基于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的沁水盆地南部古地理沉積環(huán)境恢復(fù)與特征分析

陳 國 旭，阮 寅 芝，李 蕊 蕊，劉 盛 東，李 忠 城

(1.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100113)

0 引言

聚煤盆地古地理沉積環(huán)境對(duì)于煤層聚集、煤厚發(fā)育以及煤儲(chǔ)層物性特征分布具有重要影響，長期以來，古地理沉積環(huán)境的恢復(fù)研究多停留在專家知識(shí)約束下的二維平面定性表達(dá)，依據(jù)的勘探數(shù)據(jù)主要源于較少的巖心取樣或錄井資料，難以實(shí)現(xiàn)三維空間上的精細(xì)描述[1-4]。地球物理測(cè)井是煤層氣資源勘探的重要方法，其信息采集涵蓋巖層的電化學(xué)、導(dǎo)電、聲學(xué)、放射等諸多地球物理特性，測(cè)井曲線對(duì)于不同巖性具有多維響應(yīng)特征，垂向空間分辨率也較高[5]。因此，利用具有多維空間屬性特征的測(cè)井曲線反演古地理沉積時(shí)期的巖層及其組合，對(duì)于定量恢復(fù)聚煤盆地的成煤環(huán)境具有重要意義[6]。

沁水盆地南部煤層氣資源豐富，是我國煤層氣開發(fā)的重要區(qū)域。前人通過地質(zhì)調(diào)查等對(duì)該地區(qū)石炭—二疊系含煤地層進(jìn)行了不同程度的古地理沉積環(huán)境研究，發(fā)現(xiàn)該時(shí)期為海陸過渡階段形成的聚煤沉積環(huán)境。近年來，一些學(xué)者嘗試借助常規(guī)測(cè)井曲線并結(jié)合鉆井、錄井等數(shù)據(jù)對(duì)該地區(qū)進(jìn)行煤巖層序劃分和沉積環(huán)境識(shí)別，但多基于二維視角且利用的測(cè)井資料較少，表達(dá)方式和精度仍存在優(yōu)化空間[7-10]。測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)具有典型的GIS空間數(shù)據(jù)特征，利用三維GIS技術(shù)對(duì)聚煤盆地古地理沉積環(huán)境進(jìn)行三維定量恢復(fù)，對(duì)于煤層氣資源三維空間精細(xì)化勘探與開發(fā)具有重要作用[11-14]。因此，本文以位于沁水盆地南部的柿莊南區(qū)塊為研究區(qū)，在簡要闡述該地區(qū)古地理沉積背景的基礎(chǔ)上，探索基于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的聚煤盆地古地理沉積環(huán)境三維空間恢復(fù)方法，并對(duì)其空間特征進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

柿莊南區(qū)塊隸屬于山西省沁水縣和高平市，面積為388 km2。該區(qū)塊是我國最早進(jìn)行煤層氣資源勘探與開發(fā)的試驗(yàn)區(qū)塊之一，積累了豐富的煤層氣勘探與開發(fā)資料，區(qū)內(nèi)有1 300余口鉆井且東部密集、西部稀疏(圖1)。柿莊南區(qū)塊地質(zhì)構(gòu)造簡單，地層較平緩，石炭—二疊系地層保存較完整，自下而上主要發(fā)育有本溪組、太原組、山西組及下石盒子組4層[15]。該區(qū)塊煤層氣開發(fā)主力煤層為3#煤層，蘊(yùn)含于二疊系山西組，組內(nèi)巖性主要由砂巖、泥巖、砂泥巖混合物及煤層組成，地層厚度介于30～85 m之間，平均厚度66.05 m，頂部與上覆地層整合接觸，底部為K7砂巖標(biāo)志層，為海陸過渡的三角洲平原沉積體系。

