高分辨率层序地层学 高分辨率层序地层学储层描述方法

20世纪90年代，随着层序地层学理论的深入应用，人们在将层序地层学理论应用于陆相湖盆时遇到了一些无法解决的问题，需要更合乎逻辑的理论和精确的技术为指导，以便更准确地反映陆相盆地的充填过程，高分辨率层序地层学正是在这种背景下应运而生的。

（1）高分辨率层序地层学的基本原理

高分辨率层序地层学（Cross，1993）是以露头、测井、岩心和高分辨率地震资料为基础，依据基准面旋回、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和响应为原理；运用精细地层划分和对比技术，建立区域、油田乃至油藏级的高精度地层格架，在成因地层格架内对生油层、盖层和隔层进行评价和预测的一项新技术（邓宏文等，2002）。目前，其基本理论和方法已经在认识与实践的反复验证中不断完善，并进入了通过正、反演模型的建立对不同构造背景、不同沉积环境的地层进行定量预测的阶段。

高分辨率层序地层学的可预测性是基于地层基准面、基准面旋回、可容空间、沉积物补给与A/S值、沉积物体积分配原理与相分异作用等基本原理。

地层基准面（base level） 地层基准面并非海（湖）平面，也不是相当于海平面向陆方向延伸的水平面，而是一个相对于地表波状起伏、连续、略向盆地方向下倾的抽象等势面。它反映了地球表面与力求平衡的地表过程间的不平衡程度（Cross，1994）（图1-10）。要达到平衡，地表要不断地通过沉积或侵蚀作用改变其形态，使其向靠近基准面的方向运动。基准面相对于地表的波状升降，伴随着沉积物可堆积空间（可容空间）的变化而变化。当基准面位于地表之上时，提供了沉积物堆积空间，沉积作用发生；当基准面位于地表之下时，侵蚀作用发生；当基准面与地表一致时，既无沉积作用发生也无侵蚀作用发生，沉积物仅仅路过而已。因而在基准面变化的时间域内，在地表的不同地理位置会出现4种地质作用，即沉积作用、侵蚀作用、沉积路过时间的非沉积作用及沉积物非补偿时的饥饿沉积作用。地层的旋回性正是基准面变化中上述地质作用状态随时间发生空间迁移的地层响应。

图1-10 基准面解释示意图

（据Cross，1994，有修改）

基准面旋回（base level cycle） 基准面、可容空间和反映可容空间与沉积物供给之间平衡时的地貌状态由于基准面在旋回变化中总是有向其幅度的最大值或最小值单向移动的趋势，构成一个完整的上升与下降旋回，即基准面旋回（Cross，1993）。基准面由上升到下降或由下降到上升的转换位置称为基准面旋回的转换点（turnaround point）。基准面变化期间在成因上有联系的沉积环境中堆积的地层记录构成了地层旋回（时间地层单元，也叫成因地层单元或成因层序）。地层旋回的多级次特征是基准面旋回多级次性的反映，最短期的基准面旋回符合沉积相率或相组合定律（Walther定律）的进积/加积地层单元（Cross，1994）。控制地层基准面旋回变化的基本要素包括构造沉积、海（湖）平面升降、沉积物补给、沉积物负荷补偿及沉积地形等（Cross，1993）。

可容空间（accomodation） 指地表和基准面之间可供沉积物堆积的空间（M.T.Jervey，1988）。基准面相对于地表的升降会导致可容空间发生变化，可容空间控制着某一时间、某一地理位置沉积物堆积的最大能力（Cross，1994）。在基准面变化的时间域内，可容空间在不断变化，由此导致沉积物的保存、剥蚀、路过不留和非补偿等4种地质作用的发生。

沉积物补给（sediment supply） 指某一时间段内沉积物的供给能力。它控制沉积的产物及其再分布，通过增加或减少沉积物，使地表向上或向下、靠近或远离地层基准面运动。沉积物补给受控于气候、地形起伏、地貌高程、植被、源区岩石类型、营养供给、生物富集程度与生产能力、风化剥蚀速度、水流能量等因素。

A/S值 在基准面变化过程中，可容空间（A）和沉积物补给（S）的比值（A/S）决定了可容空间内沉积物的堆积速度、保存程度及内部结构特征（Cross，1994）。当A/S＞1时，沉积物发生退积作用；当A/S＜1时，沉积物发生进积作用；当A/S＝1时，沉积物发生加积作用（邓宏文等，2002）。钻井剖面上砂/泥比及粒度旋回的变化通常反映A/S的变化。

