湖相泥頁(yè)巖天文地層旋回測(cè)井識(shí)別在沾化凹陷沙三下亞段的應(yīng)用

閆建平, 言語(yǔ), 彭軍, 馮春珍, 耿斌, 李興文

(1.西南石油大學(xué)天然氣地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610500; 2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川 成都 610500; 3.中國(guó)石油大慶油田采油六廠一礦, 黑龍江 大慶 163712; 4.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部, 陜西 西安 718500; 5.中國(guó)石化勝利油田勘探開(kāi)發(fā)研究院, 山東 東營(yíng) 257015)

0 引 言

隨著非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)研究的精細(xì)和深入,陸相湖盆泥頁(yè)巖地層旋回學(xué)研究也越來(lái)越受到重視[1-4]。朱光有等[2]在對(duì)東營(yíng)凹陷牛38井沙河街組泥頁(yè)巖的研究中發(fā)現(xiàn),密集采樣分析結(jié)果表明有機(jī)碳含量(TOC)等多項(xiàng)地球化學(xué)參數(shù)呈現(xiàn)出波峰、波谷狀變化特征,清晰地記錄了湖平面的旋回式(升降)變化過(guò)程。陳中紅等[5]也指出該井段沙河街組沙三段泥頁(yè)巖地層的沉積特征在宏觀、微觀尺度上都體現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性。沉積學(xué)研究表明,這種沉積物的不同韻律特征形成了不同級(jí)次的地層和旋回[6],而在研究這種地層旋回性時(shí),最重要的是界面的識(shí)別與劃分[7]。但由于泥頁(yè)巖顆粒細(xì),巖相看似單一,沉積間斷通常不明顯,使得厚層泥頁(yè)巖的分層研究成為亟需解決的難題。

米蘭科維奇理論是描述天文因素變化導(dǎo)致地球軌道3要素(偏心率、地軸傾斜度、歲差)周期性變化的方法[8],而地球軌道參數(shù)的變化是迄今為止地質(zhì)尺度上唯一可以精確定量計(jì)算的周期現(xiàn)象,可以用作地質(zhì)計(jì)時(shí)標(biāo)尺[9]。地球物理測(cè)井技術(shù)能夠獲得井眼剖面的巖石物理參數(shù),一定程度上記錄了泥頁(yè)巖地層中的旋回變化特征。通過(guò)信號(hào)處理方法對(duì)測(cè)井曲線中的隱含信息分析,可以更好地揭示測(cè)井資料與天文地層旋回之間的關(guān)系[10-11]。常用信號(hào)頻譜分析方法有傅里葉變換、最大熵譜、小波變換等[12-13]。

本文從天文地層學(xué)理論出發(fā),依據(jù)不同尺度旋回的地質(zhì)成因理論,從信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)的角度考慮,采用頻譜分析和小波分析結(jié)合的方法,對(duì)沾化凹陷沙三下亞段湖相泥頁(yè)巖自然伽馬曲線進(jìn)行處理,開(kāi)展天文地層旋回劃分研究,在得知沙三下亞段時(shí)間跨度約為2 Ma[14]的基礎(chǔ)上,將沙三下亞段劃分出了18個(gè)偏心率周期,有效地解決了湖相厚層泥頁(yè)巖分層和地質(zhì)年代精確確立的問(wèn)題,有助于深湖-半深湖泥頁(yè)巖地層對(duì)比。分析討論了偏心率變化對(duì)氣候的控制作用,發(fā)現(xiàn)偏心率較大時(shí)氣候相對(duì)濕潤(rùn),方解石含量較低,而TOC含量較高,很大程度上影響了沉積物中有機(jī)質(zhì)含量的變化,進(jìn)而對(duì)泥頁(yè)巖地層垂向上的有機(jī)質(zhì)非均質(zhì)性分布及有利泥頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層甜點(diǎn)預(yù)測(cè)具有指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

沾化凹陷位于濟(jì)陽(yáng)坳陷東北部,盆地平面上呈現(xiàn)向西南端收斂、向北東撒開(kāi)的喇叭狀,屬于渤海灣中新生代裂谷盆地的一部分[15-16]。沾化凹陷開(kāi)始形成于始新世早期,沙河街組沉積時(shí)期凹陷北部北東向斷裂帶活動(dòng)強(qiáng)烈,發(fā)育成1套以湖相為主的沉積體[17]。羅家地區(qū)位于沾化凹陷中部的羅家鼻狀構(gòu)造帶上[18],該區(qū)在沙三段沉積時(shí)期,因湖盆強(qiáng)烈拉張斷陷,沉積范圍擴(kuò)大,逐層超覆于沙四段地層之上,沉積了厚100～300 m湖相暗色泥巖地層[16-19]。沙三段沉積時(shí)期整體氣候相對(duì)溫濕,但自下至上還存在一定的變化,總體上主要表現(xiàn)為從熱干向熱濕的轉(zhuǎn)變[20]。

