一種定量恢復湖盆古水深的方法與流程

2023-05-16 20:30:26

本發明涉及古環境恢復領域，具體涉及一種定量恢復湖盆古水深的方法。

背景技術：

古水深恢復是古環境研究和盆地分析的重要內容，也是確定古代海平面變化、古地貌恢復的關鍵內容。古湖盆水深的恢復對於研究古沉積盆地的沉積歷史、確定沉積體系類型、評價油氣生、儲、蓋層的條件等都有重要的意義。目前，對於湖盆古水深的恢復方法主要有以下幾種：

(1)沉積學方法：根據沉積物的分布規律、沉積構造、古生物類型、古生態及自生礦物等多方面的沉積學標誌來定性確定；

(2)地球化學標誌法：利用自然伽馬能譜曲線獲得的Th、U曲線，根據Th/U比值與氧化—還原條件的關係、氧化—還原條件與水深的關係，可間接獲得古水深範圍；

(3)古生物類型及古生態方法：在缺少遺體化石的湖泊沉積環境中，可以採用遺蹟化石，如潛穴、足跡、爬痕以及其他生物擾動構造來確定相對古水深；

(4)相對古水深曲線方法：利用巖心相分析、測井巖相分析結果，結合盆地古地形、古水介質等古地理背景分析，建立盆地沉積相古水深一巖相一沉積相模式圖，這樣對於每一種巖相類型均可同一定的沉積環境對應，而每一種沉積環境又具有特定的水深範圍，由此可以完成測井巖相一古水深刻度過程，進而確定出各種巖相相對古水深範圍；

(5)定量的古水深恢復方法：包括利用鈷元素定量研究古水深方法和利用鈾元素定量研究古水深方法。

以上對沉積湖盆古水深恢復的方法是目前常用的方法，為古水深的恢復提供了有用的信息，已取得大量研究成果，但是都存在一定的不足和缺點。以下分別說明利用以前的各種方法恢復湖盆古水深的缺陷和不足。

(1)沉積學方法：對巖心的依賴度很高，以定性為主，在垂向上不連續。

(2)地球化學標誌法：Th/U比值曲線可以近似地看作是古水深相對變化曲線，能夠反映出古水深相對變化的旋迴性，但是精度不高，僅可反應粗略的範圍，同時需要進行自然伽馬能譜測井。

(3)古生物類型及古生態方法：利用古生物資料根據古生物分異度與水深的定量恢復古水深時，需要大量的系統取樣並充分利用古生物資料，而有些研究區缺乏古生物資料，並且主要是定性分析古水深。

(4)定性的相對古水深曲線方法：精度很低，只能表示大概的範圍，存在較大誤差和主觀判斷因素。

(5)定量的古水深恢復方法：需要指定元素的測井結果，成本較高而且不具有普遍性。

技術實現要素：

本發明目的在於提供一種定量恢復湖盆古水深的方法，只需要利用鑽井的自然伽馬測井曲線(GR曲線)和個別鑽井的自然伽馬能譜測井曲線(NGS曲線)，就可以對每個層段的相對古水深進行恢復，並結合沉積規律和實例定量計算出實際水深，並可編制湖盆的古水深平面分布圖。

為達到上述目的，採用技術方案如下：

一種定量恢復湖盆古水深的方法，包括以下步驟：

1)選取合適井位鑽井測井數據：

在待恢復的湖盆中任選一口井進行伽馬測井和自然伽馬能譜測井，對目的層段讀取純泥巖段的GR值和U值；

2)建立U和GR值的關係：

建立起GR值和U值的函數關係；

U＝f(GR)(Ⅰ)；

3)計算各口井的U值：

測量其餘各鑽井目的層段純泥巖段的伽馬值，利用公式(Ⅰ)，計算出U值；

4)相對古水深的計算：

定義U含量等於零時，古水深為零；

相對古水深表達式為：

式中，L為相對古水深，N為目的層段連續泥巖段的數量，f(GR)為各個泥巖段利用自然伽馬值計算的U值；

5)最大古水深的確定：

將待恢復的湖盆中有機碳最大值Tmax，代入公式(Ⅲ)得到目的層段最大古水深Hmax；

T＝1.048H-0.8(Ⅲ)

