煤层等时格架下中深层储层地震沉积学预测

刘英辉，黄导武，段冬平，陈波，丁芳，陈晨，黎祺

中海石油(中国)有限公司上海分公司，上海 200335

0 引言

层序地层学已经被广泛应用于海相、陆相、海陆过渡相沉积充填过程以及砂体时空展布[1-3]，其中众多学者也逐渐认识到含煤地层的旋回性与海平面高频变化规律密切相关，提出了含煤地层的层序地层演化过程[4-6]。地震沉积学是层序地层学、地震地层学的进一步发展，在刻画沉积体横向变化和纵向演化分析方面具有较大优势，可清晰地展现砂体细微变化，为中深层薄砂体的预测提供了新的技术和方法，并且已经在国内外油气勘探开发过程中取得了一定的效果[7-10]。但是含煤地层地震响应的旋回性及其对地震沉积学研究的作用鲜有报道，本文将做一些探索性尝试。

西湖凹陷平湖组以砂、泥、煤薄互层沉积为特征，其煤层具有平面分布广、纵向层位多、单层厚度薄等特征，其砂岩具富潮汐层理、埋藏深度大、横向变化快等特征。前人针对平湖组岩芯、古生物、地球化学、指相矿物、测井等基础资料做过大量基础地质研究，认为平湖组为海陆过渡沉积体系，主要发育半封闭海湾、潮坪、三角洲相，其中优势砂体成因多归为潮道成因[11-14]，其平面形态预测以地质模式为主。由于工区埋藏深度大、钻井密度小、砂体横向变化快、储层预测难度大，钻井很难达到预期效果，严重阻碍了平湖组隐蔽油气藏的滚动挖潜进程。笔者在研究过程中发现煤层在测井和地震上具有独特的响应特征，可作为良好的等时标志层，对高频层序格架搭建和砂体沉积演化分析具有较好的指示作用。

本文综合利用岩芯、测井等基础资料，重点依靠高品质宽频三维地震资料，采用高频层序地层学和地震沉积学思路和方法，首先建立稳定煤层约束下的高频层序地层格架，其次在高频层序格架下完成地层切片的提取，然后优选地层切片完成不同成因砂体的沉积学解释、定量刻画，最后探讨了平湖组储层的垂向演化模式和主控因素。

1 地质概况

平湖地区位于东海陆架盆地西湖凹陷平湖构造带中段，长27 km，宽15 km，面积约400 km2，平面上自北向南由八角亭、放鹤亭、中山亭等局部构造组成，放鹤亭构造被多条北北东向断层划分为放一、放二、放三、放东四个断块(图1)。

西湖凹陷构造演化经历了始新世断陷阶段、渐新世—中新世拗陷阶段、中新世末期反转阶段和上新世—第四系区域沉降四个阶段。始新统平湖组沉积时期处于盆地演化的断陷阶段晚期，构造活动变弱，地形平缓，水体较浅，以含煤地层普遍发育为特点，平湖组沉积末期发生龙井运动，地层在工区西部有缺失[15-16]。平湖组划分为六段，本次研究重点平湖组一二段为平湖油气田主力含气层系，目的层厚度约600 m、中部埋深为3 300 m，整体为中深层储层。岩性组合为一套海陆过渡沉积体系的含煤碎屑岩系地层，砂泥煤薄互层分布，其中含煤系数约4%，砂地比约25%。

图1 平湖油气田构造位置及综合柱状图 Fig.1 Tectonic location and synthesis column map of Pinghu oil-gas field

2 煤层等时格架搭建

自Vailetal.[17]阐述经典层序地层学观点以来，多种层序地层学理论体系百家争鸣[18-19]，前人也对各种理论体系之间的差异与相似性做了大量阐述。其中，高频层序发生的周期常是4级旋回(0.1～0.5 Ma)，大致与三级层序的准层序相当[20-21]。前人在西湖凹陷利用地震削截等不整合面建立了始新统平湖组—渐新统花港组的二级、三级层序格架[22]，其中把平湖组一二段划分为一个三级层序(图1)。笔者在前人研究基础上采用经典层序地层学理论结合稳定煤层对高频层序格架搭建指示意义，通过钻井、测井、地震资料进一步建立了平湖组一二段精细等时层序格架。

