高分辨率层序地层学研究

1子洲气田山2气藏高分辨率层序地层学研究2子洲气田山2气藏高分辨率层序地层学研究摘要：子洲气田山2气藏高分辨率层序地层学研究对子洲气田山2气藏的层序地层特征做了详细研究，主要对山西组做了高分辨率层序地层划分和对比、高分辨率层序地层学对砂层组划分方案的优化，以及煤层在层序中的位置及对比划分。从而对子洲气田山2段气田开发建产进行评价和筛选，为该气田天然气开发和产能建设部署提供基础地质依据。关键词：山西组；层序；沉积；基准面；旋回；划分对比0引言层序地层学是一门相对新兴的地层学分支学科，它是在20世纪70年代地震地层学的基础上发展起来的，大致经历了以下三个发展阶段：第一阶段：概念盟芽阶段，即本世纪70年代以前，主要建立了层序地层学赖以发展的地质基础，包括以生物地层学、岩石地层学、年代地层学及动力地貌学为依据建立的一些层序、旋回及均衡剖面理论等。第二阶段：地震地层学演化的模型形成阶段。地震地层学是层序地层学发展的第二个重要时期，是以P.Vail等人提出地震地层学概念体系和出版《地震地层学》（C.E.Payton主编，1977）为标志。地震地层学是一种利用地震资料进行地质综合解释的学科。它认为，由于岩层中产生地震反射的物性界面主要是具有速度－密度差异的层面和不整合面，所以可将这类界面作为划分年代地层单位的主要依据。地震地层学的核心是海平面升降旋回变化的周期性，基础是以不整合为边界的沉积层序的识别。根据Mitchum（1977）的定义，“沉积层序是由相对整一、连续的，在成因上有联系的地层组成的、顶底以不整合面或与之相对应的整合面为界的地层单元”。一定的沉积层序代表的时间段可以因地而异，但某个层序的范围却限于等时界面之间。因此，它可以为地层对比和沉积相分析提供一个埋想的年代地层格架。地震地层学多在盆地规模上利用地震资料，对地层结构、沉积相类型和分布进行盆地综合分析，但很少利用露头、钻井和测井资料进行层序地层综合分析，因此，不能在油气藏范围内为沉积地层分析提供必要的精度。第三阶段：综合发展阶段，即从80年代到现在，随着可容空间概念的建立，3层序地层学的理论和方法趋于成熟并广泛应用。层序地层学进入了理论研究和生产应用全面发展的时期，开始深入到油气勘探的各个阶段。尽管地震地层学理论解决了层序形成问题，但并未明确层序内部地层的彼此关系和空间展布特征，并且地震地层学主要应用地震资料在盆地范围内进行盆地分析工作，所以，Vail等人在吸取其他地质学家建议的同时，进行了大量的露头、测井、海洋地质和地震资料的综合研究，利用层序地层、磁性地层、年代地层以及生物地层中所反映的海平面变化和同位素年龄等大量资料，编制了中生代以来的年代地层和海平面旋回曲线图，厘定了不整合面、海平面变化的概念，并强调地震剖面、测井和地面露头的综合研究是识别海平面变化的重要手段。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了战略性的变化，取得了重要的成就。特别是低位体系域底界面上的深切谷充填砂体的预测和发现，为寻找发现地层岩性圈闭提供了有利靶区。如Amoco石油公司根据层序地层研究，在Beaufort海和阿拉斯加发现了新的靶区；在尼日尔三角洲地区应用墨西哥湾盆地的模式和经验，在新的地震、钻井资料的基础上完成了一系列层序地层大剖面，从而发现了丰富的、有经济价值的油气圈闭；联合太平洋公司在东科罗拉多州和西堪萨斯州的工作中，应用层序地层的方法重新进行整体评价，发现了长距离延伸的深切谷充填砂体，从而在找油目标上进行了战略转变。1高分辨率层序地层理论简介高分辨率层序地层学的理论核心是指在基准面旋回变化过程中，由于沉积物可容空间与沉积物补给通量比值（A/S）的变化，相同沉积体系域中沉积物体积发生再分配作用，导致沉积物堆砌样式、相类型及相序、岩石结构、保存程度发生变化。这些变化是沉积体系域在基准面旋回中所处位置和可容空间的函数。