油氣田古地貌恢復方法研究進展

趙永剛+王東旭+馮強漢+張棟梁+王少飛+馮永玖+付曉燕+南喜祥

摘 要：目前已在較廣的學科范圍及其領(lǐng)域內(nèi)應用到古地貌研究成果，古地貌恢復更是與油氣田勘探開發(fā)關(guān)系密切。隨著石油工業(yè)的快速發(fā)展，油氣田古地貌恢復方法的研究有了比較明顯的進展。通過分析近些年興起的代表性古地貌恢復方法，總結(jié)中國油氣田古地貌恢復方法研究的主要進展。①古地貌恢復方法的理論基礎(chǔ)多元化：分析古構(gòu)造、古水系、古流向和沉積相等的綜合性研究是沉積學古地貌恢復法的關(guān)鍵所在；將基準面和最大洪泛面結(jié)合進行基準面旋回對比來反映沉積前古地貌形態(tài)，是高分辨率層序地層學古地貌恢復法的核心思路；依據(jù)三級地貌概念模式指導微地貌精細刻畫，是井區(qū)尺度巖溶微地貌恢復法的主要優(yōu)勢；碳酸鹽巖沉積期微地貌恢復法的主要原則是尋找等時地質(zhì)體，確定臺地淺灘的暴露時間，利用顆粒巖的厚度對暴露淺灘的微地貌進行有效恢復。②古地貌恢復方法的實用性越來越強：鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地、塔里木盆地和四川盆地的油氣田實例說明，雖然在采用這些古地貌恢復方法時，定量研究的手段均有待加強，但仍然為油氣田儲層預測和油氣富集有利區(qū)優(yōu)選提供了重要支撐，其應用前景廣闊。③古地貌恢復方法之間優(yōu)勢互補，趨于綜合研究：沉積學古地貌恢復法目前應用比較成熟；高分辨率層序地層學古地貌恢復法的研究工作處于起步階段；井區(qū)尺度巖溶微地貌恢復法適合于潮坪為主的碳酸鹽巖臺地；碳酸鹽巖沉積期微地貌恢復法適用于灘體發(fā)育的碳酸鹽巖臺地。不同方法的綜合研究是油氣田古地貌恢復方法發(fā)展的必然趨勢。

關(guān)鍵詞：古地貌；恢復方法；沉積學；高分辨率層序地層學；井區(qū)尺度；沉積期；油氣田

中圖分類號：P931；P531 文獻標志碼：A

Abstract： At present， the paleogeomorphology has been widely used in many subjects and their application fields. Paleogeomorphologic reconstruction has close relations with exploration and development of oil and gas fields. With the rapid development of petroleum industry， the study on palaeomorphologic reconstruction methods has relatively obvious progresses in oil and gas fields. These representative new palaeomorphologic reconstruction methods in recent years were analyzed， and the main research progresses in oil and gas fields of China were summarized. ①The theoretical basis of palaeomorphologic reconstruction methods is diversified. Firstly， the key of sedimentology paleogeomorphic reconstruction method is the comprehensive study on paleostructure， paleo-drainage-system， paleocurrent direction， sedimentary facies， etc.； secondly， the core thought of high resolution sequence stratigraphy reconstruction method is to reflect the palaeogeomorphic form of pre-depositional stage by means of base-level cycle correlation based on the combination of base-level and maximum flood flooding surface； thirdly， the karst microtopography reconstruction method of well area scale has an obvious advantage， which is that the conceptual model of three-level paleogeomorphology could guide fine characterization of microtopography； fourthly， the main principle of carbonate rock microtopography reconstruction method on the depositional stage is chosing the isochronous geologic body， confirming platform shoal exposed time and effectively reconstructing microtopography of exposed shoal by means of grainstone gross-thickness. ②The practicability of palaeomorphologic reconstruction methods is better and better. Examples of application in Ordos Basin， Bohai Bay Basin， Tarim Basin and Sichuan Basin illustrate that they can provide an important support for the reservoir prediction and favorable area optimization， while the ways of quantitative research are relatively poor. These methods still have broad application prospects in oil and gas fields. ③Complementary advantages exist among palaeomorphologic reconstruction methods， while they have a trend to comprehensive research. Sedimentary paleogeomorphic reconstruction method is one of relatively mature methods in its application field at present； the research work of high resolution sequence stratigraphy reconstruction method is yet at its beginning stage； karst microtopography reconstruction method of well area scale is well applied to the carbonate platform of tidal flat development； carbonate rock microtopography reconstruction method is appropriate for the carbonate platform with the development of beach body. The comprehensive study of different reconstruction methods is an inevitable trend for palaeomorphologic reconstruction in oil and gas fields.