2.1 煤层发育特征

平湖地区平湖组煤层频繁发育，含煤系数约4%，常与碳质泥岩、暗色泥岩伴生。根据煤层发育厚度和横向连续性，将工区煤层分为两种类型：1)厚度较大(2～5 m)、在大范围内连续稳定发育的主煤层为海侵成因，具有低密度、高中子、高声波、高电阻特征，常表现为一套稳定的煤层、碳质泥岩及暗色泥岩组合(简称为“泥煤组合”)，由于煤层与砂岩的反射系数差异更大，促使泥煤组合在地震剖面上表现为强连续强振幅平行地震相，它形成于海平面持续上升、分布广泛的滨岸平原沼泽和废弃三角洲平原[5-6,23]，代表某个时间段内的最大海侵沉积产物，易于全区追踪，可作为研究区良好的标志层进行等时地层对比；2)煤层纵向厚度薄，单层厚度多为0.5～2 m，平面发育不稳定，横向变化快，“三高一低”特征不明显，局部富集，灰分含量高，为岸后沼泽成因，难以进行全区追踪。

2.2 层序界面识别

层序界面的识别对于建立高频层序格架具有重要意义。研究区井震标定效果良好，钻、测井解释的“三高一低”泥煤组合对应强连续、强振幅、平行地震反射。本次共识别出8套海侵稳定泥煤组合(C1-C8)(图2，3)，划分出七套高频层序。其中，钻井揭示C5上下岩性组合发生较大变化，对应地震相特征差异明显，C5之上为Sq1海侵域强连续、强振幅、平行地震相，之下为Sq2高位域弱连续、弱振幅、复波地震相，可以作为三级层序界面(SB)，以此划分出两套三级层序Sq1和Sq2。C4、C6作为大套泥煤组合的顶界，对应地震同相轴表现为强连续、强振幅、平行地震相，C4、C6之上为高位域弱连续、弱振幅、复波地震相，之下为海侵域/低位域强连续、强振幅、平行地震相，可以作为三级层序最大海泛面(MFS)。

根据三级层序内部稳定煤层C7、C6将Sq2划分出6、7、8三个四级层序，分别对应为Sq2低位域(8砂组)、海侵域(7砂组)和高位域(6砂组)，最大海泛面位于稳定煤层C6。根据稳定煤层C2、C3、C4将Sq1划分出2、3、4、5四个四级层序，分别对应为海侵(5砂组)和海退(2砂组、3砂组、4砂组)两个序列，最大海泛面位于稳定煤层C4。本次层序划分方案中，三级层序大致相当于段级别，四级层序相当于砂组级别，由于研究区位于斜坡带，普遍缺失1砂组。

2.3 层序地层特征

三级层序Sq1地层厚度170～300 m，西北八角亭、西南中山亭地区存地层剥蚀，地层厚度较薄，放鹤亭地区较为平缓，地层厚度230～300 m，向构造低部位(东部)地层略增厚；Sq1砂体发育相对孤立，砂地比平均28%。Sq2地层厚度200～350 m，与Sq1类似，放鹤亭地区较为平缓，地层厚度300～350 m；Sq2砂体发育相对连续，砂地比平均22%，向低部位砂地比呈升高的趋势。Sq1相对Sq2发生大规模海退，整体海平面降低，可容纳空间变小。

图2 平湖地区放一—放东断块平湖组2～8砂组钻井高频层序划分方案Fig.2 High resolution sequence classification scheme of the second to eighth sand group of Pinghu Formation in Pinghu area

图3 平湖地区平湖组地震层序划分Fig.3 Seismic cross-section of Pinghu Formation in Pinghu area

3 地震沉积学预测

地震沉积学具有较强沉积相指示意义，地层切片是地震沉积学的理想载体[24-25]。本文对工区岩芯、测井以及新采集的宽频三维地震资料进行了综合分析，利用煤层等时格架约束下的地层切片开展地震沉积学分析。

3.1 砂体成因类型

根据典型岩芯、测井、地震相分析，在工区主要识别分流河道、决口扇、三角洲、潮道4种成因砂体。

3.1.1 分流河道

分流河道砂体普遍发育在层序一2砂组～4砂组，是主要的储层发育相带。分流河道砂体呈典型正韵律，底部常见冲刷面(图4b)，冲刷面上砾石分选磨圆较好，偶见泥岩撕裂屑，常发育块状、板状交错、楔状交错、波状交错和爬升层理(图4a,b,c)，测井相以箱型为主，钟形次之，伴生沉积为分流间湾氧化色泥岩以及湖沼相暗色泥煤沉积(图4d,e)。分流河道砂体在地震剖面上表现为孤立透镜体或复波，平面形态表现为弯曲的长条状。