沾化凹陷L井其沙三下亞段(2 910～3 123.5 m)地層形成于深湖-半深湖環(huán)境,巖性主要以深灰色油泥巖、深灰色泥巖、深灰色灰質(zhì)油泥巖、灰褐色油頁(yè)巖為主,期間未發(fā)現(xiàn)明顯地層缺失及沉積間斷,是進(jìn)行天文地層旋回研究的理想對(duì)象。測(cè)井曲線是載有地層沉積旋回信息的信號(hào)[21],利用傅里葉變換可以將測(cè)井曲線信號(hào)分解成正弦波并分析其中包含的頻率成分,小波分析在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率,而在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率[22]。將2種方法結(jié)合使用,便能夠有效地分析測(cè)井信號(hào)中的優(yōu)勢(shì)頻率和分析時(shí)間域的局部特征,從而有助于識(shí)別地層中的天文地層旋回信息。

2 測(cè)井識(shí)別天文地層旋回

2.1 地層中的天文旋回記錄

奧陶系全球廣泛發(fā)育碳酸鹽巖,石炭系、二疊系廣泛發(fā)育煤層,白堊系廣泛發(fā)育海相沉積和深水湖相沉積,這些地層的全球一致性并非偶然,它預(yù)示著全球在顯生宙時(shí)期存在某種支配作用下伴生的沉積環(huán)境變化[23],而起這種支配作用的是地球軌道參數(shù)[9]。地球軌道參數(shù)的變化會(huì)對(duì)氣候產(chǎn)生影響,但第一次對(duì)地球軌道參數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算的是前南斯拉夫氣象學(xué)家M.Milankovitch,他提出產(chǎn)生形成第四紀(jì)冰期、間冰期的因素為地球軌道3要素的周期性變化假說(shuō)。地質(zhì)工作者將地層記錄與這種周期(米蘭科維奇旋回)變化結(jié)合起來(lái),并將其應(yīng)用于地質(zhì)年代學(xué)當(dāng)中,以提高年代地層框架的精度和分辨率[7,24-25]。

湖泊沉積具有連續(xù)、分辨率高以及古環(huán)境信息豐富等特點(diǎn),韻律性沉積作為湖相沉積體系中最常見(jiàn)的地質(zhì)現(xiàn)象之一,有利于幫助提供古氣候周期、地質(zhì)事件重現(xiàn)等演化過(guò)程的信息[1,26]。在地層中反映地球軌道參數(shù)周期性變化所引起的氣候變化能夠被測(cè)井曲線記錄下來(lái),其縱向分辨率范圍也恰好與Milankovitch的米級(jí)周期量級(jí)相符合,因此,測(cè)井資料可作為檢測(cè)天文地層旋回的主要資料[27-31]。李鳳杰等[32]采用頻譜分析對(duì)鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延安組湖沼相GR曲線進(jìn)行反演,發(fā)現(xiàn)地層中很好地保存了高頻的米蘭科維奇旋回,說(shuō)明了對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行頻譜分析可用于進(jìn)行高頻沉積旋回分析。姚益民等[33]對(duì)東營(yíng)凹陷東辛2-4井的磁化強(qiáng)度(MI)和電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行頻譜和小波分析,可求出各層主要優(yōu)勢(shì)旋回,并結(jié)合濾波,計(jì)算出了各層段的地質(zhì)年齡。因此,綜合利用測(cè)井曲線反映地質(zhì)變化的特征,運(yùn)用不同的信號(hào)分析方法對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行處理,對(duì)識(shí)別泥頁(yè)巖地層中的不同尺度天文地層周期,進(jìn)而對(duì)確定地層地質(zhì)年齡有重要意義。

2.2 頻譜分析提取優(yōu)勢(shì)頻率的理論基礎(chǔ)

