2. 中国地质大学(北京)能源学院,北京 100083;
3. 中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院,山东 东营 257015
2. College of Energy Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China;
3. Research Institute of Exploration and Development, Shengli Oilfield Company, Sinopec, Dongying 257015, Shandong, China
细粒沉积岩是指由颗粒粒级小于0.062 5 mm的组分经固结成岩作用所组成的沉积岩[1-3],即本文的泥页岩。近年来,页岩油气勘探开发对油气增储上产作用显著[4-6],加之渤海湾盆地沾化凹陷沙三下亚段页岩油勘探潜力巨大,而目前对岩相类型及其分布规律认识不清,制约了页岩油的勘探突破[7],因此对泥页岩的深入研究更加迫切,对泥页岩地层的沉积规律进行更高精度的研究势在必行。传统方法对细粒沉积岩的地层划分精度有限[8],而细粒沉积岩的沉积具有连续性,记录和保存了显著的天文旋回信号,是进行天文旋回分析的理想载体[9-10]。因此,可利用天文旋回理论进行旋回地层分析,并将滤波曲线作为高精度地层划分及对比的依据,从而为直观了解岩相发育规律、预测岩相发育类型提供依据。
Milankovitch [11]于1941年提出了米兰科维奇旋回理论(简称天文旋回),即地球轨道驱动参数偏心率、斜率和岁差造成第四纪冰期与间冰期交替[12],使沉积地层具有旋回性[13-15]。天文旋回理论在对地质历史时期的沉积记录研究中得到了普遍的认可和广泛的应用,众多学者已经在细粒沉积岩等沉积物质中提取出了天文旋回信号[16-18]。部分国外学者对旋回地层的研究主要集中在海相沉积,认为湖泊沉积受陆源输入和构造影响大[19-20]。随着页岩油气勘探的深入进行,已有许多学者在湖相细粒沉积岩中识别出了天文旋回信号,如西班牙Teruel盆地[21-22]、土耳其Mudurnu-Göynük盆地[23]、我国松辽盆地上白垩统[24]、渤海湾盆地古近系[7, 10, 25-26]。然而,这些学者所进行的研究大多是用天文旋回理论来解释湖泊沉积的古气候特征、有机质富集因素、单井地层划分等,这些研究仅仅是“点”上的研究,还不足以支撑预测岩相发育类型及查明岩相的空间匹配关系。天文旋回是通过地球轨道周期变化影响地球表面所接收到的日照量来影响气候变化进而影响沉积过程的,研究表明地球轨道参数(偏心率、倾角和岁差)可以影响地球气候在局部与全球尺度上万年到百万年的变化。因此,可以通过识别地层中的天文旋回信号建立分辨率达万年尺度的天文年代标尺[26-27]。天文旋回信号识别的关键是掌握沉积速率的变化情况,天文旋回理论所包含的时间意义是进行高精度地层划分及对比的基础[28],利用轨道周期对沉积作用的控制关系,可从沉积成因上解决天文旋回地层划分及对比的问题,为页岩油气精细勘探提供了一种新的方法。
测井数据中自然伽马(GR)是用于旋回地层学分析的古气候理想替代性指标,因此采用GR作为替代性指标来进行天文旋回分析[29]。对渤海湾盆地济阳坳陷沾化凹陷选取有代表性的重点井进行地层对比,运用频谱分析、进化谐波分析、相关系数(COCO)分析,匹配出沙三下亚段最优沉积速率,进行信号检验,提取沙三下亚段地层中的天文旋回信号。通过滤波、调谐提取出旋回曲线,用0.10 Ma的短偏心率旋回建立“浮动”天文年代标尺,计算出不同深度的沉积速率,并将提取出的天文旋回滤波曲线用于地层划分及地层对比。利用0.10 Ma的短偏心率旋回曲线进行单井地层划分,并将单井划分结果应用于连井地层对比建立地层格架。
1 地质概况沾化凹陷位于渤海湾盆济阳坳陷的东北部,是济阳坳陷的一个二级构造单元(图 1a),整体呈“北断南超、北陡南缓”的构造格局,面积约2 800 km2 [30]。沾化凹陷北部以埕东凸起为界,东部以孤东断层和长提断层为界,东南与垦东—青坨子凸起相邻,南接陈家庄凸起,西部以义东断层与车镇凹陷及义和庄凸起相邻[31],这些周边的凸起形成了沾化凹陷的主要物源区。沾化凹陷母岩岩性以太古界—元古界发育的花岗岩、下古生界发育的碳酸盐岩和上古生界发育的碎屑岩为主[32]。古近系沙河街组沙三段可分为沙三下亚段、沙三中亚段、沙三上亚段(图 1b)[17]。其中沙三下亚段沉积时期气候潮湿,处于稳定持久的深湖—半深湖沉积环境,发育了厚度为200~400 m的深灰色泥页岩夹泥灰岩沉积。研究区目的层位为沙三下亚段,主要是深湖—半深湖内源泥灰岩及混源泥页岩沉积(图 1b)。
