CN105204069B - 一种地层剥蚀量恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地层剥蚀量恢复方法，该方法包括：数据获取步骤，获取待分析位置的各个层系的地层厚度和地层年代；沉降模型建立步骤，根据地层厚度和地层年代，构建待分析位置的沉降模型；剥蚀量恢复步骤，根据沉降模型和地层年代计算待分析位置的累计沉积厚度，根据累积厚度和地层厚度计算待分析位置的地层剥蚀量。本方法能够适用于多期沉降‑隆升、多期埋藏‑剥蚀的长期发展演化的沉积盆地，其不需要花费高昂的分析测试费用，也不受样品岩石类型以及地层埋藏深度的限制，具有更好的可实施性、客观性和可靠性。

Description

一种地层剥蚀量恢复方法

技术领域

本发明涉及地质分析技术领域，具体地说，涉及一种地层剥蚀量恢复方法。

背景技术

地层剥蚀是沉积盆地中普遍存在的现象，地层剥蚀的多少会对沉积盆地中油气的生成、运移和聚集产生重要影响。地层剥蚀量也是盆地模拟中的重要参数，地层剥蚀量的恢复可以为油气资源评价以及油气有利聚集带分析提供重要参考依据。

如果地层剥蚀量不大，那么其对油气生成、运移和聚集的影响可以不必考虑。但如果地层有过较大的剥蚀，这时就要恢复剥蚀量。所以恢复地层剥蚀厚度是定量研究盆地演化史和进行油气资源定量评价的重要基础工作。

目前，应用较为成熟的地层剥蚀量恢复方法主要有地层对比法、沉积速率法、测井曲线法、流体包裹体法、镜质体反射率法、磷灰石裂变径迹分析法、宇宙成因核素分析法等方法。

但现有的这些方法都具有各自的局限性。例如，地层对比法在工区剥蚀面积较小、研究程度较高的情况下，不失为一种简单而直观的方法。但由于该方法依据角度不整合计算地层剥蚀量，因此该方法只能反映这个地区的最小剥蚀量。此外，地层对比法对于平行不整合的区域无能为力。

沉积速率法由于剥蚀速率这个参数有时很难求得准确值，因此，只有在地层研究较深入的地区才能使用。测井曲线法、流体包裹体法以及镜质体反射率不适用于剥蚀量较小的地区。与此相反，宇宙成因核素分析法仅仅适用于剥蚀量极其微小的地区。磷灰石裂变径迹分析法可以同时计算出地层剥蚀的时间和剥蚀量，但是该方法不适于多期沉降-隆升的多旋回发展演化的沉积盆地。

现有的地层剥蚀量恢复方法中的部分方法还受到样品采集的限制，例如对于碳酸盐岩地层，因无法采取到磷灰石和镜质体，所以镜质体反射率法和磷灰石裂变径迹分析法这两种方法仅仅适用于碎屑岩地层。同时这两种方法只适合于中国东部单旋回发展演化的中新生代沉积盆地，完全不适合于中国西部的自古生代以来多期沉降-隆升、多期埋藏-剥蚀的长期发展演化的沉积盆地。

基于上述情况，亟需一种能够准确进行地层剥蚀量恢复的方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种地层剥蚀量恢复方法，所述方法包括以下步骤：

