层序地层学在油气勘探开发中的应用

1 层序地层学在油气资源勘探与开发中的应用层序地层学在油气资源勘探与开发中的应用 1 1 引言引言 1 11 1 层序地层学发展和趋势层序地层学发展和趋势 层序地层学是20世纪80年代发展起来的一门新学科和新技术 是以地震地 层学为基础 综合利用地震 钻井及露头资料 结合有关的沉积环境及岩相古 地理解释 对地层的层序格架进行综合解释的科学 它也是在生物地层学 年 代地层学和岩石地层学的基础上发展起来的 它依据生物地层学与年代地层学 所建立的宏观年代地层格架基础开展研究 并把自己的研究同已建立的宏观地 层格架结合起来 它将地质学和地球物理学相互交叉渗透而迅速发展起来 逐 渐形成了一套相对独立的理论方法体系 在实践中不断被完善和发展 它的产 生改变了分析地层记录的基本原则 被誉为地球科学的一次革命 它消除了地 层学中长期存在的年代地层学 岩石地层学与生物地层学单位的三重命名的混 乱现象 第一次提出了全球统一的成因地层划分方案 建立了地层分布模式 提高了对地层的分布预测能力 将地球科学的研究从定性推向定量 层序地层学核心理念是 通过建立成因上有联系的年代地层格架 确定年 代地层格架中各单元的沉积体系的分布和演化规律 揭示成藏要素的分布和配 置关系 为油气勘探提供有效的思路和方法 现代层序地层学问世以来 发展很快 已经渗入到了与沉积岩有关的各个学 科 目前其势头依然强劲 并又有新的深入发展 当前 层序地层学总的发展趋势 是 1 从成因上研究各重要沉积盆地和各种类型地层的形成与演化 谋求建立 全球统一的层序地层系统 在这类研究中 特别强调地震 测井 岩芯 地面露 头等多方面相结合的综合研究 强调生物地层学 地震地层学 测井地层学的综 合研究 2 层序地层学研究中 沉积学越来越发挥更大的作用 通过研究不同相带 和沉积体在层序形成过程中在三度空间中的分布规律 用以研究生油岩 储油岩 盖层的空间组合 后期成岩作用的影响及其在油气系统的形成上所产生的结果 3 计算机模拟已经在层序形成 相带的组合与分异 不同岩层 沉积体系 体系域的分布模式等方面 取得长足进步 促进了地质学从定性到定量化方向发 展 4 层序地层学正在与构造地质学 板块理论相结合 更加精确地研究不同 板块 不同地体 构造运动 火山及岩浆活动以及地球动力机制和力场 势场 以及其它物理场的演变历史 对全球 盆地 坳陷 块断以及重要构造带的演变 历史 作更精确 更合理的解释 5 层序地层学的概念和方法在油气勘探中发挥越来越大的作用 在南非海 上Pletmos 盆地首次发现了几个油田 与低水位体系域有关 在墨西哥湾海上 也找到了与低水位体系域有关的新油田 中加利福尼亚文土拉盆地扩大了2 5 的油气储量 1 2 6 层序地层学与油气田开发相结合 产生了巨大的经济效益 例如 沙特 阿拉伯的Shuiba 油田 通过层序地层学研究 调整了注水层位 明显地降低了油 水比 从本质上讲 层序地层学分析提供了被称为层序和体系域成因地层单元的 年代地层格架 这些层序和体系域的几何形态及地层叠置样式是由海平面相对 变化造成的 它们与特定的沉积体系和油气产出具有密切的联系 对于油气勘 探来说 层序地层学具有良好的理论和实际预测作用 从理论上讲 通过对海 湖 平面相对变化的研究 可以预测尚未钻探地 层的年代 预测某些体系域的地层叠置样式和分布范围 科学地推测盆地沉积 充填历史和地质发展史 从实际情况来看 通过体系域和沉积岩相分布规律以 及高分辨率地震勘探研究 可以预测形成油气藏及其它沉积矿产的有利地区 预测钻前油藏类型和油层产量及已开发油田的扩边和开发效率 因为 层序地 层学收到了人们的广泛关注 1 21 2 层序地层学特点层序地层学特点 层序地层学最大的特点在于它的科学性 预测性 定量性和综合性 具体 表现在 1 层序地层学是一门新的学科 层序地层学是在地震地层学不断实践的基础上长期积累 总结和继承下来 的知识体系 并在新的事实面前引入了新的理论和新的概念 例如可容纳空间 和新增容纳空间的概念 能够在实践中应用而且仍在发展 因此层序地层学是 一门新的学科 2 综合性 层序地层学是一门跨越多门学科 地球物理学 各种地层学 地球化学 古生物学 矿物学 沉积学 构造地质学 盆地分析 计算机技术 现代测试 分析技术等 的一门综合性学科 它不仅囊括了地震地层学的全部理论和方法 而且结合了测井信息 露头资料 钻井取心和岩屑资料的沉积学研究成果 吸 收了物理沉积学 油气勘探地层学 地球物理学等学科的最新成果 集百家所 长 避免了单学科中的某些局限性 能够获得更多的信息 为油气资源开发提 供科学的依据 3 科学性 层序地层学是研究四维空间的地质科学 利用时间序列分析沉积体的空间 展布规律及沉积环境的变迁 逻辑性强 富有哲理 能够更为真实地反映事物 的本质及演化规律 地层学自从问世以来就存在着时间序列分析及等时面的估 计 然而早期的认识是浮浅的甚至导致错误 后来在动态地球科学理论指导下 人们才认识到这是一个复杂多变的问题 甚至现代科学技术仍无法完善解决 过去识别的同一地质体往往是客体的一致性 并非是等时体 层序地层学的基 础是建立在由海平面变化产生的不整合 时间线的关系上 随着时间的演化 全球海平面升降 构造沉降与沉积物供应速度相互作用并导致相对海平面发生 3 周期性变化 