基于伽马能谱测井信息的古水深恢复方法——以塔河油田4区巴楚组为例

万锦峰，鲜本忠，佘源琦 （油气资源与探测国家重点实验室 中国石油大学 （北京）地球科学学院，北京102249）

杨立强 （中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京100083）

基于伽马能谱测井信息的古水深恢复方法
——以塔河油田4区巴楚组为例

万锦峰，鲜本忠，佘源琦 （油气资源与探测国家重点实验室 中国石油大学 （北京）地球科学学院，北京102249）

杨立强 （中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京100083）

古水深恢复是盆地分析、层序地层学研究、古地貌恢复的重要基础内容之一。根据U、Th、K的地球化学特征及迁移规律，提出了通过数据检验、沉积背景分析、氧化－还原环境评价和古水深计算的古水深半定量恢复技术。结合塔里木盆地塔河油田4区测井数据研究表明，巴楚组沉积时期以还原环境为主，其 “双峰灰岩”之下泥岩段还原程度最强，对应于该沉积层序的凝缩段沉积。利用提出的预测水深计算公式，对灰岩层之下的泥岩层进行古水深恢复结果表明，上部泥岩层 （Ⅱ号）水深范围在1～10m之间，平均仅3m；下部泥岩层 （Ⅳ号）水深范围在1～20m之间，平均为5m。该方法的提出有助于含油气盆地中古生物资料缺乏条件下的古水深恢复的开展，也有利于改进基于沉积学方法和古生物方法进行的古水深恢复的精度，实现垂向上连续的古水深恢复，深化层序地层划分和盆地分析。

伽马能谱测井；古水深；塔河油田；巴楚组

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。长期以来对古水深的确定多基于具有水深意义的生物标志，比如钙藻［1］、底栖有孔虫与浮游有孔虫［2］、珊瑚群落［3］、介形虫与颗石藻［4］；或者是能代表水深的沉积结构［5］、自生矿物［1］；以及能够代表沉积环境的地球化学特征，比如U/Th、V/Cr和Ni/Co值及自生U含量 （AU）［6］。这些资料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，在对非野外露头区的含油气盆地沉积地层开展古水深恢复时，上述方法普遍对岩心 （实物样品）的依赖度很高，因此也难对一套地层开展连续的恢复，这很大程度上限制了古水深的研究及其应用。笔者试图利用油气勘探中广泛采集的自然伽马能谱测井资料，根据垂向上连续钍 （Th）、铀 （U）数据及其地球化学迁移规律，结合沉积背景分析和盆地水体氧化－还原性评价，建立基于伽马能谱测井信息的古水深 （半）定量恢复方法，并将该方法应用于塔河油田巴楚组古水深恢复和精确的古地貌研究之中。

1 基于伽马能谱测井信息的古水深恢复的原理

1.1 U、Th、K的地球化学特征、迁移规律以及地质意义

U属于锕系元素，在元素周期表的位置说明了其极易被氧化的性质，大多以正四价 （U4＋）以及正六价 （U6＋）的阳离子存在。U4＋多与其他元素结合成矿物富集于沉积物中。当含有U6＋的流体流经富含有机质的地层时，被有机质络合固定为腐殖酸铀酰或富里酸铀酰盐，而该类络合物在pH值2.2～6的范围内为不溶状态。pH值升高到7时，U元素主要被碳酸盐和磷酸盐络合而发生沉积。同时，根据前人研究U含量与有机碳丰度相关性高［7］，有机质在还原环境中络合物会发生如下还原反应［8］，从而使得U元素从流体中沉淀出来：

因此，沉积过程中U主要通过两种方式发生富集：①被还原并在沉积物中富集；②被有机质以及粘土矿物所吸收。

Th是自然界放射性元素中化学性质较稳定的元素。一般不受成岩后期改造和地球化学作用的影响，并且常常在粗碎屑物中形成含量较高的沉积，而在碳酸盐岩中一般含量相对较低。

K在沉积物中含量比较丰富，在砂岩中K的丰度与碎屑颗粒的粒度成反比关系。

在正常沉积环境下，粒度粗细与水动力强弱成正相关，故可利用Th/K反映水体的能量。天然放射性元素的这些地球化学特征及其规律的差异性，构成了利用各种能谱参数研究和解决地质问题的理论基础［9］。其中，Th/U体现了水体的氧化还原性，Th/K则表现了水体动力环境。

