张 刚，常锁亮，王瑞瑞，刘 波，曾 博，刘最亮，杨智华

(1.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州 221008；2.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏徐州 221008；3.太原理工大学 地球科学与工程系，太原 030024；4.煤与煤系气地质山西省重点实验室，太原 030024；5.阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西阳泉 045000)

在聚煤盆地的演化过程中，不同沉积相的展布特征对聚煤盆地的海陆变迁、构造演化及周围环境的相互作用起到了很好的记录作用，对聚煤盆地沉积相的研究成为研究聚煤盆地演化过程的核心内容[1]。在海陆交互相的古地理背景下，晚古生代沁水盆地的沉积环境成为影响聚煤特征以及煤层气赋存的主要因素。而聚煤前后的沉积环境又影响着煤层厚度及其空间展布特征和煤层气的保存[2]及煤体结构的分布。对聚煤前后沉积相的刻画，可以了解储层物性结构及砂体空间展布，进而研究煤系气的分布规律及形成条件，对后续煤系气的勘探开发起到指导作用，因此对含煤岩系聚煤前后沉积相的研究是十分有必要的[3]。

前人对沁水盆地太原组地层的沉积环境已有很多研究，然而以往大量的研究多集中于沁水盆地西北部及东南部，对沁水盆地东北部沉积环境的研究相对缺少，尽管已有研究表明沁水盆地东北部太原组地层下段沉积环境为障壁岛—潮坪—潟湖—潮坪相沉积[4]，但前人的研究仍存在以下两个方面的不足，一方面以往研究较笼统，缺少对太原组15号煤层聚煤前后沉积相的精细刻画；另一方面，沁水盆地太原组地层15号煤层位于太原组地层下段，属海陆交互相沉积。在海陆交互相的古地理背景下，研究区地层的岩性、岩相在横向上变化较快[5]。而传统的基于地质和测井的研究方法利用的是测井在垂向上的高分辨率对地层中的沉积序列进行研究，在横向分辨率上难以满足研究区沉积相的精细刻画[6]。

本文基于地震沉积学的理论方法，选择寺家庄矿区太原组地层部分钻孔及地震资料进行研究，充分利用测井在垂向上的高分辨率和地震勘探在横向上的高分辨率的优势，将二者的优势相结合[7]，采用合成记录、井震联合标定、层位追踪、地层切片、属性提取等关键技术，提取层间属性，并通过融合属性来预测目标层段的砂地比[8]，结合研究区的古地理背景和沉积相模式，对15号煤层聚煤前后沉积相进行精细刻画，旨在为进一步开展寺家庄矿区煤及煤层气资源开发地质条件研究提供重要的沉积因素支撑。

1 地质背景

1.1 地层特征

研究区位于沁水盆地阳泉矿区(图1)，以砂岩，砂质泥岩，泥岩为主，还发育三层较厚的灰岩，可作为K2，K3，K4的标志层。除此以外，煤层出现有十层以上，但大多为薄煤层，在太原组底部和中部都发育较厚的煤层，如15号煤层和9号煤层[9]。依据岩性特征可以将太原组分为三段：K1砂岩底到K2灰岩底为太原组地层下段，根据测井资料可知，该段最小厚度为 34.95 m，最大厚度为57.9 m，主要为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩以及煤层，在底部发育15号煤层，厚度可达4～7 m，且属于可开采煤层，同时下段中也间夹1～2层不稳定的薄煤层[10]。K1砂岩底到15号煤层顶属于聚煤前沉积地层，15号煤层顶到K2灰岩底属于聚煤后沉积地层[11]。K2灰岩底到K4灰岩底为太原组中段，厚度在34.25～51.23 m，含有较厚的石灰岩和粉砂岩，还含有几层薄煤层，其中包括11号、12号、13号煤层。K4灰岩底部到K7砂岩底部为太原组上段地层，厚度在38.55～69.32 m，砂质泥岩，砂岩，泥岩为主，夹有较厚煤层，其中9号煤层属于厚煤层，厚度可达0.89～3.35m，同时太原组上段地层中也含有1～3层不稳定的薄煤层。