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下载原图 图 1 渤海湾盆地沾化凹陷构造区划(a)及岩性地层综合柱状图(b)(据文献[7] 修改) Fig. 1 Tectonic division(a)and stratigraphic column(b)of Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin |
GR测井数据可以作为古气候的替代性指标,其取样间隔为0.125 m,达到天文旋回分析需要的采样精度,其值为10~100 API,低值与泥灰岩对应,高值与泥页岩对应,具有明显的旋回特征(图 2)。选择沾化凹陷沙三下亚段以湖相深水细粒沉积岩为主的井进行天文旋回分析。
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下载原图 图 2 渤海湾盆地沾化凹陷罗69井古近系沙三下亚段去趋势后GR曲线 Fig. 2 Natural Gamma curve after trend removal of lower Sha-3 member of Paleogene of well Luo 69 in Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin |
本次研究数据分析采用的软件是基于MATLAB平台的Acycle v2.2 [33],所有数据分析均在此应用中进行。此项研究的数据分析包括:MTM(Multi-taper method)频谱分析、FFT(Fast Fourier Transform)进化谐波分析、滤波分析、COCO/eCOCO相关性分析等。在进行这些操作之前需要进行数据预处理:①去极值,剔除一组数据的奇异点;②插值,对GR数据进行线性插值,均匀采样间隔为0.125 m;③去趋势,对GR数据采用33%加权平均处理[34](图 2),以减少趋势干扰。
2.2 天文周期解决方案Laskar等[35]对La2004计算参数的初始计算条件进行了改良提高,采用了新的天文历表INPOP08 [36]进行计算,所提出的解决方案La2010提供了250 Ma以来更精确的偏心率变化曲线。La2010尤其是50 Ma以来的地球轨道参数(偏心率、斜率、岁差)的计算非常精确,为进行天文旋回分析提供了理论依据。Liu等[37]通过对渤海湾盆地沙河街组的天文旋回分析,获得22~66 Ma的高精度天文年代标尺,其中济阳坳陷沙河街组沙三下亚段的年龄锚定为40.20~42.47 Ma,国内已有部分学者引用此观点开展了相关的研究[25, 38]。
本次采用La2010b天文周期解决方案[35],在Acycle v2.2版本软件[33]中计算出40.20~42.47 Ma(济阳坳陷沙河街组沙三下亚段形成时期)的夏季平均日照量曲线,采样间隔为0.001 Ma,对平均日照量曲线进行频谱分析,得到偏心率、斜率及岁差周期的理论值(图 3a)。沾化凹陷沙三下亚段(40.20~42.47 Ma)期间的天文周期为0.405 Ma,0.125 Ma,0.097 Ma,0.051 Ma,0.040 Ma,0.038 Ma,0.023 Ma,0.022 Ma,0.019 Ma。其中,0.405 Ma为长偏心率(E)周期;0.125 Ma与0.097 Ma为短偏心率(e)周期;0.051 Ma,0.04 Ma与0.038 Ma均为斜率(O)周期;0.023 Ma,0.022 Ma与0.019 Ma为均岁差(P)周期。计算出上述沾化凹陷沙三下亚段(40.20~42.47 Ma)期间各主要天文参数的比值约21.3∶5.1∶2.0∶1.0,将其与GR数据频谱分析后的谱峰比值进行对比,初步判断地层中是否记录有天文旋回信号,若两者比值接近则存在天文旋回信号[39]。
