董火祥， 劉景彥*， 李勇， 史超群

(1.中國地質大學(北京)能源學院， 北京 100083； 2.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院， 庫爾勒 841000)

塔里木盆地是中國主要含油氣盆地之一,三疊系作為塔里木盆地主要勘探目的層系之一[1-2],在早期的勘探中陸續(xù)發(fā)現了多個油氣藏[3],表明三疊系陸相地層對塔里木盆地具有十分重要的地位。但是由于復雜的構造環(huán)境導致對塔里木三疊系的沉積環(huán)境認識并不清晰。前人在對三疊系進行研究探討時,從層序地層學的角度出發(fā),得到的結論存在較大差異。

傅恒等[4]將三疊系劃分為下三疊1個長周期,中上統(tǒng)均為3個長周期,共7個長周期，對應于三級層序;呂雪雁等[5]將塔中塔北區(qū)帶三疊系劃分下三疊3個三級層序，中上統(tǒng)各1個三級層序;郭建華等[6]的劃分方案為下三疊1個,中三疊3個,上三疊2個三級層序。受限于資料品質及采用的層序理論不同,諸多學者對三疊系的層序劃分方案存在較大差異[7]。層序方案劃分存在爭議，導致沉積相帶發(fā)育同樣存在差異性，制約了研究區(qū)的勘探進展。因而對層序發(fā)育情況進行客觀深入研究，有助于相帶研究突破。當地震資料品質較差,按照傳統(tǒng)的地震追蹤不整合面來識別三級層序具有一定的困難，導致劃分層序不一致時，如何客觀地對連續(xù)沉積的地層劃分層序是一個關鍵問題?，F用小波分析的方法來對缺乏地震資料進行層序劃分的地層進行多級層序劃分,詳細刻畫塔里木三疊系各構造單元內層序發(fā)育情況，為研究區(qū)沉積相帶的研究及后續(xù)的生儲組合研究奠定一定的基礎。

由于測井數據蘊含著豐富的地質信息,利用其進行小波變換來得到多級次旋回曲線有助于對內藏的信息進行揭示[8]。此外通過測井數據獲取的高頻旋回還能夠作為繪制Fischer圖解的基礎,用來建立研究區(qū)的相對湖平面變化。

湖平面升降變化控制著各類沉積體的分布情況和層序地層界面的形成,對于沉積體系分布及生儲蓋組合研究有著重要意義。在陸相湖盆中,沉積基準面可以近似視為相對湖平面變化。近年來，前人通過Fischer圖解曲線來刻畫相對湖平面升降，取得了諸多成果[9-10]?，F綜合多口井的Fischer圖解,描繪可容納空間的變化情況,重建塔里木盆地三疊系相對湖平面變化曲線,并與沉積相帶的變遷進行對應分析。研究結果將對高頻層序地層的研究和沉積相帶發(fā)育和有利儲層的預測具有一定的意義。

1 地質背景

塔里木盆地是中國內陸最大的含油氣盆地,總面積約56萬km2,近似菱形,東西向展布。盆地處于阿爾金山脈、西昆侖山和天山山脈之間。三疊系時期,古特提斯洋向北俯沖,造成塔里木盆地西部隆起,沉積僅分布在坳陷內,即現今盆地的中北部[11-13]。庫車地區(qū)受沖斷負荷的作用發(fā)生大幅撓曲沉降,形成庫車前陸盆地。而中部盆地具有復合成因機制,不僅受到熱冷卻沉降,還受到新和前緣隆起的沖斷作用的影響,發(fā)生了撓曲沉降[14-15]。因此,該時期的原型盆地具有前陸盆地特征,發(fā)育有3個一級盆地:庫車前陸盆地、中部克拉通坳陷盆地及塔西南前陸盆地。但現今殘存的三疊系主要集中在庫車盆地及塔北-塔中盆地[12]。塔里木盆地現今劃分為庫車坳陷、塔北隆起、北部坳陷、中央隆起等7個一級構造單元帶[16-17]，研究區(qū)主要位于盆地的中北部,三疊紀時期,尚未形成如今的隆坳地貌格局,表現為東、西隆,中間坳，如圖1所示。

塔里木盆地三疊系地層自下而上可以劃分為俄霍布拉克組、克拉瑪依組、黃山街組和塔里奇克組,但在臺盆區(qū)塔里奇克組普遍缺失,有學者指出可能是構造運動導致,但仍然存在爭議,具體成因尚不明確[13]。