將測(cè)井信號(hào)連續(xù)的深度域數(shù)值序列看作時(shí)間域,便可對(duì)測(cè)井信號(hào)進(jìn)行屬性提取分析。目前提取的屬性參數(shù)主要有能量、功率、小波系數(shù)、分形及多元統(tǒng)計(jì)分析(特征參數(shù))等,它們與儲(chǔ)層特征、巖性、物性、孔隙流體性質(zhì)等有密切關(guān)系[34]。頻譜分析是把時(shí)間序列看成頻率組合的分析方法,在數(shù)學(xué)上任何周期函數(shù)都可以以不同頻率的正、余弦組合進(jìn)行逼近,任意的周期信號(hào)均可以分解成不同頻率的諧波分量之和[35]。對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行頻譜分析就是將深度域的連續(xù)數(shù)據(jù)序列變換到頻率域進(jìn)行分析。

研究周期性現(xiàn)象最常用的是快速傅里葉變換(FFT),通過(guò)FFT將信號(hào)分解為振幅譜與相位譜,從而求取周期信號(hào)的優(yōu)勢(shì)頻率。傅里葉變換函數(shù)常以連續(xù)函數(shù)得出,若變換函數(shù)為x(t),則傅里葉變換由式(1)得出[36]

(1)

式中,t為時(shí)間;f為頻率。通過(guò)求解頻率值后取倒數(shù)為旋回的波長(zhǎng)(即厚度)[37]。

2.3 小波多尺度分解及功率譜估計(jì)

為彌補(bǔ)頻譜分析不能反映周期性的深度位置,不能從整體上劃分出不同級(jí)別的沉積旋回界面的缺陷,一些學(xué)者采用小波多尺度分析方法[6,38-39]。小波變換[40]中小波(wavelet)的時(shí)間-頻率窗不是固定不變的,而是具有自適應(yīng)性的,在識(shí)別不同級(jí)別的沉積旋回方面,小波分析方法顯示了較好的識(shí)別效果[41-42],它具有多分辨率的特點(diǎn)[43],克服了Fourier分析單一分辨率及不能反映時(shí)域頻域的局部性特征的缺點(diǎn),能由粗到細(xì)地觀測(cè)測(cè)井信號(hào)中的沉積旋回信息。采用Morlet小波基對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行小波多尺度分解,能夠得出一系列與尺度和深度相對(duì)應(yīng)的小波變換系數(shù)值,可檢測(cè)地層當(dāng)中隱藏的旋回信息。

依據(jù)小波多尺度變換系數(shù)的二維及三維時(shí)頻色譜圖的周期振蕩性來(lái)劃分地層不同尺度的沉積旋回界面在讀數(shù)時(shí)存在誤差、不夠直觀的問(wèn)題。因此,借鑒一種基于小波變換的功率譜估計(jì)提取不同級(jí)別(尺度)旋回的方法[44],可將含有沉積旋回信息的測(cè)井曲線進(jìn)行小波多尺度變換,變換后對(duì)小波系數(shù)作功率譜分析,便能反映地層沉積單元級(jí)別從小尺度到大尺度的能量變化。

功率譜估計(jì)是用給定的1組樣本數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的功率譜密度的方法,它能給出被分析對(duì)象能量隨頻率的分布情況[45]。直接法功率譜又稱為周期圖法,它將平穩(wěn)信號(hào)序列X(n)的N點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)X(n)視為能量有限的信號(hào),直接對(duì)信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)X(n)進(jìn)行傅里葉變換得到X(k),再取其幅頻特性的平方,并除以數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N,則X(k)與功率譜密度估計(jì)P的關(guān)系為

(2)

由于信號(hào)傅里葉變換有單一分辨率的局限性,因此,可以選取序列X(n)在每一尺度下的小波變換系數(shù)Ws(k),即每一個(gè)尺度值對(duì)應(yīng)著一個(gè)功率值,其形式為式(3),即

(3)

式中,s為尺度值(尺度因子),由此可得功率譜P(s),其地質(zhì)意義代表地層沉積單元級(jí)別從小尺度到大尺度的能量變化。

3 天文地層旋回的劃分

對(duì)L井沙三下亞段GR測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,其結(jié)果(見(jiàn)圖1、表1)表明主要的旋回厚度有14.187、6.002 2、4.801 8、2.714、2.257 m,其比值為6.286∶2.659∶2.128∶1.202∶1與軌道周期125 ka∶52 ka∶40 ka∶23 ka∶19 ka的比例關(guān)系6.579∶2.842∶2.158∶1.211∶1非常接近。因此,可認(rèn)為該比例關(guān)系下的地層旋回是由軌道周期3要素所控制形成的,進(jìn)而得知旋回厚度為14.187 m的旋回地層對(duì)應(yīng)于125 ka的偏心率周期,6.002 2 m與4.801 8 m的旋回地層分別對(duì)應(yīng)于52 ka和40 ka的斜率周期,而2.714與2.257 m的旋回地產(chǎn)則分別對(duì)應(yīng)于23 ka和19 ka的歲差周期。

