碳酸盐岩低级序不整合面的识别方法

摘要

本发明关于一种碳酸盐岩低级序不整合面的识别方法，通过对岩层样品中锶(Sr)元素的浓度进行测定，根据浓度异常来识别不整合面。选用锶元素的浓度异常来识别和研究不整合面，是因为包括钒元素、镍元素在内的其他指标等易受后期成岩作用的影响发生不可预期变化，但Sr非常稳定，不会因后期成岩作用的影响发生迁移，可真实反映地层原始沉积特征，且Sr浓度的测量可操作性强、测定精度高。尤其对于缺少明显角度接触关系和生物化石指标的碳酸盐岩低级序不整合的识别，具有不可替代的作用。Sr浓度较大幅度(≥14％)的异常可指示不整合面的存在。本方法具有特征明显、灵敏度高、结论准确、干扰因素少、操作简单、省时省力、易于判断和普适性好等特点。

权利要求

1.一种碳酸盐岩低级序不整合面的识别方法，其特征在于，所述方法是通过对岩层样品Sr元素的浓度进行测定和记录，根据Sr元素的浓度异常与不整合面的相关性进行不整合面的识别；所述识别方法包括如下步骤：S1、连续采集岩层样品

利用浅层取样钻机对新鲜岩层样品进行采集，在垂直于岩层层面方向上等间距采样，间距为1～2m；定义每一个距离起始岩层层面的厚度值所在岩层层面为一个层级，在每层级上采集3个样品；

S2、样品预处理

将每个样品磨碎过200～300目筛，在真空条件下用氢氟酸溶液进行溶解，释放出CO2，然后在电热板上蒸发干净氢氟酸，再用硝酸密封溶解并稀释，过滤去渣，将清液用作待检测样品；

S3、对待检测样品中Sr元素浓度的测试

利用高分辨电感耦合等离子质谱法对每个待检测样品中Sr元素浓度进行测试，测试温度为23℃，相对湿度为43％；测试时对同一块样品进行多次测试，将浓度值公差不超过±

3％的数据确定为有效值，对有效值求平均值；将采自岩层同一层级的3个样品的平均值分别定义为Xn-1、Xn-2、Xn-3；其中n代表采集样品所在的岩层层级数，n是≥1的自然数；

S4、对采自岩层同一层级的3个样品的平均值Xn-1、Xn-2、Xn-3按照如下方式进行处理，计算得到该层级的测量值Xn；

S5、重复进行S3、S4的步骤，得到第1层级到第n层级岩层的测量值X1、X2……Xn；

S6、根据S5的测量结果绘制Sr的浓度随层级递增的变化曲线图；

S7、观察按照步骤S6的方法绘制的Sr的浓度随层级递增的变化曲线图；

S8、找出Sr浓度值出现突然性下降且降幅达到14％-75％的点，确定该点所在的层级数，该层级数对应的位置存在不整合面。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中Sr元素的浓度单位是ppm，测量精度为±0.001ppm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对同一地区的不同位置的露头剖面的岩层依照上述S1-S7的方法操作，并将不同位置的露头剖面的Sr的浓度随层级递增的变化曲线图整合到一张总图中，在每一条Sr的浓度随层级递增的变化曲线图上找到Sr浓度值出现突然性下降且降幅达到14％以上的点，由该些点同时出现的层级位置来进一步确认不整合面的存在位置。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对不同位置的露头剖面的岩层依照上述S1-S7的方法操作，找到Sr浓度值出现突然性下降的相邻两个层级，综合确认不整合面的存在位置。

说明书

碳酸盐岩低级序不整合面的识别方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种碳酸盐岩低级序不整合面的识别方法。

背景技术

[0002] 不整合是指上下两套不同时代地层之间出现过沉积间断或地层缺失的地层接触关系，其通常由区域性地壳运动、海平面升降或局部构造作用而形成。我国主要的含油气盆地经历了加里东、海西等构造运动，形成一系列的地层不整合面。这些不整合面对油气资源的生、储、聚等具有重要的控制作用，不整合面的识别与研究对油气勘探开发具有重要意义。