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下载原图 图 3 渤海湾盆地沾化凹陷罗69井古近系沙三下亚段GR曲线频谱分析 (a)40.2~42.47 Ma天文解决方案频谱分析;(b)去趋势后的GR曲线(2 909.5~3 129.5 m);(c)进化谐波图;(d)GR深度序列频谱分析;(e)分段GR深度序列频谱分析。 Fig. 3 Spectrum analysis of GR curve of lower Sha-3 member of Paleogene of well Luo 69 in Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin |
在深度域上对沾化凹陷部分井(以罗69井为例)沙三下亚段预处理后的GR数据序列(图 3b)进行MTM频谱分析,结果显示出16个优势频率峰值(置信度大于90%)曲线(图 3d),且所有峰值都通过AR1置信度曲线检验。谱图中纵坐标为能量强度,横坐标为深度序列的频率,由横坐标可计算出频谱峰值所对应的旋回厚度(频率取倒数,1/频率)分别为42.3 m,29.0 m,9.0 m,6.3 m,4.7 m,3.6 m,3.2 m,2.8 m,2.6 m,2.4 m,2.1 m,1.9 m,1.7 m,1.5 m,1.4 m和1.3 m,频谱结构整体显示出4个优势频带,分别为42.3~29.0 m,9.0~6.3 m,4.7~2.4 m和2.1~1.3 m,并把4个频带分别解释为长偏心率、短偏心率、斜率和岁差,4个频带的谱峰值对应的比值为20.14∶4.29∶2.23∶1.00(取每个频带范围内的最大值),与理论天文周期的比值21.3∶5.1∶2.1∶1.0接近。
为了观察整体数据序列的稳定性,分析沉积记录中随深度变化的主频率特征,对GR曲线进行进化谐波分析(Evolutionary Spectral Analysis)。该方法能在移动的深度段上进行不同窗口的傅里叶变换,进而可以检测深度数据上的稳定性和分析沉积速率在深度上的变化。本次谐波分析经过多次调试,得到进化谐波图(图 3c),选择的最优参数配置为:滑动窗口长度为44 m,窗口步长为0.352 m,最高频率为1.0。进化谐波图中的峰值与MTM谱图中的谱峰值对应较好,表明各个深度段都保存了偏心率、斜率和岁差周期信号。进化谐波图中可识别出2 944 m,2 981 m,3 040 m和3 067 m等4个深度段有明显的谱峰值变化,即沉积速率在该处有明显的变化。在2 944 m与3 030 m处出现了峰值不连续的现象,可能是在该深度段内陆源输入较强致使沉积速率发生变化,从而导致频谱周期性改变[40]。为了方便操作和技术可行性,选择2 975 m与3 067 m有明显波动的深度段将罗69井分为2 909.5~2 975.0 m,2 975.0~3 067.0 m和3 067.0~3 129.5 m等3段。白色圈中标注的E,e,O,P分别为长偏心率、短偏心率、斜率、岁差(图 3c)。由于研究区不同层位的沉积环境不同,为减少不同沉积环境中沉积速率差异的误差,对以上3个深度段的GR序列分别进行频谱分析(图 3e)。在第一段(2 909.5~2 975.0 m深度段),4个优势频率谱峰分别为8.4 m,3.9 m,3.0 m,1.6 m,其比值与97.0∶51.6∶38.0∶19.0接近;在第二段(2 975.0~3 067.0 m深度段),4个优势频率谱峰分别为11.9 m,4.2 m,3.3 m,2.0 m,其比值与125.0∶51.6∶40.0∶22.0接近;在第三段(3 067.0~2 129.5 m深度段),4个优势频率谱峰分别为11.2 m,4.5 m,3.6 m,1.9 m,其比值与125.0∶51.6∶40.0∶2.0接近。
