Multiple-Point Geostatistical Modeling of Braided Channel Reservoir with Constraints by 3D Seismic Data: A Case Study of M Block in Venezuela
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摘要: 将地震信息引入多点统计地质建模之中，可以提高模型的井间预测功能.首先以委内瑞拉奥里诺科重油带一个辫状河沉积含油区块为例，结合该区辫状河储层的地质特点，利用井震信息结合的多点统计建模方法，研究了波阻抗的相标定、砂体概率生成曲线选定、训练图像分析、井震影响比等方面的技术细节及它们在辫状河储层多点统计建模中的作用.然后结合辫状河储层的沉积学特征，对研究区的心滩、河道、泛滥平原等微相空间分布的建模结果进行了分析.最后对于不同的储层建模结果进行了不确定性分析.研究表明：井震结合的多点统计建模方法，较好地降低了稀井网地区建模结果的不确定性；通过砂岩概率生成曲线，波阻抗数据转化为地震相的空间概率分布.这样就有效地建立起了地震数据与其地质意义的联系；相比仅用测井信息建模，井震结合建模结果对井间微相预测更具合理性，同时预测的河道、心滩的连续性也得到了更好的体现.Abstract: Integrating seismic information into multi-point statistical geological modeling can improve the cross well prediction function of the model. Taking a braided river sedimentary oil-bearing block in Orinoco heavy oil belt, Venezuela, as an example, combined with the geological characteristics of braided river reservoir in this area, and using the multi-point statistical modeling method integrated well with seismic data, is this paper it studies the facies calibration of seismic wave impedance, the selection of sand-body probability generation curve, training image analysis, impact ratio between well and seismic data, and their role in multi-point statistical modeling of braided river reservoir. Then, combined with the sedimentological characteristic of braided river reservoir, the modeling results of microfacies spatial distribution such as channel bar, river channel and flood plain in the study area are analyzed. Finally, the uncertainty of different reservoir modeling results is analyzed. The research shows that the multi-point statistical modeling method integrated well and seismic data can better reduce the uncertainty of modeling results in areas with sparse well pattern. Through the probability generation curve of sandstone, the wave impedance data is transformed into the spatial probability distribution of seismic facies. In this way, the relationship between seismic data and its geological significance is effectively established. Compared with modeling only with well-logging data, the method integrated well seismic data modeling result is more reasonable for inter well microfacies prediction, and the continuity of predicted river channel and channel bar is better displayed.
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0. 引言
近十多年来，由于测试仪器及分析技术的发展，同位素测年技术在地质学领域起到了重要作用，人们在对岩浆岩结晶时代和变质岩变质年龄的约束上取得了大量成果.然而与之相比，对沉积岩沉积时代进行直接测定依然是个难题.近年来，碎屑锆石被广泛应用于沉积岩定年(李怀坤等，2007；李洪颜等，2009；Abati et al., 2010;万渝生等，2010；Tucket et al., 2013;高福红等，2014；杨恩林等，2014)，但获得的年龄仅能限定沉积时代的上限，且研究对象主要适用于碎屑沉积岩(如砂岩等).而对于碳酸盐岩地层而言，由于缺乏碎屑锆石，传统放射性同位素定年就显得尤为重要.自从Moorbath et al.(1987) 首次对津巴布韦灰岩直接进行Pb-Pb等时线定年以来，国内外的研究者做了大量的后续工作(高劢等, 1995, 1996；乔秀夫和高劢，1997；Toulkeridis et al., 1998;周汉文等，1998；Fölling et al., 2000;张巧大等，2002；常向阳等，2004；Chen et al., 2004, 2009;Gopalan et al., 2013;Kuznetsov et al., 2013)，结果均显示Pb-Pb等时线可用于解决碳酸盐岩地层的时代问题.沉积岩Pb-Pb等时线方法理论上需要岩石样品中存在相对高的U含量，同时在沉积成岩作用过程中U/Pb比值要具有足够大的变化范围.在海相碳酸盐岩形成过程中，由于U在海水中中度可溶，居留时间较长(1Ma)；与之相比，Pb在海水中高度不溶且居留时间很短(≤50a).由此，导致海水中具有高U/Pb值(最高可达1000) 以及μ值(238U/204Pb)(典型的μ值一般从几十到几百)(Chen et al., 1986)，使得碳酸盐岩理论上成为良好的U-Pb及Pb-Pb定年对象.
