王騰飛，金振奎，田甜，史書婷，李碩，郭芪恒

1. 昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明650093;2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京102249;3. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第十采油廠，甘肅慶陽(yáng)745100

0 引言

地層剝蝕與構(gòu)造活動(dòng)密切相關(guān)，在沉積盆地發(fā)育的每一個(gè)階段的末期，一般都會(huì)發(fā)生一定的構(gòu)造抬升，從而發(fā)生剝蝕作用[1-2]。剝蝕量恢復(fù)是盆地沉降史分析中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，多位學(xué)者在其盆地分析的相關(guān)著作中均有論述[3-4]。剝蝕量分析有多種方法，包括聲波時(shí)差法[5-6]、鏡質(zhì)體反射率法[7-8]、包裹體測(cè)溫法[9-11]、磷灰石裂變徑跡法[12-13]、波動(dòng)分析法[14-16]、鄰層厚度比值法[17-18]、趨勢(shì)延伸法[19]、古地溫梯度法[20-21]和天然氣平衡濃度法[22]等。每種方法均有一定的局限性，例如天然氣平衡濃度法，其結(jié)果依賴于生氣量的計(jì)算。

其中，聲波時(shí)差法的基礎(chǔ)資料獲取相對(duì)迅速，操作步驟簡(jiǎn)單易行[23]。若獲得研究區(qū)某些井的聲波時(shí)差測(cè)井資料，可以用極低的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本，完成每個(gè)層位的剝蝕量恢復(fù)。但筆者充分查閱相關(guān)論著時(shí)，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)學(xué)者將重點(diǎn)放在了理論基礎(chǔ)的論述上，卻在操作方法上并未投入特別關(guān)注，缺少關(guān)鍵步驟的詳細(xì)論述，例如剝蝕點(diǎn)的識(shí)別，可能會(huì)使多數(shù)讀者雖然已經(jīng)了解相關(guān)原理，仍無(wú)法獨(dú)立地通過(guò)聲波時(shí)差法恢復(fù)剝蝕量。

筆者將聲波時(shí)差法的相關(guān)原理簡(jiǎn)要說(shuō)明，而后以哈薩克斯坦南圖爾蓋盆地某區(qū)塊的一口鉆井為例，詳細(xì)論述實(shí)際操作步驟。使讀者能夠依據(jù)本文利用聲波時(shí)差資料獨(dú)立計(jì)算地層的剝蝕量和沉降量。

1 原理概述

1.1 方法提出

聲波時(shí)差方法由Magara于1976年提出并應(yīng)用于西加拿大盆地[5]。最早是應(yīng)用于泥質(zhì)巖石地層。其前提是假設(shè)泥質(zhì)巖石壓實(shí)過(guò)程不可逆，且不受時(shí)間影響。當(dāng)不整合面以上的沉積物厚度小于剝蝕厚度時(shí)，將該不整合面以下的泥巖的壓實(shí)趨勢(shì)上延至古地表，取古地表與不整合面之間的距離即為剝蝕厚度(圖1)。

a.為無(wú)剝蝕狀態(tài)；b.為存在剝蝕的狀態(tài)。圖1 泥巖聲波時(shí)差與深度關(guān)系圖解[5]Fig.1 Relationship between mudstone transit time and depth

1.2 適用條件

不整合以上的沉積物厚度必須小于實(shí)際剝蝕厚度，這一原則在付曉飛等2004年的論著中已有詳細(xì)解釋[6]，這里不再贅述。

1.3 原理概述

1.3.1 剝蝕量恢復(fù)

聲波時(shí)差資料由測(cè)井得出，與巖性、孔隙度和地質(zhì)流體等因素有關(guān)。利用聲波時(shí)差資料,依據(jù)威利平均時(shí)間方程[24]，可以求得孔隙度：

(1)

式中：φ為孔隙度；Δt為測(cè)井獲得的聲波時(shí)差值；Δtma為巖石骨架聲波時(shí)差值，與巖性相關(guān)；Δtf為空隙流體的聲波時(shí)差值。

現(xiàn)今地層的厚度是地史過(guò)程中壓實(shí)作用的產(chǎn)物。隨時(shí)間變化的沉積速率的定量分析即地史分析?；驹硎菍⒌貙訂卧默F(xiàn)今厚度通過(guò)脫壓實(shí)恢復(fù)到原始沉積時(shí)的古厚度。

地層單元做脫壓實(shí)需要預(yù)先知道孔隙度隨深度的變化規(guī)律。通過(guò)測(cè)井獲得的孔隙度資料表明正常壓實(shí)的沉積物孔隙度與埋深具有指數(shù)關(guān)系：

φ=φ0e-cy

(2)

式中：φ為任意埋深y下的地層孔隙度；φ0為地層在地面上的孔隙度；c為孔隙度深度系數(shù)，表示孔隙度隨深度呈指數(shù)遞減的速率，與巖性相關(guān)。相應(yīng)地，可得埋深：

(3)