数据获取步骤，获取待分析位置的各个层系的地层厚度和地层年代；

沉降模型建立步骤，根据所述地层厚度和地层年代，构建所述待分析位置的沉降模型；

剥蚀量恢复步骤，根据所述沉降模型和地层年代计算所述待分析位置的累计沉积厚度，根据所述累积厚度和地层厚度计算待分析位置的地层剥蚀量。

根据本发明的一个实施例，根据钻井数据获得待分析位置的各个层系的地层厚度。

根据本发明的一个实施例，根据待分析位置的地震数据，通过时深转换获得待分析位置的各个层系的地层厚度。

根据本发明的一个实施例，根据所述待分析位置的古生物资料确定化石带，将所述化石带与国际地质年表的化石带进行对比，获得待分析位置的各个层系的地层年代。

根据本发明的一个实施例，根据如下公式计算所述累计沉积厚度：

y＝a·ln(x)-b

其中，y表示累计沉积厚度，x表示沉积时间，a和b表示计算系数。

根据本发明的一个实施例，在所述数据获取步骤中，还获取所述待分析位置的各个层系的古水深。

根据本发明的一个实施例，根据所述待分析位置的沉积相、生物群落和微量元素的含量中的任一项或几项来获得所述待分析位置的各个层系的古水深。

根据本发明的一个实施例，根据如下公式计算所述累计沉积厚度：

y＝a·ln(x)-b-z

其中，y表示累计沉积厚度，x表示沉积时间，a和b表示计算系数，z表示累积古水深。

根据本发明的一个实施例，根据如下公式计算所述地层剥蚀量：

l＝y-h

其中，l表示地层剥蚀量，y表示累计沉积厚度，h表示累积地层残留厚度。

本发明提出的剥蚀量恢复方法能够有效适用于恢复那些在早期伸展阶段发育、晚期因挤压隆起而遭受剥蚀的地层。被剥蚀的地层可以通过构建早期伸展阶段的沉降模型而得到恢复，理论上沉积盆地在伸展阶段的沉降模型表现为累计沉降量随时间的变化曲线呈对数衰减的趋势。本发明不需要花费高额的分析测试费用，也不受样品岩石类型以及地层埋藏深度的限制，同时还可以对平行不整合的剥蚀量进行恢复。

同时，本发明构建沉降模型所使用的参数(即地层厚度、古水深和地层年代)均较容易获取，在模型建立的过程中不会引入人为因素。所以相较于现有的地层剥蚀量恢复方法，本方法能够具有更强的可实施性、客观性和可靠性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是沉积盆地伸展阶段的地层示意图；

图2是沉积盆地挤压隆升阶段的地层示意图；

图3是沉积盆地剥蚀后的地层示意图；

图4是根据本发明一个实施例的地层剥蚀量恢复方法的流程图；

图5是根据本发明一个实施例的沉降模型示意图；

图6是根据本发明一个实施例的上奥陶统剥蚀量恢复示意图；

图7是和田1井的剥蚀量恢复的基本数据图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1至图3示出了具有地层剥蚀现象的沉积盆地的形成过程，其中，图1示出了沉积盆地伸展阶段的地层示意图，图2示出了沉积盆地挤压隆升阶段的地层示意图，图3示出了沉积盆地剥蚀后的地层示意图。

在图1～图3中，A、B、C三个井点分别代表沉积盆地中的不同位置，负载1至负载4为从老到新不同时期的沉积物。从图1中可以看出，伸展盆地的沉降过程一般是由前期的构造沉降和后期的热衰减沉降两部分构成。这也就导致伸展盆地在形成的过程中，早起沉降量大、晚期沉降量小，即在图1～图3表现为从负载1到负载5的沉积物的厚度越来越小。

沉积盆地的形成往往从伸展阶段(即图1所示)开始，随后因挤压隆升(即图2所示)，到最后遭受剥蚀(即图3所示)结束。从图3中可以看出，A、B、C三个井点的剥蚀量各不相同，比较大的剥蚀量是在盆地中心的B井点处。在B井点处，盆地的负载5基本上被剥蚀殆尽。

现有的沉积盆地的地层剥蚀量恢复方法主要包括地层对比法、沉积速率分析法、测井曲线法、流体包裹法、磷灰石裂变径迹分析法和沉积盆地波动分析方法等。

其中，地层对比法是将研究区内被剥蚀层段与邻区未被剥蚀层段进行对比，从而求得被剥蚀岩层的厚度。该方法还可以根据厚度递减的原则或采用其它外推法对得到的岩层厚度进行校正。但是地层对比法由于是依据角度不整合来计算地层剥蚀量，因此该方法只能反映这个地区的最小剥蚀量，而不能适用于对平行不整合的区域的地层剥蚀量分析。

沉积速率分析法需要两个参数，即地层剥蚀的时限和地层剥蚀速率。这两个参数相乘即可以得到地层剥蚀量。其中，剥蚀速率的判别需要明确是等于不整合以下岩层的沉积速率，还是等于不整合以上岩层的沉积速率。

但是，沉积速率分析法用沉积速率代替剥蚀速率本身就存在不合理性，所以利用这一不合理因素计算得到的剥蚀量也就不可靠。另外，该方法很主观地认为地层剥蚀的时限为整个沉积间断时限的一半，这也不尽合理。

在正常压实情况下，页岩压实与上覆的负荷或埋深有关。孔隙度是页岩压实程度的度量，而声波测井资料直接反映了页岩压实程度的大小。如果泥岩埋藏压实后又被抬升，则正常压实趋势会被破坏，不整合面上下声波会出现跳跃。测井曲线法便是根据这一异常压实现象来推算剥蚀量。

但是在很多情况下，不整合面的上下地层的声波时差并不存在跳跃异常现象，其原因在于上覆地层的厚度如果远远大于剥蚀的厚度。所以部分盆地的剥蚀量，尤其是盆地早期演化过程中形成的剥蚀量，无法用这一方法来进行恢复。