2.4 最优沉积速率的估算选用的GR测井序列以深度为单位,尽管在95% 的置信度曲线之上检测到了能量谱的周期性,但并未对深度周期所代表的时间范围进行估计,因此,仅通过传统的“比值法”对天文旋回进行识别的结果比较粗略,还需要通过一定的方法来提高旋回识别的可靠性。本次选用的方法是基于蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟的COCO/eCOCO(Correlation Coefficient/evolutionary Correlation Coefficient)分析来对非天文旋回信号进行检验[33],并用零假设检验(H0)的显著性水平(Significant level)来匹配结果[41]。检验中的显著性水平表示地层记录中零假设被错误拒绝的概率[42],即检验中的H0越小,分析得到的结果就越可靠。当有0.001的显著性水平时,表示有0.999的频谱被检测到,被错误拒绝的天文旋回信号仅为0.1%。通过零假设检验所得出的沉积速率最接近真实的沉积速率,被称为最优沉积速率。
根据以往对沾化凹陷沙三下亚段沉积速率的估算及COCO参数设置[38],本次研究中COCO计算参数配置为:最小频率为0,最大频率为4,最大沉积速率为5.4×104 cm/Ma,蒙特卡洛模拟2 000次。通过COCO计算得到罗69井沙三下亚段的平均沉积速率为6.9×103 cm/Ma或9.0×103 cm/Ma(图 4a),两者都超过了0.001显著性水平(图 4b),且7个天文参数分量都参与的置信度水平低于0.05%(图 4c),可以拒绝没有天文旋回信号参与的零假设试验。在进行eCOCO分析时参数配置:最小频率为0,最大频率为4,最小沉积速率为5.0×103 cm/Ma,最大沉积速率为5.4×104 cm/Ma,滑动窗口为35 m,滑动步长0.125 m,蒙特卡洛模拟试验2 000次,得到如图 5所示结果。图 5中数据与图 4具有较好的对应关系,(6.9~9.0)×103 cm/Ma的沉积速率在沙三下亚段整段都保持稳定(图 5a)。
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下载原图 图 4 渤海湾盆地沾化凹陷罗69井古近系沙三下亚段GR曲线COCO相关系数分析结果 Fig. 4 Analysis result of COCO of GR curve of lower Sha-3 member of Paleogene of well Luo 69 in Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin |
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下载原图 图 5 渤海湾盆地沾化凹陷罗69井古近系沙三下亚段GR曲线eCOCO分析结果 Fig. 5 Analysis result of eCOCO of GR curve of lower Sha-3 member of Paleogene of well Luo 69 in Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin |
基于频谱分析的结果,将代表天文旋回参数的沉积旋回通过高斯带通滤波提取出来,其中长偏心率(E,0.040 5 Ma)的沉积旋回(42.3 m)滤波频率为(0.029±0.008)周/m,其结果显示罗69井沙三下亚段记录了大约6个长偏心率旋回(图 6);短偏心率(e,0.010 0 Ma)的沉积旋回(9.0 m)滤波频率为(0.110±0.01)周/m,其结果显示沙三下亚段记录了大约25个短偏心率旋回(图 6);斜率(O,0.040 Ma)的沉积旋回(3.6 m)以滤波频率(0.25±0.01)周/m通过高斯带通滤波,滤波结果显示沙三下亚段约记录了56个斜率旋回(图 6);岁差(P,0.022 Ma)的沉积旋回(1.7 m)以滤波频率(0.47±0.03)周/m通过高斯带通滤波,滤波结果显示沙三下亚段约记录了104个岁差旋回(图 6)。
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下载原图 图 6 渤海湾盆地沾化凹陷罗69井古近系沙三下亚段天文调谐结果 Fig. 6 Astronomical tuned result of lower Sha-3 member of Paleogene of well Luo 69 in Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin |
