Question

测井资料

Answer 1

测井资料的纵向分辨率远高于地震资料，可进行高精度、连续地全井段的地层分析（王贵文等，2000），结合钻井取心、露头等资料，可进行定量化和横向对比研究。因此，测井资料已广泛应用于层序地层学研究，且已成为覆盖区开展高分辨层序地层学研究的基础和关键。

测井资料识别层序地层单元界面的方法很多，以前使用较多的是自然电位测井、自然伽马测井、电阻率测井等曲线，根据电性特征进行准层序（组）的划分，然后根据准层序组的垂向组合特征进行层序界面或体系域界面的识别和划分。在本次研究中，除了利用传统的测井曲线进行常规的分析之外，还利用了声波时差、电阻率、地层倾角等测井资料，经特殊处理后进行层序地层单元界面的识别和划分。

（一）利用声波时差测井资料识别层序地层单元界面

1.基本原理

沉积地层的声波时差值与岩石孔隙度存在一定的对应关系。Wyllie等（1956）依据大量实验结果推断，在具有均匀分布的小孔隙的固结地层中，孔隙度与声波时差存在线性关系，即

断陷湖盆层序地层学

图6-1 济阳坳陷车镇凹陷南北向地震剖面（A）及其地震层序解释（B）

图6-2 埕岛东斜坡地区南北向649.8地震剖面（A）及其解释（B）

图6-3 济阳坳陷义和庄地区Ew160地震剖面（上）及其解释（下）

式中：Δt——声波时差测井曲线上读的时差（μs/m）；Δt_ma——岩石骨架的声波时差（μs/m）；Δt_f——孔隙中流体的声波时差（μs/m）。

沉积地层中岩石孔隙度受压实作用影响明显。Hubbert等的研究表明，岩石压实过程中，孔隙度与压力之间存在以下关系：

断陷湖盆层序地层学

式中：P_c——上覆地层施加在地下深度Z处的固体上的压力。

在地下深度Z处的沉积物（岩）受到的压力为两个作用力，即固体沉积物的压力P_c和其中所含液体的压力P_b之和，即：

图6-4 济阳坳陷惠民凹陷商河地区135三维地震测线的T₂、T₆反射特征

断陷湖盆层序地层学

在流体静压条件下

断陷湖盆层序地层学

由此可以得出

断陷湖盆层序地层学

由式（6-2）和（6-3）可得出

断陷湖盆层序地层学

其中ρ_bw为上覆沉积物（岩）的平均密度，ρ_w为上覆沉积物（岩）中流体的平均密度，g为重力加速度。

由式（6-1）和（6-4）可以得到

断陷湖盆层序地层学

由（6-4）、（6-5）式可以看出，在正常埋藏压实条件下，沉积地层中孔隙度的对数与其深度呈线性关系，声波时差对数与其深度也呈线性关系，并且随埋深增大，孔隙度减小，声波时差也减小，若对同一口井同一岩性的连续沉积地层，其表现为一条具有一定斜率的直线。但是，有的井声波时差对数与其深度的变化曲线并不是一条简单的直线，而是呈折线或错开的线段，这就是我们进行不整合面或层序界面识别的理论基础。

2.利用声波时差测井资料识别层序界面或不整合面

1）层序界面在声波时差测井上的响应

层序界面一般对应于沉积地层中的不整合面及其相对应的整合面（Van Wagoner，1988，1990），因此，识别层序界面，首先是寻找不整合面。声波时差是沉积地层的岩性、物性（孔隙度大小、孔隙结构、裂缝密度和开启度等）及孔隙和裂缝中的流体性质等因素的综合响应（丁次乾，1992）。在沉积地层的垂向剖面中，不整合的存在将引起岩性、物性等因素发生异常变化，导致声波时差也发生相应的异常变化，这些异常变化就是我们进行不整合识别的基础。岩性对声波时差的影响明显，在分析研究过程中，为了消除岩性的影响，在同一口井中选择同一岩性作为研究对象，一般选用泥、页岩，若泥、页岩含量低时，可选用砂岩，但深部砂岩可发育次生孔隙，将影响声波时差的正常变化。

本次研究过程中，对济阳坳陷上百口井的声波时差对数与其深度变化关系图的分析和周瑶琪等（周瑶琪等，2000）研究表明，不整合面（层序界面）上下的声波时差对数与其深度的回归线表现为以下几种基本类型（图6-5）：①界面上下的回归线明显错开，即界面之上的回归线的终点与界面之下的回归线的起点不在同一点，但斜率相同（图6-5A、B）；②界面上下的回归线斜率不同，但回归线未错开，呈折线，折点为不整合面（图6-5C、D）；③界面之下的声波时差出现异常点或异常段（图6-5E）；④界面上下的回归线无异常，呈一条直线（图6-5F）。