1.2 构造特征

阳泉寺家庄矿区位于沁水盆地拗陷的东边缘，太行山的隆起西翼，其基本构造形态呈单斜，走向为北北西，倾向为南西西[12]。在该单斜上又发育有次级褶曲，表现为“S”型[13]。地层倾角比较平稳，普遍为10°，部分受到褶曲的影响达到20°。寺家庄矿区断层构造较其他井田多，主要分布于东部地区[14]。

(a)寺家庄矿区构造分布 (b)寺家庄矿区井位分布图1 寺家庄矿区图Figure 1 Map of Sijiazhuang mining area

2 研究区15号煤层聚煤前后的砂地比预测及沉积相的刻画

2.1 测井资料解释

本文选取研究区内8口井进行单井相解释，在对测井资料进行标准化处理以后，便可根据测井曲线特征标定岩性、标志层、沉积相以及沉积亚相。本文主要根据自然伽马和深侧向电阻率曲线特征对岩性进行标定，在对标志层进行标定时主要根据测井曲线特征相似的、相对稳定的层段进行划分，此外，还可根据标志层的特殊岩性对标志层进行划分与标定，例如K2、K3均为较厚的灰岩，K1为较厚的砂岩[15]。依据研究区地质背景以及沉积环境对沉积相进行划分，沁水盆地东北部太原组地层下段自下而上的沉积环境依次为障壁岛—潮坪—潟湖—潮坪沉积。其中障壁岛相沉积主要由厚层细粒和中粗粒砂岩组成，向上变为泥炭坪沉积，由泥质粉砂岩、泥岩和16号薄煤层组成。随后海平面上升，形成了由砂质泥岩和灰岩所组成的潟湖相沉积。随后水体变浅，形成较厚的混合坪和泥炭坪，在此基础上形成了较厚的15号煤层，基于此对研究区8口井分别进行单井相解释，为后续地震资料的解释工作打下基础(图2)。

图2 研究区2号井岩性及沉积相划分Figure 2 Study area well No.2 lithology and sedimentary facies partitioning

2.2 井震结合标定层序界面

本次研究在对地震资料进行解释之前，首先要确定反射波所对应的标志层，其中合成记录是联系地震资料与测井资料之间的桥梁，通过制作合成记录并与时间剖面相比对，确定其对应关系，从而赋予地震反射波相应的地质属性，便可在时间剖面上对地震反射波进行层位标定与追踪[16]，具体操作流程如下：

1)确定含煤岩系沉积等时界面，其方法主要有定性法和定量法，本文采用定量法进行确定，即如果某一同相轴不随地震频率变化而变化，那么该同相轴就可反映等时信息。通过对该地区地震反射波频谱特征进行分析，得出该地区地震反射波的主频率约为50 Hz，频带宽度约为10 Hz～70 Hz。因此，选择30 Hz和70 Hz进行分频标定。

2)经过井震分频标定的地震标志层K1(K1砂岩)、T15(太原组15号煤)以及K2(K2灰岩)在低频、中频和高频剖面上均稳定存在。这些层位具有一定的等时地层意义，可作为建立等时地层格架的参考标志层[17]。

3)结合研究区制作的合成记录与测井曲线特征，在地震时间剖面中追踪了3个连续性较好的地震层位(图3)，自下而上分别是K1、T15、K2。

图3 地震地质等时标志层Figure 3 Seismic-geologic isochronous marker beds

2.3 地震子波相位调整及去强反射

我们利用90°相位转换技术处理研究区地震数据体，使得反射波同相轴与薄层的相关关系得到建立，即薄层的中心部位可由同相轴指示。这时岩性地层的意义便被赋予到反射波同相轴之上，降低了在薄层解释上的困难[18]。15号煤层层位在零相位地震剖面中为过零点追踪界面，剖面形态不能清晰反映煤层岩性特征，而在90°相位地震剖面中T15层位被波谷直接表示，更加清楚地反映了煤的地震剖面特征。