為更好地認(rèn)識(shí)地層的沉積旋回性,選取Morlet小波基對(duì)GR曲線進(jìn)行連續(xù)小波多尺度變換分解,測(cè)井曲線被分解成周期獨(dú)立的沉積旋回,并以尺度的形式表現(xiàn)出來(lái)。作出小波時(shí)頻色譜圖(見(jiàn)圖2),通過(guò)觀察顏色變化能夠得到反映不同旋回級(jí)別所對(duì)應(yīng)的尺度值:s=5±、s=26±、s=50±、s=80±、s=122±;但用這種方法對(duì)尺度進(jìn)行識(shí)別時(shí),不夠直觀、精確,使讀數(shù)提取存在一定的誤差。

圖1 L井沙三下亞段GR曲線譜分析計(jì)算結(jié)果

為能夠直觀準(zhǔn)確地讀取優(yōu)勢(shì)旋回對(duì)應(yīng)的尺度值,對(duì)分解后的每一尺度下的小波系數(shù)進(jìn)行功率值計(jì)算,得到不同尺度下的功率譜,進(jìn)而提取不同級(jí)別(尺度)的旋回。功率譜中的突變點(diǎn)即可定量反映地層沉積單元級(jí)別的尺度值[39]。如圖3所示,對(duì)實(shí)測(cè)GR曲線進(jìn)行功率譜分析得到尺度值(s)為7、27、46、86、124幾個(gè)局部極值點(diǎn)。

表1 L井沙三下亞段GR曲線頻譜分析結(jié)果及其比例關(guān)系

圖2 多尺度小波變換系數(shù)二維平面圖 圖3 GR測(cè)井信號(hào)小波多尺度變換系數(shù)功率譜

取上述5個(gè)優(yōu)勢(shì)尺度值對(duì)自然伽馬測(cè)井曲線進(jìn)行小波分解,并利用Laskar[46]關(guān)于地球長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)軌道解的研究成果生成地球軌道要素的理論曲線,將小波分解結(jié)果與理論曲線進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)s=124的尺度下進(jìn)行小波分解得到的曲線頻率與偏心率理論曲線的頻率相似,二者具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,且從小波色譜圖中可以看出尺度值為124時(shí)具有相對(duì)穩(wěn)定的周期存在。以偏心率的每2個(gè)極小值點(diǎn)所形成的周期為目標(biāo)周期,對(duì)分解后的GR曲線進(jìn)行天文調(diào)諧,將沾化凹陷沙三下亞段地層劃分為18個(gè)偏心率周期,參照偏心率極小值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的地質(zhì)年代可建立其內(nèi)部的時(shí)間格架(見(jiàn)圖4)。

4 天文地層旋回劃分的應(yīng)用

圖4 沾化凹陷沙三下亞段半深湖-深湖相泥頁(yè)巖天文地層旋回劃分

圖5 天文地層旋回劃分綜合剖面圖*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

沾化凹陷沙三下亞段在氣候上有所波動(dòng),但整體自下至上表現(xiàn)為從相對(duì)干旱氣候向相對(duì)暖濕氣候轉(zhuǎn)換的趨勢(shì)。根據(jù)前人研究可知沙三下亞段可被劃分為2個(gè)層序(見(jiàn)圖5)[14],對(duì)2個(gè)層序的偏心率進(jìn)行分析可知,SQ1偏心率的平均值約為0.025 29,SQ2偏心率的平均值約為0.028 92,即相對(duì)暖濕氣候下發(fā)育的SQ2的偏心率略大于相對(duì)干旱條件下發(fā)育的SQ1的偏心率值。進(jìn)一步對(duì)層序中各體系域的發(fā)育情況與偏心率進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在SQ2中低位(LST)、水侵(TST)、高位(HST)對(duì)應(yīng)的偏心率平均值分別約為0.024 89、0.028 16和0.019 76,而SQ1中LST、TST、HST對(duì)應(yīng)的偏心率平均值分別約為0.027 27、0.030 16和0.033 03,2個(gè)層序內(nèi)低位、水侵、高位體系域偏心率平均值為0.026 08、0.029 16、0.026 39,從以上數(shù)據(jù)可以看出偏心率較高時(shí)與水侵體系域相對(duì)應(yīng)。

