閆建平, 言語, 彭軍, 馮春珍, 耿斌, 李興文

(1.西南石油大學(xué)天然氣地質(zhì)四川省重點實驗室, 四川 成都 610500; 2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川 成都 610500; 3.中國石油大慶油田采油六廠一礦, 黑龍江 大慶 163712; 4.中國石油集團測井有限公司長慶事業(yè)部, 陜西 西安 718500; 5.中國石化勝利油田勘探開發(fā)研究院, 山東 東營 257015)

0 引 言

隨著非常規(guī)油氣勘探開發(fā)研究的精細(xì)和深入,陸相湖盆泥頁巖地層旋回學(xué)研究也越來越受到重視[1-4]。朱光有等[2]在對東營凹陷牛38井沙河街組泥頁巖的研究中發(fā)現(xiàn),密集采樣分析結(jié)果表明有機碳含量(TOC)等多項地球化學(xué)參數(shù)呈現(xiàn)出波峰、波谷狀變化特征,清晰地記錄了湖平面的旋回式(升降)變化過程。陳中紅等[5]也指出該井段沙河街組沙三段泥頁巖地層的沉積特征在宏觀、微觀尺度上都體現(xiàn)出明顯的波動性。沉積學(xué)研究表明,這種沉積物的不同韻律特征形成了不同級次的地層和旋回[6],而在研究這種地層旋回性時,最重要的是界面的識別與劃分[7]。但由于泥頁巖顆粒細(xì),巖相看似單一,沉積間斷通常不明顯,使得厚層泥頁巖的分層研究成為亟需解決的難題。

米蘭科維奇理論是描述天文因素變化導(dǎo)致地球軌道3要素(偏心率、地軸傾斜度、歲差)周期性變化的方法[8],而地球軌道參數(shù)的變化是迄今為止地質(zhì)尺度上唯一可以精確定量計算的周期現(xiàn)象,可以用作地質(zhì)計時標(biāo)尺[9]。地球物理測井技術(shù)能夠獲得井眼剖面的巖石物理參數(shù),一定程度上記錄了泥頁巖地層中的旋回變化特征。通過信號處理方法對測井曲線中的隱含信息分析,可以更好地揭示測井資料與天文地層旋回之間的關(guān)系[10-11]。常用信號頻譜分析方法有傅里葉變換、最大熵譜、小波變換等[12-13]。

本文從天文地層學(xué)理論出發(fā),依據(jù)不同尺度旋回的地質(zhì)成因理論,從信號檢測與估計的角度考慮,采用頻譜分析和小波分析結(jié)合的方法,對沾化凹陷沙三下亞段湖相泥頁巖自然伽馬曲線進行處理,開展天文地層旋回劃分研究,在得知沙三下亞段時間跨度約為2 Ma[14]的基礎(chǔ)上,將沙三下亞段劃分出了18個偏心率周期,有效地解決了湖相厚層泥頁巖分層和地質(zhì)年代精確確立的問題,有助于深湖-半深湖泥頁巖地層對比。分析討論了偏心率變化對氣候的控制作用,發(fā)現(xiàn)偏心率較大時氣候相對濕潤,方解石含量較低,而TOC含量較高,很大程度上影響了沉積物中有機質(zhì)含量的變化,進而對泥頁巖地層垂向上的有機質(zhì)非均質(zhì)性分布及有利泥頁巖油氣儲層甜點預(yù)測具有指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

沾化凹陷位于濟陽坳陷東北部,盆地平面上呈現(xiàn)向西南端收斂、向北東撒開的喇叭狀,屬于渤海灣中新生代裂谷盆地的一部分[15-16]。沾化凹陷開始形成于始新世早期,沙河街組沉積時期凹陷北部北東向斷裂帶活動強烈,發(fā)育成1套以湖相為主的沉積體[17]。羅家地區(qū)位于沾化凹陷中部的羅家鼻狀構(gòu)造帶上[18],該區(qū)在沙三段沉積時期,因湖盆強烈拉張斷陷,沉積范圍擴大,逐層超覆于沙四段地層之上,沉積了厚100～300 m湖相暗色泥巖地層[16-19]。沙三段沉積時期整體氣候相對溫濕,但自下至上還存在一定的變化,總體上主要表現(xiàn)為從熱干向熱濕的轉(zhuǎn)變[20]。