图6-5 不整合面上下在声波时差对数与其深度的回归线的基本响应类型

实际研究中，不整合面上下的声波时差对数与其深度的回归线多表现为综合类型，如①和②的综合，即界面上下的回归线明显错开，且斜率不同。

2）层序界面在声波时差测井上响应特征的形成机理

此处所讨论的层序界面为不整合面，且不整合是由无沉积或剥蚀作用所致，是将较新和较老地层分开的面，沿此面具有地层的削蚀或侵蚀，或存在地表暴露标志，并且界面上下地层间存在明显的沉积间断。结合济阳坳陷古近系不整合面或层序界面的特征研究，对层序界面所对应的不整合面引起声波时差异常的机理进行了总结。

（1）不整合引起的沉积地层缺失

由（6-5）式可知，在正常埋藏压实条件下，岩石中孔隙度对数与其深度的变化曲线为直线，压实作用强度与地层埋藏深度成正比，因此，沉积地层中的孔隙度与其压实强度成正比关系，孔隙度与声波时差也成正比线性关系。由此可以得出，在正常埋藏压实条件下，声波时差与压实强度也存在正比关系，即随着埋深增加，压实作用增强，孔隙度降低，声波时差也相应变小。

沉积不整合往往形成于构造抬升运动或湖平面下降背景条件下，特别在湖盆的边缘地带或断陷湖盆缓坡带尤为明显。在不整合形成期，湖缘地带处于无沉积或剥蚀状态，导致压实作用强度的降低或压实作用终止；后期构造下沉，接受新的沉积，处于新的压实作用背景。因此，不整合面上下的沉积地层处于不同压实背景条件，并且不同位置存在不同程度的压实间断。此时，与位于洼陷地带连续沉积的地层剖面相比，声波时差趋势线常存在断点，一般情况下，界面之下声波时差值小于界面之上（图6-5B）。

（2）伴随不整合的形成而发育的风化层

不整合形成时期老地层将暴露水面，遭受风化剥蚀。若风化物残积原地，形成风化层，或者界面之下为灰岩，溶蚀孔隙、裂缝发育，其孔隙度增大。当其上被湖侵泥岩覆盖，形成致密层，界面之下的风化层易出现异常压力，保存较高的孔隙度，导致风化层段的声波时差出现高值，在界面之下发育异常点或异常段（图6-5E）。

（3）湖侵泥岩覆盖，形成异常压力带

在湖盆边缘的斜坡带或洼陷中的相对隆起地带，在层序边界形成过程中常伴随着不整合面的形成，后期的湖侵体系域泥岩直接覆盖于不整合面之上，当条件适宜时，湖侵泥岩易形成致密的封堵层。在后期的埋深压实过程中，湖侵泥岩作为致密封堵层抑制了下伏地层水的排出，导致不整合面（层序界面）之下发育异常压力。异常压力抑制压实作用，使岩石中孔隙度变化保持了不整合面形成前的变化趋势。随着埋藏深度增大，界面之上的地层压实强度逐渐增强，而界面之下由于异常压力的存在继续保持原状。当埋深达到某一深度时，界面之上的压实强度的趋势线与界面之下的趋势线重合，此时，界面上下的声波时差表现为一条直线（图6-5F）。当埋深超过此深度时，界面之上的地层压实强度超过下伏地层，在声波时差对数对深度的变化图上界面上下的回归线出现错开，且界面之下声波时差高于界面之上（图6-5A），此种现象主要出现在埋藏较深的地层中。

（4）不整合面（或层序界面）上下的沉积速率差异，界面上下出现不同的压实效应

不同层序的沉积时期内构造活动强度、沉积物供给丰度等存在差异，导致沉积物的沉积速率也存在差异。Magara，K.等研究表明，沉积物沉积速率慢时，有足够的时间使得泥页岩颗粒排列有序，相反，沉积速率快时，泥页岩颗粒本身没有足够时间排列，呈杂乱分布。前者对压实作用反映明显，孔隙度随深度很快地降低，后者的降低速度慢，导致界面上下的斜率出现差异（图6-5C、D）。

3）研究实例分析

车古9井位于济阳坳陷车镇凹陷南斜坡，CG9井地层发育不全，局部层段存在不同程度的缺失。结合区域性地层对比，该井新生界沙河街组地层直接覆盖在古生界地层之上，且沙河街组底部缺失沙四段、沙三下、沙三中地层，仅发育了沙三上、沙一段地层，过该井的地震剖面显示，东营组上部地层存在剥蚀，其顶界面为明显的削蚀界面。图6-6是CG9井声波时差对数与深度的关系及其层序地层划分图，从图中可以明显看出层序界面附近的声波时差存在明显的异常。

