萬錦峰，鮮本忠，佘源琦 （油氣資源與探測國家重點實驗室 中國石油大學 （北京）地球科學學院，北京102249）

楊立強 （中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

基于伽馬能譜測井信息的古水深恢復方法
——以塔河油田4區(qū)巴楚組為例

萬錦峰，鮮本忠，佘源琦 （油氣資源與探測國家重點實驗室 中國石油大學 （北京）地球科學學院，北京102249）

楊立強 （中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

古水深恢復是盆地分析、層序地層學研究、古地貌恢復的重要基礎(chǔ)內(nèi)容之一。根據(jù)U、Th、K的地球化學特征及遷移規(guī)律，提出了通過數(shù)據(jù)檢驗、沉積背景分析、氧化－還原環(huán)境評價和古水深計算的古水深半定量恢復技術(shù)。結(jié)合塔里木盆地塔河油田4區(qū)測井數(shù)據(jù)研究表明，巴楚組沉積時期以還原環(huán)境為主，其 “雙峰灰?guī)r”之下泥巖段還原程度最強，對應(yīng)于該沉積層序的凝縮段沉積。利用提出的預測水深計算公式，對灰?guī)r層之下的泥巖層進行古水深恢復結(jié)果表明，上部泥巖層 （Ⅱ號）水深范圍在1～10m之間，平均僅3m；下部泥巖層 （Ⅳ號）水深范圍在1～20m之間，平均為5m。該方法的提出有助于含油氣盆地中古生物資料缺乏條件下的古水深恢復的開展，也有利于改進基于沉積學方法和古生物方法進行的古水深恢復的精度，實現(xiàn)垂向上連續(xù)的古水深恢復，深化層序地層劃分和盆地分析。

伽馬能譜測井；古水深；塔河油田；巴楚組

古水深恢復是古環(huán)境研究和盆地分析的重要內(nèi)容，也是確定古代海平面變化、古地貌恢復的關(guān)鍵內(nèi)容。長期以來對古水深的確定多基于具有水深意義的生物標志，比如鈣藻［1］、底棲有孔蟲與浮游有孔蟲［2］、珊瑚群落［3］、介形蟲與顆石藻［4］；或者是能代表水深的沉積結(jié)構(gòu)［5］、自生礦物［1］；以及能夠代表沉積環(huán)境的地球化學特征，比如U/Th、V/Cr和Ni/Co值及自生U含量 （AU）［6］。這些資料為古水深的恢復提供了有用的信息，已取得大量研究成果。但是，在對非野外露頭區(qū)的含油氣盆地沉積地層開展古水深恢復時，上述方法普遍對巖心 （實物樣品）的依賴度很高，因此也難對一套地層開展連續(xù)的恢復，這很大程度上限制了古水深的研究及其應(yīng)用。筆者試圖利用油氣勘探中廣泛采集的自然伽馬能譜測井資料，根據(jù)垂向上連續(xù)釷 （Th）、鈾 （U）數(shù)據(jù)及其地球化學遷移規(guī)律，結(jié)合沉積背景分析和盆地水體氧化－還原性評價，建立基于伽馬能譜測井信息的古水深 （半）定量恢復方法，并將該方法應(yīng)用于塔河油田巴楚組古水深恢復和精確的古地貌研究之中。

1 基于伽馬能譜測井信息的古水深恢復的原理

1.1 U、Th、K的地球化學特征、遷移規(guī)律以及地質(zhì)意義

U屬于錒系元素，在元素周期表的位置說明了其極易被氧化的性質(zhì)，大多以正四價 （U4＋）以及正六價 （U6＋）的陽離子存在。U4＋多與其他元素結(jié)合成礦物富集于沉積物中。當含有U6＋的流體流經(jīng)富含有機質(zhì)的地層時，被有機質(zhì)絡(luò)合固定為腐殖酸鈾酰或富里酸鈾酰鹽，而該類絡(luò)合物在pH值2.2～6的范圍內(nèi)為不溶狀態(tài)。pH值升高到7時，U元素主要被碳酸鹽和磷酸鹽絡(luò)合而發(fā)生沉積。同時，根據(jù)前人研究U含量與有機碳豐度相關(guān)性高［7］，有機質(zhì)在還原環(huán)境中絡(luò)合物會發(fā)生如下還原反應(yīng)［8］，從而使得U元素從流體中沉淀出來：

