层序地层学在油气勘探中的应用

前言随着近些年层序地层学理论的不断发展和应用领域的不断扩展，“层序地层学成为每位勘探学家必备的实用工具”的看法已经得到广泛的认可。事实上，层序地层学在勘探和开发中已不仅仅是一种通用工具。对于应用地球预测科学，在许多方面它还是一种重要的模型。“层序地层学”是一门新学科，自八十年代后期问世以来，很快在石油勘探业得到响应，并得以广泛的应用。这不仅是因为它是在地震地层学的基础发展起来的，容易被人们接受外，它提出的模式也大大提高了生油层、储层、盖层及潜在的地层圈闭的预测能力，并能提供一种更精确的地质时代对比、古地理再造和在钻前预测生、储、盖层的先进方法，更适用于当今石油勘探业的需要。因此被认为是地层学上的一场革命，它开创了了解地球历史的一个新阶段，是盆地分析中最有用的工具之一。近几年，国内外已应用层序地层学理论，进行了浩繁的研究工作，取得了丰富的地质成果和勘探效果。此外许多学者还发表了许多有关层序地层学方面的文章，从不同角度和不同研究方面论述了层序地层学的原理及应用，并拓宽了层序地层学理论和应用范围。本文旨在重点介绍层序地层学的发展状况、基本概念及在应用中应注意的问题，以帮助大家对其有大致了解和具备实际应用能力。一、层序地层学产生的历史背景自物探方法于３０年代应用于石油勘探以来，地震勘探大致经历了三个发展阶段：１、３０～７０年代构造地震学２、７０～８０年代地震地层学３、８０年代～今层序地层学早期地震资料主要用来勾绘构造图，受当时物探技术的限制（五一型光点记录及模拟磁带记录），人们不可能得到更多的信息和认识。到６０年代未期，随着计算机的发展及数字模拟剖面的出现，地震剖面质量得以改善，也促成了具有深远意义的地震地层学新学科的出现。自从美国石油地质家协会于１９７７年推出“地震地层学”专辑（AAPG，Memior26）以来，地震资料的解释已不再是简单地做构造图，它冲破了过去从地震资料只能解释地下构造形态的束缚，力图充分利用当代先进的数字地震和计算机处理所获得的高质量地震资料，结合现代沉积学的概念对地震剖面进行专门分析，预测古代沉积环境、生油层和储层的分布以及可能的有利含油气相带。地震地层学最主要的贡献在于将地震信息与其包含的地质含义紧密地结合起来，根据地震信息和少数钻井来研究岩性、岩相。正如Brown，１９７７年指出的那样：“地震地层学引起的‘革命’至少在两个方面有特殊的兴趣和用途：（１）一种是利用计算机分析速度、振幅和周期等参数，目的在于大范围和相当精确地鉴别和合成包含岩石成份、流体含量及其它同类参数的模型的物理学方法；（２）一种是利用反射剖面和密度或测井资料作岩相解释，并从空间和年代上汇总全盆地沉积体系的地层岩相学方法。”地震地层学的原理和方法为地震解释工作开辟了一条广阔的新路，推动了石油勘探业的向前发展。值得指出的是“地震地层学”专辑实际上是一部论文集。它是把美国石油地质家协会全国代表大会于１９７５年举行的第一届关于地震地层学研究讨论会上所规划的成果，连同1977年以前一些技术讨论会上选出的报告编辑而成的，它不是一部完整的教科书。限于当时的条件和认识，地震地层学不可能达到完美无缺的地步，如各家所使用的方法手段不统一，有些术语的应用很混乱，有些从某一局部地区得出的经验或结论还有待于在实践中进一步检验等。尽管如此，“地震地层学”仍被看成是地层学历史上的一场革命，其意义和作用已为近十年的石油勘探业所证实。随着勘探形势的不断发展，一方面，人们需要提供一种更精确的年代地层对比、古地理再造和在钻井前预测生油层、储集层和盖层的方法（经典的地震地层学已满足不了生产的需要）；另一方面，在过去的十多年中，随着电子计算机地层模拟研究、地质露头、测井和地震资料的综合分析的进展以及在应用地震地层学过程中所得到的反馈信息，人们又获得了许多新的认识。“受新增证据的推动和同事们之间的相互促进”威尔（Vail，１９８７）和他在EXXON开采研究所的同事们将其想法业经演进，提出了“层序地层学”这一新概念，对层序地层学的基本概念、定义和关键术语，首次作出了明确、系统的说明。