利用聲波時差資料的剝蝕量恢復(fù)方法與實例

王騰飛，金振奎，田甜，史書婷，李碩，郭芪恒

1. 昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明650093;2. 中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京102249;3. 中國石油長慶油田分公司第十采油廠，甘肅慶陽745100

0 引言

地層剝蝕與構(gòu)造活動密切相關(guān)，在沉積盆地發(fā)育的每一個階段的末期，一般都會發(fā)生一定的構(gòu)造抬升，從而發(fā)生剝蝕作用[1-2]。剝蝕量恢復(fù)是盆地沉降史分析中的一個重要環(huán)節(jié)，多位學(xué)者在其盆地分析的相關(guān)著作中均有論述[3-4]。剝蝕量分析有多種方法，包括聲波時差法[5-6]、鏡質(zhì)體反射率法[7-8]、包裹體測溫法[9-11]、磷灰石裂變徑跡法[12-13]、波動分析法[14-16]、鄰層厚度比值法[17-18]、趨勢延伸法[19]、古地溫梯度法[20-21]和天然氣平衡濃度法[22]等。每種方法均有一定的局限性，例如天然氣平衡濃度法，其結(jié)果依賴于生氣量的計算。

其中，聲波時差法的基礎(chǔ)資料獲取相對迅速，操作步驟簡單易行[23]。若獲得研究區(qū)某些井的聲波時差測井資料，可以用極低的經(jīng)濟和時間成本，完成每個層位的剝蝕量恢復(fù)。但筆者充分查閱相關(guān)論著時，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)學(xué)者將重點放在了理論基礎(chǔ)的論述上，卻在操作方法上并未投入特別關(guān)注，缺少關(guān)鍵步驟的詳細(xì)論述，例如剝蝕點的識別，可能會使多數(shù)讀者雖然已經(jīng)了解相關(guān)原理，仍無法獨立地通過聲波時差法恢復(fù)剝蝕量。

筆者將聲波時差法的相關(guān)原理簡要說明，而后以哈薩克斯坦南圖爾蓋盆地某區(qū)塊的一口鉆井為例，詳細(xì)論述實際操作步驟。使讀者能夠依據(jù)本文利用聲波時差資料獨立計算地層的剝蝕量和沉降量。

1 原理概述

1.1 方法提出

聲波時差方法由Magara于1976年提出并應(yīng)用于西加拿大盆地[5]。最早是應(yīng)用于泥質(zhì)巖石地層。其前提是假設(shè)泥質(zhì)巖石壓實過程不可逆，且不受時間影響。當(dāng)不整合面以上的沉積物厚度小于剝蝕厚度時，將該不整合面以下的泥巖的壓實趨勢上延至古地表，取古地表與不整合面之間的距離即為剝蝕厚度(圖1)。

a.為無剝蝕狀態(tài)；b.為存在剝蝕的狀態(tài)。圖1 泥巖聲波時差與深度關(guān)系圖解[5]Fig.1 Relationship between mudstone transit time and depth

1.2 適用條件

不整合以上的沉積物厚度必須小于實際剝蝕厚度，這一原則在付曉飛等2004年的論著中已有詳細(xì)解釋[6]，這里不再贅述。

1.3 原理概述

1.3.1 剝蝕量恢復(fù)

聲波時差資料由測井得出，與巖性、孔隙度和地質(zhì)流體等因素有關(guān)。利用聲波時差資料,依據(jù)威利平均時間方程[24]，可以求得孔隙度：

(1)

式中：φ為孔隙度；Δt為測井獲得的聲波時差值；Δtma為巖石骨架聲波時差值，與巖性相關(guān)；Δtf為空隙流體的聲波時差值。

現(xiàn)今地層的厚度是地史過程中壓實作用的產(chǎn)物。隨時間變化的沉積速率的定量分析即地史分析?；驹硎菍⒌貙訂卧默F(xiàn)今厚度通過脫壓實恢復(fù)到原始沉積時的古厚度。

地層單元做脫壓實需要預(yù)先知道孔隙度隨深度的變化規(guī)律。通過測井獲得的孔隙度資料表明正常壓實的沉積物孔隙度與埋深具有指數(shù)關(guān)系：

φ=φ0e-cy

(2)

式中：φ為任意埋深y下的地層孔隙度；φ0為地層在地面上的孔隙度；c為孔隙度深度系數(shù)，表示孔隙度隨深度呈指數(shù)遞減的速率，與巖性相關(guān)。相應(yīng)地，可得埋深：

(3)

