基于地震沉積學(xué)的沉積相精細(xì)刻畫：以山西寺家莊礦15號(hào)煤層聚煤前后為例

張 剛，常鎖亮，王瑞瑞，劉 波，曾 博，劉最亮，楊智華

(1.中國礦業(yè)大學(xué)煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州 221008；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221008；3.太原理工大學(xué) 地球科學(xué)與工程系，太原 030024；4.煤與煤系氣地質(zhì)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024；5.陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西陽泉 045000)

在聚煤盆地的演化過程中，不同沉積相的展布特征對(duì)聚煤盆地的海陸變遷、構(gòu)造演化及周圍環(huán)境的相互作用起到了很好的記錄作用，對(duì)聚煤盆地沉積相的研究成為研究聚煤盆地演化過程的核心內(nèi)容[1]。在海陸交互相的古地理背景下，晚古生代沁水盆地的沉積環(huán)境成為影響聚煤特征以及煤層氣賦存的主要因素。而聚煤前后的沉積環(huán)境又影響著煤層厚度及其空間展布特征和煤層氣的保存[2]及煤體結(jié)構(gòu)的分布。對(duì)聚煤前后沉積相的刻畫，可以了解儲(chǔ)層物性結(jié)構(gòu)及砂體空間展布，進(jìn)而研究煤系氣的分布規(guī)律及形成條件，對(duì)后續(xù)煤系氣的勘探開發(fā)起到指導(dǎo)作用，因此對(duì)含煤巖系聚煤前后沉積相的研究是十分有必要的[3]。

前人對(duì)沁水盆地太原組地層的沉積環(huán)境已有很多研究，然而以往大量的研究多集中于沁水盆地西北部及東南部，對(duì)沁水盆地東北部沉積環(huán)境的研究相對(duì)缺少，盡管已有研究表明沁水盆地東北部太原組地層下段沉積環(huán)境為障壁島—潮坪—潟湖—潮坪相沉積[4]，但前人的研究仍存在以下兩個(gè)方面的不足，一方面以往研究較籠統(tǒng)，缺少對(duì)太原組15號(hào)煤層聚煤前后沉積相的精細(xì)刻畫；另一方面，沁水盆地太原組地層15號(hào)煤層位于太原組地層下段，屬海陸交互相沉積。在海陸交互相的古地理背景下，研究區(qū)地層的巖性、巖相在橫向上變化較快[5]。而傳統(tǒng)的基于地質(zhì)和測(cè)井的研究方法利用的是測(cè)井在垂向上的高分辨率對(duì)地層中的沉積序列進(jìn)行研究，在橫向分辨率上難以滿足研究區(qū)沉積相的精細(xì)刻畫[6]。

本文基于地震沉積學(xué)的理論方法，選擇寺家莊礦區(qū)太原組地層部分鉆孔及地震資料進(jìn)行研究，充分利用測(cè)井在垂向上的高分辨率和地震勘探在橫向上的高分辨率的優(yōu)勢(shì)，將二者的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合[7]，采用合成記錄、井震聯(lián)合標(biāo)定、層位追蹤、地層切片、屬性提取等關(guān)鍵技術(shù)，提取層間屬性，并通過融合屬性來預(yù)測(cè)目標(biāo)層段的砂地比[8]，結(jié)合研究區(qū)的古地理背景和沉積相模式，對(duì)15號(hào)煤層聚煤前后沉積相進(jìn)行精細(xì)刻畫，旨在為進(jìn)一步開展寺家莊礦區(qū)煤及煤層氣資源開發(fā)地質(zhì)條件研究提供重要的沉積因素支撐。