圖1 柿莊南區(qū)塊地理位置Fig.1 Location of Shizhuangnan Block

1.2 研究方法

本文研究方法實(shí)現(xiàn)流程(圖2)為：1)巖性識(shí)別與巖層劃分。利用K-means空間聚類方法對(duì)研究區(qū)煤系地層測(cè)井曲線巖性響應(yīng)特征進(jìn)行樣本訓(xùn)練，以定量識(shí)別單井巖性并劃分巖層。2)地層沉積環(huán)境定量恢復(fù)。依據(jù)巖層劃分成果，結(jié)合測(cè)井曲線形態(tài)特征指示的沉積環(huán)境，綜合厘定單井沉積序列及其古地理沉積環(huán)境特征。3)古地理沉積環(huán)境三維特征分析。基于單井沉積序列劃分成果，運(yùn)用Delaunay三角剖分技術(shù)形成覆蓋全區(qū)的連井剖面精細(xì)控制網(wǎng)，從縱、橫、斜各方向厘定沉積序列井間空間連接關(guān)系，構(gòu)建沉積環(huán)境演化三維可視化模型。該方法不僅可為聚煤盆地古地理沉積環(huán)境三維空間恢復(fù)提供技術(shù)支持，所構(gòu)建的模型也可為該地區(qū)煤層氣資源的精細(xì)化勘探和開發(fā)提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

圖2 基于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的三維古地理沉積環(huán)境恢復(fù)流程Fig.2 Restoration process of 3D paleogeographic sedimentary environment based on logging data

2 結(jié)果分析

2.1 基于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的巖性識(shí)別與巖層劃分

巖性及其組合能綜合反映聚煤盆地煤系地層的沉積演化特征，基于測(cè)井曲線識(shí)別地層巖性并劃分巖層是古地理沉積環(huán)境恢復(fù)的首要工作[16]。K-means空間聚類算法不需要預(yù)先設(shè)定各類巖性的測(cè)井曲線響應(yīng)中心，只需確定目標(biāo)層巖性種類即可求取巖性特征響應(yīng)域[17-20]。柿莊南區(qū)塊主要發(fā)育砂巖、泥巖、煤等8類巖性，K-means空間聚類算法適用于該地區(qū)巖性識(shí)別。

2.1.1 地層巖性敏感測(cè)井曲線優(yōu)選 以研究區(qū)地質(zhì)編錄較齊全的參數(shù)井作為樣本進(jìn)行訓(xùn)練，將反映不同地球物理特性的測(cè)井曲線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行單因素方差分析，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償密度(DEN)和自然伽馬(GR)兩條測(cè)井曲線對(duì)區(qū)內(nèi)各類巖性的聚類結(jié)果具有顯著影響(表1)，故選取DEN和GR兩條測(cè)井曲線進(jìn)行K-means空間聚類分析。

表1 DEN和GR曲線單因素方差分析結(jié)果Table 1 Results of one-way ANOVA of DEN and GR curves

2.1.2 測(cè)井曲線巖性響應(yīng)特征提取 本研究利用K-means空間聚類算法對(duì)測(cè)井曲線數(shù)據(jù)循環(huán)迭代，將訓(xùn)練結(jié)果與原始樣本的巖心取樣和測(cè)井記錄進(jìn)行比對(duì)和回判，以確定各類巖性的聚類中心。從DEN、GR測(cè)井曲線樣本數(shù)據(jù)聚類結(jié)果(圖3)可知，研究區(qū)8類巖石空間分異特征明顯。依據(jù)測(cè)井曲線數(shù)據(jù)集與各類巖性的響應(yīng)關(guān)系，求取測(cè)井曲線對(duì)各類巖石的幅值響應(yīng)范圍(表2)，進(jìn)而依據(jù)測(cè)井曲線巖性特征響應(yīng)域?qū)Ω縻@井巖性進(jìn)行識(shí)別。

圖3 測(cè)井曲線樣本數(shù)據(jù)聚類結(jié)果Fig.3 Clustering results of logging sample data

表2 各類巖石與測(cè)井曲線的幅值響應(yīng)范圍Table 2 The amplitude response range of various lithologies and logging curves

