基于地震沉积学方法的煤层厚度预测

曹路通 常锁亮,3 潘永学 陈 强,3 刘 晶

(1.太原理工大学矿业工程学院, 山西省太原市，030024; 2. 山西山地物探技术有限公司, 山西省晋中市，030600； 3. 煤与煤系气地质山西省重点实验室，山西省太原市，030024)



曹路通1常锁亮1,3潘永学2陈 强1,3刘 晶1

(1.太原理工大学矿业工程学院, 山西省太原市，030024; 2. 山西山地物探技术有限公司, 山西省晋中市，030600； 3. 煤与煤系气地质山西省重点实验室，山西省太原市，030024)

为获得中裕地区的精细煤厚资料，基于相控沉积理论，借助地震沉积学在地层岩性识别及沉积相带划分等方面的优势，提出利用地震沉积学方法预测煤厚的思路。通过对研究区山西组2#煤层聚煤前后沉积相带分布及其演化与煤厚相关性分析，实现对2#煤层厚度的预测。结果表明：研究区2#煤层聚煤前为下三角洲沉积环境，聚煤后为上三角洲沉积环境。后期构造及聚煤后沉积环境对煤厚变化影响较小，而聚煤前沉积环境及其相带分布对煤厚变化起控制作用。煤厚预测结果与钻孔揭露吻合较好，最大绝对误差厚度为0.24 m，最大相对误差为9.19%，精度相对较高，证实了该方法的可行性。

地震沉积学 地层切片 岩性识别 沉积相 煤厚预测

煤储层既是煤层气的源岩，又是煤层气的储层，是影响煤层气赋存的一个关键因素，其重要性不言而喻，因此对煤储层的厚度变化及其空间展布形态进行精确预测具有重要意义。煤层属于薄层，而薄层的定量预测一直是业界公认的难题之一。

20世纪80年代,我国煤田地质人员主要根据威得斯(Widess)的薄层理论运用振幅法进行煤层厚度变化趋势的预测研究。继威得斯(Widess)的研究之后，国内外地质和地球物理工作者围绕薄层厚度的定量解释作了许多探索研究，提出了多种煤层厚度预测的方法，这些方法有各自的假设前提及使用范围，归纳下来可分为三类：振幅法、直接预测法和统计分析法。这些方法综合运用了当时相对前沿的技术与理论，如地震属性技术、频谱分析、小波变换等，并通过专业软件加以实现，使得煤层厚度的定量预测精度不断提高，促进了实际生产的发展。但是有些方法仍存在着理论上的不足及实际应用中的局限，因此，有必要进行煤层厚度定量解释方法的深入研究。

前人通过研究发现煤层的厚度和分布面积主要受沉积环境控制，不同类型的沉积相中发育的煤层在厚度、分布面积等方面有所不同。而地震沉积学作为一门新兴的边缘交叉学科，是目前使用较多的一种沉积相带预测及其岩性识别的地震地质解释方法。本文以中裕地区山西组2#煤层为例，基于相控沉积理论，提出利用地震沉积学相关技术预测煤厚的思路。

1 研究区概况

研究区位于山西省沁水盆地中西部地区，沁水盆地为一大型复式向斜型盆地，作为华北地台的一部分，在晚古生代主要是海陆交互相背景下的三角洲沉积体系。山西组作为本研究的主要目的层段，总体为一东南倾向的单斜构造，地层倾角在4°～7°，断层较少，在其沉积时期，研究区范围地形较缓，物源远距离运移，沉积粒度较细，砂泥岩薄互层发育。

山西组的主要煤层为1#煤层和2#煤层，1#煤层厚度小且不稳定；2#煤层位于山西组中下部，厚度大且全区稳定，因此为本区主力煤层，但作为传统的薄层(小于1/4地震波波长)，受地震分辨率限制，难以对其进行精细预测。研究区地震资料品质较好，目的层段山西组主频达35～50 Hz，沉积现象丰富，构造较为简单，这为利用地震沉积学方法预测煤厚提供了良好的条件。因此基于相控沉积理论，借助地震沉积学在沉积相研究方面的优势，通过对聚煤前后沉积环境的研究，分析沉积相带与煤厚的关系，从而实现对煤厚及其空间展布形态的预测。

