CN113960288A - 一种源-汇系统定量评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种源‑汇系统定量评价方法，属于沉积物源分析领域。包括基于地质资料构建概念模型；在概念模型指导下确定模拟参数，通过基于水动力学原理的地层正演模拟建立沉积地层定量模型；基于物质守恒原理结合真实地质资料验证沉积模型合理后，利用改变物源输入方式后的模型提取不同时间步长来自不同物源的沉积厚度；计算并处理模拟时间步长内来自不同物源沉积物的厚度，分析不同物源沉积物贡献量。本发明解决现有方法无法在无井、少井地区开展工作，不可定量化区分盆内来源于不同物源的沉积物的问题。考虑基准面升降、构造活动等内外动力地质作用，具有可定量评价源‑汇系统中不同时间步长内来自盆内不同母岩区沉积物的相对贡献量的特点。

Description

一种源-汇系统定量评价方法

技术领域

本发明属于沉积物源分析技术领域，尤其涉及一种源-汇系统定量评价方法。

背景技术

源-汇系统是从剥蚀地貌区形成的剥蚀产物搬运到沉积区或汇水盆地中最终沉积下来的完整过程。源-汇系统研究作为跨多学科的方向已成为国内外地球系统科学的前沿领域。该研究需将剥蚀物源区、搬运区、最终沉积区及其沉积物的侵蚀、溶解、搬运、沉积的转换过程、动力学过程、伴生的反馈机制作为一个整体开展综合分析，建立较为准确的源-汇系统定量模型，进而揭示地球系统动力学过程并进一步指导经济矿产(如石油天然气)勘探开发。起源于国外海相盆地源-汇系统研究已取得相对丰富、系统的研究成果，而以陆相盆地为主的国内沉积盆地源-汇系统研究尚处于起步阶段。相较于大陆边缘源-汇系统，陆相盆地受源-汇系统要素多样、构造幕式多期活动以及沉积过程复杂的影响，致使沉积体系变化频繁，油气储层定量预测困难。

另外，国内外源-汇系统及理论的研究中，分析方法仍主要处于定性—半定量分析阶段。一方面受研究资料限制，古源-汇系统研究中重矿物组合及重矿物指数分析、锆石U-Pb定年、Nd同位素分析等物源分析法均基于岩心、露头数据，在无井或少井地区无法开展相关工作。基于三维地震数据的地震沉积学和地震地貌学分析可一定程度弥补钻井、露头数据不足，但研究资料同样受限于地震资料品相及数量。另一方面，同一盆地(凹陷)内通常存在多个源-汇系统。对于如何区分盆地内部来自不同母岩区沉积物的问题，传统地质手段难以给出定量化的回答。

中国专利CN112051626A公开了一种源汇系统的定量表征方法，包括以下步骤：S1、基于钻井岩心、薄片、锆石的测试资料及三维高精度地震资料，精细刻画古近系基岩组成及分布；S2、在古近系基岩组成及分布的基础上，结合古地貌刻画古近系重点层段分水线分布及凸起边缘边界样式差异划分汇水区；S3、利用三维地震资料刻画物源搬运通道类型、方向及搬运能力大小，分析古近系各三级层序内物源通道平面组合特征及其与沉积砂体间的配置关系；S4、在三级层序地层格架内，将测井-岩心-地震相综合刻画，结合区内古地理背景分析识别沉积体系；S5、通过对源汇系统定量参数的分析，在分析沉积体积、地形高差、汇水面积、沟谷截面积四个参数的基础上，得到计算公式。

然而，上述表征方法需要大量钻井、露头及地震资料，无法在无井、少井地区开展工作，且不可定量化区分盆地内部来源于不同物源的沉积物。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明所要解决的技术问题是克服现有源-汇系统评价方法需要大量钻井、露头及地震资料，无法在无井、少井地区开展工作，且不可定量化区分盆地内部来源于不同物源的沉积物的问题，提出一种可定量评价源-汇系统中不同时间段内来自盆地内部不同母岩区沉积物的相对贡献量，结合基准面升降、古气候变化以及构造活动等内外动力地质作用，可有效分析其对盆内任意位置处，从源到汇过程中对于不同物源体系沉积物贡献量的影响的源-汇系统定量评价方法。

