粗粒碎屑巖礫石定向性定量表征方法及應(yīng)用

黃遠(yuǎn)光，朱銳，張昌民，瞿建華，丁雲(yún)，胡慧，唐勇，安志淵

1.長江大學(xué)“油氣資源與勘探技術(shù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430100 2.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430100 3.中國石油新疆油田分公司，新疆克拉瑪依 834000

0 引言

非三維等軸礫石(尤其是扁平礫石)在流水或重力作用下，為了保持其最穩(wěn)定的排列狀態(tài)，會(huì)發(fā)生定向排列[1- 3]，如河流沉積中礫石疊瓦狀構(gòu)造。但在不同沉積條件下，礫石定向性特征會(huì)有所差異，定向性表征定量化是礫石定向性深入研究的必行途徑，因?yàn)槎勘碚魇苟ㄏ蛐蕴卣鲾?shù)值化，可以建立研究區(qū)礫石定向性特征數(shù)據(jù)庫，使定向性特征和沉積物的其他屬性(磨圓度、孔隙度等)特征精細(xì)比較和分析成為可能。Becker[4]對(duì)碎屑顆粒定向性進(jìn)行了研究，將碎屑顆粒的優(yōu)選排列稱為疊瓦狀構(gòu)造。Richter[5]則采用直方圖來表征冰磧物中鵝卵石的定向性特征。Wadell[6]提出科學(xué)采集礫石定向性數(shù)據(jù)的方法，并用極坐標(biāo)圖表征定向性特征。Holmes[7]運(yùn)用星狀圖來表征冰磧物中扁長礫石的定向特征數(shù)據(jù)。Cailleux[8]依據(jù)扁長礫石的長軸方位角相對(duì)于平均方位角的差值將礫石定向性分為三個(gè)等級(jí)：定向性好、定向性一般、定向性差。Fisher[9]用等密度圖表征礫石定向性，并總結(jié)了幾個(gè)典型等密度圖的形態(tài)模型以表征不同礫石定向性特征。Curray[10]運(yùn)用向量思想，使礫石定向性表征由定性邁向了定量表征。Major[11]依據(jù)礫石長軸方位角分布集中程度將定向性等級(jí)劃分為三個(gè)等級(jí)：定向性強(qiáng)、定向性弱、定向性差。Starkey[12]總結(jié)出8種定向性數(shù)據(jù)的分布模型：隨機(jī)模式、十字形帶狀模式、小圓形帶狀相鄰模式、對(duì)稱雙峰模式、帶狀模式、小型圓形條帶模式、部分帶狀模式、密集單峰模式。Rust[13]運(yùn)用定量方法對(duì)河流中礫石定向性特征做了研究，發(fā)現(xiàn)河流沉積中礫石定向性好。Lindsay[14]、Lawson[15]、Domack[16]運(yùn)用等密度圖對(duì)泥石流中礫石定向性特征做了研究，發(fā)現(xiàn)泥石流沉積中礫石定向性特征是差到中等。Spotts[17]運(yùn)用定量方法對(duì)野外濁流沉積中顆粒定向性做了研究，發(fā)現(xiàn)濁流沉積中顆粒定向性很好。國內(nèi)學(xué)者吳磊伯等[1- 3]與武安斌[18]運(yùn)用等密度圖對(duì)河漫灘礫石定向性展開了研究，發(fā)現(xiàn)河流沉積中礫石定向性好，楊光[19]在巖芯照片上分析礫石定向性，以視傾角10°為步長，用任意相鄰3個(gè)視傾角區(qū)間頻數(shù)之和的最大值與測量總數(shù)的比值作為衡量定向性的標(biāo)準(zhǔn)。倪良田等[20]對(duì)甘肅敦煌現(xiàn)代邊灘砂級(jí)顆粒疊瓦狀構(gòu)造做了研究。目前為止，礫石定向性研究大多基于野外露頭觀察，通過礫石定向性特征差異，來辨識(shí)不同的礫石原始沉積環(huán)境。但在油氣田勘探中，沉積相和沉積環(huán)境的判定大多是基于巖芯資料的觀察，那么從巖芯資料入手，如何表征巖芯中礫石定向性特征以及其在垂向上是否存在旋回？礫石定向性定量表征是否可以用于沉積相的劃分？地下巖芯礫石定向性特征定量研究，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確獲取定向性原始數(shù)據(jù)，最難的是獲取礫石長軸真實(shí)方位角。本文在瑪湖凹陷巖芯圖像分析與測量的基礎(chǔ)上，引入礫石長軸視傾角概念，提出在巖芯上定量分析礫石定向性特征的方法，由此建立了瑪湖地區(qū)礫石定向性等級(jí)劃分方案，嘗試將礫石定向性分析用于單井沉積相分析。

