鄂尔多斯盆地富黄探区三叠系延长组高分辨率层序地层格架与古地貌恢复

2019-03-02张金功尹锦涛

西北大学学报（自然科学版） 2019年1期

吴颖，张金功，尹锦涛，孙磊

(1.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安 710065；2.西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069；3.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710018；4.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西西安 710018)

鄂尔多斯盆地作为大型拗陷型盆地，地质构造十分平缓。目前的勘探成果表明，其油气富集带主要受岩相控制。延长组发育多物源体系，各级次基准面旋回内砂体分布具纵向非对称叠加、平面上犬齿交互的复杂分布格局[1-8]。富黄探区位于鄂尔多斯盆地东南部近湖盆中心的位置，其油气分布受岩相的控制更为明显。开展层序地层学研究，建立层序等时地层格架，并在等时地层格架下研究沉积相和沉积微相的构成，探索其演化与分布规律，进一步厘清生、储、盖的配置关系，是富黄探区延长组油气勘探面临的一个重大问题。高分辨率层序地层学理论技术对拗陷型湖盆河-湖相沉积的研究更具优势，其在盆地的构造、沉积、成藏等地质研究方面已取得了很大的进展[9-19]。本文在借鉴前人研究成果的基础上，以鄂尔多斯盆地南部的富县、黄陵县为研究区，通过野外露头剖面、钻井剖面、岩心资料、地震资料的分析，确定盆地延长组层序界面的综合判识标志，建立层序地层格架；在此基础上，恢复主要层序沉积前的古地貌，为进一步开展沉积相和储层分布研究奠定基础。

1 层序界面识别

鄂尔多斯盆地延长组的层序界面主要包括3种类型：不整合面、沉积作用转换面和最大湖泛面。结合野外露头剖面、钻井剖面、岩心资料、地震资料的分析，参考他人的研究成果[19-23]，确定了富黄探区延长组下部组合层序界面的综合判识标志(见表1)。根据识别标志，在延长组识别出6个较大规模的层序界面(自下而上分别命名为SB1，SB2，SB3，SB4，SB5，SB6)和5个较大规模的洪泛面(自下而上命名为F1，F2，F3，F4，F5)，其中SB1和SB6为区域性不整合面，SB2，SB3，SB4，SB5为较大规模的沉积作用转换面，即基准面下降到上升的转换面(见图1)。

1)SB1界面。SB1界面是中三叠统纸坊组与上三叠统延长组的分界面，为区域性不整合面，可全区对比[19，24-26]。在盆地内的钻/测井剖面上，纸坊组顶部多为灰绿色泥岩，长10为浅灰色块状砂岩，二者之间呈突变接触；自然电位曲线和自然伽玛曲线均呈突变的台阶状；自界面向上，沉积物粒度由粗变细，砂岩厚度逐渐减薄，泥质夹层增多，厚度变大，反映出基准面上升的沉积特点(见图1)。野外地质露头剖面上，纸坊组顶部为灰绿色厚层块状砂岩，岩性为岩屑砂岩；长10为浅灰色块状砂岩，岩性主要为岩屑长石砂岩；二者之间呈微角度不整合接触关系。二维地震剖面上，界面之下见削截现象(见图3)，界面之上见双向下超反射。

2)SB2界面。SB2界面大致相当于传统分层长10与长9的分界面或其附近的某界面，界面性质为沉积作用转换面。野外地质露头剖面上，界面之下为进积叠加样式的砂岩，界面之上为透镜状砂岩；钻/测井剖面上，该界面位于进积叠加样式到退积叠加样式基准面旋回的转换位置，反映了可容纳空间变小再变大的沉积动力学过程；地震剖面上特征不明显，界面之上可见不明显的双向下超现象(见图1，3)。

3)SB3界面。SB3界面大致相当于长8油层组内部的一个界面，界面性质为沉积作用转换面，露头剖面和钻/测井剖面特征与SB2界面相似，为进积与退积作用的转换面，或为一厚层河道的底部界面(见图1，2)。地震剖面上，界面之上可见上超反射特征(见图3)。

