中国高分辨率层序地层学研究现状与应用进展.docx

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中国高分辨率层序地层学研究现状与应用进展

中国高分辨率层序地层学理论研究与应用进展

层序地层学是20世纪70年代末由美国学者PR.Vail，R.M.Mitchum和J.B.Sangree等在地震地层学基础上发展起来的一门学科（Tetsuji，2000；David，2004；Octavian，2002；J.H.Jin，2002；罗立民，1999；朱利东，2001）。

作为一种沉积地层划分与对比研究的新理论、新方法，由于其在学术上的先进性和实践上的巨大应用价值，使得该理论在油气勘探开发中发挥了重要作用（张文华，2000；Octavian，2002；Ole，2004；W，2003；Patrick，2004；O，1999；M，2000）。

然而随着盆地油气勘探与开发向更复杂和更深入的方向发展，以及隐蔽油气藏勘探风险的不断增加，石油地质学家需要更精确的技术，以提高层序地层分析的分辨率和储层预测的准确性（孟万斌，2002）。

在这种背景下，由科罗拉多矿业学院Cross教授提出的高分辨率层序地层学分析理论与方法应运而生。

它是以岩芯、三维露头、测井和高分辨率地震反射剖面资料为基础，运用精细层序划分和对比技术将钻井的一维信息变为三维地层关系，建立区域、油田乃至油藏级储层的成因地层对比格架，对储层、隔层及烃源岩分布进行评价及预测的一种新理论（邓宏文，1995；Brian，2002；汪彦，2005）。

1995年邓宏文在将高分辨率层序地层学原理首先引入国内（邓宏文，1995，1996，2000，2002），并将其应用到油气田勘探开发的不同领域（邓宏文，1997，2001；王洪亮，1997）。

之后经过国内众多学者的研究，高分辨率层序地层学理论方面得到了进一步的完善和提高（郑荣才，2004；吴朝容，1999；肖玉茹，2003；周丽清，1999）。

1、高分辨率层序地层学理论基础

高分辨率层序地层学基本理论包括基准面原理、体积划分原理、相分异原理和旋回等时对比法则，其理论核心是：

在基准面旋回变化过程中，由于可容纳空间与沉积物补给通量比值（A/S）的变化，相同沉积体系域或相域中发生沉积物的体积分配作用，导致沉积物的保存程度、地层堆积样式、相序、相类型及岩石结构发生变化。

这些变化是基准面旋回中所处的位置和可容纳空间的函数（邓宏文，1995，1996，2000，2002），也就是说是基准面变化控制了层序地层的发育。

1.1基准面原理

所谓的基准面既不是海平面，也不是海平面向陆方向的水平延伸，而是一个相对于地表波状起伏的、连续的、略向盆地下倾的抽象面（图1），其位置、运动方向及升降幅度不断随时间变化。

T.A.Cross（1994）引用并发展了Wheeler的基准面概念，认为基准面是一个相对于地表起伏的连续的势能面，而不是物理界面，它反映了地球表面与力求其平衡的地表过程间的不平衡程度。

基准面描述了可容纳空间建立与消失及其与沉积作用相对关系的变化过程。

在基准面变化的时间域内，可供沉积物堆积的可容纳空间在不断变化，由此导致沉积物的保存、剥蚀、过路不留和非补偿等4种地质作用的发生（图1）。

基准面变化的趋势总是向其幅度的最大值或最小值单向移动，构成一个完整的上升下降旋回。

基准面的一个上升与下降旋回称为一个基准面旋回。

高分辨率层序地层理论认为，地层基准面的升降变化主要受海（湖）平面、构造沉降、古气候、沉积负荷补偿、沉积地形等综合因素制约，只不过各因素对基准面升降的贡献存在差异。

伴随基准面的升降变化，A/S值左右了地层的堆积样式与沉积学特征。

图1基准面、可容纳空间和反映可容纳空间与沉积物供给平衡时的地貌状态（据Cross，1994修改）

1.2沉积物体积分配原理

沉积物体积分配是地层基准面旋回过程中由于可容纳空间的变化导致的沉积过程的动

力学响应（邓宏文，1995，2000；胡孝林，1999）。

沉积物体积分配作用贯穿于基准面相对于地表坡状升降运动的过程中。

因为沉积物的体积变化反映了可容纳空间与沉积物供给比值（A/S）在时间域和空间域的变化。

其结果直接伴随着原始地貌的几何形态、沉积物的保存程度、地层不连续界面出现的频率、沉积旋回的对称性、沉积物内部结构、流体流动单元的连通性、相分异作用和岩石非均质性等一系列地层学和沉积学响应。

