技术领域
[0001] 本
发明属于石油
天然气勘探与开发技术领域，尤其涉及一种时间域内一维沉积物沉积特征及水体环境定量分析方法。
背景技术
[0002] 沉积
地层在时间域内的不连续性特征已被广泛认识(Barrell,1917；Sadler,1981；Burgess and Wright,2003；Straub and Foreman,2018)。目前沉积学领域主要还是利用沉积地层记录，在深度域内进行研究，缺少将地层从深度域定量转换为时间域的有效方法。
放射性同位素定年方法可以确定地层绝对年龄，进而将某一段地层从深度域转换为时间域，但该方法一方面对于年代较老的地层定年存在较大误差，另一方面无法准确定出间距较小地层的沉积时间(Sadler,1981；Weedon,2003)。水槽物理模拟实验可以通过频繁的过程记录方式，将整个沉积过程在时间域内恢复出来，并以此研究地层的完整性(Straub and Foreman,2018)，但实际地质是无法通过物理模拟实验来进行恢复的。
[0003] Barrell,1917：Barrell,J.,1917,Rhythms and the measurements of geologic time:Geological Society of America Bulletin,v.28,p.745-904.
[0004] Sadler,1981：Sadler,P.M.,1981,Sediment accumulation rates and the completeness of stratigraphic sections:The Journal of Geology,v.89,p.569–584.[0005] Burgess and Wright,2003：Burgess,P.M.,Wright,V.P.,2003,Numerical forward modelling of carbonate platform dynamics:an evaluation of complexity and completeness in carbonate strata:Journal of Sedimentary Research,v.73,no.5,p.637-652.
[0006] Straub and Foreman,2018：Straub,K.M.,Foreman,B.Z.,2018,Geomorphic stasis and spatiotemporal scales of stratigraphic completeness:Geology,v.46,no.4,p.311-314.
发明内容
[0007] 本发明针对上述的技术问题，本发明提出一种通过过程约束的沉积正演模拟方法，首先建立研究区合理的三维沉积正演数值模拟模型，在此
基础上，
选定目标
位置，利用自主研发程序，将该位置沉积地层由深度域转换为时间域，然后定量分析时间域内地层的沉积、无沉积、剥蚀历史和持续时间，分析不同类型沉积物的沉积厚度、水体深度、离岸距离等特征，建立一种从时间域内定量分析沉积物沉积演化过程的新方法。
[0008] 具体地，本发明采用的技术方案为：
[0009] 时间域内一维沉积物沉积特征及水体环境定量分析方法，包括如下步骤：
[0010] (1)选择研究区范围和目的层，通过基础地质资料分析、文献调研及现今类比等手段建立研究区目的层沉积演化概念模型，定量确定目的层沉积初期底形形态、构造沉降量、海/湖平面升降曲线、沉积物物源及供给速率、
碳酸盐岩及有机质生长时期、条件及速率。
[0011] 所述步骤(1)中基础地质资料包括
地震资料、钻井资料、
测井资料、
岩心分析数据、各类测试数据、沉积相资料、地层厚度、砂泥岩含量、前人研究成果报告等。
[0012] (2)在步骤(1)的基础上，利用
软件，对研究区目的层进行三维沉积正演数值模拟，将模拟结果与实际地质资料进行对比，若误差较大，则重新调整输入参数，反复模拟和校正直至模拟结果误差达到合理范围(误差小于10％)，最终建立合理三维沉积模拟模型；
[0013] 所述软件是以简化的水动