1 礫石定向性的數(shù)據(jù)采集

基于高清巖芯照片，應(yīng)用Coreldraw軟件測量礫石長軸的視傾角(圖1)，比用量角器測量，其誤差要小很多。為了方便處理測量數(shù)據(jù)，在測量礫石長軸視傾角時(shí)，統(tǒng)一規(guī)定以向左的水平射線(如圖1射線OA)方向?yàn)闇y量的起始位置，然后沿著O點(diǎn)(O點(diǎn)統(tǒng)一為扁長礫石左下端點(diǎn))順時(shí)針旋轉(zhuǎn)直到與扁長礫石的長軸(如圖1射線OB)平行或者重合，測得∠AOB就是礫石長軸的視傾角。

在巖芯圖片上采集礫石長軸視傾角數(shù)據(jù)時(shí)，依據(jù)張昌民等[21]提出的巖石相劃分方案，以巖石相為單位采集礫石定向性數(shù)據(jù)，在分析數(shù)據(jù)時(shí)，同樣以巖石相為單位統(tǒng)計(jì)和分析樣本礫石定向性特征。

圖1 礫石視傾角測量示意圖Fig.1 Gravel inclination angle measurement

2 礫石定向性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及其定量表征

礫石長軸視傾角數(shù)據(jù)采集完后，以10°大小為步長，統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣本中各個(gè)區(qū)間的礫石個(gè)數(shù)，得到每個(gè)樣本中各視傾角區(qū)間的頻數(shù)(Ni)，再用每個(gè)區(qū)間的頻數(shù)(Ni)占總頻數(shù)(N)的比率即為每個(gè)視傾角區(qū)間的頻率(Xi)(表1)。

根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果，運(yùn)用每個(gè)區(qū)間礫石長軸視傾角頻率的大小繪制每個(gè)樣本的礫石長軸視傾角玫瑰花圖，玫瑰花圖(圖2)中小扇形半徑值越大、分布越集中，表示樣本的礫石定向性越好。雖然玫瑰花圖能夠直觀的表征礫石定向性特征，但是其不能準(zhǔn)確的表征各樣本之間差異性。因此需要引進(jìn)數(shù)值來精確的表征礫石定向性，以精確區(qū)分各樣本之間的差異，使礫石定向性研究由定性走向定量。

參考楊光[19]在巖芯圖片上研究礫石定向性的方法，引入統(tǒng)計(jì)參數(shù)a，(a為玫瑰花圖中任意相鄰三個(gè)小扇形半徑之和的最大值)。依據(jù)礫石定向性的定義可知，參數(shù)a值越大則表明礫石定向性越好。由于a不能表征玫瑰花圖中不同區(qū)間小扇形大小的差異性，所以僅依據(jù)參數(shù)a無法準(zhǔn)確表征礫石長軸視傾角分布特征。例如，當(dāng)a值相同時(shí)，只能保證三個(gè)小扇形半徑之和最大值相同，卻不能保證玫瑰花圖中各扇形半徑大小也相同。也就是說，當(dāng)a值相同時(shí)，礫石定向性特征不一定相同。鑒于此，參考盛驟等[22]引入另一個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)方差σ(式1)，其中X為玫瑰花圖中小扇形半徑大小的平均值，Xi為第i個(gè)角度區(qū)間中小扇形半徑大小，參數(shù)σ用來描述玫瑰花圖中小扇形大小與其平均值的偏離程度，其可以表征玫瑰花圖中小扇形半徑大小的差異。當(dāng)σ值很大時(shí)，表明玫瑰花圖中小扇形大小與其平均值的偏離程度很大，即玫瑰花圖中小扇形半徑的大小差異很大，礫石定向性較好(圖2A，2E)；相反地，當(dāng)σ很小時(shí)，表明玫瑰花圖中小扇形大小與其平均值的偏離程度很小，即玫瑰花圖中小扇形半徑的大小差異不大，礫石定向性雜亂(圖2D，2H)。由此說明，σ值越大，礫石定向性越好；σ值越小，礫石定向性越差。如圖2所示實(shí)例中同樣也反應(yīng)出σ值能表征礫石定向性好壞。

(1)

