發(fā)育，總體表現(xiàn)為由下三角洲平原到上三角洲平原的緩慢過渡。