沾化凹陷L井其沙三下亞段(2 910～3 123.5 m)地層形成于深湖-半深湖環(huán)境,巖性主要以深灰色油泥巖、深灰色泥巖、深灰色灰質(zhì)油泥巖、灰褐色油頁巖為主,期間未發(fā)現(xiàn)明顯地層缺失及沉積間斷,是進行天文地層旋回研究的理想對象。測井曲線是載有地層沉積旋回信息的信號[21],利用傅里葉變換可以將測井曲線信號分解成正弦波并分析其中包含的頻率成分,小波分析在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率,而在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率[22]。將2種方法結(jié)合使用,便能夠有效地分析測井信號中的優(yōu)勢頻率和分析時間域的局部特征,從而有助于識別地層中的天文地層旋回信息。

2 測井識別天文地層旋回

2.1 地層中的天文旋回記錄

奧陶系全球廣泛發(fā)育碳酸鹽巖,石炭系、二疊系廣泛發(fā)育煤層,白堊系廣泛發(fā)育海相沉積和深水湖相沉積,這些地層的全球一致性并非偶然,它預(yù)示著全球在顯生宙時期存在某種支配作用下伴生的沉積環(huán)境變化[23],而起這種支配作用的是地球軌道參數(shù)[9]。地球軌道參數(shù)的變化會對氣候產(chǎn)生影響,但第一次對地球軌道參數(shù)進行精確計算的是前南斯拉夫氣象學(xué)家M.Milankovitch,他提出產(chǎn)生形成第四紀(jì)冰期、間冰期的因素為地球軌道3要素的周期性變化假說。地質(zhì)工作者將地層記錄與這種周期(米蘭科維奇旋回)變化結(jié)合起來,并將其應(yīng)用于地質(zhì)年代學(xué)當(dāng)中,以提高年代地層框架的精度和分辨率[7,24-25]。

湖泊沉積具有連續(xù)、分辨率高以及古環(huán)境信息豐富等特點,韻律性沉積作為湖相沉積體系中最常見的地質(zhì)現(xiàn)象之一,有利于幫助提供古氣候周期、地質(zhì)事件重現(xiàn)等演化過程的信息[1,26]。在地層中反映地球軌道參數(shù)周期性變化所引起的氣候變化能夠被測井曲線記錄下來,其縱向分辨率范圍也恰好與Milankovitch的米級周期量級相符合,因此,測井資料可作為檢測天文地層旋回的主要資料[27-31]。李鳳杰等[32]采用頻譜分析對鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延安組湖沼相GR曲線進行反演,發(fā)現(xiàn)地層中很好地保存了高頻的米蘭科維奇旋回,說明了對測井曲線進行頻譜分析可用于進行高頻沉積旋回分析。姚益民等[33]對東營凹陷東辛2-4井的磁化強度(MI)和電阻率測井?dāng)?shù)據(jù)進行頻譜和小波分析,可求出各層主要優(yōu)勢旋回,并結(jié)合濾波,計算出了各層段的地質(zhì)年齡。因此,綜合利用測井曲線反映地質(zhì)變化的特征,運用不同的信號分析方法對測井曲線進行處理,對識別泥頁巖地層中的不同尺度天文地層周期,進而對確定地層地質(zhì)年齡有重要意義。

2.2 頻譜分析提取優(yōu)勢頻率的理論基礎(chǔ)