为解决所述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种源-汇系统定量评价方法，包括以下步骤：

构建概念模型，包括基于地质资料和分析测试数据，详细刻画研究区沉积特征，构建概念模型；

建立沉积地层定量模型，包括在概念模型指导下，确定包括模拟时间、海平面变化、物源条件的模拟参数，通过基于水动力学原理的地层正演模拟建立沉积地层定量模型；

提取沉积厚度数据，包括基于物质守恒原理结合真实地质资料验证所述沉积地层定量模型合理后，改变物源输入方式对比改变前后模型，利用所述改变物源输入方式后的模型，提取不同时间步长来自不同物源的沉积厚度数据；

分析不同物源沉积物贡献量，包括计算并处理模拟时间步长内来自不同物源沉积物的厚度，分析不同物源沉积物贡献量。

优选的，所述构建概念模型具体包括：

根据野外露头、岩心资料以及钻井地震资料对研究区进行沉积特征刻画，通过地质要素分析整合后建立所述概念模型，为源-汇系统分析提供地质背景。

优选的，所述建立沉积地层定量模型的过程遵循沉积过程理论和物质守恒原理。

优选的，所述提取沉积厚度数据具体包括：

以模拟时间为主线，将数值模拟物源条件中多个物源的沉积物释放依次滞后5万年，用于区分井位位置处不同物源在不同时间步长的相对贡献量；

根据物质守恒原理，计算得到可与所述沉积地层定量模型对比的物源条件；

改变所述物源条件，将改变所述物源条件的近似模型中的沉积物厚度对比所述沉积地层定量模型中的沉积物厚度，若结果一致，则验证所述沉积地层定量模型合理。

优选的，计算根据地层正演模拟结果中输出文件所记录覆盖沉积充填过程的沉积物体积数据，得到可与所述沉积地层定量模型对比的物源条件的计算公式如下：

S_r＝E_o+E_r+E_n

S_r为物源处释放沉积物的量；E_o为通过流体元素搬运出汇聚区的沉积物的量；E_r为流体元素中残余沉积物的量；E_n为通过流体元素净沉积的沉积物的量。

优选的，还包括增大沉积物浓度c以及携沙水体流量Q。

优选的，所述分析不同物源沉积物贡献量包括：将所述来自不同物源沉积物的厚度根据所需模拟精度划分若干层，通过对模拟结果数据分析得到每一层沉积物的厚度，在此基础上，以大于模拟时间步长的时间为周期，分析周期内各物源沉积物在任意汇聚的沉积物贡献量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种源-汇系统定量评价方法，其基于沉积正演数值模拟，无需大量钻井、露头及地震资料，可在在无井、少井地区开展工作，可定量化区分盆地内部来源于不同物源的沉积物，本方法基于沉积过程的约束，记录了盆地内任意位置处的沉积物信息，可有效分析源汇系统与构造沉降、湖/海平面变化、气候等内外动力地质作用的耦合关系。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的源-汇系统定量评价方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的基于地质资料建立的概念模型；

图3为本发明实施例提供的模型一期(5-4Ma)构造沉降参数设置示意图；

图4为本发明实施例提供的模型二期(4-2Ma)构造沉降参数设置示意图；

图5为本发明实施例提供的模型三期(2-0Ma)构造沉降参数设置示意图；

图6为本发明实施例提供的控制井位处构造沉降量随时间变化曲线；

图7为本发明实施例提供的模型湖平面变化曲线；

图8为本发明实施例提供的通过地层正演模拟建立的定量沉积地层模型；

图9为本发明实施例提供的3个物源沉积物沉积地层定量模型的物源条件；

图10为本发明实施例提供的3个物源沉积物改变物源输入方式模型的物源条件；

图11为本发明实施例提供的沉积地层定量模型沉积物厚度；

图12为本发明实施例提供的改变物源输入方式模型的沉积物厚度；

图13为本发明实施例提供的控制井位处模拟时间与3物源沉积体系沉积物贡献量关系图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明具体实施例中的技术方案进行详细、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明总的技术方案的部分具体实施方式，而非全部的实施方式。基于本发明的总的构思，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都落于本发明保护的范围。

