海陆过渡相煤系含气层测井响应特征分析

尹帅 丁文龙 刘建军 曹翔宇

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；2.中国石油华北油田公司勘探开发研究院，河北任丘 062552）

海陆过渡相煤系含气层测井响应特征分析

尹帅1丁文龙1刘建军2曹翔宇1

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；2.中国石油华北油田公司勘探开发研究院，河北任丘 062552）

煤系天然气聚集规律复杂，是当前天然气勘探的热点领域。沁水盆地南部上古生界广泛发育海陆过渡相煤系地层，具有致密气勘探潜力，但目前研究程度较低。基于野外露头、地震、气测、常规及特殊测井资料，对该地区煤系含气储层地质结构单元进行了划分。同时，分析了不同类型储层的测井识别方法及含气层的各向异性特征。研究结果表明，该地区煤系地层发育煤岩型、致密砂岩型、砂泥岩互层型、泥页岩型及灰岩型5类储层单元。基于常规及特殊测井，制定了煤系致密气层识别的标准。岩性、地应力及裂缝发育程度对储层各向异性均有显著影响，裂缝发育程度对岩石各向异性的影响要强于地应力。该地区煤岩具有最强的各向异性，其次为砂岩及泥岩，砂泥岩频繁互层型地层的各向异性较小。

沁水盆地 海陆过渡相 煤系 含气层 测井

0 引言

“煤系”又称“煤岩系”或“含煤建造”，泛指含有煤层或煤线的沉积岩体系［1］。煤系含有丰富的烃源岩，同时其自身也可以储集大量的天然气，是目前国内外天然气勘探的重点领域［2-3］。煤系通常为陆相或海陆过渡相沉积，岩性在纵向上及平面上变化都较快，存在较强的非均质性及各向异性，地质结构复杂［4］。因此，煤系地层含气性及天然气富集规律研究的难度较大，目前认识尚浅，是当前研究的热点及难点［5］。沁水盆地南部地区上古生界广泛发育海陆过渡相煤系地层，其中煤层气已获得商业开发，煤系致密砂岩气目前还尚处于勘探阶段。老井复查及气测结果显示，煤系地层中致密砂岩、泥页岩及灰岩中均存在气测异常现象，因此，推测地区可能存在多种致密气藏类型［6］。深入研究该地区上古生界海陆过渡相煤系地层地质结构及含气性测井响应特征，一方面对指导该地区致密气勘探具有现实意义；同时，其也可以成为煤层气的重要补充，对推动地区经济发展具有重要作用。笔者利用该地区野外露头、地震、气测、常规及特殊测井资料，对上古生界煤系含气储层地质结构单元进行了划分。同时，分析了不同类型储层的测井识别方法及含气层的各向异性特征。

1 地质背景

研究区位于沁水盆地南部，太原组和山西组是该地区上古生界最主要的煤系地层，共含煤11～17层；本溪组和下石盒子组均只含薄煤层或煤线。太原组主要为海相沉积，而山西组则是在太原组海相地层层序基础上沉积的一套海陆交互相沉积，代表温暖湿润的气候环境。山西组的顶界为下石盒子组的骆驼脖子砂岩底，沉积环境逐渐转变为炎热干旱气候［3-4］。

研究区石炭系底界为一区域性的不整合面，从地震反射剖面上对该三级层序界面进行识别，可识别出削截不整合（图1a）。削截也叫“削蚀”，为层序的上界面，是识别层序界面的可靠标志，意味着地层曾暴露地表并遭受强烈剥蚀。在二叠系顶面上可识别出上超不整合（图1b），上超接触是层序底界面的可靠标志，表现为层序的底部地层向原始倾斜界面逐层终止，由于水体的不断扩大，地层呈现出向上逐层超覆的现象［7］。

图1 沁水盆地南部地区不整合面特征图

野外实测露头剖面及钻井资料显示，沁水盆地三叠系及其上覆中生代地层普遍缺失，三叠系顶部为一个重大的不整合面，代表了一次强烈的区域性构造隆升作用。从部分地区三叠系出露地层中也可识别出角度不整合关系，为构造活动的有力证据。复杂构造演化及沉积成岩作用对该地区煤系地层生排烃及储层含气性均产生了重要影响，是该地区天然气分布特征复杂的重要原因之一。

