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中国高分辨率层序地层学的研究现状18972301

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中国 高分辨率 地层学 研究 现状 18972301
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第16卷第3期 2005年6月 天然气地球科学 6 2005 天然气地质学 中国高分辨率层序地层学的研究现状 汪 彦 ,彭 军 ,游李伟 ,张庆堂 ,孙连昌。 (1.西南石油学院资源与环境学院,四川成都610500; 2.海洋石油开发公司,山东东营257237; 3.杜家店镇采油一矿1东滨州256600) 摘要:由科罗拉多矿业学院维露头、测井和高 分辨率地震反射剖面资料为基础,运用精细层序划分和对比技术将钻井的一维信息变为三维地层 关系,建立区域、油田乃至油藏级储层的成因地层对比格架,对储层、隔层及烃源岩分布进行评价及 预测的一种新理论。其基本理论包括基准面原理、体积划分原理、相分异原理与旋回等时对比法则。 2大地推动了国内高分辨率层 序地层学的发展。中国高分辨率层序地层学研究取得的丰硕成果主要表现在:理论上的创新、油气 勘探开发应用领域的拓宽和其他方面上的应用等。虽然高分辨率层序地层学仍有许多不足之处,但 在陆相层序地层学的研究中,与经典层序地层学相比,它摆脱了海平面变化是层序形成的主控因素 这一思想的束缚,从而可以实现对陆相高分辨率层序地层格架的构建,因此它是非常实用的一种新 理论。 关键词:高分辨率层序地层学;高精度层序地层学;高频层序地层学;油气勘探与开发;研究现状 中图分类号: 文献标识码:A 文章编号:1672—1926(2005)03—0352—07 0 前言 由科罗拉多矿业学院层序地层学是以岩芯、三维露头、测井和高分辨率 地震反射剖面资料为基础,运用精细层序划分和对 比技术将钻井的一维信息变为三维地层关系,建立 区域、油田乃至油藏级储层的成因地层对比格架,对 储层、隔层及烃源岩分布进行评价及预测的一种新 理论 ]。其基本理论包括基准面原理、体积划分原 理、相分异原理和旋回等时对比法则,其理论核心 是:在基准面变化过程中,由于可容纳空间和沉积物 供给量比值的变化,在相同的沉积体系域或相域中 发生沉积物的体积分配作用,导致沉积物的保存程 度、地层堆积样式、相序、相类型以及岩石结构和相 组合类型发生变化 ]。也就是说,是基准面变化控制 了层序地层的发育。国内最初是由邓宏文(1995)引 入该理论,随后受到了石油地质工作者的高度重视。 广大学者在不同的领域内,结合相关科研项目,发表 了一批很有价值的学术论文,有力地推动了高分辨 率层序地层学在国内的发展。但是由于高分辨率层 序地层学在国内研究时间较短,并且在引进初期对 “高分辨率”的含义理解不同,因此在理论及应用上 均存在着一定的混淆及偏差。基于此种情况,本文对 国内高分辨率层序地层学的研究现状和应用情况进 行了回顾与总结,并指出了高分辨率层序地层学存 在的不足之处。 1 对高分辨率层序地层学的不同认识 本文所讲的高分辨率层序地层学(由源于经典层序地层学的一门重要的分支学科。但 高分辨率层序地层学的概念最初是由H.w. 1989)在研究小型阿伯塔东坷里 三角洲时提出的,是指形成于“大水坑”边缘、在暴雨 季节发育的“高分辨率”经典层序地层学。