劉書(shū)會(huì)， 高永進(jìn) ，王長(zhǎng)軒

中國(guó)石化股份勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營(yíng)，257015

內(nèi)容提要: 針對(duì)紅層劃分對(duì)比所面臨的難題，在充分吸收前人研究成果的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)有的多種分層方法相互整合，彼此約束和印證，形成了一套科學(xué)、便捷的技術(shù)方法，即“接觸關(guān)系明頂?shù)?、巖電特征找界面、多元融合定方案、地震約束建格架”的綜合地層劃分對(duì)比技術(shù)。該方法針對(duì)紅層的特殊性，根據(jù)巖電特征對(duì)干旱氣候的響應(yīng)變化，充分利用了測(cè)、錄井資料縱向上的連續(xù)性?xún)?yōu)勢(shì)(避免了取樣分析的局限)，以及地震資料橫向上的優(yōu)勢(shì)，有效地解決了紅層縱向劃分、橫向?qū)Ρ鹊碾y題，在濟(jì)陽(yáng)坳陷東營(yíng)凹陷南坡始新統(tǒng)沙河街組、 孔店組的應(yīng)用取得了良好效果。該方法可為其它地區(qū)同類(lèi)復(fù)雜地層劃分對(duì)比提供技術(shù)支持。

陸相紅層主要形成于炎熱、干燥的地質(zhì)時(shí)期，因?yàn)槠浠∩?，在生物地層學(xué)上被稱(chēng)為“啞地層”。長(zhǎng)期以來(lái)，紅層由于缺乏古生物以及穩(wěn)定的巖性、電性標(biāo)志，傳統(tǒng)的生物地層和巖石地層劃分非常困難。為此，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者在不同地區(qū)，用不同方法進(jìn)行了嘗試(馬玉貞，1993；張?jiān)葡璧龋?997；陳波等，2007)，也取得了一定經(jīng)驗(yàn)和效果。其中，層序地層是目前用于地層對(duì)比分析的主流方法，在石油地質(zhì)領(lǐng)域得到日益廣泛的認(rèn)可，但是該方法針對(duì)紅層的在一些局部地區(qū)應(yīng)用效果并不理想。究其原因，是由于紅層剖面韻律結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在缺乏標(biāo)志層約束的情況下，單純應(yīng)用巖性和電性的旋回分析易導(dǎo)致劃分方案不統(tǒng)一、劃分尺度不一致、劃分結(jié)果不等時(shí)的問(wèn)題。從實(shí)踐來(lái)看，礦物地層學(xué)和元素地層學(xué)似乎是解決“啞地層” 劃分對(duì)比難題的兩把“鑰匙”。如丁躍潮(1994)、張守鵬等(2003)等采用微量元素的最優(yōu)分割法分別對(duì)南疆古近系—新近系紅層和東營(yíng)凹陷古近系紅層的劃分對(duì)比，孫玉善等(1998)應(yīng)用粘土礦物的組合特征對(duì)塔里木盆地中生界地層進(jìn)行的劃分對(duì)比，取得了一定效果。從方法上來(lái)講，基于實(shí)驗(yàn)室樣品分析的方法(包括生物地層學(xué)、磁性地層學(xué)、同位素年代地層學(xué)等在內(nèi))，具有重要的科學(xué)意義，但是在應(yīng)用上存在很大的局限性，僅適用于部分取樣分析井，其對(duì)比精度一般也只能控制三級(jí)層序或者亞段級(jí)別以上的大套地層。因此，需要探索新的地層對(duì)比方法。

1 紅層“啞地層”綜合對(duì)比方法

1.1 紅層特點(diǎn)與研究思路

陸相紅層可見(jiàn)于多種沉積環(huán)境，如沖積扇、河流沖積平原、三角洲、湖泊及沙漠等。彭華等(2003)認(rèn)為紅層為紅色的陸相碎屑沉積物， 巖石組成多為砂巖和礫巖，并夾粉砂巖、頁(yè)巖、泥巖、灰?guī)r、石膏及巖鹽等。顏色是紅層的主要標(biāo)志之一，但紅層并非全由紅色的巖石組成， 事實(shí)上，在基本的紅色色調(diào)上夾有其它色調(diào)，反而成為紅層的一個(gè)特色。大部分紅層堆積在封閉的、相對(duì)干燥的內(nèi)流盆地環(huán)境中，盆地邊緣主要表現(xiàn)為礫巖、砂礫巖交互成層，以厚層或巨厚層甚至塊狀構(gòu)造為主；靠近湖盆中心區(qū)域堆積的細(xì)碎屑，一般以薄層構(gòu)造為主；介于兩者之間的河流相和三角洲相沉積則較為復(fù)雜，發(fā)育砂、泥巖厚薄不等的互層結(jié)構(gòu)，由于各次沉積過(guò)程水量的大小和物源的不同，特別是暫時(shí)性流水的沖刷和堆積，造成各次沉積的平面形態(tài)和垂向組合都表現(xiàn)出很大的差異，導(dǎo)致了紅層剖面對(duì)比的困難。