本发明提供一种源-汇系统定量评价方法，包括以下步骤：

S1：构建概念模型，包括基于地质资料和分析测试数据，详细刻画研究区沉积特征，构建概念模型。进一步的，根据野外露头、岩心资料以及钻井地震资料对研究区进行沉积特征刻画，通过地质要素分析整合后建立所述概念模型，为源-汇系统分析提供地质背景。在等时地层格架内研究沉积演化，为地质模型建立提供概念性的指导。其中，露头及岩心资料用于分析沉积物粒度特征。现有国内外源-汇系统及理论的研究中，分析方法仍主要处于定性—半定量分析阶段，受研究资料限制，古源-汇系统研究中重矿物组合及重矿物指数分析、锆石U-Pb定年、Nd同位素分析等物源分析法均基于岩心、露头数据，在无井或少井地区无法开展相关工作，基于三维地震数据的地震沉积学和地震地貌学分析可一定程度弥补钻井、露头数据不足，但研究资料同样受限于地震资料品相及数量。本发明技术方案只需少量的基础地质资料，原因在于，现有技术方法需完全依赖于地质资料的分析，所需资料的数量大、种类多并且精细化程度高。本方案采用的地层正演模拟方法作为沉积学研究技术方向的新领域和发展趋势，行业内已进行广泛应用。所需地质资料主要用于刻画研究区沉积特征及模拟所需地质要素进而建立地层模型。相较于现有传统地质学研究方法，研究过程高效、低成本并且对地质资料依赖程度及分析处理的工作量具有数量级的优势。

S2：建立沉积地层定量模型，包括在概念模型指导下，确定包括模拟时间、海平面变化、物源条件的模拟参数，通过基于水动力学原理的地层正演模拟建立沉积地层定量模型。进一步，所述沉积地层定量模型建立需结合前人成果、分析测试数据、地质资料剖析、实例对比手段，综合考虑工区地质概念模型，获取模拟输入参数，包括模拟工区范围、网格密度、模拟时间、沉积底形、海(湖)平面变化曲线、物源供应、沉积物理度以及构造沉降。进一步，本研究所使用的沉积正演数值模拟主要基于沉积过程的约束，遵循能量守恒、动量守恒以及质量守恒原则，综合考虑地层演化过程中的古地貌、古气候、水动力等地质条件，通过多尺度的沉积过程定量模拟。该方法已广泛应用于油气勘探开发、二氧化碳地质封存、气候变化对海岸线影响等方面并取得相应的进展。

S3：提取沉积厚度数据，包括基于物质守恒原理结合真实地质资料验证所述沉积地层定量模型合理后，改变物源输入方式对比改变前后模型，利用所述改变物源输入方式后的模型，提取不同时间步长来自不同物源的沉积厚度数据。需要说明的是，根据物质守恒原理改变了物源输入方式，通过垂向与平面地层沉积厚度对比校正，验证所建立沉积地层定量模型的合理性。因此，如果通过地层正演模拟可恢复一个盆地形成时的样式，并经校正验证模型合理后，则盆地内每个网格的沉积时间、沉积环境、物源条件以及古水深等信息均可被调用于源-汇系统定量评价。

S4：分析不同物源沉积物贡献量，包括计算并处理模拟时间步长内来自不同物源沉积物的厚度，分析不同物源沉积物贡献量。进一步，根据物源释放周期内每一层沉积物厚度数据，以3个物源为例，处理已知控制井位处来自3个物源的沉积物的贡献量，已知3个依次释放沉积物的物源在模拟时间内各时间步长的单层沉积厚度，那么可以3n的倍数为周期分析盆地内部任意汇聚位置来自3个物源的沉积物贡献量。

需要说明的是，该源-汇系统定量评价方法基于沉积正演数值模拟，无需大量钻井、露头及地震资料，可在在无井、少井地区开展工作，可定量化区分盆地内部来源于不同物源的沉积物，本方法基于沉积过程的约束，记录了盆地内任意位置处沉积记录，可有效分析源汇系统与构造沉降、湖/海平面变化、气候等地质作用的耦合关系。