因此国内 学者对“高分辨率层序地层”有了不同的理解,特别 收稿日期:2005 01—25;修回日期:2005—05—03. 基金项目:四川省重点学科建设项目(编号:助. 作者简介:汪彦(1976一),男,甘肃天水人,硕士,主要从事层序地层学研究.E—63.o.3 汪彦等:中国高分辨率层序地层学的研究现状 353 是在2些学者在引用“高分 辨率层序地层学”一词时存在着一定的混淆。目前国 内与“高分辨层序”有关的层序地层学主要有3大不 同的学派:即高频层序地层学、高精度层序地层学和 高分辨率层序地层学。 高频层序地层学(概念最初由991)提出。相当于(1990)和992)的四一五级甚至 六级旋回,周期为0..2 米兰柯维奇驱 动的气候变化和高频短周期海平面变化的综合产 物,属行星轨道参数(偏心率、偏度和岁差)不规则旋 回层序 ]。国内倡导这种提法的学者主要有覃建 雄 、魏魁生 等。最早的高频层序研究可以追溯 到对北美中大陆晚宾夕法尼亚世碳酸盐岩地层进行 旋回划分的研究,当时共划分了55个相当于四 六 级的高频旋回 ]。后来大量研究也证实了在碳酸盐 岩地层中普遍发育四一六级高频层序。认为:这种高频层序横向追踪范围最小仅数平方 公里,最大可达数百平方公里,具局部或区域性对比 意义,在特殊条件下可进行全球对比 l。 高精度层序地层学是由国内林畅松教授_7州、魏 魁生【g 所倡导的储层规模的层序地层学。其理论源 于j、“ 和 的研究成果,他们提出了“可容纳空间”、“相对海平 面变化”、“基准面变化”、“强制性海退”等重要概念, 不断提高层序和沉积体系域的划分精度,发展和完 善了层序地层学理论。林畅松认为相对于有限的钻 井和露头及地震剖面等资料为基础的低精度层序地 层分析而言,具有密集的钻井和露头、岩芯等资料、 生物地层、二维和三维地震资料控制的层序地层学 称为高精度的层序地层学 ’ 。因此利用岩芯、钻井 和露头资料,将作为地层格架的三级层序尽可能划 分成更小的四级、五级层序或体系域,并依此建立高 精度层序地层格架来进行地层对比,即可达到“高分 辨率”的目的。需要指出的是高精度层序地层学同样 是用翻译的。魏魁生则根据地震、钻井、古生物、同位素 等资料综合分析,借助于琼东南盆地与全球海平面 升降频率和变化趋势的相似性,共识别出了层序、57个体系域、54个以上准层序组,准层序;并将高精度层序地层学译为。 高分辨率层序地层学在国内的倡导人主要以邓 宏文、郑荣才等研究者为代表。其理论是由(1994)所提出的,它与以往的经典层序地层学,包 括上面提到的高频层序地层学、高精度层序地层学 有所不同。关于高分辨率层序地层学的理论知识已 有很多相关论文都做过详细的介绍,这里就不专门 一一罗列了。其主要的观点有一 引用、发展了 提出了“沉积物 体积分配”、“相分异”、“基准面旋回的转换点”和“二 分时间单元”等重要的概念;②高分辨率层序地层学 中的沉积旋回是取决于海平面变化、构造沉降、沉积 负荷、沉积通量和沉积地形等综合因素所制约的基 准面升降旋回;⑧其研究目的是在于建立高时间精 度的等时地层格架和地层框架内进行同级次地层之 间的对比 ]。国内学者认为:所谓“高分辨率”的实质 系指对不同层次的地层基准面旋回进行划分和对比 的高精度的时间分辨率,也即时间一地层单元即可 以用于油气田勘探阶段长时间尺度地层单元(如巨 旋回、超长期基准面旋回、长期基准面旋回)的划分 和等时对比,也可以用于油气田开发阶段短时间尺 度地层单元(如中期基准面旋回、短期基准面旋回、 超短期基准面旋回)的划分和等时对比n 。 