[0003] 碳酸盐岩地层中发育不同级序的不整合。其中较高级序的不整合多属于构造运动或者海平面长期大幅度下降形成的暴露剥蚀面，其暴露剥蚀时间可持续几十个百万年，剥蚀量可达上千米厚。因此比较容易进行识别和研究。我们将地层中无明显的角度不整接触关系，由台地局部隆起或海平面短期下降等原因所造成的沉积间断面定义为低级序不整合面，其地层缺失一般小于一百万年。前人的研究多集中在高级序不整合，对于低级序不整合的研究程度较低。但近年来，在塔里木盆地奥陶系陆续发现了一批与碳酸盐岩内幕低级序不整合有关的大型油气藏。研究表明碳酸盐岩地层中低级序不整合对于有利储层的形成具有重要的控制作用。

[0004] 目前，常见的不整合面识别方法包括：(1)露头沉积特征识别法(2) 地震的反射特征识别法(3)矿物的成分特征识别法(4)碳氧元素特征识别法(5)测井资料分析法(6)古生物分析法。但这些方法多用于碎屑岩地层中较高级别不整合的识别，由于碎屑岩和碳酸盐岩的物理化学性质和成因存在本质上差别，现有的方法在碳酸盐岩低级序不整合的识别中存在很大的局限性。

[0005] 此外，现有的不整合面识别方法受到干扰因素颇多，清除噪音较困难，准确性低。

发明内容

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种碳酸盐岩低级序不整合面的识别方法，该方法具有特征明显、灵敏度高、结论准确、不受其他因素干扰、技术上操作简单、省时省力、易于判断和普适性好等特点。

[0007] 为此，本发明采取的主要技术方案包括：

[0008] 一种碳酸盐岩低级序不整合面的识别方法，所述方法是通过对岩层样品Sr元素的浓度进行测定和记录，根据Sr元素的浓度异常与不整合面的相关性进行不整合面的识别。

[0009] 根据本发明所述的方法，具体包括执行如下步骤：

[0010] S1、连续采集岩层样品

[0011] 利用浅层取样钻机对新鲜岩层样品进行采集，在垂直于岩层层面方向上等间距采样，间距为1～2m；定义每一个距离起始岩层层面的厚度值所在岩层层面为一个层级，在每层级上采集3个样品；

[0012] S2、样品预处理

[0013] 将每个样品磨碎过200～300目筛，取1～10g浸泡到50～200mL氢氟酸溶液，在真空条件下进行反应，释放出CO2。电热板上蒸发干净氢氟酸，再用硝酸密封溶解并稀释，过滤去渣，将清液用作待检测样品；

[0014] S3、对待检测样品中Sr元素浓度的测试

[0015] 利用高分辨电感耦合等离子质谱法对每个待检测样品中Sr元素浓度进行测试，测试温度为23℃，相对湿度为43％；测试时对同一块样品进行多次测试，将浓度值公差不超过±3％的数据确定为有效值，对有效值求平均值；将采自岩层同一层级上的3个样品的平均值分别定义为 Xn-1、Xn-2、Xn-3；其中n代表采集样品所在的岩层层级数，n是≥1的自然数；

[0016] 将浓度值公差不超过±3％的数据确定为有效值，是为了取比较稳定的值，去掉那些异常的高值/低值，特别是测试环境不良或采样不准造成的。

[0017] S4、对来自同一层级岩层的3个样品的平均值Xn-1、Xn-2、Xn-3按照如下方式进行处理，得到该层级的测量值Xn；

[0018]