2.1.3 基于層序格架的巖層劃分 巖層層序格架是測(cè)井曲線巖層劃分的基礎(chǔ)，也是厘定古地理沉積環(huán)境的依據(jù)[21]。依據(jù)柿莊南區(qū)塊參數(shù)井地質(zhì)編錄資料，結(jié)合測(cè)井曲線巖性響應(yīng)的域值范圍及形態(tài)特征，對(duì)參數(shù)井進(jìn)行巖性識(shí)別和巖層劃分；經(jīng)井間統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析，確立山西組地層的巖層層序格架(圖4)作為全區(qū)測(cè)井曲線識(shí)別巖性和劃分巖層的基礎(chǔ)，進(jìn)而依據(jù)巖層及其組合揭示其古地理沉積環(huán)境特征。

圖4 基于測(cè)井曲線數(shù)據(jù)的二疊系山西組巖層層序劃分結(jié)果(SZ-01井)Fig.4 Division results of strata sequence of Permian Shanxi Formation based on logging data(well SZ-01)

2.2 地層沉積環(huán)境定量恢復(fù)

基于巖層沉積環(huán)境特征，結(jié)合區(qū)內(nèi)沉積微相及其耦合的測(cè)井曲線幾何形態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)單井沉積微相的識(shí)別，進(jìn)而揭示該井的沉積演化特征。

2.2.1 巖層沉積環(huán)境特征分析 由圖4可知，山西組底部主要沉積細(xì)砂巖，該巖層測(cè)井曲線的特征為高DEN、低GR值；其上部沉積有中砂巖，加之廣泛沉積的泥巖及砂泥混合物，這些沉積組合為3#煤層的發(fā)育提供了良好的古地理沉積環(huán)境。3#煤層厚度大且煤質(zhì)較好，是山西組地層的重要標(biāo)志，其測(cè)井曲線特征為DEN值和GR值均較低且呈箱形結(jié)構(gòu)。山西組地層中部水動(dòng)力條件較強(qiáng)，發(fā)育有反粒序沉積的砂巖，測(cè)井曲線GR值較高且呈箱形和指形結(jié)構(gòu)；中上部廣泛沉積泥巖和細(xì)砂泥混合物，該階段發(fā)育有2#煤層，但由于水體的逐漸后退和陸相作用的加強(qiáng)，煤層大部分呈尖滅狀態(tài)，僅有少量賦存，測(cè)井曲線特征表現(xiàn)為鐘形或指形結(jié)構(gòu)。山西組沉積后期，由于河流動(dòng)力作用的加強(qiáng)且攜帶大量泥沙，細(xì)砂巖逐漸沉積，進(jìn)入下石盒子組沉積時(shí)期，該階段測(cè)井曲線的GR值自下而上逐漸升高，呈齒化箱形結(jié)構(gòu)。

2.2.2 沉積微相及其測(cè)井曲線形態(tài)特征分析 結(jié)合前人研究成果和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析可知，山西組地層為海陸過渡的三角洲平原沉積體系，主要發(fā)育有分流河道、天然堤、決口扇、分流間灣和泥炭沼澤5種沉積微相[22,23]。經(jīng)參數(shù)井樣本數(shù)據(jù)分析，挖掘出各沉積微相與測(cè)井曲線幾何形態(tài)的耦合關(guān)系(表3)，具體特征為：1)分流河道以中砂、細(xì)砂、粉砂等砂質(zhì)沉積為主，泥質(zhì)極少，層序逐漸變細(xì)，為山西組三角洲平原沉積環(huán)境的主體，測(cè)井曲線主要表現(xiàn)為中高幅微齒的箱形和鐘形幾何特征。2)天然堤的沉積粒度較細(xì)，以粉砂沉積為主，主要形成于山西組沉積初期，分布在分流河道兩旁；由于河水沖刷較難保存，僅有少量沉積，測(cè)井曲線受砂質(zhì)沉積影響主要表現(xiàn)為低幅的指形或微齒形結(jié)構(gòu)。3)決口扇由以細(xì)砂巖和粉砂巖為代表的砂質(zhì)沉積物組成，粒度介于分流河道和天然堤之間，測(cè)井曲線常表現(xiàn)為中低幅的扁鐘形結(jié)構(gòu)。4)分流間灣常與海相連，孕育厚煤帶，是區(qū)內(nèi)分布最廣泛的沉積微相，以砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖等粘土質(zhì)沉積為主，其間也有少量的細(xì)砂質(zhì)沉積，測(cè)井曲線常表現(xiàn)為中低幅的平直形和微齒形幾何特征。5)泥炭沼澤沉積環(huán)境水動(dòng)力條件微弱，植物繁茂，主要有暗色有機(jī)質(zhì)泥巖或煤在此沉積，區(qū)內(nèi)發(fā)育3#主力煤層，煤層分布廣泛且厚度均勻，該沉積測(cè)井曲線的響應(yīng)特征明顯，DEN值較低，GR值也低于100，主要表現(xiàn)為高幅的箱形和鐘形結(jié)構(gòu)。