1 地質(zhì)背景

1.1 地層特征

研究區(qū)位于沁水盆地陽泉礦區(qū)(圖1)，以砂巖，砂質(zhì)泥巖，泥巖為主，還發(fā)育三層較厚的灰?guī)r，可作為K2，K3，K4的標(biāo)志層。除此以外，煤層出現(xiàn)有十層以上，但大多為薄煤層，在太原組底部和中部都發(fā)育較厚的煤層，如15號(hào)煤層和9號(hào)煤層[9]。依據(jù)巖性特征可以將太原組分為三段：K1砂巖底到K2灰?guī)r底為太原組地層下段，根據(jù)測(cè)井資料可知，該段最小厚度為 34.95 m，最大厚度為57.9 m，主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖以及煤層，在底部發(fā)育15號(hào)煤層，厚度可達(dá)4～7 m，且屬于可開采煤層，同時(shí)下段中也間夾1～2層不穩(wěn)定的薄煤層[10]。K1砂巖底到15號(hào)煤層頂屬于聚煤前沉積地層，15號(hào)煤層頂?shù)終2灰?guī)r底屬于聚煤后沉積地層[11]。K2灰?guī)r底到K4灰?guī)r底為太原組中段，厚度在34.25～51.23 m，含有較厚的石灰?guī)r和粉砂巖，還含有幾層薄煤層，其中包括11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)煤層。K4灰?guī)r底部到K7砂巖底部為太原組上段地層，厚度在38.55～69.32 m，砂質(zhì)泥巖，砂巖，泥巖為主，夾有較厚煤層，其中9號(hào)煤層屬于厚煤層，厚度可達(dá)0.89～3.35m，同時(shí)太原組上段地層中也含有1～3層不穩(wěn)定的薄煤層。

1.2 構(gòu)造特征

陽泉寺家莊礦區(qū)位于沁水盆地拗陷的東邊緣，太行山的隆起西翼，其基本構(gòu)造形態(tài)呈單斜，走向?yàn)楸北蔽鳎瑑A向?yàn)槟衔魑鱗12]。在該單斜上又發(fā)育有次級(jí)褶曲，表現(xiàn)為“S”型[13]。地層傾角比較平穩(wěn)，普遍為10°，部分受到褶曲的影響達(dá)到20°。寺家莊礦區(qū)斷層構(gòu)造較其他井田多，主要分布于東部地區(qū)[14]。

(a)寺家莊礦區(qū)構(gòu)造分布 (b)寺家莊礦區(qū)井位分布圖1 寺家莊礦區(qū)圖Figure 1 Map of Sijiazhuang mining area

2 研究區(qū)15號(hào)煤層聚煤前后的砂地比預(yù)測(cè)及沉積相的刻畫

2.1 測(cè)井資料解釋

本文選取研究區(qū)內(nèi)8口井進(jìn)行單井相解釋，在對(duì)測(cè)井資料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以后，便可根據(jù)測(cè)井曲線特征標(biāo)定巖性、標(biāo)志層、沉積相以及沉積亞相。本文主要根據(jù)自然伽馬和深側(cè)向電阻率曲線特征對(duì)巖性進(jìn)行標(biāo)定，在對(duì)標(biāo)志層進(jìn)行標(biāo)定時(shí)主要根據(jù)測(cè)井曲線特征相似的、相對(duì)穩(wěn)定的層段進(jìn)行劃分，此外，還可根據(jù)標(biāo)志層的特殊巖性對(duì)標(biāo)志層進(jìn)行劃分與標(biāo)定，例如K2、K3均為較厚的灰?guī)r，K1為較厚的砂巖[15]。依據(jù)研究區(qū)地質(zhì)背景以及沉積環(huán)境對(duì)沉積相進(jìn)行劃分，沁水盆地東北部太原組地層下段自下而上的沉積環(huán)境依次為障壁島—潮坪—潟湖—潮坪沉積。其中障壁島相沉積主要由厚層細(xì)粒和中粗粒砂巖組成，向上變?yōu)槟嗵科撼练e，由泥質(zhì)粉砂巖、泥巖和16號(hào)薄煤層組成。隨后海平面上升，形成了由砂質(zhì)泥巖和灰?guī)r所組成的潟湖相沉積。隨后水體變淺，形成較厚的混合坪和泥炭坪，在此基礎(chǔ)上形成了較厚的15號(hào)煤層，基于此對(duì)研究區(qū)8口井分別進(jìn)行單井相解釋，為后續(xù)地震資料的解釋工作打下基礎(chǔ)(圖2)。

圖2 研究區(qū)2號(hào)井巖性及沉積相劃分Figure 2 Study area well No.2 lithology and sedimentary facies partitioning