地層的顏色受環(huán)境、氣候，成巖作用等多種因素的控制，因此，紅層的成因至今仍是一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題。研究表明，紅層的形成，在很大程度上與氣候有關(guān)。由于紅層中大多數(shù)含有碳酸鹽巖碎屑或鈣質(zhì)膠結(jié)物，甚至含有蒸發(fā)鹽夾層，目前大部分學(xué)者認(rèn)為紅層形成在炎熱干燥的環(huán)境下。但是紅層的紅色主要是高價(jià)鐵(Fe3+)相對(duì)富集而成的，這個(gè)富集過(guò)程必須要有足夠的淋溶作用(彭華等，2003)。氣候的變化對(duì)紅層的影響主要表現(xiàn)在：① 造成植被和降雨量的變化，進(jìn)而影響河流的發(fā)育、物源的供給；② 控制湖盆中水體的蒸發(fā)和注入量變化，從而引起湖平面的升降變化?？梢哉f(shuō)，紅層的形成以及沉積相的變遷，很大程度上與氣候變化有關(guān)。因此，利用地層記錄中的氣候標(biāo)志如石膏及巖鹽等特殊巖性紅層進(jìn)行劃分對(duì)比具有極高的可靠性。

恢復(fù)古氣候的方法主要有孢粉法、微量元素法、粘土礦物法、同位素法等。近年來(lái)，以粘土礦物分析為手段來(lái)恢復(fù)古氣候得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。粘土礦物的組成及含量可以利用測(cè)井曲線獲得，這樣就解除了取樣分析的限制。因此，可以根據(jù)巖電特征對(duì)干旱氣候的響應(yīng)變化，對(duì)紅層進(jìn)行劃分對(duì)比。

1.2 紅層綜合對(duì)比方法

實(shí)踐證明，單一方法解決不了復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題。應(yīng)在充分吸收和總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)有的多種分層方法相互整合，彼此約束和印證，建立一套新的、適合普通地質(zhì)科技人員操作的綜合地層對(duì)比方法。

通過(guò)東營(yíng)凹陷南坡始新統(tǒng)紅層的勘探實(shí)踐，整合生物地層學(xué)、巖石地層學(xué)、礦物地層學(xué)和層序地層學(xué)等多種方法，形成了“接觸關(guān)系明頂?shù)?、巖電特征找界面、多元融合定方案、地震約束建格架”的紅層“啞地層”劃分對(duì)比技術(shù)。該方法充分利用了測(cè)、錄井資料縱向上的連續(xù)性?xún)?yōu)勢(shì)，以及地震資料橫向上的優(yōu)勢(shì)，有效地解決了紅層縱向劃分、橫向?qū)Ρ鹊碾y題。具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

(1)層次性原則：整體控制局部，低頻約束高頻，層序劃分和對(duì)比按照由低頻到高頻的順序逐級(jí)進(jìn)行，遵循從宏觀到微觀、從大尺度到小尺度的逐級(jí)劃分原則。首先，確定宏觀主界面(紅層頂、底界面以及沙四下、孔一段分界面)，為下一步的精細(xì)劃分奠定基礎(chǔ)；其次，通過(guò)這些關(guān)鍵界面的識(shí)別、追蹤及閉合，進(jìn)行長(zhǎng)期基準(zhǔn)面旋回的劃分(即三級(jí)層序)；然后，再根據(jù)具體資料情況和研究精度需要依次進(jìn)行中期或短期基準(zhǔn)面旋回的劃分。

(2)統(tǒng)一性原則：注重各種方法的適用性，以及不同方法之間的結(jié)合方式，強(qiáng)調(diào)地震、測(cè)井、巖芯以及古生物資料等識(shí)別標(biāo)志在基準(zhǔn)面旋回對(duì)比中的綜合與統(tǒng)一。