在一优选实施例中，所述建立沉积地层定量模型的过程遵循沉积过程理论和物质守恒原理。现有技术方法多根据地下或地表沉积记录中岩石特征，反演推测沉积岩石形成时的状态，本研究方法(沉积模拟)主要基于沉积过程约束，正演沉积物从源到汇全过程。物质守恒是本研究方法所遵循的原则，包括能量守恒、动量守恒以及质量守恒，同时源-汇系统本质上是自然界物质守恒定律的延伸。

在一优选实施例中，所述提取沉积厚度数据具体包括：以模拟时间为主线，将数值模拟物源条件中多个物源的沉积物释放依次滞后5万年，用于区分井位位置处不同物源在不同时间步长的相对贡献量；根据物质守恒原理，计算得到可与所述沉积地层定量模型对比的物源条件；改变所述物源条件，将改变所述物源条件的近似模型中的沉积物厚度对比所述沉积地层定量模型中的沉积物厚度，若结果一致，则验证所述沉积地层定量模型合理。上述步骤用于验证本发明实施例中沉积地层定量模型的合理性，以指导源-汇系统定量评价。进一步的，计算根据地层正演模拟结果中输出文件所记录覆盖沉积充填过程的沉积物体积数据，得到可与所述沉积地层定量模型对比的物源条件的计算公式如下：

S_r＝E_o+E_r+E_n

S_r为物源处释放沉积物的量；E_o为通过流体元素搬运出汇聚区的沉积物的量；E_r为流体元素中残余沉积物的量；E_n为通过流体元素净沉积的沉积物的量。

在一优选实施例中，还包括增大沉积物浓度c以及携沙水体流量Q。本技术方案限定了增大沉积物浓度c以及携沙水体流量Q，原因在于，由于5万年沉积物释放的设置将导致物源沉积物释放时间相应减少1/3，需一定程度增大沉积物释放量。

在一优选实施例中，所述分析不同物源沉积物贡献量包括：将所述来自不同物源沉积物的厚度根据所需模拟精度划分若干层，通过对模拟结果数据分析得到每一层沉积物的厚度，在此基础上，以大于模拟时间步长的时间为周期，分析周期内各物源沉积物在任意汇聚的沉积物贡献量。需要说明的是，油气勘探中，源-汇系统在前期工作的发展局限于理论和技术方法探索以及局部地区的应用，没有形成工业化应用的标准和规范。并且区分古代、现代沉积记录中多物源沉积物及定量刻画各物源贡献量是现有技术手段无法解决的问题，实际生产或实际工作中本研究为沉积正演数值模拟方法进行源-汇系统分析提供了一种定量分析的方法。

为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的源-汇系统定量评价方法，下面将结合具体实施例进行描述。

本发明实施例提供的一种基于地层正演模拟的源-汇系统定量研究方法，基于实际地质资料和各类分析测试数据建立的概念模型。在此基础上确定模拟时间、海平面变化以及物源条件等模拟参数，进而通过地层正演模拟构建定量沉积地层模型。基于物质守恒原理结合真实地质资料验证沉积模型合理后，通过改变物源输入方式对比定量沉积地层模型与改变后模型的一致性，验证改变物源条件后模型的合理性。提取模型中时间步长内的厚度记录，计算盆内任意位置处，来自不同物源体系在不同时间段的沉积物贡献量。

如图1所示，本发明实施例提供的基于地层正演模拟的源-汇系统定量评价方法包括以下步骤：

S1：基于地质资料和分析测试数据，详细刻画研究区沉积特征，构建概念模型；

S2：在概念模型指导下，确定模拟时间、海平面变化、物源条件等模拟参数。通过基于水动力学原理的地层正演模拟建立沉积地层定量模型；

S3：根据物质守恒原理结合真实地质资料验证沉积模型合理后，改变物源输入方式对比改变前后模型一致性，提取不同时间步长来自不同物源的沉积厚度数据；

S4：计算并处理时间步长内来自不同物源沉积物的厚度，分析多物源沉积物贡献量。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

