彭 妙,張 磊,陶金雨,趙 康,張祥輝,張昌民
(1.中國石油新疆油田分公司,新疆克拉瑪依 834000;2.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆克拉瑪依 834000;3.中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所,江蘇無錫 214131;4.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,武漢 430100)
磨圓度是顆粒被其他顆?;蚪橘|(zhì)磨圓的程度,是砂礫巖描述的重要指標(biāo),礫石的磨圓度反映了沉積巖的結(jié)構(gòu)成熟度,通過對(duì)礫石磨圓度研究可以回溯礫石的搬運(yùn)機(jī)理,重建砂礫巖的沉積過程。Wentworth[1]最早將圓度的概念引入地質(zhì)學(xué)范疇;Russell等[2]設(shè)計(jì)圓度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)方案;Krumbein[3]用27 個(gè)石灰?guī)r顆粒做磨損實(shí)驗(yàn)并提出了目估法測量圓度標(biāo)準(zhǔn);Pettijohn[4]改變了圓度級(jí)的劃分方案,將其劃分為棱角狀、次棱角狀、次圓狀、圓狀和極圓狀等5級(jí);Powers[5]在1953 年將圓度等級(jí)分為尖棱角狀、棱角狀、次棱角狀、次圓狀、圓狀和滾圓狀等6 級(jí);Folk[6]于1955 年提出未磨圓、圓度差、圓度中等、圓度好、圓度極好等5 級(jí)圓度標(biāo)度;Simon 等[7]也提出了棱角狀、次棱角狀、次圓狀、圓狀等4 級(jí)劃分方案。張慶云等[8]認(rèn)為磨圓度是指堆積物的不同粒徑的圓度組合;朱筱敏[9]認(rèn)為圓度是指碎屑顆粒的原始棱角被磨圓的程度,與顆粒的形狀無關(guān);王為等[10]認(rèn)為圓度是棱角尖銳程度的函數(shù)。磨圓度的方法經(jīng)歷了傳統(tǒng)的目估測量階段(20 世紀(jì)初至今)、現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)處理測量階段(21 世紀(jì)初至今)和先進(jìn)的三維儀器直接測量階段(2013 年至今)等3 個(gè)階段。目估對(duì)比法是指將標(biāo)準(zhǔn)的顆粒圖像與需要測量的顆粒進(jìn)行對(duì)比以確定顆粒的磨圓度[11-15],主要基于已有的標(biāo)準(zhǔn)圓度圖版,其優(yōu)點(diǎn)是直觀、簡捷,但其主觀因素影響較大,不同研究者的測量結(jié)果或不同的顆粒標(biāo)準(zhǔn)之間難以相互對(duì)比。通過計(jì)算機(jī)軟件處理計(jì)算磨圓度,大大提高了磨圓度測量的準(zhǔn)確率,主要有巖心圖像礫石分析技術(shù)、傅里葉變換、多尺度分割和數(shù)值模擬等方法[16-20];三維儀器直接測量法是指用儀器直接測量磨圓度,可以更加方便快捷地獲得礫石輪廓,甚至直接通過儀器讀出顆粒表面結(jié)構(gòu)的各個(gè)系數(shù),代表了磨圓度研究的發(fā)展方向[20-23],然而該方法受顆粒形狀影響很大,只有在顆粒形狀相似的情況下,測量的百分圓度值才能代表顆粒的磨圓度。
采用去扁度方法定量測量瑪湖凹陷瑪15 井三疊系百口泉組取心段砂礫巖中礫石的磨圓度,分析其與巖心沉積相之間的聯(lián)系,研究百口泉組砂礫巖成因,建立百口泉組的沉積模式,以期為粗粒沉積物沉積相的分析提供新的參考思路。