因此，沉積過程中U主要通過兩種方式發(fā)生富集：①被還原并在沉積物中富集；②被有機質(zhì)以及粘土礦物所吸收。

Th是自然界放射性元素中化學性質(zhì)較穩(wěn)定的元素。一般不受成巖后期改造和地球化學作用的影響，并且常常在粗碎屑物中形成含量較高的沉積，而在碳酸鹽巖中一般含量相對較低。

K在沉積物中含量比較豐富，在砂巖中K的豐度與碎屑顆粒的粒度成反比關(guān)系。

在正常沉積環(huán)境下，粒度粗細與水動力強弱成正相關(guān)，故可利用Th/K反映水體的能量。天然放射性元素的這些地球化學特征及其規(guī)律的差異性，構(gòu)成了利用各種能譜參數(shù)研究和解決地質(zhì)問題的理論基礎(chǔ)［9］。其中，Th/U體現(xiàn)了水體的氧化還原性，Th/K則表現(xiàn)了水體動力環(huán)境。

1.2 古水深恢復方法

沉積水體的還原程度與水深之間具有密切的關(guān)系，所以利用伽馬能譜測井信息進行古水深恢復的基本前提是：首先，在平面上研究工區(qū)應(yīng)處于同一個沉積水體范圍；其次，在垂向上研究目的層段應(yīng)均為沉積巖層，且發(fā)育于同一沉積水體中；最后，由于Th在碎屑巖與化學沉積巖之間含量不同，為了剔除巖性的影響，需選擇巖性一致的巖層進行研究。對于平面上與垂向上不屬于相同沉積水體范圍的工區(qū)需要分別分析，調(diào)整計算公式的參數(shù)。

圖1 基于沉積相約束下的伽馬能譜測井恢復古水深研究流程圖

基于伽馬能譜測井的古水深恢復方法流程如圖1所示，具體步驟分如下4步：

1）數(shù)據(jù)檢驗 分析數(shù)據(jù)中明顯的異常點，主要有人為因素與地質(zhì)因素兩類，對于人為因素而導致的誤差需剔除，而地質(zhì)因素引起的異常點則需進行更深入的討論。

2）沉積背景分析 為獲取工區(qū)沉積時期的水深范圍，并對具有等時意義的地層進行對比，需要利用層序地層學原理與沉積學方法進行等時格架的構(gòu)建與沉積相的劃分。

3）基于Th/U、Th/K對目標層沉積環(huán)境進行評價 首先，利用Adams等［10］基于大量數(shù)據(jù)提出的規(guī)律（Th/U＞7時為陸相沉積環(huán)境，海相沉積中Th/U多小于7，深海頁巖Th/U多小于2）對前期沉積相研究做出進一步論證，然后采用代大經(jīng)等［11］對四川盆地三疊系嘉陵江組研究中提出的釷鈾比 （Th/U）評價氧化還原性、釷鉀比 （Th/K）評價水動力條件的標準 （表1）。但需注意，由于嘉陵江組整體為碳酸鹽巖沉積，巖石中Th含量偏低，所以該標準在對碎屑巖沉積進行評價時可能使得結(jié)果偏氧化。

表1 Th/U、Th/K與沉積環(huán)境之間的關(guān)系 （代大經(jīng)等［11］，1995）

4）確定相對古水深與預測水深計算公式及相關(guān)參數(shù) 陳中紅等［12］在東營凹陷利用U含量曲線對水深進行了討論，并提出了預測水深函數(shù) （式 （2））。該次研究采用該函數(shù)進行計算。

定義U含量等于零時為水平面，各數(shù)據(jù)點偏離該值的大小就反映了相對水深。其表達式為：

式中，W（U）i為各個點的U含量值；D為相對水深值；i為數(shù)據(jù)點的順序標號。

為把相對水深轉(zhuǎn)化為實際水深，假定水體氧化還原環(huán)境與實際水深成正相關(guān)的線性關(guān)系。由此提出了預測水深的計算公式如下：