综上所述,可以看出不同的学者对“高分辨率” 的含义各有不同的理解,或将其视为高分辨率地震 地层学的代名词;或将其等同为高频层序,认为在岩 性、测井或地震剖面中将层序尽可能地划分为最小 成因地层单元.即可达到“高分辨率”的目的。所以高 频层序地层学和高精度层序地层学只是借助于其它 密集的原始资料,将原来划分出的三级层序进一步 细分,但不论是所运用的术语,还是遵循的地层划分 原理,都是以经典层序地层学的理论知识为依据,仅 仅是从不同角度考虑了细化地层的划分级次.因此 二者仍然属于经典层序地层学范畴。而高分辨率层 序地层学是以地层基准面升降旋回为成因地层沉积 的主控因素。由于影响地层基准面变化的因素(海平 面变化、构造沉降、沉积负荷、沉积通量和沉积地形 等)在不同的沉积环境中是不同的,在同一基准面旋 回过程中的不同时期亦不同,因此造成了在不同地 区或不同相域的沉积物在相序和叠加样式上的差 异。因而从严格意义上讲,序地层学并不完全属于经典层序地层学,而应该 是经典层序地层学的延伸和提高。本文重点讨论的 就是此种意义的高分辨率层序地层学。 2 高分辨率层序地层学的研究现状 我国在254 天 然 气地球科学 高分辨率层序地层学的论文介绍给读者。虽然不 同学者有不同的理解和译法,但经过一段时间的理 论研究和应用实践后,基本上达成了共识。目前在文 献中所提到的高分辨率层序地层学一般均指由 。国内高分辨率层序地层学主要是在理论创新、油 气田勘探开发应用领域以及其他应用领域等方面均 取得了丰硕的成果。 2.1在理论上的创新和发展 经过国内众多学者的研究,高分辨率层序地层 学理论方面得到了进一步的完善和提高。邓宏文不 仅将高分辨率层序地层学原理首先引入国内_】 “j, 更重要的是还将其应用到油气田勘探开发的不同领 域n ”]。特别是以郑荣才、彭军为代表的研究者在 关于地层基准面(以下简称基准面)旋回的理论研究 方面所取得的进展尤为突出,主要体现在以下2个 方面: 2.1.1 陆相盆地基准面旋回级次划分的标准 回划分的分级性并没有明确加以界定,只是简单 地分为短期、中期和长期3类基准面旋回这种划 分方法极易导致人们在进行基准面旋回划分时,对 同一基准面旋回相对长短(地层的厚薄及年龄的新 老)理解的不同而导致划分的不一致和混乱,不利于 工作中的应用与对比。在这种情况下,郑荣才、彭军 等人通过对辽河断陷盆地、鄂尔多斯盆地、川地、百色走滑盆地地区的地层相继进行了 高分辨率层序地层学研究后.提出了具有不同成因 特征、发育规模和识别标志的6种成因界面类型;据 此将基准面旋回划分为巨旋回、超长周期、长周期、 中周期、短周期和超短周期六个级次;指出了这些旋 回界面的重要识别标志,以及不同级次的基准面旋 回的控制因素和基本特征这项研究成果进一步 细化了地层划分单元,达到了高时间精度地层划分 与对比的目的,更重要的是完善了高分辨率层序地 层学在旋回级次上的划分标准。在实际划分地层单 元时,特别是在油气田开发阶段,这种高频低级次的 中期、短期和超短期基准面旋回与油气田开发区块 中的砂组、小层砂体和单砂体具有很好的对应关系。 据此可以将地层不同级次的基准面旋回与砂体的划 分对应起来,对于在开发阶段正确划分与对比砂组、 小层砂体和单砂体有重要的指导意义[!。 。也有学 者赞同以990)层序划分框架为基 础的5级基准面旋回的分法,如王嗣敏(2004)_2 的 划分法。另外,也还有其它不同的划分方法,在此不 再一一介绍。 2.1.2 基准面旋回结构和叠加样式的沉积动力学 分析 由于高分辨率层序地层学是建立在基准面旋回 基础上的理论体系,因此识别高频低级次基准面旋 回与沉积动力学的关系,便成为了高精度的时间等 时地层对比和建立高分辨率时间一地层格架的关 键。