2 煤系地层含气层测井响应特征

2.1 含气层单元结构划分

研究区石炭—二叠煤系含气层地层结构复杂，主要可划分为煤岩型、致密砂岩型、砂泥岩互层型、泥页岩型及灰岩型5类含气储层单元（图2），其中前两类是最主要的类型。煤岩型储层（图2a）主要为太原组15号煤层及山西组3号煤层，这两个煤层的厚度较大，在区内分布也最稳定，含气量通常大于15 m3/t。致密砂岩型储层（图2b）指大段砂岩夹薄泥岩层，单砂层的厚度通常大于2～3 m，砂地比通常大于70%。砂泥岩互层型储层（图2c）指砂岩和泥（页）岩频繁互层，砂地比约为50%。泥页岩型储层（图2d）指大段泥页岩夹薄层砂岩，砂地比通常小于40%。灰岩型储层（图2e）指大段灰岩含气层。煤岩是煤系地层主要的烃源岩，该地区天然气具有仅临烃源岩，近距离富集的成藏条件。

2.2 含气层测井识别

2.2.1 常规测井

图2 研究区煤系含气储层单元划分图

图3所示为研究区QSX井含气层测井评价成果图，从气测全烃结果可以看出，该井在山西组底部及太原组的含气性较好，而山西组中上部地层及下石盒子组的含气性较差。

图3 QSX井含气层测井评价图

所研究3号煤的宏观煤岩类型为光亮煤，少数为半光亮煤及半暗煤，仅在局部夹有薄层暗淡煤。煤岩成分以亮煤为主，镜煤主要为中—细至宽条带状结构，夹少量薄层状丝炭体。根据煤体结构划分的煤岩类型主要为原生结构煤，仅在断层附近有少量碎裂结构煤分布。

煤岩地层通常具有较好的含气性，为含气层（图3）。富气煤岩层在常规测井曲线上主要表现为：低自然伽马（小于60 API）、低密度（1.25～1.6 g/cm3）、低泥质含量（小于15%）、高纵波时差（350～450 μs/m）及深、浅电阻率出现一定幅度差的特征（图3）。随着煤岩含气量的增加，密度、声波时差及电阻率测井曲线的响应变化较为明显，表现为岩石密度值会略降；声波时差值则出现较大幅度升高；同时，岩石电阻率值出现大幅度降低，且深浅侧向电阻率间具有较大的幅度差。

此外，致密砂岩储层也是该煤系地层中的重要富气单元，为天然气勘探的重要目标。具有较好含气性的致密砂岩储层主要表现为以下4方面测井响应：①密度与补偿中子或纵波时差测井曲线间存在一定“幅度差”，表现为密度曲线值相对偏小，而补偿中子或纵波时差曲线值相对偏高（图3）。图3中有密度测井的曲线道（第5曲线道）通过曲线叠合方法将密度与补偿中子间具有“幅度差”（黄色）的部分标示出来。其中，下石盒子组有多段地层具有“幅度差”，但这些层段多为干层及气水层，含气性差，这与该地层中泥质含量高及保存条件较差有关。山西组及太原组含气层与第5曲线道所反映的“幅度差”层段具有较好的对应性。②地层含气时会引起声波时差增加，因此该曲线往往出现周期跳跃现象（图3）。③地层含气时岩石密度测井值会略降。④地层含气时岩石电阻率值会升高。

2.2.2 阵列声波测井

根据阵列声波测井也可以对煤系含气层进行有效识别，如图4所示。致密砂岩储层（图4A）的各声波时差要明显小于煤岩储层（图4B）。由于地层含气，各类储层的声波幅度会向低幅度方向偏移，煤岩储层的纵波、横波及斯通利波幅度均会出现一定程度降低（图4B）；而致密砂岩储层的纵波、横波及斯通利波幅度值要相对高一些，当地层含气时，声波幅度值会出现一定程度波动（图4A）。同时，地层含气会引起纵波、横波及斯通利波的衰减，煤岩储层的衰减幅度要明显大于致密砂岩储层（图4）。从单、偶级变密度图像上可以清楚地区分煤岩储层，煤岩储层的反射曲线比较模糊（图4B）；对于致密砂岩储层来说，具有较好含气显示的层段同时具有较好的渗透性，其单、偶级变密度图像往往呈现出“V”字型反射（图4A）。