神农架群位于扬子克拉通北缘神农架地区，为一套巨厚的碳酸盐岩地层夹多层火山岩和陆源碎屑岩组合，未见其底界，时代归属传统上认为属中元古代.然而，相较于与之临近的崆岭高级变质地体，目前对于这些沉积-火山岩地层的年代学和系统的地球化学研究仍相对薄弱(Qiu et al., 2011;李怀坤等, 2013).同时，由于缺乏可靠的同位素年代学数据，对于神农架群层序的划分也出现了多种不同的方案(刘成新等, 2004;Qiu et al., 2011;李怀坤等, 2013;Wang et al., 2013).最近报道的为数不多的可靠同位素年代学数据包括：在郑家垭组安山质熔结凝灰岩中获得的锆石U-Pb年龄1103±8Ma(Qiu et al., 2011)；在野马河组凝灰岩中获得的锆石U-Pb年龄1215.8±2.4Ma；在大岩坪组砂屑硅质白云岩碎屑锆石中获得的最年轻锆石U-Pb年龄为1.4Ga左右(李怀坤等，2013)；此外，在郑家垭组、大窝坑组和矿石山组中获得的碎屑锆石最年轻的年龄分别为1.6Ga、1.6Ga和2.2Ga(肖志斌，2012).除此之外，角度不整合于神农架群之上的马槽园群原本被认为是新元古代地层，然而最近的研究似乎暗示马槽园群实际为碳酸盐岩台地上的裂陷槽重力流沉积，其同沉积的凝灰岩锆石(1165±14Ma和1157±19Ma)及碎屑锆石表明其时代可能为中元古代末期，与下伏神农架群中上部地层时代相当，原角度不整合面实际可能为冲刷-充填界面(邓奇等，2013；Wang et al., 2013).这些已有的研究多是针对神农架群中碎屑沉积岩和火山岩开展，而区内出露最为广泛的与碳酸盐岩相关的同位素年代学研究则相对缺乏.由此可见，神农架群作为扬子克拉通乃至华南陆块为数不多的中元古代沉积-火山地层，对其最具代表性的碳酸盐岩地层进行细致的同位素年代学工作，对于讨论我国南方中元古代地层的划分以及扬子克拉通中元古代构造演化过程等关键地质问题具有重要的意义.
本文在近年来对该地区开展的野外地质调查基础上，对神农架群中的出露最为完善的矿石山组地层进行了Pb-Pb等时线研究，对神农架群主体沉积时代归属进行了探讨.
1. 区域地质概况
研究区位于扬子克拉通西北缘的鄂西神农架-崆岭地区，位于我国地势第二阶梯的东部边缘，属大巴山脉东延余脉，北以青峰断裂与秦岭造山带为界，南东与黄陵隆起相邻，整体上为中高山地貌，山脉走向与区域地质构造方向线一致.神农架群位于扬子陆块黄陵背斜西北约70km的神农架构造穹窿，总出露面积约为1830km2(图 1).