2 研究實(shí)例和應(yīng)用效果

圖1 東營(yíng)凹陷構(gòu)造位置圖Fig. 1 Tectonic map of the Dongying Sag

圖3 東營(yíng)凹陷南坡沙四上、沙四下界面巖性和電性特征圖Fig. 3 The lithological and electrical character of the boundary between E2 and E2 (Upper Part and Lower Part of the 4th Member, Shahejie Formation, Eogene) on the South Slope of the Dongying Sag

東營(yíng)凹陷是渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷中的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元(圖1)，面積5700km2，從構(gòu)造上分為北部陡坡帶，中央隆起帶、洼陷帶和南部緩坡帶。凹陷南坡古近系紅層形成于盆地?cái)嘞菰缙?，屬于始新統(tǒng)沙河街組四段下亞段—孔店組一段(圖1)。該套地層經(jīng)歷長(zhǎng)期復(fù)雜的構(gòu)造演變，區(qū)域變化非常大，厚度從幾十到數(shù)千米不等。巖石組成多數(shù)為砂巖和礫巖與粉砂巖、泥巖互層，并夾灰?guī)r以及石膏及巖鹽等特殊巖性。凹陷北部紅層埋深大，井鉆遇程度低，本次主要對(duì)南部斜坡帶的紅層按照上述原則，開(kāi)展了由低級(jí)到高級(jí)層序界面的識(shí)別研究。

圖4 東營(yíng)凹陷南坡始新統(tǒng)孔店組一段底界面巖性和電性特征圖Fig. 4 The wirelogs and lithology of E2k1 bottom on South Slope of the Dongying Sag

2.1 紅層頂?shù)捉缑娴拇_定

紅層與下伏中生界、上覆古近系沙四上亞段之間，在一些地區(qū)存在角度不整合，在巖性、電性和地震反射特征存在明顯標(biāo)志。地震與鉆井資料結(jié)合，以角度不整合作為主要標(biāo)志，在全區(qū)對(duì)紅層頂?shù)捉缑孢M(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和追蹤(圖2)。

2.1.1 頂界面的確定

該界面為局部不整合面，在南部盆緣地區(qū)的構(gòu)造高地削截現(xiàn)象較為明顯(圖2)，沙四下亞段頂部遭受局部剝蝕，從而與上部沉積形成了角度不整合接觸關(guān)系，向盆地內(nèi)部逐漸過(guò)渡為整合接觸。

測(cè)井曲線上，沙四上底部自然伽馬曲線以齒化漏斗形特征為主，沙四下頂部以鐘形旋回為主，沙四上下電阻率幅度差異明顯，沙四上補(bǔ)償聲波時(shí)差曲線多呈高中幅尖刺狀，而界線之下補(bǔ)償聲波時(shí)差曲線呈低幅尖峰狀或微齒狀(圖3)。

沙四上亞段多為一套灰色砂、泥巖薄互層沉積夾少量白云巖、褐灰色油頁(yè)巖；而沙四下頂部沉積主要為紫紅色泥巖夾中厚層礫巖及含礫砂巖，斜坡低部位則發(fā)育一套穩(wěn)定的膏巖。

2.1.2底界面的確定

東營(yíng)凹陷南坡孔店組以孔一段為主(孔二段僅在凹陷東北部發(fā)育)，底界為區(qū)域性角度不整合面，為新生界與中生界之間的一級(jí)層序界面。地震剖面顯示孔店組下伏中生界地層削截現(xiàn)象明顯，孔店組超覆沉積于下伏凹凸不平的不整合面上(圖2)。

巖性剖面上，本區(qū)孔一段以紅色砂礫巖、泥巖不等厚互層沉積為特征，局部夾有大套火山巖；下伏中生界地層為大套厚層紫色及紅色的礫巖、礫狀砂巖沉積和火山巖沉積。從巖性特征來(lái)看，孔一段與中生界具有一定相似性，但二者成巖作用差異較大。反映在測(cè)井曲線上，孔一段與中生界在自然電位、自然伽瑪曲線特征上無(wú)明顯差異，而在電阻率曲線(或感應(yīng)電導(dǎo)率)和補(bǔ)償聲波時(shí)差曲線特征上出現(xiàn)明顯變化。孔一段表現(xiàn)為低電阻率、高聲波時(shí)差，中生界表現(xiàn)為高電阻率、低聲波時(shí)差(圖4)。

