鄂爾多斯盆地富黃探區三疊系延長組高分辨率層序地層格架與古地貌恢復

吳 穎，張金功，尹錦濤，孫 磊

(1.西安石油大學 地球科學與工程學院，陜西 西安 710065；2.西北大學 地質學系/大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069；3.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西 西安 710018；4.中國石油長慶油田分公司 勘探開發研究院，陜西 西安 710018)

鄂爾多斯盆地作為大型拗陷型盆地，地質構造十分平緩。目前的勘探成果表明，其油氣富集帶主要受巖相控制。延長組發育多物源體系，各級次基準面旋回內砂體分布具縱向非對稱疊加、平面上犬齒交互的復雜分布格局[1-8]。富黃探區位于鄂爾多斯盆地東南部近湖盆中心的位置，其油氣分布受巖相的控制更為明顯。開展層序地層學研究，建立層序等時地層格架，并在等時地層格架下研究沉積相和沉積微相的構成，探索其演化與分布規律，進一步厘清生、儲、蓋的配置關系，是富黃探區延長組油氣勘探面臨的一個重大問題。高分辨率層序地層學理論技術對拗陷型湖盆河-湖相沉積的研究更具優勢，其在盆地的構造、沉積、成藏等地質研究方面已取得了很大的進展[9-19]。本文在借鑒前人研究成果的基礎上，以鄂爾多斯盆地南部的富縣、黃陵縣為研究區，通過野外露頭剖面、鉆井剖面、巖心資料、地震資料的分析，確定盆地延長組層序界面的綜合判識標志，建立層序地層格架；在此基礎上，恢復主要層序沉積前的古地貌，為進一步開展沉積相和儲層分布研究奠定基礎。

1 層序界面識別

鄂爾多斯盆地延長組的層序界面主要包括3種類型：不整合面、沉積作用轉換面和最大湖泛面。結合野外露頭剖面、鉆井剖面、巖心資料、地震資料的分析，參考他人的研究成果[19-23]，確定了富黃探區延長組下部組合層序界面的綜合判識標志(見表1)。根據識別標志，在延長組識別出6個較大規模的層序界面(自下而上分別命名為SB1，SB2，SB3，SB4，SB5，SB6)和5個較大規模的洪泛面(自下而上命名為F1，F2，F3，F4，F5)，其中SB1和SB6為區域性不整合面，SB2，SB3，SB4，SB5為較大規模的沉積作用轉換面，即基準面下降到上升的轉換面(見圖1)。

1)SB1界面。SB1界面是中三疊統紙坊組與上三疊統延長組的分界面，為區域性不整合面，可全區對比[19，24-26]。在盆地內的鉆/測井剖面上，紙坊組頂部多為灰綠色泥巖，長10為淺灰色塊狀砂巖，二者之間呈突變接觸；自然電位曲線和自然伽瑪曲線均呈突變的臺階狀；自界面向上，沉積物粒度由粗變細，砂巖厚度逐漸減薄，泥質夾層增多，厚度變大，反映出基準面上升的沉積特點(見圖1)。野外地質露頭剖面上，紙坊組頂部為灰綠色厚層塊狀砂巖，巖性為巖屑砂巖；長10為淺灰色塊狀砂巖，巖性主要為巖屑長石砂巖；二者之間呈微角度不整合接觸關系。二維地震剖面上，界面之下見削截現象(見圖3)，界面之上見雙向下超反射。

2)SB2界面。SB2界面大致相當于傳統分層長10與長9的分界面或其附近的某界面，界面性質為沉積作用轉換面。野外地質露頭剖面上，界面之下為進積疊加樣式的砂巖，界面之上為透鏡狀砂巖；鉆/測井剖面上，該界面位于進積疊加樣式到退積疊加樣式基準面旋回的轉換位置，反映了可容納空間變小再變大的沉積動力學過程；地震剖面上特征不明顯，界面之上可見不明顯的雙向下超現象(見圖1，3)。

3)SB3界面。SB3界面大致相當于長8油層組內部的一個界面，界面性質為沉積作用轉換面，露頭剖面和鉆/測井剖面特征與SB2界面相似，為進積與退積作用的轉換面，或為一厚層河道的底部界面(見圖1，2)。地震剖面上，界面之上可見上超反射特征(見圖3)。