將測井信號連續(xù)的深度域數(shù)值序列看作時間域,便可對測井信號進行屬性提取分析。目前提取的屬性參數(shù)主要有能量、功率、小波系數(shù)、分形及多元統(tǒng)計分析(特征參數(shù))等,它們與儲層特征、巖性、物性、孔隙流體性質(zhì)等有密切關(guān)系[34]。頻譜分析是把時間序列看成頻率組合的分析方法,在數(shù)學(xué)上任何周期函數(shù)都可以以不同頻率的正、余弦組合進行逼近,任意的周期信號均可以分解成不同頻率的諧波分量之和[35]。對測井曲線進行頻譜分析就是將深度域的連續(xù)數(shù)據(jù)序列變換到頻率域進行分析。

研究周期性現(xiàn)象最常用的是快速傅里葉變換(FFT),通過FFT將信號分解為振幅譜與相位譜,從而求取周期信號的優(yōu)勢頻率。傅里葉變換函數(shù)常以連續(xù)函數(shù)得出,若變換函數(shù)為x(t),則傅里葉變換由式(1)得出[36]

(1)

式中,t為時間;f為頻率。通過求解頻率值后取倒數(shù)為旋回的波長(即厚度)[37]。

2.3 小波多尺度分解及功率譜估計

為彌補頻譜分析不能反映周期性的深度位置,不能從整體上劃分出不同級別的沉積旋回界面的缺陷,一些學(xué)者采用小波多尺度分析方法[6,38-39]。小波變換[40]中小波(wavelet)的時間-頻率窗不是固定不變的,而是具有自適應(yīng)性的,在識別不同級別的沉積旋回方面,小波分析方法顯示了較好的識別效果[41-42],它具有多分辨率的特點[43],克服了Fourier分析單一分辨率及不能反映時域頻域的局部性特征的缺點,能由粗到細(xì)地觀測測井信號中的沉積旋回信息。采用Morlet小波基對測井曲線進行小波多尺度分解,能夠得出一系列與尺度和深度相對應(yīng)的小波變換系數(shù)值,可檢測地層當(dāng)中隱藏的旋回信息。

依據(jù)小波多尺度變換系數(shù)的二維及三維時頻色譜圖的周期振蕩性來劃分地層不同尺度的沉積旋回界面在讀數(shù)時存在誤差、不夠直觀的問題。因此,借鑒一種基于小波變換的功率譜估計提取不同級別(尺度)旋回的方法[44],可將含有沉積旋回信息的測井曲線進行小波多尺度變換,變換后對小波系數(shù)作功率譜分析,便能反映地層沉積單元級別從小尺度到大尺度的能量變化。

功率譜估計是用給定的1組樣本數(shù)據(jù)來估計一個平穩(wěn)隨機信號的功率譜密度的方法,它能給出被分析對象能量隨頻率的分布情況[45]。直接法功率譜又稱為周期圖法,它將平穩(wěn)信號序列X(n)的N點觀測數(shù)據(jù)X(n)視為能量有限的信號,直接對信號的采樣數(shù)據(jù)X(n)進行傅里葉變換得到X(k),再取其幅頻特性的平方,并除以數(shù)據(jù)長度N,則X(k)與功率譜密度估計P的關(guān)系為

(2)

由于信號傅里葉變換有單一分辨率的局限性,因此,可以選取序列X(n)在每一尺度下的小波變換系數(shù)Ws(k),即每一個尺度值對應(yīng)著一個功率值,其形式為式(3),即

(3)