3.1.2 决口扇

决口扇是工区未被前人描述的沉积砂体类型，多伴生发育在分流河道凸岸一侧，常具有独特的岩性组合、测井形态和平面形态[26]。工区决口扇可识别出决口水道、内扇、外扇三个沉积单元。决口水道砂体内部见铁质结核(图4f)，反应不稳定的暴露环境沉积，也见少量漂浮砾石，是洪水期产物。内扇、外扇均呈反韵律，粒度比河道细，见大量生物扰动(图4g)。决口扇砂体厚度一般较小，在地震剖面上表现为强连续同相轴中能量变弱的现象，平面形态为扇形或树枝状，平面规模1～10 km2。

3.1.3 三角洲

三角洲砂体主要发育在层序二低位域(8砂组)、高位域(6砂组)，以三角洲前缘水下分流河道砂体为主，三角洲平原分流河道、前缘河口坝砂体少见。水下分流河道砂体表现为多期冲刷叠置，冲刷面上部常见泥砾，层理以块状层理为主(图5)，楔状交错、平行层理亦常见，岩性向上变细，测井相为钟形、箱形或二者叠加。

图4 研究区典型岩芯照片a.板状交错层理，中细砂岩，X4井，3 801.0 m；b.底部滞留砾石沉积，砾石分选磨圆好，X5井，3 401.2 m；c.堤岸沉积，块状层理渐变为爬升层理，顶部为暗色泥岩，X5井，3 696.0 m；d.河道顶部细粒沉积，粉砂岩、泥质粉砂岩，见液化脉，X5井，3 201.2 m；e.完整的植物化石，静水沉积，X5井，3 199.3 m；f.底部滞留砾石，见铁质结核，暴露不稳定水体环境，X4井，2 948.2 m；g.反粒序，发育垂直生物潜穴，X5井，3 196.7 m；h.波状层理，指示潮坪环境，X3井，3 097.1 m；i.脉状层理，指示潮坪环境，X5井，3 286.6 mFig.4 Typical litholofacies in the study area

图5 平湖地区平湖组6砂组受潮汐影响三角洲砂体的岩性序列特征Fig.5 Lithological sequence characteristics of the delta sand body affected by tides in the sixth sand group of Pinghu Formation in Pinghu area

3.1.4 潮道

潮道砂体多发育在最大海侵时期(7砂组、5砂组)，底部常见冲刷面，取芯见丰富的潮汐层理(图4h，i)，顶底多突变，测井相以箱形或钟形为主，潮道砂体在地震剖面上表现为小型复波、透镜体或者同相轴间断，平面上呈倒树枝状，宽80～360 m，长达5 ～12 km。

潮道砂体是工区前人描述最多的砂体类型之一，在海陆过渡背景下各种地质体常受到潮汐影响，因此学者们往往把分流河道砂体、潮道砂体、三角洲砂体混为一谈。本文认为潮道砂体与河道砂体的本质区别是潮道砂体内部夹众多的泥质条带，伴生粉砂岩、泥岩中潮汐层理丰富；河道砂体内部较纯净，伴生粉砂岩、泥质指示陆相沉积。在潮汐作用显著的地区，三角洲前缘砂体一般也会受到较强的潮汐作用力的影响，常见潮汐层理标志，但潮汐作用力不会改变三角洲整体形态，仅做部分调整搬运，故仍将其归类为三角洲砂体(图5)。本文中潮道砂体仅指发育在三角洲间湾或洪泛平原上，水动力以潮汐力为主，平面形态具有良好倒树枝状的沉积砂体。笔者认为潮道砂体单层厚度极薄，仅2～5 m，宽度较窄，很难形成优势储层。

结合岩芯相、测井相、地震相和平面特征总结了4类成因砂体的剖面、平面形态和规模(图6)：1)分流河道砂体在地震剖面上表现为透镜体或复波，平面形态表现为弯曲的长条状，宽500～1 000 m、厚10～40 m、宽厚比12∶1～40∶1；2)决口扇砂体厚度一般较小，在地震剖面上表现为强连续同相轴中能量变弱的现象，平面形态为扇形或树枝状，平面规模1～10 km2，内扇厚5～10 m，外扇仅厚1～2 m；3)三角洲砂体在地震剖面上表现为强连续中强振幅或前积楔状体，平面上表现为断控扇形或宽缓席状，平面规模不等，断控三角洲10～20 km2，浅水三角洲大于200 km2；4)潮道砂体在地震剖面上表现为小型复波、透镜体或者同相轴间断，平面上呈倒树枝状，宽80～360 m，厚2～5 m，长达5～12 km。