據(jù)此，可在特定層段頂界面附近，找到測井曲線突變的剝蝕點，并以埋深之差計算出剝蝕量△y。關(guān)于剝蝕點的確定，將在實例部分中詳述。

1.3.2 脫壓實

為了計算沉積地層在過去任意地史時期的古厚度，就需要將地層沿適當(dāng)?shù)目紫抖?深度曲線向上移動，等于將受壓實地層的上覆厚度逐漸去掉，使目的層脫壓實。這種做法是假定地層質(zhì)量不變，并認(rèn)為體積的變化實際上是厚度的變化。

(4)

而沉積地層總體積Vt等于顆粒體積Vs和孔隙水體積Vw的和，因此有Vs=Vt-Vw。若考慮單位橫切面，可以得到：

(5)

(6)

脫壓實作用后的沉積層新厚度由沉積顆粒和孔隙水組成的厚度之和。則：

(7)

整理得：

(8)

這就是一般的脫壓實方程。

設(shè)定一個變量A，得到：

(9)

再根據(jù)公式(8)，得到：

(10)

1.3.3 沉降量

沉積層在新深度的孔隙度為：

(11)

由于新沉積層的體密度ρb取決于其孔隙度和顆粒的密度(ρsg)，則：

φ=φρw+(1-φ)ρsg

(12)

(13)

此后，該沉積物的負(fù)荷效果可以被視為一個局部艾里的地殼均衡問題，沉積物取代了水柱。

(14)

至此， 可以綜合全部校正得到真正的構(gòu)造沉降[25]：

(15)

式中：Δsl為與現(xiàn)今有關(guān)的古海平面；Wd為古水深；Φ為一個與艾里均衡單位相等的底層函數(shù)，變化從0到1。將這一公式簡化，去除古海平面等因素，可以得到簡化的構(gòu)造沉降量：

(16)

總沉降量:

Yt=Yd+Ys

(17)

2 實例

本文選取哈薩克斯坦南圖爾蓋盆地的K-24井進行剝蝕量恢復(fù)。

2.1 地質(zhì)概況

南圖爾蓋盆地是哈薩克斯坦主要的含油氣盆地，位于哈薩克斯坦中部，盆地面積達9×104km2(圖2)。在構(gòu)造位置上，南圖爾蓋盆地位于烏拉爾山—天山縫合線轉(zhuǎn)折端剪切帶，北鄰西西伯利亞盆地，西側(cè)為烏拉爾海西褶皺帶，南側(cè)為Karatau峰，東側(cè)為Kokshetau地塊和Ulutau地塊。

圖2 中亞地區(qū)主要盆地分布(據(jù)鄭俊章等，2009；侯平等2014修改[26-27])Fig.2 Sedimentary basins in central Asia

南圖爾蓋盆地可以劃分為3個次級構(gòu)造單元：

北部的日蘭奇克(Zhilanchik)坳陷，南部為阿雷斯庫姆(Aryskum)坳陷，中間為門布拉克(Mynbulak)鞍部(圖3)。阿雷斯庫姆(Aryskum)坳陷由壘塹相間的構(gòu)造單元組成，可劃分為4個地塹和3個凸起，4個地塹自西向東分別為為阿雷斯庫姆(Aryskum)地塹、阿克沙布拉克(Akshabulak)地塹、薩雷蘭(Sarylan)地塹和鮑金根(Bozingen)地塹，這些地塹由阿克塞(Aksay)凸起、阿西塞(Ashisai)凸起和塔巴克布拉克(Tabakbulak)凸起分隔[28-30]。K-24井即位于阿雷斯庫姆坳陷阿雷斯庫姆地塹。

其目標(biāo)層段可以劃分為3個層序，從底到頂依次為sq1、sq2和sq3(圖4)。

2.2 參數(shù)選擇及孔隙度恢復(fù)

目標(biāo)層位巖性的不同，應(yīng)該選擇相應(yīng)的不同參數(shù)。對于理想化的單一巖性，其參數(shù)選擇如表1所示。

圖3 南圖爾蓋盆地構(gòu)造單元劃分Fig.3 Tectonic unit division of South Turgay Basin

對于K-24井，目的層段主要由砂巖和泥巖構(gòu)成，故其參數(shù)選擇是根據(jù)含砂率數(shù)據(jù)計算泥巖、砂巖權(quán)重后得出的(表2)。含砂率即某層段砂巖厚度占地層總厚度的比值。