Key words： palaeomorphology； reconstruction method； sedimentology； high resolution sequence stratigraphy； well area scale； depositional stage； oil and gas fields

0 引 言

地貌就是地球表面的形態(tài)。地貌學作為地球科學中介于自然地理學和地質(zhì)學間的一門邊緣科學，主要研究地表的形態(tài)、成因、分布及其發(fā)育規(guī)律[1]。古地貌恢復目前已經(jīng)成為地貌學研究的重要領(lǐng)域之一。古地貌是地史時期的地表形態(tài)，絕大多數(shù)目前已經(jīng)消失，部分殘缺不全，或埋藏于地下或出露于地表，因此，古地貌恢復難度大，研究進展緩慢。近年來，隨著石油工業(yè)的快速發(fā)展，帶動了石油地質(zhì)理論與技術(shù)方法的創(chuàng)新，油氣田古地貌恢復方法的研究也隨之取得了較明顯的進展。本文立足于油氣田實例，在回顧油氣田古地貌恢復歷程及方法的基礎(chǔ)上，通過分析近年來出現(xiàn)的備受關(guān)注的油氣田古地貌恢復方法，得出中國油氣田古地貌恢復方法研究的一些主要進展。

1 油氣田古地貌恢復的歷程及方法

國外古地貌研究起步于20世紀50年代，將古地貌與油氣勘探直接聯(lián)系起來的論述首見于Thornpury 1954年發(fā)表的《石油勘探中地貌學的運用》一書中[2]。該著作著重從潛伏喀斯特地形、帶狀砂和交角不整合等方面，探討了油氣聚集中不整合侵蝕面的重要作用。目前已在較廣的學科范圍及其領(lǐng)域內(nèi)應用到古地貌研究成果[3-9]。中國真正重視油氣田古地貌開始于20世紀70年代中后期，主要是將古地貌研究與油氣田勘探開發(fā)緊密聯(lián)系起來，近些年發(fā)展迅速，涌現(xiàn)出一批代表性成果。如鄂爾多斯盆地前侏羅紀古地貌研究[2，10-18]、石炭紀古地理格局及古地貌單元研究[19]、奧陶系碳酸鹽巖氣田的發(fā)現(xiàn)及古地貌研究[20-31]，渤海灣盆地碳酸鹽巖古潛山地貌研究[32-35]、古近紀沉積期古地貌研究[36-42]，塔里木盆地塔河油田奧陶系古地貌研究[43-49]、塔河油田石炭系古地貌分析[50]、塔中地區(qū)奧陶系古地貌研究[51-55]、塔北地區(qū)奧陶紀巖溶古地貌刻畫[56-58]，四川盆地內(nèi)與區(qū)域不整合有關(guān)的古地貌恢復研究[59-67]、沉積期微古地貌恢復研究[68-69]等。從油氣田實例看，中國油氣田古地貌恢復工作的重要進展是確定了研究工作的核心內(nèi)容是恢復古地貌形態(tài)和劃分古地貌單元，其次是分析古地貌與沉積體系、層序地層、儲層及油氣藏分布的關(guān)系，并將油氣富集區(qū)的有效預測與特定的古地貌單元聯(lián)系起來[12-18，28，31]，從而豐富了中國的油氣成藏模式[16]。