3.2 典型地层切片沉积学解释

地震沉积学的核心是提取与等时沉积界面一致的地震信息，从而获取整个地震测网内的沉积体系信息。本文在切片方式上选择了与等时沉积界面一致地层切片技术。

工区研究层段地层厚度整体西薄东厚，放鹤亭地区地层厚度变化不大。平湖组含煤地层反射能量强，地震同相轴以平行—亚平行为主，连续性较好。本文连续追踪了C1、C4、C5、C6、C8五个层序界面(图3)，以2 ms的时间间隔内插了100余张地层切片，提取属性以常规数据体的振幅属性为主，其中西南中山亭地区存地层剥蚀，地层切片受到一定影响，井点少，砂体展布以地质模式约束为主。在众多地层切片中，笔者选取了具代表性的5张地层切片进行沉积学解释。

Sq2低位域8砂组沉积早期，整体海平面较低、沉积水体较浅、物源供给充足，不存在明显的大陆破折带，地形平缓，以广阔连片的建设型三角洲砂体沉积为主；8砂组沉积晚期，物源供给匮乏，三角洲逐渐废弃，以广泛分布的滨岸平原泥煤沉积和分流河道沉积为主。地层切片显示8砂组早期三角洲叠置砂体平面展布范围大于200 km2(图7a，b)，井上砂体钻遇率为82%，砂体均厚16 m；图7d显示8砂组晚期分流河道砂体宽500 m左右(厚度无钻井揭示)，分流河道凸岸一侧伴生决口扇沉积，决口扇平面上以树枝状决口水道为主，决口水道厚度仅2～3 m，宽70 m，宽厚比约25∶1，平面规模约6 km2(图7d)。

图6 平湖地区平湖组不同成因薄砂体的典型识别特征Fig.6 Typical identification features of different causes of narrow thin sand body in the Pinghu Formation, Pinghu area

图7 平湖地区平湖组Sq1低位域典型地层切片及其沉积学解释Fig.7 Typical strata slicing and sedimentology interpretation of Sq1 Lowstand System Tract(LST) of Pinghu Formation in Pinghu area

7砂组以Sq2海侵域泥煤沉积为主，砂体极不发育。6砂组位于Sq2高位域，沉积时期F1断层基本不活动、F2断层活动剧烈、F3断层局部活动，沉积古地形具高、中、低三带特征。6砂组测井相在高带地区以正韵律钟形分流河道为主，中带地区以反韵律漏斗形三角洲为主；中带探井取芯证实三角洲砂体伴生的泥质沉积中可见丰富的潮汐层理(图5)，反应中带三角洲砂体受潮汐影响严重；地层切片地质形态清晰(图8a)，综合测井相、岩芯相、地层切片等特征认为6砂组高带八角亭断块、放一断块发育洪泛平原和分流河道沉积，中带放二断块、放东断块以沿断层走向发育的断控受潮汐影响三角洲沉积为主，低带发育细指状潮道、潮渠沉积(图8b)。地层切片揭示中带断控三角洲砂体平面规模10～20 km2不等，潮道、潮渠等薄砂体宽80～250 m左右，且向陆方向分叉变窄。

5砂组位于Sq1海侵序列，与Sq2的7砂组沉积特征类似，其沉积时期，海平面较高、地势平缓、物源匮乏，以海侵潮坪相泥煤沉积为主，砂体孤立发育。地层切片显示(图9a)，5砂组在研究区东部低带发育一系列窄条状类似现代潮道沉积的倒树枝状地质形态，根部较宽，向陆方向逐渐分叉，宽度逐渐变窄，具有典型的潮道形态(图9b)，取芯见丰富的潮汐层理(图3h，i)。工区潮道砂体宽度在80～320 m之间，钻井仅钻遇潮道末端的潮渠，厚度仅2～5 m，宽厚比约30∶1。

图8 平湖地区平湖组Sq1高位域典型地层切片及其沉积学解释Fig.8 Typical strata slicing and sedimentology interpretation of Sq1 Highstand System Tract(HST) of Pinghu Formation in Pinghu area

图9 平湖地区平湖组Sq2海侵序列典型地层切片及其沉积学解释Fig.9 Typical strata slicing and sedimentology interpretation of Sq2 transgressive sequence of Pinghu Formation in Pinghu area