1589.0 m为沙三段与古生界的分界，其间缺失了中生界和新生界孔店组、沙四段、沙三下、沙三中地层，沙三上（层序3）直接覆盖在古生界地层之上，在地震剖面上可见明显的地层削截关系。该界面在声波时差上响应明显，界面之下古生界灰岩由于暴露遭受淋滤风化，发育了大量溶孔，后来被湖侵泥岩覆盖，形成良好致密层，溶孔得以保存，因此在界面之下声波时差出现异常高值。

1527.0 m为沙一段（层序4）与沙三上（层序3）的分界，其间缺失了沙二段地层。由图6-6可以看出界面上下的声波时差对数对深度的回归线存在明显的错开，界面之下声波时差值高于界面之上，两者的斜率相近。主要是沙三上（层序3）沉积晚期构造抬升，导致CG9井区出露水面，处于无沉积或剥蚀状态，沉积地层的压实作用终止，保持了抬升前的压实状态。沙一段（层序4）沉积期，沉积盆地下沉，湖水快速上升，CG9井区接受了湖侵泥岩沉积，沉积地层随之进入新的压实背景。但该层序界面之上被湖侵泥岩覆盖，形成了致密层，抑制了下伏地层的压实作用，界面之下地层保持了界面形成前的压实状态，导致界面之下泥页岩的声波时差值高于界面之上泥页岩的声波时差值。

图6-6 车镇凹陷车古9井声波时差与层序地层单元划分

1420.0 m对应于沙一段（层序4）与东营组下部（层序5）的分界，但东营组与沙一段之间在该井区的沉积间断时间短或无明显间断，因此界面上下的声波时差对数对深度交汇图上特征不明显，但由于界面上下两个层序的沉积速率、岩性等存在差异，界面上下的声波时差的回归线斜率不同，界面之上的斜率小，而界面之下的斜率大，并且界面之下泥页岩的声波时差值要小于界面之上，属于正常的压实状态。

1380.0 m对应于馆陶组与东营组分界，但CG9井东营组仅保存了东三段地层，东一段、东二段地层被剥，地震剖面也可见明显的削截现象。东营组地层的顶界面为典型的削蚀截面，其回归线出现错开，并且界面之下声波时差值小于界面之上声波时差值，且斜率相近，属于正常压实。

3.利用声波时差测井资料识别最大湖泛面或凝缩段

1）声波时差对凝缩段的响应机理

凝缩段（Condensed section，简称CS段）是指沉积速率慢、厚度薄、富含有机质、缺乏陆源物质的深水沉积，形成于最大湖（海）泛面附近，由于富含有机质，且有利于有机质的保存，又称其为生油岩密集段（Wangoner，1990）。

由于流体密度存在差异，声波在不同流体中传播速度不同。因此，在其他条件相同的前提下，沉积地层中的流体性质也影响声波时差，如淡水声波时差为620 μs/m，盐水为608 μs/m，石油为757～985 μs/m（张志伟等，2000）。一般情况下，三级层序中CS段的泥页岩中富含有机质，其声波时差将明显增大。在多数情况下，我们所研究的沉积地层中地层水性质在垂向上变化不大，但在一个沉积层序中，水体经历了由浅—深—浅变化，这种变化对沉积地层中有机质含量的影响明显。S.Creaney等的研究表明（Passey Q.R.，1990），层序地层格架内的有机碳总量（TOC）在垂向上呈周期性变化，在单一层序地层剖面中，TOC的峰值与最大湖泛面沉积对应，且CS段多为TOC高值段。最大湖泛面以上，高位期的大量陆源碎屑注入沉积盆地，导致TOC逐渐减少，最大湖泛面以下对应于湖侵域和低位域沉积，低位域和湖侵域初期湖盆水体相对较浅，TOC也相对较低。并且在一个层序内部有机碳含量变化是一个渐变过程，表现在声波时差上也是渐变过程，仅在层序边界以下，由于出露地表遭受风化，使有机碳含量降低，而出现突变现象。CS段形成于最大湖泛面附近，在盆地洼陷带为一套欠补偿条件下形成的泥岩、页岩，有机质含量高，又称之为生油岩密集段。因此，CS段沉积在声波时差测井上存在明显的响应，声波时差常出现异常高值段，在同一层序内最大湖泛面位置达到最高，向上和向下均逐渐变小。