图1-11 沿沉积剖面沉积物体积分配引起的旋回性对称性变化

（据Cross等，1998）

沉积物体积分配原理 沉积物体积分配是指基准面旋回期间沉积物以不同体积被分配到不同相域的过程（Cross等，1998），是基准面旋回内不同沉积环境可容空间动态变化的结果。基准面变化过程中可容空间随地理位置发生变化，由此，堆积在可比较沉积环境中的沉积物体积发生变化。基准面上升期，地表和基准面的交点向上坡方向移动，扩大了可容空间的范围，增加了盆地边缘部位沉积物储存的能力，引起堆积在该部位沉积物体积的增加。盆地边缘相域内沉积物体积的增加必然减少向下坡方向搬运的有效沉积物的能力。在二维剖面上，表现为同一沉积体系在相同时间单元内、不同地理位置沉积地层厚度的变化，反映了沉积过程响应系统遵循物质保存定律和能量守恒定律。沉积物体积分配反映了A/S值在时间域和空间域的变化，其结果直接伴随着：①地层旋回的对称性发生变化（图1-11）；②进积/加积地层单元的叠加样式；③反映原始地貌要素保存程度的相分异作用，包括原始地貌的几何形态、沉积物的保存程度、沉积厚度、地层不连续界面出现的频率、沉积物的内部结构、流体流动单元的连通性、岩石非均质性等一系列地层学和沉积学响应。沉积物体积分配原理揭示了地层记录时空分布的有序性和可预测性，对正确开展时间地层单元对比、建立时间地层对比格架，解释和预测地层性质的时空分布变化具有重要的价值。如，某一地区存在一个不整合面，在不整合面下坡的终点位置必然存在在时间上相当的由该不整合面剥蚀搬运而来的沉积地层。低水位的下切河谷的存在意味着沿斜坡向下在盆地中心部位会发育盆底扇或类似的沉积。

相分异作用（facies differentiation） 指基准面旋回过程中相同相域不同位置岩石的沉积学与地层学属性的变化（Cross等，1998），具体指地层的几何形态、相组合和相序、岩石的多样性、层理类型和岩石物性的差异。相分异在很大程度上是沉积物体积分配的结果，反映了原始地貌要素的保存程度，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。相分异作用的类型有两种主要类型。第一种是在基准面变化周期中的单个相属性的变化。如高可容空间与低可容空间形成的河道砂体，其几何形态（宽厚比）、侧向连续性、相互截切程度、底形类别与保存程度、底部滞留沉积厚度与类型等均有明显差异（图1-12）。第二种相分异作用类型表现为沉积地形剖面相和/或相序的完全不同，这些相组合的变化反映了沉积环境地貌组成的变化。相分异的程度反映了地层记录中原始地貌元素保存的数量和比例。

图1-12 不同可容空间条件下分支河道的相分异作用

（据Cross，1993）

当A/S值很低时，可容空间是沉积物堆积和相分异的限制因素，如果不存在可容空间，侵蚀面或路过冲刷面被缓慢沉积物堆积的地层所代替。在低的可容空间背景下，基准面上升时，沉积物堆积；基准面下降时，发生侵蚀作用或沉积物路过冲刷作用。

当A/S值趋向于1，可容空间和沉积物供给速率均较高时，沉积物堆积速率和相分异的程度增加，在沉积环境内逐渐有更多的地貌元素被保存。此时，基准面上升和下降期间沉积物均发生沉积作用，地层不连续界面较为罕见。

（2）高分辨率层序地层学的优势

Cross（1994）提出了不同于经典层序地层学、具有其自身理论体系与特色的高分辨率层序地层学。它将层序地层学与沉积学理论和分析方法紧密地结合起来，运用地层基准面、体积分配、相分异等基本原理，以沉积动力学的观点进行相分析和环境解释，避免了简单的相模式类比，不仅可用于盆地地层格架的建立，而且对冲积-河流相层序地层的形成发育和演化及其相分布特征和高分辨率层序地层格架的建立更有明显的适用性和可操作性。其表现在：

1）基准面旋回的识别是高分辨率层序地层学的基础，而基准面旋回可以用Walther相律和Wisdom面取代定律进行识别，为盆地中沉积物的堆积、侵蚀、无沉积作用和沉积物路过等在完整的连续时间内发生的地质作用与空间上的分布提供了合理的解释；

2）不需要以海平面为参照面，提供了一个与沉积环境和海平面变化无关的参考框架，为等时地层格架内高频层序划分和对比提供了客观的自然法则，可以同时运用于海相盆地和陆相盆地（丘东洲，1998）；