木星质量很大,保障了0.405 Ma长偏心率在地质历史时期一直处在比较稳定的状态[43],故选择代表长偏心率的滤波曲线建立深度-时间模型,同时将长偏心率、短偏心率2个天文旋回参数作为理论调谐曲线(图 7)。根据Liu等[37]建立的沙三下亚段天文年代标尺,以沙三下亚段底界的年龄42.47 Ma作为天文年代调谐的初始锚点、沙三下亚段顶界面年龄40.20 Ma为控制点,来界定本次研究的时间范围并作为深度与时间转换的依据[38]。利用获得的时间域序列,结合相应的深度域序列,即可得到沙三下亚段连续变化的沉积速率(以罗69井为例),在2 981.0 m(41.075 Ma),3 040.1 m(41.568 4 Ma),3 066.9 m(41.813 6 Ma)处出现了沉积速率的明显变化,沉积速率自下而上存在明显的增大趋势(图 7)。
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下载原图 图 7 渤海湾盆地沾化凹陷罗69井古近系沙三下亚段单井地层划分 Fig. 7 Stratigraphic division of lower Sha-3 member of Paleogene of well Luo 69 in Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin |
地球与太阳轨道周期性变化引起日照量的变化,进而影响气候变化,考虑GR数据指标的沉积环境意义[29],将天文旋回周期曲线作为基准面,即高精度地层划分的界面,以选取的单井天文旋回滤波曲线进行高精度地层划分。
在单井的天文旋回地层划分上,沾化凹陷罗69井沙三下亚段共包含长偏心率旋回6个、短偏心率旋回25个、斜率旋回56个、岁差旋回104个(图 7),沉积旋回以正三角和倒三角为主,表示1个长/短偏心率由2个半个旋回构成,主要应用于解释岩相发育规律,文中不作岩相上的分析,图 7中标出的沉积旋回是为了让天文旋回地层划分更容易理解和使图件更加完善;罗53井沙三下亚段共包含长偏心率旋回6个、短偏心率旋回25个;罗67井沙三下亚段共包含长偏心率旋回6个、短偏心率旋回25个;济页参1井沙三下亚段共包含长偏心率旋回6个、短偏心率旋回25个;义289井沙三下亚段共包含长偏心率旋回6个、短偏心率旋回25个;义189井沙三下亚段共包含长偏心率旋回6个、短偏心率旋回25个。通过地层划分发现,研究区地层发育比较稳定,普遍发育约6个长偏心率、约25个短偏心率。根据单井上天文旋回划分的结果,将短偏心率曲线作为连井地层对比的基础,利用基准面旋回建立深水区高精度地层格架。短偏心率曲线建立地层格架的细分层对精细勘探及开发有促进作用,也有预测岩相的作用。因为水平井段压裂时压裂厚度达数十米,可通过高精度地层格架的分层在某一旋回对应的小层段内进行压裂,而压裂的水平范围上千米,平面岩相变化很快,可通过地层格架约束预测岩相类型。
3.2 连井地层对比通过单井的天文旋回高精度地层划分,将沾化凹陷沙三下亚段顶底的磁性地层年龄作为界限锚点[37],在沙三下亚段内部将短偏心率周期曲线作为地层对比的界面。通过对比发现,沾化凹陷沙三下亚段地层大约包含6个长偏心率旋回,自下而上为第1—6个长偏心率旋回;沙三下亚段的短偏心率旋回稳定在25个(图 8)。
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下载原图 图 8 短偏心率0.125 Ma旋回连井地层对比 Fig. 8 Well-tie stratigraphic correlation by short eccentricity 0.125 Ma astronomical cycle |
