谢 冲，张凤奇，李艳霞，谢红兵
（1.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安 710065；
2.陕西省油气成藏地质学重点实验室，陕西西安 710065；
3.北京中科鑫宇科技发展有限公司，北京 100083）
地层剥蚀量恢复是研究含油气盆地埋藏史、热史和油气成藏史的基础工作，长期以来都是含油气盆地分析的热点和重点问题[1-2]。地层剥蚀现象在沉积盆地中普遍存在，对沉积盆地中油气的生成、运移和保存具有重要影响[3-4]。适宜的构造运动有利于形成构造圈闭，成为油气运移和聚集的有利场所；
而强烈的构造运动则会造成地层严重剥蚀，破坏油气的保存条件，从而会导致油气泄漏。因此，恢复地层剥蚀量对研究盆地构造演化史和油气成藏机理具有重要意义[2，5]。
延安地区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡东南缘，该地区内部构造简单，少有断层或鼻状构造。目前各学者对延安地区的研究主要集中于沉积模式[6]、储层物性特征[7-10]、岩相特征[11]、成藏模式[12]等方面，但对于剥蚀量恢复的研究较少。根据已有的研究表明，陕北斜坡自中生代以来，主要发生了四期不均匀抬升与剥蚀事件，分别是三叠世末期、早侏罗世末期、中侏罗世末期和白垩纪末期，前三期剥蚀量均较小，后一期剥蚀量较大[13]。前人分别采用声波时差法、地层对比法[13]和镜质体反射率法[14]对鄂尔多斯盆地四期不均匀抬升事件导致的地层剥蚀量进行了计算，但对延安地区白垩纪末期的地层剥蚀量至今仍缺乏精细研究。为此，本文利用60口井的钻井、测井、录井等资料，选取了声波时差法定量恢复了延安地区白垩纪末期的地层剥蚀量，总结了延安地区剥蚀量分布规律。该研究成果可为该区油气勘探及资源评价提供依据。
1.1 方法的选择
目前，国内外能够用于恢复地层剥蚀量的方法众多[1，15-17]，归纳起来主要分为四类：（1）地球物理学类，包含声波时差法[16，18-22]、孔隙度法等[23-24]；
（2）地质学类，包含地层对比法[20，25-26]、沉积速率法、沉积波动分析法等[27-28]；
（3）地热学类，包含镜质体反射率法[2-3，29-31]、流体包裹体法[32-35]、磷灰石裂变径迹法等[36-38]；
（4）地球化学类，包含天然气平衡浓度法、宇宙成因核素法等[39]。
虽然恢复地层剥蚀量的方法众多，但是这些恢复剥蚀量的方法往往有着自身的局限性，需要在一定的地质条件下才能够进行操作应用。基于声波时差法具有应用原理成熟可靠，获取资料迅速，操作步骤简单易行等特点，因此本文选择应用声波时差法对白垩系地层的剥蚀量进行估算。
1.2 声波时差法及其原理
泥岩压实外推法是MAGARA[40]在1976 年提出的一种方法，认为用泥岩声波时差法恢复剥蚀量时声波时差与地层埋深的关系可以用下式表征：
式中：Δt0-研究区的地表声波时差值，理论值为600～650 μs/m，针对一个地区，可根据正常压实趋势线向上外推至地表求得；
Δt-深度H 处的泥岩声波时差值，μs/m；
C-正常压实曲线斜率；
H-泥岩埋深，m。
声波时差法的原理为：在地层有剥蚀的区域，当剥蚀面以上沉积物的厚度小于地层被剥蚀的厚度时，将剥蚀面以下泥岩的压实趋势线向上外延至古地表（原始地表）Δt0处，古地表与剥蚀面之间的距离为所求的剥蚀量[41]（图1）。
图1 声波时差法推算地层剥蚀量原理示意图Fig.1 The schematic diagram of the principle of calculating the amount of erosion by interval transit time method
1.3 适用条件
该方法的使用需要满足一定的适用性要求。一般情况下，使用该方法的前提条件是剥蚀面上部的新地层对其以下残留地层所施加的压力应小于或等于被剥蚀地层在剥蚀前对残留地层所施加的压力，其目的是为了保证下部残留地层的泥岩压实曲线特征没有受到破坏和改造。当剥蚀面上部新沉积的地层厚度大于下部残留地层的厚度时，这种情况下可以依据上部新地层的压实曲线斜率（C1）与下部残留地层的压实曲线斜率（C2）的关系来进行判定。