对于神农架地区的区域地质调查开始于20世纪60年代早期，区内未见结晶基底岩系出露，神农架群受马槽园群和(或)南华系-震旦系覆盖，变质程度较弱.一直以来，神农架群被认为归属于中元古代，但缺乏可靠的同位素年代学数据，对于其中分组也存在较大的分歧.1974年神农架群首先被湖北省地质调查院分成了8个组，随后天津地质矿产研究所(现天津地质调查中心)提出了另一种11个组的划分方案(李铨和冷坚，1987).湖北省地质调查院在2004年开展的1:25万区调中又对神农架群的划分提出了新的看法，将这11个组合并为4个组，并对之前的地层顺序进行了调整，即将神农架群划分为：郑家垭组、石槽河组、大窝坑组和矿石山组4个岩石地层单位以及石槽河组大岩坪岩楔这个非正式填图单位，并从原神农架群中解体出新元古代青白口纪凉风垭组(刘成新等，2004).目前，被大众广泛接受的分组方案依然是由李铨和冷坚(1987) 提出的，仅在神农架群顶部增加了一个郑家垭组(Qiu et al., 2011;李怀坤等，2013).综合来看，本文主张将神农架群分为12个组，从底向上由鹰窝洞组、大岩坪组、乱石沟组、大窝坑组、矿石山组、台子组、野马河组、温水河组、石槽河组、送子园组、瓦岗溪组以及郑家垭组构成(图 2).目前神农架群沉积岩同位素年代学的研究积累仍相对有限.20世纪80年代前人对神农架群台子组上部的炭质页岩进行U-Pb等时线研究，获得的年龄为1332±67Ma，而对野马河组白云岩的研究则获得了精度不太高的1307±100Ma的Pb-Pb等时线年龄.此外，对神农架群中不同层位的石英砂岩进行了碎屑锆石U-Pb年代学研究，揭示其年龄谱中最主要的峰值约为1.6Ga(肖志斌, 2012).
图 2 神农架地区中元古代地层柱状图及采样点位1.砾岩；2.砂砾岩；3.砂岩；4.粉砂岩；5.页岩/板岩；6.燧石；7.石灰岩；8.白云岩；9.角砾状白云岩；10.硅质条带白云岩；11.叠层石白云岩；12.火山岩；13.凝灰岩；14.整合接触关系；15.平行不整合接触关系；16.采样点；据李怀坤等(2013) 修改Fig. 2. Mesoproterozoic stratigraphic histogram of the Shennongjia area and the sampling locations of the Kuangshishan Formation本文主要对神农架群中部的矿石山组进行研究，矿石山组厚度约为442m，主要为灰色中-薄层细-泥晶白云岩和叠层石白云岩.研究样品采自神农架景区内矿石山附近(图 1)，样品主要沿公路边神农架群标准剖面选择岩石变形相对较弱的矿石山组进行采集(图 2)，共采集9件白云岩样品，岩性主要为泥晶白云岩、泥质条带白云岩以及含叠层石白云岩.
2. 分析方法及测试结果
全岩Pb同位素分析在武汉地质调查中心同位素地球化学研究室完成.称取100mg岩石样品于Teflon(聚四氟乙烯)低压密封溶样罐中，加入6mol/L的HCl和6mol/L的HNO3各4mL，将溶样罐置于电热板上于190℃(7d)分解样品，待样品全溶后蒸干，加入适量6mol/L的HCl 2~3次并蒸干，最后加入适量体积比为1:1的HBr和HCl混合酸.将已转化成混合酸介质的样液进行离心分层，取上层清液，通过AG-1×8(200~400目)阴离子树脂交换柱.样品上柱交换前，先用高纯水和6mol/L的HCl交替清洗交换柱2~3次.样品上柱后，用5~10mL浓度为0.1mol/L的HBr淋洗杂质两次，再用5mL浓度为0.5mol/L的HCl淋洗一次，最后用10mL浓度为6mol/L的HCl解析Pb.实验用的HCl、HNO3和HBr均为市售优级纯并经过亚沸蒸馏两次，实验用水均为二次去离子水.