基准面的升降变化引起了可容纳空间和沉积物 供给量的相对变化,从而导致了在不同时期内同一 地区相序上的差别、不同地区在同一时间域内相域 上的不同分布;以及在同一基准面旋回内可容纳空 间与沉积物供给量比值的变化使得地层的叠加样式 和保存程度(沉积或剥蚀)在不同地区也就有所不 同。因此识别出它们之间以及相关量之间的相互关 系是进一步认识沉积物保存程度和地层叠加样式的 关键,也是进一步理解不同级次基准面旋回之间的 叠置关系和相序变化规律的基础。基于此情况,以郑 荣才为首的研究组提出了基准面升降变化与沉积动 力学的关系郑荣才等以中期基准面旋回为例, 借助中期基准面旋回变化与沉积动力学之间的关 系,进一步划分了(超)短期旋回,描述了在中期基准 面旋回内(超)短期基准面旋回的不同叠加样式,并 建立了以中期基准面旋回为框架单元的短期旋回 (或超短期旋回)的理想叠加模式,即把中期基准面 旋回分为缓慢上升、加速上升、由上升转向下降、快 速下降和下降至最低点再折向上的不同演化阶段, (超)短期基准面旋回随之形成不同的沉积结构和叠 加样式。 2.2在油气田勘探开发中的应用 高分辨率层序地层学的主要目的是为了建立区 域性高时间精度的等时地层对比格架,进而对油田 乃至油藏级储层,特别是对储层、隔层及烃源岩分布 进行评价和预测。本文主要从以下几个方面进行归 纳总结: 2.2.1 在油气田勘探中的运用 由于油气田勘探的工作量大,成本高,并且缺少 系统详细的资料可供参考。各大油田在诸如地层划 分、定年和区域对比、地层格架中的生储盖组合特 征、有利储集砂体或砂层组的时空展布和追踪对比、 以及有利区块的选择和油气藏预测评价等方面,不 同程度上存在着难以正确区分地层等棘手的问题。 因此采用高分辨率层序地层学的观点来解决这些地 质问题,将会更有效地进行油气的开采。郑荣才 ] 汪彦等:中国高分辨率层序地层学的研究现状 355 利用高分辨率层序地层分析将鄂尔多斯盆地上古生 界划分为3个超长期、8个长期、19个中期基准面旋 回,建立了以长期旋回层序为年代地层框架,中期旋 回层序为等时地层对比单元的层序地层格架;并讨 论了高分辨率层序地层与天然气藏的关系。刘云 田统阿合组中识别出6个长期基准面旋回以及2O ~23个中期基准面旋回,认为长期基准面旋回是建 立高分辨率层序地层对比格架的基础和关键。赵俊 兴等 认为应用高分辨率层序地层学方法进行地 层对比能使对比的等时性更强、精度更高,进而可更 好地反映原始古地貌特征。 归纳前人在油气田勘探阶段高分辨率层序地层 学的研究成果,可以看出,低频高级次基准面旋回层 序可较好地应用于盆地勘探阶段地层组段的划分、 区域地层对比、盆地古地貌分析、中小比例尺等时岩 相古地理图的编制、生储盖组合分析、有利勘探目标 的优选和评价、进而确定有利的开发区块、预测评价 油气层等地质研究工作。 2.2.2在油气田开发中的应用 高分辨率层序地层学更有助于解决油气田开发 工作中面临的许多地质问题。目前国内大部分此方 面的文章多是关于油气田储层方面的研究。利用高 分辨率层序地层学评价储层,其研究工作已经能够 精细到目前油藏细分开发调整的最小单元(单砂体) 上、能够应用到储层流动单元层次性的分析中、以及 应用于油藏描述、油藏模拟的储层划分和预测中。 在油气田开发过程中,利用高分辨率层序地层 学原理划分不同级次的基准面旋回和所建立相应高 时间精度的层序地层格架,不仅可以满足高时间精 度的小层砂体和单砂体的等时追踪对比以及等时大 比例尺沉积微相图的编制,更重要的是可以进行储 集砂体时空展布规律的三维预测和定量评价,这为 进一步深层次的油田地质开发提供了可靠的地质模 型。