塔里木盆地海相碳酸盐岩油气勘探中地层划分与对比

塔里木盆地海相碳酸盐岩油气勘探中地层划分与对比

0层序地层特征及应用研究现状作为现代地质最重要的科学之一，层序地层学在比较、分类和等级体系等地层学基本理论方面取得了创新和发现，解决了许多复杂的地层比较和分析问题。该方法广泛应用于地层学、沉积学、盆地分析、能源和矿产资源调查等领域。特别是在油气资源领域中,已深入到勘探开发的各个阶段(包括地层划分对比、圈闭预测、油藏描述、储层预测和烃源岩预测等),并取得了良好的应用效果塔里木盆地是中国最大的内陆含油气盆地,油气勘探战略地位极为重要。寒武—奥陶系以台地相碳酸盐岩沉积为主,其岩石类型主要为灰岩、白云岩及过渡岩性(如白云质灰岩、灰质白云岩等),是最重要的含油气层系之一。其储层受岩溶、裂缝控制,非均质性极强,预测难度大,属世界级难题。碳酸盐岩地层的划分与对比是油气勘探工作中最基础、最重要的地质问题。长期以来,诸多学者以层序地层学理论为指导,针对塔里木盆地碳酸盐岩开展了大量研究工作,但由于整体研究的系统性不强,加之受地质资料实际情况的限制,取得的实际应用效果并不理想。为此,笔者以系统总结-分析关键问题—应用领域探讨为主线,对塔里木盆地寒武—奥陶系碳酸盐岩层序地层特征及在油气勘探中的应用研究进行了深入分析。并初步分析了目前塔里木盆地碳酸盐岩层序地层研究中存在的问题及今后的发展趋势。1塔里木-奥陶系地震勘探1.1层序地层格架及其基准面旋回划分现今在层序地层学领域,以Exxon经典层序地层学和Cross高分辨率层序地层学应用最为广泛。其主要差别在于旋回之间界面的厘定,Exxon层序地层学强调不整合面、准层序及体系域的划分;而Cross高分辨率层序地层学强调沉积基准面、沉积基准面旋回、有效可容纳空间的分析在塔里木盆地寒武—奥陶系碳酸盐岩层序地层学研究中,研究者多以Exxon经典层序地层学理论为指导,进行超层序组、超层序、三级层序及体系域等的划分,随着油气勘探的不断深入,对层序划分精度的要求越来越高,这就需要更多的依靠露头和钻(测)井资料进行高精度的层序划分。露头剖面岩性表征直观可靠,在准层序、体系域及高频层序的划分上,均具有较好的可操作性。而钻井资料受录井水平限制,碳酸盐岩岩性剖面的描述往往不够准确和精细,受测井曲线对碳酸盐岩的差异响应不明显等因素的影响,准层序及体系域的划分难度较大,故笔者认为,在塔里木盆地寒武—奥陶系碳酸盐岩层序地层学研究中采用以过程-响应沉积学原理为基础的高分辨率层序地层学理论,进行不同级别的基准面旋回的划分,通过基准面旋回的叠加样式,分析各级层序发育特征,更切合实际。在高频层序划分中,由于在大套的灰岩与白云岩剖面中,水进面的识别相对比较困难,而具有水退特征的小型喀斯特、白云石化等现象,通过岩芯观察和成像测井图像、钻(测)井等资料的分析可以较好的识别,故在海相碳酸盐岩高频层序划分中应以水退面(陆相以水进面)为层序界面划分标志,更易操作。1.2层序界面类型和识别标记1.2.1断裂面的分类结合碳酸盐岩层序发育的特点,在综合分析露头、钻井和地震资料的基础上,在寒武—奥陶系碳酸盐岩层序中可识别出4种类型的层序界面:(1)构造不整合面:是指地层发生构造抬升,遭受强烈风化剥蚀,而出现地层明显缺失,往往与一级或二级等高级别的层序界面对应(2)暴露间断面:是指沉积基底暴露出水平面,未发生或仅发生较弱剥蚀作用而产生的沉积间断面,主要与低级别层序(四级、五级以上)界面相对应。(3)加深间断面:又称“淹没不整合面”。一般难以见到暴露标志,主要形成于海平面快速上升加深过程中,沉积水体加深造成了碳酸盐岩生产速率的降低或停止生产,从而发生沉积滞后效应形成间断面。常常表现为深水或较深水沉积物直接覆盖在浅水沉积物之上,界面上下的地层或岩石相带不连续,相变突然(4)事件性沉积相变面:主要是指岩相体随古水深变化产生的横向迁移,如在相对深水的陆棚-半深海环境中,具重力跨塌成因的碎屑流浊积体与下伏台地相沉积所形成的界面。