據(jù)此，可在特定層段頂界面附近，找到測(cè)井曲線突變的剝蝕點(diǎn)，并以埋深之差計(jì)算出剝蝕量△y。關(guān)于剝蝕點(diǎn)的確定，將在實(shí)例部分中詳述。

1.3.2 脫壓實(shí)

為了計(jì)算沉積地層在過(guò)去任意地史時(shí)期的古厚度，就需要將地層沿適當(dāng)?shù)目紫抖?深度曲線向上移動(dòng)，等于將受壓實(shí)地層的上覆厚度逐漸去掉，使目的層脫壓實(shí)。這種做法是假定地層質(zhì)量不變，并認(rèn)為體積的變化實(shí)際上是厚度的變化。

(4)

而沉積地層總體積Vt等于顆粒體積Vs和孔隙水體積Vw的和，因此有Vs=Vt-Vw。若考慮單位橫切面，可以得到：

(5)

(6)

脫壓實(shí)作用后的沉積層新厚度由沉積顆粒和孔隙水組成的厚度之和。則：

(7)

整理得：

(8)

這就是一般的脫壓實(shí)方程。

設(shè)定一個(gè)變量A，得到：

(9)

再根據(jù)公式(8)，得到：

(10)

1.3.3 沉降量

沉積層在新深度的孔隙度為：

(11)

由于新沉積層的體密度ρb取決于其孔隙度和顆粒的密度(ρsg)，則：

φ=φρw+(1-φ)ρsg

(12)

(13)

此后，該沉積物的負(fù)荷效果可以被視為一個(gè)局部艾里的地殼均衡問(wèn)題，沉積物取代了水柱。

(14)

至此， 可以綜合全部校正得到真正的構(gòu)造沉降[25]：

(15)

式中：Δsl為與現(xiàn)今有關(guān)的古海平面；Wd為古水深；Φ為一個(gè)與艾里均衡單位相等的底層函數(shù)，變化從0到1。將這一公式簡(jiǎn)化，去除古海平面等因素，可以得到簡(jiǎn)化的構(gòu)造沉降量：

(16)

總沉降量:

Yt=Yd+Ys

(17)

2 實(shí)例

本文選取哈薩克斯坦南圖爾蓋盆地的K-24井進(jìn)行剝蝕量恢復(fù)。

2.1 地質(zhì)概況

南圖爾蓋盆地是哈薩克斯坦主要的含油氣盆地，位于哈薩克斯坦中部，盆地面積達(dá)9×104km2(圖2)。在構(gòu)造位置上，南圖爾蓋盆地位于烏拉爾山—天山縫合線轉(zhuǎn)折端剪切帶，北鄰西西伯利亞盆地，西側(cè)為烏拉爾海西褶皺帶，南側(cè)為Karatau峰，東側(cè)為Kokshetau地塊和Ulutau地塊。

圖2 中亞地區(qū)主要盆地分布(據(jù)鄭俊章等，2009；侯平等2014修改[26-27])Fig.2 Sedimentary basins in central Asia

南圖爾蓋盆地可以劃分為3個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元：

北部的日蘭奇克(Zhilanchik)坳陷，南部為阿雷斯庫(kù)姆(Aryskum)坳陷，中間為門布拉克(Mynbulak)鞍部(圖3)。阿雷斯庫(kù)姆(Aryskum)坳陷由壘塹相間的構(gòu)造單元組成，可劃分為4個(gè)地塹和3個(gè)凸起，4個(gè)地塹自西向東分別為為阿雷斯庫(kù)姆(Aryskum)地塹、阿克沙布拉克(Akshabulak)地塹、薩雷蘭(Sarylan)地塹和鮑金根(Bozingen)地塹，這些地塹由阿克塞(Aksay)凸起、阿西塞(Ashisai)凸起和塔巴克布拉克(Tabakbulak)凸起分隔[28-30]。K-24井即位于阿雷斯庫(kù)姆坳陷阿雷斯庫(kù)姆地塹。

其目標(biāo)層段可以劃分為3個(gè)層序，從底到頂依次為sq1、sq2和sq3(圖4)。

2.2 參數(shù)選擇及孔隙度恢復(fù)

目標(biāo)層位巖性的不同，應(yīng)該選擇相應(yīng)的不同參數(shù)。對(duì)于理想化的單一巖性，其參數(shù)選擇如表1所示。

圖3 南圖爾蓋盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐諪ig.3 Tectonic unit division of South Turgay Basin

對(duì)于K-24井，目的層段主要由砂巖和泥巖構(gòu)成，故其參數(shù)選擇是根據(jù)含砂率數(shù)據(jù)計(jì)算泥巖、砂巖權(quán)重后得出的(表2)。含砂率即某層段砂巖厚度占地層總厚度的比值。

而后將相應(yīng)參數(shù)代入公式(3)，進(jìn)行孔隙度計(jì)算。以sq3為例，具體見表3。

2.3 剝蝕量獲得與脫壓實(shí)

