煤系地层沉积旋回分析及煤层对比研究在Galilee盆地中的应用

仲米虹，李乐忠，唐武

（1．中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心，北京100007；2．中海油研究总院，北京100027）

0 引 言

测井技术在沉积旋回划分和煤层对比方面都发挥着重要的作用，通过分析测井响应特征和曲线形态可以识别常规地层岩性［1－7］，也可以作为地层等时对比的依据［8－11］，前人对此做了大量的工作，取得了丰富的研究成果。然而，对于岩性变化频繁且呈薄互层的煤系地层，单一测井曲线很难敏感反映岩性变化特征［5］，给地层沉积旋回的准确划分带来挑战，煤层多且薄的特征给等时对比工作带来多解性，增加勘探的风险。

本文利用测井、录井和岩心资料，通过建立综合岩性识别曲线准确划分沉积旋回并厘清其特征；同时，采用多种方法消除对比多解性，为该地区的煤层气勘探提供依据。

1 区域地质概况

Galilee盆地位于澳大利亚东北部的昆士兰州境内，盆地西南侧与Maneroo地台相接。二叠纪时期Galilee盆地主要发育河流、三角洲及湖泊相沉积，包括早二叠世的Aramac组和晚二叠世的Betts Creek组。研究区位于Galilee盆地中西部Hulton－Rand构造带上，以辫状河三角洲平原沉积为主［12－14］。由于近物源，沉积物搬运距离短，分选较差，岩性主要为不等粒度的砂岩、泥质砂岩、碳质泥岩及煤层，且由于辫状河道变道频繁，快速沉积，纵向上岩性变化大，地层薄互层特征明显。研究区煤层埋深800～1200m，厚度薄，多为1m左右，最厚可达10m。煤层中等变质，属于长烟煤－气煤，含气量最大为8m3／t，具有较好的资源潜力。该区域煤系地层是煤层气的重要储集体，因此沉积旋回的准确划分、特征分析及煤层对比对该区块勘探评价具有重要指导意义。

2 沉积旋回划分

地层岩性的识别是沉积旋回划分的基础，该区地层厚度薄且岩性变化频繁，利用单一测井曲线及录井难以准确识别岩性，再加上一些影响因素，例如泥岩中多含碳质，使得测井曲线值域上有重叠，可产生多解性，给沉积旋回的准确划分带来困难。为此，首先建立1条综合岩性识别曲线，用于沉积旋回的划分。

2．1 建立综合岩性识别曲线

研究区有自然伽马、三孔隙度测井（补偿密度、声波时差和补偿中子）、深浅侧向电阻率、自然电位、井径及光电截面指数等常规测井曲线。利用岩心描述及录井数据对不同岩性在不同测井系列的响应特征及值域范围进行统计，同时考虑到不同测井系列的测量原理及影响因素，分析了测井曲线在该区块二叠纪地层的岩性敏感性（见表1）。

选用敏感性较好的自然伽马、三孔隙度测井及深侧向电阻率曲线，根据它们与岩石粒序之间的相关性建立1条综合岩性识别曲线LIC（Lithology I－dentify Curve），并通过录井及岩心描述对曲线值域进行划分，形成地层岩性剖面，以满足准确划分岩性的要求［11］。

首先采用中子—密度测井交会求取砂泥岩层的孔隙度φ，再利用威利公式反算地层骨架声波时差Δtma，该参数对岩性有较为显著的响应特征［5］。通过将砂岩、泥质砂岩及碳质泥岩所对应的的GR、Rt与Δtma绘制交会图（见图1）。其结果表明，GR和Rt与Δtma为明显的正相关关系，随着岩石粒度逐渐变细，三者均呈现不同程度的增大趋势。因此，利用这3个参数与岩性粒度之间的关系建立公式求取LIC曲线（见图2）。

表1 岩性－测井系列对应值域统计及敏感性分析表

图1 骨架声波与自然伽马及深侧向电阻率之间的关系

图2 W井岩性识别对比图

煤层段以上各参数的求取方法与砂泥岩不同，需要利用特殊测井类型。但由于煤层的自然伽马和密度曲线响应特征与其他岩性差异明显（见表1），且LIC曲线值随着粒序变细而减小，因此利用FORWARD软件将煤层段（GR＜70且DEN＜1．8）的LIC曲线赋值为0，则可满足识别岩性及下一步分析沉积旋回的要求。