2.2 井震結(jié)合標(biāo)定層序界面

本次研究在對(duì)地震資料進(jìn)行解釋之前，首先要確定反射波所對(duì)應(yīng)的標(biāo)志層，其中合成記錄是聯(lián)系地震資料與測(cè)井資料之間的橋梁，通過制作合成記錄并與時(shí)間剖面相比對(duì)，確定其對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而賦予地震反射波相應(yīng)的地質(zhì)屬性，便可在時(shí)間剖面上對(duì)地震反射波進(jìn)行層位標(biāo)定與追蹤[16]，具體操作流程如下：

1)確定含煤巖系沉積等時(shí)界面，其方法主要有定性法和定量法，本文采用定量法進(jìn)行確定，即如果某一同相軸不隨地震頻率變化而變化，那么該同相軸就可反映等時(shí)信息。通過對(duì)該地區(qū)地震反射波頻譜特征進(jìn)行分析，得出該地區(qū)地震反射波的主頻率約為50 Hz，頻帶寬度約為10 Hz～70 Hz。因此，選擇30 Hz和70 Hz進(jìn)行分頻標(biāo)定。

2)經(jīng)過井震分頻標(biāo)定的地震標(biāo)志層K1(K1砂巖)、T15(太原組15號(hào)煤)以及K2(K2灰?guī)r)在低頻、中頻和高頻剖面上均穩(wěn)定存在。這些層位具有一定的等時(shí)地層意義，可作為建立等時(shí)地層格架的參考標(biāo)志層[17]。

3)結(jié)合研究區(qū)制作的合成記錄與測(cè)井曲線特征，在地震時(shí)間剖面中追蹤了3個(gè)連續(xù)性較好的地震層位(圖3)，自下而上分別是K1、T15、K2。

圖3 地震地質(zhì)等時(shí)標(biāo)志層Figure 3 Seismic-geologic isochronous marker beds

2.3 地震子波相位調(diào)整及去強(qiáng)反射

我們利用90°相位轉(zhuǎn)換技術(shù)處理研究區(qū)地震數(shù)據(jù)體，使得反射波同相軸與薄層的相關(guān)關(guān)系得到建立，即薄層的中心部位可由同相軸指示。這時(shí)巖性地層的意義便被賦予到反射波同相軸之上，降低了在薄層解釋上的困難[18]。15號(hào)煤層層位在零相位地震剖面中為過零點(diǎn)追蹤界面，剖面形態(tài)不能清晰反映煤層巖性特征，而在90°相位地震剖面中T15層位被波谷直接表示，更加清楚地反映了煤的地震剖面特征。

煤層與砂巖層呈整合接觸狀態(tài)且二者波阻抗差異較大，因此砂巖的地震反射波特征會(huì)被淹沒在煤層的強(qiáng)反射波中，這就加大了對(duì)研究區(qū)砂地比預(yù)測(cè)的難度[19]。所以本文對(duì)地震反射波進(jìn)行去強(qiáng)反射調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在煤層強(qiáng)反射能量背景中獲取砂巖的弱響應(yīng)特征信息。

去強(qiáng)反射前，太原組15號(hào)煤層對(duì)應(yīng)的是波谷位置且振幅較強(qiáng)。經(jīng)去強(qiáng)反射后，太原組15號(hào)煤層所在位置的振幅值明顯降低。隨著匹配次數(shù)的增加，所選時(shí)窗內(nèi)強(qiáng)反射振幅值逐步降低，形成新的波組特征(圖4)。

2.4 基于地層切片技術(shù)的屬性提取與優(yōu)選

地層切片技術(shù)具有等比例切片的特點(diǎn)，即通過等比例內(nèi)插的手段，在選定的兩個(gè)層面內(nèi)插入切片，從而保證了切片的實(shí)用性，所以選取地層切片技術(shù)進(jìn)行切片的制作[20]。地層切片對(duì)于傳統(tǒng)的切片技術(shù)(時(shí)間切片和層位切片)而言，最大的特點(diǎn)就是可以在兩個(gè)選定界面之間等比例內(nèi)插出一系列切片，并根據(jù)內(nèi)插切片生成不同的地震屬性切片。

(a)去強(qiáng)反射前地震時(shí)間剖面 (b)去強(qiáng)反射后地震時(shí)間剖面圖圖4 去強(qiáng)反射前后的地震時(shí)間剖面對(duì)比Figure 4 Comparison of seismic time sections before and after strong reflections removal