图1 富黄探区延长组层序界面层序划分及界面特征(驿探15井)Fig.1 Division and characteristics of sequences boundary of Yanchang formation in Fuhuang exploratory area

图2 野外露头剖面上的层序界面特征及层序内部旋回叠加样式Fig.2 Sequence boundaries of the outcrop and the superimposition pattern in the sequences

4)SB4界面大致相当于长61的底界面，界面性质为沉积作用转换面。钻/测井剖面特征与SB2界面相似，为一典型的进积序列的顶部界面，或为进积序列顶部较厚层河道砂岩的底部界面，或呈进积与退积叠加样式的转换面(见图1)。地震剖面上，界面之下可见较明显的前积反射结构的顶超面，界面之上见较明显的上超反射特征(见图3)。

表1 富黄探区延长组层序界面综合判识标志一览表Tab.1 Comprehensive identification list of the sequence boundary of Yanchang formation in Fuhuang exploratory area

5)SB5界面。SB5界面大致相当于长3油组中部的一个界面,界面性质为沉积作用转换面。钻/测井剖面为一典型的进积序列与退积序列的转换界面,或为较厚层河道砂岩的底部界面(见图1)。地震剖面上,界面之上见双向下超的反射特征(见图3)。

6)SB6界面。SB6界面为延长组与延安组之间的界面,界面性质为区域不整合面。露头剖面上表现为凹凸不平的河道下切面特征(见图2)。钻测井曲线上或为进积序列顶部较厚层河道砂岩的底界面,或为较厚层砂岩的底部界面,界面之上呈明显的退积叠加样式(见图1)。地震剖面上,界面之下削截特征明显,界面之上见双向下超的反射特征(见图3)。

7)洪泛面。5个洪泛面(F1，F2，F3，F4，F5)均为较大规模的洪泛面,其特征如表2所示。

2 层序划分及高精度层序地层格架建立

Tim Cross提出的以基准面为参照面的高分辨率层序地层学，将层序地层学与沉积学理论、分析方法紧密结合了起来,对高分辨率层序地层格架的建立具有适用性和可操作性:①基准面是控制地层形成的不同地质过程的综合反映,不需要以海平面为参照面,因此可以同时运用于海相盆地和陆相盆地;②该项技术将层序地层学与沉积学相结合,以相互标定的岩心、测井与高分辨率地震资料为基础，依据可容纳空间和A/S比值的变化趋势识别基准面旋回界面,因而各级次、不同性质的基准面旋回均具有可识别性;③在缺乏不整合发育的地层中,根据沉积作用的转换即可识别基准面旋回界面,因此可以进行高分辨率层序地层划分;④运用伴随基准面旋回变化过程中可容纳空间的变化导致的沉积物体系体积分配原理指导的地层对比,避免了不同沉积环境地层对比的穿时性;⑤基准面旋回内部,相域构成的二分特征在不同的沉积环境,不同级次的层序中均客观存在,而且易识别,可以作为基本作图单元。

本研究在层序界面识别的基础上,开展了单井层序地层的划分与对比,并确定了研究区的层序地层划分方案(见图4)。

延长组为一个二级层序,以张家滩页岩为最大洪泛面;依据上述识别的6个层序界面及洪泛面,将延长组划分为5个长期旋回。在长期旋回内部,根据次级的洪泛面及转换面特征,进一步识别出14个中期旋回,并建立了中期旋回与砂组之间的对应关系。层序及砂组的命名及其对应关系如图4所示。同时，以此方案为基础,开展了单井层序的划分与对比、地层格架的对比分析。

表2 富黄探区延长组洪泛面沉积特征Tab.2 The deposition characteristics of the flooding surfaces of Yanchang formationin Fuhuang exploratory area

