申有義，任斗金，常鎖亮，張 生*，劉最亮, 劉 波, 劉 晶

(1.山西省煤炭地質(zhì)物探測(cè)繪院，晉中 030600；2.太原理工大學(xué)地球科學(xué)與工程系，太原 030024；3.陽(yáng)泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，陽(yáng)泉 045000)

沉積環(huán)境在一定程度上影響煤儲(chǔ)層的成藏條件和圍巖分布規(guī)律，對(duì)含煤地層巖系中的巖性與巖相在空間內(nèi)的分布、組合有重要意義[1-2]。煤層圍巖封蓋條件會(huì)影響煤層氣的保存與富集，泥巖作為非滲透性蓋層，對(duì)煤層氣封蓋能力較強(qiáng)，砂巖頂?shù)装鍧B透性較強(qiáng)不利于煤層氣的富集與保存[3-6]，而儲(chǔ)層圍巖發(fā)育的特征往往受控于其所在的沉積體系。傳統(tǒng)的沉積相分析主要建立在鉆測(cè)井資料及野外露頭調(diào)查[7-9]，垂向分辨率高但空間橫向連續(xù)性較差。近年來(lái)地震勘探技術(shù)快速發(fā)展，地震地層學(xué)、層序地層學(xué)研究成果的出現(xiàn)，利用地震資料解釋對(duì)沉積相的研究取得較大的進(jìn)展[10-11]。Zeng等[12]提出的地震沉積學(xué)方法及理論在刻畫砂體、分析沉積體系等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其理論也得到了進(jìn)一步發(fā)展和完善[13-14]。林承焰等[15]通過 90°相位調(diào)整得到近似于波阻抗剖面的地震道，提高了地震解釋的精度；朱筱敏等[16]應(yīng)用頻譜分解和地層切片技術(shù)識(shí)別出了三角洲朵葉體、水下分支河道砂體、濱淺湖泥等，通過對(duì)地層切片的解釋確定了不同成因的陸相湖盆三角洲砂體的形態(tài)特征；齊桓等[17]利用頻譜分解和地層切片開展不同地質(zhì)條件下薄儲(chǔ)層砂體進(jìn)行識(shí)別；王志萍等[18]分析渤海油田JZ31構(gòu)造東二段湖底扇時(shí)，應(yīng)用了地震反射特征和地層切片等技術(shù)，非常直觀地展示了湖底扇沉積體的演化過程及砂體分布形態(tài)；樊曉伊等[19]研究準(zhǔn)噶爾盆地車排子凸起帶沉積體系時(shí)，應(yīng)用了地層切片等地震沉積學(xué)方法，豐富了該區(qū)砂體特征研究手段；Cao等[20]采用地震沉積學(xué)方法，研究沁水盆地中西部中峪地區(qū)含煤山西組高頻層序沉積微相，嘗試預(yù)測(cè)含氣量。煤薄且砂巖、泥巖互層特征突出、砂巖分布橫向變化快，巖系沉積相識(shí)別使得砂體預(yù)測(cè)難度大、精度低，地震沉積學(xué)在含煤層砂體預(yù)測(cè)及描述薄層砂體、表征儲(chǔ)層和預(yù)測(cè)圈閉等方面起到了重要作用，目前在煤系地層沉積相刻畫[21-23]，深部地層沉積演化[23-25]，煤儲(chǔ)層沉積控氣[26-28]，煤層氣潛力區(qū)預(yù)測(cè)[29]等方面取得了積極進(jìn)展。