表1 礫石定向性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

由上面分析發(fā)現(xiàn)參數(shù)a和σ都能表征礫石定向性，并且參數(shù)a和σ成正相關(guān)(圖3)。參數(shù)a和σ

圖2 不同等級(jí)礫石定向性特征實(shí)例A.有明顯定向性，a=63.63%，σ=8.77，E為其相對(duì)應(yīng)的玫瑰花圖；B.有一定定向性，a=36.8%，σ=3.9，F(xiàn)為其相對(duì)應(yīng)的玫瑰花圖；C.有模糊定向性，a =28.6%，σ=4.1，G為其相對(duì)應(yīng)的玫瑰花圖；D.定向性雜亂，a =20.2%，σ=2.3，H為其相對(duì)應(yīng)的玫瑰花圖Fig.2 Examples of different grading orientation characteristics

圖3 M152井參數(shù)a和σ散點(diǎn)分布圖Fig.3 The distribution parameters a and σ of Well M152

都能夠表征礫石定向性，且參數(shù)σ能夠彌補(bǔ)a的不足。因此考慮綜合用參數(shù)a和σ表征礫石定向性，可更加準(zhǔn)確的表征礫石定向性特征和不同樣本間礫石定向性的差異。例如，當(dāng)兩個(gè)樣本的a值相同時(shí)，可以再比較參數(shù)σ，σ值越大則表明定向性越好。

3 瑪湖地區(qū)礫石定向性的等級(jí)劃分

Holmes[7]、Sohnetal.[23]和Schluger[24]認(rèn)為巖層中的礫石定向性可以用來解釋沉積環(huán)境和沉積過程，匡立春等[25]，唐勇等[26]認(rèn)為瑪湖地區(qū)百口泉組是一套砂礫質(zhì)扇三角洲沉積體系，沉積了大套礫巖，沉積構(gòu)造復(fù)雜，在巖芯上難以辨認(rèn)，如果能夠用礫石定向性輔助判斷礫巖沉積構(gòu)造，將會(huì)對(duì)礫巖的巖石相劃分和沉積相研究有幫助。因此對(duì)瑪湖地區(qū)礫石定向性定量表征和等級(jí)劃分十分有必要，這將對(duì)該區(qū)的沉積相與沉積體系的研究提供有力的依據(jù)。

本文選取該區(qū)M152井取芯資料作為統(tǒng)計(jì)分析的對(duì)象，共選取95塊巖芯樣品(巖芯照片)，并統(tǒng)計(jì)了每塊巖芯中礫石的定向性統(tǒng)計(jì)參數(shù)a和σ(表2)。由表2可知，σ最大值為7.7，σ最小值為2.2，a最大值為60%，a最小值為19.7%，可見參數(shù)σ和a變化范圍很大，參數(shù)a和σ對(duì)礫石定向性有很好的區(qū)分度，因此可以用參數(shù)σ和a來定量表征瑪湖地區(qū)礫石定向性，并且參數(shù)σ和a的數(shù)值越大則礫石定向性越好。

國內(nèi)學(xué)者楊光[19]在利用巖芯圖像分析礫石定向性時(shí)，其依據(jù)參數(shù)a將礫石定向性劃分為有定向性和定向性雜亂，前文提到僅依據(jù)參數(shù)a來表征礫石定向性特征不夠準(zhǔn)確，同理僅依據(jù)參數(shù)a劃分礫石定向性等級(jí)也不夠準(zhǔn)確。筆者在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合玫瑰花圖和巖芯照片并依據(jù)參數(shù)a和σ，提出了適用于瑪湖地區(qū)礫石定向性等級(jí)劃分方案(表3)，將礫石定向性等級(jí)劃分為四個(gè)等級(jí)：有明顯定向性、有一定定向性、有模糊定向性、定向性雜亂。即當(dāng)a大于35%且σ大于4時(shí)，礫石定向性等級(jí)為有明顯定向性；當(dāng)a大于35%且σ小于4時(shí)，礫石定向性等級(jí)為有一定定向性；當(dāng)a小于35%且σ大于4時(shí)，礫石定向性等級(jí)為有模糊定向性；當(dāng)a小于35%且σ小于4時(shí)，礫石定向性等級(jí)為定向性雜亂。

依據(jù)表3的劃分方案，將樣品的定向性等級(jí)結(jié)果以及所對(duì)應(yīng)的巖石相列舉在表2，由表2可知，礫石定向性等級(jí)和礫巖巖石相有一定的關(guān)系，巖石相中包般較好，為有明顯定向性和有一定定向性；巖石相中包含屬性為塊狀層理(m)的，礫石定向性一般較差，定向性等級(jí)為有模糊定向性和定向性雜亂；礫石定向性在垂向上有一定的旋回性，例如從樣品23～13，從下到上樣品深度逐漸變小，定向性由差變好再變差，在樣品21處，定向性最好，巖石相為G4xtⅢ，σ值為6，a值為42.2%，定向性等級(jí)為有明顯定向性；在樣品14處，礫石定向性最差，巖石相為G5mgbⅣ，σ值為3.8，a值為27.8，定向性等級(jí)為定向性雜亂。