在单井层序划分的基础上,以基准面下降与上升的转换面作为层序界面,以基准面上升与下降的转换面作为洪泛面,选择地层发育相对齐全的骨干井,建立了研究区的三级层序(长期旋回)地层对比格架。以格架内的中期旋回划分为基础,开展中期旋回地层单元的对比,建立以中期旋回作为对比单元的高分辨率层序地层格架(见图4)。对比过程中采用的主标志层有长7底部的黑色泥岩、页岩、炭质泥岩、凝灰质泥岩，电性上表现为高阻、高伽玛特征;长1及其底部的黑色泥岩、页岩、炭质泥岩、含凝灰质泥岩,电性上表现为高时差、高伽玛、自然电位偏正等特点;长9顶部的李家畔页岩,在盆地南部表现为高阻段,而在盆地的东北部、中部、东部常表现为低阻段。另外,辅以辅助标志层,如T3y1砂岩发育,岩性较粗,含浊沸石,呈肉红色,胶结疏松,电性上特征明显,电位负异常,幅度大,伽玛曲线呈块状低值,声速曲线表现为高声速;再如长4+5段,因为长2，长3，长6砂岩比较发育,而长4+5在盆地的中、南部地区砂岩不太发育,因而在电性上与长2，长3，长6形成鲜明对比(长4+5状如细脖子,通称细脖子段)。

LSC3旋回大致相当于长7+长8上部+长6下部的地层,整体厚度大。以发育下降半旋回为主,上升半旋回厚度较小。岩性下部以深灰色泥岩、油页岩夹砂岩为主,向上变为砂泥互层或厚层砂岩夹灰色泥岩,呈明显的进积特点。其内部可进一步划分为5个中期旋回,其中下部的中期旋回对称性较好,或上升半旋回较发育;而上部的旋回多呈下降半旋回较发育的非对称旋回。LSC3旋回上升期,研究区地层的发育特征为东北、西南厚,西北、东南薄的特点。LSC3旋回下降期,地层发育厚度整体较大,且表现为中部厚度大,东南厚度小的特点(见图5)。

LSC4旋回大致相当于长4+5及长6上部和长3底部的地层,部分井相当于长4+5中下部及长6上部地层。整体以发育对称旋回为主,部分井为下降半旋回为主的非对称旋回。岩性以灰色泥岩和砂岩互层为特征。其内部可进一步划分为3个中期旋回,旋回对称性较好,或下降半旋回较发育。LSC4旋回上升期,研究区地层发育呈现中北部、南部地层厚度大,中南部、西部地层厚度较薄的特点。LSC4旋回下降期,西南部和东南部厚度较小,东北部最厚(见图5)。

LSC5旋回大致相当于长3～长1油层组或长3中上部～长1的地层,南部地区该层序上部的旋回发育不完全或缺失；层序结构不对称性明显,整体以发育下降半旋回为主。内部可进一步划分为3个中期旋回,整体对称性较好。LSC5旋回上升期,地层厚度整体表现为东北和西部厚,东南和中部薄的特点。LSC5旋回下降期,地层整体厚度较大,一般为160～220 m(见图5)。

通过上述分析可知，研究区层序结构的对称性随湖盆的演化具有明显的规律性,LSC1，LSC2发育在湖盆的扩张期,以发育上升半旋回的非对称结构为主;LSC3下部为湖盆的鼎盛期,上部为湖盆的收缩期,大规模三角洲进积发育,呈典型的下降半旋回发育的非对称旋回为主;LSC4位于湖盆的稳定收缩期,以发育对称旋回为主;LSC5发育在平缓湖盆消失期,主要以发育下降半旋回为主(见图5)。

图4 富黄探区延长组层序地层划分方案Fig.4 The sequence delimiting of Yanchang formation in Fuhuang exploratory area