式中,s為尺度值(尺度因子),由此可得功率譜P(s),其地質(zhì)意義代表地層沉積單元級別從小尺度到大尺度的能量變化。

3 天文地層旋回的劃分

對L井沙三下亞段GR測井?dāng)?shù)據(jù)進行頻譜分析,其結(jié)果(見圖1、表1)表明主要的旋回厚度有14.187、6.002 2、4.801 8、2.714、2.257 m,其比值為6.286∶2.659∶2.128∶1.202∶1與軌道周期125 ka∶52 ka∶40 ka∶23 ka∶19 ka的比例關(guān)系6.579∶2.842∶2.158∶1.211∶1非常接近。因此,可認(rèn)為該比例關(guān)系下的地層旋回是由軌道周期3要素所控制形成的,進而得知旋回厚度為14.187 m的旋回地層對應(yīng)于125 ka的偏心率周期,6.002 2 m與4.801 8 m的旋回地層分別對應(yīng)于52 ka和40 ka的斜率周期,而2.714與2.257 m的旋回地產(chǎn)則分別對應(yīng)于23 ka和19 ka的歲差周期。

為更好地認(rèn)識地層的沉積旋回性,選取Morlet小波基對GR曲線進行連續(xù)小波多尺度變換分解,測井曲線被分解成周期獨立的沉積旋回,并以尺度的形式表現(xiàn)出來。作出小波時頻色譜圖(見圖2),通過觀察顏色變化能夠得到反映不同旋回級別所對應(yīng)的尺度值:s=5±、s=26±、s=50±、s=80±、s=122±;但用這種方法對尺度進行識別時,不夠直觀、精確,使讀數(shù)提取存在一定的誤差。

圖1 L井沙三下亞段GR曲線譜分析計算結(jié)果

為能夠直觀準(zhǔn)確地讀取優(yōu)勢旋回對應(yīng)的尺度值,對分解后的每一尺度下的小波系數(shù)進行功率值計算,得到不同尺度下的功率譜,進而提取不同級別(尺度)的旋回。功率譜中的突變點即可定量反映地層沉積單元級別的尺度值[39]。如圖3所示,對實測GR曲線進行功率譜分析得到尺度值(s)為7、27、46、86、124幾個局部極值點。

表1 L井沙三下亞段GR曲線頻譜分析結(jié)果及其比例關(guān)系

圖2 多尺度小波變換系數(shù)二維平面圖 圖3 GR測井信號小波多尺度變換系數(shù)功率譜

取上述5個優(yōu)勢尺度值對自然伽馬測井曲線進行小波分解,并利用Laskar[46]關(guān)于地球長期運動軌道解的研究成果生成地球軌道要素的理論曲線,將小波分解結(jié)果與理論曲線進行對比,發(fā)現(xiàn)s=124的尺度下進行小波分解得到的曲線頻率與偏心率理論曲線的頻率相似,二者具有良好的對應(yīng)關(guān)系,且從小波色譜圖中可以看出尺度值為124時具有相對穩(wěn)定的周期存在。以偏心率的每2個極小值點所形成的周期為目標(biāo)周期,對分解后的GR曲線進行天文調(diào)諧,將沾化凹陷沙三下亞段地層劃分為18個偏心率周期,參照偏心率極小值點所對應(yīng)的地質(zhì)年代可建立其內(nèi)部的時間格架(見圖4)。

4 天文地層旋回劃分的應(yīng)用

圖4 沾化凹陷沙三下亞段半深湖-深湖相泥頁巖天文地層旋回劃分

圖5 天文地層旋回劃分綜合剖面圖*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

沾化凹陷沙三下亞段在氣候上有所波動,但整體自下至上表現(xiàn)為從相對干旱氣候向相對暖濕氣候轉(zhuǎn)換的趨勢。根據(jù)前人研究可知沙三下亞段可被劃分為2個層序(見圖5)[14],對2個層序的偏心率進行分析可知,SQ1偏心率的平均值約為0.025 29,SQ2偏心率的平均值約為0.028 92,即相對暖濕氣候下發(fā)育的SQ2的偏心率略大于相對干旱條件下發(fā)育的SQ1的偏心率值。進一步對層序中各體系域的發(fā)育情況與偏心率進行研究,發(fā)現(xiàn)在SQ2中低位(LST)、水侵(TST)、高位(HST)對應(yīng)的偏心率平均值分別約為0.024 89、0.028 16和0.019 76,而SQ1中LST、TST、HST對應(yīng)的偏心率平均值分別約為0.027 27、0.030 16和0.033 03,2個層序內(nèi)低位、水侵、高位體系域偏心率平均值為0.026 08、0.029 16、0.026 39,從以上數(shù)據(jù)可以看出偏心率較高時與水侵體系域相對應(yīng)。