每个周期的各种沉积体就构成了一个相应的层序 层序以不整合 及与之相当的整合面为界 具有成因意义和发展意义 层序内部的各个体系域 也形成于一个海平面变化周期的特定时间段上 在空间上的展布同样具有规律性 在地质历史的时间演化序列上 海平面发生 了几百次的周期性变化 从而构成了大大小小的一系列沉积层序 层序地层学的主要目的是建立年代地层格架 并在这个等时格架中分析地 层分布型式 查清沉积体系 环境和相的空间配置关系 层序地层学提供了三 维沉积模式 这样为揭示生 储 盖的组合规律 为油气藏预测建立了科学依 据 在地层学方面 层序地层学消除了年代地层学与岩石地层单位及生物地层 单位三重命名混乱现象 它引用了同位素 磁性地层学及古生物地层学的时代 标定 利用高分辨率地震反射资料确定等时物理界面并作为层序界面 首次提 出了全球统一的成因地层划分方案 解决了在地层分层方面的矛盾 将地层学 从描述性提高到具有完整系统的理性阶段 2 4 预测性 层序地层学的生命力在于它的经济价值 全球显生宙以来 相对海平面发 生了约 300 个周期的变化并形成相应的沉积层序 每个层序又由低水位或陆架 边缘 海进和高水位体系域组成 油气及其它沉积矿产与各个体系域所含的沉 积体系 与沉积体在时间序列上的演化和空间配置规律有联系 根据海平面相 对变化规律 可以预测沉积体系域的展布方向 范围 所含的沉积体系及其赋 存位置以及末钻地层的时代 结合油藏描述 进一步预测沉积矿产的有利聚集 带 油气生储盖组合规律 达到减少成本 有的放矢 提高采收率的良好效果 据资料介绍 这项新的理论在用于北美 西欧 中东 南非 东南亚 澳洲 印度和日本的油气勘探中已卓见成效 5 定量性 层序地层学的研究范围是地球发展史上的时间域和空间域 它吸收了多门 类学科的先进成果 以现代化的计算机技术及测试分析技术为手段 能够利用 反射地震的运动学和多种动力学参数作定量分析 预计层序地层学将提供一个 由层序地层划分 相带展布 砂体预测 构造发育 地热史 沉降史 埋藏史 成藏史 油气藏及其定量预测到开发效果监测的定量化系统工程程序 3 层序地层学研究已经应用于建立和研究各种资料库 除了利用地震反射参数之 外 各种不同沉积环境的露头 测井和岩心等资料也被用来建立高分辨率的层 序地层数据库 4 在油储地球物理方面 通过高分辨率的采样和处理 三维地 震成象 层析成象 反射地震波的波形和属性分析 正反演模型检验及开发系 统监测 能够研究储集层的孔 渗条件 含油性及采油过程所发生的定量变化 以大西洋被动大陆为背景 以构造沉降 海平面升降和沉积物注入量为参 数的沉积层序的定量模拟已有很大进展 5 4 6 实践性 层序地层学是从生产实践和科学实验中发展起来的 其科学理论及地层学 术语既适合于专家的深入研究 又适应于一般地质人员在实践中的应用 并能 在不同的地质背景中发展使用 适用于新方法 新技术的发展 概念及术语逻 辑性强 经得起推敲 便于对地质实体的描述和解释 层序地层学并未终止而是继续在发展 目前已经从地下引伸到地面 由被 动大陆边缘背景的研究扩展到缓坡 生长断层背景并相继扩充到内陆盆地中 1 31 3 层序地层学的研究意义层序地层学的研究意义 1 注重了层序的成因 层序地层学通过对控制层序形成的四个主要因素 全球性海平面变化 构 造沉降 沉积物供应和气候 综合分析 得出相对海平面 或基准面 变化控 制层序的形成和发展 将层序内部和层序之间的成因联系确定下来 把地层学 从描述性提高到有完整体系的理性阶段 2 建立了地层的分布模式 层序地层学是研究地层分布模式的一门科学 每个层序均可划分出三个体 系域 这些体系域与相对海平面在一次升降旋回中不同的阶段相对应 体系域 的空间展布有其规律性 3 优化其它地层单位界限 层序地层强调了成因联系 其界限是一自然界限 层序界限是通过沉积相 的分异和地层结构的转换表现出来的 具有岩石地层单位特征 层序是一个相 对海平面升降旋回沉积的 而生物的演化与海平面升降变化等环境因素密切相 关 因此层序地层学的研究对于优化岩石地层和年代地层单位界限具有重要意 义 4 为不含化石的地层 特别是前寒武纪地层学研究提高了精度 5 提高了地质学家的预测能力 包括理论预测和实际预测两个方面 从理论预测方面讲 通过海平面相对 变化的研究 可以预测体系域的展布方向 分布范围及可能的岩相及其分布 从而对盆地地质发展史 古地理状况等作出科学的预见 从实际预测上讲 可 以通过体系域和沉积相的分布规律 预测有利于形成油气藏以及其它沉积矿产 的有利分布带 再进一步 通过高精度 高分辨率的地震勘探 尤其是三维地 震勘探 油藏描述 烃类检测等手段 可以进行钻前油藏 油质质量预测 以 至已开发油田的开发方案的部署 调整 提高采收率预测 2 2 层序地层学在勘探应用的优势层序地层学在勘探应用的优势 作为多学科渗透交叉和综合的产物 层序地层学吸取了诸多学科之长处 弥补了其它学科之不足 它的应用减小了预测储层 圈闭 油气藏的风险 6 与传统沉积学及地震地层学相比 层序地层学在油气勘探活动中具有如下优势 2 12 1 突出成因层序突出成因层序 5 层序地层学认为 层序是层序地层分析的基本地层单位 是一种顶 底为 不整合面及与之相当的整合面限定的有成因联系的三维沉积组合体 按照 P R Vail 1977 7 的观点 一个层序是指一次全球海平面升降周期中形成的 