現(xiàn)以沁水盆地永樂南區(qū)塊山西組和太原組含煤巖系為研究對(duì)象，充分結(jié)合地球物理測(cè)井與地震勘探優(yōu)勢(shì)，在鉆測(cè)井資料建立的高分辨率層序格架基礎(chǔ)上，運(yùn)用分頻解釋確定最小等時(shí)單元，建立地層格架。運(yùn)用地層切片技術(shù)對(duì)目標(biāo)層序段進(jìn)行處理，優(yōu)選對(duì)砂體變化特征反映較好的地震屬性，建立巖性變化及沉積相的定量表征模型，以井點(diǎn)巖性及微相為約束條件，結(jié)合區(qū)域古地理環(huán)境刻畫研究區(qū)內(nèi)聚煤前后沉積相，闡明儲(chǔ)層物性結(jié)構(gòu)及砂體空間展布，進(jìn)而用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析不同沉積相帶與含氣量間的相關(guān)性，揭示煤系氣的沉積控氣規(guī)律，為后續(xù)煤系氣的勘探開發(fā)提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于沁水盆地西南邊緣，出露地層由老到新依次為古生界寒武系中上統(tǒng)、奧陶系中統(tǒng)、石炭系、二疊系，中生界三疊系及新生界第四系。構(gòu)造整體特征為南北高、中部低，形成了南北成帶、東西分塊的構(gòu)造格局。西部斷裂發(fā)育較為密集，總體走向?yàn)楸睎|向與北北東向，以正斷層為主。煤層氣勘探目的層為山西組的2號(hào)煤層和太原組的9+10號(hào)煤層。2號(hào)煤層位于山西組中下段，厚度為0～1.50 m。9+10號(hào)煤層位于太原組下段頂部，厚度為2.30～9.46 m，平均厚度為4.60 m，煤層總厚度表現(xiàn)為區(qū)塊中部厚南北變薄的趨勢(shì)，9+10號(hào)煤層在全區(qū)分布較為穩(wěn)定。

2 地震沉積學(xué)分析

2.1 地震地質(zhì)等時(shí)地層格架的建立

依據(jù)層序地層學(xué)理論，通過區(qū)域地質(zhì)背景和露頭剖面研究，結(jié)合永樂南區(qū)塊測(cè)井及巖性資料分析利用地震分頻技術(shù)，綜合分析原始地震記錄及 40 Hz 頻率、50 Hz分頻地震記錄，將從上古生界含煤巖系內(nèi)識(shí)別、劃分了5個(gè)三級(jí)層序界面，分別為區(qū)域不整合奧灰頂面、K1砂巖底、K2灰?guī)r底、K7砂巖底和K8砂巖底。在三級(jí)層序界面的控制下，進(jìn)一步識(shí)別、劃分了13個(gè)四級(jí)層序界面，如圖1所示。

目標(biāo)層段經(jīng)過分頻標(biāo)定，最終確定有以下同相軸隨頻率變化穩(wěn)定存在，如圖1所示,分別是：T1為面本溪組與峰峰組分界面(PS1)；T5為太一段與太二段之間的分界面(PS5，K2灰?guī)r底)；T8為石炭世太原期第四期海泛面(PS8，K5灰?guī)r底)；T12為山西組與下石盒子組分界面(PS12)。

以構(gòu)造樣式為指導(dǎo)，選擇地震測(cè)線方向垂直構(gòu)造走向的波組特征能穩(wěn)定追蹤的主測(cè)線，作為骨干剖面。結(jié)合測(cè)井層序標(biāo)志層和井震分頻標(biāo)志層，建立永樂南區(qū)塊研究區(qū)的地震地質(zhì)等時(shí)地層格架，如圖2所示。

圖1 分頻標(biāo)定地震地質(zhì)等時(shí)標(biāo)志層Fig.1 Demarcate seismic-geologic isochronous marker by spectral decomposition

圖2 永樂南區(qū)塊地震地質(zhì)等時(shí)地層格架Fig.2 Seismic geological isochronal framework in Yonglenan block

2.2 地層切片及屬性優(yōu)選

研究區(qū)主要煤儲(chǔ)層為太原組9+10煤和山西組2+3號(hào)煤，分別位于PS4、PS9四級(jí)層序中。通過分析目標(biāo)層段地層格架，太原組9+10號(hào)煤頂部為數(shù)米至十幾米厚灰?guī)r且無(wú)明顯巖性差異，假設(shè)9+10號(hào)煤聚煤后具有相同的沉積相展布特征，對(duì)煤層氣逸散的封堵性基本一致，故重點(diǎn)分析下組煤在聚煤前沉積相的展布特征。在具有等時(shí)意義的地震層位T1、T5(對(duì)應(yīng)于PS1底、PS5底)間，通過線性函數(shù)等比例內(nèi)插層位切分PS1至PS4層段形成地層切片(圖3)，對(duì)9+10號(hào)煤聚煤前沉積相特征著重研究。同理，在具有等時(shí)意義的地震層位T8、T12(對(duì)應(yīng)于PS8底、PS12底)間制作地層切片，對(duì)2+3號(hào)煤聚煤前后沉積相展布特征進(jìn)行研究。