表3 沉積微相與測(cè)井曲線形態(tài)特征的耦合關(guān)系Table 3 Coupling relationship between sedimentary microfacies and logging curve shape

2.2.3 地層沉積微相識(shí)別及沉積環(huán)境演化特征分析 依據(jù)研究區(qū)古地理沉積背景及建立的巖層沉積格架，結(jié)合測(cè)井曲線幾何形態(tài)特征進(jìn)一步識(shí)別各沉積微相單元，進(jìn)而構(gòu)建單井沉積環(huán)境剖面序列(圖5)，揭示地層古地理沉積環(huán)境演化特征。由圖5可知，山西組地層沉積初期，海平面下降，主要發(fā)育以砂巖沉積為主體的分流河道，上覆天然堤；隨著沉積環(huán)境逐步穩(wěn)定，分流間灣沉積微相大面積發(fā)育，細(xì)粒度的泥巖和砂泥混合物廣泛沉積，泥炭沼澤沉積環(huán)境為厚煤層的發(fā)育和煤層氣的富集提供了良好條件；接著，三角洲進(jìn)入建設(shè)階段，分流河道帶來的大量砂質(zhì)沉積形成決口扇，由于地形起伏和不穩(wěn)定的水動(dòng)力條件，該時(shí)期決口扇發(fā)育不連續(xù)；隨著陸相作用不斷加強(qiáng)，煤層的發(fā)育環(huán)境遭到破壞，該時(shí)期泥炭沼澤沉積環(huán)境較弱，發(fā)育的2#煤層厚度較薄甚至缺失；而后，砂體沉積厚度逐漸增大，大面積發(fā)育分流河道，進(jìn)入下石盒子組地層沉積階段，表現(xiàn)為上三角洲平原和沖積平原沉積環(huán)境。

圖5 基于測(cè)井曲線數(shù)據(jù)的二疊系山西組沉積微相識(shí)別及沉積環(huán)境演化特征分析(SZ-02井)Fig.5 Identification of sedimentary microfacies units and sedimentary environment evolution characteristics of Permian Shanxi Formation based on logging data(Well SZ-02)

2.3 古地理沉積環(huán)境三維特征分析

綜合1 300余口煤層氣井的鉆井、測(cè)井及分層數(shù)據(jù)，并依據(jù)井間沉積剖面的三維空間連接關(guān)系，通過空間插值形成空間上連續(xù)的沉積層序DEM，最終通過三維建模技術(shù)建立柿莊南區(qū)塊山西組煤系地層三維沉積環(huán)境模型；砂巖、泥巖、煤等在三維空間中的交替沉積形成了分流河道、分流間灣、天然堤、決口扇等沉積微相(圖6)。

圖6 柿莊南區(qū)塊山西組地層三維沉積環(huán)境模型Fig.6 3D visualization of paleogeographic sedimentary environment of Permian Shanxi Formation in Shizhuangnan Block