圖5 昌濰凹陷—東營(yíng)凹陷關(guān)鍵井麻黃粉屬相對(duì)含量曲線對(duì)比圖Fig. 5 Comparison of relative Ephedripites content logs for the important wells in the Changwei Sag—Dongying Sag

這樣利用角度不整合接觸關(guān)系和巖電特征確定沙四下—孔一段紅層的頂?shù)捉缑妗?/p>

2.2 孔一段—沙四下亞段界面的確定

區(qū)分沙四下亞段與孔一段是紅層劃分的關(guān)鍵，本文嘗試綜合利用孢粉古生物、粘土礦物、特殊巖性等表征古氣候的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)孔一段和沙四段的劃分。

2.2.1 孢粉化石特征

紅層形成于氣候干旱條件下，氣候的變化在本區(qū)內(nèi)應(yīng)該具有等時(shí)性。東營(yíng)凹陷南坡紅層中孢粉屬類(lèi)單一，豐度極低，喜干旱的麻黃粉屬出現(xiàn)的頻率較高，而且麻黃粉屬在不同層段的相對(duì)含量呈現(xiàn)一定的規(guī)律變化，由此推斷麻黃粉屬含量的相對(duì)高低與氣候的干旱程度相關(guān)。麻黃粉屬含量高，代表當(dāng)時(shí)氣候相對(duì)干旱，反之，則相對(duì)潮濕。沙四下與孔一段之間為二級(jí)層序界面(李丕龍，2003)，該界面對(duì)應(yīng)氣候最大變化的拐點(diǎn)(氣候最為干旱)(張世奇等，1997；賀振建等，2007)。麻黃粉屬相對(duì)含量從紅層底部逐漸增大，之后逐漸降低，最高點(diǎn)確定為孔一段與沙四下亞段的界限。如東營(yíng)凹陷南部鄰區(qū)昌濰坳陷，昌參1井孔一段—沙四下界線清楚，其麻黃粉屬最高含量點(diǎn)與沙四下—孔一段綜合地質(zhì)分層界線一致。東營(yíng)凹陷麻黃粉屬含量變化也具有相似性規(guī)律(圖5)，因此可以利用麻黃粉屬的含量變化，通過(guò)歸一化處理，對(duì)比確定沙四下與孔一段的界線范圍。

2.2.2粘土礦物特征

巖芯資料的限制使上述方法難以在全區(qū)展開(kāi)。巖石中粘土礦物的組成，不但受沉積環(huán)境、物源和成巖作用、地層流體等影響(朱筱敏等，2006；路慎強(qiáng)，2008)，也在一定程度上受到沉積時(shí)期氣候的影響。已有研究表明，伊利石和綠泥石一般在氣候干旱的時(shí)保存，而高嶺石在氣候潮濕時(shí)易于形成(Singer,1984；孫慶峰等,2011)。在受外界條件基本相同的地質(zhì)體中，可以利用粘土礦物組成的變化恢復(fù)氣候變化，而粘土礦物的組成可以利用測(cè)井曲線獲得(雍世和等，2007)，這樣，就可以將測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與古氣候通過(guò)粘土礦物的組成結(jié)合起來(lái)，賦予測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的等時(shí)性(賀振建等，2012)。

圖6 東營(yíng)凹陷純古1井始新統(tǒng)沙四下—孔一段紅層綜合劃分柱狀圖Fig. 6 The comprehensive stratigraphic column of red beds from E2k1 to E2 in the Well Chungu-1 of the Dongying Sag

2.2.3 特殊巖性特征

孔一段沉積末期為極端干旱氣候造成湖水強(qiáng)烈蒸發(fā)，湖平面快速下降，緩坡帶連片分布的砂體暴露水面，僅在湖盆低洼帶存在。湖水鹽度增大，并由水體邊緣向內(nèi)部鹽度逐漸增高，相應(yīng)的沉積物在水體邊緣主要為紫紅色泥巖和鈣質(zhì)泥巖，內(nèi)部逐漸為含膏泥巖和膏鹽巖段為大套鹽巖沉積，而沙四下為鹽膏互層沉積，根據(jù)特殊巖性的變化，可劃分其界線。如洼陷區(qū)豐深2井孔一段為大套鹽巖沉積，而沙四下為鹽膏互層沉積，根據(jù)特殊巖性的變化，反映了孔一段與沙四下分界面為極端干旱氣候的變化拐點(diǎn)，據(jù)此即可劃分其界線。