在这方面,有些学者已经进行过深入的研 究Ⅲ2 。 。 ]( ,并提出了一套在油气田开发中利用基 准面旋回和可容纳空间与沉积物供给量比值的变化 对储层进行划分评价的理论依据,以及对储层物性、 非均质性和剩余油分布研究的科学方法。 由于基准面变化的旋回性与油气储层及储层流 动单元的层次性二者之间有着很好的对应关系。在 不同级次基准面旋回地层内,储层流动单元的发育 及其优劣与基准面升降过程中可容纳空间与沉积物 供给量的比值变化有着密切的关系,所以可利用高 频级次的基准面旋回的沉积机理和相对应的地层对 比,结合储层的沉积成岩作用以及现场生产动态数 据来划分流动单元。张尚锋等。。。]以泌阳凹陷双河油 田为例,应用高分辨率层序地层学对储层流动单元 层次性进行了定性的研究。吴胜和等 。钉在研究吐哈 盆地温吉桑一米登油田中侏罗统三间房组辫状河三 角洲储层时,认为应用高分辨率层序地层学所建立 的高分辨率时间地层单元格架为进一步研究储层流 动单元及渗流屏障的时空展布奠定了基础,并提出 了一套研究流动单元的新思路。 还有许多学者在油藏描述、油藏数值模拟 。 中 尝试着应用了高分辨率层序地层学原理,也取得了 显著的成果。其中,申本科等 胡认为油藏描述技术 未来的发展方向是:进一步发展及应用高分辨率层 序地层学,应用井间地震技术和四维地震技术监测 油藏开采动态等。曹树春 。 认为应用高分辨率层序 地层学、结构单元及流动单元分析的三位一体理论 是储层油藏精细描述的新思路。 综上所述,高分辨率层序地层学在油气田开发 阶段的地质研究和应用方面,高频级次的基准面旋 回层序可较好地应用于开发区块的油层或砂组单元 划分、小层砂体或单砂体的等时追踪与对比、高精度 大比例尺等时岩相古地理图的编制、砂体时空展布 规律、几何形态、连通性、非均质性及剩余油分布的 研究;并指明了碎屑岩油藏剩余油研究的思路。 2.3在煤层研究方面的应用 高分辨率层序地层学着眼于沉积矿产 -,因而 含煤层系同样可以应用高分辨率层序地层学进行相 应的地层对比研究。但因含煤层序的结构具有特殊 性和多样性,所以含煤地层的高分辨率层序地层分 析必须紧密结合聚煤盆地充填沉积的特点和盆地的 类型;特别是含煤地层中的高分辨率事件界面的识 别与对比对确定高分辨率层序地层格架具有重要的 指示意义。 国内有许多学者已经在这方面进行了很有价值 的研究。如杜振川等[38,39]运用高分辨率层序地层学 的原理对百色盆地早第三纪和河北石炭一二叠纪的 含煤岩系研究后,认为内陆表海盆地成煤演化及其 沉积作用与基准面变化密切相关,聚煤作用的发育 同样要受到基准面变化的严格控制,形成旋回结构 十分清晰的含煤层序,其层序特征同样取决于可容 ①彭军.高分辨率层序地层学在油气勘探开发中的应用研究.内 部资料,2002. 356 天 然 气地球科 学 6 纳空间的多少及新增可容纳空间的变化速度。一般 来说,盆地沉积体受构造沉降、气候和物源供应等多 因素的综合影响,导致了沉积基准面的升降变化,因 而控制了盆地的充填沉积层序,因此盆内基准面旋 回和变化的分析就为聚煤规律研究提供了基本的概 念模型。大面积分布的厚煤层,必须有基准面的不断 抬升、持续存在的可容纳空间作保证,才能形成。而 李增学等[4o,41 利用高分辨率层序地层学理论研究 了淮南煤田二叠系后也得出相类似的观点,并提出 了聚煤盆地高分辨率层序地层界面识别、层序级次 划分的基本原则。