[0019] S5、重复进行S3、S4的步骤，可以依次获得第1层级到第n层级岩层的测量值X1、X2……Xn；

[0020] S6、根据S5的测量结果绘制出Sr的浓度随层级递增的变化曲线图；

[0021] S7、观察按照步骤S6的方法绘制的Sr的浓度随层级递增的变化曲线图；

[0022] S8、找出Sr浓度值出现突然性下降且降幅达到14％以上的点，确定该点所在的层级数，该层级数对应的位置存在不整合面。

[0023] 根据本发明的方法，步骤S3中Sr元素的浓度单位是ppm，测量精度为±0.001ppm。

[0024] 根据本发明的方法，对不同位置的露头剖面的岩层依照上述S1-S7 的方法操作，找到Sr浓度值出现突然性下降的相邻两个层级，综合确认不整合面的存在位置。

[0025] 根据本发明的方法，优选地，岩层样品中Sr浓度值出现突然性下降的幅度达到14％-75％。下降幅度过小可能是偶尔因素或测量误差造成的；下降幅度过大不符合客观情况，测量值可能是无效的，具体还需要综合其他样品的测量值辅助判断。

[0026] 根据本发明，还包括：对同一地区的不同位置的露头剖面的岩层依照上述S1-S7的方法操作，并将不同位置的露头剖面绘制的Sr的浓度随层级递增的变化曲线图整合到一张总图中，在每一条Sr的浓度随层级递增的变化曲线图上找到Sr浓度值出现突然性下降且降幅达到14％以上的点，由该些点同时出现的层级位置来进一步确认不整合面的存在位置，以排除偶然因素所造成的识别误差。

[0027] 根据本发明，岩层样品中Sr元素浓度在某一不整合面之下出现降低。

[0028] 根据本发明，其中岩层样品中Sr元素浓度值降低指示相对海平面的下降和地层的暴露。

[0029] 根据本发明，所述岩层样品为碳酸盐岩。碳酸盐岩层是一层一层地层片状叠在一起，各层的岩层层面是顺着各层岩层的自然延伸形成的平面或曲面，剖面可能为直线或曲线。

[0030] 本发明的有益效果是：

[0031] 发明人根据长期的实地地质勘测研究，发现Sr元素在陆源碎屑和粘土矿物中较富集，且Sr元素浓度的相对下降指示相对海平面下降和地层暴露，反之Sr元素浓度的相对升高指示相对海平面的上升。而且Sr元素较其他元素更加稳定，不会受后期成岩作用的影响而发生迁移，可真实地反映原生地层的沉积特征。发明人利用这一原理，将测定和观察Sr元素浓度的突然变化作为不整合的识别方法，具体是根据不整合面下Sr浓度的负异常变化特性识别不整合面。该方法具有特征明显、灵敏度高、结论准确、不受其他因素干扰、技术上操作简单、省时省力、易于判断和普适性好等特点。本发明方法在塔里木盆地多条露头剖面和钻井不整合面的识别过程中得以使用和验证。

[0032] 本发明方法适用的原理在于：由于岩层中元素Sr主要包括3种来源：①大陆壳硅铝质岩石经风化剥蚀提供的锶；②地幔铁镁质岩石通过海底扩张或火山活动提供的锶；③古老海相碳酸盐岩重溶提供的锶。因此，在无大规模的海底火山作用、构造活动基本以简单的升降为主的情况下，可利用锶元素浓度变化特征来判断同期海平面的变化。又由于碳酸盐岩地层中低级序的不整合主要是因海平面下降而造成的，因此可根据锶元素的浓度变化进行碳酸盐岩层不整合面的识别。