以渤海湾盆地东营凹陷为地质背景，为清楚描述本发明实施例的工作方法，通过研究区理想化的模型替代盆地真实模型说明本发明的具体实施方案。

1、基于地质资料和分析测试数据，详细刻画研究区沉积特征，构建概念模型：

首先，根据本次研究目的选取国内渤海湾盆地东营凹陷古近系陆相断陷湖盆为研究主体；根据地质资料和分析测试数据恢复地层正演模拟所需地质要素。进而将理想化模型中古地貌、湖岸线位置、物源方位等要素整合，从而建立研究区概念模型如图2所示。

2、在概念模型指导下，确定模拟时间、海平面变化、物源条件模拟参数。通过基于水动力学原理的地层正演模拟建立沉积地层定量模型：

在概念模型指导下，设置5-0Ma的模拟时间，显示时间间隔1万年，流动采样间隔为5千年。东营凹陷古地貌为东西走向，具有“北断南超”不对称的“箕状结构”。故工区范围设置98km×80km的矩形区域，划分为50×41个网格，网格间距2000m，如图2所示。根据渤海湾盆地东营凹陷区域构造活动特征，设置一、二级主断层持续活动、盆地主体不断陷落为特征的构造沉降。构造沉降模块共设置3期沉降，5-4Ma为盆地一期构造沉降如图3所示；4-2Ma为盆地二期构造沉降如图4所示；2-0Ma为盆地第三期构造沉降如图5所示。控制井位处构造沉降量随模拟时间变化如图6所示。为更好的观察湖平面的变化对从源到汇过程的影响，设计了一条简单的正弦曲线作为模拟中的湖平面变化如图7所示。相对于5百万年的模拟时间，以5000年流动采样间隔为时间步长的构造沉降以及湖平面变化对源-汇系统定量分析的影响可忽略不计。断陷盆地中凹陷周缘凸起均为物源区，物源补给存在着多向性，多表现为近物源快速补偿。盆地模型西北、东北及东南方向设置3个物源区，物源详细参数设置见表1。在完成其他辅助参数设置后，通过基于水动力学方程的地层正演模拟建立沉积地层定量模型，如图8所示。

表1沉积正演数值模型中物源参数设置

3、根据物质守恒原理改变物源输入方式对比改变前后模型，验证模型合理后提取不同时间步长来自不同物源的沉积厚度数据：

对于所建立定量沉积地层模型，其方法原理已被认可并广泛应用于地质学多个领域。进一步，根据区域与局部地震剖面对比、自然伽马测井曲线对比以及垂向与平面内地层沉积厚度对比等实际地质资料校正后得到合理的沉积地层模型。由于本发明实施例为基于实际地质背景的概念模型，进一步，以模拟时间为主线，改变物源输入方式，通过垂向与平面地层沉积厚度对比校正，再次验证所建立定量沉积地层模型的合理性。因此，如果通过地层正演模拟可恢复一个盆地形成时的样式，并经校正验证模型合理后，则盆地内每个网格的沉积时间、沉积环境、物源条件以及古水深等信息均可被调用于源-汇系统定量评价。

本发明实施例是以东营凹陷古近系断陷盆地为地质背景的理想化模型，校正过程主要根据沉积物充填以及地层叠加样式判断模型合理性。为了更清楚地说明本发明实施例，从沉积过程出发区分3个物源沉积物的释放，调整后的物源详细参数设置见表2。具体操作如下：(1)物源释放时间中，将原有物源条件中3个物源沉积物同时释放15万年，改为15万年内3个物源沉积物依次滞后释放5万年，如图9、10所示；(2)对于物源释放量，由于物源释放时间的减少，需一定程度增大沉积物浓度(c)和携沙水体流量(Q)。根据物质守恒原理，计算后得到可与定量沉积地层模型对比的物源条件：

S_r＝E_o+E_r+E_n

其中，S_r为物源处释放沉积物的量；E_o为通过流体元素搬运出汇聚区的沉积物的量；E_r为流体元素中残余沉积物的量；E_n为通过流体元素净沉积的沉积物的量。

将改变物源释放条件的模型中沉积物厚度对比校正后的定量沉积地层模型。研究发现：地层厚度图中显示的两者沉积厚度极度吻合，如图11、12所示，表明定量沉积地层模型与改变物源释放条件后的近似模型具有高度可对比性，模型建立合理。进而从模拟结果中提取控制井位处在单位时间步长内的沉积物厚度数据，进行控制井位处物源分析。