式中，H為恢復點的預測水深，m；Dmax為相對水深最大值；Hmax為實際水深最大值，m。

2 利用伽馬能譜測井信息進行古水深恢復實踐

2.1 巴楚組層位劃分及目標層位選取

以塔里木盆地塔河油田4區(qū)巴楚組為例，利用伽馬能譜測井信息進行古水深恢復。石炭系巴楚組是研究工區(qū)內(nèi)超覆于奧陶系巖溶地貌頂面的一套以碎屑巖為主、碳酸鹽巖為輔的沉積蓋層。巴楚組按巖性分為3段，其中有一套全區(qū)穩(wěn)定分布，在地震剖面上為一條連續(xù)同向軸，在測井曲線上表現(xiàn)為兩段低伽馬值高電阻率特點的灰?guī)r巖層，俗稱 “雙峰灰?guī)r”。把巴楚組三段與二段的頂部分為4層 （圖2），其中Ⅰ層與Ⅲ層為雙峰灰?guī)r段灰?guī)r，Ⅱ?qū)訛閮蓪踊規(guī)r段中所夾的泥巖段，Ⅳ層則為巴楚組二段頂部10m厚的泥巖段 （該段又可稱為 “下泥巖段”）。根據(jù)前人研究，巴楚組地層為一個完整的三級層序［13］：Ⅳ層所在地層為鹽湖沉積，Ⅱ?qū)铀诘貙訉儆谙袒癁a湖沉積［14］；Ⅳ層為海侵體系域，而Ⅰ層為高位體系域，Ⅳ層頂界面為最大洪泛面。

Th含量值是主導Th/U含量值在不同巖性中變化的主要因素之一，其值受巖性影響較大，而U含量值受巖性影響較小。以TK211井為例：Ⅳ層與Ⅱ?qū)訛槟鄮r而Ⅲ層為碳酸鹽巖。Ⅳ層的Th含量值在10.05～5.97范圍內(nèi)，均值為8.13；Ⅲ層的Th含量值在7.81～0.39范圍內(nèi)，均值為2.03。從Ⅳ層泥巖段到Ⅲ層碳酸鹽巖段Th含量值上升超過了300%。Ⅳ層的U含量值在3.52～1.42范圍內(nèi)，均值為2.52；Ⅲ層的U含量值在2.04～0.79范圍內(nèi)，均值為1.32（圖2）。從Ⅳ層到Ⅲ層U含量值下降了47%。Ⅱ?qū)拥腡h含量值均值為6.75而U含量值的均值為1.86。同為泥巖段的Ⅳ層與Ⅱ?qū)?，Th含量值僅變小了17%，U含量值則變小了26%。證明巖性對Th含量值的影響非常大。所以為了能剔除由于巖性而導致的對氧化還原性質(zhì)評價的影響，選取具有相同巖性的Ⅳ層與Ⅱ?qū)幼鳛槟繕藢印?/p>

2.2 Th、U、K數(shù)據(jù)來源與處理

該次研究所使用的Th、U、K含量數(shù)據(jù)都來自于伽馬能譜測井信息。由于在目標層段進行了兩次測井，為了防止兩次測量所造成的誤差，故只使用了第1次測量的數(shù)據(jù)。選取工區(qū)49口井的數(shù)據(jù)，Ⅱ?qū)优cⅣ層的K含量平均值分別為2.024%與2.128%，兩層K含量變化不大，且?guī)r性一致。

由于巴楚組埋深較大、時間較長，經(jīng)歷了長時間的后生成巖作用，使得原生的U發(fā)生了遷入或遷出。為了更好地反映泥巖同生階段的Th/U，應(yīng)采用Th與U的平均值來計算Th/U［15］，這可在一定程度上壓制U在后生成巖期的含量波動。

2.3 巴楚組沉積環(huán)境分析和預測水深的計算

根據(jù)不同層位Th/U含量值的統(tǒng)計分析 （圖3），研究工區(qū)所有井的目標層位Th/U都小于10，說明該地區(qū)在巴楚組沉積時期處于還原環(huán)境。兩套地層只有4%的井顯示Th/U大于7，證明該區(qū)屬于以海相沉積為主的海陸過渡相，符合前人對該地區(qū)為瀉湖沉積環(huán)境的判斷。Th/U含量值在Ⅳ層分布為0.7～8.5，均值為2.5；有88.1%的井Th/U＜4，反映在Ⅳ層沉積時以強還原環(huán)境為主。Ⅱ?qū)覶h/U含量值分布在0.8～8.9之間，均值為2.8。

