一自然伽马曲线在泥页岩古气候研究中的应用

杨 光, 司道彬, 刘 明, 张小颜

(1.中国石化胜利油田分公司 地质科学研究院,山东 东营 257015; 2.中国石化胜利油田分公司 石油开发中心,山东 东营257015;3.中国石化胜利油田分公司 桩西采油厂,山东 东营 257237;4.中国石化胜利油田分公司 河口采油厂,山东 东营 257200)

一自然伽马曲线在泥页岩古气候研究中的应用

杨 光1, 司道彬2, 刘 明3, 张小颜4

(1.中国石化胜利油田分公司 地质科学研究院,山东 东营 257015; 2.中国石化胜利油田分公司 石油开发中心,山东 东营257015;
3.中国石化胜利油田分公司 桩西采油厂,山东 东营 257237;4.中国石化胜利油田分公司 河口采油厂,山东 东营 257200)

地层中的碳酸盐含量对古气候变化比较敏感:当古气候偏干时,碳酸盐含量升高,反之降低,利用碳酸盐指标可以研究古气候的演变。在大套湖相泥岩中,自然伽马曲线主要反映地层中泥质和碳酸盐含量的变化,两者互为消长:碳酸盐含量高则泥质含量低,反之则高。在碳酸盐实验数据无法连续获得的情况下,可以运用自然伽马曲线替代碳酸盐含量变化研究古气候。按此方法对济阳坳陷罗家地区罗69井沙三下亚段泥页岩古气候进行了研究,通过对罗69井岩心实验数据和自然伽马曲线的分析,认为罗家地区沙三下沉积时期古气候自下而上经历了热干、温湿和热湿的演变过程。

自然伽马;碳酸盐含量;泥页岩;古气候;罗家地区

依据孢粉属种研究古气候虽然比较可靠,但受孢粉分布和含量的制约,其研究成果往往时段跨度大,难以揭示亚段内部的气候演化特征。近几年有学者对过去几十年利用湖盆沉积物研究气候的进展进行了总结,认为在孢粉、碳酸盐碳氧同位素组成等资料难以获得的情况下,黏土矿物学方法是研究古气候环境最可靠、最有用的手段[1]。作为黏土中重要的组成矿物,碳酸盐含量指标已广泛应用于黄土、海洋沉积物和湖泊沉积物古气候的研究中[2- 6]。济阳坳陷沙三下沉积了大套的深湖相泥页岩,前人研究[7]认为该时期总体上属于相对热湿气候,但更精细的气候划分和研究成果并不多见。

1 研究区概况

罗69井位于山东省东营市河口区,构造位置为济阳坳陷沾化凹陷罗家鼻状构造带(图1),沙三段沉积了数百米的暗色泥页岩。钻井取心显示,罗69井沙三下亚段埋深约3 000 m,地层厚度约200 m,岩性以深灰色泥岩、灰质泥岩、油泥岩、灰质油泥岩、褐灰色油页岩为主。通过全岩矿物X衍射分析,该套地层碳酸盐含量平均为58%,黏土含量平均为18.7%,主要由碳酸盐和泥质组成。

图1 罗69井区构造位置示意图

2 自然伽马曲线适用性分析

罗69井连续取心二百余米,将沙三下地层全部取出。虽然碳酸盐样品分析数量高达521块,但由于取样密度和取心收获率的限制,要准确分析碳酸盐含量的变化还需要一条连续的替代曲线。自然伽马曲线主要反映地层中泥质和碳酸盐含量的变化,碳酸盐含量高则泥质低,碳酸盐含量低则泥质高,且曲线和岩心直接对比,消除了其他岩性对伽马曲线变化的影响,因此用自然伽马曲线替代碳酸盐含量研究古气候是一种可行的方法。

只有原生的碳酸盐才能反映湖盆沉积时的气候变化情况,因此还要分析泥岩中碳酸盐的原生性。罗家地区在沙三段沉积时期长期处于深湖和半深湖环境,沉积环境闭塞,扫描电镜显示碳酸盐与泥质呈混合或纹层状分布,碳酸盐多为隐晶质,分布较均匀,具有明显的自生特点。经岩心观察,本套地层裂缝不发育,虽然构造活动和成岩作用在泥岩局部形成了一些裂缝,但这些裂缝大部分充填了油气,只有很少一部分切层的构造缝被碳酸盐充填,构造裂缝中的碳酸盐易于识别,呈白色,显晶,主要分布在地层底部,其形成的次生碳酸盐对气候研究的影响比较小。

3 碳酸盐含量与气候的关系

碳酸盐含量和气候有着密切的联系,在温度高的环境下碳酸盐容易沉淀。实验证实,在相同压力条件下,碳酸钙溶解度随温度的增大而减小[8]。此外湖盆内碳酸盐的沉积还和生物有一定关系,当水中生物(如藻类)繁盛时,会因CO2的消耗诱发水中碳酸盐沉淀。目前中国大多数学者认为高碳酸盐含量反映气候偏干旱,低碳酸盐含量反映气候偏湿润[2]。干旱环境下,陆源沉积物减少,湖盆水体蒸发量大于补给量,水体变浅,离子浓度增高,有利于碳酸盐的沉淀。潮湿环境下,湖水补给稳定,水体较深,物源较多,利于泥岩沉积。

4 罗69井泥页岩伽马曲线特征与气候变化

将罗69井沙三下地层伽马曲线和碳酸盐、黏土、有机碳含量数据绘制成图(图2),可以看出伽马曲线值自下而上呈增加趋势,这种变化和黏土、有机碳含量的变化相近,而和碳酸盐含量变化相反,表明气候总体上从热干向热湿转变。根据伽马曲线形态,可划分为3个变化段,各段特征见表1。