4砂组、3砂组、2砂组位于Sq1海退序列，其沉积期海平面较低，地势平缓，以滨岸平原分流河道—决口扇沉积为主，砂体孤立发育(图2)。以4砂组为例，分流河道砂体平面形态表现为弯曲窄长条状(图10a)，主河道自八角亭断块流经放二断块再至放东断块，宽800～1 000 m，A5井处厚达78.0 m，宽厚比达12∶1，表明下切能力强；同时横向上有一些小型分流河道横向枝杈(图10b)，宽度50～100 m。与8砂组晚期分流河道类似，4砂组分流河道凸岸一侧也发育决口扇沉积，决口水道不甚清晰，整个决口扇规模约4 km2(图10b)。Sq1海侵序列和海退序列的转换期也发育类似Sq2断控三角洲，4砂组滨岸平原分流河道下切残存的断控三角洲砂体形成4砂组储层展布。

4 垂向演化规律及其指示意义

4.1 垂向演化规律及主控因素

研究区平湖组8砂组～2砂组垂向上由Sq2(8～6砂组)受潮汐影响的三角洲沉积体系逐渐演变为Sq1(5～2砂组)滨岸平原下切河道沉积体系(图11)，垂向演化主要受控于海平面变化、物源供给和古地貌形态。

Stage1：以Sq2的8砂组早期为例，海平面处于低位，古地形平缓，物源充足，A/S>1，发育连片叠置的三角洲砂体，三角洲单砂体均厚16 m，平面展布大于200 km2，该地质背景下薄砂体少见。

图10 平湖地区平湖组Sq2海退序列典型地层切片及其沉积学解释Fig.10 Typical strata slicing and sedimentology interpretation of Sq2 regressive sequence of Pinghu Formation in Pinghu area

图11 平湖地区平湖组2～8砂组垂向沉积演化Fig.11 Vertical sedimentary evolution of the second to eighth sand group of Pinghu Formation in Pinghu area

Stage2：以Sq2的6砂组为例，海平面处于高位，物源不充足，部分断裂活动，古地形呈“高中低”三带特征，高带沉降慢，A/S>1，以薄型分流河道过路沉积为主；中带沉降快，A/S<1，以断控受潮汐影响三角洲沉积为主，三角洲规模较小(10～20 km2)；低带沉降极快，A/S远小于1，以物源极其匮乏的潮道、潮渠沉积为主，宽度仅80～250 m左右。

Stage3：以Sq1的5砂组为例，海平再次快速上升，A/S远小于1，沉积特征与6砂组低带类似，以物源极其匮乏的潮道、潮渠沉积为主，宽度仅80～320 m左右，厚度仅2～5 m。

Stage4：以Sq1的4砂组/2砂组为例，海平面快速下降，处于最低位，古地形平缓，物源充足，A/S>1，以滨岸平原分流河道过路沉积为主，分流河道规模达到最大，宽度可达1 km，厚度达40 m，凸岸伴生决口扇沉积，决口扇规模1～10 km2。

4.2 勘探开发指示意义

工区平湖组潮道砂体主要分布在三级层序Sq1、Sq2海侵域，厚度极薄，很难形成优质储层，该认识和前人不同；分流河道、决口扇砂体主要分布在三级层序Sq2海退序列，分流河道及其凸岸决口扇砂体分布范围局限，被平湖组泥煤包围，具有良好的成藏耦合关系，是下一步隐蔽油气藏挖潜的主要方向。

同时，中深层储层的准确刻画也为岩性油气藏开发阶段精细地质模型表征、生产动态调整提供了坚实地质依据。

5 结论

(1) 平湖组连续稳定发育的主煤层为海侵成因，代表最大海泛面沉积，以此作为高频层序界面将平湖组一二段划分出2个三级层序、7个四级层序，单个四级层序厚度仅60～100 m。

(2) 基于典型地层切片识别出分流河道、决口扇、潮道3类薄砂体：分流河道砂体地层切片表现为弯曲的长条状，宽500～1 000 m、厚10～40 m、宽厚比12∶1～40∶1；决口扇砂体地层切片为扇形或树枝状，平面规模1～10 km2，内扇厚5～10 m，外扇仅厚1～2 m；三角洲砂体切片表现为断控扇形或宽缓席状，平面规模不等，位于10～200 km2；潮道砂体地层切片呈倒树枝状，宽80～360 m，长达5～12 km，厚度仅2～5 m。

(3) 平湖组垂向演化由Sq2(8～6砂组)受潮汐影响的三角洲沉积体系逐渐演变为Sq1(5～2砂组)滨岸平原下切河道沉积体系，垂向演化主要受控于海平面变化、物源供给和古地貌形态。

(4) 平湖组潮道并非优质储层，Sq1海退序列发育的分流河道及其凸岸决口扇砂体成藏耦合关系良好，是下一步隐蔽油气藏滚动挖潜的主要方向。