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        基于米蘭科維奇天文旋回恢復(fù)地層剝蝕厚度
        ——以松遼盆地X油田青山口組為例

        2018-05-08 12:23:52付憲弟張飛飛秦國(guó)英閆文雯
        石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì) 2018年2期
        關(guān)鍵詞:研究

        趙 軍,曹 強(qiáng),付憲弟,張飛飛,秦國(guó)英,閆文雯

        (1.中國(guó)石油 大慶油田有限責(zé)任公司 第十采油廠,黑龍江 大慶 166405;2.中國(guó)石油 大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,黑龍江 大慶 163618; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院,武漢 430074)

        地層剝蝕與區(qū)域性的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān),其分布受到盆地局部差異翹傾的控制,對(duì)油氣生成、運(yùn)移和聚集等產(chǎn)生重要的影響。同時(shí),地層剝蝕厚度是恢復(fù)原型盆地、重建盆地沉積—構(gòu)造演化史及模擬成藏過(guò)程研究的重要參數(shù)[1-2]。

        目前,恢復(fù)地層剝蝕厚度的方法主要有鏡質(zhì)體反射率法[3]、磷灰石裂變徑跡法[4-5]、流體包裹體法[6]、地質(zhì)分析對(duì)比法[6]、泥巖聲波時(shí)差法[7]和宇宙成因核素法[8]等。上述方法各有其適用范圍和特點(diǎn),除地質(zhì)分析對(duì)比法和泥巖聲波時(shí)差法外,其他方法成本較高,而地質(zhì)分析對(duì)比法需要研究人員具有較強(qiáng)的地質(zhì)認(rèn)識(shí)能力,泥巖聲波時(shí)差法受到模型和壓實(shí)規(guī)律等嚴(yán)格限制。近年來(lái),有學(xué)者提出基于米蘭科維奇旋回理論[9],運(yùn)用旋回地層分析方法恢復(fù)地層剝蝕厚度,但該方法在地層剝蝕厚度研究方面還沒(méi)有得到很好的應(yīng)用。本文選取遍布松遼盆地X油田全區(qū)的42口探井,基于測(cè)井曲線提取米蘭科維奇旋回信息,計(jì)算地層剝蝕厚度。

        1 研究概況

        地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的橢圓軌道形狀、黃赤交角(地球自轉(zhuǎn)軌道面與地球公轉(zhuǎn)軌道面的夾角)和地球自轉(zhuǎn)軸的周期性變化,分別用偏心率(e)、斜率(o)和歲差(p)來(lái)描述。天文軌道參數(shù)(偏心率、斜率和歲差)周期性變化驅(qū)動(dòng)地球表層氣候周期性波動(dòng),對(duì)氣候變化敏感的沉積物呈旋回性保留在沉積地層中[10],稱(chēng)為米蘭科維奇旋回(簡(jiǎn)稱(chēng)米氏旋回)。通過(guò)頻譜分析、小波變換等技術(shù)手段,可以識(shí)別出地層中的米氏旋回信息。LASKAR等[11]認(rèn)為米氏旋回用于定量計(jì)算可以追溯到距今250 Ma,研究層段松遼盆地X油田青山口組符合時(shí)限條件。旋回地層的研究常用替代指標(biāo)提取天文周期,其中自然伽馬(GR)、自然電位(SP)測(cè)井曲線最為常用[12],對(duì)砂泥巖反應(yīng)敏感,本次研究使用GR或SP測(cè)井曲線提取青山口組地層中的米氏旋回信息。基于米氏旋回理論,運(yùn)用頻譜分析、小波變換和濾波技術(shù),探索性地恢復(fù)研究區(qū)42口探井(直井且未鉆遇斷層)的青山口組(K2qn)剝蝕厚度,繪制X油田的地層剝蝕厚度平面分布圖,總結(jié)全區(qū)及4個(gè)三級(jí)構(gòu)造帶的地層剝蝕厚度分布特征,對(duì)青山口組沉積末期區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)差異性的深入認(rèn)識(shí)具有一定意義。