表1 罗69井气候变化段数据统计

图2 罗69井沙三下泥页岩气候变化划分

第1变化段曲线变化稳定,总体表现为高伽马值。第2变化段曲线变化明显,伽马值总体由高—低—高变化,呈现一个变化旋回。第3变化段伽马值较低,整体变化不大,中下部伽马值较高,表明气候发生了一定的变化。

在第1变化段内,黏土含量达到最大值,碳酸盐含量最低,有机碳含量高,该段曲线变化稳定,说明气候变化不大,总体反映气候偏热湿。在偏湿气候时期,湖水较深,水量充足,陆上植物和水中生物繁盛,泥岩中有机质含量高,发育较好的烃源岩。第2段伽马值变化幅度较大,反映气候呈较湿—较干—偏湿旋回性变化,具有一定的温带气候特征。此时湖水时深时浅,植物和水中生物相对繁盛,泥岩中有机质含量高,烃源岩发育较好。第3段伽马值普遍降低,碳酸盐含量高,中下部伽马值、黏土和有机碳含量较高,反映气候较湿润,但整体表现为较干燥气候特征。此时湖水较浅,水量不足,生物较少,泥岩含灰质高,烃源岩指标较差。

综上所述,沙三下沉积时期,气候由热干向温湿和热湿演变。根据厚度分析,干燥气候阶段地层最厚,沉积时间较长,表明沙三下沉积初期气候以热干为主。第2段到第3段伽马值显著降低,表明在第2和第3段之间气候发生了较大变化,这种变化可能与沙三下开始的剧烈构造运动有一定关系。

5 古气候研究应用

5.1 不同气候条件下的泥岩类型

研究发现,不同气候条件下分布着不同的泥岩类型。热湿气候条件下,物源较充足,沉积速率较大,以机械沉积为主,主要发育块状泥岩,碳酸盐含量较少,一般出现于水进时期;温湿气候条件下,沉积速率较热湿时期小,仍以机械沉积为主,含一定的化学沉积,主要发育层状泥岩(层厚为2～5 mm)。热干气候条件下,物源少,沉积速率慢,化学沉积较多,主要发育纹层状泥岩(纹层厚小于2 mm),碳酸盐以纹层形式和泥岩互层分布。

5.2 气候对储层的影响

气候对储层的影响主要表现在物源、湖平面和储层性质3个方面[9]。气候变化影响着物源的类型和丰度。一般在温湿和热湿气候条件下细粒碎屑物较多,热干条件下粗碎屑物较多。热干气候往往对应构造旋回的起始阶段,能提供大量的粗碎屑体,主要沉积在湖岸或斜坡上,而细粒较好的储层主要分布在温热环境中,多在湖盆内部分布。湖平面的变化影响着储层的分布,一般地,湖平面升高时,可容空间增加,当物源充足时,储层沉积物随地形从湖盆边缘到水下斜坡均有分布,此时沉积类型丰富,扇三角洲、近岸水下扇、湖底扇等均发育;当物源较少,地形变化较大时,储层沉积物主要分布在湖盆边缘,以扇三角洲为主。湖平面处于低位时,主要发育冲积扇、扇三角洲和浅水浊积扇[10]。气候变化还对储层性质有重要影响,天气偏旱时,储层沉积物以洪水等事件沉积为主,靠近物源区储层规模较大,远离物源区储层规模急剧减少,且水上和水下沉积物的物性有明显的差异;天气湿热时,水流较充足,沉积类型丰富,储层物性明显受到沉积环境的控制。

6 结 论

(1)济阳坳陷沾化凹陷罗家地区沙三下沉积时期,气候经历了由热干到温湿和热湿的演变,沙三下沉积初期气候以热干为主。

(2)用自然伽马曲线替代碳酸盐含量变化研究古气候要在特定的条件下进行,封闭性湖泊中的大套泥页岩和原生的碳酸盐是本文研究的先决条件。

(3)由于泥岩中还分布着有机质,如果用去铀的自然伽马曲线,将能更准确地反映碳酸盐的变化。

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[2] 宋友桂.沉积矿物学在古环境恢复中的应用进展[J].东华理工大学学报:自然科学版,2009,32(4):314-320.

[3] 卢演俦.黄土地层中CaCO3含量变化与更新世气候旋回[J].地质科学,1981,16(2):122-131.

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[5] 彭红霞,李长安,杨桂芳,等.黄土中碳酸盐含量变化及其古气候记录[J].地质科技情报,2003,22(1):53-55.

[6] 沈吉,张恩楼,夏威岚.青海湖近千年来气候环境变化的湖泊沉积记录[J].第四纪研究,2001,2l(6):508-513.

[7] 李守军,王明镇,郑德顺.山东济阳坳陷古近纪的气候恢复[J].山东科技大学学报:自然科学版,2003,22(3):6-9.

[8] 赵子刚、徐启、史连杰. 高温高压下碳酸钙的溶解度及朝阳沟注水油田低渗透储层结垢问题[J].油田化学,2003,20(1):4- 6.

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[10] 李丕龙. 陆相断陷盆地油气地质与勘探(卷五)[M].北京:石油工业出版社, 2003:19- 24.

[责任编辑] 王 巍

2014-12-16

杨 光(1973—),男,山东金乡人,中国石化胜利油田分公司地质科学研究院高级工程师,工程硕士,主要从事岩心综合研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2015.01.006

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