Ⅱ?qū)铀w與Ⅳ層水體的Th/U成正相關(guān)的關(guān)系 （圖4），說明Ⅱ?qū)铀w氧氣含量比Ⅳ層沉積時要充分，且Th/U的均值也比Ⅳ層的略大。推測在Ⅱ?qū)映练e時水深要比Ⅳ層沉積時淺。

圖2 塔河油田4區(qū)巴楚組層位劃分

圖3 塔河油田4區(qū)巴楚組Ⅳ層、Ⅱ?qū)覶h/U頻率圖

圖4 塔河油田巴楚組Ⅳ層與 Ⅱ?qū)覶h/U關(guān)系圖

Ⅱ?qū)覷含量均值為2.9mg/L，Ⅳ層U含量均值為3.5mg/L。Ⅳ層到Ⅱ?qū)映练e環(huán)境相對富氧，水體變淺，沉積物中U相對變少。把由測井獲得的各點U含量值按照層位分別代入式 （1），就能計算出每一個地層段所對應(yīng)的相對水深值。Ⅳ層到Ⅱ?qū)?，Dmax（相對水深最大值）由73.9減少為35.9，相對水深均值由16.3減少到10.2。說明水深整體變淺，含氧量增加，與根據(jù)Th/U評價的沉積環(huán)境變化趨勢相同，佐證了Ⅳ層頂界面為最大海泛面的認識。

根據(jù)對現(xiàn)代海岸瀉湖的研究成果發(fā)現(xiàn)，一般的海岸咸化瀉湖水深不會超過10m，瀉湖水深不超過20m。由于缺乏現(xiàn)代沉積中瀉湖的水體深度與Th、U含量的統(tǒng)計規(guī)律，故采用式 （2）嘗試恢復。工區(qū)Ⅱ?qū)拥念A測平均水深為3m，Ⅳ層預測平均水深略高為5m。對比圖5與圖6可知，Ⅱ?qū)永^承了Ⅳ層水體中間水淺、南北部水深的趨勢，且到Ⅱ?qū)訒r中部水體相對偏淺的范圍有所擴大。Ⅱ、Ⅳ層TK442井都為預測水深值最大的一口井，推測該井以及周邊地區(qū)可能存在巖溶洼地，使得水體比較深，氧含量不充足U相對富集。

研究認為：①Ⅱ?qū)优cⅣ層整體處于還原環(huán)境，水體缺乏交換使得含氧量偏低；②Ⅱ?qū)拥倪€原性要稍弱于Ⅳ層，Ⅳ層沉積時水深在總體上要比Ⅱ?qū)映练e時要深，最大海泛面應(yīng)為Ⅳ層的頂界面。

圖5 塔河油田4區(qū)巴楚組Ⅳ層預測水深圖

圖6 塔河油田4區(qū)巴楚組Ⅱ?qū)宇A測水深圖

3 問題與討論

利用伽馬能譜測井資料進行沉積環(huán)境評價時，首先假定伽馬能譜測井所測定的Th、U、K值就是地層中對應(yīng)元素的含量，但是伽馬能譜儀實際所測的是Th、U、K這3個放射族里的某個特征光譜，即選用U系中的214Bi發(fā)射的1.76MeV的伽馬射線識別U，選用Th系中的208Tl發(fā)射的2.62MeV的伽馬射線識別Th，用1.46MeV的伽馬射線來識別K。然后，根據(jù)放射性平衡原理來推測出3者的含量。但在地質(zhì)歷史中，保持放射性平衡是很困難的，所以伽馬能譜測井所得到的元素含量也并不能完全反映地質(zhì)體中對應(yīng)的含量。