目前流行于國內(nèi)外的古地貌恢復方法概括起來主要有：印模法[13，17，21，56，59]、殘余厚度法[22]、填平補齊法[28]、層拉平法[24，40，47]、沉積學分析法[12，16]、誤差模擬法[46]、層序地層學古地貌恢復法（包括高分辨率層序地層學古地貌恢復法） [19，34，44，48，70]、回剝法[71]、井震聯(lián)合恢復法 [26-27，39，42，52]和碳酸鹽巖沉積期微地貌恢復法[68-69]等。研究人員通常是將幾種方法組合來恢復古地貌[14-16，18，25-27，29，35，46，51，53，60，63-64，72-74]。早期廣泛應用的古地貌恢復方法都是比較傳統(tǒng)和經(jīng)典，例如殘余厚度法、印模法和填平補齊法等。古地貌恢復實踐中，研究人員往往重視殘余厚度和印模厚度，機械地遵循“填平補齊”原則，使古地貌恢復變得簡單且便于操作，但也帶來了明顯問題，即圖疊圖誤差大致使古地貌恢復的精度低，如果遇到地層剝蝕嚴重的情況，基本上束手無策。沉積學古地貌恢復法、高分辨率層序地層學古地貌恢復法、井區(qū)尺度巖溶微地貌恢復法及碳酸鹽巖沉積期微地貌恢復法是近年來興起的古地貌恢復方法。

2 古地貌恢復方法研究進展

沉積學古地貌恢復法、高分辨率層序地層學古地貌恢復法、井區(qū)尺度巖溶微地貌恢復法及碳酸鹽巖沉積期微地貌恢復法由于基于沉積學的綜合性研究，具有等時意義的基準面旋回對比，建立三級地貌概念模式及碳酸鹽巖臺地灘體遷移變化，使其在古地貌恢復中表現(xiàn)出自己的特色，并具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，從而受到廣泛關(guān)注。筆者通過分析這些主要古地貌恢復方法的理論基礎(chǔ)、應用實例和存在問題等，得出中國油氣田古地貌恢復方法研究的一些具體進展。

2.1 沉積學古地貌恢復法

沉積學是研究沉積物、沉積過程、沉積巖和沉積環(huán)境的科學 [75]。實踐證明，沉積環(huán)境分析基本上就是古地貌學研究的核心內(nèi)容之一[76]，但事實上，在傳統(tǒng)的古地貌恢復中，研究人員往往忽略沉積學的綜合性研究。目前，研究人員已經(jīng)意識到從沉積學入手是恢復古地貌的一個重要途徑。

2.1.1 理論基礎(chǔ)

沉積學古地貌恢復法就是利用各種基本的地質(zhì)圖件（主要包括沉積前的古地質(zhì)圖、地層厚度等值線圖、砂巖厚度等值線圖、巖相古地理圖等，這些圖件是互相補充、相互修正完善的），并通過開展古構(gòu)造、古水系、古流向和沉積相等的綜合性研究，從而達到認識沉積前古地貌形態(tài)的目的[12]。

該方法恢復古地貌的主要工作內(nèi)容包括：利用古地質(zhì)圖件，從區(qū)域上了解研究區(qū)的古地形，明確各地區(qū)的剝蝕程度，并確定其古構(gòu)造格局；在認識該地區(qū)古構(gòu)造格局及發(fā)育特點的基礎(chǔ)上，判斷構(gòu)造沉降區(qū)和抬升區(qū)的分布位置；認識該地區(qū)地層發(fā)育和分布特點及沉積體系在時空的配置演化規(guī)律；根據(jù)該地區(qū)沉積相的研究成果恢復古環(huán)境，分析古地貌；該地區(qū)古地形特征的研究主要借助于古流向的研究及物源的綜合分析；最終確定出剝蝕區(qū)和沉積區(qū)在當時的分布位置及大致范圍，并通過對沉積體系背景及發(fā)育狀況的了解，判別當時該地區(qū)沉積體系的具體類型、特點與水動力特征，同時對該地區(qū)地層的時空配置關(guān)系和地形總體式樣也會有比較清楚的認識[12，77]。