随着综合岩性识别曲线值的减小，地层岩性由砂岩到泥质砂岩，再过渡到碳质泥岩，最后为煤层，曲线幅度随岩性变化剧烈，具有较高的敏感性。

根据W井岩心描述及录井数据建立了LIC曲线值域划分标准：煤层的LIC值为0，碳质泥岩为（0～0．2）×10－5ft／（μm·Ω·m·API），泥质砂岩为（0．2～0．85）×10－5ft／（μm·Ω·m·API），砂岩为大于0．85×10－5ft／（μm·Ω·m·API）。根据该标准，利用FORWARD软件生成地层岩性剖面（见图2），通过与岩心及录井识别的地层剖面对比，可看出LIC曲线能够较为准确的识别薄互层的岩性变化，且准确率大于75%，最高达94．5%（见表2），能够满足沉积旋回分析及地层对比的要求。

表2 测井识别准确率统计

2．2 沉积旋回特征分析

研究区内二叠纪主要发育辫状河三角洲平原亚相，以辫状河道沉积为主，河道充填层序主要由不等粒砂岩组成，河道底部可见砾岩沉积。在河道两侧的洼地发育越岸沉积，岩性多为粉砂岩、泥岩及煤层，煤层厚度变化大且分布不太稳定。以G井为例研究区块内二叠系煤系地层的沉积旋回特征，并利用综合岩性识别曲线LIC、GR及录井、岩心数据划出了3个长期旋回、6个中期旋回以及18个短期旋回（见图3），其中依据旋回过程中煤系地层的发育特征可划分为3个演化阶段，分别为2次湖侵和1次湖退［10］。

第1次湖侵从Aramac组底部开始至Betts Creek组底部的9号煤层底结束，岩性整体向上变细，砂层层厚逐渐变薄，LIC曲线先增大后减小，GR曲线整体呈钟形。该阶段发育10号至13号4套煤层，煤层厚度均比较薄，局部有分叉和缺失现象。湖退阶段由9号煤层底开始，到Betts Creek组中部结束，岩性向上变粗，砂岩层向上增厚，LIC曲线值逐渐增大，GR曲线形态为漏斗形，由越岸沉积演化为辫状河道沉积。该阶段发育6套煤层，煤层较上一阶段普遍增厚，间隔均匀，横向分布较为稳定，其中5号、6号和7号煤为该区主力产气煤层。第2次湖侵阶段至二叠系顶结束，其中，3个中期旋回分别代表了3次湖侵过程，每个旋回自下而上岩性变细、砂厚减薄、以煤层结束，纵向上首尾相接，依次叠置。该阶段发育1号至3号煤层，其中3号煤层最厚，稳定分布，偶尔出现分叉现象，可以作为标志煤层，也是二叠系的主力煤层。

上述分析表明，3个沉积阶段的特征显著，总的演化趋势是湖侵－湖退－湖侵，曲线整体齿化特征明显，表明物源丰富，沉积能量有节奏的变化。另外，煤层的发育和分布受到沉积环境的控制，通过对单井沉积旋回划分及特征分析，明确了区块内二叠系各煤层的分布特征。

图3 G井沉积旋回柱状图

3 煤层对比分析

主力煤层的分布预测是进行煤层气勘探的重要研究工作，而煤层对比是把握煤层分布规律的关键手段之一，具有重要作用。煤层对比分析是一项综合性的研究，以测井曲线为常用工具，根据不同情况多种方法相互配合、相互验证，可宏观对比，亦可微观校对，以提高煤层对比的准确性。

3．1 沉积旋回对比法

沉积旋回法是煤层对比中准确性较高的一种方法，煤层的分布受区域性沉积环境的控制，因此，可利用沉积旋回的结构在宏观上确定主力煤层的横向展布。

在划分区块内各单井沉积旋回的基础上，根据各主力煤层在各沉积阶段中发育的位置开展连井煤层对比，取得了较好的效果［见图4（a）］。通过对比得出，二叠系的煤层厚度变化较大，但在研究区内横向连续性较好，煤层间距变化小，仅在局部有分叉和尖灭现象，说明沉积环境及构造条件稳定。研究区内的主力煤层是Betts Creek组的3号煤层和4至9号煤层构成的煤组。