由于含煤盆地的地质背景和类型 具有多样性,因此,高分辨层序地层分析必须结合聚 煤盆地的特点。比如陆相聚煤盆地的层序划分不同 于陆表海盆地、坳陷型盆地,与断陷型盆地又有所不 同。另外,含煤盆地的高分辨率层序地层研究中,对 煤层本身的详细分析也是非常重要的,因为泥炭堆 积与海(或湖)平面变化具有密切关系,对煤层体本 身的研究可以获得更多的有关水平面变化的信息。 2。4在其它方面的应用 目前国内学者一方面将高分辨率层序地层学的 原理大量地运用到沉积地层的划分对比等的研究中 去,另一方面也必然要借助于新技术、新方法进一步 提高高分辨率层序地层学的应用价值,同时拓宽其 应用领域。 许多学者利用新技术、新方法来处理高分辨率 层序地层学中的相关问题。如赵俊青等[4 利用地球 化学(粘土矿物、微量元素)分析技术来识别高分辨 率层序界面;吴义杰等 利用测井资料的砂泥比计 算值和地震资料的分析结果,提出了一种综合识别 基准面旋回并进行高分辨率层序地层自动划分的方 法;郑小武等 ]采用测井资料定量描述了河流一三 角洲沉积体系的自动划分了高 分辨率地层层序,利用这一技术可极大地提高高分 辨率层序地层划分的效率和精度;唐为清等[45 利用 利用二维叠前深度偏移技术进行连片处理和 成像建模,为高时间精度的地层划分对比提供了批 量数据处理的应用技术软件;雷雪等 ” 在进行J 维地震资料反演时,结合高分辨率层序地层学原 理和研究方法,借助于计算机手段获得了地质意义 上的最优解;石万忠等[4 8]利用高分辨率层序地层学 原理和时一频分析准确地预测了层序地层格架中的 生储盖组合,并且还用在砂体性质的识别上。另外, 许广明等 结合测井和地震资料建立了油藏储层 的高分辨率层序地层格架;吴胜和等[4 。。以新疆吐 哈盆地温米油田为例,探讨了应用测井约束地震反 演资料进行高分辨率时间地层单元追踪对比的思路 和方法。 从上面众多学者的研究成果中不难看出高分辨 率层序地层学不仅仅用于提高地层划分对比的精度 和正确性,而更重要的是用于油气田开发中后期阶 段的小层砂体时空展布、储层物性和非均质性、剩余 油分布、油藏数值模拟、流动单元划分、注采工艺调 整、储量计算等开发地质研究工作中。 3 结语 高分辨率层序地层学理论的提出不仅有可能将 地层定量研究的精度在时限上提高到万年至千年 级,甚至更精确,而且由体积分配和相分异原理所决 定的地层空间展布也变得可以更好地预测,这为地 层的精细对比和砂体分布的精确预测提供了强有力 的分析工具。该理论的重要贡献还在于,它摆脱了经 典层序地层学关于海平面变化控制层序形成这一思 想对陆相层序地层研究的束缚,从而可以对基准面 的分析实现高分辨率陆相层序地层格架的构建研 究。但是高分辩率层序地层学在以下几个方面,还明 显存在着不足:①目前主要应用于陆相的碎屑岩地 区,而在碳酸盐岩地层中的应用还在进一步研究之 中;②高分辨率层序地层学中基准面旋回划分时,自 旋回或异旋回的识别非常重要,异旋回是基准面变 化的响应,而自旋回本身与基准面无关,因此该理论 也就无法很好地解释自旋回的沉积过程,如非周期 的风暴沉积、浊流沉积以及冲积环境的河流改道等。 ⑧对于基准面旋回级次的划分和识别上还存在着一 定的异议。④国内在陆相地区的研究中取得了丰硕 的成果,而对海相方面的研究还很少。 参考文献: [1]邓宏文,美国层序地层研究中的新学派:高分辨率层序地层学 [J].石油与天然气地质.1995.16(2):89—97. 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