層序界面識(shí)別技術(shù)在濟(jì)陽坳陷古近系層序地層中的應(yīng)用

層序界面識(shí)別技術(shù)在濟(jì)陽坳陷古近系層序地層中的應(yīng)用

近年來，層次地層學(xué)在中國(guó)陸地相湖泊勘探和開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用，并提供了新的層次劃分和比較方法和原則。測(cè)井資料作為層序地層學(xué)研究的重要基礎(chǔ)資料之一,在層序地層單元界面識(shí)別中具有非常重要的意義。特別在沉積盆地的覆蓋研究區(qū),取心資料有限并不連續(xù),地震資料分辨率有限,露頭資料少或者基本沒有,難以確定精確的層序地層界線位置,此時(shí),結(jié)合有限的巖心、露頭等資料和地震資料進(jìn)行綜合分析,運(yùn)用測(cè)井資料進(jìn)行層序地層劃分、對(duì)比顯得尤為重要。層序界面和最大湖泛面是層序地層學(xué)研究中兩個(gè)重要的界面,是進(jìn)行盆地級(jí)區(qū)域性層序地層等時(shí)性對(duì)比的關(guān)鍵界面。層序界面對(duì)應(yīng)于侵蝕不整合面或無沉積間斷面及其與之相對(duì)應(yīng)的整合面,最大湖泛面是劃分湖侵域和高位域的界面,且在界面上下形成了特殊的生油巖密集段(CS段)或緩慢沉積段沉積。本次在濟(jì)陽坳陷古近系層序地層研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合地震、巖芯、錄井、古生物及其他測(cè)井資料等綜合分析,探討了利用聲波時(shí)差測(cè)井資料識(shí)別層序界面、CS段的方法、原理。1地層內(nèi)聲波時(shí)差s/m的特征聲波時(shí)差測(cè)井資料已廣泛被地質(zhì)、地球物理學(xué)家應(yīng)用于沉積地層的孔隙度、地層異常壓力等研究中。Wyllie等人依據(jù)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果推斷,在具有均勻分布的小孔隙的固結(jié)地層中,孔隙度與聲波時(shí)差存在線性關(guān)系,即其中Δt為聲波時(shí)差測(cè)井曲線上讀的時(shí)差(μs/m),Δtma為巖石骨架的聲波時(shí)差(μs/m),Δtf為孔隙中流體的聲波時(shí)差(μs/m)。根據(jù)Hubbert和Ruley研究成果表明,巖石壓實(shí)過程中,孔隙度與壓力之間存在以下關(guān)系:其中Pc為上覆地層施加在深度Z處的固體上的壓力。在深度Z處的沉積物(巖)受到的壓力為固體沉積物(巖)的壓力Pc和其中所含液體的壓力Pb之和,即:σ=Pc+Pb。在流體靜壓條件下由(2)和(3)可得出其中ρbw為上覆沉積物(巖)的平均密度,ρw為上覆沉積物(巖)中流體的平均密度,g為重力加速度。由(1)和(4)可以得到由(4)、(5)式可以看出,在正常埋藏壓實(shí)條件下,沉積地層中孔隙度的對(duì)數(shù)與其深度呈線性關(guān)系,聲波時(shí)差對(duì)數(shù)與其深度也呈線性關(guān)系,并且隨埋深增大,孔隙度減小、聲波時(shí)差也減小,若對(duì)同一口井同一巖性的連續(xù)沉積地層,表現(xiàn)為一條具有一定斜率的直線。但是,有的井聲波時(shí)差對(duì)數(shù)與其深度的變化曲線并不是一條簡(jiǎn)單的直線,而是呈折線或錯(cuò)開的線段,這就是我們進(jìn)行不整合面或?qū)有蚪缑孀R(shí)別的理論基礎(chǔ)。2在波浪的旅行時(shí)間井中，不集成的聲波方程的反應(yīng)以及形成模型和實(shí)例2.1不整合面層序界面聲波時(shí)差對(duì)數(shù)及其深度的回歸線特征聲波時(shí)差是沉積地層的巖性、物性(孔隙度大小、孔隙結(jié)構(gòu)、裂縫密度和開啟度等)以及孔隙和裂縫中的流體性質(zhì)等因素綜合響應(yīng)。在地層垂向剖面中,由于不整合的存在,將引起上述因素發(fā)生異常變化,導(dǎo)致聲波時(shí)差也發(fā)生相應(yīng)的異常變化,這些異常變化就是我們進(jìn)行不整合識(shí)別的基礎(chǔ)。