圖1 富黃探區延長組層序界面層序劃分及界面特征(驛探15井)Fig.1 Division and characteristics of sequences boundary of Yanchang formation in Fuhuang exploratory area

圖2 野外露頭剖面上的層序界面特征及層序內部旋回疊加樣式Fig.2 Sequence boundaries of the outcrop and the superimposition pattern in the sequences

4)SB4界面大致相當于長61的底界面，界面性質為沉積作用轉換面。鉆/測井剖面特征與SB2界面相似，為一典型的進積序列的頂部界面，或為進積序列頂部較厚層河道砂巖的底部界面，或呈進積與退積疊加樣式的轉換面(見圖1)。地震剖面上，界面之下可見較明顯的前積反射結構的頂超面，界面之上見較明顯的上超反射特征(見圖3)。

表1 富黃探區延長組層序界面綜合判識標志一覽表Tab.1 Comprehensive identification list of the sequence boundary of Yanchang formation in Fuhuang exploratory area

5)SB5界面。SB5界面大致相當于長3油組中部的一個界面,界面性質為沉積作用轉換面。鉆/測井剖面為一典型的進積序列與退積序列的轉換界面,或為較厚層河道砂巖的底部界面(見圖1)。地震剖面上,界面之上見雙向下超的反射特征(見圖3)。

6)SB6界面。SB6界面為延長組與延安組之間的界面,界面性質為區域不整合面。露頭剖面上表現為凹凸不平的河道下切面特征(見圖2)。鉆測井曲線上或為進積序列頂部較厚層河道砂巖的底界面,或為較厚層砂巖的底部界面,界面之上呈明顯的退積疊加樣式(見圖1)。地震剖面上,界面之下削截特征明顯,界面之上見雙向下超的反射特征(見圖3)。

7)洪泛面。5個洪泛面(F1，F2，F3，F4，F5)均為較大規模的洪泛面,其特征如表2所示。

2 層序劃分及高精度層序地層格架建立

Tim Cross提出的以基準面為參照面的高分辨率層序地層學，將層序地層學與沉積學理論、分析方法緊密結合了起來,對高分辨率層序地層格架的建立具有適用性和可操作性:①基準面是控制地層形成的不同地質過程的綜合反映,不需要以海平面為參照面,因此可以同時運用于海相盆地和陸相盆地;②該項技術將層序地層學與沉積學相結合,以相互標定的巖心、測井與高分辨率地震資料為基礎，依據可容納空間和A/S比值的變化趨勢識別基準面旋回界面,因而各級次、不同性質的基準面旋回均具有可識別性;③在缺乏不整合發育的地層中,根據沉積作用的轉換即可識別基準面旋回界面,因此可以進行高分辨率層序地層劃分;④運用伴隨基準面旋回變化過程中可容納空間的變化導致的沉積物體系體積分配原理指導的地層對比,避免了不同沉積環境地層對比的穿時性;⑤基準面旋回內部,相域構成的二分特征在不同的沉積環境,不同級次的層序中均客觀存在,而且易識別,可以作為基本作圖單元。

本研究在層序界面識別的基礎上,開展了單井層序地層的劃分與對比,并確定了研究區的層序地層劃分方案(見圖4)。

延長組為一個二級層序,以張家灘頁巖為最大洪泛面;依據上述識別的6個層序界面及洪泛面,將延長組劃分為5個長期旋回。在長期旋回內部,根據次級的洪泛面及轉換面特征,進一步識別出14個中期旋回,并建立了中期旋回與砂組之間的對應關系。層序及砂組的命名及其對應關系如圖4所示。同時，以此方案為基礎,開展了單井層序的劃分與對比、地層格架的對比分析。

表2 富黃探區延長組洪泛面沉積特征Tab.2 The deposition characteristics of the flooding surfaces of Yanchang formationin Fuhuang exploratory area