瑪湖凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地中央坳陷西部,凹陷西側(cè)自北向南發(fā)育烏夏斷裂帶、克百斷裂帶和中拐凸起,東部自北向南為石英灘凸起、英西凹陷、三個(gè)泉凸起、夏鹽凸起和達(dá)巴松凸起(圖1)?,敽枷葑韵露习l(fā)育石炭系,二疊系佳木河組、風(fēng)城組、夏子街組、下烏爾禾組、上烏爾禾組,三疊系百口泉組、克拉瑪依組、白堿灘組,侏羅系八道灣組、三工河組、西山窯組、頭屯河組及白堊系等地層[24-28]。目的層三疊系百口泉組主要以灰色、褐色砂礫巖,含礫泥質(zhì)粉砂巖,泥質(zhì)粉砂巖為主,夾灰褐色、褐色泥巖及砂質(zhì)泥巖,地層厚度為130~240 m,自下而上分為百一段(T1b1)、百二段(T1b2)和百三段(T1b3),沉積相逐漸從扇三角洲平原過渡到扇三角洲前緣,再到濱淺湖相[24-27]。
圖1 瑪湖凹陷構(gòu)造位置(a)與瑪15 井三疊系百口泉組巖性地層綜合柱狀圖(b)Fig.1 Tectonics location(a)and stratigraphic column(b)of Triassic Baikouquan Formation of well Ma 15 in Mahu Sag
礫石磨圓度測量過程包括劃分測量單元、礫石圖像提取和形態(tài)參數(shù)計(jì)算3 個(gè)步驟,具體如下:①根據(jù)瑪湖凹陷已知的巖心、測井等資料,選擇合適的取心井,對(duì)目標(biāo)井位進(jìn)行單塊巖心圖像信息采集,基于不同的測量目的劃分巖心測量單元(比如基于巖石相分層,或基于沉積微相分層),同時(shí)記錄每個(gè)測量單元(分層)中部對(duì)應(yīng)的深度(圖2a)。②半自動(dòng)地提取顆粒輪廓,只提取出測量單元中粒級(jí)范圍內(nèi)的礫石顆粒輪廓,將帶有礫石顆粒輪廓的圖像導(dǎo)出成bmp 格式(圖2b),部分專業(yè)軟件可以實(shí)現(xiàn)顆粒的自動(dòng)提取以及圓度的自動(dòng)計(jì)算,但是如果取心壁表面污濁或擦痕明顯,導(dǎo)致礫石輪廓界線模糊,則需要采用繪圖軟件進(jìn)行人工圈取。③利用專業(yè)軟件求取礫石的地質(zhì)參數(shù)(包括礫石顆粒的面積、周長、長軸和短軸等),并導(dǎo)入Excel 中,利用比例尺將像素值轉(zhuǎn)化成厘米級(jí)數(shù)值。
把IPP 軟件中求取的圓度記為IPP 圓度(RIPP),求取公式為
式中:L為顆粒輪廓周長,m;A為顆粒輪廓面積,m2;RIPP取值為0~1,越接近1 表示顆粒圓度越好。
IPP 圓度實(shí)質(zhì)上是顆粒偏離正圓的程度,與磨圓度所表達(dá)的含義不同,圓度與顆粒形狀有關(guān),通常用滾球狀、橢球狀、扁球狀來形容,但是磨圓度是指顆粒邊角的圓滑程度,如尖棱角、次圓狀等,與顆粒的形狀無關(guān)。因此,采用IPP 圓度衡量磨圓度是有前提條件的,只有在顆粒形狀相似的情況下,IPP圓度值才能代表顆粒的磨圓度[28-29]。采用陶金雨等[28-29]提出的去扁化圓度方法對(duì)IPP 圓度公式進(jìn)行改進(jìn),其原理是先計(jì)算礫石輪廓的最小外接矩形,再計(jì)算該矩形在標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)換參數(shù)(包括旋轉(zhuǎn)參數(shù)、縮放參數(shù)和平移參數(shù)),并據(jù)該轉(zhuǎn)換參數(shù)將礫石輪廓的所有節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系中,再通過長寬比例進(jìn)行修正,使礫石輪廓的最小外接矩形為正方形,達(dá)到去扁化的目的,以提高IPP計(jì)算圓度的精確性。