3）该项技术将层序地层学与沉积学相结合，以相互标定的岩心、测井与高分辨率地震资料为基础；依据可容空间和A/S比值的变化趋势识别基准面旋回界面，因而各级次、不同性质的基准面旋回均具有可识别性；

4）在缺乏不整合发育的地层中，根据沉积作用的转换即可识别基准面旋回界面，因此可以进行高分辨率层序地层划分；

5）运用伴随基准面旋回变化过程中可容空间的变化导致的沉积物体系体积分配原理指导地层对比，避免了滨岸与陆上地层对比的穿时性；

6）基准面旋回内部相域构成的二分特征在不同沉积环境、不同级次的层序中均客观存在，而且易识别，可以作为基本作图单元；

7）以岩心、三维露头、测井和高分辨率地震剖面为基础，运用精细层序划分和对比技术对三维地层关系进行预测，可用于建立区域、油田乃至油藏级储层的层序地层对比格架；

8）在等时地层框架内，由于时间分辨率的增加，大大提高了地层预测的准确性，并能为油藏数值模拟提供可靠的岩石物理模型；

9）不仅强调分析资料的高分辨性，而且更加强调高频层序理论模式的建立，从而使高分辨率的测井资料与中、低分辨率的地震资料完美地结合起来，使层序地层学向高精度化、定量化迈出了重要一步。

（3）高分辨率层序地层学在河流相地层研究中的应用现状

河流相地层的层序研究是层序地层研究的难点，无论是国外还是国内均研究较少，且主要用于大单元的粗略分析，或局部地区储层的对比与预测；尚未取得海相、陆相湖盆那样的研究成果。

Posamentier，Jerbey和Vail（1988）较早对近海冲积河流环境进行了层序地层学的应用研究，Van Wagoner（1995）通过对Bood Cuffs冲积体系的露头层序地层研究，建立了冲积河流层序地层学模式，但并没有摆脱经典层序地层学理论中关于海平面升降控制层序（包括陆相层序）发育的思路。

Cross等（1995）通过对美国科罗拉多San Juan盆地白垩系Mesa Verde组、哥伦比亚Lianos盆地古近系—新近系Mirador组河流相地层的高分辨率层序地层学分析，探讨了河流沉积地层的高分辨率层序地层样式及其变化规律，建立了河流沉积高分辨率层序地层模型及相关的地层反演软件，深入研究了地层因素对沉积储层特征的控制和层序格架内的流体流动单元的划分，为高分辨率层序地层学直接应用于油气田的开发奠定了基础。

高分辨率层序地层学理论自1995年由邓宏文教授引入我国以后，在我国含油气盆地储层预测中得到了广泛应用，取得了较为丰富的应用成果。邓宏文、王洪亮等（1997，2000，2002）讨论了河流相地层基准面旋回划分对比问题，并将高分辨率层序地层学应用于渤海湾盆地河流相地层、鄂尔多斯盆地北部河流相地层及陆东凹陷辫状河流地层层序研究。陈代钊（1995，1997）以贵州盘县西部龙潭组煤系地层为例，讨论了河流沉积占优势地层中的高频旋回地层层序，并建立起高分辨率的等时地层格架。罗立民（1999）全面总结了河流体系三维高分辨率层序地层学的特征。郑荣才（1998）、郑荣才等（1999，2000）在研究四川盆地、鄂尔多斯盆地河流相地层的高分辨率层序分析的实践中，率先对基准面旋回的结构叠加样式与沉积动力学的关系进行了归纳和总结，并对陆相盆地基准面旋回级次的划分提出了自己的见解；建立了各级次旋回的划分标准并厘定了各级次旋回的时间跨度，使得高分辨率层序地层的“高”的含义有了一个量的概念。张昌明（1992，2004）在泌阳凹陷、黄骅凹陷古近系，罗立民（1999）在准噶尔盆地东部侏罗系中都进行了尝试。樊太亮等（2000）研究了鄂尔多斯盆地上古生界基准面变化对河流沉积物源区分布面积、物源供应情况的影响，总结出该盆地上古生界不同沉积体系域内河流地貌单元的变化规律。彭立才等（2002）运用高分辨率层序地层学理论方法，探讨了柴达木盆地大煤沟侏罗系冲积扇上辫状河道发育的特点，总结出辫状河流的高分辨率层序地层学特征，并探讨了基准面变化对济阳坳陷东营组、鄂尔多斯上古生界河流相储层发育的控制作用。赵翰卿（2000，2001，2002）利用高分辨率层序地层学原理识别河流沉积界面，由大到小、由粗到细分层次逐渐解剖了大型河流砂体的几何形态和内部建筑结构，系统描述了储层宏观非均质体系。