力学动量方程和连续方程为核心
算法、且考虑多种地质作用过程的沉积领域专业正演模拟软件。
[0014] 所述简化的
水动力学动量方程表达式如下：
[0015]
[0017] t为时间，s；
[0018] 为梯度运算符；
[0019] Φ为压力和流体
密度的比值，即Φ＝p/ρ，其中p的单位为Pa，ρ的单位为kg/m3；
[0020] v为运动
粘度，即ν＝μ/ρ，其中μ为流体粘度，单位Pa.s，ρ为流体密度，单位kg/m3；
[0022] 简化的连续方程表达式如下：
[0023]
[0024] 其中，为梯度运算符；
[0025] q为流体速度矢量，m/s。
[0026] 所述的多种地质作用过程包括：沉积物侵蚀、搬运、沉积过程，波浪、潮汐、
风暴浪作用，等深流作用，风成沉积作用，滑塌重力流作用，碳酸盐岩和有机质生长过程，碳酸盐岩成岩作用，构造升降作用，海平面变化，同沉积和沉积后
压实作用，
地壳均衡沉降作用。
[0027] 所述实际地质资料是指二维地震剖面、野外露头资料、现今目的层沉积厚度、
砂岩百分含量、沉积相、单井目的层厚度、岩性、测井资料。
[0028] 所述软件为沉积正演模拟软件Sedsim；
[0029] (3)选择所要分析的某个网格点，以该网格点所在的行、列号表示；
[0030] (4)对沉积模拟结果输出的后缀为GRAPH的文件，自目的层沉积初期开始，以固定时间为步长，依次检索每个时间区间内该网格点沉积物信息，存在以下三种情况：a)若在第一个时间间隔内GRAPH文件中检索到该网格点信息，且只有一行，则将该行信息写入到新建文本文档中并以序号“1”开头，表示第1个时间区间内沉积物信息；b)若在第一个时间间隔内GRAPH文件中检索到该网格点信息，但对应有两行信息，则先将这两行信息分别写入两个不同的文本文档中，将数值为正数行对应的文本命名为“沉积历史”，将数值为负数行对应的文本命名为“剥蚀历史”，并分别以序号“1”开头，表示第1个时间区间内沉积或剥蚀信息；c)若在第一个时间间隔内GRAPH文件中没有检索到该网格点信息，则在新建的文本文档中将该行沉积物信息均赋值为“0”，并以序号“1”开头写入到新建的文本文档中；在完成第一个时间间隔内沉积物
信息检索后，以固定时间为步长，重复上述步骤，依次检索第2,3,4…n个时间区间内沉积物信息，并以对应时间序号为开头，依次写入到新建的文本文件中，最后生成一个不同时间区间内沉积物沉积信息的文本文件；
[0031] 所述步骤(4)中固定时间步长与沉积模拟输入参数中的“显示时间间隔”数据相对应，用户可自定义。
[0032] 所述步骤(4)中沉积物信息包括4种粒级碎屑岩(粗砂岩、中砂屑岩、细砂岩、泥岩)、2种类型碳酸盐岩(碳酸盐岩1、碳酸盐岩2)和2种类型有机质(有机质1、有机质2)共8种类型沉积物各自沉积厚度信息，以及沉积物总厚度信息。
[0033] 所述步骤(4)中GRAPH文件中第4至11号数据分别对应于：粗砂岩、中砂屑岩、细砂岩、泥岩、碳酸盐岩1、碳酸盐岩2、有机质1、有机质2沉积物厚度数据。
[0034] 所述步骤(4)中依次检索第2,3,4…n个时间区间内沉积物信息中的“n”表示目的层沉积总时间按照固定时间步长划分，得到的最后一个时间区间。
[0035] (5)对沉积模拟结果输出的后缀为GRAPH的文件，自目的层沉积初期开始，以固定时间为步长，依次检索该网格点不同沉积时期古水深和离岸距离数据，若某时间区间内GRAPH文件中检索到该网格信息，则将检索结果信息以时间区间序号开头写入到新建的文本文档中，若没有检索到该网格信息，则将古水深和离岸距离均赋值为0，并以时间区间序号开头写入到新建的文本文档中，最终建立不同时间区间内沉积物沉积古水深和离岸距离文本文件；
[0036] (6)分别以沉积物信息和古水深、离岸距离为横轴、以沉积时间为纵轴，建立时间域内一维沉积物沉积特征及水体环境综合分析图件，并与深度域一维岩性地层模拟结果对比，定量分析该网格点位置不同岩性沉积物沉积演化过程及其与水体环境的关系。
[0037] 有益效果：