沉积体 以海平面上升开始为起点 以海平面下降结束为终点 层序界面不整 合 沉积组合和相型式是全球海平面变化 构造沉降 沉积物通量及气候等各 种因素相互作用的产物等 8 因而 层序地层学的应用增强了全球不同地区 不同时代地层间的可对比性和沉积相的可预测性 并为研究区域或全球生储盖 组合及其成因提供了科学的理论基础 2 22 2 注重建立模型注重建立模型 层序是年代地层格架内有成因联系的岩层的三维组合体 9 层序地层学强 调沉积体三维形态的研究 将成因相和沉积体系放入盆地等时地层格架中进行 研究 从整体上阐明沉积体的展布规律 从而更合理地评价储集体连续性 延 伸方向及其内部构成特征 更有效地确定储集体的客观形态 从而为油气藏预 测和钻前布井提供科学依据 2 32 3 强调海平面变化强调海平面变化 大量研究表明 相对海平面变化是层序发育的主要控制因素 层序内部构 成及几何形态与全球海平面变化密切相关 在全球海平面缓慢上升早期 主要 发育陆棚边缘体系域 通常形成良好的砂岩储层在海平面快速上升时期 发育 海侵体系域 造成有利的烃源岩及封盖层在最大海侵时期 通常发育富含有机 质的凝缩层 构成理想的烃源岩或矿源层在海平面上升末期和静止期间 主要 表现为高水位体系域 层序上部发育河流 河口湾及三角洲和深切谷充填沉积 可形成有利的储集岩相在海平面相对下降晚期及上升早期 主要发育低水位体 系域 有利于储层的发育 在地质演化历史中 正是由于全球海平面变化 盆 地构造沉降 沉积物通量及气候之间相互作用所导致的相对海平面变化 造成 了世 界上许多含油气盆地中的一个或多个区域性或全球性生储盖组合 事实上 海平面变化不仅决定生储盖及其组合特征 而且对海洋有机质生 产率 生物分布型式 水文一气候型式和大陆边缘及内陆盆地中沉积物展布特 征具重要作用 10 因而有关海平面波动的研究对油气勘探具重要意义 2 42 4 注重层序边界注重层序边界 层序地层学分析中强调如下两个基本概念 层序界面平行地层界线 在地 震分辨率范围内 地震反射平行于地层界面 它代表地质时间线 因而 从时 间上讲 层序边界是有年代地层意义的界面 它是建立层序的基础从空间上讲 层序界面是上下两种沉积组合体或地层单元之间的接触关系 是沉积和构造作 用的二维转换结构面 因而通过层序界面可把其上下两种绝然不同的沉积组合 分开 11 认为 在大多数情况下 界面之上的岩石与界面之下的岩石没有自然 联系或时间关系 层序边界并非转瞬之间形成的 而可能是在数千年至一万年 形成的 12 幻提出的层序生物地层学概念认为 层序地层学提供了由可预测的相 6 关面体系组成的一个物理框架 可把生物地层学研究结果置于这一框架中 这 些物理相关面确定了真实的年代地层单元 利用时间间隔网格 可用于评估生物 带 顶 或 底 的相对位置 从而对缺乏生物地层资料的陆相盆地中生储 盖层的对比和预测起关键作用 2 52 5 注重不同级别等时地层单元地层格架的建立注重不同级别等时地层单元地层格架的建立 通过对墨西哥湾北部第三纪地层和美国西部内陆盆地白垄纪地层的研究 根据地层厚度 侧向分布范围及时间尺度把层序划分为准层序组 准层序 层 组 层 纹层组和纹层六个不同级别的地层单元 除纹层外 上述每个地层单 元均为一套以具有年代地层意义界面为界的彼此有成因联系的地层 即 13 所说 的高频层序地层学 这些界面的对比 为在区域到油气藏尺度上进行相分析和 岩石类型划分提供了高分群率的年代地层格架 提高了盆地内地层对比的精度 从而也就提高了油气勘探和钻前布井的准确率 2 62 6 注重多学科的综合性研究注重多学科的综合性研究 露头资料是沉积过程和方式的客观反映 具有真实性和直观性 因而露头 层序地层学是基础 但它不能反映地下岩层的分布及变化 地震剖面的几何形 态 构型 连续性和振幅可提供层序和体系域在地下的区域分布和变化规律 因而在现代地下勘探中扮演重要角色 但它受分辨能力的限制 钻井 测井资 料能提供详细地层信息 但通常井数有限 生物地层学资料能经济快速确定地 层年代 进行地层对比 但不适合于缺乏生物地层资料的区段 理想的层序地 层学研究 是地震 测井 岩芯和露头等资料的综合分析 然后结合生物地层 学和磁性地层学建立沉积层序的沉积模式 海平面变化曲线及年代地层格架 现代层序地层学理论由高分辨率生物地层学源于露头和岩芯 测井地层学和地 震地层学三个基本单元组成 14 三元层序地层学 15 的创造性应用将显著提高 地质解释的精确性和可靠性 并对新领域勘探和油气田开发具有重大指导意义 3 3 层序地层学与油气勘探层序地层学与油气勘探 3 13 1 层序地层学在油气勘探中的作用层序地层学在油气勘探中的作用 层序地层学研究的一个核心内容是通过建立一个旋回式的 在成因上有联 系的年代地层格架 16 研究这个年代地层格架中各部分的沉积环境及与之相伴 的岩相的演化及分布规律 同时揭示各成藏要素在时空上的分布和配制关系 为 评价油气远景 指导油气勘探提供了极其有效的方法和手段 3 1 13 1 1 预测有利生油层段预测有利生油层段 在层序地层学研究中预测有利生油层段的方法最常用的有3 种 第一种方法 是利用钻测井资料通过识别密集段来预测生油岩发育的部位 在密集段发育部 位 泥岩中的有机炭含量可达到峰值 尤其处于门限深度的密集段中有机碳含量 