臺地相碳酸鹽巖層序劃分新方法
——以渤中凹陷奧陶系為例

葉 濤，王清斌，代黎明，陳容濤，崔普媛

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

0 引言

層序地層學研究的核心內(nèi)容是確定層序界面并建立等時地層格架［1］。碳酸鹽巖地層中存在大量不同級次和不同成因類型的層序界面，與這些層序界面有關(guān)的各種地質(zhì)作用控制著碳酸鹽巖儲層的發(fā)育［2］。層序界面對碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲層的控制作用已為大量勘探實踐所證實［3-4］，碳酸鹽巖不同級次層序劃分及格架的建立是將層序地層學理論與油田勘探開發(fā)實踐相聯(lián)系的重要紐帶［5-6］。

受資料與研究方法不同的影響，層序地層劃分的精度也存在明顯差別。野外露頭法具有直觀精確的特征，但在含油氣盆地覆蓋區(qū)往往難以實現(xiàn)［7］；三維地震資料可開展層序橫向預(yù)測［8-10］，但受地震信號分辨率低的影響，其層序劃分級別往往較低；測井資料由于其縱向分辨率較高，在碳酸鹽巖層序劃分中具有廣泛應(yīng)用［11-13］，尤其是在中國西部盆地的碳酸鹽巖研究中取得了良好的應(yīng)用效果［14-16］。

渤海灣盆地下古生界碳酸鹽巖為一套克拉通陸表海沉積的淺水碳酸鹽巖。受后期構(gòu)造破壞、巖溶剝蝕等作用的影響，下古生界構(gòu)造層殘缺不全、零星分布，造成地層劃分對比難度大。同時在陸表海臺地泥質(zhì)潮坪中，高自然伽馬特征往往對應(yīng)于淺水沉積環(huán)境，導致基于高自然伽馬值識別層序界面的傳統(tǒng)方法在此并不完全適用。有效區(qū)分不同高自然伽馬值的成因是此類碳酸鹽巖層序劃分的關(guān)鍵。該研究以渤海海域新鉆的科探井資料為基礎(chǔ)，對奧陶系開展測井層序的劃分，提出淺水臺地潮坪相的層序劃分新方法，探討層序與優(yōu)質(zhì)巖儲層間的關(guān)系，以期完善臺地相碳酸鹽巖層序界面的劃分方法，并對渤海灣盆地下古生界碳酸鹽巖潛山下一步的勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤中21-22 構(gòu)造區(qū)位于渤海海域渤中凹陷南部斜坡帶，構(gòu)造位置處于渤中凹陷與渤南低凸起之間，其南部以斷層與渤南低凸起相鄰，東部受郯廬斷裂帶分割，分別與渤中28-1 油田（下古生界潛山油田）與蓬萊19-3 油田相鄰，油氣成藏條件十分有利［圖1（a）］。渤中凹陷新生代經(jīng)歷了古近紀裂陷期與新近紀坳陷期。裂陷期層序包括沙河街組與東營組，其中沙河街組與東營組三段主要為湖湘泥巖，也是研究區(qū)重要的氣源巖［17-19］；坳陷期層序包括館陶組、明化鎮(zhèn)組與平原組，以河流相沉積為主。研究區(qū)新生界直接披覆于下古生界馬家溝組之上，具有近源成藏的特征。馬家溝組分為上馬家溝組以及下馬家溝組，其中上馬家溝組頂部受加里東期—喜山期多期構(gòu)造運動影響，發(fā)育區(qū)域性不整合面。上馬家溝組下段以泥巖與泥質(zhì)白云巖互層為主，上段以厚層灰?guī)r為主；下馬家溝組下段主要為泥巖與白云巖互層，上段主要為灰?guī)r，泥質(zhì)白云質(zhì)等［圖1（b）］。渤中21-2 構(gòu)造與渤中22-1 構(gòu)造在奧陶系潛山中測試均獲得了高產(chǎn)氣流，展示了研究區(qū)良好的勘探潛力。2 口科探井豐富的巖心、薄片、常規(guī)測井、自然伽馬能譜資料以及成像測井資料，為研究工作提供了詳實的資料基礎(chǔ)。

圖1 渤海西南海域區(qū)域地質(zhì)綱要及地層柱狀圖Fig.1 Regional geological outline and stratigraphic column of southeastern Bohai Sea

