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(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)方法主要是基于地質(zhì)露頭、鉆井巖芯、測(cè)井曲線及測(cè)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(duì)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(cè)井信息橫向分辨率低。煤系地層橫向相變快，這也對(duì)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(duì)于測(cè)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(duì)象，借助研究區(qū)高品質(zhì)的三維地震資料及鉆/測(cè)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(duì)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(shì)(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(jiǎn)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(duì)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(cè)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(duì)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(cè)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(duì)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]。基于地層切片處理后的三維地震數(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(duì)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(duì)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(duì)巖性、巖相的快速變化較為敏感；均方根振幅屬性對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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。