巖性對(duì)聲波時(shí)差的影響明顯,在分析研究過程中,為了消除巖性的影響,在同一口井中選擇同一巖性作為研究對(duì)象,一般選用泥頁巖,若泥頁巖含量低時(shí),可選用砂巖,但深部砂巖可發(fā)育次生孔隙,影響聲波時(shí)差的正常變化。通過對(duì)濟(jì)陽坳陷若干口井的聲波時(shí)差對(duì)數(shù)與其深度變化關(guān)系圖的分析和周瑤琪等研究表明,不整合面(層序界面)上下的聲波時(shí)差對(duì)數(shù)與其深度的回歸線表現(xiàn)為以下幾種基本類型:(1)界面上下回歸線發(fā)生明顯的錯(cuò)開,即界面之上的回歸線的終點(diǎn)與界面之下的回歸線的起點(diǎn)不在同一點(diǎn),但斜率相同(圖1A、B);(2)界面上下回歸線的斜率不同,但回歸線未發(fā)生錯(cuò)開,呈折線(圖1C、D);(3)界面之下存在異常點(diǎn)或異常段(圖1E);(4)界面上下的回歸線無異常,呈一條直線(圖1F)。實(shí)際研究中,不整合面上下的聲波時(shí)差對(duì)數(shù)與其深度的回歸線多表現(xiàn)為綜合類型,如(1)和(2)的綜合,即界面上下的回歸線發(fā)生明顯的錯(cuò)開,且斜率不同。2.2地表淺層界面內(nèi)沉積斷裂面本文中所討論的不整合是由無沉積或剝蝕作用所致,其相對(duì)應(yīng)的面為三級(jí)層序界面,是將較新和較老地層分開的面,沿此面具有地層的削蝕或侵蝕,或存在地表暴露標(biāo)志,并且界面上下地層間存在明顯的沉積間斷。結(jié)合濟(jì)陽坳陷古近系層序地層研究,從不整合面或?qū)有蚪缑娴奶卣鞒霭l(fā),對(duì)不整合引起聲波時(shí)差異常的機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)。2.2.1不同埋深表層上不整合層間不同壓實(shí)作用強(qiáng)度的關(guān)系由(5)式可知,在正常埋藏壓實(shí)條件下,巖石中孔隙度對(duì)數(shù)與其深度的變化曲線為直線,同時(shí),壓實(shí)作用強(qiáng)度與地層埋藏深度成正比,因此,沉積地層中的孔隙度與其壓實(shí)強(qiáng)度成正比關(guān)系,同時(shí),孔隙度與聲波時(shí)差也成正比線性關(guān)系,由此可以得出,在正常埋藏壓實(shí)條件下,聲波時(shí)差與壓實(shí)強(qiáng)度也存在正比關(guān)系,即隨著埋深增加,壓實(shí)作用增強(qiáng),孔隙度降低,聲波時(shí)差也相應(yīng)變小。沉積不整合往往形成于構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)或湖平面下降背景條件下,特別在湖盆的邊緣地帶或斷陷湖盆緩坡帶尤為明顯。在不整合形成期,湖緣地帶處于無沉積或剝蝕狀態(tài),導(dǎo)致壓實(shí)作用強(qiáng)度的降低或壓實(shí)作用終止;后期構(gòu)造下沉,接受新的沉積,處于新的壓實(shí)作用背景。因此,不整合面上下的沉積地層處于不同壓實(shí)背景條件,不同位置并存在不同程度的壓實(shí)間斷。此時(shí),與位于洼陷地帶連續(xù)沉積地層剖面相比,聲波時(shí)差趨勢(shì)線常存在斷點(diǎn),一般情況下,界面之下聲波時(shí)差值小于界面之上(圖1B)。2.2.2有雙層析基不整合形成時(shí)期老地層將暴露水面,遭受風(fēng)化剝蝕,若風(fēng)化物殘積原地,形成風(fēng)化層,或者界面之下為灰?guī)r,溶蝕孔隙、裂縫發(fā)育,使其孔隙度增大。當(dāng)其被湖侵泥巖覆蓋,形成致密層,界面之下的風(fēng)化層易出現(xiàn)異常壓力,保存較高的孔隙度,導(dǎo)致風(fēng)化層段的聲波時(shí)差出現(xiàn)高值,在界面之下發(fā)育異常點(diǎn)或異常段(圖1E)。2.2.3異常壓力抑制壓實(shí)作用在湖盆邊緣的斜坡帶或洼陷中相對(duì)隆起地帶,在層序邊界形成過程中常伴隨著不整合面的形成,后期的湖侵體系域泥巖直接覆蓋于不整合面之上,當(dāng)條件適宜時(shí),湖侵泥巖易形成致密的封堵層。