将金属铼带焊接于支架上，置于去气装置中约5A电流下去气20min.再将硅胶溶液、硼砂溶液、样品Pb、体积分数为3%的H3PO4依次点在铼带上.Pb同位素比值的测定在TIMS(Finnigan MAT-261) 上完成.样品铅同位素比值的内部精度优于0.1%，重复样的测定结果在误差范围内一致，全流程空白为＜2ng.采用美国国家标准物质NBS981监测仪器状态，NBS981的207Pb/206Pb测定平均值为0.91455±0.00005，与其推荐值(0.91464±0.00033) 在误差范围内完全一致，表明测试数据可靠可信.
本文对采自神农架群矿石山组的9件样品进行了Pb同位素分析，分析结果列于表 1中.结果显示矿石山组白云岩206Pb/204Pb变化范围相对较大，为18.433~23.106，而207Pb/204Pb和208Pb/204Pb则变化范围相对较小，分别为15.606~16.046和37.793~38.599.
表 1 神农架群矿石山组Pb同位素组成Table Supplementary Table Pb isotope compositions of carbonate rocks from the Kuangshishan Formation, Shennongjia Group序号 样号 岩性 206Pb/204Pb 2δ 207Pb/204Pb 2δ 208Pb/204Pb 2δ 1 12SNJ-72 块状白云岩 19.038 0.005 15.641 0.004 38.135 0.006 2 12SNJ-73 含黑色叠层石白云岩 19.774 0.005 15.707 0.004 37.897 0.008 3 12SNJ-75 块状白云岩 18.753 0.002 15.606 0.002 37.793 0.004 4 12SNJ-76 块状白云岩 20.322 0.007 15.740 0.006 38.341 0.009 5 12SNJ-77 含黑色叠层石白云岩 18.433 0.004 15.625 0.004 38.241 0.010 6 12SNJ-78 泥质条带白云岩 23.106 0.003 16.046 0.002 38.100 0.005 7 12SNJ-81 泥质条带白云岩 19.621 0.005 15.711 0.004 38.016 0.007 8 12SNJ-83 含叠层石白云岩 19.786 0.006 15.719 0.008 38.599 0.003 9 12SNJ-84 块状白云岩 21.076 0.005 15.830 0.004 38.114 0.001 Pb-Pb等时线年龄采用ISOPLOT软件(V3.41) 计算，9件样品构成的等时线年龄为1593±130Ma(MSWD=28)，相对于等时线12SNJ-77明显偏离，将该点剔除后剩余的8件样品构成的Pb-Pb等时线年龄为1632±75Ma(MSWD=8.7).
3. 讨论
3.1 神农架群矿石山组沉积时代
长期以来，有关沉积岩直接定年是同位素年代学研究的难点之一，目前较为普遍的做法是通过古生物化石组合来对沉积地层时代进行判定(Westerhold et al., 2008).然而对于化石组合较少完整保存的前寒武纪变沉积地层，则仍难以对其沉积时代进行直接测定.对陆源碎屑沉积岩而言，目前多利用其所含碎屑锆石进行U-Pb同位素年代学测定，通过最年轻的碎屑锆石年龄来约束最老的沉积年龄.而对缺乏碎屑物质的碳酸盐岩沉积岩，则多利用K-Ar、Rb-Sr、Sm-Nd等时线等测年方法进行直接测定.然而在许多情况下，由于在沉积岩后期成岩过程中这些同位素体系容易受到影响，导致传统的K-Ar、Rb-Sr、Sm-Nd等时线法等常用定年方法在对碳酸盐岩，尤其是前寒武纪碳酸盐岩的测年成功率不高(Chen et al., 2009).与之相比，由于U-Pb同位素体系母子体元素在海水中居留时间的差异，使得Pb-Pb等时线法在近年来对古老碳酸盐岩的定年中往往能够获得较为理想的结果(张巧大等, 2002;Gopalan et al., 2013;Kuznetsov et al., 2013).