在连井剖面上(图 8),罗53井沙三下亚段底部第1—2长偏心率旋回主要发育灰岩、泥灰岩,为浅水环境内源沉积(以湖盆中自生的藻类、碳酸盐岩沉积为主);第3—6长偏心率旋回主要发育深灰色泥岩,中间夹有部分灰岩。罗69井在沙三下亚段发育有泥岩、泥灰岩夹层,呈现出较好的旋回对应性,以内源沉积为主,薄片上以碳酸盐纹层为主,岩心上表现为泥岩及泥灰岩互层(图 9a—9d)。罗67井在沙三下亚段下半部分的第1—3长偏心率旋回主要发育泥岩,鲜有泥灰岩发育,以混源沉积为主(湖盆自生组分与陆源输入的组分混合沉积);在沙三下亚段上半段发育有较多的泥灰岩,其中第4长偏心率旋回集中发育大段泥灰岩,第5长偏心率旋回交替出现褐色泥岩与深灰色灰质泥岩,第6长偏心率旋回主要发育褐色泥岩,少量发育泥灰岩,泥岩纹层状不明显(图 9e,9f),可能是由混源事件沉积形成[44]。济页参1井沙三下亚段一般发育泥岩、泥灰岩,第5长偏心率旋回有小段砂质泥岩发育。义289井底部第1长偏心率旋回内主要发育泥灰岩,还有部分白云岩发育,第2—6长偏心率旋回主要发育泥岩,有少量泥灰岩段。义189井沙三下亚段主要发育泥岩、泥灰岩,在每个长偏心率内部均有部分砂岩、粉砂岩发育,这可能与其所处的位置在湖盆边缘的斜坡上有关[45]。长偏心率与各种沉积作用之间存在间接的控制关系(长偏心率控制岁差,岁差影响陆源输入强弱进而控制岩相发育类型[46])。由此可见,通过每个旋回对应的小层段内的岩相发育类型分析,可以进一步利用地层格架预测岩相类型。
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下载原图 图 9 内源沉积及混源沉积特征岩心及薄片 (a)罗69井,3 130.9 m,碳酸盐纹层;(b)罗69井,3 133.35 m,碳酸盐纹层;(c)罗69井,3 130.9 m,纹层状泥岩及泥灰岩;(d)罗69井,3 133.35 m,纹层状泥岩及泥灰岩;(e)罗67井,3 342.2 m,弱纹层—层状泥岩;(f)罗67井,3 345.1 m,弱纹层—层状泥岩。 Fig. 9 Core and thin sectoin characteristics of endogenous and mixed source sediments |
细粒沉积多具有连续性的特征,在测录井及地震上响应不明显,岩相变化特征不显著,使层序地层学方法在对细粒沉积岩进行地层划分时受限[9],制约了沾化凹陷沙三下亚段的页岩油勘探潜力。然而细粒沉积岩是进行天文旋回分析的理想载体[10],根据地球轨道周期性的变化主控湖相细粒沉积岩的沉积作用,从而利用天文旋回理论所包含的时间意义进行高精度地层划分及对比。
通过连井地层对比能够更加精细、直观地了解每一小层段内的岩相发育规律和空间配置关系,Zhang等[17]已在东营凹陷细粒沉积岩地层中运用天文旋回进行了连井地层对比,揭示了天文旋回约束下泥岩—泥灰岩耦合受控于岁差半旋回的岩相发育规律,并对湖盆中央岩相发育类型进行了预测。对于沾化凹陷,下一步也将运用天文旋回理论进行岩相发育规律、岩相空间配置关系的研究,在利用天文旋回曲线建立地层格架的基础上,根据天文旋回的时间特性[9]、地球轨道周期控制气候的特性[20],从成因上解释和预测岩相发育类型,进而预测沾化凹陷页岩油气地质“甜点”区,从而为沾化凹陷页岩油气的精细勘探提供借鉴[46]。
5 结论(1)渤海湾盆地沾化凹陷沙三下亚段地层中存在的沉积旋回周期包括有0.405 Ma,0.097 Ma,0.051 Ma,0.040 Ma,0.022 Ma及0.019 Ma。0.405 Ma长偏心率控制的地层厚度约42.3 m,0.097 Ma短偏心率控制的地层厚度约9.0 m。0.051 Ma和0.040 Ma斜率控制的地层厚度为4.7~2.4 m。0.022 Ma和0.019 Ma岁差控制的地层厚度为1.9~1.3 m。通过COCO计算得到的沙三下亚段的最优沉积速率为9.0×103 cm/Ma。在沙三下亚段采用磁性地层数据得出的顶底界年龄,底界以42.47 Ma、顶界以40.20 Ma为锚点,以长偏心率0.100 Ma滤波曲线建立罗69井的“浮动”天文年代标尺。
(2)通过单井的天文旋回地层划分,可将沾化凹陷沙三下亚段的长偏心率旋回稳定在6个,短偏心率旋回稳定在25个,斜率约56个,岁差旋回约104个。
(3)连井地层对比时,在长偏心率旋回0.405 Ma的内部,以短偏心率0.100 Ma滤波曲线进行地层划分,共划分为25个短偏心率旋回,实现了高精度地层划分与对比,有利于页岩油气“甜点区”的精细勘探。
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