在單井層序劃分的基礎上,以基準面下降與上升的轉換面作為層序界面,以基準面上升與下降的轉換面作為洪泛面,選擇地層發育相對齊全的骨干井,建立了研究區的三級層序(長期旋回)地層對比格架。以格架內的中期旋回劃分為基礎,開展中期旋回地層單元的對比,建立以中期旋回作為對比單元的高分辨率層序地層格架(見圖4)。對比過程中采用的主標志層有長7底部的黑色泥巖、頁巖、炭質泥巖、凝灰質泥巖，電性上表現為高阻、高伽瑪特征;長1及其底部的黑色泥巖、頁巖、炭質泥巖、含凝灰質泥巖,電性上表現為高時差、高伽瑪、自然電位偏正等特點;長9頂部的李家畔頁巖,在盆地南部表現為高阻段,而在盆地的東北部、中部、東部常表現為低阻段。另外,輔以輔助標志層,如T3y1砂巖發育,巖性較粗,含濁沸石,呈肉紅色,膠結疏松,電性上特征明顯,電位負異常,幅度大,伽瑪曲線呈塊狀低值,聲速曲線表現為高聲速;再如長4+5段,因為長2，長3，長6砂巖比較發育,而長4+5在盆地的中、南部地區砂巖不太發育,因而在電性上與長2，長3，長6形成鮮明對比(長4+5狀如細脖子,通稱細脖子段)。

LSC3旋回大致相當于長7+長8上部+長6下部的地層,整體厚度大。以發育下降半旋回為主,上升半旋回厚度較小。巖性下部以深灰色泥巖、油頁巖夾砂巖為主,向上變為砂泥互層或厚層砂巖夾灰色泥巖,呈明顯的進積特點。其內部可進一步劃分為5個中期旋回,其中下部的中期旋回對稱性較好,或上升半旋回較發育;而上部的旋回多呈下降半旋回較發育的非對稱旋回。LSC3旋回上升期,研究區地層的發育特征為東北、西南厚,西北、東南薄的特點。LSC3旋回下降期,地層發育厚度整體較大,且表現為中部厚度大,東南厚度小的特點(見圖5)。

LSC4旋回大致相當于長4+5及長6上部和長3底部的地層,部分井相當于長4+5中下部及長6上部地層。整體以發育對稱旋回為主,部分井為下降半旋回為主的非對稱旋回。巖性以灰色泥巖和砂巖互層為特征。其內部可進一步劃分為3個中期旋回,旋回對稱性較好,或下降半旋回較發育。LSC4旋回上升期,研究區地層發育呈現中北部、南部地層厚度大,中南部、西部地層厚度較薄的特點。LSC4旋回下降期,西南部和東南部厚度較小,東北部最厚(見圖5)。

LSC5旋回大致相當于長3～長1油層組或長3中上部～長1的地層,南部地區該層序上部的旋回發育不完全或缺失；層序結構不對稱性明顯,整體以發育下降半旋回為主。內部可進一步劃分為3個中期旋回,整體對稱性較好。LSC5旋回上升期,地層厚度整體表現為東北和西部厚,東南和中部薄的特點。LSC5旋回下降期,地層整體厚度較大,一般為160～220 m(見圖5)。

通過上述分析可知，研究區層序結構的對稱性隨湖盆的演化具有明顯的規律性,LSC1，LSC2發育在湖盆的擴張期,以發育上升半旋回的非對稱結構為主;LSC3下部為湖盆的鼎盛期,上部為湖盆的收縮期,大規模三角洲進積發育,呈典型的下降半旋回發育的非對稱旋回為主;LSC4位于湖盆的穩定收縮期,以發育對稱旋回為主;LSC5發育在平緩湖盆消失期,主要以發育下降半旋回為主(見圖5)。

圖4 富黃探區延長組層序地層劃分方案Fig.4 The sequence delimiting of Yanchang formation in Fuhuang exploratory area

由延長組各層序的地層分布特征可以看出,其地層分布明顯受東北、西南兩個方向物源的影響,表現為主要物源區范圍的地層厚度大,其他區域的地層厚度相對較小。

3 主要層序古地貌恢復

古地貌恢復研究目前大都停留在定性階段,一些定量化手段有待進一步開發;同時,定量化研究應考慮不同巖性的壓實率差異,使用沉積原始厚度,所得到的計算結果精度則更高[27-31]。本研究采用構造和沉積相結合的研究方法,恢復研究區的古地貌,應用的主要技術包括:①壓實恢復技術。分層系、分巖性建立壓實方程,利用擬三維盆地模擬,進行壓實、差異壓實恢復,該部分主要依托Basin Mod 2D軟件完成。②平衡剖面恢復技術。利用Geosec軟件,加載沉積微相、等時面、古水深等,進行差異壓實恢復和古構造恢復。③運用沉積學分析法進行古地貌恢復，根據沉積相、古生物特征分析等進行古水深校正。具體的古地貌恢復研究流程如圖6所示。