对神农架群矿石山组的年代学研究，目前只有肖志斌(2012) 对该组石英粉砂岩中的碎屑锆石进行了U-Pb定年分析.其结果表明，矿石山组碎屑锆石的年龄谱中峰值分别在2.2Ga左右、2.8Ga左右和3.2Ga左右，且最年轻的碎屑锆石在1.6Ga左右(只有一颗)，显示其沉积时代不应早于1.6Ga.本文8件样品获得的矿石山组白云岩全岩Pb-Pb等时线年龄为1632±75Ma(图 3)，与该岩组碎屑岩中最年轻的碎屑锆石年龄几乎一致，对神农架群年代学数据作了重要补充，其结果应该是真实可信的，表明矿石山组地层主体沉积时代应在中元古代早期.结合区域上已有的研究成果，说明神农架群确实为华南陆块为数不多的中元古代沉积地层.
图 3 神农架群矿石山组Pb-Pb等时线Fig. 3. Pb-Pb isochron of carbonate rocks from the Kuangshishan Formation, Shennongjia Group3.2 对神农架群地层划分方案的约束
以往对于神农架群同位素年代学的积累较少，最早是由李铨和冷坚(1987) 将其时代限定为1650~1000Ma，而将上覆马槽园群的时代限定为1000~800Ma，同时将神农架群分为上下两个亚群和11个组，并认为上下亚群之间的界线年龄约为1400Ma.然而限于当时的分析技术条件，其时代划分依据是不够充分的(李怀坤等，2013).
湖北省地质调查院在2002—2004年期间1:25万的神农架幅区调工作基础上，将神农架群原有的分组情况作了重大修改，将其合并重整为4个组，认为郑家垭组为神农架群底部，而矿石山组则在神农架群的顶部，并在神农架群之上创建一个新的地层——凉风垭组(刘成新等, 2004).该研究表明神农架群底部郑家垭组为一套以陆源碎屑岩为主地层，上覆巨厚以碳酸盐岩为主的海相地层.
Liu et al.(2010) 沿用了湖北省地质调查院的划分方法对神农架群顶底层位的凉风垭组和郑家垭组中的碎屑锆石进行了U-Pb同位素分析，结果发现两套地层中碎屑锆石的年龄谱组成相似，其中最年轻的碎屑锆石年龄为~1.6Ga.同样的，肖志斌(2012) 对郑家垭组、大窝坑组、矿石山组以及凉风垭组的碎屑锆石进行了分析：郑家垭组总体显示出约1.6Ga、约1.8Ga和2.9Ga的峰值年龄特征；大窝坑组峰值年龄出现在1.6Ga、2.0Ga和2.7~2.8Ga；矿石山组年龄峰值为约2.2Ga、约2.8Ga和约3.2Ga；凉风垭组的年龄峰值为2.1Ga、2.8Ga和约3.2Ga.肖志斌(2012) 将郑家垭组沿用湖北地质调查院建组时的定义，将其做为神农架群底部地层单元，同时结合其中火山岩的年龄(Qiu et al., 2011)，将神农架群底部的年龄限定于1150Ma.结合本地区缺少1.0~0.8Ga锆石年龄的特征，作者认为神农架群是在中元古代晚期沉积形成，并将沉积时代限定在1150~1000Ma.
然而，Qiu et al.(2011) 最近报道了郑家垭组中安山质熔结凝灰岩的锆石U-Pb年龄为1103±8Ma，从而认为郑家垭组应为神农架群的顶部地层，其年龄应大致代表了神农架群的沉积上限，该文同时主张仍采用天津地质矿产研究所提出的神农架群地层划分方案，只是基于湖北省地质调查院的区调研究在其顶部加上一个新的组(郑家垭组).随后，李怀坤等(2013) 沿用Qiu et al.(2011) 对神农架群提出的划分方案对神农架群碎屑岩地层中碎屑锆石年龄组成进行了分析.其结果表明，神农架群大岩坪组砂屑硅质白云岩中最年轻碎屑锆石U-Pb年龄值约为1400Ma，指示神农架群的沉积时代最早应不超过1400Ma.在综合了侵入石槽河组中的辉长辉绿岩的斜锆石年龄及郑家垭火山岩锆石年龄后，该研究表明神农架群沉积时代应限定在1400~1100Ma.