这里笔者需要特别强调的是:任何一个层序界面的性质并不是一成不变的,而是在盆地的不同区域或部位往往会表现为不同性质,即可以定义为不同的类型。1.2.2层序界面岩相的变化从钻井岩芯描述、岩性剖面和测井曲线及分析测试资料上,可识别出的碳酸盐岩层序界面标志主要有:(1)暴露面标志:如层序顶界面附近出现的局部白云石化作用、小型喀斯特作用等;(2)由于地层暴露而出现的相序中断现象:当海平面下降而致使沉积岩层出露地表时,将引起沉积作用的中断,形成沉积间断面。在界面上下,发生沉积环境、岩性、岩相组合的突变;(3)浅水沉积物直接覆盖在深水沉积物之上,反映为可容纳空间突然减小,滨岸沉积物向盆地方向迁移;(4)在垂向剖面上岩相类型或相组合转换的位置:如水体向上变浅的相序或相组合向水体逐渐变深的相序或相组合的转换处。对应的电测曲线上,表现为曲线组合型式的转换,如进积叠加形式向退积或加积叠加形式的转换等;(5)不同岩石的厚度的旋回性变化:如在碳酸盐岩与碎屑岩互层的剖面中,层序界面之下,灰岩厚度向上变薄,碎屑岩的厚度向上增大;而层序界面之上则相反;或者,层序界面之下发育于潮间带的砂岩,粒度向上变粗,砂/泥比向上增大,层序界面之上则相反。这种岩性旋回的变化特征常以叠加形式的改变表现出来;(6)地球化学标志:通过锶同位素、碳氧同位素及微量元素的变化可以确定海平面变化。如较低的δ2层序层在油气勘探中的应用2.1层序不同层位的碳酸盐岩寒武系—奥陶系烃源岩分布面积广、有机质丰度高、资源量大,其烃源岩发育特征及分布规律的研究一直是普遍关注的热点和难点问题之一。近年来,在塔里木盆地烃源岩研究领域,大多数研究者普遍认为寒武—奥陶系主要发育两类优质烃源岩,即黑色岩系(泥页岩类)和富泥质、有机质的碳酸盐岩。这两种类型的烃源岩与盆地演化机制关系密切,黑色页岩是大陆边缘与上升洋流相关的沉积物;富泥质、有机质的碳酸盐岩是与前陆盆地淹没台地相关的沉积寒武系—奥陶系烃源岩主要发育在下寒武统底部、中-下寒武统、下-中奥陶统、上奥陶统等层位。并且不同层位发育不同类型的烃源岩,同时,不同层位和不同类型的烃源岩也分布在不同地区。这些烃源岩在纵向演化上受海平面升降控制,即层序体系域属性不同,烃源岩发育不同,在平面分布上与古水深、沉积相密切相关。从层序的角度看,碳酸盐岩烃源岩主要分布于高位体系域中。根据对肖尔布拉克寒武系露头剖面分析,中-下寒武统与膏盐岩共生的烃源岩主要是泥质白云岩、藻叠层石白云岩,其次是泥质岩夹层,它们的分布受高频旋回(或准层序)的控制。台地相的高频层序往往具有不对称性特点,即快速海进和持续缓慢的海退。在旋回的底部发育灰色、深灰色泥质岩、泥质泥晶白云岩和泥晶白云岩,层面上发育有大量顺层分布的水平虫孔构造,反映有底栖生物生存,上部为褐灰色藻纹层白云岩、藻叠层白云岩,反映潮坪环境中藻类生物繁盛,构成主要的生油母质。在旋回的顶部为褐灰色盐溶角砾岩,反映为膏盐岩发育的层位,并对下伏的烃源岩起到良好的封闭保存作用。于炳松等2.2层序地层格架中溶解溶菌酶的分布2.2.1区域构造和沉积过程对岩溶作用的控制在碳酸盐岩中,层序的发育主要受海平面变化、构造沉降、沉积物供给和气候4个因素控制。海平面升降变化是地层分布模式和岩相分布的主要控制因素;构造沉降提供了沉积物的沉积空间;沉积物的多少,控制了古水深;气候是控制沉积物类型的主要因素。这些因素对于岩溶作用的发生同样具有十分重要的作用,构造沉降与海平面变化共同决定了相对海平面的上升或下降。大量研究表明:同生期岩溶作用和古风化壳岩溶作用的发生均需要大气淡水的渗入,促进其溶蚀改造。这就需要相对海平面下降到足够低的位置,使碳酸盐岩暴露出水面从而接受大气淡水淋滤、风化作用,从而形成溶蚀孔洞。同样在碳酸盐岩沉积过程中,只有当沉积物供给速率与相对海平面变化速率保持在一定范围时,同生期岩溶作用才可能发生。不同类型的气候条件在沉积过程中可以控制碳酸盐岩沉积物的类型,而在碳酸盐岩岩溶作用发生的过程中可以决定其溶蚀程度的强弱,一般,潮湿的气候条件对于碳酸盐岩岩溶作用的发生更为有利。