由于研究區中生代構造穩定,并未出現大的構造活動,地勢平坦,這種背景為研究區古地貌的恢復提供了有利條件。本研究主要利用上三疊統延長組各層系地層等厚圖、砂巖等厚圖、沉積相圖等基本圖件、數據,同時結合研究區延長組沉積期古流向分析、構造背景分析等,開展壓實恢復,恢復原始沉積地層的厚度。該過程主要由盆地模擬軟件來實現。各層系地層等厚圖、砂巖等厚圖依據鉆井、測井數據統計結果編制而成,沉積相圖主要依據前人研究和本研究實施過程中取得的成果。古水深數據主要依據研究區的沉積相圖數據,參考前人相關的研究成果來確定：河流三角洲平原古水深取1 m,三角洲前緣取2～10 m,淺湖水深取3～20 m,半深湖—深湖水深取20～50 m。

圖5 蘆43—富西94—上資1316井層序地層對比剖面Fig.5 Comparison of the sequence stratigraphic profile of Yanchang formation(Lu43-FX94-SZ1316)

圖7為LSC1～LSC5旋回的各個時期的地層厚度圖。由圖7可以看出,LSC1旋回上升期,研究區地層發育特征為東北部、西部厚,中部、東南部薄。具體講,地層厚度以東北部最厚,一般為150～200 m,最厚可超過220 m;其次為西部和西南部,一般厚度為120～150 m。中北部厚度一般為100 m左右。厚度最小區域在東南部,厚度一般在70～100 m。LSC1旋回下降期,研究區地層發育特征具有整體厚度薄,東北、西南、中部厚,西北、東南薄的特點。具體講,地層總體厚度一般為30～40 m,最厚不超過50 m;東北部、西南部、中部地層一般厚30～45 m;西北、東南部地層厚度一般為20～30 m。LSC2旋回上升期,研究區地層發育呈現為西南部、中部和東北部厚,西北部和東部薄的特點。具體講,西南部地層厚度最大,一般為120～150 m,最厚可達180 m;其次為中部,一般厚度為110～140 m;中北部厚度一般為100～130 m。西北部和東部厚度小,一般在80～100 m。

圖6 古地貌恢復研究思路流程圖Fig.6 Flow diagram of paleo-geomorphologic reconstruction

圖7 各旋回地層厚度圖Fig.7 The thickness of stratigraphic cycle

100 m。LSC2旋回下降期,地層發育具有整體厚度薄,中部厚,西北、東部薄的特點。具體講,地層總體厚度一般為30～40 m,最厚約50 m;中部厚度較大,一般為40～50 m;西北部和東部厚度薄,一般厚25～35 m。LSC3旋回上升期,研究區地層發育特征為東北、西南厚,西北、東南薄的特點。具體講,地層厚度最大區域在西南部,一般厚100～120 m,最厚達130 m;東北部厚度多為100～120 m;中部地區多為90～100 m;東南部為70～90 m。西北部厚度最小,多在60～80 m。LSC3旋回下降期,地層發育整體較大,且表現為中部厚度大,東南厚度小的特點。具體講,地層總體厚度一般為180～220 m,最厚可達250 m。中部厚度較大,一般為200～230 m;東南部厚度小,一般厚130～150 m;西南部、西北部一般厚190～220 m,東北部厚180～210 m。LSC4旋回上升期,研究區地層發育呈現中北部、南部地層厚度大,中南部、西部地層厚度較薄的特點。具體講,中北部地層厚度最大,一般為90～110 m,最厚可達120 m;其次為南部,一般厚度為80～100 m;中南部、西部厚度較小,一般為70～90 m。LSC4旋回下降期,除西南部和東南部厚度較小外,其他地區地層厚度一般為100～130 m,東北部最厚超過160 m。西南部和東南部為70～100 m。LSC5旋回上升期,地層厚度整體表現為東北、西部厚,東南、中部薄的特點。中北部地層厚度一般為120～200 m,最厚可達220 m;西部及西南部一般厚度為110～150 m;中部厚度多在90～110 m;東南部厚度最小,為70～110 m。LSC5旋回下降期,地層整體厚度較大,一般為160～220 m,最厚可達250 m。整體上中部厚度大,一般為180～220 m;南部厚度小,主要為100～180 m,最小為80 m。這可能與南部地層后期遭受抬升剝蝕有關。由延長組各層序的地層分布特征可以看出,其地層分布明顯受東北、西南兩個方向物源的影響,表現為主要物源區范圍的地層厚度大,其他區域的地層厚度相對小。