基准面旋回变化控制了地层单元的分布模式，这种具有一定规律的分布型式为人们进一步预测沉积储层的分布提供了概念性模型。高分辨率层序地层学是对地层记录中反映基准面旋回变化的时间地层单元进行“二元划分”，其关键是在地层记录中识别代表不同级次基准面旋回的不同级次地层旋回，进而进行高分辨率等时地层对比，探讨等时地层格架内的地层分布模式，预测有利的烃源岩、储集层和盖层的分布位置。1.1地层基准面原理4T.A.Cross等（1994）引用并发展了Wheeler（1964）提出的基准面的概念，分析了基准面旋回与成因层序形成的过程—响应原理。他们认为地层基准面（Baselevel）并非海平面，也不是相当于海平面的一个向陆方向延伸的水平面，而是相对于地球表面波状升降的、连续的、略向盆地方向下倾的抽象面（非物理面），其位置、运动方向及升降幅度不断随时间而变化。基准面在变化中总是向其幅度的最大值或最小值单向移动的趋势，构成一个完整的基准面上升与下降旋回（图1－1）。基准面的一个上升与下降旋回称为一个基准面旋回。基准面可以完全位于地表之上或在地表之下摆动。也可以穿越地表，从地表之上摆动到地表之下再返回到地表之上，这就是基准面穿越旋回（Baseleveltransitcycle）。一个基准面旋回是等时的。在一个基准面旋回变化过程中（可理解为时间域）保存下来的岩石为一个成因地层单元，即成因层序，其以时间面为界面，因而为一个时间地层单元。在基准面变化的时间域内，在地表的不同地理位置表现为四种地质作用状态：（1）沉积作用，（2）侵蚀作用，（3）沉积物路过时产生的非沉积作用，（4）沉积物非补偿（可容纳空间、沉积物供给量比值）产生的饥饿性沉积作用乃至非沉积作用。在地层记录中代表基准面旋回变化的时间—空间事件表现为岩石＋界面（间图1－1基准面、可容空间和反映可容空间与沉积物供给之间平衡时的地貌状态5断面）。因此，一个成因层序可以由基准面上升半旋回和基准面下降半旋回所形成的岩石组成，也可以由岩石＋界面组成。在沉积物质供给速度不变的情况下，可容空间与沉积物供给量比值（A/S值），决定了可容空间沉积物的堆积速度、保存程度及内部结构特征。基准面描述了可容空间的建立或消失，与沉积作用间的作用变化过程。可将基准面看成一个势能面，它反映了地球表面与力求其平衡的地表过程的不平衡程度。要达到平衡，地表要不断地通过沉积或侵蚀作用，改变其形态向靠近基准面的方向运动。1.2体积划分原理基准面旋回及其伴随的可容空间变化的动力学系统控制着地层的结构与沉积特征。为了进一步理解这一过程—响应关系，Cross（1994）提出了沉积物体积划分（Volumetricpartitioning）的概念。沉积物体积划分即指在一个成因地层单元内，沉积物可以被划分成不同的相域过程。它是基准面变化过程中，不同沉积环境内可容纳空间的四维（空间+时间）动力学变化的产物。1.3相分异原理伴随着可容纳空间的变化和沉积物的体积划分，保存在相同沉积环境中的相序、相组合、相类型和相的多样性，也有显著区别，统称为相分异（Faciesdifferentiation），因而也直接影响着储层的三维空间几何形态，岩性、岩相类型以及储层的连续性和非均质性。1.4旋回等时对比法则传统的成因地层沉积旋回分析，是通过沉积物质及特征在地层垂向上有规律地变化，进行沉积相序和沉积旋回分析。高分辨率层序地层学认为：地层的旋回性是基准面相对于地表位置的变化，产生的沉积作用、侵蚀作用、沉积物路过、饥饿性沉积或非沉积作用的地层响应。一个完整的基准面穿越旋回与其伴生的可容纳空间的增加与减小，在地层记录中由代表二分时间单元（每部分分别代表基准面上升与下降）的完整的地层旋回组成，有时仅由不对称的半旋回和代表侵蚀作用或非沉积作用的界面构成。通过能指示沉积物保存程度、堆积速度的相序、地层界面及相分异性，就可识别出地层旋回的对称程度、旋回加厚或变薄式样，以及在跨越成因地层边界位6置上相错位的幅度与方向，由此推断在时间上与基准面旋回同步的可容纳空间单向增加或减少的趋势。