干酪根成熟度等呈现出有利生油岩特征 同时在密集段处古生物比较丰富 反映 深水环境的微量元素含量也明显增高 17 通过穿过密集段井的取芯分析 就可 从纵向上定量评价成熟的生油岩 第二种方法是利用地震资料通过编制上超点 7 变化曲线来确定密集段生油岩的发育部位 在上超点变化曲线上水位上升最大的 段即是密集段的发育部位 第三种方法是在地震剖面中仔细分析反射同相轴的 结构 必要时可以进行剖面的计算机处理和横向压缩 突出它们内部的关系 一 般来说 在明显的下超面附近 发育着最好的生油层段 此外 在比较大的基准面 下降面之上 通常出现复合密集段 伴随着发育有良好的生油层 3 1 23 1 2 预测有利储集层预测有利储集层 寻找大的碎屑沉积物供应通道 河道 是建立沉积体系的一个十分重要的步 骤 这是因为大的河道提供了形成油气藏的物质基础 即有机质和构成储层和盖 层的碎屑物 在地震剖面上寻找大的物源通道 最直观的办法是寻找大规模的前 积现象 这种前积现象的存在说明了附近必然有大的河流存在 然后溯源而上 追索它的河口 沟口 谷口或者山口 值得注意的是 找寻河道的一个便捷而且 有重要意义的方法是仔细研究重要连续同相轴下面有无大的波状起伏的河道存 图1松辽盆地南部东南隆起区横切物源方向的地震剖面 DH550 测线 沉积背斜 Fig 1 A seismic section crosscutting source area from Southeast Uplift in southern Songliao basin Line DH550 sedimentary anticline 在 这种河道通常与低水位体系域有密切关系 容易形成好的油气藏 由于陆相 地层的沉积速度比海相地层大的多 在山口或者河口处往往形成规模不等的沉积 背斜 我国从20 世纪70 年代起 就有人提出低幅度构造找油理论 并且也找到 了一些油田 徐怀大教授从80 年代初期起就多次谈起 所谓的低幅度构造 实际 上就是硅质碎屑岩沉积体系中的一个扇体或者朵叶体 或者是它们的复合体 即 所谓的沉积背斜 图1 沉积背斜这个概念非常重要 因为如果只按照构造去解 释 而不考虑它们的沉积成因 就很可能忽略了生储盖组合的重要性 在油气成藏 系统的判断上失误 造成勘探上的失败 3 1 33 1 3 研究油气运移研究油气运移 层序地层学所建立的年代地层格架是以不整合面或与之相对应的整合面为 界限定的 在这个地层格架内能将不同年代地层的展布样式 接触关系及其所经 历的构造运动展现出来 可以在这一精细分析的基础上来确定油气运移的指向及 研究可能的成藏机制 3 1 43 1 4 利用基准面变化曲线评价油气成藏组合利用基准面变化曲线评价油气成藏组合 基准面变化曲线之所以会引起人们的重视 不仅在于它可用于研究沉积盆地 8 的演化历史 还在于它在油气藏组合评价和有利含油层序预测中的特殊作用 一 个完整的三级海平面变化周期 必然形成一个以不整合为界的低水位体系域 水 进体 系域和高水位体系域发育齐全的三级层序 如果这个三级周期叠置在一个 二级周期的不同变化阶段 将会形成不同的层序特征和体系域特点 也会给层序 内的油气藏组合条件和形成油气的可能性带来不同的影响 这就是应用基准面 变化曲线评价一个层序的含油气性和油气成藏条件的基础 3 23 2 层序地层学在油气勘探中的具体应用层序地层学在油气勘探中的具体应用 3 2 13 2 1 层序地层学在烃源岩研究中的应用层序地层学在烃源岩研究中的应用 1 层序地层格架内烃源岩沉积分布模式 在层序地层格架内部确定主要的生油层的沉积相及其空间展布 是应用层 序地层学研究烃源岩最基本的工作 Kleme 1991 Greaney等 1993 19 的研究成果表明 海相烃源岩都发育在与下列情况有关的三级或二级沉积层序 中 陆架或克拉通地区海侵体系域或早期高位体系域 进积式高位体系域的远 端底积层和深海远端底积层 Carpentiner等 1992 18 综合生物地层信息 测井地质解释及露头沉积相分析 全面研究了盆地范围内烃源岩的分布及其不 均一性 突出地将有机质含量置放于沉积环境的时空演化背景上加以分析 研 究表明 地层中的有机质分布 在三级层序规模上主要受海平面变化控制 在 四 五级层序中则主要受气候变化的制约 在海相层序地层分析中通常强调凝缩段 密集段 构成了重要的生油层和 区域性盖层 实际上 尽管凝聚段有机质含量高 但大多数发育很薄 所以很 难构成重要的烃源岩 许多盆地的石油地质研究表明 从浅海 半深海的泥岩 都可能成为生油岩 总体而言 海进体系域和高位体系域是生油岩主要发育段 2 层序地层格架中烃源岩质量分布模式 油气藏的形成首先以丰富的生油物质为基础 生油条件取决于沉积盆地的 类型和沉积相 生油量取决于保持长期稳定持续沉降的较深水环境和有机质的 类型与丰度 有机质含量主要受控于沉积物 水体缺氧界面处的沉积速率 一旦 缺氧条件具备 主要的控制因素即为沉积速率 沉积速率低 有机碳总量就高 随着沉积物向盆内进积作用的发生 局部沉积速率增大 有机碳总量减小 在 一定地史时期 沉积物中有机质含量取决于沉积物可容纳空间和陆源碎屑输大 量的变化 如果可容纳空间很大 陆源碎屑向盆地方向的输入量减小 则这些 沉积物中的总有机质含量提高 反之 有机质含量降低 Creaney等认为较低的沉积速率和沉积界面处的贫氧环境 