而后將相應(yīng)參數(shù)代入公式(3)，進行孔隙度計算。以sq3為例，具體見表3。

2.3 剝蝕量獲得與脫壓實

從2.2節(jié)計算得出的孔隙度數(shù)據(jù)中選取每個層序頂深向下附近的數(shù)值，找到剝蝕點，計算出剝蝕量△y。

表1 不同巖性的計算參數(shù)選擇

注：1 μs/ft=3.28 μs/m; 1 kg/m3=0.001 g/cm3。

表2 K--24井孔隙度參數(shù)

圖4 K--24井測井曲線柱狀圖Fig.4 Logging curves of Well K--24

剝蝕點的選擇較為關(guān)鍵，選擇頂界面以下埋深數(shù)值之差大于現(xiàn)今地層厚度的兩點(表4)。以sq3為例，現(xiàn)今埋深分別為1 402.125 m和1 402.250 m兩點計算所得深度之差為1.128 km，這個數(shù)值>sq3的現(xiàn)今厚度0.350 km，剝蝕點以此確定，剝蝕量△y=1.128 km。

表3 利用聲波曲線求解K--24孔隙度(sq3頂部部分)

Table3PorositiesofWellK-24derivedfromintervaltransit-timedata

單元深度/m孔隙度φ聲波時差△t/(μs·ft-1)埋深y/kmsq31 402.125 0.141 82.640 3.285 1 402.250 0.229 93.564 2.157 1 402.375 0.328 105.795 1.324 1 402.500 0.294 101.530 1.582 1 402.625 0.274 99.124 1.741 1 402.750 0.297 101.907 1.558 1 402.875 0.330 106.064 1.309 1 403.000 0.300 102.337 1.531 1 403.125 0.209 91.051 2.372 1 403.250 0.153 84.046 3.106 1 403.375 0.146 83.291 3.200 1 403.500 0.165 85.589 2.923 1 403.625 0.179 87.342 2.732 1 403.750 0.198 89.671 2.500 1 403.875 0.266 98.141 1.810 1 404.000 0.353 108.811 1.158 1 404.125 0.356 109.179 1.138 1 404.250 0.283 100.155 1.672 1 404.375 0.235 94.199 2.106 1 404.500 0.216 91.924 2.295 1 404.625 0.255 96.788 1.907 1 404.750 0.306 103.065 1.486 1 404.875 0.321 104.956 1.373 1 405.000 0.286 100.598 1.643 1 405.125 0.254 96.668 1.916

表4 K--24井脫壓實相關(guān)參數(shù)

注：y3=y2+△y，即加入剝蝕量的y2; 厚度d=y3-y1。

計算脫壓實厚度。首先計算第一層，即sq1沉積期后(表5)。

表5 K--24井sq1脫壓實厚度計算

2.4 沉降量計算

根據(jù)公式(13)，計算層段平均密度(表7)。

表6 K--24井sq2、sq3脫壓實厚度計算

根據(jù)公式(14)、(16)、(17)，計算沉降量(表8)。其中，古水深是抽象并判斷出沉積相后得到的。一般，沖積-河流相水深-0 m，濱淺湖-5 m，淺湖-10 m，淺湖-半深湖-50 m，半深湖-100 m，(扇)三角洲-5 m[31]。

聲波時差法除按步將數(shù)據(jù)代入公式計算外，還需注意各種參數(shù)的選擇。主要包括：①不同巖性孔隙度、密度、巖石骨架聲波時差相關(guān)參數(shù)，砂巖、泥巖共同構(gòu)成的目標(biāo)層段根據(jù)含砂率計算這些參數(shù)；②不同沉積相古水深參數(shù)的選擇。

此外，剝蝕點的確定也很關(guān)鍵，要選擇頂界面以下埋深數(shù)值之差大于現(xiàn)今地層厚度的兩點。

3 結(jié)論

(1)基于一系列假定和理想化模型，可根據(jù)聲波時差資料計算剝蝕量、沉積物負(fù)荷沉降和構(gòu)造沉降量。

(2)聲波時差法包括孔隙度恢復(fù)、剝蝕量獲得與脫壓實、沉降量計算3個步驟，依次代入相應(yīng)公式計算。

表7 K--24井層段平均密度求取

表8 K--24井沉降量求取

(3)具體操作要注意相關(guān)參數(shù)及剝蝕點的確定?？紫抖群兔芏鹊葏?shù)要根據(jù)巖性確定，而古水深參數(shù)要根據(jù)沉積相確定。剝蝕點要根據(jù)計算的埋深數(shù)值進行選擇。

致謝感謝沈艷杰副教授、張振博士、高丹博士在論文成稿過程中的指導(dǎo)與幫助。