表2调整后的数值模型中物源参数设置

4、计算并处理模拟时间步长内来自不同物源沉积物的厚度，分析不同物源沉积物贡献量

首先确定物源贡献量分析的周期，本次研究物源分析周期为15万年。其含义表示流动采样间隔为5千年的时间步长条件下，三个物源依次分别释放5万年。探究在15万年周期条件下，500万年内各物源释放的沉积物在控制井位处的贡献量。通过数值变换，将控制井位处来自3物源的沉积物厚度(m)数据转化为单位物源周期内沉积物厚度比例(％)数据。分析3物源体系沉积物贡献量，进而可结合基准面升降、古气候变化以及构造活动等外动力地质作用分析物源贡献量变化的影响因素，如图13所示。

本次研究发现，渤海湾盆地东营凹陷古近系断陷盆地的理想化模型中，控制井位处物源B在500万年内沉积物的贡献量受基准面升降作用影响强烈。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种源-汇系统定量评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建概念模型，包括基于地质资料和分析测试数据，详细刻画研究区沉积特征，构建概念模型；

建立沉积地层定量模型，包括在概念模型指导下，确定包括模拟时间、海平面变化、物源条件的模拟参数，通过基于水动力学原理的地层正演模拟建立沉积地层定量模型；

提取沉积厚度数据，包括基于物质守恒原理结合真实地质资料验证所述沉积地层定量模型合理后，改变物源输入方式对比改变前后模型，利用所述改变物源输入方式后的模型，提取不同时间步长来自不同物源的沉积厚度数据；

分析不同物源沉积物贡献量，包括计算并处理模拟时间步长内来自不同物源沉积物的厚度，分析不同物源沉积物贡献量。

2.根据权利要求1所述的源-汇系统定量评价方法，其特征在于，所述构建概念模型具体包括：

根据野外露头、岩心资料以及钻井地震资料对研究区进行沉积特征刻画，通过地质要素分析整合后建立所述概念模型，为源-汇系统分析提供地质背景。

3.根据权利要求1所述的源-汇系统定量评价方法，其特征在于，所述建立沉积地层定量模型的过程遵循沉积过程理论和物质守恒原理。

4.根据权利要求1所述的源-汇系统定量评价方法，其特征在于，所述提取沉积厚度数据具体包括：

以模拟时间为主线，将数值模拟物源条件中多个物源的沉积物释放依次滞后5万年，用于区分井位位置处不同物源在不同时间步长的相对贡献量；

根据物质守恒原理，计算得到可与所述沉积地层定量模型对比的物源条件；

改变所述物源条件，将改变所述物源条件的近似模型中的沉积物厚度对比所述沉积地层定量模型中的沉积物厚度，若结果一致，则验证所述沉积地层定量模型合理。

5.根据权利要求4所述的源-汇系统定量评价方法，其特征在于，计算根据地层正演模拟结果中输出文件所记录覆盖沉积充填过程的沉积物体积数据，得到可与所述沉积地层定量模型对比的物源条件的计算公式如下：

S_r＝E_o+E_r+E_n

S_r为物源处释放沉积物的量；Eo为通过流体元素搬运出汇聚区的沉积物的量；E_r为流体元素中残余沉积物的量；E_n为通过流体元素净沉积的沉积物的量。

6.根据权利要求4所述的源-汇系统定量评价方法，其特征在于，还包括增大沉积物浓度c以及携沙水体流量Q。

7.根据权利要求1所述的源-汇系统定量评价方法，其特征在于，所述分析不同物源沉积物贡献量包括：将所述来自不同物源沉积物的厚度根据所需模拟精度划分若干层，通过对模拟结果数据分析得到每一层沉积物的厚度，在此基础上，以大于模拟时间步长的时间为周期，分析周期内各物源沉积物在任意汇聚的沉积物贡献量。

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