基准面上升期，地表和基准面的交点向上坡方向移动，扩大了可容纳空间的范围，增加了向盆地边缘方向沉积物储存的能力，在同一沉积体系内，堆积在盆地边缘相域内的沉积物体积增加。

盆地边缘相域内沉积物堆积体积的增加必然减少了向下坡方向搬运的沉积物体积，导致靠近盆地中心位置相域内的沉积物体积减少；基准面下降期，盆地边缘相域的可容纳空间比该旋回基准面上升期的可容纳空间小，沉积物体积减少。

因而，被搬运到盆地中心位置的沉积物体积增加。

结果，在盆地从陆相到海相环境的广泛区域内，基准面下降期，陆相环境中多发生沉积物的过路冲刷作用，沉积间断面出现的频率较多，同时更多的沉积物堆积在下坡临滨和陆架相域中。

而基准面上升期间，随着盆地上坡位置储存能力的增加，较少的沉积物被搬运到下坡相域。

这种在基准面旋回期间，相域内保存不同沉积物体积的过程称之为“沉积物体积分配”（Cross，1998）。

1.3相分异原理

伴随着可容纳空间的变化和沉积物的体积划分，保存在相同沉积环境中的相序、相组合、相类型和相的多样性，也有显著区别，统称为相分异。

它是沉积物体积分配的沉积学响应，指的是基准面变化周期中岩石的沉积学属性的变化（Cross，1998），因而也直接影响着储层的物理特征。

它反映了原始地貌要素保存的程度，以及存在于不同时间的沉积环境中的地貌要素类型的变化。

相分异程度则是融入地层记录中的原始地貌要素的数量和比例。

相分异作用主要有两种类型:

一种是在基准面变化周期中的单个相属性的改变，另一种是在沉积地形剖面的相同位置沉积相或相序发生完全变化。

相分异作用导致了同一地理位置相同沉积环境或沉积相几何形态、相类型、岩石内部结构的差异，同时也是地层层间和层内非均质性产生的主要原因（邓宏文，1995，2000；胡孝林，1999）。

1.4地层旋回等时对比技术

1.4.1基准面旋回的识别与对比技术

根据基准面旋回和可容纳空间变化原理，地层的旋回性是基准面相对于地表位置的变化产生的沉积作用、侵蚀作用、沉积物路过形成的非沉积作用和沉积不补偿造成的饥饿性乃至非沉积作用随时间发生空间迁移的地层响应（邓宏文，1995）。

地层记录中不同级次的地层旋回，记录了相应级次的基准面旋回。

在每一级次的地层旋回内必然存在着能反映相应级次基准面旋回所经历时间的“痕迹”，如何据一维钻井或露头剖面上的这些“痕迹”识别基准面旋回，是高分辨率层序划分与对比的基础。

用来识别基准面旋回的沉积与地层特征可以概括为:

（1）单一相物理性质的垂向变化；

（2）相序与相组合变化；（3）旋回叠加样式的改变；（4）地层几何形态与接触关系。

这些特征均反映着可容纳空间和沉积物补给通量比值（A/S）的变化。

目前主要是通过取芯观察，建立合理的测井响应模型，在此基础上，根据测井曲线确定短期旋回及依据其相组合和叠加样式进而识别中期旋回，最后根据地震反射剖面上的标志识别长期基准面旋回。