图4 煤系含气储层阵列声波测井响应特征图

2.3 含气层各向异性特征

各向异性是致密储层的固有属性，利用阵列声波测井资料分析致密储层各向异性是目前较为常用的一种方法。地下岩石处于三向应力环境下，且通常发育一些裂缝或微裂隙，沿着水平最大主应力方向或平行于裂隙走向方向，地层岩石的刚度或强度都要相对高一些，对应偏振横波的传播速度也更快一些。因此，快横波方向通常可指示地层中水平最大主应力方向或裂缝走向，因此，可以利用该方法研究储层在水平方向的平面各向异性。根据研究区目的层成像测井进行扩径分析，结果显示该地区地应力方向为NE45°方向。研究区裂缝的形成具有期次性，天然裂缝主要有4个主方向，分别为南北向、北西向、北北东向和北东向，与印支期以来4个阶段（印支期、燕山期、喜马拉雅运动早期及喜马拉雅运动中晚期）的构造运动的挤压方向具有较好的一致性。4个阶段构造运动的挤压方向不同，现今应力方向与喜马拉雅运动中晚期挤压方向近似。

图5所示为QSX井各向异性分析成果图，可以看出，煤储层段（如1 725～1 732 m井段）具有较强的各向异性，其平均各向异性可以达到15%。1 698～1 709 m井段致密砂岩的平均各向异性主要分布在3%～9%，地层具有一定各向异性，但其各向异性要明显小于煤岩。该致密砂岩段的含气性较差，与保存条件不好有关；但该井段的裂缝发育程度较好，这是造成地层各向异性的主要原因。1 710～1 725 m为大段泥岩，地层平均各向异性主要分布在3%～10%，地层各向异性与泥岩地层中发育一些微裂隙及复杂的应力环境有关。1 734～1 748 m井段主要为泥岩层，同时夹数层致密砂岩，该井段平均各向异性约为0，具有各向同性特征，表明地层中裂缝不发育。从快横波传播方向判断，该井段的应力方向约为北西向（图5）。因此，地应力对地层岩石各向异性的影响较小，而当地层中发育裂缝时，地层通常具有较强的各向异性。该研究表明，裂缝发育程度对岩石各向异性的影响要强于地应力。该地区砂泥岩频繁互层型地层的各向异性较小。

图5 QSX井各向异性分析成果图

快横波方位分析反映出地层中存在两个优势横波传播方向，分别为北西向和北东向，北东向的强度要略高于北西向（图5）。其与该地区天然裂缝走向及古应力环境均具有一定对应性。该地区主要发育北西向及北东向区域性天然裂缝。其中，北西向天然裂缝通常认为受燕山运动影响，而北东向天然裂缝则与喜马拉雅运动有关。煤系地层各向异性在纵向上存在较大的差异，利用快横波方法进行分析是一种有效的方法。

3 结论

1）将沁水盆地南部上古生界煤系划分为煤岩型、致密砂岩型、砂泥岩互层型、泥页岩型及灰岩型5类储层单元。

2）基于常规及特殊测井，制定了煤系致密气层储层识别的标准。

3）岩性、地应力及裂缝发育程度对煤系致密储层各向异性均有显著影响，裂缝发育程度对岩石各向异性的影响要强于地应力。煤岩具有最强的各向异性，其次为砂泥岩，砂泥岩频繁互层型地层的各向异性较小。

［1］戴金星，倪云燕，黄士鹏，等.煤成气研究对中国天然气工业发展的重要意义［J］.天然气地球科学，2014，25（1）：1-17.

［2］丁文龙，梅永贵，尹帅，等.沁水盆地煤系地层孔—裂隙特征测井反演［J］.煤炭科学技术，2015，43（2）：53-56.

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［4］Shao Longyi，Yang Zhiyu，Shang Xiaoxu，et al.Lithofa⁃cies palaeogeography of the Carboniferous and Permian in the Qinshui Basin，Shanxi Province，China［J］.Jour⁃nal of Palaeogeography，2015，4（4）：384-412.

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［6］秦勇，梁建设，申建，等.沁水盆地南部致密砂岩和页岩的气测显示与气藏类型［J］.煤炭学报，2014，39（8）：1 559-1 565.

［7］臧明峰，白玉花，孙淑云.港西北坡Es32段削截不整合及有利砂体分布［J］.石油地质物理勘探，2015，50（5）：973-979.

（编辑：卢栎羽）

B

2095-1132（2016）06-0012-04

10.3969/j.issn.2095-1132.2016.06.004

修订回稿日期：2016-11-21

国家自然科学基金项目（41372139、41072098）；国家科技重大专项专题（2011ZX05018-001-002、2011ZX05009-002-205、2011ZX05033-004）。

尹帅（1989-），博士研究生，研究方向为石油构造分析与控油作用、非常规油气构造和裂缝及其与含气量关系。E-mail：speedysys@163.com。