        圖1 松遼盆地X油田青山口組頂面埋深及構(gòu)造區(qū)劃據(jù)徐啟[13]等修改。

        圖2 松遼盆地白堊系地層綜合柱狀圖據(jù)張順等[14]、任延廣等[14]和吳懷春等[15]修改。

        X油田位于松遼盆地中央坳陷區(qū)東部朝陽(yáng)溝階地,呈NE-SW向展布(圖1)。東西向的剖面顯示,朝陽(yáng)溝階地西北陡、東南緩。X油田劃分為H背斜、M鼻狀構(gòu)造、J背斜和N鼻狀構(gòu)造等4個(gè)三級(jí)構(gòu)造帶[13]。青山口組地層沉積于晚白堊世初期,距今88.8~94 Ma,處于裂后熱沉降坳陷發(fā)育階段。由下至上,青山口組劃分為青一段、青二段和青三段。青一段泥巖發(fā)育,見(jiàn)油頁(yè)巖;青二、三段上部主要為紫紅、灰綠色泥巖,淺灰色粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖沉積??傮w上,青一段至青三段沉積末期,盆地經(jīng)歷了緩慢的構(gòu)造抬升,湖泊面積逐漸減小,相對(duì)湖平面逐漸降低,氣候由潮濕逐漸變得干燥,沉積層序呈現(xiàn)反旋回特征(圖2)。在青一段沉積時(shí)期,全區(qū)處于半深湖—深湖沉積環(huán)境;青三段沉積時(shí)期,研究區(qū)南部處于半深湖—深湖,而北部逐漸演變?yōu)闉I淺湖沉積環(huán)境。青山口組沉積末期,由于構(gòu)造隆升作用,盆地邊緣大部分區(qū)域處于剝蝕狀態(tài),與上覆姚家組呈平行不整合接觸,局部出現(xiàn)角度不整合接觸。青山口組在哈爾濱—綏化地區(qū)遭受強(qiáng)烈剝蝕[16],呼蘭隆起帶和長(zhǎng)春嶺背斜遭受局部剝蝕[17];而處于凹隆過(guò)渡帶的朝陽(yáng)溝階地,青山口組是否遭受剝蝕、剝蝕量多少的相關(guān)研究較少。過(guò)TX51井南北向的地震剖面顯示,6號(hào)斷層兩側(cè)地震同向軸數(shù)目不等(圖1)。本文通過(guò)提取地層的天文旋回信息,揭示研究區(qū)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征,為盆地的沉積—構(gòu)造歷史演化和油氣成藏過(guò)程提供參考。

        2 旋回地層分析

        2.1 數(shù)據(jù)與方法

        選取X油田鉆穿青山口組且未鉆遇斷層的42口直探井(表1)。優(yōu)先使用GR曲線,如無(wú)GR曲線,則用SP曲線代替?;诿资闲乩碚?,利用Redfit3.8軟件[18]對(duì)GR或SP曲線進(jìn)行頻譜分析,同時(shí)使用TORRENCE等[19]提供的小波工具包進(jìn)行小波變換,綜合識(shí)別米氏旋回。通過(guò)對(duì)米氏旋回周期進(jìn)行高斯帶通濾波,以提取地層中記錄的米氏周期個(gè)數(shù)。由于米氏旋回受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、沉積環(huán)境等因素的影響,旋回厚度呈現(xiàn)波動(dòng)變化,因此,頻譜分析結(jié)果顯示的旋回厚度是平均值。小波變換對(duì)準(zhǔn)周期時(shí)變信號(hào)的檢測(cè)效果非常好,能夠檢測(cè)出偏心率、斜率和歲差在沉積過(guò)程中的能量變化。

        2.2 處理結(jié)果與分析

        LASKAR等[11]計(jì)算了新生代和中生代天文周期。在地史中,偏心率周期基本保持在100 ka左右,而斜率周期與歲差周期逐漸增大,但三者比值接近5∶2∶1。據(jù)此,如果在地層中識(shí)別出旋回厚度比值與天文周期3個(gè)參數(shù)比值相近的3種旋回,則認(rèn)為X油田青山口組沉積時(shí)期受到天文周期的影響。

        以TX37井和TX50井為例。TX37井地震剖面反射軸橫向連續(xù)性較好,振幅能量較強(qiáng),為穩(wěn)定沉積環(huán)境。在TX37井青山口組頻譜分析(圖3)結(jié)果中,找到11.5,4.5,2.3 m3個(gè)天文旋回厚度的比值為5∶1.957∶1,比值接近5∶2∶1,分別對(duì)應(yīng)偏心率100 ka、斜率40 ka和歲差20 ka天文周期,且振幅譜曲線的相對(duì)振幅能量是偏心率>斜率>歲差,反映出青山口組沉積序列受到偏心率的影響最大,其次是斜率,影響最小的是歲差;小波變換驗(yàn)證了頻譜分析的結(jié)果。同樣,在TX50井青山口組頻譜分析的結(jié)果中找到了11.4,4.5,2.2 m3個(gè)天文旋回厚度(圖3),其比值為5.18∶2.05∶1,接近于5∶2∶1,小波變換揭示出100ka偏心率周期的能量最強(qiáng);其中100 ka偏心率周期對(duì)應(yīng)的旋回厚度,頻譜分析的結(jié)果11.4 m和濾波計(jì)算的結(jié)果11.76 m略有差異,但在允許的范圍內(nèi)。對(duì)研究區(qū)42口探井進(jìn)行頻譜分析和小波變換,均得到相同的結(jié)論。在青山口組沉積過(guò)程中,偏心率信息比較完整地保存在地層中,能量較強(qiáng);而斜率和歲差受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、氣候周期等的強(qiáng)烈干擾,其信息斷斷續(xù)續(xù)地被記錄下來(lái),能量較弱。因此,選擇信息連續(xù)、能量較強(qiáng)的100 ka偏心率周期計(jì)算地層剝蝕厚度。