經(jīng)三維模型分析可知，二疊系山西組地層沉積初期處于海陸過渡的下三角洲沉積階段，海進(jìn)、海退為分流間灣、泥炭沼澤沉積環(huán)境的形成和厚煤層的發(fā)育提供了廣闊平臺(tái)。地層底部發(fā)育的分流間灣平均厚度為10.91 m，泥炭沼澤沉積發(fā)育的3#煤層平均厚度為6.25 m(圖7)。受海水影響，山西組底部分流間灣、泥炭沼澤微相的發(fā)育厚度與覆水深度呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)性，覆水越深，厚度越小。而西北方向水動(dòng)力條件較弱，分流間灣留存積水較多，有利于植物生長，致使區(qū)內(nèi)泥炭沼澤發(fā)育較好；東南方向則受海進(jìn)、海退過程擾動(dòng)，水體活動(dòng)相對(duì)頻繁，水下沖蝕作用導(dǎo)致部分沉積物被海水帶走，造成海退方向上煤層底部分流間灣和泥炭沼澤沉積發(fā)育厚度逐漸變薄并呈現(xiàn)一定的分帶性(圖8)。然而，由于海退方向上泥炭沼澤覆水程度相對(duì)較深，還原條件較好，活動(dòng)的水體導(dǎo)致木本與草本植物大量繁殖和共生，煤質(zhì)發(fā)育較好；同時(shí)由于大規(guī)模海退后三角洲進(jìn)入建設(shè)階段，該地區(qū)煤層頂部的分流間灣沉積受分流河道擾動(dòng)相對(duì)較小，封存煤層的泥巖及砂質(zhì)泥巖沉積厚度較高，有利于煤層氣的富集高產(chǎn)。

圖7 山西組沉積初期底部分流間灣、泥炭沼澤沉積厚度直方圖Fig.7 Column diagram of stratigraphic sedimentary thickness of distributary bay and peat swamp in Permian Shanxi Formation

圖8 山西組沉積初期分流間灣、泥炭沼澤沉積厚度空間演化特征Fig.8 Spatial evolution characteristics of stratigraphic sedimentary thickness of distributary bay and peat swamp in Permian Shanxi Formation

3 結(jié)論

聚煤盆地古地理沉積環(huán)境的三維空間恢復(fù)對(duì)于煤層氣資源的三維可視化勘探及靶區(qū)優(yōu)選至關(guān)重要。本文基于具有多維空間屬性特征的測(cè)井曲線數(shù)據(jù)，提出聚煤盆地古地理沉積環(huán)境三維可視化恢復(fù)方法；借助K-means空間聚類算法求取敏感測(cè)井曲線的巖性響應(yīng)特征，實(shí)現(xiàn)了基于測(cè)井曲線的巖性特征識(shí)別和單井巖層劃分，進(jìn)而綜合巖層及耦合的測(cè)井曲線形態(tài)特征識(shí)別沉積微相單元，重構(gòu)單井古地理沉積環(huán)境演化剖面序列；最后，結(jié)合井間沉積剖面空間連接關(guān)系，構(gòu)建柿莊南區(qū)塊山西組煤系地層古地理沉積環(huán)境三維模型。結(jié)果表明，柿莊南區(qū)塊二疊系山西組地層主要發(fā)育分流河道、分流間灣、天然堤、決口扇和泥炭沼澤5種沉積微相，泥炭沼澤微相發(fā)育的3#煤層平均厚度為6.25 m；因受海進(jìn)、海退過程的影響，3#煤層的三維空間聚集與覆水深度呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，空間上表現(xiàn)為沿海退方向煤層逐漸變薄并具有分帶特征，局部表現(xiàn)為東南地區(qū)煤層煤質(zhì)較好且封存煤層的泥巖及砂質(zhì)泥巖沉積較厚，對(duì)煤層氣富集高產(chǎn)區(qū)的優(yōu)選具有較好的指示作用。然而，由于沉積微相的井間連接關(guān)系及相變特征均較復(fù)雜且具有一定的不確定性，三維建模過程中如何減少這些因素的影響以提高模型的精度，有待深入研究。