2.3 紅層內(nèi)部界面特征的識(shí)別

在紅層頂界、底界及沙四下—孔一段三個(gè)大的界線確定后，以這三個(gè)界線為約束，針對(duì)紅層內(nèi)部界面，可依據(jù)地震資料、巖性和電性資料及粘土礦物組成特征，對(duì)單井進(jìn)行旋回劃分，從而識(shí)別內(nèi)部層序界面特征。

2.3.1 孔一段內(nèi)部界面

孔一段地層在南斜坡盆緣地區(qū)厚度較薄，內(nèi)部各層序界面識(shí)別較為困難，但在部分地區(qū)仍然可見(jiàn)比較明顯的不整合接觸。盆地內(nèi)各洼陷及中央隆起帶地區(qū)，孔一段地層厚度較大，盡管埋深大，在一些地區(qū)仍能發(fā)現(xiàn)反射結(jié)構(gòu)存在明顯差異。內(nèi)部差異表現(xiàn)在下部層序內(nèi)為低振幅弱連續(xù)反射結(jié)構(gòu)，中部層序內(nèi)為中振中連續(xù)反射結(jié)構(gòu)，上部層序內(nèi)為低振幅弱連續(xù)反射結(jié)構(gòu)。采用小波分析法對(duì)GR曲線進(jìn)行小波變換，小波譜圖具有3個(gè)旋回， 在界面處，小波曲線表現(xiàn)出明顯的振蕩；而在基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換面處，表現(xiàn)為較小的曲線振蕩。同時(shí)，依據(jù)粘土礦物組成變化曲線，也可以劃分出三個(gè)旋回。因此，孔一段可以劃分為3個(gè)三級(jí)層序，再根據(jù)更次級(jí)的變化特征，每個(gè)層序內(nèi)部可繼續(xù)劃分出2個(gè)四級(jí)層序(圖6)。

2.3.2 沙四下內(nèi)部層序界面

沙四下與沙四上呈低角度不整合接觸，與孔一段在凹陷主體部位呈整合接觸關(guān)系，但在邊緣部位則發(fā)育底超頂剝特征，整體構(gòu)成一個(gè)完整的三級(jí)層序。層序內(nèi)部，依據(jù)巖性、測(cè)井曲線、小波譜圖、麻黃粉含量及粘土礦物組成等，可以劃分為兩個(gè)四級(jí)層序(圖6)。

3 地層劃分對(duì)比

將不同方法的分層結(jié)果相互整合，綜合權(quán)衡，確定統(tǒng)一的地層劃分方案，將紅層劃分為4個(gè)三級(jí)層序8個(gè)四級(jí)層序單元(圖6)。優(yōu)選資料齊全的關(guān)鍵探井，采用上述多種方法進(jìn)行精細(xì)對(duì)比劃分，考慮各井所處區(qū)帶的構(gòu)造及沉積充填特征，強(qiáng)調(diào)多方法相互印證融合，建立了關(guān)鍵井的標(biāo)準(zhǔn)剖面。然后以標(biāo)準(zhǔn)井為基點(diǎn)，通過(guò)井震結(jié)合，在地震反射特征的約束下建立不同構(gòu)造帶骨架剖面。再依托骨架剖面，采用鄰井追蹤對(duì)比方式，實(shí)現(xiàn)了全區(qū)地層劃分統(tǒng)一閉合。

4 結(jié)論

層序地層、生物地層及巖石地層學(xué)多種方法的結(jié)合和相互印證，形成了東營(yíng)南坡紅層的劃分對(duì)比技術(shù)，即“接觸關(guān)系明頂?shù)?、巖電特征找界面、多元融合定方案、地震約束建格架”。將該區(qū)孔一段—沙四下亞段紅層劃分為4個(gè)三級(jí)層序8個(gè)四級(jí)層序單元，滿(mǎn)足了當(dāng)前勘探的需要。

該方法在東營(yíng)凹陷南坡紅層劃分對(duì)比中取得較好效果，并在勝利探區(qū)其它古近系紅層的研究中區(qū)也進(jìn)行了推廣應(yīng)用。而對(duì)于非紅層的啞地層來(lái)說(shuō)，本方法也具有一定的參考意義，特別是利用古氣候的旋回性變化劃分對(duì)比地層，成為解決啞地層的一種新思路。