在后期的埋深壓實(shí)過程中,湖侵泥巖作為致密封堵層抑制了下伏地層水的排出,導(dǎo)致不整合面(層序界面)之下發(fā)育異常壓力。異常壓力抑制壓實(shí)作用,使巖石中孔隙度保持了不整合面形成前的變化趨勢(shì)。隨著埋藏深度增大,界面之上的地層壓實(shí)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),而界面之下由于異常壓力的存在繼續(xù)保持原狀。當(dāng)埋深達(dá)到某一深度時(shí),界面之上的壓實(shí)強(qiáng)度的趨勢(shì)線與界面之下的趨勢(shì)線重合,此時(shí),界面上下的聲波時(shí)差表現(xiàn)為一條直線(圖1F);當(dāng)埋深超過此深度時(shí),界面之上的地層壓實(shí)強(qiáng)度超過下伏地層,在聲波時(shí)差對(duì)數(shù)對(duì)深度的變化圖上界面上下的回歸線出現(xiàn)錯(cuò)開,且界面之下聲波時(shí)差高于界面之上(圖1A),此種現(xiàn)象主要出現(xiàn)在埋藏較深的地層中。2.2.4儲(chǔ)頁巖顆粒排列不同層序的沉積時(shí)期內(nèi)由于構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度、沉積物供給豐度等存在差異,導(dǎo)致了沉積物的沉積速率也存在差異。K.Magara等研究表明,沉積物沉積速率慢時(shí),有足夠的時(shí)間使得泥頁巖顆粒排列有序,相反,沉積速率快時(shí),泥頁巖顆粒本身沒有足夠時(shí)間排列,呈雜亂分布。前者對(duì)壓實(shí)作用反映明顯,孔隙度隨深度很快地降低,后者的降低速度慢,導(dǎo)致界面上下的斜率出現(xiàn)差異(圖1C、D)。2.3界面界面缺陷造成的聲波時(shí)差通過地震、巖芯、錄井、測(cè)井等資料綜合分析,濟(jì)陽坳陷沙河街組三段(簡(jiǎn)稱沙三段)—東營(yíng)組沉積地層可劃分出六個(gè)三級(jí)層序,其中沙三下為層序Ⅰ,沙三中為層序Ⅱ,沙三上—沙二下為層序Ⅲ,沙二上—沙一段為層序Ⅳ,東三段為層序Ⅴ,東一段、東二段為層序Ⅵ。車古9井位于濟(jì)陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷南斜坡,結(jié)合區(qū)域性地層對(duì)比,CG9井僅發(fā)育了層序Ⅲ、層序Ⅳ和層序Ⅴ。圖2是CG9井聲波時(shí)差對(duì)數(shù)與深度的關(guān)系及其層序地層劃分圖,圖中可以明顯看出層序界面附近的聲波時(shí)差存在明顯的異常。1589.0m為沙三段與古生界的分界,相當(dāng)于層序Ⅲ的底界面,該井中缺失了中生界和新生界孔店組、沙四段、沙三下、沙三中地層,層序Ⅲ(沙三上)直接覆蓋在古生界地層之上,在地震剖面上可見明顯的地層削截關(guān)系。該界面在聲波時(shí)差上響應(yīng)明顯,由于界面之下灰?guī)r暴露遭受風(fēng)化淋濾,灰?guī)r中發(fā)育了大量溶孔,其上被層序Ⅲ湖侵泥巖覆蓋,形成良好致密層,溶孔得以保存,因此在界面之下聲波時(shí)差出現(xiàn)部分異常高值。1527.0m為層序Ⅲ與層序Ⅳ的分界,古生物地層對(duì)應(yīng)于沙一段與沙三上分界,之間缺失了沙二段地層。由圖2可以看出界面上下的聲波時(shí)差對(duì)深度的回歸線存在明顯的錯(cuò)開,界面之下聲波時(shí)差值高于界面之上,兩者的斜率相近。主要是層序Ⅲ沉積晚期構(gòu)造抬升,導(dǎo)致CG9井區(qū)出露水面,處于無沉積或剝蝕狀態(tài),沉積地層的壓實(shí)作用終止,保持了抬升前的壓實(shí)狀態(tài)。層序Ⅳ沉積期,沉積盆地下沉,湖水快速上升,CG9井區(qū)接受了湖侵泥巖沉積,沉積地層隨之進(jìn)入新的壓實(shí)背景。但該層序界面之上被湖侵泥巖覆蓋,形成了致密層,抑制了下伏地層的壓實(shí)作用,界面之下地層保持了界面形成前的壓實(shí)狀態(tài),導(dǎo)致界面之下泥頁巖的聲波時(shí)差值高于界面之上泥頁巖的聲波時(shí)差值。