由此可见，无论是对于神农架群的地层层序问题还是沉积时代问题，不同的研究者仍然抱有很大分歧.本文结果显示神农架群下亚群顶部矿石山组主体沉积年龄约为1.6Ga，这一年龄明显老于已报道的郑家垭组火山岩年龄(Qiu et al., 2011)，支持Qiu et al.(2011)和李怀坤等(2013) 将郑家垭组作为神农架群最顶部地层单元的划分方案.本文的研究结果同时表明神农架群底界沉积时代不会晚于1600Ma，这与肖志斌(2012) 获得的神农架群不同地层的碎屑锆石年龄谱最年轻的峰值年龄(约1.6Ga)相一致，结合已报道的郑家垭组中火山岩的锆石U-Pb年龄结果，暗示将神农架群的沉积时代限定于1600~1100Ma.然而需要指出的是，大岩坪组虽然为下伏于矿石山组的地层，但是在其碎屑锆石年龄谱中却出现了小于矿石山组沉积年龄的年龄值，这说明在神农架亚群内部层序仍需要进一步进行厘清，包括矿石山组顶部的不整合面的代表意义也尚不明确.显然仅凭目前对神农架群开展的基础地质和同位素年代学研究还无法对这些关键地质问题进行解答，需要在未来野外地质调查和室内科学研究方面做出努力.
致谢: 匿名审稿人对本文提出了宝贵的意见和建议，笔者在此表示衷心的感谢！ -
图 1 研究区Oficina组油层划分图（W2井）
Fig. 1. Oil-bearing layers of the Oficina Formation in the study area
图 2 自然伽马‒波阻抗交汇图分析沉积微相
Fig. 2. Sedimentary micro-facies analysis with the cross plot of GR well-logging and seismic impedance data
图 3 相标定地震相数据
Fig. 3. Seismic facies classification result defined with sedimentary microfacies
图 5 参考地震相数据制成的辫状河训练图像
Fig. 5. Different learning maps of braided river referring to seismic facies in the study area
图 6 依据辫状河训练图像的建模结果
Fig. 6. Reservoir modelling results dominated by learning maps on braided river
图 7 不同地震信息影响比约束条件下的建模结果（第6片）
图中的3张直方图，描述了在三种影响比之下，泛滥平原（相代码为0）、河道（相代码为1）、心滩（相代码位为2）等微相的空间比例
Fig. 7. Different reservoir modelling results under the condition of different seismic impact ratios
图 12 利用测井数据的建模结果与原始地震波阻抗的对比
图12d的底部的那张剖面图是利用原始地震波阻抗生成的.从它的色标可以看出，波阻抗最小是兰色，标定为泛滥平原.波阻抗再大一些，就是灰色、红色，标定为河道.波阻抗最大时是黄色，可以标定为心滩；坐标单位为m
Fig. 12. Comparison modelling results between well-logging data and original seismic wave impedance
图 13 不同随机种子条件下井震结合建模结果与原始地震波阻抗的对比
坐标单位为m
Fig. 13. Comparison modelling results between well integrated seismic data under different random seed conditions and original seismic wave impedance
表 1 Morichal段主要沉积微相类型
Table 1. Main types of sedimentary micro-faicies in the Morichal Member
相 亚相 微相 垂向层序 推移质/悬移质比 辫状河相 河床 河道 正韵律 很大 心滩 复合韵律 很大 河漫 泛滥平原 无韵律 小 
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表 2 研究区辫状河主要砂体类型及其宽度与厚度规模统计
Table 2. Statistics on width and thickness scales of major sandbodies of braided river in the study area
成因砂体类型 宽度（m） 厚度（m） 宽度/厚度 单一河道 100~250 2~5 20~50 单一心滩 120~250 2.5~6 30~50 复合河道带或心滩 1 500~3 000 10~25 60~150
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