流体包裹体法是利用流体包裹体计算地层剥蚀厚度。其基本原理是由于流体包裹体记载了它们所经历的整个受热地质历史中不同时期沉积物所处的温度、压力等热力学条件的信息，因此在连续沉积过程中，捕获的包裹体温度(或压力)与埋藏深度的对应数值一般呈良好的线性关系。然而，在侵蚀不整合面上下两边的地层中，它们的温度或压力系统往往不同，因此温度与埋藏深度曲线在侵蚀不整合面之处往往表现为曲线明显的温度跃变现象。在温度-深度坐标图上，只需将剥蚀面以下深度、温度(或压力)对应数值的点用回归方法联结成的直线，向上延伸至地表温度处，即为古地表温度。对应于这一温度坐标的标高面就是古地表面，由剥蚀面至古地表面的距离就是地层剥蚀厚度。

但是该方法需要古地表温度参数，而古地表温度参数较难求取。此外，不整合界面的上下地层中流体包裹体温度分布跨度较大，这也就导致利用流体包裹体法得到的地层剥蚀量的误差较大。

磷灰石裂变径迹分析法是近十几年发展起来的恢复沉积盆地热史的一种新方法。该方法主要建立在磷灰石所含的U238自发裂变产生的径迹，即裂变径迹，在地质历史时间内受温度作用而发生退火行为这一化学动力学原理基础之上。在实际应用中，重点是对模型的选择，国内外最常用的模型是扇形模型，该模型可以表示为：

L_n(t_a)＝A(r)+B(r)/T_n (1)

其中，L_n表示地史使其内某时刻的径迹长度，t_a表示退火时间，r表示退火率，A(r)表示阿仑尼乌斯截距(通常取常数-28.12)，B(r)表示裂变径迹长度随温度变化的梯度，T_n表示退火温度。

退火率r可以根据如下公式计算得到：

r＝L_n/L₀ (2)

其中，L₀表示原始径迹长度。

B(r)可以根据如下公式计算得到：

B(r)＝E(r)/K (3)

其中，E(r)表示与退火率r有关的活化能，K表示波尔兹曼常数。

此外，B(r)也可以根据如下计算得到：

B(r)＝[g(r)+4.87]/0.000168 (4)

g(r)＝[(1-r^2.7)^0.35-1]/0.35 (5)

其中，g(r)表示裂变径迹长度缩小的变化量。

依据上述模型可以计算出恒温状态的退火率和裂变径迹长度的分布，最后应用最优化方法来求得剥蚀量和剥蚀时间等参数。

利用磷灰石裂变径迹法进行地层剥蚀量恢复计算时，首先要得到与地层热导率有关的参数(例如岩石组成、岩石骨架热导率、孔隙流体热导率、孔-深关系等)，并在此基础上确定出古温度与古埋深和古热流的函数关系。对古地温计算结果的可信程度由磷灰石裂变径迹检验。在沉积过程中有过抬升剥蚀的盆地，抬升剥蚀开始时的最大古埋深及剥蚀量是地史模拟中的未知量。将这些未知量作为控制变量通过模拟地层埋藏史和热史，便可计算得到该热史条件下磷灰石裂变径迹的理论值及该理论值与实测值之间的方差。最后利用最优化方法(例如蒙特卡罗法、最小二乘法等)便可实现目标函数极小值的求取和抬升剥蚀量的计算。

磷灰石裂变径迹分析法虽然可以同时计算出地层剥蚀的时间和剥蚀量，但是该方法仅适合于埋藏不是很大、磷灰石未经历过退火的碎屑岩。因此对于埋藏较深的地层不整合剥蚀量问题，该方法并不适用。此外，该方法中使用的样品来自沉积盆地的碎屑岩地层，所以也就不适用于碳酸盐地层。

沉积盆地波动分析法是首先在开展地层古生物、不整合及沉积环境研究的基础上，建立各研究区沉积速率-地质年代直方图。随后借助滑动窗口对沉积速率直方图进行滤波处理，找到能够代表该区沉积—剥蚀过程的周期以及振幅。最后建立波动方程，并利用该波动方程预测地层缺失时间段内地层的剥蚀量。该方法在建立波动方程时有很大人为因素，需要反复调试，费时费力，并需要保证沉积间断处沉积与剥蚀的平衡。

本发明通过对具有地层剥蚀现象的沉积盆地的形成过程以及现有的各个剥蚀量恢复方法的优缺点的研究分析，提供了一种新的沉积盆地地层剥蚀量恢复方法，图4示出了本实施例中该方法的流程图。