1.2 古水深恢复方法

沉积水体的还原程度与水深之间具有密切的关系，所以利用伽马能谱测井信息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Th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，需选择岩性一致的岩层进行研究。对于平面上与垂向上不属于相同沉积水体范围的工区需要分别分析，调整计算公式的参数。

图1 基于沉积相约束下的伽马能谱测井恢复古水深研究流程图

基于伽马能谱测井的古水深恢复方法流程如图1所示，具体步骤分如下4步：

1）数据检验 分析数据中明显的异常点，主要有人为因素与地质因素两类，对于人为因素而导致的误差需剔除，而地质因素引起的异常点则需进行更深入的讨论。

2）沉积背景分析 为获取工区沉积时期的水深范围，并对具有等时意义的地层进行对比，需要利用层序地层学原理与沉积学方法进行等时格架的构建与沉积相的划分。

3）基于Th/U、Th/K对目标层沉积环境进行评价 首先，利用Adams等［10］基于大量数据提出的规律（Th/U＞7时为陆相沉积环境，海相沉积中Th/U多小于7，深海页岩Th/U多小于2）对前期沉积相研究做出进一步论证，然后采用代大经等［11］对四川盆地三叠系嘉陵江组研究中提出的钍铀比 （Th/U）评价氧化还原性、钍钾比 （Th/K）评价水动力条件的标准 （表1）。但需注意，由于嘉陵江组整体为碳酸盐岩沉积，岩石中Th含量偏低，所以该标准在对碎屑岩沉积进行评价时可能使得结果偏氧化。

表1 Th/U、Th/K与沉积环境之间的关系 （代大经等［11］，1995）

4）确定相对古水深与预测水深计算公式及相关参数 陈中红等［12］在东营凹陷利用U含量曲线对水深进行了讨论，并提出了预测水深函数 （式 （2））。该次研究采用该函数进行计算。

定义U含量等于零时为水平面，各数据点偏离该值的大小就反映了相对水深。其表达式为：

式中，W（U）i为各个点的U含量值；D为相对水深值；i为数据点的顺序标号。

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。由此提出了预测水深的计算公式如下：

式中，H为恢复点的预测水深，m；Dmax为相对水深最大值；Hmax为实际水深最大值，m。

2 利用伽马能谱测井信息进行古水深恢复实践

2.1 巴楚组层位划分及目标层位选取

以塔里木盆地塔河油田4区巴楚组为例，利用伽马能谱测井信息进行古水深恢复。石炭系巴楚组是研究工区内超覆于奥陶系岩溶地貌顶面的一套以碎屑岩为主、碳酸盐岩为辅的沉积盖层。巴楚组按岩性分为3段，其中有一套全区稳定分布，在地震剖面上为一条连续同向轴，在测井曲线上表现为两段低伽马值高电阻率特点的灰岩岩层，俗称 “双峰灰岩”。把巴楚组三段与二段的顶部分为4层 （图2），其中Ⅰ层与Ⅲ层为双峰灰岩段灰岩，Ⅱ层为两层灰岩段中所夹的泥岩段，Ⅳ层则为巴楚组二段顶部10m厚的泥岩段 （该段又可称为 “下泥岩段”）。根据前人研究，巴楚组地层为一个完整的三级层序［13］：Ⅳ层所在地层为盐湖沉积，Ⅱ层所在地层属于咸化泻湖沉积［14］；Ⅳ层为海侵体系域，而Ⅰ层为高位体系域，Ⅳ层顶界面为最大洪泛面。

Th含量值是主导Th/U含量值在不同岩性中变化的主要因素之一，其值受岩性影响较大，而U含量值受岩性影响较小。以TK211井为例：Ⅳ层与Ⅱ层为泥岩而Ⅲ层为碳酸盐岩。Ⅳ层的Th含量值在10.05～5.97范围内，均值为8.13；Ⅲ层的Th含量值在7.81～0.39范围内，均值为2.03。从Ⅳ层泥岩段到Ⅲ层碳酸盐岩段Th含量值上升超过了300%。Ⅳ层的U含量值在3.52～1.42范围内，均值为2.52；Ⅲ层的U含量值在2.04～0.79范围内，均值为1.32（图2）。从Ⅳ层到Ⅲ层U含量值下降了47%。Ⅱ层的Th含量值均值为6.75而U含量值的均值为1.86。同为泥岩段的Ⅳ层与Ⅱ层，Th含量值仅变小了17%，U含量值则变小了26%。证明岩性对Th含量值的影响非常大。所以为了能剔除由于岩性而导致的对氧化还原性质评价的影响，选取具有相同岩性的Ⅳ层与Ⅱ层作为目标层。