暖濕氣候有利于生物的大量繁殖,這是有機(jī)質(zhì)能夠大量保存的前提條件,經(jīng)計(jì)算SQ2的TOC平均值為3.48%,SQ1的TOC平均值為2.54%,同時(shí)在2個(gè)層序內(nèi)部TST的平均TOC含量也均為各層序內(nèi)部最高的,由此可知偏心率值較高的層段TOC的平均含量一般相對(duì)較高,有益于形成優(yōu)質(zhì)烴源巖,對(duì)應(yīng)適當(dāng)?shù)目紫抖扰c脆性礦物含量時(shí)可能成為較好的頁(yè)巖油氣儲(chǔ)集層段。

方解石對(duì)氣候環(huán)境較靈敏,其相對(duì)含量是古環(huán)境信息的重要來(lái)源。氣候偏干旱時(shí)水體蒸發(fā)作用較強(qiáng),碳酸鹽(主要為方解石)含量較高;相反,當(dāng)氣候相對(duì)濕潤(rùn)時(shí)碳酸鹽含量較低[47]。對(duì)劃分的18個(gè)偏心率周期內(nèi)的方解石含量進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)方解石含量與偏心率含量呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)(見(jiàn)圖6),進(jìn)一步佐證了偏心率增大時(shí)氣候會(huì)向暖濕轉(zhuǎn)變。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能與太陽(yáng)輻射有關(guān),偏心率決定太陽(yáng)與地球的距離,地球接收的太陽(yáng)輻射的年總量會(huì)隨偏心率的微小變化而變化,而氣候的變化幅度與地球接收太陽(yáng)輻射有著密切關(guān)系。根據(jù)Milankovicth理論,在不考慮地表輻射和大氣吸收的前提下,地球年接收到的太陽(yáng)輻射量表示為[48]

(4)

式中,T為1 a的周期;I0為太陽(yáng)常數(shù);b0為與地方維度和黃赤交角有關(guān)的量;e為地球軌道偏心率,其值在0.000 5到0.075變化。

根據(jù)式(4)可知當(dāng)偏心率增大的時(shí)候地球上界接收到的日照量是增大的[49],這會(huì)使氣候變得溫暖潮濕,物源供給會(huì)變得相對(duì)豐富,生物有機(jī)質(zhì)豐富,有利于發(fā)育細(xì)粒且富有機(jī)質(zhì)的沉積地層。

圖6 方解石含量和偏心率的關(guān)系

5 結(jié) 論

(1) 利用頻譜分析方法,對(duì)沾化凹陷沙三下亞段GR測(cè)井曲線進(jìn)行頻譜分析,得到了地層當(dāng)中的優(yōu)勢(shì)頻率,求解頻率值后取倒數(shù)為旋回的波長(zhǎng)即厚度,有14.187、6.002 2、4.801 8、2.714、2.257 m等4個(gè)優(yōu)勢(shì)厚度,與米蘭科維奇各軌道參數(shù)的比值接近。

(2) 對(duì)GR曲線進(jìn)行基于小波變換的功率譜分析,可得出具有優(yōu)勢(shì)旋回所對(duì)應(yīng)的尺度值,在幾個(gè)優(yōu)勢(shì)尺度值進(jìn)行小波多尺度分解,發(fā)現(xiàn)尺度值為124的小波系數(shù)曲線與偏心率理論曲線具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,據(jù)此將沙三下亞段泥頁(yè)巖劃分出18個(gè)偏心率周期,確立了其內(nèi)部精確的地質(zhì)年代。

(3) 暖濕氣候下SQ2偏心率的平均值略大于相對(duì)干旱時(shí)期SQ1偏心率的平均值,且對(duì)應(yīng)的TOC含量較高,方解石含量和偏心率也存在一定的關(guān)系,偏心率增大時(shí),方解石含量呈減小趨勢(shì),表明氣候向暖濕轉(zhuǎn)化。因此,偏心率值較高的層段具備了當(dāng)前頁(yè)巖油氣要求富有機(jī)質(zhì)的條件,是潛在的頁(yè)巖油氣有利儲(chǔ)集層段。

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