泥巖的壓實恢復計算過程中,首先需識別出各時期沉積地層中的正常壓實段和欠壓實段,利用分段函數進行計算：

ψ=ψ0×e-CD(D

ψ=ψ0+ψ1×D+ψ2×D2+…(D

式中:ψ為孔隙度;ψ0為深度為0時的孔隙度；C為正常壓實段曲線斜率；D為深度,m；Du為欠壓實段起始深度,m;ψ1,ψ2,…為欠壓實段的孔隙度與深度關系的擬合系數。

砂巖的壓實曲線方程利用Falvey等人提出的壓實曲線方程[32]進行計算:

式中:K為經驗常數。

在此基數之上,結合陳恭洋等人(1996)提出的地層厚度及剝蝕厚度計算方法[33],并依據地層厚度圖,在高精度層序地層學研究的基礎上,按照圖6的恢復方法對富黃探區延長組幾個重點層系沉積前的古地貌進行了恢復(見圖8)。從圖8可以看出,研究區古地貌在湖盆演化的不同時期具有不同的特點：早期(長9，長8沉積期)東北、西南高,中部低,分割性強;中期(長7沉積期)整體凹陷,差異小;晚期(長4+5和長2沉積期)東北高,西南低。

注：等值線數據為相對厚度值，取長10油組厚度為0 圖8 富黃探區延長組沉積古地貌圖Fig.8 Sedimentary palaeogeomorphology of Yanchang formation in Fuhuang exploratory area

地層恢復的結果與LSC1～LSC5各旋回的地層厚度圖所反映的物源區具有一致性。古地貌恢復的結果有利于對研究區沉積相的研究。圖9為過研究區中部北西—南東向近似垂直物源方向的一條剖面。由圖9可以看出，研究區從整體上講，下部為三角洲前緣，中部為半深湖—濁積扇，上部為三角洲前緣，頂部為三角平原。由于近似垂直物源方向，沉積相，尤其是分流河道和濁積扇的透鏡狀分布特征比較明顯。各個時期的沉積特征在研究區各個時期的古地貌恢復的結果中均有反映。例如LSC3旋回上升期，古地貌恢復結果顯示研究區整體為凹陷，差異較小，主要為深湖到半深湖沉積，在剖面對比圖上同樣反映出研究區LSC3旋回上升期主要以泥巖沉積為主，夾少量薄層砂巖；LSC5旋回下降期，地層整體厚度較大，但南部厚度小，主要為100～180 m，最小為80 m，這一點在古地貌恢復的結果(見圖8d)中具有類似的顯示，這可能與南部地層后期遭受抬升剝蝕有關。結合巖心、古地貌以及單井分析可知，該類砂體主要為濁積砂體，砂體多以薄層透鏡狀分布，橫向延續性較差。由此可見，古地貌恢復對于沉積相、剖面相以及單井相研究具有一定的指導意義。

圖9 蘆43-富西94-上資1316井延長組沉積相對比剖面Fig.9 Comparison of the Sedimentary Facies of Yanchang formation(Lu43-FX94-SZ1316)

4 結 論

1)延長組識別出6個較大規模的層序界面和5個洪泛面,將延長組劃分5個長期、14個中期旋回、21個砂組。確定了延長組的高精度層序劃分方案，建立了研究區的高精度層序地層格架。

2)基于高精度層序地層格架內的各旋回的地層厚度圖顯示，研究區地層分布具有東北、西南兩個方向厚度大,其他區域厚度相對小的特點,且其地層分布明顯受東北、西南兩個方向物源的影響。

3)研究區古地貌恢復結果顯示，其具有早期分割性強,中期整體凹陷,差異小,晚期東北高,西南低的特點；古地貌恢復結果與其層序格架內的各旋回地層厚度特征具有明顯對應性,說明古地貌恢復對于分析單井、剖面及平面沉積相特征具有明顯的指導意義。