去扁化的具體步驟:①采用灰度平均值法將灰度礫石圖像(圖3a)變換為二值圖像(圖3b);②提取二值礫石圖像的礫石輪廓(圖3c);③采用Graham 算法計(jì)算礫石輪廓的凸包(圖3d);④計(jì)算礫石輪廓凸包的最小外接矩形(圖3e);⑤將最小外接矩形的所有節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系中,并通過四參數(shù)校正轉(zhuǎn)換為圖形(圖3f);⑥通過比較外界矩形的寬高比,將四參數(shù)矯正后的圖像(圖3f)映射成去扁化后的圖像(圖3g),用以消除形狀的扁度對(duì)IPP 圓度計(jì)算的影響。
圖3 去扁化圓度的計(jì)算原理Fig.3 Calculation principle of de-flat roundness
去扁化的圓度值記作Rd。由于待測顆粒圖形的形狀發(fā)生了不同程度的拉伸,該算法的計(jì)算結(jié)果整體上會(huì)比待測顆粒原先的百分圓度值大。通過大量的圖像測試表明,Rd值為0.7~1.0,為了符合傳統(tǒng)磨圓度的賦值范圍(0~1),對(duì)Rd值進(jìn)行數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化,標(biāo)準(zhǔn)化后的值記作Rdn,Rdn值越大,表示顆粒的磨圓度越好。在一定程度上,去扁化算法會(huì)整體增大原來的RIPP值,扁度越小的顆粒,增大的幅度越大,但并不妨礙磨圓度的判斷,因?yàn)槟A度和扁度的數(shù)值本身沒有相關(guān)性,只是不同扁度礫石的搬運(yùn)方式不同,理論上會(huì)導(dǎo)致顆粒的磨蝕方式發(fā)生變化。
依據(jù)Krumbein[2]標(biāo)準(zhǔn)圖版中9 種分類的81 塊礫石(圖4),檢驗(yàn)去扁化圓度算法的可行性。研究結(jié)果(圖5)顯示,去扁化圓度對(duì)圖版中9 種級(jí)別的相關(guān)性較IPP 圓度有所提高,少量的異常點(diǎn)(比如級(jí)別8 中圓度值為0.75 左右的2 個(gè)點(diǎn))是由于分類本身的錯(cuò)誤導(dǎo)致的。此次對(duì)瑪湖凹陷礫石磨圓度研究采用的是扁度分類法與去扁化圓度計(jì)算相結(jié)合的方法進(jìn)行定量測量的。
圖4 Krumbein 磨圓度9 級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)圖版Fig.4 Nine-level classification standard plate for roundness of Krumbein’s
圖5 IPP 圓度(a)、去扁化圓度(b)與Krumbein 級(jí)別的相關(guān)性Fig.5 Correlation of Krumbein’s classification with IPP roundness(a)and de-flat roundness(b)
不同測量者對(duì)磨圓度不同的顆粒在巖石中所占比重的判斷標(biāo)準(zhǔn)不同,因此,在研究中要先確定每種磨圓度所占整體礫石磨圓度的比重,通過計(jì)算磨圓度的方差,將混雜磨圓度的測量單元與相對(duì)集中磨圓度的測量單元區(qū)分開來。
根據(jù)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(表1),扁度分布范圍可以采用方差(記作Var)分位數(shù)區(qū)間法來劃分:長扁形(Var值為0.03~0.38),扁球形(Var值為0.38~0.49),橢球形(Var值為0.49~0.61),圓球形(Var 值為0.61~0.91)。