在划分各级旋回的同时，露头、岩芯、测井与地震剖面相互验证。

1.4.2地层旋回的识别与对比技术

高分辨率层序地层划分与对比，正是依据基准面旋回、可容纳空间的变化，导致岩石记录的地层学和沉积学特征的过程一响应原理进行的。

伴随基准面的升降变化和可容纳空间的增大与减小，地层记录可以由完整的地层旋回组成，也可以仅由非对称的半旋回和代表侵蚀作用与非沉积作用的界面构成。

Cross等（1998）认为，在成因层序的对比中，基准面旋回的转换点，可作为时间地层对比的优选位置。

转换点在地层记录中的某些地理位置表现为地层不连续面，某些位置则表现为连续的岩石序列。

岩石与界面出现的位置和比例是可容纳空间和沉积物供给的函数。

高分辨率地层对比是同时代地层与界面的对比，不能简单地泥对泥，砂对砂，或者简单地进行旋回对比，而要根据在一个旋回中不同地理位置上的地层发育特点进行对比。

对比的总原则是：

（1）先进行较大基准面旋回的对比，然后依次进行较小旋回的对比川。

（2）一个完整基准面旋回、向上变细的半旋回及向上变粗的半旋回间可以互相对比，也可以分别与没有沉积的一个面对比，即所谓的岩石对比岩石、岩石对比界面或面面相对。

（3）在短期基准面旋回的对比过程中，中期基准面由上升到下降的转换点是优选位置中要重点考虑的对比界面，以此转换点为起点，依次向上或向下作小层对比，其结果会更趋合理。

特别是在区域范围内的地层对比中，掌握这一原则十分必要，因为此转换点是中期基准面向其幅度最大值单向移动的临界点，它在区域内表现为连续的岩石序列，即同一时间域内的不同地理位置均产生了沉积响应。

图2海岸平原一浅海沉积环境成因地层动态对比概略图（据Cross，1996修改）

图2为海岸平原—浅海沉积环境地层层序的堆积模式、厚度的时空变化及层序地层对比格架。

2、高分辨率层序地层学研究现状

2.1基准面旋回级次划分

Cross提出的高分辨率层序地层学对于基准面旋回划分的分级性并没有明确加以界定，只是简单地分为短期、中期和长期3类基准面旋回。

这种划分方法极易导致人们在进行基准面旋回划分时，对同一基准面旋回相对长短（地层的厚薄及年龄的新老）理解的不同而导致划分的不一致和混乱，不利于工作中的应用与对比。

中国石油地质工作者根据陆相盆地地层发

育特征和实用性提出了诸多的地层基准面旋回的级次划分方案，其中以郑荣才等（2001）提出的最有代表性。

郑荣才等根据对多个不同类型陆相盆地进行层序分析的体会，结合Cross提出的基准面旋回的概念范畴、级次划分和等时对比原则，提出将基准面旋回划分为巨旋回、超长期、长期、中期、短期、超短期六个级次旋回的划分方案（表1、表2），并详细研究了每个级次旋回的基本特征、界面类型、时限范围、识别标志及发育的控制因素和与Vail经典层序划分方案的可对比性。

这项研究成果进一步细化了地层划分单元，达到了高时间精度地层划分与对比的目的，更重要的是完善了高分辨率层序地层学在旋回级次上的划分标准。

王振奇等（2002）根据构造运动、沉积作用和气候变化的周期性导致沉积物在时间、空间上具有旋回性的原理，将层次的划分由低级到高级划分为9级层次。

其中盆地基底或盖层作为1级层次，界、系、统为2、3、4级层次，这是进行油气储层划分的基础。

根据露头、岩芯、地震、测井资料在第4级层次内划分出第5级层次（层序）；继而根据高分辨率层序地层学原理在第5级层次内可划分出第6、7级层次（中、短期旋回）。

最后，根据储层建筑结构层次分析原理和方法在第7级层次内再划分出8、9级层次（单一成因砂体、复合成因砂体）。

这些理论的提出在一定程度上丰富了基准面旋回的划分及标准，也促进了高分辨率层序地层学在中国的发展和应用。

表1　基准面旋回界面类型的划分和主要识别标志（据郑荣才，2001）

表2　基准面旋回的级次划分和基本特征（据郑荣才，2001）

2.2陆相盆地研究现状

中国大陆自中生代以来基本上是以陆相沉积为主，且主要的含油气盆地和含油气层系也以陆相沉积为主。

由Cross提出的高分辨率层序地层学理论及其技术方法引进国内以来，在中国部分中、新生代陆相含油气盆地层序地层研究中得到较为成功的应用和发展，更重要的是其应用结果已取得一定的经济效益。

已发表的一系列研究成果亦已证明该理论体系及技术方法非常适合于陆相地层的层序地层学研究（邓宏文，1997，2001；杜振川，2002，2001；李劲松，2009；李增学，2001），其中尤其适合以河流和湖泊相、三角洲相沉积为主要地层单元的陆相含油气盆地层序地层学研究。

