[科普中国]-高分辨率层序地层学理论

简介

层序地层学原理和实践已被大多数地质学家所接受。理论上，层序地层学特别重视海平面升降周期对地层层序形成的重要影响;实践上，层序地层学通过年代地层格架的建立，对地层分布模式作出的解释和对同时代成因地层内体系域的划分，为含油气盆地地层分析和盆地规模的储层预测提供了坚实的理论基础和油气勘探的有效手段，有力地推动了地质学，特别是石油地质学的发展。但是，理论研究与实际应用证明层序的形成与分析还应有更全面、更合乎逻辑的依据。同时，随着盆地油气勘探与开发向更复杂和更深入的方向发展，石油地质学家需要更精确的技术，提高层序地层分析的分辨率和储层预测的准确性。

正因为如此，高分辨率层序地层分析理论和技术便应运而生。T. A. Cross领导的美国科罗拉多矿业学院成因地层研究组的高分辨率层序地层学派便是其中的代表。高分辨率层序地层学在美国和其他一些国家石油公司油气勘探、开发中发挥的显著作用和重要影响，突出地反映了高分辨率层序地层学的新概念、新方法、新进展，如运用过程响应沉积学原理进行高分辨率层序划分与对比技术、正演与反演数值地层模拟技术、地层对储层中流体流动速度与流体单元控制的研究等。1

基本理论组成与盆地或区域规模的层序分析不同，高分辨率层序地层分析以岩心、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、隔层及生油层分布进行评价及预测。由于时间分辨率增加，大大提高了地层预测的准确性，并能为地层内流体流动最佳模拟提供可靠的岩石物理模型。因此，在很大范围内得到了采用和推广，尤其是在陆相盆地的研究得到了大量的应用与发展。其理论的核心应由四部分组成。

地层基准面原理层序的确定是层序地层分析的基础。美国科罗拉多矿业学院T. A. Cross领导的成因地层组认为，受海平面、构造沉降、沉积负荷补偿、沉积物补给、沉积地形等综合因素制约的地层基准面，是理解地层层序成因并进行层序划分的卞要格架(邓宏文等，2002)。

T. A. Cross等引用并发展了Wheeler提出的基准面概念，分析了基准面旋回与成因层序形成的过程响应原理。然而，基准面在变化中总是具有向其幅度的最大值或最小值单向移动的趋势，构成一个完整的卜升与下降旋回。基准面的一个上升与下降旋回称为一个基准面旋回。基准面可以完全在地表之上，或地表之下摆动，也可以穿越地表之上摆动到地表之下再返回，后者称为基准面穿越旋回(Base Level Transit Cycle)。一个基准面旋回是等时的，在一个基准面旋回变化过程中(可理解为时间域)保存下来的岩石为一个成因地层单元，即成因层序，其以时间面为界面，因而为一个时间地层单元。

基准面相对于地表的波状升降，伴随着沉积物可堆积空间(可容纳空间)的变化(右图)。当基准面位于地表之上时，提供了沉积物的可容纳空间，沉积作用发生，任何侵蚀作用均是局部的或暂时的。当基准面位于地表之下时，可容纳空间消失，任何沉积作用均是暂时的和局部的。当基准面与地表一致(重合)时，既无沉积作用又无侵蚀作用发生，沉积物仅仅路过((Sediment Bypass)而已。因而，在基准面变化的时间域内(注意:时间是连续的)，在地表的不同地理位置上表现为四种地质作用状态，即①沉积作用，②侵蚀作用，③沉积物路过时产生的非沉积作用及④沉积物非补偿(可容纳空间与沉积物供给量比值，A/S→∞)产生的饥饿性沉积作用乃至非沉积作用。在地层记录中代表基准面旋回变化的时间空间事件表现为岩石+界面(间断面)。

因此，一个成因层序可以由基准面上升半旋回和基准面下降半旋回所形成的岩石组成，也可由岩石+界面组成。其深刻含义绝非一般层序地层学中的“准层序”所能正确反映的。

沉积物体积分配原理沉积物体积分配原理是指基准面旋回过程中，沉积物以不同的体积被分配到不同的相域。由于沉积物的体积分配作用，导致在基准面升降变化的过程中，在同一沉积体系内的不同地理位置堆积的沉积物体积发生变化。其具体表现是：在基准面上升期间，地表和基准面的交点向盆地上坡移动，横向上可容纳空间的范围扩大，盆地边缘相域储存沉积物的能力增加而沿斜坡向下搬运的沉积物减少，结果堆积在更靠盆地中心位置的沉积物减少；基准面下降期间，地表和基准面的交点向下坡移动，横向上可容纳空间的范围缩小，盆地边缘相域储存沉积物的能力下降，沿斜坡向下搬运的沉积物增加，结果更多的沉积物堆积在更靠盆地中心的位置。体积分配作用是在基准面变化过程中不同沉积环境内可容纳空间的四维动力学变化的产物。