2.1.2 應用實例

該方法恢復古地貌的基本流程：利用沉積相標志及相律大致確定古地貌類型；錄井、測井技術(shù)相結(jié)合，綜合分析古侵蝕面特征；利用古水系預測法等地質(zhì)分析方法，精細落實古地貌形態(tài)；利用三維地質(zhì)建模手段，重塑古地貌形態(tài)。

趙俊興等在恢復鄂爾多斯盆地前侏羅紀古地貌的同時，揭示了該盆地侏羅紀沉積前的古地貌特征，主要應用了沉積學原理及其分析方法[12]。該盆地侏羅紀沉積前總體顯現(xiàn)為西高、中陷和東緩的向東及東南方向開口的似盆狀構(gòu)造式樣的古地形地貌特征；該盆地劃分出古河道、斜坡階地區(qū)、谷地平原區(qū)、坳陷區(qū)和高地剝蝕區(qū)等地貌單元類型（圖1）。同時，通過對該盆地前侏羅紀古地貌特征與下侏羅統(tǒng)沉積相分布及侏羅系油藏分布關(guān)系的研究，趙俊興等探討了沉積前古地貌對后期油藏的具體控制作用，認為古地貌不但控制了盆地下侏羅統(tǒng)地層、沉積相和儲蓋組合特征，而且也影響甚至控制了該地區(qū)侏羅系油藏的分布[12]。

朱靜等在分析區(qū)域構(gòu)造背景、沉積地層發(fā)育特點及沉積背景的基礎(chǔ)上，根據(jù)各層組砂巖厚度和地層厚度的變化趨勢，通過獲取關(guān)鍵性參數(shù)（如古流向、古地形高差、坡度等），參考地震剖面，利用印模法、殘余厚度法和沉積學分析法綜合恢復鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)前侏羅紀古地貌[16]。其古地貌劃分為侵蝕河谷（分為一、二、三級古河谷，其中三級古河谷不但使古地貌趨于復雜化，同時也影響著油氣的富集）、古隆起斜坡帶（有合適的圈閉條件即可富集成藏）、古階地（常與延長組裂縫系統(tǒng)一起構(gòu)成石油的輸導體系）、河間丘（侏羅系油藏分布的重點地區(qū)之一）、古高地。與趙俊興等恢復古地貌的工作成果[12]相比，朱靜等不但采用沉積學分析法恢復出鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)前侏羅紀古地貌形態(tài)，而且首次做出其三維模擬還原圖，使鄂爾多斯盆地前侏羅紀古地貌恢復工作更進一步，同時還總結(jié)出6類古地貌油藏成藏模式[16]。

2.1.3 存在問題

沉積學古地貌恢復法的定量化手段需要進一步加強，從而影響了古地貌的恢復精度；該方法能夠?qū)崿F(xiàn)相對古地貌恢復，但還做不到恢復絕對古地貌?；謴徒^對古地貌時，恢復剝蝕厚度、脫壓實校正及校正古水深等問題都屬于需要解決的難題[39]，雖然可以利用指示古水深的生物或巖礦進行古水深校正，但是沉積學古地貌恢復法由于定量研究的手段不足等，使剝蝕厚度恢復和脫壓實校正等問題仍不能得到很好的解決。