总体看来，尽管高分辨层序地层学引起了人们的广泛关注，并在河流相地层的研究方面取得了显著的进展，为储集体分布和储层不均一性预测以及开发地质等研究提供了重要的方法和手段。但是，无论是国外的近海环境下河流相层序地层学研究，还是国内陆相环境中的河流相层序地层学研究，就目前研究进展及研究程度而言，尚处于起步或者初期阶段，所提出的河流相层序地层模式呈现出百花齐放、百家争鸣的局面，尚未形成统一的认识或标准。同时，由于沉积物物源多且供应充足，砂岩发育，横向上岩性变化快，缺乏广泛分布的湖相泥岩、煤层、古土壤面，层序内部的准层序组界面、准层序界面等的识别与追踪存在很大困难；不同尺度的层序界面的厘定、横向上年代地层格架的对比；复杂断块区高分辨率层序地层学的研究，层序级别的划分等方面都尚处于研究探索之中。因此，应大力发展和完善河流相层序地层学理论体系，全面探讨河流相地层层序发育的控制因素，解决河流相地层中各级层序界面问题，发展精细的测井分析、高分辨三维地震剖面和各种参数处理和切片技术、计算机模拟及可视化技术，增强定量预测功能，使河流层序地层学的研究迈向一个新的阶段。

高分辨率层序地层学的理论基础~

高分辨率层序地层学实际上是指分辨率高于地震分辨率的地层学［23］，究竟多大分辨率算高呢？并无一定的明确界线［24］，它是将岩心、测井、露头、地震等资料相结合的综合层序地层学研究方法［25］。
以Cross领导的科罗拉多矿业学院成因地层研究组是近年来兴起的高分辨率层序地层学派的突出代表。有关高分辨率层序地层学的理论基础和地层基准面的识别、对比技术，国内已有详细的介绍和讨论［26，27］。以下的高分辨率层序地层学理论部分摘录自邓宏文［26，27］的论著。
高分辨率层序地层学以地层-响应沉积动力学为理论基础，主要由四部分组成，即：地层基准面原理、体积划分原理、相分异原理与旋回等时对比法则。
3.4.1.1 地层基准面原理
科罗拉多矿业学院Cross［28，29］领导的成因地层研究组认为，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主要格架。Cross等引用并发展了Wheeler（1964）提出的基准面的概念，认为地层基准面并非海平面，也不是相当于海平面的一个向陆方向延伸的水平面，而是一个相对于地球表面波状升降、连续、略向盆地方向下倾的抽象面（非物理面），其位置、运动方向及升降幅度不断随时间而变化（图3.23）。基准面在变化中总是有向其幅度的最大值或最小值单向移动的趋势，构成一个完整的上升与下降旋回。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。

图3.23 基准面、可容纳空间与沉积物供给之间平衡时的地貌状态［28］

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（图3.23）。当基准面位于地表之上时，提供了沉积物的空间，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，在地表的不同地理位置上表现为四种地质作用状态，即沉积作用、侵蚀作用、沉积物路过时产生的非沉积作用，沉积物非补偿（可容纳空间、沉积物供给量比值）产生的饥饿性沉积作用乃至非沉积作用。
基准面处于不断的运动中，当其位于地表之上并对于地表进一步上升时，可容纳空间增大、沉积物在该可容纳空间内堆积的潜在速度增加，但沉积物堆积的实际速度还受控于沉积物搬运的地质过程。也就是说，可容纳空间控制了某一时间内、在某一地理位置沉积物堆积的最大值。在沉积物质供给速度不变的情况下，可容纳空间与沉积物供给量比值（A/S值），决定了可容纳空间沉积物（有效可容纳空间）的堆积速度、保存程度及内部结构特征。当基准面位于地表之下并进一步下降时，侵蚀作用的潜在速度将增加，但实际侵蚀速度也受沉积物搬离地表的地质过程所限制。因此基准面描述了可容纳空间的建立或消失、与沉积作用间的作用变化过程。可将基准面看作一个势能面，它反映了地球表面与力求平衡的地表过程间的不平衡程度。要达到平衡，地表要不断地通过沉积或侵蚀作用，改变其形态，向靠近基准面的方向运动。
3.4.1.2 体积划分和相分异原理
沉积物体积划分（volumetric partitioning）即在成因地层内沉积物被划分为不同的相域过程。它是基准面变化过程中，不同沉积环境可容纳空间的四维（空间+时间）动力学变化的产物。体积划分直接伴随着原始地貌形态的保存程度、沉积物厚度、内部结构等，以及诸多的沉积学和地层学的响应。
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（facies differentiation），因而也直接影响着储层的物理特征，如储层相在三维空间的连续性、几何形态、岩性及岩相类型及岩石物理性质（非均质性）。如高可容纳空间与低可容纳空间形成的河道砂体，其几何形态（宽度与厚度之比）、砂体的连接性、侧向连续性、相互截切程度、底形类别、保存程度、底滞沉积厚度与类型均有明显差异。
3.4.1.3 旋回等时对比法则
高分辨率层序地层划分与对比，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-响应原理进行的。而成因层序对比是通过相序的变化识别层序（垂向剖面上即旋回）的位置及边界，进而分析连续的层序空间上的排列或沉积样式，划分不同级次的基准面旋回来实现的。
Cross认为，在成因层序的对比中，基准面旋回的转换点（turnround point），即基准面由下降到上升或由上升到下降的转变位置，可作为时间地层对比的优选位置，因为转换点为可容纳空间增加到最大值或减小到最小值的单向变化的极限位置，即基准面旋回的二分时间单元的划分界线。转换点在地层记录中某些位置表现为地下不连续面，某些地理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。由于基准面变化的地层记录是以多级次频率（多级次旋回）出现在区域范围内，可跨越各种沉积环境，因而以地层基准面识别为基础的地层对比不依赖于沉积环境，也不需要了解海平面的位置与运动方向。