1420.0m對(duì)應(yīng)于沙一段與東營(yíng)組的分界,也相當(dāng)于層序Ⅳ與層序V的分界,但東營(yíng)組與沙一段之間在該井區(qū)的沉積間斷時(shí)間短或無明顯間斷,因此界面上下的聲波時(shí)差對(duì)數(shù)對(duì)深度交匯圖上特征不明顯,但由于界面上下兩個(gè)層序的的沉積速率、巖性等存在差異,界面上下的聲波時(shí)差回歸線的斜率不同,界面之上的斜率小,而界面之下的斜率大,并且界面之下泥頁巖的聲波時(shí)差值要小于界面之上,屬于正常的壓實(shí)狀態(tài)。1380.0m對(duì)應(yīng)于館陶組與東營(yíng)組分界,但CG9井東營(yíng)組僅保存了東三段地層,東一段、東二段地層被剝,地震剖面也可見明顯的削截現(xiàn)象,為層序Ⅴ的頂界面,其回歸線出現(xiàn)錯(cuò)開,并且界面之下聲波時(shí)差值小于界面之上聲波時(shí)差值,且斜率相近,屬于正常壓實(shí)。3聲波時(shí)差對(duì)湖池cs段的響應(yīng)、機(jī)制和實(shí)例3.1層序變化對(duì)沉積地層中有機(jī)質(zhì)含量的影響由于流體密度存在差異,聲波在不同流體中傳播速度不同。因此,在其他條件相同的前提下,沉積地層中的流體性質(zhì)也影響聲波時(shí)差,如淡水聲波時(shí)差為620μs/m,鹽水為608μs/m,石油為757～985μs/m。同樣,巖石中有機(jī)質(zhì)含量也可影響聲波的速度,一般情況下,泥頁巖中有機(jī)質(zhì)含量越高,所對(duì)應(yīng)的聲波時(shí)差值越大。一般情況下,我們所研究的沉積地層中地層水性質(zhì)在垂向上變化不大,但在一個(gè)三級(jí)層序中,湖盆水體深度經(jīng)歷了由淺—深—淺變化,這種變化對(duì)沉積地層中有機(jī)質(zhì)含量的影響明顯。S.Creaney等研究表明,層序地層格架內(nèi)的有機(jī)碳總量(TOC)在垂向上呈周期性變化,在單一層序地層剖面中,TOC的峰值與最大湖泛面沉積對(duì)應(yīng),即與CS段沉積對(duì)應(yīng)。在最大湖泛面以上,由于高位期的大量陸源碎屑注入沉積盆地,導(dǎo)致TOC逐漸減少,在最大湖泛面以下對(duì)應(yīng)于湖侵體系域和低位體系域沉積,低位體系域和湖侵初期湖盆水體相對(duì)較淺,TOC也相對(duì)較低。同時(shí),在一個(gè)層序內(nèi)部有機(jī)碳含量變化是一個(gè)漸變過程,表現(xiàn)在聲波時(shí)差上也是漸變過程,僅在層序邊界以下,由于出露地表遭受風(fēng)化,使有機(jī)碳含量降低,而出現(xiàn)突變現(xiàn)象。CS段沉積形成于最大湖泛面附近,在盆地洼陷帶為一套欠補(bǔ)償條件形成的泥巖、頁巖,有機(jī)質(zhì)含量高,又稱之為生油巖密集段。因此,CS段沉積在聲波時(shí)差測(cè)井上存在明顯的響應(yīng),聲波時(shí)差常出現(xiàn)異常高值段,在同一層序內(nèi)最大湖泛面位置達(dá)到最高,向上和向下均逐漸變小。3.2聲波時(shí)差-電阻率的匯圖識(shí)別法LUO60井位于濟(jì)陽坳陷沾化凹陷的南部斜坡帶,圖3是濟(jì)陽坳陷LUO60井聲波時(shí)差對(duì)數(shù)與其深度的關(guān)系圖,由圖中可以明顯看出層序界面的位置,同時(shí),層序Ⅰ和層序Ⅳ的CS段聲波時(shí)差值明顯偏大,在最大湖泛面位置達(dá)到最大,向上、向下均呈減小趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在巖心實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)定基礎(chǔ)上,利用聲波時(shí)差—電阻率的交匯圖來識(shí)別富含有機(jī)質(zhì)的烴源巖和有機(jī)碳總量(TOC)測(cè)定分析已獲得成功。利用測(cè)井曲線的重疊法,把刻度合適的孔隙度曲線(一般為聲波時(shí)差曲線)疊加在電阻率曲線上,在富含有機(jī)質(zhì)的細(xì)粒烴源巖中,兩條曲線存在幅度差,定義為ΔlogR。并且,在一般情況下ΔlogR與烴源巖中的有機(jī)碳總量(TOC)成正比關(guān)系。圖4為濟(jì)陽坳陷LUO67井聲波時(shí)差-電阻率的交匯圖與層序界面和CS段關(guān)系圖。圖中明顯可以看出