[0038] 本发明针对目前沉积地层在时间域内研究较为薄弱且缺乏有效的深度域向时间域转换方法的问题，首次提出基于沉积正演模拟结果的沉积地层一维深度域向时间域转换的新方法，能够定量研究时间域内地层沉积、剥蚀、无沉积历史和持续时间，并定量分析不同类型沉积物沉积特征、演化过程及其与水体环境之间的关系。
[0039] 本发明的上述分析方法简单易行，成本低且可操作性强，为提取地层中的时间信息提供了一种新的技术手段。
附图说明：
[0040] 图1是本发明
实施例的鄂尔多斯盆地中部山西组碎屑岩三维沉积正演模拟模型；
[0041] 图2是本发明实施例的碎屑岩沉积地层一维时间域内沉积物总厚度及不同类型沉积物厚度；
[0042] 图3是本发明实施例的碎屑岩沉积地层一维时间域内沉积演化过程与水体环境之间关系；
[0043] 图4是本发明实施例的四川盆地中部震旦系灯影组碳酸盐岩三维沉积正演模拟模型；
[0044] 图5是本发明实施例的碳酸盐岩沉积地层一维时间域内沉积总厚度及不同类型沉积物厚度；
[0045] 图6是本发明实施例的碳酸盐岩沉积地层一维时间域内沉积演化过程与水体环境之间关系。
具体实施方式
[0046] 下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。
[0047] 本发明实施例提供了一种时间域内一维沉积物沉积特征及水体环境定量分析方法，包括如下步骤：
[0048] S1：选择研究区范围和目的层，通过基础地质资料分析、文献调研及现今类比等手段建立研究区目的层沉积演化概念模型，定量确定目的层沉积初期底形形态、构造沉降量、海/湖平面升降曲线、沉积物物源及供给速率、碳酸盐岩及有机质生长时期、条件及速率。
[0049] 本步骤中，基础地质资料包括地震资料、钻井资料、测井资料、岩心分析数据、各类测试数据、沉积相资料、地层厚度、砂泥岩含量、前人研究成果报告等。
[0050] S2：在S1的基础上，利用软件，对研究区目的层进行三维沉积正演数值模拟，将模拟结果与实际地质资料进行对比，若误差较大，则重新调整输入参数，反复模拟和校正直至模拟结果误差达到合理范围(误差小于10％)，最终建立合理三维沉积模拟模型；
[0051] 本步骤中，所用软件是以简化的水动力学动量方程和连续方程为核心算法、且考虑多种地质作用过程的沉积领域专业正演模拟软件。其中简化的水动力学动量方程表达式如下：
[0052]
[0053] 其中，
[0054] 为：对参数q的微分；
[0055] 为：对参数t的微分；
[0056] 表示的是由于t的单独变化而引起的函数q的变化率，也就是q对t的偏微分；
[0057] q为流体速度矢量，m/s；
[0058] t为时间，s；
[0059] 为梯度运算符；
[0060] Φ为压力和流体密度的比值，即Φ＝p/ρ，其中p的单位为Pa，ρ的单位为kg/m3；
[0061] ν为运动粘度，即ν＝μ/ρ，其中μ为流体粘度，单位Pa.s，ρ为流体密度，单位kg/m3；
[0063] 简化的连续方程表达式如下：
[0064]
[0065] 其中，为梯度运算符；
[0066] q为流体速度矢量，m/s。
[0067] 该软件所考虑的多种地质作用过程包括：沉积物侵蚀、搬运、沉积过程，波浪、潮汐、风暴浪作用，等深流作用，风成沉积作用，滑塌重力流作用，碳酸盐岩和有机质生长过程，碳酸盐岩成岩作用，构造升降作用，海平面变化，同沉积和沉积后压实作用，地壳均衡沉降作用。
[0068] 利用Sedsim软件建立研究区合理三维沉积正演数值模拟模型的一般步骤为：首先在文献调研、基础地质分析基础上，建立研究区合理沉积过程概念模型；其次获取沉积模拟所需主要输入参数，包括工区范围及网格数、模拟时间范围、沉积初始底形、构造沉降量、海/湖平面变化曲线、物源方向、供给速率及沉积物成分；然后利用软件进行三维沉积正演数值模拟，将模拟结果与实际地质资料进行对比，若误差较大，则重新调整输入参数，反复模拟和校正直至模拟结果误差达到合理范围，建立最终合理三维沉积模拟模型。
[0069] 本步骤中，实际地质资料主要是指二维地震剖面、野外露头资料、现今目的层沉积厚度、砂岩百分含量、沉积相、单井目的层厚度、岩性、测井资料。