影响了烃源岩的 有机碳总量 TOC 一旦确立了缺氧环境 沉积速率即成为控制TOC大小的主 要因素 若可容纳空间不断加大 沉积速率不断降低 则细粒沉积物的TOC就会 不断增大 显然 一个层序中细粒沉积物的TOC最大值应与最大海泛面对应的沉 积层段密集段相对应 Creaney利用一个假想层序阐述了细粒沉积物与层序地层 9 格架之间的关系 图2 在 型层序界面上覆一低位楔 A以 海侵沉积 A C 和高位沉积 C E 接着是层序顶界面 E 和第二个低位楔 E F 在图2的垂向剖面处用声波的电阻率曲线的叠合异常来表示有机碳的 相对丰度 即分离大 则TOC高 剖面位置 处于缺乏陆源碎屑供给的盆地最内 部 整个层序细粒沉积物的TOC值均较高 但与最大海泛面对应的密集段 TOC 最高 B C 对于剖面位置 和 来说 由于陆源碎屑供给相对较多 TOC值 相对较低 但每个进积单元的下部较上部具有较高的TOC值 这是由于后期沉积 物供给不断增加造成的 图2 表示细粒沉积物有机碳含量的假想层序 据Creaney et al 1993 此外 有机质类型的分布变化亦受可容纳空间和陆源碎屑输大量变化的控 制 在一个理想的低位 海侵 海退旋回中 有机质类型的分布趋势是先以 型为主 后变为以 型为主 最后又返回到以 型为主 3 2 23 2 2 层序地层学在储集层研究中的应用层序地层学在储集层研究中的应用 1 层序地层格架中的储层分布模式 不论是海相 还是陆相沉积盆地 层序中的不同体系域均有发育储层的潜 在条件 表1 2 如果有良好的成藏组合条件则可形成油气藏 表1 海相硅质碎屑岩层序地层格架内成藏要素及配置关系 据Sangree et al 1990 20 层序构成 储集层 生油层 盖层 圈闭 盆 底 扇 扇形舌状砂 孔隙度 渗透 率一般极好 连续性可变 来自深层 顶部和侧向 密集段页岩 为可能生油 层 深海密集段 页岩最好 如果被斜坡 扇覆盖 则 有缺失盖层 的危险 一般为地层圈 闭 低 位 体 系 域 斜 坡 斜坡扇海底水道砂石极好的 勘探对象 厚5 40m 不连 不确定 可 能在深部 页岩段盖层 顶部盖层为 一般为地层圈 闭 有些属构 10 扇 续 斜坡扇的漫滩砂很薄 1 30cm 但孔隙度 渗透率 高 密集段造 地层圈闭 浅海三角洲砂和滨面砂系列 连续性可变 深层或顶部 海进体系域 生油层 海进体系域 顶部盖层好 侧向封闭差 一般为构造圈 闭 海底峡谷水道砂和浊积砂 连续性差 不确定 同 生源可能以 生气为主 局部页岩盖 层 地层尖灭 进 积 复 合 体 深切谷以网状水道砂为典型 连续性好 中等 海进体系域 顶部生油层 海进体系域 顶部盖层好 侧向封闭差 一般为构造圈 闭 海进体系域 海滩 滨面砂 孔隙度和渗 透率极好 泻湖相砂层可变 海进体系域 顶部和侧向 生油层好 海进体系域 顶部盖层好 侧向和底部 可变 孤立砂层的地 层圈闭 底部 连续的砂层要 求构造圈闭 高位体系域 以不连续的冲积相和三角洲 相为主 滨面相次之 一般深部生 油气层 海泛面通常 为盖层 侧 向渗漏 构造圈闭为主 表2 陆相断陷盆地层序地层格架内成藏要素及配置关系 层序构成 储集层 生油层 盖层 圈闭 陡 坡 带 扇三角洲前 缘砂体 盆地中央浅湖 深湖相 泥岩 上部湖扩展体系 域泥岩 深部生油岩 顶部盖层为密集 段 侧向断层封 闭 风险较大 断层 岩性圈闭 逆牵引背斜圈闭 岩性圈闭 缓 坡 带 三角洲平原 前缘砂体 斜坡扇 盆地中央浅湖 深湖相 泥岩 深部生油岩 顶部湖扩展体系 域泥岩 往往是 区域盖层 侧向 封闭较差 局部 断层遮挡 一般为地层圈闭 和岩性圈闭 上 倾尖灭为主 低 位 体 系 域 中 央 带 盆底扇 盆地中央浅湖 深湖相 泥岩 上部湖扩展体系 域泥岩 深部生油岩 四围封闭好 岩性圈闭 透镜 状砂岩圈闭最多 发育中央隆起带 的为断层改造的 宽缓背斜圈闭 湖扩展体系域陡坡带 扇三角洲前缘 缓坡带 三角洲前缘 滨湖滩坝砂体 中央带 重力流砂体 湖扩展体系 域顶部密集 段 侧向浅 湖 深湖泥岩 顶部密集段盖层 好 侧向和底部 封闭性略差 陡坡带 构造 岩 性圈闭 缓坡带 岩性圈闭 地层 超覆圈闭 中央 带 构造 岩性圈 闭 高位体系域 陡坡带 扇三角洲前缘 缓坡带 三角洲前缘 滨 浅砂体 连续性好 湖扩展体系 域顶部密集 段 侧向浅 底部盖层为湖扩 展体系域顶部密 集段 上部盖层 陡坡带 构造 岩 性圈闭 缓坡带 岩性圈闭 地层 11 河流相网状砂体 中央带 重力流砂体 湖 深湖泥岩 深部生油气 层 较差 侧向封闭 好 超覆圈闭 中央 带 构造 岩性圈 闭 透镜状砂岩 圈闭 2 坡折带与储集层发育的关系 层序地层学的发展越来越重视构造作用对层序的控制 不仅从宏观上控制 层序地层发育的样式 也从微观上控制体系域内部沉积体系和储集砂体的展布 无论是海相盆地还是陆相盆地 坡折带对于岩性圈闭的发育均起着至关重要的 作用 坡折带从成因上可以分为地貌坡折带 断裂坡折带 挠曲坡折带等 其 中 断裂坡折带在东部断陷盆地油气藏形成中起着重要作用 林畅松 2000 21 认为 构造坡折带是由同沉积构造长期活动引起的沉积斜坡明显突变的地带 由于同沉积构造的长期活动 构造坡折带对盆地充填的可容纳空间和沉积作用 可产生重要的影响 制约着盆地沉积相域的空间分布 在湖盆发育期 