一种定量恢复湖盆古水深的方法与流程

本发明涉及古环境恢复领域，具体涉及一种定量恢复湖盆古水深的方法。

背景技术：

古水深恢复是古环境研究和盆地分析的重要内容，也是确定古代海平面变化、古地貌恢复的关键内容。古湖盆水深的恢复对于研究古沉积盆地的沉积历史、确定沉积体系类型、评价油气生、储、盖层的条件等都有重要的意义。目前，对于湖盆古水深的恢复方法主要有以下几种：

(1)沉积学方法：根据沉积物的分布规律、沉积构造、古生物类型、古生态及自生矿物等多方面的沉积学标志来定性确定；

(2)地球化学标志法：利用自然伽马能谱曲线获得的Th、U曲线，根据Th/U比值与氧化—还原条件的关系、氧化—还原条件与水深的关系，可间接获得古水深范围；

(3)古生物类型及古生态方法：在缺少遗体化石的湖泊沉积环境中，可以采用遗迹化石，如潜穴、足迹、爬痕以及其他生物扰动构造来确定相对古水深；

(4)相对古水深曲线方法：利用岩心相分析、测井岩相分析结果，结合盆地古地形、古水介质等古地理背景分析，建立盆地沉积相古水深一岩相一沉积相模式图，这样对于每一种岩相类型均可同一定的沉积环境对应，而每一种沉积环境又具有特定的水深范围，由此可以完成测井岩相一古水深刻度过程，进而确定出各种岩相相对古水深范围；

(5)定量的古水深恢复方法：包括利用钴元素定量研究古水深方法和利用铀元素定量研究古水深方法。

以上对沉积湖盆古水深恢复的方法是目前常用的方法，为古水深的恢复提供了有用的信息，已取得大量研究成果，但是都存在一定的不足和缺点。以下分别说明利用以前的各种方法恢复湖盆古水深的缺陷和不足。

(1)沉积学方法：对岩心的依赖度很高，以定性为主，在垂向上不连续。

(2)地球化学标志法：Th/U比值曲线可以近似地看作是古水深相对变化曲线，能够反映出古水深相对变化的旋回性，但是精度不高，仅可反应粗略的范围，同时需要进行自然伽马能谱测井。

(3)古生物类型及古生态方法：利用古生物资料根据古生物分异度与水深的定量恢复古水深时，需要大量的系统取样并充分利用古生物资料，而有些研究区缺乏古生物资料，并且主要是定性分析古水深。

(4)定性的相对古水深曲线方法：精度很低，只能表示大概的范围，存在较大误差和主观判断因素。

(5)定量的古水深恢复方法：需要指定元素的测井结果，成本较高而且不具有普遍性。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种定量恢复湖盆古水深的方法，只需要利用钻井的自然伽马测井曲线(GR曲线)和个别钻井的自然伽马能谱测井曲线(NGS曲线)，就可以对每个层段的相对古水深进行恢复，并结合沉积规律和实例定量计算出实际水深，并可编制湖盆的古水深平面分布图。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

一种定量恢复湖盆古水深的方法，包括以下步骤：

1)选取合适井位钻井测井数据：

在待恢复的湖盆中任选一口井进行伽马测井和自然伽马能谱测井，对目的层段读取纯泥岩段的GR值和U值；

2)建立U和GR值的关系：

建立起GR值和U值的函数关系；

U＝f(GR)(Ⅰ)；

3)计算各口井的U值：

测量其余各钻井目的层段纯泥岩段的伽马值，利用公式(Ⅰ)，计算出U值；

4)相对古水深的计算：

定义U含量等于零时，古水深为零；

相对古水深表达式为：

式中，L为相对古水深，N为目的层段连续泥岩段的数量，f(GR)为各个泥岩段利用自然伽马值计算的U值；

5)最大古水深的确定：

将待恢复的湖盆中有机碳最大值Tmax，代入公式(Ⅲ)得到目的层段最大古水深Hmax；

T＝1.048^H-0.8(Ⅲ)

