营盘壕井田侏罗系直罗组相控砂体展布与富水规律研究

2019-09-27魏久传李立尧邢婧文杜梦迪

煤矿安全 2019年9期

张康，魏久传，李立尧，谢超，邢婧文，杜梦迪

（山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛266590）

煤层顶板水害是威胁煤矿安全的重要因素之一，严重影响着矿井的建设和安全生产。前人对煤层顶板富水性进行了大量研究，如基于GIS 信息融合的富水性指数法，基于数据分析的模糊聚类分析法、神经网络分析法等[1-5]。总体来说，是通过分析含水层主控因素，确定相应权重，从而进行信息融合达到评价富水性的目的。以往的方法对煤层顶板富水性判断提供了较好的指导意义，但是很少将沉积体系与砂体展布和富水性相结合。沉积相是在特定环境下形成的，其形成的砂体对地下水的分布具有一定的控制作用。因此，通过沉积学的原理对煤层顶板砂体展布规律与富水性进行分析，具有重要意义。为此，引进INPEFA 测井旋回识别技术，结合研究区岩心、测井等资料，对营盘壕井田直罗组地层进行重新划分，并对其沉积体系进行识别，分析了沉积相与砂体平面展布的内在联系，为评价煤层顶板富水规律提供了一个新的思路。

1 研究区概况

营盘壕井田在地层区划上隶属于华北地层区鄂尔多斯分区。研究区内地表大部被现代风积沙及湖积沙层覆盖，零星地段见有第四系黄土出露。据钻孔揭露及地质填图资料，区内地层由新至老依次有：全新统冲洪积物，第四系马兰组，新近系上新统，白垩系志丹群，侏罗系安定组、直罗组、延安组，三叠系延长组。研究区侏罗系中统直罗组底部发育较厚的中粗粒砂岩，与下伏含煤层系延安组成平行不整合接触；顶部发育粉砂岩、砂质泥岩、泥岩，与安定组成整合接触。

2 基于INPEFA技术的直罗组地层划分

钻孔揭露表明研究区直罗组主要由灰绿色砂岩、砂质泥岩，紫杂色粉砂岩、砂质泥岩互层组成。直罗组底部发育灰色、灰绿色粗、中砂岩、细砂岩；中部为灰绿色细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩；顶部为紫红色杂砂岩、粉砂岩、砂质泥岩互层，直罗组岩性如图1。

图1 直罗组岩性

对于研究区直罗组地层的划分，目前还没有明确的划分方案。薛锐等将直罗组划分为上下2 段，并将下段细分为了2 个亚段[6]；缪宗利等将直罗组分为了4 个沉积旋回，每个沉积旋回又进一步划分了2 个亚旋回[7]；赵蕾将直罗组分为1 个超长期旋回、3 个长期旋回和10 个中期旋回[8]。在参考前人研究成果的基础上，引入INPEFA 测井旋回识别技术，结合岩心、测井资料，将直罗组地层划分为1 个长期旋回、3 个中期旋回以及6 个短期旋回。

2.1 INPEFA技术及其原理

INPEFA 曲线是通过对PEFA 数据进行特定积分得来的。而PEFA 数据是利用最大熵频谱分析法（MESA）对测井曲线进行处理得到的[9-10]。INPEFA 技术的地质意义在于其曲线在特定深度段的趋势代表地层沉积的连续。正趋势代表水进过程，正向尖峰代表可能的最大海（湖）泛面；负趋势代表水退过程，负向尖峰代表可能的层序界面或者不整合面[11-12]，INFEFA 曲线合成图（K4-5 孔）如图2。

图2 INFEFA 曲线合成图（K4-5 孔）

2.2 研究区直罗组地层划分

INPEFA 技术的本质是对PEFA 曲线的积分处理，不同测井曲线所处理出的结果意义不同；积分区间的选取对处理的结果与精度存在一定的影响。同时由于数学方法的单一性，在进行地层划分时还应当考虑到岩性以及其他测井资料。选取可以较好反应泥质变化的GR 曲线进行INPEFA 技术处理，遵循从整体到局部的处理顺序，结合岩性、测井资料，将直罗组划分为1 个长期旋回、3 个中期旋回、6 个短期旋回。其中3 个中期旋回分别对应直罗组一段、直罗组二段、直罗组三段，每段细分为2 个亚段，K4-5 孔地层划分方案与沉积相分析如图3。

1）直罗组一段以灰绿色中-细砂岩为主，中间夹杂灰绿色粉砂岩、粉砂质泥岩，具有粒度向上变细的正韵律沉积旋回，INPEFA 曲线总体呈现正趋势，代表1 个水进的沉积过程。下亚段以粗、中砂岩为主，部分含有砾石，自然伽马曲线形态成箱型，与下伏延安组成不整合接触；上亚段与下亚段相比，粒度变细，以灰绿色细砂岩、泥岩为主，自然伽马测井曲线在幅值上出现波动，存在砂泥互层的现象。

2）直罗组二段以灰绿色细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩为主，INPEFA 曲线呈现正趋势，依旧为1 个水进的过程。二段与一段相比，粒度变细，自然伽马测井曲线不稳定。下亚段以灰绿色粉砂岩、砂质泥岩为主，呈现向上变细的正粒续；上亚段较下亚段自然伽马曲线趋于稳定，砂岩单体厚度增加。

3）直罗组三段以灰绿色细砂岩为主，顶部可见紫红色杂砂岩、泥岩。与直罗组二段不同，直罗组三段自然伽马曲线形态为钟型，具有良好的曲流河沉积测井响应特征。下亚段以灰绿色细砂岩为主，中间偶尔夹杂少量砂质泥岩，自然伽马测井曲线形态为箱型；上亚段以灰绿色粉砂岩、泥岩为主，部分钻孔顶部可见紫红色杂砂岩、泥岩。直罗组三段上亚段在一些钻孔有缺失现象。