断裂坡 折带常构成从浅水或水上环境向深水或水下区过渡的突变界线 因此 在低水 位期 断裂坡折带往往控制着低水位沉积体系域的发育区域 其上游方向是下 切谷和剥蚀面最发育的地带 在高水位朔 常常控制着高位体系域 沿断裂坡 折带的差异沉降和脉冲式的断裂活动 可导致砂体的层数和厚度明显加大 图 3 同时 断裂坡折带的同沉积断裂是重要的油气通道 生长系数大的断裂容 易造成侧向岩性封堵 形成有利的封闭条件 构造坡折带的同沉积断裂的明显 活动和砂体的发育又有利于滚动背斜构造的形成 局部反转可加强背斜形态 构造坡折带还是不整合面开始发育的部位 对寻找不整合圈闭具有重要意义 坡折带是一种控制沉积作用的地貌形态 它与其他古地貌要素相配合时 就进一步限定了砂体发育条件与分布空间 在沉积作用过程中 沟谷地貌决定 了沉积物的输送通道和沉积区域 坡折带决定了沉积物的卸载场所 当两者有 机配合时 则构成了储集层的发育空间 3 层序地层格架中储层成岩作用 任何地层都经历过成岩作用的改造 这种改造在不同的地层 不同的成岩 环境中产生不同的结果 每个层序都具有独立的成岩作用和成岩过程 在一个 层序内部 沿着不同界面域体系域 成岩作用特点也有所不同 因此 成岩地 层学与层序地层学有密切的联系 特别是与表生成岩作用有非常密切关系 在 许多不整合面上形成区域性的成岩标志 如溶蚀作用 硅化作用 白云岩化作 用 土壤化作用 交代作用等标志 Braithwaite 22 提出胶结物层序地层学 他强调胶结作用在层序中的重要 意义 根据胶结作用的增生和特点 划分出胶结物带的区域分布 胶结物层序 可以与上超 下超和其他的相关层序对比 胶结作用仅是成岩作用的一种 成岩作用还包括溶解作用 交代作用 重 结晶作用 压实作用 白云岩化作用 硅化作用等等 这些成岩作用的发生 发展 改造和消失是与沉积环境 成岩环境有着密切的关系 也与层序的埋藏 历史有着密切的关联 正是这样 可以在层序地层框架中认识成岩作用特点相 12 规律性 图3 断陷湖盆陡坡断裂坡折带样式与沉积相分布示意图 贾振远等 1997 23 通过鄂尔多斯盆地奥陶系层序与成岩作用关系的研究 探讨了层序界面与溶蚀作用和硅化作用 体系域与白云岩化作用的关系 总结 了层序地层框架中各种成岩作用事件的特征 图4 在高位体系域中 胶结作 用是在海水 海水和淡水混合 淡水的成岩环境中发生的 白云岩化作用明显 低位体系域中 胶结作用是大规模基质充填 压实作用是以化学压实为主 表 生成岩作用非常突出 海侵体系域中再生核作用明显 在 型层序界面附近 由于强烈的溶解作用 形成大区域的古风化壳 型层序界面附近表生成岩作 用弱于 型界面 但具有明显的溶蚀作用 形成钙结核壳 甚至发生古土壤化 作用 图4 不同沉积体系域中的成岩事件特征 据贾振远等 1997 3 2 33 2 3 陆相盆地隐蔽圈闭与层序地层格架的关系陆相盆地隐蔽圈闭与层序地层格架的关系 1 断陷盆地层序地层格架中的隐蔽圈闭分布模式 1 低位体系域 低位域储集体是找寻地层岩性圈闭 油藏的主要目标 低位域砂体成藏有三 13 个方面的优势 低位域砂体发育在各层序界面之上 层序界面是油气运移的 良好通道 使油气沿层序界面优先进人低位域砂体中聚集 每一个低位域砂 体的形成均源自一次较强烈的构造活动 因此物源供给量大 单砂体的规模比 层序内部其他成因砂体大 物性明显变好 低位域砂体发育在洼陷带 直接 与烃源岩接触 具有 近水楼台 的优势 在五号桩及渤南洼陷 发育了多期 浊积扇 其中以低位砂体规模最大 油气在低位扇砂体最富集 单个层序内 以低位体系域砂体油气充满程度最高 如义99井 24 低位体系域砂体为含油饱 和度较高的油层 而湖扩展体系域砂体含油饱和度较低 图4 2 湖扩展体系域 湖扩展体系域易形成超覆型地层圈闭 油藏 在单个三级层序内 低位域分 布范围小 仅发育在洼陷中心 而湖扩展体系域山下向上沉积范围逐渐扩大 形成与下伏层序的超覆接触关系 湖扩展体系域砂体都经过湖浪改造 分选性 极好 多呈带状延伸 或席状分布的良好储层 由于湖扩张期沉积物的阶状后 退性质 有助于形成砂 页岩互层 从而形成多储层系 这种互层的沉积物层 层上超 在上倾方向可以形成湖扩展体系域超覆圈闭发育带 由于湖侵域以油 页岩 泥岩为主 生烃能力强 易于油气聚集形成超覆型地层油藏 如在林樊 家 桩西 滨南等地区的沙一段超覆地层油藏 林樊家油田由东向西 由沙一 段 东营组逐层超覆在孔店组地层之上 形成超覆地层油藏 3 高位体系域 高位体系域储层与湖扩展体系域的大套烃源岩呈垂向接触关系 与洼陷的 高位体系域泥岩呈侧向接触 油源丰富 砂体以三角洲前缘滑塌浊积岩 浊积 扇 水下扇和河流相砂体为主 砂体规模大 物性较好 需要较严格的圈闭条 件 成藏关键是需要一定的输导系统和圈闭条件 才能形成高产油气藏 如东 营三角洲砂体 高水位体系域沉积物不断进积 遍布坡折带及湖盆长轴 形成 厚的河流和三角洲储集体 但因上倾方向和侧向的沉积物中可以存在渗漏通道 连续砂岩 需要构造圈闭 当有张性滑移铲状断层或盐岩流动造成的底部 隆起和滚动背斜时 则可以发育油气圈闭 东营凹陷的中央背斜带 惠民凹陷 的临商断裂带都是有力的例证 在没有良好构造背景的地区 三角洲体系块状 砂岩由于连续厚度大 横向相接 连通性强 一般难以独立成藏 三角洲前缘滑塌浊积砂体的单砂体面积一般较小 