地層切片技術(shù)可分三步實(shí)現(xiàn)：第一，選擇等時(shí)地震的參考層，即井震聯(lián)合追蹤出的標(biāo)志層K2、T15和K1[21]；第二，建立地層時(shí)間模型。由于切片是等比例內(nèi)插生成，故所有切片所包含的時(shí)間間隔一般是相同的，通過內(nèi)插線性函數(shù)，可以創(chuàng)建出接近實(shí)際沉積地層的切片模型。第三，通過所建立的切片模型來提取相應(yīng)的地震屬性，從而形成對(duì)應(yīng)地震屬性切片。

前人實(shí)踐表明：和振幅有關(guān)的地震屬性可以反映具波阻抗差異的沉積扇體；弧長是反映反射關(guān)系的橫向變化，可以反映砂巖或泥巖地層；能量半衰時(shí)則可以反映地層中巖性巖相在橫向上的變化[22]。因此對(duì)地層切片進(jìn)行地震敏感屬性提取時(shí)，根據(jù)前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，分別對(duì)15號(hào)煤層頂、底板中的地層切片提取均方根振幅，能量半衰時(shí)、弧長、高階累量方差、平均振幅、最大振幅6種地震屬性，表1、表2分別為15號(hào)煤層底板和頂板所對(duì)應(yīng)的地震屬性值。

表1 15號(hào)煤層底板所對(duì)應(yīng)的屬性值Table 1 Attribute value corresponding to the bottom of No.15 coal seam

表2 15號(hào)煤層頂板所對(duì)應(yīng)的屬性值Table 2 Coal No.15 roof corresponding attribute values

在對(duì)單一地震屬性和各層序砂地比進(jìn)行交匯分析之前，要對(duì)每一個(gè)地震屬性先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[23]。本次采用極差標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算方法，設(shè)本次獲取的屬性值為xi：

(1)

表3 15號(hào)煤層底板對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化后的屬性值Table 3 Coal No.15 floor corresponding normalized attribute values

表4 15號(hào)煤層頂板對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化后的屬性值Table 4 Coal No.15 roof corresponding normalized attribute values

本文在對(duì)地震屬性進(jìn)行極差標(biāo)準(zhǔn)化后，建立每口井中的煤層底板砂地比與單一地震屬性的擬合關(guān)系圖(圖5)以及每口井中的煤層頂板砂地比與單一地震屬性的擬合關(guān)系圖(圖6)。

各井中煤層頂?shù)装迳暗乇葦?shù)據(jù)與單一地震屬性經(jīng)交匯分析后發(fā)現(xiàn)相關(guān)性系數(shù)(R2)絕大多數(shù)在0.7以下，為減少單一屬性進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)所帶來的誤差，需要選取兩個(gè)相關(guān)性系數(shù)較高的地震屬性進(jìn)行屬性融合。最終優(yōu)選出高階累量方差(R2=0.639)和平均振幅(R2=0.637)作為預(yù)測(cè)底板砂地比的屬性組合，高階累量方差(R2=0.750)和平均振幅(R2=0.642)作為預(yù)測(cè)頂板砂地比的屬性組合。

2.5 砂地比預(yù)測(cè)

經(jīng)優(yōu)選得出的屬性組合還需進(jìn)行回歸分析驗(yàn)證其是否能有效地運(yùn)用于研究區(qū)砂地比預(yù)測(cè)，進(jìn)而得出屬性融合后的擬合公式[24]。首先對(duì)15號(hào)煤層底板優(yōu)選敏感屬性(平均振幅和高階累量方差)進(jìn)行回歸分析(表5)：

表5 15號(hào)煤層底板屬性組合回歸分析Table 5 Coal No.15 floor attribute combination regression analysis

本次回歸分析得出的擬合公式：

Y=0.084+0.525X1+0.476X2

(2)

式中：Y代表15號(hào)煤層底板砂地比；X1代表經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后的高階累量方差值；X2代表經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后的平均振幅值。

(a)高階累量方差與砂地比擬合圖；(b)均方根振幅與砂地比擬合圖；(c)能量半衰時(shí)與砂地比擬合圖；(d)弧長與砂地比擬合圖；(e)最大振幅與砂地比擬合圖；(f)平均振幅與砂地比擬合圖圖5 15號(hào)煤層底板砂地比與地震屬性交匯分析Figure 5 Coal No.15 floor total sandstone thickness to strata thickness ratio and seismic attribute cross analysis