暖濕氣候有利于生物的大量繁殖,這是有機質(zhì)能夠大量保存的前提條件,經(jīng)計算SQ2的TOC平均值為3.48%,SQ1的TOC平均值為2.54%,同時在2個層序內(nèi)部TST的平均TOC含量也均為各層序內(nèi)部最高的,由此可知偏心率值較高的層段TOC的平均含量一般相對較高,有益于形成優(yōu)質(zhì)烴源巖,對應(yīng)適當(dāng)?shù)目紫抖扰c脆性礦物含量時可能成為較好的頁巖油氣儲集層段。

方解石對氣候環(huán)境較靈敏,其相對含量是古環(huán)境信息的重要來源。氣候偏干旱時水體蒸發(fā)作用較強,碳酸鹽(主要為方解石)含量較高;相反,當(dāng)氣候相對濕潤時碳酸鹽含量較低[47]。對劃分的18個偏心率周期內(nèi)的方解石含量進行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)方解石含量與偏心率含量呈負(fù)相關(guān)趨勢(見圖6),進一步佐證了偏心率增大時氣候會向暖濕轉(zhuǎn)變。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能與太陽輻射有關(guān),偏心率決定太陽與地球的距離,地球接收的太陽輻射的年總量會隨偏心率的微小變化而變化,而氣候的變化幅度與地球接收太陽輻射有著密切關(guān)系。根據(jù)Milankovicth理論,在不考慮地表輻射和大氣吸收的前提下,地球年接收到的太陽輻射量表示為[48]

(4)

式中,T為1 a的周期;I0為太陽常數(shù);b0為與地方維度和黃赤交角有關(guān)的量;e為地球軌道偏心率,其值在0.000 5到0.075變化。

根據(jù)式(4)可知當(dāng)偏心率增大的時候地球上界接收到的日照量是增大的[49],這會使氣候變得溫暖潮濕,物源供給會變得相對豐富,生物有機質(zhì)豐富,有利于發(fā)育細(xì)粒且富有機質(zhì)的沉積地層。

圖6 方解石含量和偏心率的關(guān)系

5 結(jié) 論

(1) 利用頻譜分析方法,對沾化凹陷沙三下亞段GR測井曲線進行頻譜分析,得到了地層當(dāng)中的優(yōu)勢頻率,求解頻率值后取倒數(shù)為旋回的波長即厚度,有14.187、6.002 2、4.801 8、2.714、2.257 m等4個優(yōu)勢厚度,與米蘭科維奇各軌道參數(shù)的比值接近。

(2) 對GR曲線進行基于小波變換的功率譜分析,可得出具有優(yōu)勢旋回所對應(yīng)的尺度值,在幾個優(yōu)勢尺度值進行小波多尺度分解,發(fā)現(xiàn)尺度值為124的小波系數(shù)曲線與偏心率理論曲線具有較好的對應(yīng)關(guān)系,據(jù)此將沙三下亞段泥頁巖劃分出18個偏心率周期,確立了其內(nèi)部精確的地質(zhì)年代。

(3) 暖濕氣候下SQ2偏心率的平均值略大于相對干旱時期SQ1偏心率的平均值,且對應(yīng)的TOC含量較高,方解石含量和偏心率也存在一定的關(guān)系,偏心率增大時,方解石含量呈減小趨勢,表明氣候向暖濕轉(zhuǎn)化。因此,偏心率值較高的層段具備了當(dāng)前頁巖油氣要求富有機質(zhì)的條件,是潛在的頁巖油氣有利儲集層段。

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