为此，不少学者都提出了不同的陆相盆地层序地层研究思路（邱桂强，2005；郑荣才，2000）。

郑荣才等（2000）针对中国中、东部和西部众多中新生代陆相含油气盆地沉积体系的复杂性，提出采用利用高分辨率层序地层学理论及其技术方法研究陆相层序地层学的具体的研究思路如下：

（1）充分利用地表露头和岩、电、震资料进行综合研究，研究内容包括:

利用地表露头和钻井岩芯资料的直观可识性，研究相关层序的岩性和古生物组合、沉积构造、沉积相和沉积序列、界面类型、旋回结构和叠加样式，以及烃源岩成熟度、生油指标和各类砂体的储集物性等内容。

（2）建立不同地区或相带的相构型和地层配置模式，并将其纳入高时间对比精度的层序地层格架中，并赋于R-T旋回过程中的沉积体系域含意，讨论T-R旋回与山-盆转换或盆-山耦合的关系。

（3）在深入研究地层配置关系和展布规律的前提下，对各沉积体系域的相构型进行细致分析，特别是对拼合砂体、带状水道化砂体、煤层、较深水相的暗色泥页岩等具有重要环境和油气地质意义的成因地层单元的纵横向组合特征进行研究，并将有利的生、储、盖岩相组合标定在高分辨率时间-地层格架中。

（4）注意构造与沉积充填作用和不同级次的基准面旋回演化的关系，识别和划分不同构造活动期或活动阶段中相当长期或超长期旋回的构造-充填层序的几何构型。

根据以上内容，提出如图3所示的陆相盆地高分辨率层序地层研究内容和工作流程。

3、高分辨率层序地层学应用进展

高分辨率层序地层学自诞生以来，由于其高精度和可预测性，可有效减小隐蔽油气藏

的勘探风险、优选开发方案和预测剩余油的分布，受到了石油地质工作者的高度重视，在油气勘探与开发研究中得到了广泛的应用（孟万斌，2002）。

大量研究表明，高分辨率层序地层学的概念和理论可有效地应用于地下地质的研究，为精细油藏描述、地下地层对比、沉积相和储层特征的研究提供了有效的分析方法和预测工具（林畅松，2000）。

3.1在油气田勘探中的应用

高分辨率层序地层学理论和技术方法目前已广泛应用于陆相隐蔽岩性油气藏的勘探开发中，以此为指导，在各大油田进行诸如地层划分、定年和区域对比、地层格架中的生储盖组合特征、有利储集砂体或砂层组的时空展布和追踪对比、以及有利区块的选择和油气藏预

图3陆相含油气盆地高分辨率层序分析流程图（据郑荣才，2000）

测评价等方面的研究，都取得了良好的预期结果（汪彦，2005；叶泰然，2006；王居峰，2004；刘兴艳；李劲松，2009）。

叶泰然等（2006）利用高分辨率层序地层学方法，将鄂尔多斯盆地苏里格气田苏6井区下石盒子组划分为2个长期、5个中期和14个短期旋回层序，并且较为详细地讨论了短期、中期和长期旋回层序的结构类型、沉积序列、叠加样式及其与有利储集砂体分布的关系。

王居峰等（2004）对东营凹陷中央洼陷带的钻井和三维地震资料进行了综合解释和分析，研究了东营凹陷中央洼陷带沙三段高分辨率层序地层格架，讲沙三中亚段划分为6个短期基准面旋回，每个短期基准面旋回包含着多个次级基准面升降旋回，研究区岩性圈闭主要由浊积成因的砂体组成，主要有滑塌浊积岩、坡移浊积扇和湖底扇圈闭3种类型，通过研究得知，每种圈闭类型的形成和分布都与基准面的升降变化密切相关。

湖底扇和坡移浊积扇圈闭形成于基准面上升期，是该区主要的储油圈闭；滑塌浊积岩圈闭主要形成于基准面下降期，规模相对较小，储集物性较差。

通过以上分析可以看出，在以高分辨率层序地层学理论为指导的油气勘探中，大大提高了储层的预测精度以及寻找隐蔽油气藏的准确度。

3.2在油气田开发中的应用

在油气田开发过程中，利用高分辨率层序地层学原理划分不同级次的基准面旋回和建立相应高时间精度的层序地层格架，不仅可以满足高时间精度的小层砂体和单砂体的等时追踪对比以及等时大比例尺沉积微相图的编制，更重要的是可以进行储集砂体时空展布规律的三维预测和定量评价，这为进一步深层次的油田地质开发提供了可靠的地质模型（汪彦，2005）。