臺盆區(qū)三疊系俄霍布拉克組發(fā)育湖泊-辮狀河三角洲相帶[5],在近物源的盆地邊緣處,該組底部發(fā)育粗砂巖、含礫砂巖等,與下部二疊系多呈不整合接觸;克拉瑪依組時期辮狀河三角洲、扇三角洲廣泛發(fā)育[18-19],近源粗碎屑巖發(fā)育有兩到三期,呈向上變細的特征;黃山街組多發(fā)育灰色、褐色泥巖,局部發(fā)育辮狀河三角洲[20]。由于三疊系末構造運動形成大范圍剝蝕導致黃山街組殘余面積較小,與上部侏羅系多呈不整合接觸。臺盆區(qū)三疊系綜合柱狀圖如圖2所示。

圖1 塔里木盆地構造單元及研究區(qū)井位示意圖Fig.1 Schematic diagram of structural units and well locations in the study area of Tarim Basin

圖2 臺盆區(qū)三疊系綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of Triassic in Platform Basin area

2 測井小波分析定量研究

2.1 高頻層序劃分

測井數據通常有著分辨率較高、連續(xù)性較好的優(yōu)點,還具有豐富的地質信息。當地震資料分辨率較低、品質較差,取芯資料缺乏時,進行高精度層序單元劃分相對受限,對測井信息進行挖掘能起到幫助作用。而測井小波分析方法有“數學顯微鏡”之稱,對數據變化的響應精度高,可以定量識別各種級別的層序界面,從而彌補了依照傳統(tǒng)高分辨率層序劃分的不足[21-23]。

小波分析的基本原理是利用一個小波函數作為基本單位進行伸縮和平移變換來模擬信號值,將信號值分解為多個不同尺度、多級次的信號[24-25],而在測井小波分析中,分解出的小波信號呈現周期性變化的特點,與各個級次的層序具有較好的對應關系。低頻小波信號一般與長期旋回具有對應關系,而高頻信號通常與高頻短期旋回對應,據此可以對各個級別的層序旋回進行劃分[26-27]。

隨著小波分析方法的推廣及發(fā)展,應用的小波函數也出現了諸多類型,如Daubechies小波、Morlet小波等?；谇叭说难芯砍晒鸞28-30]及研究區(qū)的具體情況,經過實驗分析,最終選擇了效果最好的Daubechies小波及Dmeyer小波進行一維連續(xù)小波變換。而進行變換的測井信號選擇了伽馬曲線,因為其對砂泥巖變化敏感,能很好地揭示巖性變化[31]。

共選取了12口單井作為研究對象,且均勻分布在4個一級構造帶,每個構造帶均有3口單井,分布位置如圖1所示。以A2井為例,對其進行小波變換及高頻層序劃分。當選用設定階數為10,最大級數為12的小波系數曲線,能夠較好地識別各級層序,且相互對應。如圖3所示,對A2井測井伽馬值進行一維連續(xù)小波變換后,根據db小波系數曲線中的d11、d10、d7級小波曲線(結合Dmeyer11級小波曲線),在目的層段中識別出4個長周期旋回、8個中周期旋回及57個短周期旋回。研究區(qū)內12口單井經過小波變換劃分旋回結果如圖4所示。其中,塔北隆起帶中的A1～A3井長、中、短周期旋回發(fā)育平均值分別為4、8、58;北部坳陷帶的B1～B3井長、中、短周期旋回發(fā)育平均值分別為3、5、40;中央隆起帶C1～C3井長、中、短周期旋回發(fā)育平均值分別為3、4、40;西南坳陷帶的D1～D3井長、中、短周期旋回發(fā)育平均值分別為2、4、33。長、中周期旋回數比值在1.3～2范圍內,長、短周期旋回數比值在13～16.5。

從數據上來看,4個區(qū)帶旋回數量從多到少排列為:塔北隆起帶,北部坳陷帶,中央隆起帶,西南坳陷帶?？梢钥闯?塔北隆起區(qū)帶的地層旋回個數保留最多,說明該區(qū)帶內原始沉積地層保留相對完整,其次是北部坳陷帶及中央隆起帶,最差的是西南坳陷帶。

從層序角度分析,長周期旋回大致對應于三級層序,中周期旋回發(fā)育于三級層序內部。從A2-B2-C1-D1連井層序格架圖(圖5)上可見,從南到北,三級層序個數漸增,從1個增加至4個,A2井層序、旋回數最多,D1井層序、旋回數最少。從垂向上來看,底部的SQ1發(fā)育有1～3個中期旋回;SQ2發(fā)育有2個中期旋回;SQ3與SQ4均發(fā)育有1個中期旋回。

綜上分析,A1～A3井所位于的塔北隆起帶旋回結構發(fā)育最為完整,從底到頂,僅黃山街組存在剝蝕,可能導致旋回缺失,而其他區(qū)帶內井旋回相對缺失,且缺失程度從北向南加劇。因此以塔北隆起帶井旋回數據來分析原始沉積旋回比較恰當。