2 地震沉积学预测聚煤前后沉积微相

地震沉积学强调在高精度等时层序地层格架的基础上，利用地震资料的高横向分辨率和关键技术(地层切片、90°相位转换、分频解释技术)，结合关键井岩性以及不同成因类型砂体的地貌特征，以恢复沉积类型和沉积演化历史。地震沉积学研究需要具有岩性地层意义的数据体，因此本文利用90°相位转换技术将具有岩性地层意义的相位转换数据体作为地震沉积学研究的基础数据体。建立等时地层格架时，先利用测井/钻孔岩芯数据，对山西组层序界面进行识别，然后以井为单位对山西组地层进行高分辨率层序划分，认为研究区山西组可以划分为2个中期基准面旋回和4个短期基准面旋回，并对单井进行沉积微相解释，结果如图1所示。

利用分频井震标定选择稳定不随频率变化的地震同相轴作为等时界面的参考标志层，最终分别选取山西组顶部的骆驼脖子砂岩K8和底部的北岔沟砂岩K7及中部的2#煤层顶板作为标志层序界面。为了达到井震研究尺度的统一，结合分频剖面和单井基准面旋回的划分，构建研究区以准层序组和与之对应的中期旋回为单元的等时层序地层格架，并以中期旋回作为最小等时单元，对最小等时单元做地层切片，然后挑选出最能代表相应旋回沉积时期的切片进行属性提取分析，从而保证地层切片的等时性和实际意义。

基于井控地层切片技术，首先使用等比例切片将最小等时地层单元切分为多个与井上分层对应的等时体提取地震属性，而后在分析井点相应层序内砂地比与地震属性的相关关系基础上优选地震属性。通过地震属性间互相关分析，选择相关系数较高，且平面形态更符合沉积相展布的地震属性，频谱分解、弧长、均方根振幅及波形聚类属性作为聚煤前后两个沉积旋回时期的最优属性。通过对优选的属性进行分析，并结合单井岩性及沉积相进行标定，从而可定性的确定砂体范围、物源、河道展布特征及趋势，进而对不同沉积微相平面展布有一个直观的表示，聚煤前均方根振幅属性和沉积微相分布见图2，聚煤后弧长属性和沉积微相分布见图3。

图3 聚煤后弧长属性和沉积微相分布图

由图2(b)可以看出，该沉积时期研究区主要发育深灰色的泥岩、粉砂岩及薄或中厚层的细粒砂岩，含丰富的植物化石碎片，局部发育大型交错层理，为下三角洲平原沉积环境，伴随着水体从西北往东南退却，区内从北东到西南全区发育一条河道，河道局部地区发育两个规模较小的决口扇，研究区北部延伸了一个规模较大的河道，西部和中南部及东部地区发育间湾、沼泽微相，覆水较浅，是周期性被水淹没的低洼地区，沼泽中植被繁茂，为滞留的弱还原环境，区内泥炭大量发育，为2#煤层的形成创造了良好的条件，在2#煤层沉积后经历了一次短暂的水进过程，因此在2#煤层上部广泛发育一套泥岩盖层。由图3(b)可以看出，伴随着整体的持续水退背景，研究区主要发育灰—深灰色砂质泥岩、粉砂岩和中细粒砂岩，夹1～2层薄煤层，具大型板状交错层理，为上三角洲平原上的分流河道、泛滥盆地沉积，分流河道从北东到南西在研究区内大量发育，河道纵横交织，中等粒度，河道南部近东西向分布，方向发生变化且南部河道间局部发育沼泽微相，河道外部泛滥盆地分布在整个研究区内。

3 研究区煤厚变化地质控制因素分析

控制煤厚变化的因素是沉积环境和地质构造两个方面,煤层厚度的区域变化主要受沉积环境控制，构造主要引起煤层厚度的局部变化。

3.1 后期构造对煤厚变化的影响

沁水盆地在稳定沉积了二叠系煤层后，先后经历了印支期、燕山期和喜马拉雅期三期构造运动。三叠纪时期发生的印支运动板块碰撞区离本区较远，对本地区地壳变形影响小，对煤厚变化影响可忽略；在侏罗、白垩纪时期发生了燕山运动，盆地整体上升遭受剥蚀，但研究区山西组含煤岩系基本上没有遭受风化剥蚀，保存较完整；燕山晚期构造运动剧烈，但构造产生的断层和褶皱对研究区煤厚的影响亦不十分明显，区内大多数断层两盘的岩层及煤厚并没有显著的差异，从钻井揭露的情况看，褶皱作用也没有使煤层发生明显的塑性变形；而研究区中部和南部规模较小的几条断层则是在新生代初期喜马拉雅活动期所产生的大规模右旋张扭运动造成地块间相对受力而派生的次级断层，对煤厚变化影响很小。总的来说后期构造运动对煤层厚度影响相对较小。