表1 單個(gè)礫石扁度分類的IPP 圓度定量標(biāo)準(zhǔn)Table 1 IPP roundness quantitative standard of single gravel flatness classification
瑪15 井位于瑪湖凹陷北斜坡帶,該井三疊系百口泉組(2 972~3 159 m)發(fā)育扇三角洲前緣的河道沉積,在瑪15 井百口泉組共取心3 次,第2 回次(T1b2,3 064.68~3 071.72 m)與第3回次(T1b2,3 084.59~3 093.61 m)主要發(fā)育灰綠色和灰色砂礫巖、含礫砂巖和褐色泥巖、砂質(zhì)泥巖,含油氣性較好(圖6)。此次研究以瑪15 井第2 和第3 回次取心礫石為例,進(jìn)行了礫石磨圓度定量表征。
圖6 瑪湖凹陷瑪15 井三疊系百口泉組百二段(T1b2)典型巖心照片F(xiàn)ig.6 Typical core Photos of the second member of Triassic Baikouquan Formation of well Ma 15 in Mahu Sag
對(duì)瑪15 井第2 和第3 回次巖心中的礫石圓度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),累積統(tǒng)計(jì)圓度值的顆粒數(shù)為1 261 顆,其中第2 回次巖心17 個(gè),礫石534 顆,第3 回次巖心21 個(gè),礫石727 顆(表2)。
表2 瑪湖凹陷瑪15 井三疊系百口泉組礫石磨圓度測量結(jié)果Table 2 Gravel roundness of Triassic Baikouquan Formation of well Ma 15 in Mahu Sag
瑪湖凹陷M15 井第2 回次的取心礫石顆粒中橢球形礫石的占比最大,約為38.98%,其次是扁球形礫石和圓球形礫石,占比分別為33.31% 和19.89%,長扁形礫石占比最小,僅為7.83%。第3 回次的取心礫石顆粒中扁球形礫石的占比最大,約為37.48%,其次是橢球形礫石,占比為36.09%,長扁形礫石占比為13.85%,圓球形礫石占比最小,約為12.58%。按照IPP 圓度分類方案,第2 回次以橢球形的次圓狀礫石含量最高,其次是圓球形的圓狀礫石,整體的磨圓度較好(圖7a)。第3 回次以扁球形和橢球形的次圓狀礫石含量最高,其次是圓球形的圓狀和次圓狀礫石,整體的磨圓度較第2 回次差(圖7b)。
圖7 瑪湖凹陷瑪15 井巖心扁度分類IPP 圓度頻率直方圖Fig.7 Frequency histogram of IPP roundness for core flatness classification of well Ma 15 in Mahu Sag
觀察瑪15 井的磨圓度垂向上的變化情況(圖8),可見該井第2 回次取心礫石的磨圓度呈向上變差的趨勢。下部的灰綠色小中礫巖磨圓度較好,向上發(fā)育大中礫薄層,磨圓度變差,圓度約為0.433,可能是因?yàn)榇笾械[巖將周圍礫石遮擋了,導(dǎo)致周圍礫石的磨圓度差,也有可能是測量樣品數(shù)太少所致;磨圓度最小處,Var值突然變大。在中部的灰色小中礫巖Rdn值中位數(shù)逐漸穩(wěn)定為0.667~0.700,磨圓度很好,Var值也很穩(wěn)定,約為0.050。上部為灰色大中礫巖,Rdn值變化較大,為0.433~0.667;Var值顯示為2 個(gè)旋回。