2.2 小波能譜分析

借助Morlet小波變換來進行能譜分析能夠將一維時間域測井信號變換到二維時頻域,而不同的沉積旋回具有不同的時頻變換形態(tài),當測井曲線的形態(tài)變化不明顯時,通過對時頻變換形態(tài)組合的分析,可以快速地從測井資料中提取時頻特征變化規(guī)律,輔助研究層序旋回的變化及沉積環(huán)境的改變[32]。但分析時需要注意排除首尾處異常高能量團的影響,這是由于軟件本身所導致的干擾因素[33]。Morlet小波的能量團變化形態(tài)與層序旋回的對應關系如圖6所示。退積型、加積型與進積型砂體形態(tài)對應的Morlet小波的能量團的分布與遷移有規(guī)律性變化[34]。沉積地層呈現進積型沉積樣式時,砂體厚度向上減薄,沉積時水體能量減弱,能譜分析圖中能量團垂向上能量減弱,橫向尺度上由低頻向高頻遷移;呈現加積沉積樣式時,砂體垂向上厚度均一,沉積時水體能量不變,能量團垂向上能量不增不減,橫向尺度不變;呈現退積沉積樣式時,砂體垂向上厚度增大,沉積時水體能量增強,能量團垂向上能量增強,橫向尺度上由低頻向高頻遷移。

根據db小波綜合Dmeyer小波對A2井進行層序劃分的結果,對4個三級旋回分別進行Morlet小波變換能譜分析,來判斷沉積時期水體能量強弱的變化,結果如圖7所示。每個層序中都存在多個水體環(huán)境能量變化旋回,SQ1時期在中部位置,水體能量達到最弱,相對應的湖平面最高;SQ2早期水體能量相對較弱,相對湖平面處于高位,中晚期水體能量較強;SQ3早期、晚期水體能量均較強,相對湖平面處于低位,中期水體能量最弱,此時湖平面最高;SQ4中期水體能量達到最弱,相對湖平面達到高值。

3 Fischer圖解

Fischer圖解最先是在研究奧地利環(huán)潮坪碳酸鹽沉積時提出[35],后經過發(fā)展完善,逐步演化為現今常用的形式。以旋回數量、平均厚度偏移累積量分別作為橫軸與縱軸,以此得到Fischer圖解曲線[36-37]。早期的Fischer圖解主要應用于海相碳酸鹽領域[38-40],后經過不斷的發(fā)展,逐漸被推廣至陸相湖盆碎屑巖領域[10,30]。

在較穩(wěn)定的陸相湖盆中,湖平面的升降主要受可容納空間的控制,兩者的變化趨勢相一致,而Fischer圖解中平均厚度累積偏移曲線代表可容納空間的變化趨勢,因此Fischer圖解曲線可以近似地表示相對湖平面的變化趨勢[41]。

將Fischer圖解運用到研究區(qū)內三疊系相對湖平面變化分析中,當厚度累積偏移值正向偏移的特征時,表明沉積地層厚度增大,是對湖平面上升導致可容納空間增長的響應;當厚度累積偏移值出現負向偏移時,表明沉積地層厚度減小,是對湖平面下降導致可容納空間減小的響應。

由于已對各區(qū)帶長、中、短周期旋回進行了劃分,依據劃分結果顯示,A區(qū)帶的高頻旋回保存最為完整,因此選取A1、A2、A3測井伽馬曲線進行測井小波定量層序劃分。對所得到的高頻旋回經過統(tǒng)計得到了高頻層序累積偏移量,并繪制了Fischer圖解(圖8)。由于缺乏校正地層厚度所需要的砂泥巖孔隙度的數據,并且前人[41-43]認為缺乏壓實校正過程不會對Fischer圖解曲線的趨勢形態(tài)及旋回組合產生影響,因此未進行壓實校正。

①～⑤表示旋回結構圖8 相對湖平面變化曲線Fig.8 Relative lake level change curve

Fischer圖解揭示出研究區(qū)內的相對湖平面的升降規(guī)律,從圖8中可見,A1井主體表現為5個旋回結構,第一個旋回僅發(fā)育湖退過程,第二至第四個旋回在可容納空間低值附近波動,表明當時可容納空間較小,湖平面位于低值,伴隨著快速湖侵,第五個旋回主體發(fā)育在黃山街組內,同時包含了可容納空間最大值,這表明黃山街組時期可容納空間保持在較高水平。A2井發(fā)育有4個旋回,T2k發(fā)育有2個三級旋回,T1e和T3h內部分別存在一個三級旋回,但A2井的可容納空間最大值點不同于A1井,而是位于T2k時期內。說明同一個湖盆不同區(qū)帶的可容納空間的變化受到空間位置的影響,可能是由于物源供給所引起的可容納空間的不一致。A3井與A2井相似度極高,三級層序旋回分布相一致,可容納空間最低值點位于T2k時期內,最高值點位于T3h內部。比較這3口井的可容納空間曲線,發(fā)現A1井俄霍布拉克組存在一個旋回是A2、A3井沒有的,推測成因為A2、A3井在俄霍布拉克組早期處于構造高位,缺少地層沉積,因此未能記錄下第一個旋回。