图3 K4-5 孔地层划分方案与沉积相分析

3 主要沉积相类型

沉积相测井响应如图4。

图4 沉积相测井响应

3.1 辫状河相

研究区辫状河相主要发育在直罗组一段。底部为灰绿色粗、中砂岩，部分含有砾石，发育冲刷面、槽状交错层理，为河道沉积微相；上部为灰绿色粉砂岩、泥岩，发育波状层理或水平层理，为河漫滩沉积微相。整体来说，研究区辫状河沉积在垂向剖面上表现为粒度向上变细的水进正旋回，自然伽马曲线为较为光滑的箱装形态（图4（a））。

3.2 辫状河三角洲前缘相

研究区辫状河三角洲前缘相多发育在直罗组二段，主要发由水下分流河道与水下分流河道间沉积组成，在研究区东南部，偶见远砂坝沉积微相。其中水下分流河道微相为主体，其沉积特点与辫状河河道沉积类似，但整体粒度比辫状河河道沉积要细，单层砂体变薄。水下分流河道间是水下分流河道沉积之间较细的沉积物质，多为粉砂岩、泥岩，可见水平层理和小型交错层理。辫状河三角洲平原前缘亚相自然伽马测井曲线表现活跃，没有特定的形态特征（图4（b））。

3.3 曲流河相

研究区曲流河相主要发育在直罗组三段，主要包括河道沉积、边滩沉积、天然堤以及河漫滩沉积。下部为灰绿色细砂岩，可见槽状、板状交错层理；上部为灰绿色粉砂岩、泥岩，部分可见紫红的泥岩，发育小型交错层理与平行层理。曲流河的“二元结构”较明显，自然伽马测井曲线为钟型与箱型的组合，与曲流河沉积的测井响应相符合（图4（c））。

4 研究区相控砂体展布与富水规律

4.1 直罗组一段

直罗组一段沉积时期，盆地开始缓慢上升，研究区沉积体系由湖泊沉积向河流相沉积转变。直罗组一段发育辫状河沉积体系，主要由砂质辫状河道沉积微相以及心滩沉积微相组成。由于辫状河水动力强、改道频繁的沉积特点，使得河道沉积微相以中粗砂岩为主，分选性较差，砂岩层互相重叠，砂体孔隙度较大；研究区直罗组一段辫状河河道微相广发发育，使得砂体在横向上具有较好的连续性，提供了非常大的储水空间。下亚段岩性以粗砂中砂岩为主，砂体厚度平均为20.34 m，砂地比平均为0.6，砂质辫状河道沉积微相与心滩沉积微相发育较多；上亚段岩性以中砂岩、细砂岩为主，砂体平均厚度为12.11 m，砂地比为平均为0.4，心滩沉积微相减少，河道变窄，支流变多，直罗组一段砂岩厚度等值线与沉积相平面图如图5。

图5 直罗组一段砂岩厚度等值线与沉积相平面图

4.2 直罗组二段

直罗组二段沉积时期，水进沉积继续，使得研究区沉积体系由辫状河沉积向辫状河三角洲沉积体系转变。直罗组二段主要发育辫状河三角洲前缘沉积亚相，由水下分流河道与水下分流河道间组成。辫状河道沉积微相的沉积特点在水下分流河道沉积微相这里得到了一定的保留，基本继承了早期辫状河沉积的空间分布，发育了多条分流河道，在横向上形成了板状的交错叠加的砂体模式。与直罗组一段的辫状河道沉积相比，本段砂体的厚度较小，横向上的连续性也较差。下亚段平均砂厚为12.44 m，砂地比平均为0.45；上亚段平均砂厚为9.73 m，砂地比平均为0.35。上亚段与下亚段相比，分流河道变窄，砂体变薄，泥质含量增加，这与当时盆地继续下降的构造环境一致，直罗组二段砂岩厚度等值线与沉积相平面图如图6。

图6 直罗组二段砂岩厚度等值线与沉积相平面图

4.3 直罗组三段

直罗组三段沉积时期，盆地再次上升，研究区沉积体系由辫状河三角洲沉积转变为曲流河相。直罗组三段曲流河沉积包括河道、天然堤、边滩、决口扇、河漫滩等沉积微相，其中以河道沉积微相为主。研究区主要发育3 条自北向南的河流，依旧继承了直罗组前期的物源方向。这个时期的河道变的比以前曲折，河床砂岩沉积变厚，与辫状河相比，河道趋于稳定，变道不再频繁，砂岩以细砂岩为主，单层砂体变厚，在平面上展布范围较大，但储水能力较直罗组下端辫状河沉积要差。下亚段砂岩厚度平均为13.14 m，砂地比平均为0.46；上亚段砂岩厚度平均为10 m，砂地比平均为0.35，直罗组三段砂岩厚度等值线与沉积相平面图如图7。

总体来说，研究区所处盆地经历了先下降后上升的构造演化，形成了辫状河-辫状河三角洲-曲流河3 种沉积模式的沉积转变，与之相对应的是直罗组各段砂体厚度与展布特征的变化。各段砂体较厚、展布较好的地方，基本为河道、心滩、水下分流河道等沉积微相。其中，直罗组下段发育的河道沉积微相所形成的砂体粒度较粗、孔隙较大、连通性较好、在平面上展布较广，为主要含水层；直罗组中段的水下分流河道、上段的河道沉积微相也为储水提供了一定的空间。此外，心滩、河口坝等沉积微相在纵向上也是良好的储水空间。