        表1 松遼盆地X油田青山口組天文周期分析和剝蝕厚度計(jì)算

        圖3 松遼盆地X油田TX37井和TX50井青山口組旋回地層分析

        對(duì)研究區(qū)42口探井青山口組的100 ka偏心率周期進(jìn)行高斯帶通濾波,提取旋回地層信息。以TX14、TX6、TX50和TX37井為例,總體特點(diǎn)是在地層頂?shù)滋幍男匦畔⑤^明顯,而其間的信息能量較弱,反映出青山口組沉積開(kāi)始與結(jié)束時(shí),沉積環(huán)境發(fā)生明顯變化。沉積開(kāi)始時(shí)發(fā)生明顯的水進(jìn),沉積結(jié)束時(shí)發(fā)生明顯的水退,而其間出現(xiàn)多幕次級(jí)水進(jìn)—水退事件(圖2)。經(jīng)過(guò)濾波,TX14、TX6、TX50和TX37井分別檢測(cè)出40、42、43和39個(gè)100 ka偏心率周期(圖4)。在同一穩(wěn)定沉積區(qū)域內(nèi),地層記錄的100 ka偏心率周期個(gè)數(shù)應(yīng)相同,但研究區(qū)濾波結(jié)果顯示,42口探井記錄的100 ka偏心率周期的數(shù)量不盡相同(表1),介于35~43個(gè)之間,說(shuō)明存在地層缺失現(xiàn)象,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因極有可能是剝蝕作用。因此,利用地層記錄的100 ka偏心率周期個(gè)數(shù)的差異,可以用來(lái)恢復(fù)剝蝕厚度。

        3 地層剝蝕厚度

        3.1 計(jì)算方法及過(guò)程

        根據(jù)研究區(qū)42口探井青山口組100 ka偏心率周期的濾波結(jié)果,最大值為43,最小值為35,將記錄43個(gè)100 ka偏心率周期的地層定為完整的沉積序列(未遭受剝蝕),而低于此值的地層被認(rèn)定為遭受剝蝕,此剝蝕厚度為青山口組現(xiàn)今埋藏深度下的“最小視剝蝕厚度”。

        圖4 松遼盆地X油田青山口組濾波結(jié)果

        以TX37井為例,姚家組底深為732.5m,青山口組底深為1 184 m,研究層段共記錄39個(gè)100 ka偏心率周期,平均旋回厚度為(1 184-732.5)/39=11.58 m,與頻譜分析的結(jié)果近乎一致。由于缺失4個(gè)100 ka偏心率周期,因此缺失的地層厚度應(yīng)為(43-39)×11.58=46 m,即TX37井青山口組被剝蝕地層厚度為46 m。按照上述方法,對(duì)研究區(qū)42口探井青山口組的剝蝕厚度進(jìn)行計(jì)算并統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)。

        3.2 對(duì)比分析

        基于研究區(qū)目的層段現(xiàn)有的泥巖聲波時(shí)差資料,以TX44井計(jì)算結(jié)果為例進(jìn)行剝蝕厚度對(duì)比分析。TX44井青山口組頂深為429 m,底深為826 m,目的層段上部主要發(fā)育綠灰色和紫紅色泥巖,下部主要發(fā)育灰黑色、黑色泥巖和黑褐色油頁(yè)巖。

        旋回地層分析法顯示,TX44井青山口組共記錄36個(gè)100 ka偏心率周期,平均旋回厚度為11.03 m,因此,其青山口組“最小視剝蝕厚度”為(43-36)×11.03=77 m。

        本區(qū)青山口組埋深較淺,壓實(shí)規(guī)律保存較好,適合使用泥巖聲波時(shí)差法。選擇厚度超過(guò)2 m的泥巖段進(jìn)行讀值,讀值點(diǎn)盡可能地分布均勻,讀值時(shí)讀取1/2幅值處。由于姚家組與嫩江組整合接觸(圖5左),所以將其作為不整合面上的一個(gè)整體進(jìn)行讀值;由于青山口組上部埋深較淺且發(fā)育大段泥巖(圖5左),因此,將青山口組上部地層作為不整合面之下的部分進(jìn)行讀值。對(duì)不整合面上、下讀取的泥巖聲波時(shí)差取對(duì)數(shù),在散點(diǎn)圖上做回歸分析,恢復(fù)出TX44井青山口組地層的剝蝕厚度約為174 m(圖5右)。