此外，利用Th與U的均值表示同生沉積時的含量，也是基于U只在該工區(qū)遷移富集［15］。如果工區(qū)存在部分的U已經(jīng)遷移到工區(qū)以外，而對已經(jīng)遷移出沉積區(qū)的那部分U尚無辦法進行恢復，就使得Th/U偏大，環(huán)境偏氧化。在計算水深時由于U含量偏低，也會使得水深偏淺。

最后，也有部分因素導致Th/U含量值可能偏高：①沉積物中如有富含Th、U的沉積礦物必會導致含量偏高，比如鋯石。這些礦物大多抗風化能力強，所含U與Th都很難被風化遷移而出，造成了Th或U富集的假象。②其他沉積盆地中的U被地下水流遷入到研究區(qū)，使得U含量值偏大，沉積環(huán)境偏還原。

4 結(jié) 語

筆者利用層序地層分析找到等時的沉積界面，通過沉積相的分析確定水深范圍；然后根據(jù)伽馬能譜的測井信息求取Th/U、Th/K值，判斷還原氧化環(huán)境；最后利用水深計算公式參考現(xiàn)代沉積水深資料把測井信息轉(zhuǎn)化為水深數(shù)據(jù)，并與沉積環(huán)境評價結(jié)果做互相的印證與討論。在使用時應(yīng)注意對成巖作用影響的壓制，以及目地層位的選取需在相同的沉積水體范圍內(nèi)。在塔河油田4區(qū)的實踐中，目標層段的Th/U在0.6～8.9分布，整體為還原環(huán)境，符合沉積相為瀉湖沉積的認識。Ⅳ層水深范圍為1～20m，平均水深為5m；Ⅱ?qū)铀罘秶鸀?～10m，平均水深為3m。Ⅳ層頂界面為巴楚組的最大海泛面。該方法克服了古生物學以及沉積相對巖心的依賴，使得在缺少實物樣品的研究工區(qū)也能夠?qū)Φ貙舆M行連續(xù)的水深恢復。更精確地擬定了層序界面和古水深的變化情況。

但由于古水深恢復是一個復雜多因素的過程，需要做更深入的工作，比如為保證沉積環(huán)境水深范圍的精確性應(yīng)建立起現(xiàn)代沉積中各種沉積環(huán)境的水深信息數(shù)據(jù)庫與統(tǒng)計規(guī)律，深化元素遷移規(guī)律的研究。同時，應(yīng)把該方法與其他方法所獲得的水深信息進行互相的校正，從而得出更加精確連續(xù)的垂向的水深變化曲線，最終做到精確定量恢復古水深。

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Palaeobathymetric Reconstruction Based on Natural Gamma Ray Spectrometry Logging Data——By Taking Bachu Formation in Region4of Tahe Oilfield for Example

WAN Jin－feng，XIAN Ben－zhong，SHE Yuan－qi，YANG Li－qiang（First Author's Address：State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting；Faculty of Geosciences，China University of Petroleum，Beijing102249，China）

Palebathymetric reconstruction was one of the important foundations of basin analysis，sequence stratigraphic study as well as paleogeomorphy recovery.Based on geochemical characteristics and rules of migration and accumulation of Th，U，K，a semi－quantitative method with 4steps was introduced to restore paleo－depth of water and checking.The method was used in Block 4of Tahe Oilfield for example.Log analysis shows that there is hardly any oxygen of water in the second and third members of Bachu Formation，and the latter one corresponds to the condensend section which has the strongest reductibility.The upper mudstone（Ⅱ）is deposited on the ocean floor between 1to 10mand the average depth of water is 4m.The lower mudstone（Ⅳ）is deposited in between 1to 20mand the average depth of water is 5 m.This method is beneficial for rebuilding the palebathymetry of sedimentary basin which is in short of paleontological data，also beneficial for improving the accuracy of restoring palebathymetry，recovering the continuous curve of water depth，and deepening sequence stratigraphic subdivision and basin analysis.

natural gamma ray spectrometry log；palaeobathymetric；Tahe Oilfield；Bachu Formation

P631.84

A

1000－9752（2011）06－0098－06

2010－11－16

國家科技重大專項 （2008ZX05014－001－009HZ）。

萬錦峰 （1987－），男，2009年大學畢業(yè)，碩士生，現(xiàn)主要從事沉積學、層序地層學方面的研究工作。

［編輯］ 龍 舟