由延长组各层序的地层分布特征可以看出,其地层分布明显受东北、西南两个方向物源的影响,表现为主要物源区范围的地层厚度大,其他区域的地层厚度相对较小。

3 主要层序古地貌恢复

古地貌恢复研究目前大都停留在定性阶段,一些定量化手段有待进一步开发;同时,定量化研究应考虑不同岩性的压实率差异,使用沉积原始厚度,所得到的计算结果精度则更高[27-31]。本研究采用构造和沉积相结合的研究方法,恢复研究区的古地貌,应用的主要技术包括:①压实恢复技术。分层系、分岩性建立压实方程,利用拟三维盆地模拟,进行压实、差异压实恢复,该部分主要依托Basin Mod 2D软件完成。②平衡剖面恢复技术。利用Geosec软件,加载沉积微相、等时面、古水深等,进行差异压实恢复和古构造恢复。③运用沉积学分析法进行古地貌恢复，根据沉积相、古生物特征分析等进行古水深校正。具体的古地貌恢复研究流程如图6所示。

由于研究区中生代构造稳定,并未出现大的构造活动,地势平坦,这种背景为研究区古地貌的恢复提供了有利条件。本研究主要利用上三叠统延长组各层系地层等厚图、砂岩等厚图、沉积相图等基本图件、数据,同时结合研究区延长组沉积期古流向分析、构造背景分析等,开展压实恢复,恢复原始沉积地层的厚度。该过程主要由盆地模拟软件来实现。各层系地层等厚图、砂岩等厚图依据钻井、测井数据统计结果编制而成,沉积相图主要依据前人研究和本研究实施过程中取得的成果。古水深数据主要依据研究区的沉积相图数据,参考前人相关的研究成果来确定：河流三角洲平原古水深取1 m,三角洲前缘取2～10 m,浅湖水深取3～20 m,半深湖—深湖水深取20～50 m。

图5 芦43—富西94—上资1316井层序地层对比剖面Fig.5 Comparison of the sequence stratigraphic profile of Yanchang formation(Lu43-FX94-SZ1316)

图7为LSC1～LSC5旋回的各个时期的地层厚度图。由图7可以看出,LSC1旋回上升期,研究区地层发育特征为东北部、西部厚,中部、东南部薄。具体讲,地层厚度以东北部最厚,一般为150～200 m,最厚可超过220 m;其次为西部和西南部,一般厚度为120～150 m。中北部厚度一般为100 m左右。厚度最小区域在东南部,厚度一般在70～100 m。LSC1旋回下降期,研究区地层发育特征具有整体厚度薄,东北、西南、中部厚,西北、东南薄的特点。具体讲,地层总体厚度一般为30～40 m,最厚不超过50 m;东北部、西南部、中部地层一般厚30～45 m;西北、东南部地层厚度一般为20～30 m。LSC2旋回上升期,研究区地层发育呈现为西南部、中部和东北部厚,西北部和东部薄的特点。具体讲,西南部地层厚度最大,一般为120～150 m,最厚可达180 m;其次为中部,一般厚度为110～140 m;中北部厚度一般为100～130 m。西北部和东部厚度小,一般在80～100 m。