        對(duì)比分析旋回地層分析法和泥巖聲波時(shí)差法,二者計(jì)算結(jié)果相差97 m。旋回地層分析法依據(jù)地層中記錄的100 ka偏心率周期計(jì)算剝蝕厚度,其精度主要取決于旋回信息的強(qiáng)弱、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的程度及沉積間斷是否存在等。而泥巖聲波時(shí)差法的準(zhǔn)確性受到泥巖埋深、讀值方式等地質(zhì)和非地質(zhì)因素的影響,得到的剝蝕厚度是個(gè)估計(jì)值。因此,綜合分析認(rèn)為旋回地層分析法恢復(fù)的剝蝕厚度可靠性較高,可以在研究區(qū)推廣應(yīng)用。

        3.3 剝蝕厚度分析

        基于研究區(qū)42口探井的計(jì)算結(jié)果,繪制X油田青山口組剝蝕厚度平面分布圖(圖6)。H背斜是剝蝕量高值區(qū),剝蝕厚度呈東北—西南條帶狀分布,剝蝕厚度在34~98 m之間,以60 m以上為主;其西南和東南局部地區(qū)的剝蝕厚度較小,在40 m左右。M鼻狀構(gòu)造是剝蝕量低值區(qū),剝蝕厚度有向南減弱的趨勢(shì),剝蝕量在20~50 m之間。J背斜東北部繼承了H背斜的剝蝕量高值區(qū),局部剝蝕厚度高達(dá)70 m;其西北方向、靠近三肇凹陷的地區(qū)出現(xiàn)剝蝕量低值區(qū),普遍低于20 m。N鼻狀構(gòu)造出現(xiàn)大面積的未剝蝕區(qū),主要位于西南部;其東南方向、靠近長(zhǎng)春嶺背斜帶的局部地區(qū)出現(xiàn)剝蝕區(qū)域,剝蝕厚度在40~60 m之間。

        圖5 松遼盆地X油田TX44井巖心柱狀圖(左)和泥巖聲波時(shí)差計(jì)算青山口組剝蝕厚度(右)

        圖6 松遼盆地X油田青山口組剝蝕厚度平面分布

        總體上,研究區(qū)地層剝蝕厚度呈現(xiàn)出東北高、西南低的特征,剝蝕厚度在0~98 m之間,未剝蝕區(qū)主要分布在西南部N鼻狀構(gòu)造,強(qiáng)烈剝蝕區(qū)主要分布在東北部H背斜。剝蝕厚度的分布特征與盆地的構(gòu)造相吻合。朝陽(yáng)溝階地東北部與東北隆起區(qū)的呼蘭隆起帶相接,東部與東南隆起區(qū)的長(zhǎng)春嶺背斜帶相接,反映出青山口組沉積末期的構(gòu)造隆升作用,對(duì)朝陽(yáng)溝階地產(chǎn)生了局部影響,其構(gòu)造擠壓應(yīng)力主要來(lái)自東北方向的呼蘭隆起帶,至朝陽(yáng)溝階地逐漸減弱;同時(shí)反映出當(dāng)時(shí)松遼盆地的沉積中心位于西南或西北方向。

        4 結(jié)論

        (1)松遼盆地X油田青山口組存在米氏旋回天文周期,可檢測(cè)出100 ka偏心率、40 ka斜率和20 ka歲差周期,其中以100 ka偏心率周期信號(hào)較強(qiáng)且連續(xù)?;诿资闲乩碚撚?jì)算剝蝕厚度表明,由東北向西南,剝蝕厚度逐漸減薄,直至出現(xiàn)大面積分布的未剝蝕區(qū),反映出來(lái)自東北方向構(gòu)造擠壓應(yīng)力逐漸減弱的過(guò)程。

        (2)青山口組沉積末期,在松遼盆地東部整體構(gòu)造隆升的背景下,高出基準(zhǔn)面的地層遭受剝蝕,同時(shí)由于區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的應(yīng)力存在著差異,導(dǎo)致地層剝蝕量分布不均勻。研究結(jié)果對(duì)朝陽(yáng)溝階地深部地層最大埋深、生烴潛力等指標(biāo)的評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)意見(jiàn),解決了盆地模擬中青山口組沉積時(shí)期的構(gòu)造演化問(wèn)題,為油氣成藏過(guò)程的定量研究提供了依據(jù)。

        (3)該方法可操作性較強(qiáng),不受地層定年的影響,不受剝蝕模型的限制,充分考慮到了先沉積后剝蝕、邊沉積邊剝蝕的沉積模式,適用范圍較廣,計(jì)算出的地層剝蝕厚度誤差較小。但該方法也存在不足之處,選取數(shù)據(jù)時(shí)需要排除斷層的影響,對(duì)無(wú)井、少井區(qū)域缺乏預(yù)測(cè)性的解釋。

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