如图4所示，本实施例中，首先在数据获取步骤S401中获取沉积盆地待分析位置处的各个层系的地层厚度、古水深和地层年代三方面的数据。其中，地层厚度可以通过钻井数据获得。而如果该待分析沉积盆地缺少钻井数据，则也可以利用地震数据经时深转换而得到各个层系的地层厚度。古水深可以依据沉积相、生物群落以及微量元素的含量中的任一项或几项来获得。地层年代可以首先依据古生物资料确定化石带，再将化石带与国际地质年表的化石带进行比对来确定。这三方面数据需要针对盆地内所要恢复剥蚀量的具体位置点并分层系来做准备。

随后在沉降模型建立步骤S402中，根据步骤S401中获取到的待分析位置处的各个层系的地层厚度和地层年代，构建待分析位置处的沉降模型。某一地层年代末期的地层的累计沉降量是该时期累计沉积厚度与该时期该时期古水深的和。根据步骤S401获取到的待分析位置处的各个层系的地层年代数据和累计沉降量数据，即可以计算得到累计沉降量随沉积时间的变化曲线，也就可以得到累计沉积厚度随沉积时间的变化曲线。

本实施例中，通过多次试验，得到累计沉积厚度随沉积时间的变化曲线如图5所示。从图5中可以看出，累计沉积厚度随沉积时间的变化曲线呈对数衰减的趋势(即累计沉积厚度是沉积时间取对数的函数)。这种趋势不会因为在沉积盆地中所处位置的不同而改变，也就是说，图3中井点A和井点C的变化曲线与井点B的变化曲线基本相同，都是随沉积时间呈对数衰减的趋势。

本实施例中，对应于不同沉积时间的累计沉积厚度可以根据如下公式计算得到：

y＝a·ln(x)-b-z (6)

其中，y表示累计沉积厚度，x表示沉积时间，a和b表示计算系数，z表示累积古水深。a和b可以通过获取的地层厚度数据和地层年代数据计算得到。

当然，当某一地层年代的古水深不是很大时，可以将古水深忽略不计，即用累计沉积厚度来代替累计沉降量。这样有利于简化处理流程、加快处理速度。而此时对应于不同沉积时间的累计沉积厚度y则可以根据如下公式计算得到：

y＝a·ln(x)-b (7)

在得到该待分析位置点处的沉降模型后，即可剥蚀量恢复步骤在根据该沉降模型和地层年代计算出该位置处的累计沉积厚度，而根据累积厚度和地层厚度也就可以计算得到待分析位置处的地层剥蚀量。

本发明构建沉降模型所使用的参数(即地层厚度、古水深和地层年代)均较容易获取，在模型建立的过程中不会引入人为因素。所以相较于现有的地层剥蚀量恢复方法，本方法能够具有更强的可实施性、客观性和可靠性。

再次如图4所示，当构建得到待分析位置处的沉降模型后，在步骤S403中根据待分析位置处的地层年代，利用该沉降模型来计算该位置处地层的累计沉积厚度。最后在步骤S404中根据该累计沉积厚度和各个层系的地层厚度来计算地层剥蚀量。

具体地，在本实施例中，可以根据如下公式计算地层剥蚀量l：

l＝y-h (8)

其中，h表示累积地层残留厚度，其可以根据待分析位置处的各个层系厚度求和得到。

图6示出了利用上述方法进行上奥陶统剥蚀量恢复的示意图。

图6中，Cam₂表示代表中寒武统，Cam₃表示上寒武统，O₁表示下奥陶统，O₂表示中奥陶统，O₃表示上奥陶统。根据所建立的沉降模型，可以分别得到被剥蚀地层时限的起始时间t₁和结束时间t₂所对应的累计沉积厚度，根据这两个厚度之差便可以得到被剥蚀的地层厚度，即地层剥蚀量。从而图6中可以看出，该奥陶系剥蚀量约为62.65m

以下以利用本方法来对塔里木盆地和田1井中上奥陶统剥蚀量进行恢复为例，来对本方法的目的、原理以及优点作进一步地阐述。

和田1井位于塔里木盆地巴楚隆起，是巴楚隆起上的一口重要探井，该井和盆地内的其它探井一样，中上奥陶统无例外地遭受剥蚀。这一广泛性的剥蚀形成于早古生代由伸展构造阶段(震旦纪-早中奥陶世)向挤压构造阶段(晚奥陶世-志留纪)转换过程中。而挤压期形成的剥蚀量一直是塔里木盆地奥陶系勘探所关心的问题。