表2 M152井礫石定向性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

注：巖石相命名據(jù)張昌民等(2016)

表3 礫石定向性等級(jí)劃分方案

依據(jù)唐勇等[26]，于興河等[27]，鄒志文等[28]對(duì)瑪湖地區(qū)百口泉組沉積體系研究，瑪152井取芯段屬于三角洲前緣水下分流河道沉積，沉積水動(dòng)力以牽引流沉積為主。依據(jù)Well[29]，Todd[30]，Schlee[31]，Rust[32]，Kauffmanetal.[33]研究可知，在牽引流條件下(河流沉積、濁流沉積)礫石具有較好的定向性，在非牽引流環(huán)境(泥石流)中，礫石定向性比較差。因此瑪152井取芯段的礫石定向性應(yīng)較好。本文依據(jù)上述礫石定向性等級(jí)劃分方案，對(duì)M152井的95塊樣品做了統(tǒng)計(jì)(圖4)，礫石定向性雜亂所占的比例為45.2%，小于50%，說明M152井取芯段礫石定向性總體上比較好，也進(jìn)一步說明對(duì)該區(qū)礫石定量表征的結(jié)果與沉積相研究具有一致性。因此，礫石定向性定量表征方法可以用于判斷沉積水動(dòng)力條件，為沉積相研究提供依據(jù)。

圖4 M152井礫石定向性等級(jí)圖Fig.4 Gravel orientation grading of M152

4 礫石定向性在沉積相分析中的應(yīng)用

瑪湖凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，是準(zhǔn)噶爾盆地6大生烴凹陷之一，凹陷及其周緣是盆地最有利的油氣成藏區(qū)?，敽枷菪逼聟^(qū)地層發(fā)育較全，二疊紀(jì)至侏羅紀(jì)早期，瑪湖凹陷一直是盆地的沉降中心之一，沉積了巨厚的陸源碎屑巖。本次研究目的層位為三疊系百口泉組百二段，為一套近源沉積的砂礫巖為主的沉積體。唐勇等[26]認(rèn)為瑪湖凹陷百口泉組地層發(fā)育扇三角洲群，F(xiàn)N16井位于準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷夏子街扇左下邊緣，取樣部位(2 771.4～2 768.3 m)位于百二段上部，該次取芯的巖性主要為大中礫巖和小中礫巖；沉積構(gòu)造主要以交錯(cuò)層理和塊狀層理為主；巖石顏色為灰綠色和灰色；支撐方式主要以顆粒支撐和多級(jí)顆粒支撐為主，巖石相類型：G4xggⅠ、G3mggⅠ、G4xgⅡ、G5xgⅡ、G5xgⅠ、G2xgⅠ、G3mggⅠ、G3mgⅠ。

本次研究在該次取芯上選取了11個(gè)取樣點(diǎn)，對(duì)11個(gè)樣品的礫石定向性做了定量研究，計(jì)算出了樣品的定向性參數(shù)a和σ的數(shù)值，依據(jù)取樣點(diǎn)的深度，將定向性參數(shù)數(shù)值用桿狀圖表示在巖性柱狀圖上(圖5)，方便其在沉積相分析中的應(yīng)用。由圖可知，參數(shù)σ最大值為8.13，最小值為4.37，11個(gè)樣品中σ值都大于4；參數(shù)a最大值為65.79%，最小值為27.56%，依據(jù)本文提出的定向性等級(jí)劃分方案可知該段礫石定向性等級(jí)主要以有明顯定向性和有模糊定向性為主，由下到上，σ和a先變小再增大，在2 770.7 m處σ和a值最小。參考巖芯觀察的沉積構(gòu)造，定向性參數(shù)桿狀圖以及測井曲線的變化，可以將該段劃分為三段，沉積微相主要為季節(jié)性辮狀河道和暫時(shí)性辮狀河道。季節(jié)性辮狀河河道在一年內(nèi)發(fā)生多次不規(guī)則的干涸，具有常年流水但流量隨季節(jié)和天氣變化極大，流水占有率較高，水流以暴雨和周期性的濕氣流降水為主，礫石磨圓度高，礫石定向性好；暫時(shí)性河流在一年里基本都是干涸的，只有暴雨形成的微弱徑流偶爾流過，以暴雨輸入為主，常伴有泥石流，礫石磨圓度低，礫石定向性較差[34]。下面將分段來詳細(xì)闡述研究層位的沉積特征。