相分异原理相分异指的是在可容纳空间的变化过程中，保存在相同沉积环境中的相类型、相组合、相序、地层结构和岩石物性的变化。相分异有两种类型，一种是在不同的Va/Vs情况下，沉积剖面上相同环境的沉积相和/或相序的变化，如基准面下降半旋回的滨岸在上升半旋回可以变为滨岸陆棚过渡带或者陆棚；另一种是在不同的Va/Vs情况下，基准面变化周期中原始地貌要素的保存程度及地貌要素相对比率的变化。一般来说，进积旋回的典型特征是相的多样性和保存程度的增加，而退积旋回的典型特点是相的叠置、相互吞并导致相类型减少，保存程度差。但对于分流河道砂岩，其情形恰好相反：退积旋回的分流河道砂岩具有明显的相多样性、复合底形组合和保存较好的底形；而进积旋回的分流河道砂岩发生强烈的相叠置和相吞并，相多样性低，滞留沉积物少且保存程度差，砂体连通好，宽厚比小，均质性好，是较好的油气储层。

物质守恒原理其主要含义是地层在时间上是连续的，没有间断，连续的时间表现为岩石加不整合面，而地层的沉积却不是总连续的。在一个地层旋回内，有的地理位置地层连续沉积，中间没有不连续界面，有的位置地层的沉积是不连续的。但是，物质在一个完整的旋回内是守恒的，只是其地理位置发生了迁移。1

应用前景高分辨率层序地层学在层序地层对比、储层预测和油藏开发等方面均有重要的应用价值。它建立高分辨率的层序地层格架，研究其中的生储盖组合、储层非均质性、储层三维预测、小层砂体对比和剩余油分布状况，也可以为流体流动数值模拟、流体流动单元划分和确定注采方案提供十分有效的地质模型。高分辨率层序地层学已经在中国中、新生代陆相含油气盆地层序地层等研究中获得成功应用，其应用前景是光明的，其理论将在不断地探索和应用中日益完善。

1.储层对比

高分辨率储层对比技术包括两个方面：一是适用于盆地范围的地层对比技术，主要用于勘探阶段的地层分析和盆地模拟，另一方面是适用于油藏规模的地层对比技术。储层岩性、几何形态、连续性及岩石物理特征等是在沉积物堆积过程中产生的，精确的地层对比可以在四维空间中对这些特征有更清楚的认识，高分辨率地层对比是识别非均质性的有效方法。另外，具有时间意义的地层界面通常与流体流动单元的岩石物理面相一致，可通过精细地层对比，划分流动单元。随着时间分辨率的提高，对地层形态和规模，相的位置和岩石物理特征的预测也就更加精确。

2.储层分布预测

在基准面旋回变化过程中，由于可容纳空间与沉积物供给通量比值的变化，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。这些变化是其在基准面旋回中所处的位置和可容纳空间的函数。因此，由基准面旋回所控制的等时地层单元的地层分布是有规律可循的，因而也是可以预测的。不同级次基准面旋回的叠加控制了有利储集层段的展布。较低级次的基准面旋回在高级次基准面旋回中的位置在很大程度上控制了旋回内部沉积物的地层学和沉积学特征，当长期基准面旋回叠置在盆地更高级次的基准面旋回上升的早期时，沉积物以粗碎屑为主，储集层发育，但缺乏良好的生油层段；当叠置在上升到下降的转换期，即最大可容纳空间发育期时，以水进期泥岩发育为特征，构成盆地主要生油层段；当叠置在下降期，特别是晚期时，以陆源碎屑进积作用为主，储集层发育。因而，不同层序具有不同的储层类型及生、储、盖配置关系。2

发展趋势高分辨率层序地层学以后研究和发展的趋势：

①深入研究不同岩性地层，特别是它在碳酸盐岩地层中的应用还在进一步研究之中；

②与经典层序地层学相比，高分辨率层序地层学摆脱了海平面变化是层序形成的主控因素这一思想的束缚，从而实现对陆相高分辨率层序地层格架的构建，但在国内对海相的研究还很少，这方面工作任务及发展潜力巨大；

③高分辨率层序地层学由于其高精度和 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，在油气勘探与开发研究中得到了广泛的应用。运用高分辨率层序地层学研究的同时，应加强油气储层岩相、评价和预测的地质研究中的地震、地质和测井资料的综合运用，使获得的研究成果更加客观和可靠，便于在勘探和开发工作中加以采用；

④高分辨率层序地层学今后的发展，一方面，需要进一步完善其理论和方法，研究高分辨率层序单元和沉积体系或沉积相的控制因素；另一方面，必须发展高分辨的地球物理技术和计算机模拟技术，从而增强地下地质条件下的预测功能；

⑤尽管高分辨率层序地层学在储层对比、储层预测以及与储层建模技术结合等方面取得了一定的进步，但是其理论研究还不完善，应用研究才刚刚起步，高分辨率层序地层学对储层三维预测及流动单元等的研究，将是今后的发展方向，它将为储层非均质性研究和局部地层圈闭预测提供更有效手段；

⑥高分辨率层序地层学目前在理论研究方面越来越趋向于成熟，在解决地质问题和对于油田需要方面越来越完善。但是，目前没有一个通用的模式以供运用。通过理论和实际的结合，期望在未来的研究工作中能逐渐提炼一套具代表性的通用模式。2