式中T为沉积岩层的有机碳含量，％；H为湖盆古水深，m；

6)古水深定量的恢复：

把相对古水深L代入公式Ⅳ得到实际水深H；

H＝Hmax×L/Lmax (Ⅳ)

其中H为湖盆古水深，m；Hmax为步骤5最大古水深，m；L为步骤4相对古水深；Lmax为步骤4最大的相对古水深值；

7)湖盆古水深重建：

对每口井进行上述计算，统计出目的层段每口井的实际水深平均值，编制出目的层段的湖盆古水深分布图，重建湖盆古水深。

按上述方案，同一目的层段Hmax全区都用一个值，每口井同一目的层段Lmax为一个固定值。

自然伽马测井(GR)是一种重要的常规地球物理测井，在油气勘探中应用广泛，尤其在古环境、古气候的恢复及反演方面受到人们的日益关注，而在自然伽马测井的基础上发展起来的自然伽马能谱测井(NGS)不仅可以反映总的伽马放射性强度，还可以定量测试放射性元素铀(U)、钍(Th)、钾(K)的含量，但是自然伽马能谱测井属于特色类型测井，测井费用昂贵。

铀属于锕系元素，铀在周期表中的位置及其原子结构决定了它的化学性质。铀的化学性质比较活泼，在自然界中主要以正四价及正六价存在，铀的正四价主要存在于强酸性介质中，当酸性减弱时，它将水解生成U(OH)3+和UO2+。影响正四价铀与正六价铀之间相互转化的主要因素是氧化还原电位。在氧化状态下，岩石中正四价铀被氧化为正六价铀而转入地下水中，造成岩石中铀含量降低，地下水中铀含量升高；在还原条件下，正六价铀被还原为正四价铀沉淀，造成地下水中铀含量降低，岩石中铀含量升高。

根据前人研究铀元素含量与有机碳丰度相关性高，铀的富集机理主要是有机质在成岩过程中对铀的还原和吸附作用，这是因为有机质是沉积岩中最普遍的还原剂和吸附剂，它是调节沉积岩中正四价铀与正六价铀之间转化的主要因素，也是制约沉积岩中铀迁移与富集的主要因素。湖相暗色烃源岩中有机碳的丰度变化成为湖平面升降变换的响应，因此铀也可以作为古环境的指示参数。铀曲线记录了在测井仪周围地层中垂向上连续沉积的铀的相对含量，可以反映在地史演化过程中由于构造沉降、气候变迁和沉积物注入等因素而引起的水深及湖平面的变化。

沉积水体的还原程度与水深之间具有密切的关系，所以利用本方法进行古水深恢复的基本前提是：首先，在平面上研究工区应处于同一个沉积水体范围；其次，在垂向上研究目的层段应均为沉积岩层，且发育于同一沉积水体中；最后，由于U在碎屑岩与化学沉积岩之间含量不同，为了剔除岩性的影响，需选择碎屑岩的岩层进行研究。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

本发明在地层划分的基础上，只需要利用钻井的自然伽马测井曲线(GR曲线)和个别钻井的自然伽马能谱测井曲线(NGS曲线)，就可以对每个层段的相对古水深进行恢复，并结合沉积规律和实例定量计算出实际水深，并可编制湖盆的古水深平面分布图。

本方法解决了利用沉积学方法和古生物类型及古生态方法恢复古水深的不连续和依赖实物样品问题，解决了利用定性的相对古水深曲线方法和地球化学标志法恢复古水深的精度低问题，解决了利用定量的古水深恢复方法恢复古水深的经济性问题。