（1）当C2=C1时，下部地层的压实率C2位于上部地层压实率C1左侧或在同一条直线上时可以使用声波时差法恢复剥蚀量。
（2）当C2>C1时，可以使用声波时差法恢复剥蚀量。
（3）当C2 从研究区钻井资料可得，在白垩系上部新沉积的地层厚度在350 m 上下，其沉积厚度远远小于其已经被剥蚀掉的地层厚度。因此可以选用声波时差法恢复剥蚀量。鄂尔多斯盆地延安地区地表声波时差一般取600 μs/m[13，42]。 鄂尔多斯盆地位于华北地台的西部，面积约为25×104km2。依据盆地的现今构造形态，可将鄂尔多斯盆地划分为六个一级构造单元，分别为北部的伊盟隆起、南部的渭北隆起、西部的天环坳陷和西缘逆冲带、东部的晋西挠褶带、中部的陕北斜坡（伊陕斜坡）。陕北斜坡作为盆地内最大的一个构造单元，面积约为9×104km2。延安地区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡东南缘，地跨陕西省延安市、志丹县、延长县、甘泉县和富县等地区，面积约为3.3×104km2。地面的平均海拔在1 000～2 000 m，相对高差在100～500 m。该地区内部构造简单，地层相对平缓，为向西倾伏且倾角不到1°的单斜构造。 由于延安地区位于鄂尔多斯盆地的东部，而对于盆地东部地区来讲，该地区白垩统的地层厚度较薄甚至已经被剥蚀，能够制作的泥岩压实曲线少且短，仅仅使用这些数据想要得到比较准确的白垩纪末期的剥蚀量是很难的，因为白垩系与它的下部地层（主要指代的是三叠系-侏罗系）之间存在着沉积间断（不连续），但通过研究区的大量实际资料得到在该间断期后的下白垩统沉积比较厚的地层区域，它的下部地层处于一个超补偿的状态。在间断前下部地层在上部地层白垩系的荷载压实作用下，压实程度和现今地层目前的实际压实情况已无太大差别，并且在后期也没有遭到破坏。因此，恢复延安地区白垩纪末期的剥蚀量也可利用下部地层三叠系-侏罗系的泥岩正常压实曲线进行求出[42]。使用声波时差法恢复地层剥蚀量的关键是读值和泥岩段的准确选取。结合钻井、测井与录井等资料，选择延安地区60 口井的较纯泥岩层，采集声波时差数据进行制作泥岩压实曲线。采集声波时差数据时遵循以下3条原则：（1）读取数据时应避免薄层泥岩段，应选取厚度大于5 m 的纯泥岩段； 以WY1 井为例对单井恢复进行说明（图2）。选取白垩系中的正常压实段进行线性回归拟合，将其泥岩压实趋势线向上外推与对数横坐标相交于600 μs/m（600 μs/m 为地表声波时差），将此点继续向上顺其延伸即为古地表（原始地表），现今残留的下白垩统地层顶面到原始地表之间的垂直距离即为所求的地层剥蚀量，可以通过该单井恢复图的深度纵坐标直接读出剥蚀量值，为了确保求出的剥蚀量值正确合理，笔者使用了泥岩压实曲线的声波时差（AC）和埋深（H）方程式进行了计算，WY1 井泥岩压实曲线的线性公式为y=-1.834 3x+874.89，其中：x-地表声波时差； 图2 延安地区WY1 井地层剥蚀量估算Fig.2 Estimation of formation erosion of well WY1 in Yan"an area 根据研究区部分单井声波时差-深度回归方程（表1）和恢复的剥蚀量图（图3），以南西-北东、北西-南东方向两条剖面为例，南西-北东方向选取的单井FY2井、YY10 井、X57 井、Y311 井、YY3 井，求取的剥蚀量分别为791 m、897 m、1 038 m、1 371 m、1 453 m； 图3 声波时差法恢复延安地区地层剥蚀量Fig.3 Recovery of strata erosion in Yan"an area by interval transit time method 表1 延安地区部分探井声波时差-深度回归方程Tab.1 Acoustic transit time-depth regression equation of some exploration wells in Yan"an area 本文通过对延安地区60 口探井的单井剥蚀量估算分析，得到了该地区白垩纪末期的地层剥蚀总量。