2.2.2层序界面的识别标志碳酸盐岩岩溶储层的发育不仅受古构造、古地貌、古气候和古流体性质等因素的控制,而且还受不同级别海平面升降的制约。二级或一级层序界面通常与盆地发育演化过程中的大型不整合面相对应。塔里木盆地奥陶系发育多期与高级别层序界面相对应的不整合面岩溶,岩溶作用的强度受层序界面(不整合面)暴露时间和古岩溶地貌的控制,加里东期和海西期的岩溶作用对奥陶系储层影响最大三级层序界面的识别标志主要是不整合面及与之可以对比的整合面,而四级、五级等高频层序界面的识别标志是次级古侵蚀面、沉积转换面。不同强度的构造抬升或不同幅度的海平面升降是形成不同级别层序界面的实质性原因。以(大型)不整合面作为标志的三级和更高级别的层序界面下往往发育风化壳岩溶带,主要是由于碳酸盐岩遭受风化剥蚀、地表径流、地表水的渗滤对碳酸盐岩的溶解作用形成的。对于塔里木盆地不整合面附近分布的碳酸盐岩风化壳岩溶的研究也取得了大量的成果。在三级层序内部,次级的相对海平面下降形成了四级、五级等高频层序界面,相对海平面的下降,导致了碳酸盐岩的暴露或者由深水环境转入了浅水环境,前者使其受到大气淡水淋滤风化作用,后者使其发生了成岩环境改变。所以在高频层序界面附近也会发生风化壳(侵蚀面)岩溶作用和成岩作用改造,只不过其岩溶发育的强度相对较弱,规模较小。2.3古岩溶作用期无论是同生期溶蚀孔,还是风化壳类型的溶蚀孔洞,最终都要经历后期的埋藏作用才能得以保存,所以埋藏于地下的所有岩溶作用带的成因类型都应该具有复合型、多期次叠加的特点。研究表明:古风化壳岩溶作用和埋藏有机溶蚀作用的多期性是古岩溶储层形成的普遍特征。在多期构造运动影响下,古岩溶可能是不同时期的产物,也可能是多期次、多成因类型岩溶作用的叠加。对于不同级别的层序界面而言,其对岩溶储层的分布具有较好的控制作用,认为不整合面形成期造成下伏地层暴露,促进了界面附近风化壳型溶蚀孔洞的发育。随着油气勘探的不断深入,内幕埋藏岩溶型储层的研究倍受关注,下奥陶统白云岩埋藏岩溶的研究,对于该区的油气勘探更是意义重大。由于现今技术手段和方法的限制,埋藏岩溶的形成机理研究不够深入,该类型储层分布范围的预测难度也较大。埋藏溶蚀作用总是首先沿着前期古风化壳岩溶带各类残余孔洞、晶间孔缝和裂缝发生,其最直接证据就是孔洞、裂缝中充填的含铁方解石、铁白云石及异形白云石等埋藏期充填物被溶蚀成晶间、晶内孔洞,并为沥青和原油充填-半充填。笔者对塔中奥陶系碳酸盐岩溶蚀孔洞发育规律的研究发现,T3问题和建议3.1问题的主要表现层序地层学理论体系仍处在不断发展与完善之中,许多新的概念仍需要深入的理解、认识和进一步证实。塔里木盆地碳酸盐岩层序地层学研究,虽已开展了大量研究工作,但仍存在许多疑难问题尚未解决,笔者在综合分析前人研究成果的基础上,认为塔里木盆地碳酸盐岩层序地层学研究存在的问题主要体现在:(1)层序级别划分缺乏统一量化标准。对于层序级别的划分,仍以定性的分析不同级别层序界面(各级不整合面)的性质为依据,造成划分过程中,由于认识的不同,相同目的层系的层序划分方案不一致。(2)低级别层序(三级及以下)界面和最大海泛面划分难度较大。主要是由于录井岩性描述精度不够,影响了对碳酸盐岩剖面纵向岩性序列变化的分析。(3)露头层序、钻井层序与地震层序划分对比之间的矛盾,需要搭建有效衔接三者关系的桥梁。目前露头层序划分的精度可达到米级旋回,局部区块钻井剖面层序对比识别精度可达四级,而地震层序地层学划分精度仅限于二级层序。(4)碳酸盐岩层序的发育特征、形成机制和主控因素的研究较薄弱。(5)仍没有建立塔里木盆地寒武—奥陶系碳酸盐岩的层序地层发育模式,这是一个非常值得深入探索的问题。3.2加强科学数据分析,开展层序地质勘探分鉴于研究中存在的问题,笔者认为塔里木盆地碳酸盐岩层序地层学研究的发展方向应立足于:(1)充分利用声波时差测井法、地层倾角测井法、声波时差曲线和电阻率曲线叠合等方