圖3 研究區(qū)目標(biāo)層段地層切片F(xiàn)ig.3 Stratal slice in research area

地質(zhì)情況具有復(fù)雜性，僅憑單一屬性難以全面反映目標(biāo)層序內(nèi)砂體變化特征，需要優(yōu)選敏感屬性進(jìn)行融合(表1)。將不同屬性值進(jìn)行極差標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)算，變換后各變量觀測(cè)值均在0～1，優(yōu)選不同量級(jí)的屬性進(jìn)行融合。

以PS3層序?yàn)槔?，?duì)該層序的屬性值進(jìn)行主成分分析，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明(表2)，反映PS3層序巖性變化的地震屬性主成分有3個(gè)，分別是弧長(zhǎng)、最大振幅和瞬時(shí)頻率。

表1 目標(biāo)層段提取地震屬性分類表Table 1 Seismic attributes in target sequence stratum

綜合分析與PS3層序砂地比相關(guān)系數(shù)較高的屬性，最終優(yōu)選出瞬時(shí)頻率(相關(guān)系數(shù)R2=0.66)和弧長(zhǎng)(相關(guān)系數(shù)R2=0.61)作為PS3層序預(yù)測(cè)砂地比參數(shù)的敏感屬性組合(圖4)。

2.3 屬性融合解釋方法

多維屬性分析重點(diǎn)以地質(zhì)解釋目標(biāo)為中心進(jìn)行融合，將直觀的地質(zhì)意義賦予屬性體。優(yōu)選敏感屬性組合進(jìn)行多元回歸數(shù)值分析，驗(yàn)證其是否能夠有效的預(yù)測(cè)砂地比參數(shù)，并對(duì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行擬合。將PS3層序優(yōu)選出的瞬時(shí)頻率、弧長(zhǎng)等屬性進(jìn)行多元回歸分析，如表3所示。

表2 PS3層序多種地震屬性主成分分析數(shù)據(jù)表Table 2 Principal component analysis of multiple seismic attributes in PS3 sequence stratum

表3 PS3層序砂地比與屬性組合多元回歸擬合系數(shù)表Table 3 Multiple regression analysis of stratum ratio and attributes in PS3 sequence stratum

通過多元回歸分析，建立本次PS3層序砂地比預(yù)測(cè)模型為

Y=-0.156+0.541X1+0.405X2

(1)

式(1)中:Y為PS3層序砂地比；X1為極差標(biāo)準(zhǔn)化后的瞬時(shí)頻率屬性；X2為極差標(biāo)準(zhǔn)化后的弧長(zhǎng)屬性。

回歸分析的F檢驗(yàn)值和顯著性概率水平P均表明回歸效果較顯著，證明以上兩種地震屬性可作為PS3層序砂地比參數(shù)預(yù)測(cè)的敏感地震屬性。經(jīng)過屬性融合可獲取PS3層序砂地比分布特征，同理可得PS8及PS10層序砂地比分布特征(圖5)。

圖5 PS3、PS8和PS10層序砂地比等值線圖Fig.5 The contour map of stratum ratio in PS3，PS8 and PS10 sequence stratum

3 煤儲(chǔ)層聚煤前后沉積相特征

根據(jù)以往區(qū)域地質(zhì)資料和文獻(xiàn)研究[4-5,25]，永樂南區(qū)塊含煤巖系太原組下段和中段主要發(fā)育障壁瀉湖-碳酸鹽臺(tái)地復(fù)合相，太原組上段和山西組主要發(fā)育河流三角洲相。測(cè)井和巖性數(shù)據(jù)表明，反映每個(gè)高級(jí)層序沉積相特征的砂地比都有相應(yīng)范圍，可以依據(jù)砂地比變化特征將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的沉積相。