2.2 Th、U、K数据来源与处理

该次研究所使用的Th、U、K含量数据都来自于伽马能谱测井信息。由于在目标层段进行了两次测井，为了防止两次测量所造成的误差，故只使用了第1次测量的数据。选取工区49口井的数据，Ⅱ层与Ⅳ层的K含量平均值分别为2.024%与2.128%，两层K含量变化不大，且岩性一致。

由于巴楚组埋深较大、时间较长，经历了长时间的后生成岩作用，使得原生的U发生了迁入或迁出。为了更好地反映泥岩同生阶段的Th/U，应采用Th与U的平均值来计算Th/U［15］，这可在一定程度上压制U在后生成岩期的含量波动。

2.3 巴楚组沉积环境分析和预测水深的计算

根据不同层位Th/U含量值的统计分析 （图3），研究工区所有井的目标层位Th/U都小于10，说明该地区在巴楚组沉积时期处于还原环境。两套地层只有4%的井显示Th/U大于7，证明该区属于以海相沉积为主的海陆过渡相，符合前人对该地区为泻湖沉积环境的判断。Th/U含量值在Ⅳ层分布为0.7～8.5，均值为2.5；有88.1%的井Th/U＜4，反映在Ⅳ层沉积时以强还原环境为主。Ⅱ层Th/U含量值分布在0.8～8.9之间，均值为2.8。

Ⅱ层水体与Ⅳ层水体的Th/U成正相关的关系 （图4），说明Ⅱ层水体氧气含量比Ⅳ层沉积时要充分，且Th/U的均值也比Ⅳ层的略大。推测在Ⅱ层沉积时水深要比Ⅳ层沉积时浅。

图2 塔河油田4区巴楚组层位划分

图3 塔河油田4区巴楚组Ⅳ层、Ⅱ层Th/U频率图

图4 塔河油田巴楚组Ⅳ层与 Ⅱ层Th/U关系图

Ⅱ层U含量均值为2.9mg/L，Ⅳ层U含量均值为3.5mg/L。Ⅳ层到Ⅱ层沉积环境相对富氧，水体变浅，沉积物中U相对变少。把由测井获得的各点U含量值按照层位分别代入式 （1），就能计算出每一个地层段所对应的相对水深值。Ⅳ层到Ⅱ层，Dmax（相对水深最大值）由73.9减少为35.9，相对水深均值由16.3减少到10.2。说明水深整体变浅，含氧量增加，与根据Th/U评价的沉积环境变化趋势相同，佐证了Ⅳ层顶界面为最大海泛面的认识。

根据对现代海岸泻湖的研究成果发现，一般的海岸咸化泻湖水深不会超过10m，泻湖水深不超过20m。由于缺乏现代沉积中泻湖的水体深度与Th、U含量的统计规律，故采用式 （2）尝试恢复。工区Ⅱ层的预测平均水深为3m，Ⅳ层预测平均水深略高为5m。对比图5与图6可知，Ⅱ层继承了Ⅳ层水体中间水浅、南北部水深的趋势，且到Ⅱ层时中部水体相对偏浅的范围有所扩大。Ⅱ、Ⅳ层TK442井都为预测水深值最大的一口井，推测该井以及周边地区可能存在岩溶洼地，使得水体比较深，氧含量不充足U相对富集。

研究认为：①Ⅱ层与Ⅳ层整体处于还原环境，水体缺乏交换使得含氧量偏低；②Ⅱ层的还原性要稍弱于Ⅳ层，Ⅳ层沉积时水深在总体上要比Ⅱ层沉积时要深，最大海泛面应为Ⅳ层的顶界面。