高分辨率地层对比是同时代地层与界面的对比，不是旋回幅度与岩石类型的对比。Cross认为，在成因层序的对比中，基准面旋回的转换点（turnroundpoint），即基准面由下降到上升或由上升到下降的转变位置，可作为时间地层对比的优选位置。即基准面旋回的二分时间单元的划分界线。转换点在地层记录中某些位置表现为地层不连续面。某些地理位置则表现为连续的岩石序列。岩石与界面出现的位置和比例，是可容纳空间和沉积物供给的函数。因而在对比中，要通过地层过程的分析掌握什么时候岩石与岩石对比、岩石与界面或面与面的对比。1.5煤层在层序中的位置及对比划分鄂尔多斯盆地石炭系－二叠系是重要的含煤地层。鄂尔多斯盆地晚古生代含煤地层的层序地层划分是近年的研究热点之一。为了精细地查明煤及共存、共生矿产资源，能源地质工作者运用层序地层学的研究方法与思路,进行了含煤地层的层序划分，特别是进行了高分辨率层序的划分，这对科学的评价和预测能源资源是十分重要的。煤层在划分层序中作用越来越被人们重视。但是，煤层的不同成因又使得煤层在层序中位置出现多样性。含煤地层中煤层对比和划分就成了地层沉积旋回研究的重要基础。煤层实际上是一种特殊的“事件”沉积，因为泥炭堆积需要特殊的气候和构造条件，只有当活动碎屑体系废弃、盆地沉积环境处于相对稳定时，才有利于植被生长；只有当盆地大面积泥炭沼泽化才可能形成大范围稳定发育的煤层。聚煤作用同不同级别的层序地层单元密切相关。一般来说，厚度大、分布广的煤层一般与三级海（湖）平面变化周期有关，形成于低位体系域与海侵体系域的转化期；厚度及分布范围相对较小的煤层，与四级、五级海（湖）平面变化有关。形成于准层序的界面上；次要煤层与幕式准层序有关。煤层的形成是一个特殊的沉积事件，它是划分层序地层的重要依据之一。煤炭的形成要求极其严格，受控于可容纳空间、沉积物供应、有机质堆积速率三个因素，而只有这三者平衡时候才能形成煤层。在可容纳空间产生速率正好等于有机质堆积速率，沉积物供应趋于零时，形成区域性分布的厚煤层。煤层的形成受短期旋回基准面升降的控制，煤层位于基准面下降晚期或基准面上升早7期。以往人们为了煤层对比的需要，而且认为煤层是盆地充填演化阶段末期盆地淤浅、活动碎屑体系基本废弃时期、盆地广大区域泥炭沼泽化形成的，因此往往把煤层放在一个沉积旋回的中间（水退—水进旋回划分法），或把煤层放在一个沉积旋回的上部（水进—水退旋回划分法），现在看来这种旋回的划分方法并不完全符合含煤地层层序划分的原则，因为一个煤层的形成是一个特殊的沉积事件，它可能是一个事件的结束，也可能是一个沉积事件的开始，但一般不可能是一个沉积事件的中间阶段的产物（李增学等，2006）。在研究区的山23亚段，通过研究区区域地层剖面对比；我们划分出了五个煤层，由底至顶分别为1＃、2＃…5＃。山23亚段下部和中部煤层（1＃、2＃）在研究区南部比较发育，山23亚段中上部煤层（3＃、4＃、5＃）分布相对较广泛（图2－2、图2－3），尤其是顶部5﹟煤层几乎覆盖全区（2－8图）。注意：本文的5＃煤层即长庆油田分公司研究院上古生界的5号煤层。在平面上，1－4＃煤层与河道的分布呈互补关系，在远离河道的泥炭沼泽区，煤层厚度大，灰分低，所夹矸石层少。向河道方向，煤层分叉变薄，灰分高，向碎屑岩过渡。研究区山23亚段，厚煤层的分布总体上呈向北退却的趋势，反映了山西组2段沉积时是：以湖平面阶段性上升时限较长、湖平面下降时限相对较短。深度(m)统组段GR0220SP-5060岩性剖面AC45010026202640266026802700石盒子组山2太原组山1山21山22山23图1－3榆44井山2段柱状图（发育2＃煤层、3＃煤层和5＃煤层）深度(m)统组段GR0250SP-6050岩性剖面RLLD12000AC600150262026402660268027002720石盒子组山2太原组山1山21山22山23图1－2榆43井山2段岩性柱状图（发育3＃和5号煤层）82山西组高分辨率层序地层划分与对比高分辨率层序地层对比是同时代