层序地层学正是在生产形势急需和技术进步的背景下诞生的。层序地层学的创新主要体现在：（１）建立了层序地层学的新概念，从相对海平面变化、可容空间、沉积旋回的角度去研究年代地层学的沉积环境和岩相分布。（２）重视体系域的研究，建立了不同地质背景下产生的两种层序类型、四种体系域的地层模式。对生、储、盖层的空间分布具有很强的预测能力。（３）强调了地震、钻井及野外资料的综合分析。（４）提供了含油盆地石油地质综合分析的新方法。它的应用有可能提供一个完整统一的地层学概念。它打开了了解地球历史一个新阶段。经过近二十年的发展，层序地层学在理论上、实际应用上以及在研究的深度和广度上都取得了长足的进展，主要表现在：1、在石油勘探领域，应用这一新的理论体系和方法，已经为储集砂体的预测带来战略性的变化，取得了重要的成就。层序地层学应用以来最重要的找油领域之一是层序界面上谷地充填砂体。2、在层序地层学的基本理论研究方面，对北美—西欧及其它地区典型露头地区进行了细致的层序地层分析，对碳酸盐岩层序地层以及混积的层序地层的深入研究，对于高频旋回的地面及地下分析以及对海平面变化的认识和精确计算等方面，都有着长足的进展。层序地层学的思路和方法已在不同类型盆地中加以应用，并证明其有效性。3、一些新的研究方法正被引入到层序地层学研究中来。包括物理事件、化学事件、生物事件和复合事件的高分辨率事件地层学的概念和方法，为层序地层分析的年代地层学研究提供了新的武器。4、随着数字计算机的高速发展，解释工作站已成为可迅速解释二维、三维数据体，对地层层位、断层和地震属性进行成图。并发展到可使用可视化工具在三维空间来“观看”和解释地质特征。这为层序地层学发展提供了强大的工具。5、解释方法和软件的大量涌现则为高分辨率层序地层学的定量解释提供了可能。如“地震属性提取”技术可从地震数据体中提取定量化地震信息（这在以前的纸剖面上是根本无法实现的）。如砂层厚度、孔隙度、渗透率流体含量等。该项技术可适用于研究岩相的分布规律和储层的连续性。“层拉平”技术可帮助展示地质体的外形及分布范围，还可用于评价解释质量。“相干数据体”技术可用于识别断层走向和沉积体的范围。这些技术都将层序地层学解释带入了一个崭新的阶段。二、层序地层学的基本概念１、层序地层学定义层序地层学主要是根据地震、钻井和露头资料对沉积盆地进行地层解释及有关的沉积环境和岩相的解释，它是地层学的分支。层序地层学主要研究在海平面变化周期的不同阶段（低水位期，海进期和高水位期）具有成因关系地层的沉积层序（Haqandothese，1987）。“层序地层学”将建立以地层不整合（连续）面为界的成因上有联系的旋回性地层的年代地层学体制，在年代地层学体制内，解释过程将得出沉积环境及其有关岩相的分布，这些岩相单元可能限于以层面为界的等时间段内，也可见于跨越界面的穿时间段内（VailandSangree，1988）。２、层序地层学分析的基础层序地层学分析的两个基本观点是：（１）地层表面平行地质时间线；（２）在地震资料上识别的地震反射是平行于地层层面的。因此，在地震分辨率的限制下，它反映了具有时间意义的地质时间线。众所周知，呈层状沉积的沉积物常称为地层或岩层。这种成层性是由于在环境条件相似的一段时期内，水或风等营力将类型相似的沉积物在沉积区内展布成一层相对很薄的席状体所致。当沉积场所环境条件发生变化时，沉积物及其侧向连续性都会发生相应变化：或在原沉积地层顶部沉积其它类型的沉积物；或无沉积物沉积；或原沉积层被侵蚀等。层序地层学中地层单元等级自小到大可划分为纹层、纹层组、层、层组、准层序、准层序组、层序七个级别。纹层、纹层组、层、层组，这四种单元在其成因上有相似性，它们之间的主要区别是形成时所需时间长短及边界延伸范围大小不同。层和层组代表形成时间间隔较长，通常在小井距范围内和连续的露头中可进行年代地层对比。