[0070] S3：选择所要分析的某个网格点，以该网格点所在的行、列号表示；
[0071] S4：对沉积模拟结果输出的后缀为GRAPH的文件，自目的层沉积初期开始，以固定时间为步长，依次检索每个时间区间内该网格点沉积物信息，存在以下三种情况：a)若在第一个时间间隔内GRAPH文件中检索到该网格点信息，且只有一行，则将该行信息写入到新建文本文档中并以序号“1”开头，表示第1个时间区间内沉积物信息；b)若在第一个时间间隔内GRAPH文件中检索到该网格点信息，但对应有两行信息，则先将这两行信息中对应的第4至11号数据相加，形成新的一行数据，再写入到新建文本文档中并以序号“1”开头，表示第1个时间区间内沉积物信息；c)若在第一个时间间隔内GRAPH文件中没有检索到该网格点信息，则在新建的文本文档中将该行沉积物信息均赋值为“0”，并以序号“1”开头写入到新建的文本文档中；在完成第一个时间间隔内沉积物信息检索后，以固定时间为步长，重复上述步骤，依次检索第2,3,4…n个时间区间内沉积物信息，并以对应时间序号为开头，依次写入到新建的文本文件中，最后生成一个不同时间区间内沉积物沉积信息的文本文件；
[0072] 本步骤中，固定时间步长与沉积模拟输入参数中的“显示时间间隔”数据相对应，用户可自定义。
[0073] 沉积物信息包括4种粒级碎屑岩、2种类型碳酸盐岩和2种类型有机质共8种类型沉积物各自沉积厚度信息，以及沉积物总厚度信息。对沉积模拟结果输出的后缀为GRAPH文件，其中第4至11号数据分别对应于：粗砂岩、中砂屑岩、细砂岩、泥岩、碳酸盐岩1、碳酸盐岩2、有机质1、有机质2沉积物厚度数据。
[0074] 依次检索第2,3,4…n个时间区间内沉积物信息中的“n”表示目的层沉积总时间按照固定时间步长划分，得到的最后一个时间区间。
[0075] S5：对沉积模拟结果输出的后缀为GRAPH的文件，自目的层沉积初期开始，以固定时间为步长，依次检索该网格点不同沉积时期古水深和离岸距离数据，若某时间区间内GRAPH文件中检索到该网格信息，则将检索结果信息以时间区间序号开头写入到新建的文本文档中，若没有检索到该网格信息，则将古水深和离岸距离均赋值为0，并以时间区间序号开头写入到新建的文本文档中，最终建立不同时间区间内沉积物沉积古水深和离岸距离文本文件；
[0076] S6：分别以沉积物信息和古水深、离岸距离为横轴、以沉积时间为纵轴，建立时间域内一维沉积物沉积特征及水体环境综合分析图件，并与深度域一维岩性地层模拟结果对比，定量分析该网格点位置不同岩性沉积物沉积演化过程及其与水体环境的关系。
[0077] 为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的一种时间域内一维沉积物沉积特征及水体环境定量分析方法,以下将结合具体实施例进行说明。
[0078] 以鄂尔多斯盆地山西组中部碎屑岩地层和四川盆地中部震旦系灯影组碳酸盐岩地层为例进行分析。
[0079] (1)鄂尔多斯盆地中部山西组碎屑岩
[0080] S1：选择鄂尔多斯盆地中部山西组地层作为研究目的层，通过基础地质资料(基础地质资料包括地震资料、钻井资料、测井资料、岩心分析数据、各类测试数据、沉积相资料、地层厚度、砂泥岩含量、前人研究成果报告)分析、文献调研及现今类比等手段建立研究区目的层沉积演化概念模型，定量确定目的层沉积初期底形形态、构造沉降量、海/湖平面升降曲线、沉积物物源及供给速率、碳酸盐岩及有机质生长时期、条件及速率。
[0081] S2：在S1的基础上，利用沉积正演模拟软件Sedsim，对鄂尔多斯盆地中部山西组地层进行三维沉积正演数值模拟以及结果校正，建立合理三维沉积模拟模型，如附图1所示；
[0082] S3：选取该工区中三
角洲沉积环境的一口虚拟井PW-1，该井所在网格点为第60行、40列；
[0083] S4：对沉积模拟结果输出的后缀为GRAPH的文件，自目的层沉积初期开始，以40000年为步长，依次检索每个时间区间内该网格点沉积物信息，得到285～280Ma中不同时间区间内沉积物沉积信息的文本文件；