3.1 下組煤(9+10號(hào)煤)聚煤前沉積相特征

研究區(qū)PS3層序?yàn)楹Ｍ似诔练e的一套地層，處于海、陸過渡地帶，推斷物源方向來(lái)自北部。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育障壁島、砂坪和泥坪等沉積微相[圖6(a)]。區(qū)內(nèi)西南部弧形狀砂巖分布屬障壁沙島沉積，與ZK6002、BH4-1、PJW101及PJW102測(cè)井統(tǒng)計(jì)的高砂地比特征吻合；中部發(fā)育2個(gè)小規(guī)模的潮汐三角洲，沿潮道出現(xiàn)的進(jìn)潮流和退潮流在潮汐口附近發(fā)生沉積作用而形成；東北區(qū)域?yàn)闉a湖沉積環(huán)境，水動(dòng)力呈現(xiàn)波浪作用弱、潮汐作用較強(qiáng)的特征，沉積物以細(xì)粒陸源物質(zhì)為主，發(fā)育瀉湖泥坪微相。

圖6 PS3，PS8及PS10層序沉積相圖Fig.6 The sedimentary facies of PS3, PS8 and PS10 sequence stratum

3.2 上組煤(2+3號(hào)煤)聚煤前后沉積相特征

3.2.1 聚煤前沉積相特征

研究區(qū)PS8層序發(fā)育三角洲前緣相[圖6(b)]，推斷物源來(lái)自北部，古水流方向近N-S。東北區(qū)域發(fā)育河口沙壩，在水動(dòng)力租用下受波浪簸選作用，泥質(zhì)沉積物被水流帶走，砂質(zhì)沉積物被保存下，鉆孔GD501、GD905、ZK5002處PS8層序顯示高砂地比特征；東部、西部位置發(fā)育水下分流河道，沉積物以砂、粉砂為主，河道兩側(cè)共生水下天然堤相，分流河道呈彎曲形態(tài)；中南部發(fā)育分流間灣，為相對(duì)凹陷的海灣帶。

3.2.2 聚煤后沉積相特征

研究區(qū)PS10層序發(fā)育三角洲前緣相[圖6(c)]，為河流與海水的交鋒帶。推斷物源來(lái)自北部，古水流方向?yàn)镹E-W和NE-SW。東北、中部區(qū)域發(fā)育水下分支河道，屬于地上分支河道的水下延伸，河流沉積物以砂、粉砂為主；水下分支河道兩側(cè)伴生有水下天然堤相，沉積物為細(xì)砂和粉砂；區(qū)內(nèi)其他部位多發(fā)育分流間灣，與海相通，水動(dòng)力較弱，以細(xì)碎屑泥質(zhì)巖沉積為主，含少量粉砂。

4 煤層氣沉積控氣分析

沉積作用對(duì)煤層氣賦存條件的影響主要體現(xiàn)在聚煤特征、煤系地層的巖性、巖相組成及其空間組合方式[1]。砂地比為反映巖性變化及沉積相的有效特征參數(shù)，將聚煤前后目標(biāo)層序的砂地比與煤儲(chǔ)層含氣量進(jìn)行交會(huì)分析，得出煤層頂?shù)装宀煌瑤r性對(duì)煤層氣賦存條件的控制作用，間接地對(duì)沉積相與煤層含氣性的關(guān)系進(jìn)行分析。

圖7 煤儲(chǔ)層含氣量與圍巖巖性交會(huì)分析Fig.7 The intersection analysis of gas content in coal reservoir and surrounding rock lithology