2 測井層序劃分方法

2.1 高自然伽馬成因分析

利用測井曲線開展層序劃分的過程多基于自然伽馬（或自然伽馬能譜）曲線與水深的關(guān)系展開，一般認為深水區(qū)較淺水區(qū)具有更高的自然伽馬值背景［13］。基于此認識，測井資料在陸源碎屑巖的層序劃分中取得了較好的應(yīng)用，同時該方法也在西部深水碳酸鹽巖研究中得到了拓展［20-21］。

針對華北地臺淺水臺地相碳酸鹽巖，在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該方法存在一定的缺陷：①在臺地相碳酸鹽巖中瀉湖以及開闊臺地灘間的泥質(zhì)增加指示水體變深，而泥坪區(qū)的泥巖（具有氧化色）指示水體變淺；②華北地臺下古生界在加里東期風化強烈，頂部多遭受風化淋濾，表現(xiàn)為高自然伽馬特征，而不是水體加深的結(jié)果；③在后期巖溶作用形成的儲層中鈾元素的富集同樣可導致自然伽馬增大，這也與沉積環(huán)境無關(guān)。基于以上原因，高自然伽馬（大于碳酸鹽巖自然伽馬背景值，取20 API）成因分析是有效開展層序劃分的基礎(chǔ)。研究區(qū)高自然伽馬異常的主控因素有3 種類型，分別為風化作用、儲層中鈾元素富集以及正常沉積泥巖。

風化成因的高自然伽馬與儲層中鈾元素富集成因的高自然伽馬異常一般小于50 API，這與沉積成因的高自然伽馬（一般在100 API 以上）具有明顯的差異。風化成因的高自然伽馬［圖2（a），表1］往往緊鄰馬家溝組頂部風化殼發(fā)育，與碳酸鹽巖風化淋濾形成的鋁土層有關(guān)。儲層中鈾元素富集形成的高自然伽馬異常多發(fā)育于內(nèi)幕儲層段，是儲層中鈾元素在相對還原條件下局部富集而形成的自然伽馬正異常［圖2（b），表1］。風化成因的伽馬異常曲線呈明顯的漏斗形特征，而鈾元素富集成因的高自然伽馬異常則多呈箱形的特征。正常沉積的泥巖呈典型的高自然伽馬、高聲波時差、高中子的三高“箱形”特征，自然伽馬值多高于100 API，電阻率呈現(xiàn)負異常；同為正常沉積的泥巖，在自然伽馬能譜上U，Th，K 均呈現(xiàn)正異常，但Th/U 曲線和Th/K曲線特征卻有明顯的差別，Th/U 曲線無規(guī)律性的變化，而Th/K 曲線一類表現(xiàn)為高值，而另一類則表現(xiàn)為低值［圖2（c），表1］。

圖2 不同成因高自然伽馬測井響應(yīng)特征Fig.2 Response characteristics of high natural gamma ray logging with different genesis

表1 不同成因高自然伽馬異常段測井響應(yīng)特征Table 1 Logging response characteristics of high natural gamma with different genesis

綜合泥巖與圍巖沉積相分析發(fā)現(xiàn)，具有高Th/K值的泥巖往往與白云巖共生，以紫紅色為主，為泥坪環(huán)境產(chǎn)物，代表氧化成因［圖2，3（a）］，而具有較低Th/K 值的泥巖則往往與厚層泥晶灰?guī)r相伴生，以灰色、黑灰色為主，且泥巖層面上見黃鐵礦，表明其形成于相對（瀉湖相，灘間亞相等）還原的沉積環(huán)境［圖2，3（b）］，與沉積水體的加深有關(guān)。

圖3 不同沉積環(huán)境泥巖測井響應(yīng)特征Fig.3 Logging response characteristics of mudstone in different sedimentary environments

研究區(qū)的3 種高自然伽馬具有不同的成因，在層序劃分中具有不同的指示意義。風化成因的高自然伽馬多與構(gòu)造活動控制的大型不整合面有關(guān)，往往指示二級層序界面（上馬家溝組頂部）；儲層中鈾元素富集造成的伽馬異常是有效儲層的響應(yīng)，沒有特定的環(huán)境指示意義，在層序劃分中屬于干擾因素；正常沉積的泥巖記錄著大量的沉積環(huán)境信息，還原成因的泥巖指示水體加深，多位于最大海泛面附近，而氧化成因的泥巖則多是水體變淺的響應(yīng)，多發(fā)育于層序頂、底界面附近。