(a)高階累量方差與砂地比擬合圖；(b)能量半衰時(shí)與砂地比擬合圖；(c)均方根振幅與砂地比擬合圖；(d)弧長與砂地比擬合圖；(e)最大振幅與砂地比擬合圖；(f)平均振幅與砂地比擬合圖圖6 15號(hào)煤層頂板砂地比與地震屬性交匯分析Figure 6 Coal No.15 rooftotal sandstone thickness to strata thickness ratio and seismic attribute cross analysis

聚煤前地震屬性組合經(jīng)回歸分析之后得出線性回歸系數(shù)為0.800 339，大于0.8，說明該屬性組合可用來預(yù)測(cè)煤層底板砂地比。因此可根據(jù)回歸分析所得出的擬合公式結(jié)合克里金插值方法對(duì)15號(hào)煤層底板砂地比進(jìn)行預(yù)測(cè)，編制砂地比等值線圖[25](圖7)。

圖7 基于融合屬性預(yù)測(cè)15號(hào)煤層底板砂地比分布Figure 7 Coal no.15 floortotal sandstone thickness to strata thickness ratio distributions based on attribute synthesis prediction

其次對(duì)15號(hào)煤層頂板優(yōu)選敏感屬性(平均振幅和高階累量方差)進(jìn)行回歸分析(表6)：

表6 15號(hào)煤層頂板屬性組合回歸分析Table 6 Coal No.15 roof attribute combination regression analysis

本次回歸分析得出的擬合公式：

Y=1.325-2.461X1+0.046X2

(3)

式中：Y代表15號(hào)煤層頂板砂地比；X1代表經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后的高階累量方差值；X2代表經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后的平均振幅值。

聚煤后地震屬性組合經(jīng)回歸分析之后得出其線性回歸系數(shù)為0.866 094，大于0.8，說明該屬性組合可用來預(yù)測(cè)煤層頂板砂地比。因此可根據(jù)回歸分析所得出的擬合公式結(jié)合克里金插值方法對(duì)15號(hào)煤層頂板砂地比進(jìn)行預(yù)測(cè)，編制砂地比等值線圖(圖8)。

本文在屬性融合得出研究區(qū)聚煤前后砂地比等值線圖后，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料、沉積環(huán)境、單井相以及地震資料對(duì)聚煤前后沉積相進(jìn)行刻畫。在晚古生代時(shí)期，沁水盆地主要為海陸交互相沉積，在太原組15號(hào)煤層聚煤前期，經(jīng)歷了障壁島—潮坪—潟湖—潮坪環(huán)境，在潮坪沉積相中識(shí)別出了混合坪沉積亞相，在15號(hào)煤層聚煤后期，沉積環(huán)境為潮坪相沉積，在潮坪相沉積中識(shí)別出了泥炭坪和混合坪兩種沉積亞相(圖9)。

砂地比圖8 基于融合屬性預(yù)測(cè)15號(hào)煤層頂板砂地比分布Figure 8 Coal no.15 roof total sandstone thickness to strata thickness ratio distributions based on attribute synthesis prediction

(a)聚煤前沉積相 (b)聚煤后沉積相圖9 15號(hào)煤層聚煤前后沉積相分布Figure 9 Sedimentary facies distribution before and after coal No.15 accumulation

3 結(jié)論

本文充分結(jié)合地球物理測(cè)井與三維地震勘探優(yōu)勢(shì)，以陽泉礦區(qū)寺家莊煤礦為例，基于地震沉積學(xué)的理論方法，利用測(cè)井資料與地震資料，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)資料，對(duì)研究區(qū)聚煤前后砂地比分布特征進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并對(duì)其沉積相進(jìn)行了刻畫。主要得出以下結(jié)論：

1)高階累量方差和平均振幅可作為預(yù)測(cè)研究區(qū)15號(hào)煤層頂?shù)装迳暗乇葏?shù)的敏感屬性組合。

2)結(jié)合單井相，地震資料以及地質(zhì)背景對(duì)研究區(qū)沉積相進(jìn)行了識(shí)別，聚煤前為障壁島—潮坪—潟湖—潮坪相沉積，聚煤后為潮坪相沉積。在潮坪相的基礎(chǔ)上又識(shí)別出了泥炭坪，混合坪兩種沉積亞相。