3.2 聚煤前后沉积相与煤厚变化的关系

煤层厚度和分布面积主要受沉积环境控制，不同类型的沉积相发育带的煤层在厚度、分布面积等方面不同。依据研究区层序划分情况，2#煤层形成于山西组下段(S1)沉积后期，因此聚煤前为下三角洲沉积环境，此时区内低洼的覆水沼泽广泛发育，水体安静，低能半还原的沉积环境有利于泥炭大量堆积，为2#煤层的形成提供了良好的条件。同时在研究区内从北东到西南方向发育一条河道，河道中部发育两个面积较小的决口扇体，且研究区北部有区外延伸的一河道末端，这些区域内砂体发育，使得聚煤时基底不平，从而影响了上部泥炭沼泽的发育，泥炭层堆积较薄，对煤层的发育起到了不利作用。2#煤层形成后经历了一次短暂的水进过程，区内广泛发育的一套泥岩盖层对2#煤层的储存起到了至关重要的作用。2#煤层聚煤后研究区进入了山西组上段(S2)上三角洲平原沉积时期，水体能量总体增强，河道广泛发育，对下伏地层起到一定的冲刷作用，但是从揭露的钻井岩心来看，除了南部14-1和14-3两口井中2#煤层的直接顶板泥岩盖层被冲蚀穿透，致使煤层减薄，其余绝大部分井的泥岩盖层均未被河道穿透。从岩性分析来看2#煤层顶部砂岩和煤厚也没有明显相关性，反而聚煤前山西组下段(S1)沉积时期砂体厚度分布与煤厚呈较高的负相关关系，如图4所示，因此判断2#煤层的沉积厚度受山西组下段沉积环境的控制，这对研究区2#煤层的厚度预测提供了有利条件。

图4 2#煤层厚度与山西组下段砂地比相关性分析

3.3 煤厚预测

通过以上分析，发现研究区后期构造运动对2#煤层厚度变化影响较小，煤厚变化受沉积环境的控制，泥炭沼泽及间湾发育的地方煤层厚度大，而分流河道和决口扇等砂体发育的地方煤层薄，煤厚与该时期砂体呈负相关关系。因此以聚煤前山西组下段层序内沉积相带的分布为控制条件，结合地震较高的横向分辨率及地震沉积学对沉积相岩性分布方面的优势，利用该层序段内优选出的均方根属性与砂地比之间的相关性计算出该时期砂地比的分布情况，然后以砂地比为桥梁，利用2#煤层与该时期砂体之间的负相关关系，对2#煤层的厚度及其空间展布形态进行了预测，结果如图5所示。从图中可见研究区2#煤层全区分布，煤层较厚，研究区中部及北部河道、决口扇等砂体发育的沉积微相内煤层相对减薄，最薄区位于河道内部；而泥炭沼泽发育的地方煤层较厚，最厚区位于研究区西北部暗色泥岩、炭质泥岩最发育地区，这符合地质沉积规律，且预测结果和钻井揭露的煤厚吻合较好，见表1，2#煤层预测的最大绝对误差厚度为0.24m，最大相对误差为9.19%，精度相对较高。

图5 基于沉积相表征参数的2#煤层厚度预测

孔号2#煤层厚度预测值/m2#煤层厚度实际值/m绝对误差/m相对误差/%10-1238240-002-07411-140740500204412-132031200824913-228228100104414-125124001145110-217516101487411-231630700930212-228926502491913-3323329-006-17814-233533300206410-317316500849911-322721401359312-3266273-007-26413-5315316-001-02314-31531520010972304153148005321

本文利用地震沉积学方法技术，基于聚煤前沉积相砂地比与煤厚的相关关系，预测研究区2#煤层厚度，该方法充分运用了地震资料在横向上分辨率较高的特点及地震沉积学在沉积相带、岩性分布方面的优势，取得了良好的效果，证明了该方法的可行性，为利用聚煤前后沉积环境的演化分析预测煤厚及其空间展布形态进行了可行的实践，为拓展地震沉积学的研究方向提供了新的思路。

4 结论

(1)研究区山西组地层可划分为2个中期旋回和4个短期旋回，为达到井震统一尺度，以中期旋回作为地震沉积学研究的最小等时单元，以90°相位旋转数据体作为切片属性提取的基础数据体开展地震沉积学研究。