附图说明

[0033] 图1为本发明碳酸盐岩低级序不整合面的识别方法的流程图。

[0034] 图2塔里木盆地不同地区寒武系顶界锶元素浓度变化图，Sr浓度在紧邻寒武系顶界不整合面下方的岩层样品中表现出负异常从而指示不整合面的存在。

[0035] 图3是塔里木盆地蓬莱坝露头剖面蓬莱坝组顶界不整合面锶元素浓度变化特征图。

[0036] 图4是塔里木盆地塔北地区S88井鹰山组内幕不整合面锶元素浓度变化特征图。

具体实施方式

[0037] 为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

[0038] 实施例一

[0039] 将本发明的方法应用于塔里木盆地西北缘不同位置的四条露头中，以验证利用锶元素进行碳酸盐岩低级序不整合面识别的有效性。

[0040] 对永安坝露头剖面的新鲜岩层按照如下方式操作，参见图1所示：

[0041] S1、连续采集岩层样品：

[0042] 利用浅层取样钻机对塔里木盆地西北缘永安坝露头剖面的新鲜岩层进行采集，在垂直岩层层面方向上等间距采样，间距为1m；定义每一个距离起始岩层层面的厚度值所在岩层层面为一个层级，则在每层级上采集3块样品。采集深度是30米，采集了30个层级上的共90块样品。

[0043] S2、样品预处理：

[0044] 将每个样品磨碎过200～300目筛，取1～10g磨碎的岩层样品浸泡到 50～200mL氢氟酸溶液，在真空条件下进行反应，释放出CO2。电热板上蒸发干净氢氟酸，再用硝酸密封溶解并稀释，过滤去渣，将清液用作待检测样品。在样品上标定样品所在层级序号，同时对来自同一层级的 3个样品分别编号1、2、3。

[0045] S3、待检测样品中Sr元素浓度的测试：

[0046] 使用高分辨电感耦合等离子体质谱仪(ICAP6000)对90个待检测样品进行测试，保持测试温度为23℃，相对湿度为43％；测试时，需要对同一个待测样品进行6次测试，将浓度值中公差不超过±3％的数据确定为有效值，对所有的有效值求平均值；在所述顺岩层方向上每层的3个样品的平均值分别定义为Xn-1、Xn-2、Xn-3；其中n代表采集样品所在的岩层层级数，n是≥1的自然数；深度最浅的n＝1。

[0047] 则依次会得到由深度方向上的：

[0048] 第1层级，深度为1米时，该层3个样品的平均值X1-1、X1-2、 X1-3；

[0049] 第2层级，深度为2米时，该层3个样品的平均值X2-1、X2-2、 X2-3；

[0050] 第3层级，深度为3米时，该层3个样品的平均值X2-1、X2-2、 X2-3；

[0051] 第4层级，深度为4米时，该层3个样品的平均值X2-1、X2-2、 X2-3；

[0052] ……

[0053] 第29层级，深度为29米时，该层3个样品的平均值为X29-1、 X29-2、X29-3；

[0054] 第30层级，深度为30米时，该层3个样品的平均值为X30-1、 X30-2、X30-3。

[0055] S4、对来自第1层级的该3个样品的平均值X1-1、X1-2、X1-3按照如下方式进行处理，得到该层级的测量值X1。

[0056]

[0057] S5、对来自第2～第30层级岩层的各层3个样品的平均值(X2-1、 X2-2、X2-3)……(X30-1、X30-2、X30-3)分别按照下列公式计算：

[0058]

[0059] 依次计算得到测量值X2、X3、……X29、X30等30个测量值。

[0060] S6、根据S5的测量结果绘制出Sr的浓度随层级递增的变化曲线图。

[0061] S7、观察按照步骤S6的方法绘制的Sr的浓度随层级递增的变化曲线图，参见图2最左侧的沿着竖直方向延伸的曲线。

[0062] S8、找出Sr浓度值出现突然性下降且降幅达到14％以上的点，确定该点所在的层级数，该层级数对应的位置存在不整合面，如图2所示的图中横向虚线与最左侧的曲线交叉点所在位置，深度13m的位置，由较粗的水平延伸虚线标出。

[0063] 由此可知，利用锶元素进行碳酸盐岩低级序不整合面识别的有效性：Sr元素浓度在四条剖面寒武系顶界不整合面处一致性地表现出负异常(图2)，识别准确、快捷。