圖8 瑪湖凹陷瑪15 井第2 和第3 回次取心巖性綜合柱狀圖Fig.8 Comprehensive lithological column of the second and third coring intervals of well Ma 15 in Mahu Sag
第3 回次取心礫石的磨圓度整體上呈現(xiàn)向上變好的趨勢。下部發(fā)育灰綠色中礫巖互層,Rdn值由0.600 驟降到0.267,呈鋸齒狀上升,Var均大于0.05;中段Rdn較穩(wěn)定,在0.50 左右,中間夾有一段灰色砂巖,砂層下部的Var在0.04 左右,砂層上下的Var變大,是砂礫巖中砂質(zhì)含量增大的原因,向上方差也變大;上部的灰綠色細(xì)礫巖磨圓度變差,Rdn值降低到約0.470,再向上發(fā)育灰色小中礫與大中礫巖互層,Rdn值明顯變大,約為0.650,頂部的灰綠色大中礫巖的Rdn值穩(wěn)定在0.600左右,方差可見1個(gè)旋回。
將瑪湖凹陷瑪15 井第2 回次和第3 回次取心段的礫石磨圓度曲線與測井曲線進(jìn)行對(duì)比分析(參見圖8),可以發(fā)現(xiàn)磨圓度曲線與SP,RXO測井曲線在垂向變化趨勢的一致性較好,其中第2 回次的相關(guān)性更好,因此磨圓度曲線在垂向上的變化一定程度可以指示巖性、相帶的變化。
瑪15 井第2 回次巖心礫石粒徑大,交錯(cuò)層理發(fā)育,磨圓度整體集中在次圓狀到次棱—次圓狀,Rdn平均值為0.573,這是由于受到長期流水沖刷所致,因此推斷發(fā)育常年性河流。第3 回次巖心礫石粒徑大,交錯(cuò)層理礫巖與塊狀礫巖互層,磨圓度集中在次棱角狀和次棱—次圓狀,磨圓度忽好忽差,Rdn平均值為0.523,且向上泥質(zhì)含量變小,水動(dòng)力增強(qiáng),推斷第3 回次發(fā)育間斷的季節(jié)性河流。此外,第2 回次取心的孔隙度和滲透率值總體上比第3回次取心的孔隙度和滲透率值大,也說明第2 回次取心礫石受流水沖刷作用強(qiáng),泥質(zhì)含量少,物性也更好。
整體而言,瑪15 井百二段從底到頂,磨圓度逐漸變好,沉積相由季節(jié)性辮狀河道逐漸過渡為常年性辮狀河道,泥質(zhì)含量減少,物性逐漸變好,因此認(rèn)為礫石磨圓度表征是沉積相類型及演化分析的1種有效輔助手段。
(1)去扁化磨圓度定量表征方法是礫石磨圓度定量表征的有效方法。去扁化方法避開了百分圓度法表征磨圓度的局限性,其實(shí)質(zhì)是將顆粒進(jìn)行變形矯正,使所有顆粒的形狀都標(biāo)準(zhǔn)化。
(2)瑪湖凹陷瑪15 井第2 回次取心礫石的磨圓度整體較第3 回次取心好。第2 回次取心主要發(fā)育橢球形和扁球形礫石,以圓球形的圓狀礫石含量最高,其次是橢球形的次圓狀礫石,整體的磨圓度較好;第3 回次取心主要發(fā)育橢球形和扁球形礫石,以扁球形和橢球形的次圓狀礫石含量最高,其次是圓球形的次圓狀和圓狀礫石。
(3)瑪湖凹陷瑪15 井第2 回次取心礫石的Rdn值向上減小,磨圓度向上變差;第3 回次取心礫石的Rdn值從下部向上逐漸變大,磨圓度向上總體變好。
(4)瑪湖凹陷瑪15 井第2 回次和第3 回次取心段的礫石磨圓度較好地反映了該段地層的沉積過程。第2 回次取心磨圓度整體集中在次圓狀到次棱—次圓狀,具有常年性河流特征,第3 回次的礫石磨圓度集中在次棱角狀和次棱—次圓狀,推斷發(fā)育季節(jié)性河流;瑪湖凹陷瑪15 井百二段從底到頂,沉積相由季節(jié)性辮狀河道過渡到常年性辮狀河道,礫石磨圓度具有次棱到次棱—次圓(逐漸變好)的變化特征,二者具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。