(2)研究区山西组含煤岩系为海陆交互相背景下的河控三角洲沉积体系，2#煤层聚煤前为下三角洲沉积环境，聚煤后为上三角洲沉积环境。

(3)研究区煤厚及其变化主要受沉积环境控制，且起主要作用的是聚煤前的沉积环境及其相带分布，泥炭沼泽及间湾煤层厚度最大，而聚煤后的沉积环境及后期构造对2#煤层厚度变化影响较小。

(4)2#煤层厚度与聚煤前的沉积砂体之间呈负相关关系，以聚煤前的沉积相带及其岩性分布为控制，以该时期沉积相的表征参数(砂地比)为桥梁，利用煤厚与砂体的相关关系，初步实现了对煤层厚度变化及其空间展布形态的预测，预测结果与钻孔揭露吻合较好，证实了该方法的可行性。

[1]WidessMB.Howthinisabed[J] .Geophysics， 1973(38)

[2] 刘天放，陈斌，付金生等 . 地震反演煤层厚度的谱矩法及其应用 [A] . 煤田地球物理岩性勘探技术文集 [C] . 北京: 煤炭工业出版社, 1996

[3] 刘建华，刘天放，李德春. 薄层厚度定量解释研究 [J] . 物探与化探，1997(1)

[4] 周霞. 沁水盆地山西组沉积相及其对煤储层的控制作用 [D] . 中国地质大学(北京)，2011

[5] 杨帅，陈洪德，侯明才等 . 基于地震沉积学方法的沉积相研究——以涠西南凹陷涠洲组三段为例 [J] . 沉积学报，2014(3)

[6] 高世臣，袁照威 . 地震属性在沉积相预测中的方法研究——序贯随机模式识别 [J] . 地球物理学进展，2016(3)[7]HongliuZeng,WilliamAAmbrose.SeismicsedimentologyandregionaldepositionalsystemsinMiocenoNorte，LakeMaracaibo，Venezuela[J] .TheLeadingEdge，2001(11)

[8] 赵海华，吴明荣 . 关于地震沉积学几个问题的讨论 [J] . 油气地球物理，2009(3)

[9] 高荣斌，贺志强，来争武等.豫西新安煤田煤层厚度变化规律及其控制因素 [J] .煤田地质与勘探，2011(4)

[10] 介伟. 煤田小构造精细解释方法研究及应用[J] . 中国煤炭，2015(1)

[11] 邱占林，冯金炜，寇贵存等. 东坑仔矿区地质构造对煤层的影响 [J] .中国煤炭，2016(8)

(责任编辑 郭东芝)

Predition of coal seam thickness based on seismic sedimentology method

Cao Lutong1, Chang Suoliang1,3, Pan Yongxue2, Chen Qiang1,3, Liu Jing1

(1.College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China; 2. Shanxi Shandi Geophysical Prospecting Technology Co., Ltd., Jinzhong, Shanxi 030600, China； 3. Shanxi Key Laboratory of Coal and Coal Measure Gas Geology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

In order to obtain the fine coal thickness data of Zhongyu area, based on theory of facies control sedimentation, the authors put forward the idea of using seismic sedimentology method to predict the thickness of coal seam with the help of seismic sedimentology in lithology identification and sedimentary facies classification and other advantages. The thickness of No. 2 coal seam was predicted by analyzing the correlation between distribution and evolution of the sedimentary facies belt and coal thickness before and after the coal accumulation of the No. 2 coal seam of Shanxi Formation in research area. The results showed that the No. 2 coal seam was in lower delta deposit environment before the coal accumulation and in upper delta deposit environment after the coal accumulation. Later geologic structure and the depositional environment after coal accumulation had little influence on change of coal thickness, while the depositional environment and its facies belt distribution before the coal accumulation played a controlling role in the change of coal thickness. The coal thickness prediction results were in good agreement with the drilling results, the maximum absolute error of the coal thickness was 0.24 m and the maximum relative error was 9.19%, the accuracy was relatively high, which confirmed the feasibility of the method.

seismic sedimentology, strata slicing, lithology identification, sedimentary facies, coal thickness prediction

山西省煤基重点科技攻关资助(MQ201401)

曹路通，常锁亮，潘永学等. 基于地震沉积学方法的煤层厚度预测[J].中国煤炭，2017,43(3)：27-31，35. Cao Lutong, Chang Suoliang, Pan Yongxue, et al. Predition of coal seam thickness based on seismic sedimentology method[J]. China Coal, 2017,43(3):27-31，35.

P631

A

曹路通(1990-)，男，河南汝州人，在读硕士研究生，主要从事地震地质综合研究工作。