將Fischer圖解與Morlet小波分析結果進行對比,具有很高的一致性。整體來看,臺盆區(qū)三疊系相對湖平面呈現一次湖退到湖侵的過程,俄霍布拉克組與克拉瑪依組發(fā)育湖退,直至克拉瑪依中晚期達到相對湖平面最低值點,克拉瑪依組晚期與黃山街組內呈現湖侵的特點,相對湖平面的最大值基本位于黃山街組內部。

4 綜合對比

在A1～A3井所在的塔北隆起帶內,選擇一條順物源方向的連井剖面進行層序沉積對比分析。如圖9所示,A區(qū)共發(fā)育有5個三級層序,其中SQ1層序在以A1井附近的區(qū)域發(fā)育半深湖-深湖相帶,與一個長周期旋回相對應,往東北方向沉積地層受到X井所在的英買力低凸的古地貌控制,無沉積發(fā)育。SQ1時期沉積相帶垂向上深湖-半深湖泥質沉積過渡為半深湖灘壩及泥質沉積,湖平面變化曲線主要體現為一個湖退的過程，與沉積物縱向變化特征一致。

SQ2發(fā)育在俄霍布拉克組中上段,這一時期,南北兩側無大型物源匯入,廣泛發(fā)育濱淺湖相,湖平面變化曲線在中高水位動蕩,濱淺湖泥質沉積與灘壩構成主要沉積微相,湖平面變化曲線顯示,此時可容納空間小于SQ1時期,在中低水位波動。

SQ3發(fā)育于克拉瑪依組下段,沉積相帶為辮狀河三角洲前緣-濱淺湖，水下分流河道、河口壩厚層砂體及遠端灘壩發(fā)育,頂部發(fā)育有少量濱淺湖泥質沉積,可容納空間主體呈水退的特征,在較低水位處動蕩。

SQ4位于克拉瑪依組中上段,這一時期西部物源充足發(fā)育辮狀河三角洲前緣近端,相帶向東過度為三角洲前緣遠端-濱淺湖。西部在大量陸源碎屑的注入下,湖平面變化曲線呈現水進的特征,與錄井巖性呈現向上變細的正旋回相一致。東部物源較少,垂向相帶展布呈現三角洲前緣近端-濱淺湖-三角洲前緣遠端的變遷。與湖平面變化曲線呈現的水進-高位-水退的變化形態(tài)相吻合。

SQ5時期,黃山街底部存在東部推進的大套三角洲前緣近端,向上過渡為半深湖-深湖的暗色泥質沉積,而湖平面變化曲線呈現水進-高位震蕩的特征,且可容納空間最大值位于黃山街組內,表明黃山街組沉積時,湖平面位于較高水位。

將湖平面升降曲線與層序-沉積連井剖面進行對比分析,發(fā)現湖平面的升降變化與沉積相帶縱向演變、橫向遷移相互契合,因此認為本次得到的湖平面升降曲線能夠代表臺盆區(qū)三疊系的湖平面變化曲線。

5 結論

(1)在相對穩(wěn)定的陸相湖盆中,借助小波分析可以有效識別各級層序旋回的變化。Morlet小波變換能譜分析圖能夠揭示出沉積時期水體能量的變化,Fischer圖解揭示出可容納空間的變化,精細地反映相對湖平面變化的趨勢。

(2)通過小波變換定量層序劃分在塔里木盆地三疊系臺盆區(qū)不同區(qū)帶識別出多個不同級別的高頻旋回,最完整區(qū)帶為塔北隆起帶,共識別出5個長期層序、9個中期層序和61個短期層序。旋回保存完整性從高到低依次為塔北隆起帶、北部坳陷帶、中央隆起帶、西南坳陷帶。

(3)根據能譜分析圖可以劃分出沉積時期水體能量變化趨勢及沉積模式,能量團減弱對應湖平面上升;能量團增強,對應湖平面下降。

(4)臺盆區(qū)三疊系湖平面變化以塔北隆起帶最具有代表性,整體呈現一次大規(guī)模的湖退到湖侵。俄霍布拉克組先緩慢湖退,直至克拉瑪依組中期,可容納空間達到最低值,此后緩緩湖侵,黃山街組時期達到可容納空間最大值,并一直在較高水位動蕩。