图5 塔河油田4区巴楚组Ⅳ层预测水深图

图6 塔河油田4区巴楚组Ⅱ层预测水深图

3 问题与讨论

利用伽马能谱测井资料进行沉积环境评价时，首先假定伽马能谱测井所测定的Th、U、K值就是地层中对应元素的含量，但是伽马能谱仪实际所测的是Th、U、K这3个放射族里的某个特征光谱，即选用U系中的214Bi发射的1.76MeV的伽马射线识别U，选用Th系中的208Tl发射的2.62MeV的伽马射线识别Th，用1.46MeV的伽马射线来识别K。然后，根据放射性平衡原理来推测出3者的含量。但在地质历史中，保持放射性平衡是很困难的，所以伽马能谱测井所得到的元素含量也并不能完全反映地质体中对应的含量。

此外，利用Th与U的均值表示同生沉积时的含量，也是基于U只在该工区迁移富集［15］。如果工区存在部分的U已经迁移到工区以外，而对已经迁移出沉积区的那部分U尚无办法进行恢复，就使得Th/U偏大，环境偏氧化。在计算水深时由于U含量偏低，也会使得水深偏浅。

最后，也有部分因素导致Th/U含量值可能偏高：①沉积物中如有富含Th、U的沉积矿物必会导致含量偏高，比如锆石。这些矿物大多抗风化能力强，所含U与Th都很难被风化迁移而出，造成了Th或U富集的假象。②其他沉积盆地中的U被地下水流迁入到研究区，使得U含量值偏大，沉积环境偏还原。

4 结 语

笔者利用层序地层分析找到等时的沉积界面，通过沉积相的分析确定水深范围；然后根据伽马能谱的测井信息求取Th/U、Th/K值，判断还原氧化环境；最后利用水深计算公式参考现代沉积水深资料把测井信息转化为水深数据，并与沉积环境评价结果做互相的印证与讨论。在使用时应注意对成岩作用影响的压制，以及目地层位的选取需在相同的沉积水体范围内。在塔河油田4区的实践中，目标层段的Th/U在0.6～8.9分布，整体为还原环境，符合沉积相为泻湖沉积的认识。Ⅳ层水深范围为1～20m，平均水深为5m；Ⅱ层水深范围为1～10m，平均水深为3m。Ⅳ层顶界面为巴楚组的最大海泛面。该方法克服了古生物学以及沉积相对岩心的依赖，使得在缺少实物样品的研究工区也能够对地层进行连续的水深恢复。更精确地拟定了层序界面和古水深的变化情况。

但由于古水深恢复是一个复杂多因素的过程，需要做更深入的工作，比如为保证沉积环境水深范围的精确性应建立起现代沉积中各种沉积环境的水深信息数据库与统计规律，深化元素迁移规律的研究。同时，应把该方法与其他方法所获得的水深信息进行互相的校正，从而得出更加精确连续的垂向的水深变化曲线，最终做到精确定量恢复古水深。

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Palaeobathymetric Reconstruction Based on Natural Gamma Ray Spectrometry Logging Data——By Taking Bachu Formation in Region4of Tahe Oilfield for Example

WAN Jin－feng，XIAN Ben－zhong，SHE Yuan－qi，YANG Li－qiang（First Author's Address：State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting；Faculty of Geosciences，China University of Petroleum，Beijing102249，China）

Palebathymetric reconstruction was one of the important foundations of basin analysis，sequence stratigraphic study as well as paleogeomorphy recovery.Based on geochemical characteristics and rules of migration and accumulation of Th，U，K，a semi－quantitative method with 4steps was introduced to restore paleo－depth of water and checking.The method was used in Block 4of Tahe Oilfield for example.Log analysis shows that there is hardly any oxygen of water in the second and third members of Bachu Formation，and the latter one corresponds to the condensend section which has the strongest reductibility.The upper mudstone（Ⅱ）is deposited on the ocean floor between 1to 10mand the average depth of water is 4m.The lower mudstone（Ⅳ）is deposited in between 1to 20mand the average depth of water is 5 m.This method is beneficial for rebuilding the palebathymetry of sedimentary basin which is in short of paleontological data，also beneficial for improving the accuracy of restoring palebathymetry，recovering the continuous curve of water depth，and deepening sequence stratigraphic subdivision and basin analysis.

natural gamma ray spectrometry log；palaeobathymetric；Tahe Oilfield；Bachu Formation

P631.84

A

1000－9752（2011）06－0098－06

2010－11－16

国家科技重大专项 （2008ZX05014－001－009HZ）。

万锦峰 （1987－），男，2009年大学毕业，硕士生，现主要从事沉积学、层序地层学方面的研究工作。

［编辑］ 龙 舟