式中T為沉積巖層的有機碳含量，％；H為湖盆古水深，m；

6)古水深定量的恢復：

把相對古水深L代入公式Ⅳ得到實際水深H；

H＝Hmax×L/Lmax (Ⅳ)

其中H為湖盆古水深，m；Hmax為步驟5最大古水深，m；L為步驟4相對古水深；Lmax為步驟4最大的相對古水深值；

7)湖盆古水深重建：

對每口井進行上述計算，統計出目的層段每口井的實際水深平均值，編制出目的層段的湖盆古水深分布圖，重建湖盆古水深。

按上述方案，同一目的層段Hmax全區都用一個值，每口井同一目的層段Lmax為一個固定值。

自然伽馬測井(GR)是一種重要的常規地球物理測井，在油氣勘探中應用廣泛，尤其在古環境、古氣候的恢復及反演方面受到人們的日益關注，而在自然伽馬測井的基礎上發展起來的自然伽馬能譜測井(NGS)不僅可以反映總的伽馬放射性強度，還可以定量測試放射性元素鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)的含量，但是自然伽馬能譜測井屬於特色類型測井，測井費用昂貴。

鈾屬於錒系元素，鈾在周期表中的位置及其原子結構決定了它的化學性質。鈾的化學性質比較活潑，在自然界中主要以正四價及正六價存在，鈾的正四價主要存在於強酸性介質中，當酸性減弱時，它將水解生成U(OH)3+和UO2+。影響正四價鈾與正六價鈾之間相互轉化的主要因素是氧化還原電位。在氧化狀態下，巖石中正四價鈾被氧化為正六價鈾而轉入地下水中，造成巖石中鈾含量降低，地下水中鈾含量升高；在還原條件下，正六價鈾被還原為正四價鈾沉澱，造成地下水中鈾含量降低，巖石中鈾含量升高。

根據前人研究鈾元素含量與有機碳豐度相關性高，鈾的富集機理主要是有機質在成巖過程中對鈾的還原和吸附作用，這是因為有機質是沉積巖中最普遍的還原劑和吸附劑，它是調節沉積巖中正四價鈾與正六價鈾之間轉化的主要因素，也是制約沉積巖中鈾遷移與富集的主要因素。湖相暗色烴源巖中有機碳的豐度變化成為湖平面升降變換的響應，因此鈾也可以作為古環境的指示參數。鈾曲線記錄了在測井儀周圍地層中垂向上連續沉積的鈾的相對含量，可以反映在地史演化過程中由於構造沉降、氣候變遷和沉積物注入等因素而引起的水深及湖平面的變化。

沉積水體的還原程度與水深之間具有密切的關係，所以利用本方法進行古水深恢復的基本前提是：首先，在平面上研究工區應處於同一個沉積水體範圍；其次，在垂向上研究目的層段應均為沉積巖層，且發育於同一沉積水體中；最後，由於U在碎屑巖與化學沉積巖之間含量不同，為了剔除巖性的影響，需選擇碎屑巖的巖層進行研究。

相對於現有技術，本發明的有益效果如下：

本發明在地層劃分的基礎上，只需要利用鑽井的自然伽馬測井曲線(GR曲線)和個別鑽井的自然伽馬能譜測井曲線(NGS曲線)，就可以對每個層段的相對古水深進行恢復，並結合沉積規律和實例定量計算出實際水深，並可編制湖盆的古水深平面分布圖。

本方法解決了利用沉積學方法和古生物類型及古生態方法恢復古水深的不連續和依賴實物樣品問題，解決了利用定性的相對古水深曲線方法和地球化學標誌法恢復古水深的精度低問題，解決了利用定量的古水深恢復方法恢復古水深的經濟性問題。