3．2 煤层和煤组对比法

图4 区块典型井煤层对比剖面图

研究区内可单独作为标志煤层对比的是3号煤层［见图4（b）］，其厚度居全区之首，广泛发育，分布稳定，局部有分叉现象，可作为全区的标志层。其自然伽马曲线略呈漏斗形，密度曲线呈大段低值，且由上至下密度值越来越小，深侧向电阻率呈中等幅度宽弧形［15－16］。

当单个煤层综合特征不显著时，在厚度、间隔等方面具有一定共性的一套煤组在测井曲线上会显示出某种组合特征，可作为煤组对比的标志，也可称为间隔－测井曲线综合对比法。

该区块二叠系Betts Creek组下部的4号到9号煤层组成的煤组特征显著，是全区的标志煤组［见图4（c）］。该煤组的煤层厚度较为均匀，为1～4m，分布间隔稳定且密集，煤层间为薄层砂岩。在测井曲线特征上，自然伽马为低值，曲线呈中－高幅，齿状，密度及深侧向电阻率曲线呈指状与单峰交替组合形态。在煤组对比的基础上，进一步根据各煤层间距、曲线特征等线索，将煤层一一对应，该方法在该区块取得了较好的应用效果［16］。

另外，位于Aramac组的10号至13号煤层厚度虽薄，也会出现局部缺失和分叉，但区块在二叠纪构造稳定，地质环境理想，煤层发育间隔均匀，横向上变化小，也将其作为一个煤组展开对比。

3．3 数学对比法

当单煤层对比出现多解性时可采用数学对比法。如10号和11号煤层对比至R5井时，发现R5井在该层段仅发育一套煤层，而10号和11号煤层发育的旋回阶段、厚度及测井曲线特征相似，用定性的方法很难对比，因此，采用了判别分析方法，从定量的角度入手。

判别分析在研究中的具体应用：把10号和11号煤层作为2个已知的因变量，从这2套煤层中选取自然伽马（GR）、密度（DEN）和煤层厚度（T）3个变量作为自变量，从研究区中选取了9口井，共采集了这2套煤层的18个已知样品（10号和11号煤层各9个），利用其中14个样品建立判别函数［17］，剩余4个样品用来检验其正确性。

经计算得到典型判别函数为

式（2）中系数为非标准化系数；特征值正则相关性为0．915；显著性Sig值为0，小于0．005，说明建立的函数有显著的判别力，是有效的。

由此建立判别标准，以10号和11号煤层判别函数平均值的加权平均值作为临界点，则大于临界点的是10号煤层，小于的为11号煤层。经计算，该判别函数的临界点为－0．0018。

为了验证该函数的准确性，用剩余4个已知样品的3个变量重新代入函数，可根据已知的煤层对比结果判断其效果（见表3）。从表3中可以看出，这4个样品判别准确，可以将2套煤层完全区分开。因此，将R5井未知煤层3个自变量代入函数，得到函数值为－3．51，小于临界点，则可判定为11号煤层。

这种定量的数学对比方法在解决少量煤层对比难点方面取得了较好的效果，是一种有效的煤层对比辅助方法。

表3 判别分析结果验证

4 结 论

（1）Galilee盆地二叠纪煤系地层岩性变化大且具有薄互层的特征，综合岩性识别曲线在准确划分该种类型煤系地层沉积旋回方面取得了较好效果。

（2）在以综合岩性识别曲线为主要参考依据下，将Galilee盆地二叠系划分了3个长期旋回、6个中期旋回以及18个短期旋回，揭示出了该地区的沉积旋回特征，分析了其湖侵－湖退－湖侵的演化阶段，进而呈现出各主力煤层在各阶段的发育规律。

（3）在单井分析基础上，综合利用沉积旋回、煤层和煤组及数学方法开展多井煤层对比，从定性到定量，从宏观到微观，准确、全面地展示出该区煤层较好的横向连续性，明确了主力煤层、煤组分布特征，为煤层气的勘探提供了参考依据。

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