2.2 層序識別方法

（1）參數(shù)選取

高自然伽馬成因分析結(jié)果表明，要有效劃分臺地相層序地層，須利用風化成因以及正常沉積泥巖的測井響應(yīng)信息，同時壓制儲層中鈾元素富集的測井信息。因而前人常利用的總自然伽馬曲線或Th/U曲線在臺地相層序劃分中難以適用［22-23］。為了不突出U 元素信息（避免儲層中鈾元素富集的影響），同時可有效地區(qū)分出氧化沉積型泥巖以及還原沉積型泥巖，本次研究選取Th/K 曲線開展層序劃分，Th/K 無論是對風化作用，還是不同沉積環(huán)境下沉積的泥巖均具有明顯的規(guī)律性響應(yīng)，更為重要的是，其不僅可以消除鈾元素富集的影響，同時可以有效地區(qū)分氧化成因的泥巖以及還原成因的泥巖。

（2）層序識別

為了更加客觀直接地進行不同級別的層序界面識別，研究中對選取的Th/K 曲線開展小波變換，通過對不同小波波形的嘗試，證實Gauss 小波波形曲線重構(gòu)后對沉積旋回的響應(yīng)最為有效。

如圖4 所示，可將馬家溝組劃分為5 個三級層序，其中下馬家溝組2 個，上馬家溝組3 個，每一個三級層序均發(fā)育海侵體系域與高位體系域。SQ1下部泥巖具有高Th/K 值，且與白云巖共生，為海侵初期的潮坪相沉積，水體加深時，泥質(zhì)、白云質(zhì)含量均降低，以沉積厚層塊狀泥晶灰?guī)r為主，高位域時隨著水體的變淺，再次出現(xiàn)氧化成因的泥巖，該層序主要為潮坪—瀉湖—潮坪的沉積旋回；SQ2 與SQ1 具有相似的水體變化特征，但水體深度淺于SQ1，這一點從白云巖含量增加可以推斷得出，海泛期形成的泥晶灰?guī)r具有明顯高電阻率特征；SQ3 水體進一步變淺，幾乎全是白云巖與氧化成因的泥巖，未見灰?guī)r沉積，表明該層序主要為淺水潮坪相沉積；SQ4水體急劇加深，海侵體系域發(fā)育一定厚度的還原成因泥巖，此類泥巖主要與泥晶灰?guī)r伴生，整個奧陶系超層序的最大海泛面即位于此三級層序內(nèi)，高位域以鮞粒灰?guī)r為主，為顆粒灘沉積；SQ5水體略有變淺，海侵體系域出現(xiàn)薄層白云巖，但該體系域的頂部受加里東運動影響，遭受強烈剝蝕，為Ⅰ型層序界面。

圖4 BZ21-2-A 井三級層序特征Fig.4 Third-order sequence characteristics of well BZ21-2-A

針對層序劃分的結(jié)果，應(yīng)用地球化學資料對劃分結(jié)果進行了驗證。海相碳酸鹽巖的δ13C，δ18O 演化規(guī)律研究提供了古代沉積環(huán)境的重要信息，能有效地反映古海平面的變化，但是δ18O 值易受后期成巖作用影響，而后期成巖作用基本不改變δ13C 的值［24］，因而δ13C 可有效指示古海平面變化。受海域取心資料限制，樣品點較為分散，難以利用其數(shù)據(jù)準確地分析出古水深的變化情況，但是從δ13C 數(shù)據(jù)中還是可以解譯出海平面的變化趨勢，尤其是下馬家溝組中的SQ1，SQ2 以及上馬家溝組的SQ5 在層序界面附近均具有明顯的δ13C 降低的趨勢，表明在層序界面附近海平面曾發(fā)生過明顯的下降，也證實了利用Th/K 曲線開展小波變換劃分結(jié)果的可靠性（圖4）。

3 層序與儲層關(guān)系

層序界面對海相碳酸鹽巖儲層具有重要的控制作用。海相碳酸鹽巖在高頻旋回控制準同生期暴露溶蝕的基礎(chǔ)上，疊加后期埋藏溶蝕作用而復(fù)合改造，可形成良好的儲集層［25］。在穩(wěn)定陸表海臺地背景下，高頻層序控制了巖相發(fā)育序列及同生巖溶作用，進而控制了不同成因類型儲集層的發(fā)育［26］。