2）研究实例

LUO60井位于济阳坳陷沾化凹陷的南部斜坡带，结合区域地质、古生物等分析，LUO60井沙三段-东营组沉积期，仅发育了沙三下（层序1）、沙三中（下部）（层序2）、沙一段（层序4）和东营组沉积地层，缺失了沙三中的上部、沙三上和沙二段沉积。图6-7是济阳坳陷沾化凹陷LUO60井声波时差-深度的对数曲线图，由图中可以明显看出，层序界面上下的回归线存在明显的错开，并且界面之下的声波时差值高于界面之上，说明位于界面之上的湖侵泥岩具有良好的封堵性，使界面之下地层形成异常压力，抑制了压实作用的进行。沙三下（层序1）和沙一段（层序4）的CS段在声波时差上的响应明显，具有明显的高值，并且在最大湖泛面位置达到最大，向上、向下均呈减小趋势。

图6-7 济阳坳陷沾化凹陷LUO60井声波时差-深度的对数曲线图

（二）利用地层倾角测井资料识别层序界面或不整合面

层序边界对应于不整合面或与之相对应的整合面，特别在湖盆边缘地区多表现为不整合面。这种与不整合面相对应的层序界面的形成经历了两个过程，先是湖平面快速下降的过程和后期湖平面上升沉积地层超覆的过程。特别在沉积物物源供给充分的条件下，沉积地层产状在界面上下常存在一定的差异，这种特点将在地层倾角测井上形成一些特殊的响应。

地层倾角测井是在井内测量地层面倾角和倾斜方位角的一种测井方法。地层倾角测井资料在地质上有着广泛的应用，可以研究地质构造、识别断层和不整合等构造变化，还可以利用地层倾角资料研究沉积地层的层理构造、沉积盆地的古水流方向和沉积环境的水动力特征等（王贵文等，2000）。如地层倾角矢量图可分出绿色模式、红色模式、蓝色模式和杂乱模式，不整合面上下的地层倾角矢量图的模式特征常存在明显差异，出现杂乱模式或断模式。但当不整合面上下的地层产状变化不大时，常规地层倾角矢量图很难识别出不整合面或层序界面。在此，本文将重点介绍利用累计地层倾角图识别不整合面（层序界面）的方法，累计地层倾角是由Neil F.Hurley（Neil F.，1994）提出的，并已成功应用于海相碳酸盐岩沉积地层的研究中。

1.利用累计地层倾角图识别层序界面的基本原理和方法

虽然常规地层倾角矢量图上也能反映出不整合面，但当不整合面上下地层产状差异不大时，很难识别出不整合面或层序界面。累计地层倾角图可以突出由不整合或断层引起的地层倾角异常变化，还可以去除一些反常的倾角值。其中由不整合引起的地层倾角异常变化正好是层序界面的位置，因此在对累计地层倾角矢量图分析过程中，需结合研究区的其他地质资料，排除断层引起的累计地层倾角的异常变化。

一旦对某口井进行了地层倾角测井，将获得该井中不同深度地层层面的产状，在此将测量结果按由浅到深的顺序进行排列，并对每一测点结果给定一个编号，一般情况是最浅的测点编号为1，由浅向深以整数增加的方式连续编号，并从1号测点开始对每个测点的倾角值按顺序依次进行累计。累计地层倾角图是累计倾角数值对测点编号或深度（编号对应的深度）的交汇图。在交汇图上，Y轴为测点编号，并按一口井的测点编号由小到大（或深度由浅到深）依次从Y轴顶端向下排列。X轴为累计倾角，从起始的0°到最大累计度数排列。然后，重点解释近于直线的累计倾角图上的转折点处，当研究的目的井位于褶皱构造时，累计倾角曲线表现为弯曲状。同时，为了更加突出小倾角变化引起的转折点，可作出累计倾角曲线的一阶导数曲线，它可用1（即两相邻测点编号差）除以两相邻测点累计倾角差算出，一阶导数值比较分散的地方反映了该井段的倾角变化相对较大。

为了消除岩性的变化对倾角变化的影响，特别是砂岩层，多发育交错层理，层理的存在可影响到倾角的变化，因此，为了更好地识别由不整合引起的层面倾角的变化，在统计层面倾角时可将砂岩、砾岩等粗碎屑岩所对应的倾角剔除，主要对泥岩、页岩、灰岩等细粒沉积物的倾角进行统计。