[0064] 采用上述同样的方法，继续对塔里木盆地西北缘的水泥厂露头剖面、鹰山北坡露头剖面、蓬莱坝露头剖面依次进行上述S1～S8的操作。

[0065] 将以上四个露头剖面绘制的Sr浓度变化曲线和在深度方向上层级递增关系图综合至一张图中，结果如图2所示。

[0066] 如图2所示，在永安坝剖面，14个蓬莱坝组的样品Sr浓度值在 90-160ppm之间(平均105ppm)，而下丘里塔格亚群的18个样品中Sr 浓度在50-120ppm之间(平均82ppm)，平均值下降21.9％。

[0067] 在水泥厂剖面，18个蓬莱坝组样品的Sr浓度值在30-350ppm之间 (平均120ppm)，而下丘里塔格组的17个样品的Sr浓度值在40-170 ppm之间(平均65ppm)，平均值下降45.8％。

[0068] 在鹰山北坡剖面，蓬莱坝组的13个样品的Sr浓度值在100-200ppm 之间(平均123ppm)，而下丘里塔格组的35个样品的Sr浓度在40-170 ppm之间(平均102ppm)，平均值下降17.1％。

[0069] 蓬莱坝剖面下奥陶统蓬莱坝组的10个样品中Sr元素浓度在50-130 ppm范围内(平均值为88ppm)，而蓬莱坝剖面上寒武统下丘里塔格组的14个样品的Sr浓度范围在40-90ppm之间(平均68ppm)，平均值下降幅度达22.7％。

[0070] 在每一条Sr浓度变化曲线上找到Sr浓度值出现突然性下降且降幅达到14％以上的点，不同露头剖面的Sr浓度变化曲线的该些点连接成图2 中横线延伸的虚线，由此通过不同位置的露头剖面采样，进一步确认了不整合面的存在位置。以上四条剖面中，Sr元素浓度一致地同时在寒武系顶界不整合面处出现负异常波动，且降低至Sr元素浓度平均值以下 (图中竖直方向的直线表示平均浓度值)，降低幅度为14％-75％，共同指示和确认了寒武系顶界不整合面的存在，从而排除偶然因素导致的识别误差。

[0071] 图2显示在上述四条露头剖面中，下奥陶统蓬莱坝组和上寒武统丘里塔格组锶元素浓度在紧邻寒武系顶界不整合面的下方同时(一致性地) 表现出负异常，即在不整合面之上的岩层中Sr元素浓度含量较高，而在紧邻不整合面之下的岩层中Sr元素浓度突然变小，且降低至低于浓度的平均值(图中竖直方向的直线表示平均浓度值)，降低幅度为 14％-75％。根据这一特征再次确认不整合面——寒武系顶界不整合面的存在。

[0072] 据研究，锶元素之所以可用于精确指示出碳酸盐岩不整合面，原因包括：碳酸盐岩地层中锶元素主要有3种来源：①大陆壳硅铝质岩石的风化剥蚀；②海底扩张或火山活动；③古老海相碳酸盐岩重溶。锶元素在陆源碎屑和粘土矿物里较富集，并且Sr/Ba与古盐度具有正相关性。碳酸盐岩沉积物中锶元素浓度的降低指示了海平面的相对下降，因此在无大规模的海底火山作用、构造活动基本以升降为主的情况下，可利用锶元素浓度变化特征进行碳酸盐岩地层中低级序不整合面的识别。

[0073] 以Sr元素浓度测定和变化趋势分析不整合面的识别手段，与其他元素浓度判断方法相比，稳定性是锶元素最大的优势。而包括钒(V)元素、镍(Ni)元素等在内的其他指标易受后期成岩作用的改造发生不可预期变化。反之，锶元素非常稳定，不会受后期成岩作用的改造而发生变化，因而可真实地反映原生地层的沉积特征，故锶元素的较大幅度波动(≥14％)可准确地指示碳酸盐岩地层中不整合面的存在，排除噪音干扰(尤其对于缺少明显角度接触关系和生物化石指标的碳酸盐岩地层低级序不整合面)。而使用高分辨电感耦合等离子体质谱仪和/或手持式矿石分析仪对Sr浓度进行测定，可操作性强、测定的精度高。