渤海海域渤中21-22 構(gòu)造區(qū)主要發(fā)育與構(gòu)造活動相關(guān)以及與成巖作用相關(guān)的2 類儲層。與構(gòu)造活動相關(guān)的儲層主要為構(gòu)造裂縫以及破碎粒間孔［圖5（a）］。薄片中可見大量的網(wǎng)狀裂縫，多由不同時期的裂縫切割而成［圖5（b）］；部分裂縫現(xiàn)今仍然具有開啟的特征［圖5（c）］，同時大量裂縫在現(xiàn)今已被方解石充填，導致其有效性明顯降低［圖5（d）］。基于薄片觀察發(fā)現(xiàn)，裂縫型儲層在各類巖性中均可發(fā)育，表明其主要受控于構(gòu)造應(yīng)力。與成巖作用有關(guān)的儲層主要發(fā)育在白云巖中。一類為白云巖晶間孔，多與白云巖化的增孔效應(yīng)有關(guān)［圖5（e）］，另一類儲層為組構(gòu)選擇性溶蝕孔，主要發(fā)育于顆粒灘、生屑灘等灘相沉積中，這種選擇性溶蝕既有對顆粒的選擇性溶蝕，也有對膠結(jié)物的選擇性溶蝕，其中對顆粒的選擇性溶蝕多與同生期—準同生期巖溶有關(guān)［圖5（f）］。

圖5 渤中21-22 構(gòu)造區(qū)儲集空間類型（a）構(gòu)造角礫巖，見破碎礫間孔與構(gòu)造縫，BZ22-1-B 井，4 395.8 m；（b）泥晶灰?guī)r，網(wǎng)狀裂縫發(fā)育，BZ21-2-A 井，4 887.1 m；（c）粉晶灰?guī)r，構(gòu)造裂縫發(fā)育，BZ21-2-A 井，4 888.13 m；（d）泥晶灰?guī)r，裂縫發(fā)育，為粗粉晶方解石充填，BZ21-2-A 井，4 890.5 m；（e）粉晶白云巖，晶間孔發(fā)育，BZ22-1-B，4 423.5 m；（f）晶粒云巖，顆粒選擇性溶蝕孔發(fā)育，BZ22-1-B 井，4417.2 mFig.5 Reservoir space types in Bozhong 21-22 structure

基于成像測井，對2 口探井的儲層類型及垂向展布進行了刻畫（圖6）。裂縫型儲層在成像測井上多表現(xiàn)為暗色的正弦曲線，表明裂縫具有低阻特征，未發(fā)生充填，為有效裂縫［圖6（b-Ⅰ）］；將組構(gòu)選擇性溶蝕型儲層以及白云巖晶間孔型儲層統(tǒng)稱為孔洞型儲層，其在成像測井上具有暗色豆狀的成像特征［圖6（b-Ⅱ）］。

圖6 渤中21-22 構(gòu)造三級層序與儲層關(guān)系Fig.6 Relationship between third-order sequences and reservoirs in Bozhong 21-22 structure

儲層劃分結(jié)果表明，研究區(qū)儲層具有明顯的分帶性。風化殼100 m 之內(nèi)主要為裂縫型儲層，成像測井上解釋出大量的構(gòu)造裂縫，該類儲層主要受斷裂控制，受層序控制作用不明顯［圖6（a）］。在風化殼100 m 之下，孔洞型儲層占比明顯增加，該類儲層主要分布于SQ1 與SQ2 內(nèi)。在單一三級層序內(nèi)，孔洞型儲層主要發(fā)育于三級層序的頂界與底界附近［圖6（a）］。王宏語等［1］在塔中隆起卡1 地區(qū)奧陶系的研究結(jié)果也表明三級層序?qū)α芽p性儲層的影響較弱，但是對溶孔的縱向分布控制作用顯著，溶孔一般出現(xiàn)在層序界面附近。

4 結(jié)論

（1）臺地相碳酸鹽巖較深水碳酸鹽巖層序劃分具有其特殊性，將高自然伽馬成因劃分為風化作用、儲層鈾富集以及正常沉積泥巖3 種類型。正常沉積泥巖進一步劃分為氧化成因與還原成因，風化作用以及沉積泥巖導致的高自然伽馬對層序劃分具有指示意義。

（2）Th/K 曲線可有效地區(qū)分不同成因的自然伽馬異常；基于Th/K 曲線通過小波變換將馬家溝組劃分為5 個三級層序，其中下馬家溝組2 個，上馬家溝組3 個，劃分結(jié)果可進行區(qū)域?qū)Ρ取?/p>

（3）渤海海域渤中21-22 構(gòu)造區(qū)風化殼100 m以內(nèi)發(fā)育裂縫型儲層，主控因素為構(gòu)造作用，層序控制作用不明顯；100 m 之下發(fā)育大量溶蝕孔洞型內(nèi)幕儲層，此類儲層主要分布于SQ1—SQ2 內(nèi)，三級層序頂、底界面附近是溶蝕孔隙型儲層的主要發(fā)育部位。