第一段起始深度為2 772.7～2 771.4 m，該段主要為灰綠色的大中礫巖和小中礫巖，沉積構(gòu)造主要為交錯(cuò)層理，測井曲線為箱形，定向性參數(shù)比較大，a值為40%～60%，大于35%；σ數(shù)值為4.8～8.13，大于4，該段取的樣品中礫石定向性較好，礫石定向性等級(jí)為有明顯定向性，沉積時(shí)水動(dòng)力比較穩(wěn)定，以牽引流為主，綜合考慮該段的沉積微相為季節(jié)性辮狀河道。第二段的起始深度為2 771.4～2 770.1 m，該段巖性主要為灰綠色的大中礫巖和小中礫巖，測井曲線為齒化的箱型，沉積構(gòu)造主要以塊狀層理為主，定向性參數(shù)σ值比較小，小于4，參數(shù)a值也比較小，小于35%，該段取樣點(diǎn)的礫石定向性較差，礫石定向性等級(jí)為有模糊定向性，在沉積時(shí)水動(dòng)力不穩(wěn)定，綜合考慮該段的沉積微相為暫時(shí)性辮狀河道。第三段的起始深度為2 769.3～2 768.3 m，該段巖性主要為灰綠色的大中礫巖和小中礫巖，測井曲線以箱形和鐘形為主，沉積構(gòu)造主要以交錯(cuò)層理為主，在該段的取樣點(diǎn)中，定向性參數(shù)數(shù)值較大，其中a值為40%～50%，大于35%；σ數(shù)值為4.76～8.2，大于4，該段定向性較好，礫石定向性等級(jí)為有明顯定向性，沉積時(shí)水動(dòng)力比較穩(wěn)定，以牽引流為主，綜合考慮該段巖芯的沉積微相劃分為季節(jié)性辮狀河道沉積。

由以上分析可知，在沉積相分析中，引入定向性參數(shù)，可以將沉積相劃分的更加精細(xì)，而且定向性參數(shù)和沉積標(biāo)志相互印證，從而使沉積相分析結(jié)果更加可靠。

圖5 FN16井定向性特征Fig.5 Orientation characteristics of Well FN16

5 結(jié)論

(1) 在巖芯照片基礎(chǔ)上，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，引進(jìn)參數(shù)a和σ在巖芯上定量表征礫石的定向性特征，其中a為玫瑰花圖中任意相鄰三個(gè)小扇形的半徑之和的最大值，σ為玫瑰花圖中小扇形大小與其平均值的偏離程度，經(jīng)分析參數(shù)a和σ值越大，礫石定向性越好。

(2) 通過對(duì)M152井巖芯中礫石定向性的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)可以依據(jù)參數(shù)a和σ將礫石定向性等級(jí)劃分為四個(gè)等級(jí)：有明顯定向性(a大于35%且σ大于4)、有一定定向性(a大于35%且σ小于4)、有模糊定向性(a小于35%且σ大于4)、定向性雜亂(a小于35%且σ小于4)。礫石定向性等級(jí)和巖石相有一定的關(guān)系，巖石相中包含屬性為交錯(cuò)層理和平行層理的，定向性等級(jí)為有明顯定向性和有一定定向性的；巖石相中包含屬性為塊狀層理的，礫石定向性一般較差，定向性等級(jí)為有模糊定向性和定向性雜亂。

(3) 以FN16井第3次取芯為例，依據(jù)定向性參數(shù)大小、巖性特征、測井曲線以及沉積構(gòu)造，將該次取芯分為三段，從下到上依次為季節(jié)性辮狀河道、暫時(shí)性辮狀河道、季節(jié)性辮狀河道。季節(jié)性辮狀河道中σ數(shù)值為4.8～8.13，a值為40%～62%，而暫時(shí)性辮狀河道中σ數(shù)值小于4，參數(shù)a數(shù)值小于35%。

符號(hào)注釋：

巖性：G5—細(xì)礫巖，G4—小中礫巖，G3—大中礫巖，G2—粗礫巖，G1—巨礫巖；

層理：m—塊狀層理，p—平行層理，x—交錯(cuò)層理；

顏色：gg—灰綠色，g—灰色，a—灰白色，t—灰褐色，r—紅褐色系；

支撐方式：Ⅰ—顆粒支撐，Ⅱ—多級(jí)顆粒支撐，Ⅲ—雜基—顆粒支撐，Ⅳ—雜基支撐。

)

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