而纹层和纹层组仅是沉积时物理化学条件的变化而造成颜色、粒度、成分的变化，只能指示环境，不具有年代地层意义。准层序是一相对整合，成因上相关的层或层组所组成的序列，该序列顶、底以海泛面或可以这一海泛面相对比的面为界，为一个时间地层界面，在露头、岩芯、测井曲线上表现为向上变浅或变粗的地层单元。准层序组是彼此叠置，成因上相关的准层序序列。该序列顶、底以最大的海泛面或与之对比的面为界。一个准层序组一般厚30－800英尺，平面展布20－1200英里。形成时间约需0.1－0.5百万年。层序是一相对整合的成因上相关的地层序列。该序列的顶、底以不整合或与之可对比的整合面为界层面可以反映不同沉积部位沉积时间的长短，它至少反映了某一小的时间单元，该时间单元与其整个延伸范围内的层面是一致的。层面一般代表一相对短的时间间断，如果间断时间长，该层面则称为不整合面。从地震反射原理可知，地震波主要是由地下岩层之间的波阻抗的差异（岩石的物理界面）所产生的。它即反映了岩层的物理界面（波阻抗界面），又反映了地层沉积的时代界面（包括不整合面）。因此，地震反射具有地层学的含义，即连续的地震反射相当于地质时间线（当反射来自层面），或者是沉积间断面（当反射来自不整合面）。但是，在应用地震波特性进行年代地层解释中，应注意以下情况产生的异常波：１、流体界面反射；２、较罕见的胶结物成分变化；３、因受地震分辨率限制而产生的问题；４、各种不希望出现的干扰波，（多次波、侧面波、绕射波等）；５、低角度断面波。地震解释技巧主要在于将这些异常波与基本地层型式区分开。３、层序地层学的若干新概念根据对现代沉积和古代沉积记录的研究，我们知道沉积环境的不同可导致地层沉积的类型多种多样。对研究盆地来讲，要了解各时期地层沉积的古地理背景，就先要掌握控制地层沉积的主要因素。层序地层学认为，控制沉积岩沉积主要有四种因素：（１）构造沉降；（２）海平面的全球性变化；（３）沉积物的供应量；（４）气候。其中全球海平面变化是主控因素。沉积物的厚度最初受构造沉降所控制，但是地层模式和岩相分布却受海平面相对变化的速度控制。局部的构造沉降或上升以及沉积物的供应状况可附加在全球海平面的变化中，但这并不能屏蔽全球海平面的效应，任何海平面的变化都是全球性效应的。全球海平面升降变化一般呈周期性变化曲线，其幅度和频率的变化尚待研究中。构造沉降一般考虑为线性变化（实际资料表明构造沉降曲线是非线性的）。全球海平面升降周期与构造沉降两种因素演化成海平面的相对变化曲线，这种海平面的相对变化直接控制了沉积物的积聚和沉积类型。层序地层学称其为可容空间（accommodation）。图１展示了全球海平面升降曲线、构造沉降曲线、海平面相对变化曲线、可容空间和层序地层学的有关术语。可容空间的大小，决定了地层的厚度和地层模式。如图所示，在全球海平面下降的两个拐点间的沉积被定义为一个层序。层序地层学研究的基本地层单元是层序。层序是由具有时代地层意义、在成因上有联系的地层构成的。它的顶底面是以区域不整合面或与之相当的整合面为界的相对整合的地层序列。图1全球海平面升降、构造沉降、海平面相对变化和层序地层学术语区域不整合面或地层不连续面可作为层序界线。形成地层不整合面的原因有：侵蚀作用或无沉积作用。根据海平面下降的速度与盆地下降速度的关系，层序界线可分为两类：类型１层序界线和类型２层序界线：类型１层序界线为一区域不整合面，是全球海平面下降速度大于盆地下降速度时产生的。其特征是具有陆上暴露和伴随着河流的活动而产生的侵蚀作用。地层超覆沉积点由原来的在海岸线一带向下转移至陆坡以下，形成向陆坡超覆。向盆地方向岩相变化较大，非海相或浅海相地层（如辫状河流砂岩或河口砂岩、潮坪相碳酸盐岩）可直接覆盖在深水海相地层上，中间无过渡型沉积岩层。类型２层序界线为一区域性的界面，它对应着海平面的缓慢下降，其下降速度小于沉积海岸线坡折点所下降的速度，所以在这个海岸坡折点海平面没有发生相对的下降。此界面也有地面暴露和海岸上超向下移动的现象，然而它缺失由于河流的活动而造成的区域侵蚀以及向盆