图7示出了和田1井的剥蚀量恢复的基本数据。

从图7所示的数据可以看出，和田1井完钻井身6813.5m，未穿寒武系，钻遇的最老地层为寒武系沙依里克组。寒武系至上奥陶统鹰山组为连续沉积，未见沉积间断，反映的是伸展期的连续沉积过程。中奥陶统鹰山组与志留系为不整合接触，反映的是挤压期盆地隆升导致的地层剥蚀，因此建立鹰山组以下各个层系的沉降模型是解决中上奥陶统剥蚀量的关键，这需要收集各个层系的厚度、年代和古水深数据。

由于和田1井在寒武-奥陶纪期间处于碳酸盐岩岩台地上，古水深一般在10m左右，相对较浅，因而在计算总沉降量时，完全可以忽略不计。这样也就可以用地层累计沉积厚度代替累计沉降量，即在进行数据统计时，可以不对古水深进行统计。这时，统计的关键数据仅仅包括各个层系的地层厚度和地层年代两项。

图7所例举的数据为各个层系的埋藏深度、地层厚度、地层底界年龄以及地层累计厚度和距计算起始点时间统计数据，即是对地层厚度和地层年代这两方面信息的统计。其中，底界年龄是依据各个层系中化石带与国际地层表对比所获得。重点需要说明的是图7中的距起始点时间列，由于和田1井钻遇的最老地层为沙依里克组，以沙依里克组底界为计算起始零点，其上部各个层系距起始点时间来自于各个层系的底界年龄相距沙依里克组底界年龄的差值。

以距起始点时间为横坐标，以累计厚度为纵坐标，可获得累计沉积厚度在时间上由老至新投影点，用对数函数对该投影点进行数据拟合，可获得如下所示的拟合方程：

y＝613.11·ln(x)-239.85 (9)

此方程即为和田1井伸展阶段的沉降模型。

从图7中可以看出，奥陶系顶界时间为443.7Ma，距起始点沙依里克组底界510Ma的时间是66.3Ma，将66.3Ma代入公式(9)中的x，可获得y＝2331.65m，该值代表奥陶纪末应达到的累计沉积厚度。

依据图7所示的数据，沙依里克组至下奥陶统蓬莱坝组顶界的累计厚度为1889m，即是说理论上中上奥陶统的总厚度应该为442.65m(即2331.65m-1889m)，而实际上仅残留了380m的中奥陶统鹰山组380m，因此中上奥陶统剥蚀厚度为62.65m(即442.65m-380m)。

从上述描述中可以看出，本发明提出的剥蚀量恢复方法适用于恢复那些在早期伸展阶段发育、晚期因挤压隆起而遭受剥蚀的地层。被剥蚀的地层可以通过构建早期伸展阶段的沉降模型而得到恢复，理论上沉积盆地在伸展阶段的沉降模型表现为累计沉降量随时间的变化曲线呈对数衰减的趋势。本发明不需要花费高额的分析测试费用，也不受样品岩石类型以及地层埋藏深度的限制，同时还可以对平行不整合的剥蚀量进行恢复。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种地层剥蚀量恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：

数据获取步骤，获取待分析位置的各个层系的地层厚度和地层年代；

沉降模型建立步骤，根据所述地层厚度和地层年代，构建所述待分析位置的早期伸展阶段沉降模型；

剥蚀量恢复步骤，根据所述早期伸展阶段沉降模型和地层年代计算所述待分析位置的累计沉积厚度，根据所述累计沉积厚度和地层厚度计算待分析位置的地层剥蚀量；

在所述数据获取步骤中，还根据所述待分析位置的沉积相、生物群落和微量元素的含量中的任一项或几项来获得所述待分析位置的各个层系的古水深；

在所述剥蚀量恢复步骤中：

根据如下公式计算所述累计沉积厚度：

y＝a·ln(x)-b

其中，y表示累计沉积厚度，x表示沉积时间，a和b表示计算系数；

或者，根据如下公式计算所述累计沉积厚度：

y＝a·ln(x)-b-z

其中，y表示累计沉积厚度，x表示沉积时间，a和b表示计算系数，z表示古水深；

根据如下公式计算所述地层剥蚀量：

l＝y-h

其中，l表示地层剥蚀量，y表示累计沉积厚度，h表示累积地层残留厚度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据钻井数据获得待分析位置的各个层系的地层厚度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据待分析位置的地震数据，通过时深转换获得待分析位置的各个层系的地层厚度。

4.如权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述待分析位置的古生物资料确定化石带，将所述化石带与国际地质年表的化石带进行对比，根据对比结果获得待分析位置的各个层系的地层年代。