厚度较薄 常以透镜状 分布在烃源岩中 油源条件最为有利 易于形成典型的透镜状或上倾尖灭岩性 油藏 由于砂体埋深 厚度以及有无断裂改造作用影响了砂体的成藏动力条件 所以不是所有的滑塌浊积砂体都能够成藏 必须加强多方面研究 弄清这种类 型砂体的成藏机理 结合准确的砂体预测 才能提高勘探成功率 从勘探角度 洼陷带滑塌浊积砂体岩性油藏最为复杂 每次认识的深化 都有较大的发现 是陆相断陷盆地洼陷带的主要勘探方向 2 坳陷湖盆层序地层格架中的隐蔽圈闭分布模式 1 低位体系域 14 尽管低位体系域中发育多种不同类型的岩性圈闭 但连片分布的河道 天 然堤复合砂体构成的透镜状岩性圈闭是其最主要的类型 这些砂体要么以分流 间湾泥岩所包围的透镜体的形式构成岩性圈闭 要么叠加在古鼻状构造上 构 成岩性上倾尖灭圈闭 由浊积岩构成的透镜状岩性油藏在低位体系域中也常出现 主要发育于低 位域顶部三角洲前缘前端及较深水区 在锄陷盆地中 地势较缓 虽然能形成 浊积岩 但构不成水下扇体 例如松辽盆地西部斜坡区大28井揭示的重力流岩 性油藏 在半深湖 深湖相中发育了许多规模不等的透镜状重力流浊积扇砂体 透镜状砂体被半深湖 深湖相泥岩所包围 深湖 半深湖的暗色泥岩具有一定 生油能力 同时封堵条件较好 形成了砂岩透镜状岩性油藏 2 湖扩展体系域 湖扩张体系域中的地层超覆和岩性尖灭圈闭主要分布于湖扩张体系域底部 25 三角洲前缘砂体 滨浅湖砂体经波浪淘洗作用和反复冲刷 分选与磨圆变 好 储集物性较好 砂体平行岸线分布 并使砂体向湖盆方向倾斜 湖扩张期 的退积作用使砂泥呈互层状组合 并向上倾方向发生尖灭 顶部及侧向渐变为 泥岩 成为好的盖层 形成上倾尖灭岩性圈闭 其顶部为生油凝缩层 侧向为 深水环境的暗色泥岩 生油层中的油气向下和侧向运移进人储层 从而形成砂 岩上倾尖灭岩性油气藏 透镜状岩性圈闭也是湖扩张体系域中常见的岩性油藏 它们挟持在湖扩张 期的源岩之中 在三肇凹陷的低凹处 青山口组和姚家组暗色泥岩发育区所夹 持的葡萄花油层砂岩透镜体岩性油藏 嫩江组源岩中的透镜状岩性油藏都有实 例 3 高位体系域 高位体系域中发育的砂岩上倾尖灭岩性圈闭 是在构造沉降小于沉积物供 给速率时 沉积物不断向湖盆中心推进过程中形成的 三角洲砂体以进积方式 向湖盆推进 前缘砂体不已断下超在生油岩之上 当盆地内存在局部隆起时 在靠近湖岸一侧的隆起翼部 砂体扬起形成尖灭或渗透性变差 上部及两侧相 变为非渗透性泥岩封堵而形成圈闭 这类油气藏中油气受岩性控制的因素较大 是否存在下倾封堵是其成藏的关键 当盆地内无局部隆起时 尖灭的砂体无法 形成圈闭 则需要构造配合 在后期构造运动中 沉积时下倾的各类砂体后期 被隆升 产生上倾尖灭 形成砂岩上倾尖灭岩性油气藏 典型的实例是海子油 田 高位体系域顶部储层砂体发育较好 底部储层发育较差 三角洲前缘砂体以及 浪控滨浅湖砂体连续性较好 受河流 湖泊等多种介质的改造作用 储集物性 变好 加之具有较好的储盖配置关系 是储层发育的有利部位 高位体系域顶部为层序边界 是不整合发育的主要区带 在此区带可发育 地层不整合遮挡油气藏 在高位体系域发育晚期 在盆地斜坡边缘部位 由于 基准面缓慢下降 三角洲沉积体系不断向盆地内进积 向上常形成顶超 向下 15 终止于前三角洲相泥岩 顶都是基准面下降期形成的沉积间断面域不整合面 被后期湖扩张期沉积的非渗透泥岩超覆 不整合覆盖 在不整合面的配合下形 成良好的封堵条件 油气主要来自下部和侧向深水环境的烃源岩 油气侧向运 移进入圈闭 形成油气藏 3 2 43 2 4 层序地层学在油田开发中的应用层序地层学在油田开发中的应用 在油田开发中 层序地层学可以应用于储层分析和预测 具体表现体现在 两个方面 一是 高分辨率的储层对比 二是 揭示层序地层格架内储层性质 的变化规律 1 高分辨率的储层对比 尽管不同的层序地层学学派或分析思想有差异 但在地层对比上有着两个 显著的共性 一是 遵循等时性原则 二是 尽可能对比的更加精细 即高分 辨率对比 26 1 等时地层对比 层序地层学属于成因地层学的范畴 它是划分 对比沉积岩的一种新方法 层序地层学分析成因地层单位的 以不整合或与之可对比的整合面为界的年代 地层格架 这些层序和体系域与特定的沉积体系类型 岩性分布和油气产出具 有密切的联系 是由基准面变化引起的 这些基准面变化表现为地震反射剖面 上不同类型地震反射终止关系以及露头 钻测井资料上的沉积相带叠置方式的 变化 进而可利用生物地层学和其他年代地层学的方法确定基准面变化所处的 地质年代 因此 层序地层学的地层单位是由物理界面所限定的等时岩石组合 从而提高了岩相古地理再造 盆地地质历史分析和资源评价的科学性和准确性 而传统的岩性地层学常是相似岩性的地层对比 因而大多是穿时的 图5中的岩 性地层对比剖面是以浅海砂岩的顶面作为标志层而建立起来的 因为这种边界 有3个明显的特点 通常是煤沉积的场所 从而提供了一个良好的测井曲线标 志 在自然电位和自然伽马测井曲线上是明显的界线 在各种不同类型的 测井曲线上 如孔隙度测井 电阻率测井 对每种块状浅海砂岩均提供了类似 的响应 按常规做法 如果这种基准面一旦选定 并且通过连接砂岩顶面进行 岩性对比 那么储层的连通性就会被夸大了 不同的砂岩成因也就被连接起来 其结果是可能的浅海砂岩储层就会被解释为向上倾方向变为海相页岩和泥岩 