3.4.4.1 单井地层旋回及沉积微相综合分析
在进行单井高分辨率层序地层划分时，最基本的依据是岩心描述的资料。详细的岩心描述应包括岩石的粒度、层理、厚度、颜色及其中所含的生物等，用这些记录A/S（可容纳空间/沉积物供给量）比值变化的地层沉积特征的定量信息来确定沉积微相和短期地层旋回，然后根据其叠加样式划分中期地层旋回，进而划分长期旋回。
根据岩心剖面所划分的短期旋回可对测井曲线进行标定，建立短期旋回及界面的响应模型，然后才能应用于其他未取心井测井曲线的旋回划分。这与用测井资料划分沉积相的方法基本相同。
典型的单井高分辨率层序地层和沉积微相的划分可见图3.30。

图3.30 A7井高分辨率层序地层和沉积微相划分图［33］

图3.30中自下而上是两个油层（W3和W4）共8个油组，划分出35个短期旋回（SSC35—SSC1）和14个中期旋回（MSC14—MSC1），并对应有4个沉积亚相和32个砂体的沉积微相。从图中还可以看出，该井每一种沉积亚相对应有3～4个中期旋回，而每一个砂体并不是一个短期旋回。例如MSC9对应有3个短期旋回，其沉积微相分别为远砂坝-湖泥-分流河道-远砂坝组合。
3.4.4.2 连井剖面地层旋回及沉积微相综合分析
在单井旋回解释模型的基础上，对研究区所有的钻井进行连井解释，并运用旋回等时对比原理，建立研究区高分辨率层序对比格架，以便进行中期旋回的横向对比和沉积环境分析。连井剖面地层旋回及沉积微相综合分析见图3.31。

图3.31 垂直构造走向的微相和层序对比剖面图［33］

3.4.4.3 高分辨率层序界面平面图的编制
两个基准面旋回的层序分界面称为高分辨率层序界面，界面两侧的沉积物可以反映出储集砂体的分布和生、储、盖的组合情况。因此，可以采用编制高分辨率层序界面的平面图来描述砂体的有利地区。

图3.32 双台子构造带SB5界面两侧生储盖组合类型平面分布图

BT1—上生下储式组合；BT3—单一储盖组合；CAPⅡ—叠加复合组合
图3.32是辽河油田双台子构造带两个长期基准面旋回的层序界面SB5（即沙二段底界面两侧）的平面分布图。图中可见，以双深3井为中心，有两个CAPⅡ复杂叠加组合类型，其东面是BT1上生下储组合类型，而其西面和北面是BT3单一储盖组合类型。马圈子构造以马深1井为中心，为CAPⅡ组合类型，同样被BT1和BT3组合类型所包围。

层序地层学的提出与发展
答：以Cross为代表的高分辨率层序地层学派把受控于海平面变化、构造沉降、沉积负荷、沉积物供给、地形等因素的沉积基准面变化作为理解层序成因并进行层序划分的主要依据。Cross提出的高分辨率层序地层学理论把沉积基准面(Baselevel)变化旋回作为...

川东长兴组海相碳酸盐岩高分辨率层序地层分析
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高分辨率层序地层学在油气储层地质中的作用[～]
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