附图说明

图1：本发明定量恢复湖盆古水深的流程图；

图2：自然伽马(GR)和铀(U)相关关系图；

图3：湖盆水深与沉积物有机碳含量关系图；

图4：万12井古水深恢复图；

图5：江陵凹陷新沟嘴组Ⅱ油组沉积时期古水深等值线图。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

本发明定量恢复湖盆古水深的过程如下，参照附图1所示：

(1)选取合适井位钻井测井数据。

在待恢复的湖盆中挑选1口井进行伽马测井，同时进行自然伽马能谱测井，对待恢复的水深层段(目的层段)读取纯泥岩段的GR值和U值。

(2)建立U和GR值的关系。

根据步骤(1)中的数据，建立起GR值和U值的关系，其它待恢复的钻井不需要开展自然伽马能谱测井，有伽马测井就可以开展本研究。

建立的公式可以记为：U＝f(GR)(Ⅰ)

(3)计算各口井的U值。

对于没有开展伽马能谱测井的钻井，通过读取目的层纯泥岩段的伽马值，利用公式(Ⅰ)，计算出U值。

(4)相对古水深的计算。

定义U含量等于零时，古水深为零，各数据点偏离该值的大小就反映了沉积的泥岩段相对古水深的大小，简称为相对水深L。相对水深越大，其相应的实际水深也越大。其表达式为：

式中，L为相对古水深，N为目的层段连续泥岩段的数量，f(GR)为各个泥岩段利用自然伽马值计算的U值。

(5)最大古水深的确定。

由于湖盆古水深和沉积岩层有机碳之间存在以下关系。

T＝1.048^H-0.8 (Ⅲ)

式中T为沉积岩层的有机碳含量，％；H为湖盆古水深，m。

因此某一时期中，古湖盆最深的地方就是有机碳含量最大的地方。根据待恢复的湖盆中有机碳最大值Tmax，带入公式(Ⅲ)可以得到目的层段最大古水深Hmax。

(6)古水深定量的恢复。

为把相对水深转化为实际水深，假定水体氧化还原环境与实际水深成正相关的线性关系。得到以下计算公式

H＝Hmax×L/Lmax (Ⅳ)

其中，H为实际的湖盆古水深，m；Hmax为步骤(5)中的湖盆最大古水深，m；L为步骤(4)中计算的相对古水深；Lmax为L中最大的相对古水深值。

(7)湖盆古水深重建。

对每口井均进行上述计算，其中Hmax同一层段全区都用一个值，Lmax每口井同一层段为一个固定值。再细分小层后就可以统计出目的层段每口井的实际水深平均值，根据这些钻井数据就可以编制出目的层段的湖盆古水深分布图，从而重建湖盆古水深。

实施例1

应用以上方法，在江汉盆地江陵凹陷新沟嘴组中，共选取了35口井计算该时期的古水深值，最终绘制了单井的古水深变化柱状图和全井的古水深等值线图，成功的恢复了研究区研究层段的古水深分布情况(见附图5)。

以万12井和研究区的Ⅱ油组为例进行说明。根据路13井泥岩段铀和伽马值，建立了U值和GR值的关系(见附图2)。根据万12井泥岩段读取的伽马值，可以计算铀值。通过铀值可以计算相对古水深(见附图3)。江陵凹陷Ⅱ油组沉积时期的有机碳的最大值为2.93，位于新沟嘴组下段Ⅱ油组的鄂深25井，带入前述的有机碳与古水深的计算公式得，研究区的Hmax＝28m，最后可以计算Ⅱ油组连续的古水深。用同样的方法也可以计算出Ⅰ油组和泥隔层的古水深(见附图3)。通过计算后发现万12井Ⅰ油组古水深在5-10m，Ⅱ油组在15-20m，泥隔层在5-7m，与区域认识和岩性颜色比较符合。在完成35口井的计算后，通过计算平均古水深值，重建新沟嘴组Ⅱ油组湖盆古水深(见附图4)。江陵凹陷Ⅱ油组古水深大部分地区在10-18m，在几个深洼古水深可达25-30m，属于典型浅水性湖盆。重建的江陵凹陷新沟嘴组古水深符合区域地质认识，指导了江汉盆地江陵凹陷成油气地质条件研究和油气勘探。