附圖說明

圖1：本發明定量恢復湖盆古水深的流程圖；

圖2：自然伽馬(GR)和鈾(U)相關關係圖；

圖3：湖盆水深與沉積物有機碳含量關係圖；

圖4：萬12井古水深恢復圖；

圖5：江陵凹陷新溝嘴組Ⅱ油組沉積時期古水深等值線圖。

具體實施方式

以下實施例進一步闡釋本發明的技術方案，但不作為對本發明保護範圍的限制。

本發明定量恢復湖盆古水深的過程如下，參照附圖1所示：

(1)選取合適井位鑽井測井數據。

在待恢復的湖盆中挑選1口井進行伽馬測井，同時進行自然伽馬能譜測井，對待恢復的水深層段(目的層段)讀取純泥巖段的GR值和U值。

(2)建立U和GR值的關係。

根據步驟(1)中的數據，建立起GR值和U值的關係，其它待恢復的鑽井不需要開展自然伽馬能譜測井，有伽馬測井就可以開展本研究。

建立的公式可以記為：U＝f(GR)(Ⅰ)

(3)計算各口井的U值。

對於沒有開展伽馬能譜測井的鑽井，通過讀取目的層純泥巖段的伽馬值，利用公式(Ⅰ)，計算出U值。

(4)相對古水深的計算。

定義U含量等於零時，古水深為零，各數據點偏離該值的大小就反映了沉積的泥巖段相對古水深的大小，簡稱為相對水深L。相對水深越大，其相應的實際水深也越大。其表達式為：

式中，L為相對古水深，N為目的層段連續泥巖段的數量，f(GR)為各個泥巖段利用自然伽馬值計算的U值。

(5)最大古水深的確定。

由於湖盆古水深和沉積巖層有機碳之間存在以下關係。

T＝1.048H-0.8 (Ⅲ)

式中T為沉積巖層的有機碳含量，％；H為湖盆古水深，m。

因此某一時期中，古湖盆最深的地方就是有機碳含量最大的地方。根據待恢復的湖盆中有機碳最大值Tmax，帶入公式(Ⅲ)可以得到目的層段最大古水深Hmax。

(6)古水深定量的恢復。

為把相對水深轉化為實際水深，假定水體氧化還原環境與實際水深成正相關的線性關係。得到以下計算公式

H＝Hmax×L/Lmax (Ⅳ)

其中，H為實際的湖盆古水深，m；Hmax為步驟(5)中的湖盆最大古水深，m；L為步驟(4)中計算的相對古水深；Lmax為L中最大的相對古水深值。

(7)湖盆古水深重建。

對每口井均進行上述計算，其中Hmax同一層段全區都用一個值，Lmax每口井同一層段為一個固定值。再細分小層後就可以統計出目的層段每口井的實際水深平均值，根據這些鑽井數據就可以編制出目的層段的湖盆古水深分布圖，從而重建湖盆古水深。

實施例1

應用以上方法，在江漢盆地江陵凹陷新溝嘴組中，共選取了35口井計算該時期的古水深值，最終繪製了單井的古水深變化柱狀圖和全井的古水深等值線圖，成功的恢復了研究區研究層段的古水深分布情況(見附圖5)。

以萬12井和研究區的Ⅱ油組為例進行說明。根據路13井泥巖段鈾和伽馬值，建立了U值和GR值的關係(見附圖2)。根據萬12井泥巖段讀取的伽馬值，可以計算鈾值。通過鈾值可以計算相對古水深(見附圖3)。江陵凹陷Ⅱ油組沉積時期的有機碳的最大值為2.93，位於新溝嘴組下段Ⅱ油組的鄂深25井，帶入前述的有機碳與古水深的計算公式得，研究區的Hmax＝28m，最後可以計算Ⅱ油組連續的古水深。用同樣的方法也可以計算出Ⅰ油組和泥隔層的古水深(見附圖3)。通過計算後發現萬12井Ⅰ油組古水深在5-10m，Ⅱ油組在15-20m，泥隔層在5-7m，與區域認識和巖性顏色比較符合。在完成35口井的計算後，通過計算平均古水深值，重建新溝嘴組Ⅱ油組湖盆古水深(見附圖4)。江陵凹陷Ⅱ油組古水深大部分地區在10-18m，在幾個深窪古水深可達25-30m，屬於典型淺水性湖盆。重建的江陵凹陷新溝嘴組古水深符合區域地質認識，指導了江漢盆地江陵凹陷成油氣地質條件研究和油氣勘探。