該方法雖然存在著上述不足與缺陷，但是它仍然是目前在油氣田應用比較成熟的古地貌恢復方法之一。

2.2 高分辨率層序地層學古地貌恢復法

高分辨率層序地層學（High Resolution Sequence Stratigraphy）分為傳統(tǒng)高分辨率層序地層學和現(xiàn)代高分辨率層序地層學。“可容納空間”、“相對海平面變化”、“強制性海退”等概念的提出，標志著傳統(tǒng)高分辨率層序地層學的形成，層序和體系域劃分精度的提高也緣于這些研究成果。但是，傳統(tǒng)高分辨率層序地層學未能構(gòu)成獨立的理論體系，只是補充和完善了層序地層學理論體系[78]。Cross提出了現(xiàn)代高分辨率層序地層學，吸收并發(fā)展完善了Wheelers提出的基準面概念，將基準面視作高分辨率層序地層學的核心，地層基準面原理、體積分配原理、相分異原理和旋回等時對比法則共同構(gòu)成了現(xiàn)代高分辨率層序地層學完整的理論體系?，F(xiàn)代高分辨率層序地層學問世后立即受到油氣地質(zhì)工作者的廣泛關(guān)注。以其理論和方法為指導，前人在油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域開展了多方面的研究工作，但總的來看，其應用大多局限于儲層的精細對比方面[78]。高分辨率層序地層學古地貌恢復法就是將基準面和最大洪泛面結(jié)合進行基準面旋回對比來反映沉積前古地貌形態(tài)。利用該方法恢復古地貌的研究工作目前處于起步階段[70]，在一些地方進行了應用研究[19]。

2.2.1 理論基礎(chǔ)

趙俊興等從理論基礎(chǔ)、技術(shù)方法（分單一沉積體系和多種沉積體系組合兩種情況）及基準面旋回級次的選擇等方面論證認為，高分辨率層序地層學古地貌恢復法能夠得到某一基準面旋回沉積前的原始古地貌形態(tài)[70]，因此，該方法恢復古地貌是可行的。

通常認為，盆地內(nèi)沉積相的發(fā)育及分布常常受控于沉積前古地貌。對沉積地層進行高分辨率的等時地層對比是可以通過由基準面旋回變化所控制的地層單元結(jié)構(gòu)類型、疊加式樣及其在基準面旋回中所處的位置與沉積動力學關(guān)系等方面來進行的，因此，利用該方法進行沉積前古地貌恢復是建立在確定等時基準面的基礎(chǔ)上的。利用該方法恢復沉積前古地貌時，雖然基準面作為其參考界面，但是對比時所使用的基準面旋回級次應針對研究需要來具體選擇[70]。

該方法恢復古地貌的首要工作就是對比參照面的選擇。沉積盆地中的等時基準面一般都是連續(xù)光滑曲面。不同地方的曲率大小不同，這是因為它們處于不同的沉積體系中?？梢砸曰鶞拭孀鳛閷Ρ葏⒄彰鎭砘謴统鱿路貙映练e前的原始古地貌形態(tài)（圖2） [70]；在實際的地層等時對比中，具有更好的實際操作性的參照面通常是最大洪泛面，因此，該方法的技術(shù)關(guān)鍵是等時性基準面與最大洪泛面結(jié)合進行地層對比來反映沉積前古地貌形態(tài)[77]；應用該方法恢復古地貌過程中，還應考慮壓實作用影響，主要是為了提高恢復精度，目前多使用壓實率系數(shù)進行原始沉積厚度的校正。

2.2.2 應用實例

吳賢順等以鄂爾多斯盆地為例，從高分辨率層序地層學角度研究了層序地層中古地貌對儲層發(fā)育的影響，分析了隨基準面旋回的變化而對不同類型儲層發(fā)育能夠產(chǎn)生影響的主要古地貌類型（古凸起和下切溝谷）[19]。古凸起和下切溝谷之所以對儲層預測和識別具有明顯的指導作用，主要是由于這些古地貌類型在基準面變化的不同時期對沉積物的體積分配和相分異均產(chǎn)生過比較明顯的影響[19]。

2.2.3 存在問題

基準面與最大洪泛面結(jié)合進行基準面旋回對比來反映沉積前古地貌形態(tài)是一個理想的研究思路，但在恢復古地貌的實際工作中面臨著可操作性不盡如人意，開展工作難度相對較大的諸多問題。