[0074] 需要说明的是，采集的岩层样品必须是沿垂直于岩层层面方向进行采样，而垂直于岩层层面方向有可能不是一般意义上的深度方向(即竖直方向)，还可能是非深度方向的。若以最表层的岩层层级为第一层，则相距该第1层的距离定义为厚度，以厚度大小排序，由小至大依次为第2层层级、第3层层级……第n层层级。换句话说，所述Sr的浓度随层级递增的变化曲线图实质上包含岩样中Sr浓度随深度递增的变化曲线和随厚度递增的变化曲线的两种情形。

[0075] 实施例二

[0076] 再将本发明的方法应用到塔里木盆地西北缘蓬莱坝剖面的不同时代的地层中。

[0077] 操作方法参加实施例一，只是其中S1的连续采集岩层样品中，在深度方向上采样间距为2m；而S2的样品预处理采用高能研磨机研磨，并用300目筛网过筛处理，取10g浸泡到50～200mL氢氟酸溶液，在真空条件下进行反应，释放出CO2。电热板上蒸发-干净氢氟酸，再用硝酸密封溶解并稀释，过滤去渣，将清液用作待检测样品。其他操作步骤均实施例一相同，并绘制出图3。

[0078] 见图3所示，蓬莱坝剖面中下奥陶统鹰山组的8个样品Sr元素浓度在117.98-237.52ppm范围内(平均值为182.65ppm)；下奥陶统蓬莱坝组顶部紧邻界面的4个样品Sr浓度范围在18.998-90.28ppm之间(平均 44.74ppm)；下奥陶统蓬莱坝组下部的11个样品Sr浓度范围在 100.7-144.54ppm之间(平均122.94ppm)。界面附近4个样品的浓度出现显著下降，平均降幅达75.5％，指示了该剖面下奥陶统蓬莱坝组顶部 T78不整合面的存在。

[0079] 由此，通过本实施例再次验证利用锶元素进行碳酸盐岩低级序不整合面识别的有效性：Sr元素浓度在下寒武统蓬莱坝组顶界不整合面处表现出明显的负异常(图3图面上水平延伸的虚线，该处Sr浓度突然性减小)，识别准确、快捷。

[0080] 实施例三

[0081] 将本发明应用于塔里木盆地塔北地区的钻井中.

[0082] 本实施例的操作方式见实施例一，只是步骤S3使用的高分辨电感耦合等离子体质谱仪为Nex-ION300D高分辨电感耦合等离子体质谱仪，其他操作步骤参照实施例一，并绘制出图4。(图中已隐去了位于两点间连接直线线段上的点值，由于这些点值不是转折点，不具有显示的意义。)

[0083] 参见图4所示，S88井位于塔里木盆地塔北地区，钻穿整个奥陶系鹰山组，且取心完整。按照本发明操作规范，对取心段进行系统的Sr元素测试，并绘制S88井鹰山组锶元素浓度变化图(图4)。结果显示，紧邻鹰山组内幕不整合T76界面之下的样品浓度偏负(153ppm)，而鹰山组上段和鹰山组下段下部地层Sr元素含量较高(平均值分别为247ppm 和261ppm)，不整合界面之下Sr元素浓度降低幅度达49％。同时Sr/Ba 在不整合面处出现极高值(6.09)，表明海平面的相对下降引起的海水盐度升高，确定了该不整合面的存在。

[0084] 本实施例再次验证了，利用锶元素进行碳酸盐岩低级序不整合面识别的有效性：Sr元素浓度在鹰山组内幕不整合面处表现出明显的负异常 (图4图面上水平延伸的虚线，该处Sr浓度突然性减小)，识别准确、快捷。该发明在塔里木盆地不同地区不同层位的露头剖面中达到了较好的实施效果。