图5中的进积式准层序组横剖面 是以准层序组边界为标志层而建立起来的 每 个较新准层序的浅海和滨岸平原岩石均向上和向盆地方向逐次发育 浅海砂岩 是有利的储集岩 由于许多砂体在泥岩中上 下是孤立的 因而保证了较差的 垂向连通性并有可能隔开油 水接触面 由于滨岸砂岩的混合作用 在海相岩 石向上倾尖灭而变为滨岸平原岩石的尖灭区附近 有些储集岩仍具有较好的垂 向连通性 27 16 图5 年代地层对比方式 A 与岩性地层对比方式 B 的比较 进积式准层序组 据Wagoner 1990 1 海岸平原砂岩和泥岩 2 浅海砂岩 3 陆架泥岩 4 井位 图中1 4代表准层序编号 图6中的岩性地层横剖面 是以每口井中最新的主要浅海砂岩顶作为标志层 而建立起来的 28 这种分界是明显的岩性中断 由于其通常以电阻率突变为标 志 因而此界面在测井曲线上 在所有的井中 均形态相似且易于识别 应用 这种界面进行测井曲线对比 可能会导致一个连续的 相对较薄的 浅海砂层 的解释结果 这样 储层的连通性就被夸大了 而且储集砂岩被错误地连成了 具有统一油水界面的同一砂体 而开发资料表明 在这种储层中至少有两个油 水界面的时候 地质学家通常加开一条断层 以解释开发资料和地层解释之间 的矛盾差异 就在该套砂岩之上的页岩中通常保存有底栖动物群 应用初次出 现的底栖有孔虫类作为对比手段 产生了与应用砂岩顶所获得的对比结论一样 的对比结果 因为这些生物受制于沉积相 图5中的退积式准层序组横剖面也是 以准层序组边界为标志层而建立起来的 这种边界可以向盆地追人该套页岩具 有特征的电阻率测井标志层 在连续沉积的 较新的准层序中的海相岩石 向 陆地逐步发育或退积 每个准层序都是迸积的 每套浅海砂岩向上倾方向相变 而成为滨海平原岩石 在海相泥岩中 浅海砂岩储层上 下是孤立的 且通常 具有独立的油水界面 17 图6 年代地层对比方式 A 与岩性地层对比方式 B 的比较 退积式准层序组 据Wagoner 1990 1 海岸平原砂岩和泥岩 2 浅海砂岩 3 陆架泥岩 4 井位 图中1 4代表准层序编号 2 高分辨率的对比 地层对比对于沉积学 石油勘探与开发都是至关重要的 在等时性原则下 地层对比的精度越高 越有益于达到我们目标 在储层分析中 传统的储层对 比强调将 小层或砂层组 作为基本的单元 层序地层学则强调了 准层序 或 短期基准面旋回 成因地层单元 的对比 对比到这些单元基本可以满足较 精细的油藏研究的需要 例如 在Tiger Ridge 29 气田 图7 成因层序的叠 加样式控制了储集相的位置和流体流动单元的边界 该气田产层段内 影响产 量及单个到多个产层带位置的主要因素为储集相所处的地理位置和地层产状 18 图7 储层封存箱的界线与成因层序边界的一致性 3 井 震结合对比 层序地层学的地层等时性对比原则在观念上改变了传统地层对比的模式 使地层对比走向更符合实际的方向 然而我们面临的实际困难是 地层在空间 上是变化 特别是构造的作用 增添了它们变化的复杂性 因此 储层在空间 上是否尖灭 在何处尖灭 储层是否在空间上合并 分叉 在何处合并 分叉等 等 井 震对比方法是目前解决这些问题的关键 图8提供了需要进行储层对比的3口钻井的测井曲线 这也是我们在实际工 作中经常要面对的 1井与2井间距大致1km左右 3井距离2井大致3km左右 显 然 1井和2井之间更容易对比 2井和3井之间得对比将使我们犹豫不定 图8A 提供了一种可能的对比出的结果 或许在实际对比中还会有其他的方案 哪种 对比更符合实际呢 借助精确的井 震资料 图8 B 将帮助我们得出更精细 的对比 图8C 二 层序地层格架内储层性质的变化规律 与普遍认为沉积环境单独控制地层特征的观点不同 Cross等 1993 30 认 为 由于地层过程决定沉积响应系统 沉积记录的许多性质是沉积环境内可容 纳空间变化的函数 基准面旋回变化伴随着可容纳空间的增加和减少 可容纳 空间控制了时间域内任何特定位置可能堆积的沉积物的最大量 在沉积物沉积 过程中 沉积记录的地层学与沉积学性质是可容纳空间与沉积物供给的比值A S 动态变化的响应 由于A S值和沉积物体积分配控制了沉积环境内不同沉积物的 保存比例和地貌单元的多样性 从而控制了相似成因相域的地层结构 相的多 样性 相组合和连续性变化 由此控制了流体流动的路径 流体流动单元 并造成储层性质的显著区别 因此 地层过程对地层特征起着与沉积环境同等 的 甚至是更重要的作用 仅用相或相模式不能解释地层性质的动态变化 从 地层过程 A S值变化 对储层的控制作用观点出发研究储层 不仅可以提高储 19 层表征和预测的准确性和精确性 图8 井 震对比的优势 井 震结合的剖面引自Hongliu Zeng et al 2004 A 井 震结合之前的可能对比结果 B 井 震结合的剖面 C 井 震结合之后的对比结果 哥伦比亚Cusiana油田中新统Mirador组产层 31 提供了地层过程对储层物性 控制的实例 Mirador组下部每一个旋回底部均由叠置的河道砂岩组成 上覆不 同厚度和比例的决口扇 河道砂岩 冲积平原和湖相泥岩 土壤 细粒相通常 在第三个旋回上部集中出现 上覆层可发育其他河道砂岩 该相序记录了A S值 增加的半旋回 在上部旋回之下有时出现代表A S值减少的薄层沉积 用这种