[0084] S5：对沉积模拟结果输出的后缀为GRAPH的文件，自目的层沉积初期开始，以40000年为步长，依次检索该网格点不同沉积时期古水深和离岸距离数据，建立不同时间区间内沉积物沉积古水深和离岸距离文本文件；
[0085] S6：分别以沉积物信息和古水深、离岸距离为横轴、以沉积时间为纵轴，利用作图软件Grapher，分别制作该位置点一维时间域内沉积物总厚度及不同类型沉积物厚度图(附图2)和一维时间域内沉积演化过程与水体环境之间关系图(附图3)，并与深度域岩性柱子进行对比，定量分析时间域内沉积物沉积演化过程。
[0086] 如附图2所示：鄂尔多斯盆地中部山西组(285～280Ma)虚拟井PW-1地层以碎屑岩沉积为主，包含少量有机质，沉积地层厚度达150余米，其中，中粒碎屑岩沉积厚度最大。山二段(285～282.4Ma)沉积大量中粒碎屑岩及少量细粒碎屑岩、粘土和有机质，山一段(282.4～280Ma)依旧以中粒碎屑岩沉积为主，同时开始大量沉积粗粒碎屑岩。如附图3所示：在地层沉积的同时，存在地层的剥蚀作用，鄂尔多斯盆地中部山西组虚拟井PW-1地层剥蚀主要发生在山二段(285～282.4Ma)且剥蚀厚度较小；某一时刻所沉积的地层厚度与该时刻的古水深及海平面的升降有关，水深过深或过浅都不利于碎屑岩地层沉积；虚拟井PW-1离岸距离的变化总是与古水深的变化趋势保持一致。
[0087] (2)四川盆地中部震旦系灯影组碳酸盐岩
[0088] S1：选择四川盆地中部震旦系灯影组碳酸盐岩地层作为研究目的层，通过基础地质资料分析、文献调研及现今类比等手段建立研究区目的层沉积演化概念模型，定量确定目的层沉积初期底形形态、构造沉降量、海/湖平面升降曲线、沉积物物源及供给速率、碳酸盐岩及有机质生长时期、条件及速率。
[0089] S2：在S1的基础上，利用沉积正演模拟软件Sedsim，对四川盆地中部震旦系灯影组碳酸盐岩地层进行三维沉积正演数值模拟以及结果校正，建立合理三维沉积模拟模型，如附图4所示；
[0090] S3：选取该工区中三角洲沉积环境的一口虚拟井PW-2，该井所在网格点为第128行、64列；
[0091] S4：对沉积模拟结果输出的后缀为GRAPH的文件，自目的层沉积初期开始，以20000年为步长，依次检索每个时间区间内该网格点沉积物信息，得到551.1～539Ma中不同时间区间内沉积物沉积信息的文本文件；
[0092] S5：对沉积模拟结果输出的后缀为GRAPH的文件，自目的层沉积初期开始，以20000年为步长，依次检索该网格点不同沉积时期古水深和离岸距离数据，建立不同时间区间内沉积物沉积古水深和离岸距离文本文件；
[0093] S6：分别以沉积物信息和古水深、离岸距离为横轴、以沉积时间为纵轴，利用作图软件Grapher，分别制作该位置点一维时间域内沉积物总厚度及不同类型沉积物厚度图(附图5)和一维时间域内沉积演化过程与水体环境之间关系图(附图6)，并与深度域岩性柱子进行对比，定量分析时间域内沉积物沉积演化过程。
[0094] 如附图5所示：四川盆地中部震旦系灯影组(551.1～539Ma)虚拟井PW-2地层以碳酸盐岩沉积为主，包含少量碎屑岩及有机质沉积，沉积地层厚度达1120米。灯影组分为4个层段(灯一段、灯二段、灯三段和灯四段)，其中灯一段(551.1～549.1Ma)和灯三段(554.5～542.5Ma)沉积厚度较小，灯二段(549.1～545.5Ma)和灯四段(542.5～540.5Ma)沉积厚层碳酸盐岩地层。如附图6所示：在地层沉积的同时，存在地层的剥蚀作用，四川盆地中部震旦系灯影组虚拟井PW-2地层剥蚀主要发生在桐湾运动时期，灯二段及灯四段存在少量地层剥蚀，其中桐湾I幕(545.5～544.5Ma)时期地层无沉积存在大量剥蚀，桐湾Ⅱ幕(540.5～
539Ma)时期地层边沉积边剥蚀，且剥蚀厚度大于沉积厚度。碳酸盐岩地层的发育与水深存在紧密的联系，该地区水深在-30～30米之间，有利于碳酸盐岩地层的发育，水深超过30米则不利于地层发育。海平面的升降对地层的发育也存在重要的影响，该区灯影组灯一段和灯三段为海侵域，灯二段和灯四段为高位域，高位域是储层主要发育层段，有助于阐明灯影组的岩相古地理特征。