图6 古地貌恢复研究思路流程图Fig.6 Flow diagram of paleo-geomorphologic reconstruction

图7 各旋回地层厚度图Fig.7 The thickness of stratigraphic cycle

100 m。LSC2旋回下降期,地层发育具有整体厚度薄,中部厚,西北、东部薄的特点。具体讲,地层总体厚度一般为30～40 m,最厚约50 m;中部厚度较大,一般为40～50 m;西北部和东部厚度薄,一般厚25～35 m。LSC3旋回上升期,研究区地层发育特征为东北、西南厚,西北、东南薄的特点。具体讲,地层厚度最大区域在西南部,一般厚100～120 m,最厚达130 m;东北部厚度多为100～120 m;中部地区多为90～100 m;东南部为70～90 m。西北部厚度最小,多在60～80 m。LSC3旋回下降期,地层发育整体较大,且表现为中部厚度大,东南厚度小的特点。具体讲,地层总体厚度一般为180～220 m,最厚可达250 m。中部厚度较大,一般为200～230 m;东南部厚度小,一般厚130～150 m;西南部、西北部一般厚190～220 m,东北部厚180～210 m。LSC4旋回上升期,研究区地层发育呈现中北部、南部地层厚度大,中南部、西部地层厚度较薄的特点。具体讲,中北部地层厚度最大,一般为90～110 m,最厚可达120 m;其次为南部,一般厚度为80～100 m;中南部、西部厚度较小,一般为70～90 m。LSC4旋回下降期,除西南部和东南部厚度较小外,其他地区地层厚度一般为100～130 m,东北部最厚超过160 m。西南部和东南部为70～100 m。LSC5旋回上升期,地层厚度整体表现为东北、西部厚,东南、中部薄的特点。中北部地层厚度一般为120～200 m,最厚可达220 m;西部及西南部一般厚度为110～150 m;中部厚度多在90～110 m;东南部厚度最小,为70～110 m。LSC5旋回下降期,地层整体厚度较大,一般为160～220 m,最厚可达250 m。整体上中部厚度大,一般为180～220 m;南部厚度小,主要为100～180 m,最小为80 m。这可能与南部地层后期遭受抬升剥蚀有关。由延长组各层序的地层分布特征可以看出,其地层分布明显受东北、西南两个方向物源的影响,表现为主要物源区范围的地层厚度大,其他区域的地层厚度相对小。

泥岩的压实恢复计算过程中,首先需识别出各时期沉积地层中的正常压实段和欠压实段,利用分段函数进行计算：

ψ=ψ0×e-CD(D

ψ=ψ0+ψ1×D+ψ2×D2+…(D

式中:ψ为孔隙度;ψ0为深度为0时的孔隙度；C为正常压实段曲线斜率；D为深度,m；Du为欠压实段起始深度,m;ψ1,ψ2,…为欠压实段的孔隙度与深度关系的拟合系数。

砂岩的压实曲线方程利用Falvey等人提出的压实曲线方程[32]进行计算:

式中:K为经验常数。

在此基数之上,结合陈恭洋等人(1996)提出的地层厚度及剥蚀厚度计算方法[33],并依据地层厚度图,在高精度层序地层学研究的基础上,按照图6的恢复方法对富黄探区延长组几个重点层系沉积前的古地貌进行了恢复(见图8)。从图8可以看出,研究区古地貌在湖盆演化的不同时期具有不同的特点：早期(长9，长8沉积期)东北、西南高,中部低,分割性强;中期(长7沉积期)整体凹陷,差异小;晚期(长4+5和长2沉积期)东北高,西南低。

注：等值线数据为相对厚度值，取长10油组厚度为0 图8 富黄探区延长组沉积古地貌图Fig.8 Sedimentary palaeogeomorphology of Yanchang formation in Fuhuang exploratory area

地层恢复的结果与LSC1～LSC5各旋回的地层厚度图所反映的物源区具有一致性。古地貌恢复的结果有利于对研究区沉积相的研究。图9为过研究区中部北西—南东向近似垂直物源方向的一条剖面。由图9可以看出，研究区从整体上讲，下部为三角洲前缘，中部为半深湖—浊积扇，上部为三角洲前缘，顶部为三角平原。由于近似垂直物源方向，沉积相，尤其是分流河道和浊积扇的透镜状分布特征比较明显。各个时期的沉积特征在研究区各个时期的古地貌恢复的结果中均有反映。例如LSC3旋回上升期，古地貌恢复结果显示研究区整体为凹陷，差异较小，主要为深湖到半深湖沉积，在剖面对比图上同样反映出研究区LSC3旋回上升期主要以泥岩沉积为主，夹少量薄层砂岩；LSC5旋回下降期，地层整体厚度较大，但南部厚度小，主要为100～180 m，最小为80 m，这一点在古地貌恢复的结果(见图8d)中具有类似的显示，这可能与南部地层后期遭受抬升剥蚀有关。结合岩心、古地貌以及单井分析可知，该类砂体主要为浊积砂体，砂体多以薄层透镜状分布，横向延续性较差。由此可见，古地貌恢复对于沉积相、剖面相以及单井相研究具有一定的指导意义。