從2.2節(jié)計(jì)算得出的孔隙度數(shù)據(jù)中選取每個(gè)層序頂深向下附近的數(shù)值，找到剝蝕點(diǎn)，計(jì)算出剝蝕量△y。

表1 不同巖性的計(jì)算參數(shù)選擇

注：1 μs/ft=3.28 μs/m; 1 kg/m3=0.001 g/cm3。

表2 K--24井孔隙度參數(shù)

圖4 K--24井測(cè)井曲線柱狀圖Fig.4 Logging curves of Well K--24

剝蝕點(diǎn)的選擇較為關(guān)鍵，選擇頂界面以下埋深數(shù)值之差大于現(xiàn)今地層厚度的兩點(diǎn)(表4)。以sq3為例，現(xiàn)今埋深分別為1 402.125 m和1 402.250 m兩點(diǎn)計(jì)算所得深度之差為1.128 km，這個(gè)數(shù)值>sq3的現(xiàn)今厚度0.350 km，剝蝕點(diǎn)以此確定，剝蝕量△y=1.128 km。

表3 利用聲波曲線求解K--24孔隙度(sq3頂部部分)

Table3PorositiesofWellK-24derivedfromintervaltransit-timedata

單元深度/m孔隙度φ聲波時(shí)差△t/(μs·ft-1)埋深y/kmsq31 402.125 0.141 82.640 3.285 1 402.250 0.229 93.564 2.157 1 402.375 0.328 105.795 1.324 1 402.500 0.294 101.530 1.582 1 402.625 0.274 99.124 1.741 1 402.750 0.297 101.907 1.558 1 402.875 0.330 106.064 1.309 1 403.000 0.300 102.337 1.531 1 403.125 0.209 91.051 2.372 1 403.250 0.153 84.046 3.106 1 403.375 0.146 83.291 3.200 1 403.500 0.165 85.589 2.923 1 403.625 0.179 87.342 2.732 1 403.750 0.198 89.671 2.500 1 403.875 0.266 98.141 1.810 1 404.000 0.353 108.811 1.158 1 404.125 0.356 109.179 1.138 1 404.250 0.283 100.155 1.672 1 404.375 0.235 94.199 2.106 1 404.500 0.216 91.924 2.295 1 404.625 0.255 96.788 1.907 1 404.750 0.306 103.065 1.486 1 404.875 0.321 104.956 1.373 1 405.000 0.286 100.598 1.643 1 405.125 0.254 96.668 1.916

表4 K--24井脫壓實(shí)相關(guān)參數(shù)

注：y3=y2+△y，即加入剝蝕量的y2; 厚度d=y3-y1。

計(jì)算脫壓實(shí)厚度。首先計(jì)算第一層，即sq1沉積期后(表5)。

表5 K--24井sq1脫壓實(shí)厚度計(jì)算

2.4 沉降量計(jì)算

根據(jù)公式(13)，計(jì)算層段平均密度(表7)。

表6 K--24井sq2、sq3脫壓實(shí)厚度計(jì)算

根據(jù)公式(14)、(16)、(17)，計(jì)算沉降量(表8)。其中，古水深是抽象并判斷出沉積相后得到的。一般，沖積-河流相水深-0 m，濱淺湖-5 m，淺湖-10 m，淺湖-半深湖-50 m，半深湖-100 m，(扇)三角洲-5 m[31]。

聲波時(shí)差法除按步將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算外，還需注意各種參數(shù)的選擇。主要包括：①不同巖性孔隙度、密度、巖石骨架聲波時(shí)差相關(guān)參數(shù)，砂巖、泥巖共同構(gòu)成的目標(biāo)層段根據(jù)含砂率計(jì)算這些參數(shù)；②不同沉積相古水深參數(shù)的選擇。

此外，剝蝕點(diǎn)的確定也很關(guān)鍵，要選擇頂界面以下埋深數(shù)值之差大于現(xiàn)今地層厚度的兩點(diǎn)。

3 結(jié)論

(1)基于一系列假定和理想化模型，可根據(jù)聲波時(shí)差資料計(jì)算剝蝕量、沉積物負(fù)荷沉降和構(gòu)造沉降量。

(2)聲波時(shí)差法包括孔隙度恢復(fù)、剝蝕量獲得與脫壓實(shí)、沉降量計(jì)算3個(gè)步驟，依次代入相應(yīng)公式計(jì)算。

表7 K--24井層段平均密度求取

表8 K--24井沉降量求取

(3)具體操作要注意相關(guān)參數(shù)及剝蝕點(diǎn)的確定。孔隙度和密度等參數(shù)要根據(jù)巖性確定，而古水深參數(shù)要根據(jù)沉積相確定。剝蝕點(diǎn)要根據(jù)計(jì)算的埋深數(shù)值進(jìn)行選擇。

致謝感謝沈艷杰副教授、張振博士、高丹博士在論文成稿過(guò)程中的指導(dǎo)與幫助。