統(tǒng)計(jì)沁水盆地古縣區(qū)塊(包含永樂南)鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，在較大區(qū)域范圍分析煤層含氣量與圍巖巖性之間的關(guān)系(圖7)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)更能反映區(qū)域地質(zhì)規(guī)律。太原組9+10號(hào)煤頂部為數(shù)米至十多米厚石灰?guī)r，認(rèn)為該儲(chǔ)層頂板對(duì)煤層氣逸散的封堵性基本一致，故應(yīng)對(duì)下組煤在聚煤前沉積相帶對(duì)煤層氣的聚散作用的影響著重進(jìn)行分析。

分析圖7結(jié)果可知，砂地比和含氣量交會(huì)結(jié)果整體呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不高。綜合分析以上數(shù)據(jù)可知，區(qū)內(nèi)單一沉積作用是煤層氣富集的控制因素之一，而并非主導(dǎo)因素。太原組9+10煤儲(chǔ)層的底板砂地比值低區(qū)域(該區(qū)塊砂地比值小于0.4時(shí)，可認(rèn)為是煤層氣聚集沉積的有利相帶)，但煤層氣井不全是高含氣量井；煤層氣高含氣井(該區(qū)塊含氣量大于4 m3/t)大多位于底板砂地比低值區(qū)；山西組2+3煤具有相似的沉積控氣規(guī)律。

圖8 不同沉積相的含氣量統(tǒng)計(jì)分析Fig.8 Statistical analysis of gas content in different sedimentary facies

為了更清楚地反映沉積對(duì)煤層氣聚集的影響規(guī)律，對(duì)古縣區(qū)塊內(nèi)煤儲(chǔ)層頂、底板巖層砂地比進(jìn)行排序，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)統(tǒng)計(jì)資料，將9+10煤儲(chǔ)層底板劃分為沉積有利相帶(瀉湖泥坪相)、沉積不利相帶(障壁砂坪相)；2+3煤儲(chǔ)層頂?shù)装鍎澐譃槌练e有利相帶(分流間灣相)、沉積不利相帶(分流河道及天然堤相)，統(tǒng)計(jì)分析不同沉積相帶與儲(chǔ)層含氣量之間的關(guān)系，如圖8所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，上組煤與下組煤的頂或底板沉積有利相帶內(nèi)高含氣量井(區(qū)塊內(nèi)含氣量大于6 m3/t)所占百分比均明顯高于不利相帶。統(tǒng)計(jì)分析表明：瀉湖泥坪相、分流間灣相有利于煤層氣保存，障壁砂坪相及分流河道相不利于煤層氣保存，因此在劃分煤層氣富集區(qū)域時(shí)應(yīng)該考慮到沉積相的封堵作用。

5 結(jié)論

針對(duì)煤層地層砂巖、泥巖及煤層普遍存在的層厚薄、砂體預(yù)測(cè)難的問題，運(yùn)用地震沉積學(xué)方法對(duì)研究區(qū)太原組與山西組主要煤儲(chǔ)層聚煤前后的沉積相特征及其控氣作用展開研究，得到如下結(jié)論。

(1)運(yùn)用地震沉積學(xué)的方法，通過90°相位旋轉(zhuǎn)、地層切片技術(shù)可以有效獲取該區(qū)含煤巖系高頻層序的沉積相展布特征。在地震地質(zhì)等時(shí)格架基礎(chǔ)上對(duì)等時(shí)標(biāo)志層進(jìn)行地層切片處理，提取的弧長(zhǎng)、瞬時(shí)頻率屬性在該區(qū)能敏感反映目標(biāo)層序巖性變化，從而精細(xì)刻畫聚煤前后沉積相展布特征。在鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)基礎(chǔ)上分析頂?shù)装逅幊练e相帶對(duì)含氣富集的控制作用，進(jìn)而劃分沉積控氣有利區(qū)。

(2)沁水盆地永樂南區(qū)塊，太原組9+10煤聚煤前為障壁-瀉湖相；山西組2+3煤聚煤前后為三角洲前緣相。對(duì)位于不同沉積相煤層氣井的含氣量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明：瀉湖泥坪相、分流間灣相有利于煤層氣保存，障壁砂坪相及分流河道相不利于煤層氣保存，為后續(xù)煤系氣富集區(qū)預(yù)測(cè)提供指導(dǎo)。