研究区白垩纪末期的剥蚀量具有以下规律：靠研究区西部边界，剥蚀量由西向东是逐渐增大的，分布在400～1 800 m。剥蚀量较大的区域在清涧、延川、延长等东部区域及宜川的东南部区域，地层剥蚀量可高达1 300 m 以上，在志丹以西区域，地层剥蚀量逐渐降低，在400 m 以下，恢复结果反映出延安地区白垩纪末期东部遭受剥蚀较强，向西逐渐减弱的总体格局。 本文估算结果与已有文献相比较，延安地区白垩纪末期地层剥蚀的分布与强度与前人得出的结果较一致，即呈现由西向东剥蚀量逐渐增大的趋势。如翁望飞等[42]利用声波时差法计算得出鄂尔多斯盆地东部、东南部剥蚀量最大，为1 400 m 以上，且向西逐渐减小。黄志刚[43]利用声波时差、EASY%Ro 等方法恢复了鄂尔多斯盆地东南缘中生代晚期以来的剥蚀量，认为其东部剥蚀量较大，最大可达到2 000 m 以上。陈瑞银等[13]以地层对比法为主，结合声波时差法，认为鄂尔多斯盆地地层剥蚀量由西往东是逐渐增大的，在东部地区剥蚀量达到1 200 m 以上。高胜利等[14]利用镜质体反射率法恢复剥蚀量，认为鄂尔多斯盆地东部剥蚀量较大、东南部剥蚀量最大，达到1 400 m 以上。任战利[44]利用镜质体反射率法、流体包裹体法、磷灰石裂变径迹法等方法研究了鄂尔多斯盆地的热演化史，认为白垩纪沉积之后的剥蚀量在陕北斜坡较大，在1 000～2 000 m。从上述前人的研究成果来看，计算结果或大或小存在着一定的差异，但整体上都体现出该研究区在白垩纪末期的剥蚀量较大，且在该研究区的整体趋势是西部剥蚀量较小，东部剥蚀量较大的特征。计算结果存在差异，分析其原因主要包括两个方面。第一个原因是选取的剥蚀量恢复方法不同，学者分别采用了声波时差法、EASY%Ro、地层对比法、镜质体反射率法、流体包裹体法、磷灰石裂变径迹法等方法对盆地东部的剥蚀量进行了恢复估算，不同方法之间存在优劣性，最后得出的计算结果也会稍有差异； 利用声波时差法恢复延安地区白垩纪末期的地层剥蚀量，同时利用连井对比验证，恢复结果是可信的。结果表明：鄂尔多斯盆地延安地区白垩纪末期的剥蚀强度大致可分为东部的强剥蚀区和西部的弱剥蚀区，主要分布在400～1 800 m。延安地区剥蚀量较大的区域在清涧、延川、延长等东部区域，地层剥蚀量在1 300 m 以上，由东往西剥蚀量逐渐降低，降低为400 m以下。反映出延安地区白垩纪末期的剥蚀强度呈现东部剥蚀较强，西部剥蚀程度较弱的特征。2.1 鄂尔多斯盆地延安地区地质背景
2.2 声波时差法恢复剥蚀量
（2）为了避免误差，应读取被选泥岩段声波时差平均值；
（3）读取的泥岩段不能有明显的井径扩大现象，因为井径扩大会造成声波时差相应增大。
y-现今地表至古地表的厚度，将x=600 μs/m 代入y=-1.834 3x+874.89 计算后得到y 等于226 m，而WY1 井第四系地层厚度为240 m，两者相加为466 m，即可计算得到WY1 井地层剥蚀量为466 m。相关系数为0.901 5，相关性较高。采用同样的方法对研究区60 口探井的单井剥蚀量进行了恢复。
2.3 连井对比
北西-南东方向选取的单井YY2 井、YY508 井、YY509井、Y310 井、YY20 井，求取的剥蚀量分别为614 m、985 m、1 062 m、1 349 m、1 624 m；
可以看出南西-北东方向的地层剥蚀量从791 m 增大到了1 453 m，北西-南东方向的地层剥蚀量从614 m 增大到了1 624 m，可以得到研究区剥蚀量自西向东是逐渐增大的，反映出延安地区剥蚀量呈现自西向东逐渐增大的趋势。
2.4 剥蚀量平面分布特征
2.5 不同方法估算结果对比
第二个原因是岩层本身性质影响，声波时差测井曲线幅度值的大小与地层的岩性、孔隙、密度等因素关系密切[42]，这些因素都会对声波时差数据的准确性产生影响，从而会对最终的剥蚀量恢复结果产生影响。