在这方面，郑荣才（2003）曾经对百色盆地子寅油田仑35块下第三系那读组二段进行过高分辨率层序地层学分析，以短期和超短期旋回层序为等时地层对比单元的地层格架，探讨了该理论体系及其技术方法在油气藏开发工程中的应用前景。

张尚锋等（2002）以泌阳凹陷双河油田为例，应用高分辨率层序地层学对储层流动单元层次性进行了定性的研究。

吴胜和等（1999）在研究吐哈盆地温吉桑—米登油田中侏罗统三间房组辫状河三角洲储层时，认为应用高分辨率层序地层学所建立的高分辨率时间地层单元格架为进一步研究储层流动单元及渗流屏障的时空展布奠定了基础，并提出了一套研究流动单元的新思路。

3.3在煤层研究中的应用

由于含煤层序的结构具有特殊性和多样性，在利用层序地层理论进行研究的时候，必须紧密结合聚煤盆地的充填特点和盆地类型；特别是含煤地层中的高分辨率事件界面的识别与对比对确定高分辨率层序地层格架具有重要的指示意义。

目前国内有许多学者已经在这方面进行了很有价值的研究。

杜振川等（2001）运用高分辨率层序地层学的原理对百色盆地早第三纪和河北石炭—二叠纪的含煤岩系研究后，认为内陆表海盆地成煤演化及其沉积作用与基准面变化密切相关，聚煤作用的发育同样要受到基准面变化的严格控制，形成旋回结构十分清晰的含煤层序，其层序特征同样取决于可容纳空间的多少及新增可容纳空间的变化速度。

李增学等（2001）利用高分辨率层序地层学理论研究了淮南煤田二叠系后提出了聚煤盆地高分辨率层序地层界面识别、层序级次划分的基本原则。

一般来说，盆地沉积体受构造沉降、气候和物源供应等多因素的综合影响，导致了沉积基准面的升降变化，因而控制了盆地的充填沉积层序，因此盆内基准面旋回和变化的分析就为聚煤规律研究提供了基本的概念模型。

大面积分布的厚煤层，必须有基准面的不断抬升、持续存在的可容纳空间作保证，才能形成。

3.4在其它方面的应用

目前国内学者一方面将高分辨率层序地层学的原理大量地运用到沉积地层的划分对比等的研究中去，另一方面也必然要借助于新技术、新方法进一步提高高分辨率层序地层学的应用价值，同时拓宽其应用领域（汪彦，2005）。

如赵俊青等（2004）通过对东营凹陷胜北断层下降盘沙三段—沙四上段各层序内部高分辨率层序地层单元中岩石地球化学标型参数的研究发现，在一个高分辨率层序地层单元形成过程中，在古气候驱动下的湖平面变化旋回中，沉积岩中的矿物成分（主要指粘土矿物和胶结物）、化学成分（微量元素）等皆发生周期性变化；吴义杰等（2003）利用测井资料的砂泥比计算值和地震资料的分析结果，提出了一种综合识别基准面旋回并进行高分辨率层序地层自动划分的方法；杨仁超等（2006）以东胜铀矿床为例，分析了基准面旋回在砂岩型铀矿勘探开发中的应用。

认为基准面升降旋回中形成的砂、泥岩地层结构配置良好；长期基准面上升早期形成的辫状河河道砂岩具连通性好、粒度粗、碎屑含量高、杂基含量低及孔渗条件好等特点，是重要的含矿层。

4、结语

自从高分辨率层序地层学被引进国内以来，该理论和分析方法对含油气盆地油气勘探的指导作用日益明显，并越来越受到石油勘探界的重视。

尤其是在中国陆相盆地油气地质研究和勘探开发实践中初步证实，该理论体系及其技术方法非常适合陆相层序分析和在油气藏勘探开发工程中的应用。

同时随着勘探程度的加深，隐蔽油气藏逐渐取代了传统的构造油气藏，成为现今油气勘探主要目标，在此基础上，全面和深入的开展高分辨率层序地层学研究，同时辅以3D地震、测井和计算机等主要技术支持，加快我国特别是东部地区隐蔽油气藏勘探力度，具有重要长远和现实意义。

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