煤层与砂岩层呈整合接触状态且二者波阻抗差异较大，因此砂岩的地震反射波特征会被淹没在煤层的强反射波中，这就加大了对研究区砂地比预测的难度[19]。所以本文对地震反射波进行去强反射调整，实现在煤层强反射能量背景中获取砂岩的弱响应特征信息。

去强反射前，太原组15号煤层对应的是波谷位置且振幅较强。经去强反射后，太原组15号煤层所在位置的振幅值明显降低。随着匹配次数的增加，所选时窗内强反射振幅值逐步降低，形成新的波组特征(图4)。

2.4 基于地层切片技术的属性提取与优选

地层切片技术具有等比例切片的特点，即通过等比例内插的手段，在选定的两个层面内插入切片，从而保证了切片的实用性，所以选取地层切片技术进行切片的制作[20]。地层切片对于传统的切片技术(时间切片和层位切片)而言，最大的特点就是可以在两个选定界面之间等比例内插出一系列切片，并根据内插切片生成不同的地震属性切片。

(a)去强反射前地震时间剖面 (b)去强反射后地震时间剖面图图4 去强反射前后的地震时间剖面对比Figure 4 Comparison of seismic time sections before and after strong reflections removal

地层切片技术可分三步实现：第一，选择等时地震的参考层，即井震联合追踪出的标志层K2、T15和K1[21]；第二，建立地层时间模型。由于切片是等比例内插生成，故所有切片所包含的时间间隔一般是相同的，通过内插线性函数，可以创建出接近实际沉积地层的切片模型。第三，通过所建立的切片模型来提取相应的地震属性，从而形成对应地震属性切片。

前人实践表明：和振幅有关的地震属性可以反映具波阻抗差异的沉积扇体；弧长是反映反射关系的横向变化，可以反映砂岩或泥岩地层；能量半衰时则可以反映地层中岩性岩相在横向上的变化[22]。因此对地层切片进行地震敏感属性提取时，根据前人总结的经验，分别对15号煤层顶、底板中的地层切片提取均方根振幅，能量半衰时、弧长、高阶累量方差、平均振幅、最大振幅6种地震属性，表1、表2分别为15号煤层底板和顶板所对应的地震属性值。

表1 15号煤层底板所对应的属性值Table 1 Attribute value corresponding to the bottom of No.15 coal seam

表2 15号煤层顶板所对应的属性值Table 2 Coal No.15 roof corresponding attribute values

在对单一地震属性和各层序砂地比进行交汇分析之前，要对每一个地震属性先进行标准化处理[23]。本次采用极差标准化的计算方法，设本次获取的属性值为xi：

(1)

表3 15号煤层底板对应标准化后的属性值Table 3 Coal No.15 floor corresponding normalized attribute values

表4 15号煤层顶板对应标准化后的属性值Table 4 Coal No.15 roof corresponding normalized attribute values

本文在对地震属性进行极差标准化后，建立每口井中的煤层底板砂地比与单一地震属性的拟合关系图(图5)以及每口井中的煤层顶板砂地比与单一地震属性的拟合关系图(图6)。

各井中煤层顶底板砂地比数据与单一地震属性经交汇分析后发现相关性系数(R2)绝大多数在0.7以下，为减少单一属性进行预测时所带来的误差，需要选取两个相关性系数较高的地震属性进行属性融合。最终优选出高阶累量方差(R2=0.639)和平均振幅(R2=0.637)作为预测底板砂地比的属性组合，高阶累量方差(R2=0.750)和平均振幅(R2=0.642)作为预测顶板砂地比的属性组合。

2.5 砂地比预测

经优选得出的属性组合还需进行回归分析验证其是否能有效地运用于研究区砂地比预测，进而得出属性融合后的拟合公式[24]。首先对15号煤层底板优选敏感属性(平均振幅和高阶累量方差)进行回归分析(表5)：

表5 15号煤层底板属性组合回归分析Table 5 Coal No.15 floor attribute combination regression analysis

本次回归分析得出的拟合公式：

Y=0.084+0.525X1+0.476X2

(2)