2.研究实例

GUO10井位于济阳坳陷车镇凹陷的郭局子洼陷的南部斜坡带，沙三段下部与沙四段上部基本以细粒沉积为特征，主要为泥岩、灰质泥岩、泥质灰岩等。表6-1为GUO10井的沙河街组的地层倾角、累积地层倾角及其一阶导数的数据表，图6-8分别为GUO10井的累计倾角对测点编号的交汇图和累计倾角的一阶导数图。

表6-1 济阳坳陷车镇凹陷GUO10井累积地层倾角及其一阶导数数据表

续表

图6-8 车镇凹陷LUO10井的累计倾角对测点编号交汇图（上）和累计倾角的一阶导数图（上）

由图6-8可以明显看出，累计倾角在1710°左右存在明显的异常或拐点，所对应的深度约在2824 m左右。该深度为沙三段与沙四段的分界线，相当于该地区沙三段层序的底界面，录井剖面的下部为灰色泥质灰岩与泥岩的互层，上部为深灰色泥岩，界面特征较不明显。

（三）利用声波时差曲线和电阻率曲线交汇图识别层序地层界面

近年来，国内外许多学者在岩心实测数据标定的基础上，利用测井资料来识别富含有机质的烃源岩和进行有机碳总量测定（Passey Q.R.，1990；张志伟等，2000）。该方法是利用测井曲线的重叠法，把刻度合适的孔隙度曲线（一般为声波时差曲线）叠加在电阻率曲线上，在富含有机质的细粒烃源岩中，两条曲线存在幅度差，定义为ΔlogR（Passey Q.R.，1990）。在未成熟的烃源岩中，两条曲线分离的原因是由孔隙度曲线响应造成的；在成熟的烃源岩中，生成的烃类替代岩石孔隙中的水，导致电阻率增大，使两条曲线产生更大的差异（或幅度差）。并且，在一般情况下ΔlogR与烃源岩中的有机碳总量（TOC）成正比关系。图6-9是济阳坳陷东营凹陷牛庄洼陷NIU38井实测有机碳总量（TOC）与ΔlogR对比图，两者间存在良好的对应关系。但沉积地层中的其他地质现象也可引起这两条曲线的幅度差，如油气层、火山岩、蒸发岩、未压实的沉积物等，此时，需要结合其他测井曲线进行综合分析。

图6-9 NIU38井实测有机碳总量（TOC）与ΔlogR对比图

如前所述，层序地层格架内的有机碳总量（TOC）在垂向上呈周期性变化，在单一层序地层剖面中，TOC的峰值与最大海（湖）泛面对应，层序界面常对应于TOC的低谷。因此，声波时差测井曲线和电阻率测井曲线叠合图上的ΔlogR与层序界面和CS段间也存在良好的对应关系。

LUO67井位于济阳坳陷沾化凹陷南部斜坡带的罗家地区，在沙三段沉积期，该地区陆源物质供给不足，发育了一套浅湖、半深湖相的泥岩沉积。图6-10为LUO67井声波时差-电阻率的交汇图与层序界面、CS段关系图。从图中明显可以看出，沙三下（层序1）的底界面、沙三上（层序3）的底界面和顶界面处的ΔlogR迅速降低为0，沙三中（层序2）的底界面处ΔlogR虽未降为0，但存在明显的减小，与该时期的湖平面下降规模小有关。层序1、层序2和层序3的CS段位置的ΔlogR明显增大，并且在同一层序内部向上、向下逐渐减小。

图6-10 济阳坳陷沾化凹陷LUO67井ΔlogR与层序界面、CS段的对应关系

（四）利用其他测井资料识别层序地层界面

测井项目很多，除了上述声波测井、地层倾角测井、电阻率测井等之外，还有自然伽马能谱测井、自然伽马测井、自然电位测井等在层序地层划分中也经常用到。例如我们经常利用自然电位曲线或自然伽马曲线的形态特征来划分准层序或者准层序垂向叠加模式，特别在砂体沉积相对发育地区，应用最为广泛，并且较为可靠。

CS段是层序中特殊时期的产物，在层序地层划分中，我们将其作为湖侵体系域的顶界面（理论上CS段是跨体系域的产物，在实际研究中，很难从中间将两者划分开，为了研究、实际操作方便才如此处理），其在常规测井上常常具有一些典型的特征，由于CS段或密集段多对应薄层泥岩、页岩等，其在测井曲线上多表现为高自然伽马、低自然电位、尖峰状高阻、高密度、高声波等特点。

同时，层序地层单元及其界面在自然伽马能谱测井中也存在一些特征的响应，CS段多表现为高K值、高U值、高Th值和高Th/K比值、低Th/U比值（图6-11）。

图6-11 济阳坳陷LUO67井自然伽马能谱测井的层序界面响应