式中：Y代表15号煤层底板砂地比；X1代表经标准化后的高阶累量方差值；X2代表经标准化后的平均振幅值。

(a)高阶累量方差与砂地比拟合图；(b)均方根振幅与砂地比拟合图；(c)能量半衰时与砂地比拟合图；(d)弧长与砂地比拟合图；(e)最大振幅与砂地比拟合图；(f)平均振幅与砂地比拟合图图5 15号煤层底板砂地比与地震属性交汇分析Figure 5 Coal No.15 floor total sandstone thickness to strata thickness ratio and seismic attribute cross analysis

(a)高阶累量方差与砂地比拟合图；(b)能量半衰时与砂地比拟合图；(c)均方根振幅与砂地比拟合图；(d)弧长与砂地比拟合图；(e)最大振幅与砂地比拟合图；(f)平均振幅与砂地比拟合图图6 15号煤层顶板砂地比与地震属性交汇分析Figure 6 Coal No.15 rooftotal sandstone thickness to strata thickness ratio and seismic attribute cross analysis

聚煤前地震属性组合经回归分析之后得出线性回归系数为0.800 339，大于0.8，说明该属性组合可用来预测煤层底板砂地比。因此可根据回归分析所得出的拟合公式结合克里金插值方法对15号煤层底板砂地比进行预测，编制砂地比等值线图[25](图7)。

图7 基于融合属性预测15号煤层底板砂地比分布Figure 7 Coal no.15 floortotal sandstone thickness to strata thickness ratio distributions based on attribute synthesis prediction

其次对15号煤层顶板优选敏感属性(平均振幅和高阶累量方差)进行回归分析(表6)：

表6 15号煤层顶板属性组合回归分析Table 6 Coal No.15 roof attribute combination regression analysis

本次回归分析得出的拟合公式：

Y=1.325-2.461X1+0.046X2

(3)

式中：Y代表15号煤层顶板砂地比；X1代表经标准化后的高阶累量方差值；X2代表经标准化后的平均振幅值。

聚煤后地震属性组合经回归分析之后得出其线性回归系数为0.866 094，大于0.8，说明该属性组合可用来预测煤层顶板砂地比。因此可根据回归分析所得出的拟合公式结合克里金插值方法对15号煤层顶板砂地比进行预测，编制砂地比等值线图(图8)。

本文在属性融合得出研究区聚煤前后砂地比等值线图后，结合区域地质资料、沉积环境、单井相以及地震资料对聚煤前后沉积相进行刻画。在晚古生代时期，沁水盆地主要为海陆交互相沉积，在太原组15号煤层聚煤前期，经历了障壁岛—潮坪—潟湖—潮坪环境，在潮坪沉积相中识别出了混合坪沉积亚相，在15号煤层聚煤后期，沉积环境为潮坪相沉积，在潮坪相沉积中识别出了泥炭坪和混合坪两种沉积亚相(图9)。

砂地比图8 基于融合属性预测15号煤层顶板砂地比分布Figure 8 Coal no.15 roof total sandstone thickness to strata thickness ratio distributions based on attribute synthesis prediction

(a)聚煤前沉积相 (b)聚煤后沉积相图9 15号煤层聚煤前后沉积相分布Figure 9 Sedimentary facies distribution before and after coal No.15 accumulation

3 结论

本文充分结合地球物理测井与三维地震勘探优势，以阳泉矿区寺家庄煤矿为例，基于地震沉积学的理论方法，利用测井资料与地震资料，结合研究区地质资料，对研究区聚煤前后砂地比分布特征进行了预测，并对其沉积相进行了刻画。主要得出以下结论：

1)高阶累量方差和平均振幅可作为预测研究区15号煤层顶底板砂地比参数的敏感属性组合。

2)结合单井相，地震资料以及地质背景对研究区沉积相进行了识别，聚煤前为障壁岛—潮坪—潟湖—潮坪相沉积，聚煤后为潮坪相沉积。在潮坪相的基础上又识别出了泥炭坪，混合坪两种沉积亚相。