瑪湖凹陷三疊系百口泉組砂礫巖中礫石磨圓度定量表征

彭 妙，張 磊，陶金雨，趙 康，張祥輝，張昌民

（1.中國石油新疆油田分公司，新疆克拉瑪依 834000；2.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依 834000；3.中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇無錫 214131；4.長江大學地球科學學院，武漢 430100）

0 引言

磨圓度是顆粒被其他顆?；蚪橘|(zhì)磨圓的程度，是砂礫巖描述的重要指標，礫石的磨圓度反映了沉積巖的結(jié)構(gòu)成熟度，通過對礫石磨圓度研究可以回溯礫石的搬運機理，重建砂礫巖的沉積過程。Wentworth［1］最早將圓度的概念引入地質(zhì)學范疇；Russell等［2］設計圓度分級標準方案；Krumbein［3］用27 個石灰?guī)r顆粒做磨損實驗并提出了目估法測量圓度標準；Pettijohn［4］改變了圓度級的劃分方案，將其劃分為棱角狀、次棱角狀、次圓狀、圓狀和極圓狀等5級；Powers［5］在1953 年將圓度等級分為尖棱角狀、棱角狀、次棱角狀、次圓狀、圓狀和滾圓狀等6 級；Folk［6］于1955 年提出未磨圓、圓度差、圓度中等、圓度好、圓度極好等5 級圓度標度；Simon 等［7］也提出了棱角狀、次棱角狀、次圓狀、圓狀等4 級劃分方案。張慶云等［8］認為磨圓度是指堆積物的不同粒徑的圓度組合；朱筱敏［9］認為圓度是指碎屑顆粒的原始棱角被磨圓的程度，與顆粒的形狀無關(guān)；王為等［10］認為圓度是棱角尖銳程度的函數(shù)。磨圓度的方法經(jīng)歷了傳統(tǒng)的目估測量階段（20 世紀初至今）、現(xiàn)代的計算機處理測量階段（21 世紀初至今）和先進的三維儀器直接測量階段（2013 年至今）等3 個階段。目估對比法是指將標準的顆粒圖像與需要測量的顆粒進行對比以確定顆粒的磨圓度［11-15］，主要基于已有的標準圓度圖版，其優(yōu)點是直觀、簡捷，但其主觀因素影響較大，不同研究者的測量結(jié)果或不同的顆粒標準之間難以相互對比。通過計算機軟件處理計算磨圓度，大大提高了磨圓度測量的準確率，主要有巖心圖像礫石分析技術(shù)、傅里葉變換、多尺度分割和數(shù)值模擬等方法［16-20］；三維儀器直接測量法是指用儀器直接測量磨圓度，可以更加方便快捷地獲得礫石輪廓，甚至直接通過儀器讀出顆粒表面結(jié)構(gòu)的各個系數(shù)，代表了磨圓度研究的發(fā)展方向［20-23］，然而該方法受顆粒形狀影響很大，只有在顆粒形狀相似的情況下，測量的百分圓度值才能代表顆粒的磨圓度。

采用去扁度方法定量測量瑪湖凹陷瑪15 井三疊系百口泉組取心段砂礫巖中礫石的磨圓度，分析其與巖心沉積相之間的聯(lián)系，研究百口泉組砂礫巖成因，建立百口泉組的沉積模式，以期為粗粒沉積物沉積相的分析提供新的參考思路。

1 地質(zhì)概況

瑪湖凹陷位于準噶爾盆地中央坳陷西部，凹陷西側(cè)自北向南發(fā)育烏夏斷裂帶、克百斷裂帶和中拐凸起，東部自北向南為石英灘凸起、英西凹陷、三個泉凸起、夏鹽凸起和達巴松凸起（圖1）?，敽枷葑韵露习l(fā)育石炭系，二疊系佳木河組、風城組、夏子街組、下烏爾禾組、上烏爾禾組，三疊系百口泉組、克拉瑪依組、白堿灘組，侏羅系八道灣組、三工河組、西山窯組、頭屯河組及白堊系等地層［24-28］。目的層三疊系百口泉組主要以灰色、褐色砂礫巖，含礫泥質(zhì)粉砂巖，泥質(zhì)粉砂巖為主，夾灰褐色、褐色泥巖及砂質(zhì)泥巖，地層厚度為130～240 m，自下而上分為百一段（T1b1）、百二段（T1b2）和百三段（T1b3），沉積相逐漸從扇三角洲平原過渡到扇三角洲前緣，再到濱淺湖相［24-27］。

圖1 瑪湖凹陷構(gòu)造位置（a）與瑪15 井三疊系百口泉組巖性地層綜合柱狀圖（b）Fig.1 Tectonics location（a）and stratigraphic column（b）of Triassic Baikouquan Formation of well Ma 15 in Mahu Sag

2 研究方法

2.1 礫石形態(tài)圖像采集

礫石磨圓度測量過程包括劃分測量單元、礫石圖像提取和形態(tài)參數(shù)計算3 個步驟，具體如下：①根據(jù)瑪湖凹陷已知的巖心、測井等資料，選擇合適的取心井，對目標井位進行單塊巖心圖像信息采集，基于不同的測量目的劃分巖心測量單元（比如基于巖石相分層，或基于沉積微相分層），同時記錄每個測量單元（分層）中部對應的深度（圖2a）。②半自動地提取顆粒輪廓，只提取出測量單元中粒級范圍內(nèi)的礫石顆粒輪廓，將帶有礫石顆粒輪廓的圖像導出成bmp 格式（圖2b），部分專業(yè)軟件可以實現(xiàn)顆粒的自動提取以及圓度的自動計算，但是如果取心壁表面污濁或擦痕明顯，導致礫石輪廓界線模糊，則需要采用繪圖軟件進行人工圈取。③利用專業(yè)軟件求取礫石的地質(zhì)參數(shù)（包括礫石顆粒的面積、周長、長軸和短軸等），并導入Excel 中，利用比例尺將像素值轉(zhuǎn)化成厘米級數(shù)值。

2.2 去扁化磨圓度定量計算

把IPP 軟件中求取的圓度記為IPP 圓度（RIPP），求取公式為

式中：L為顆粒輪廓周長，m；A為顆粒輪廓面積，m2；RIPP取值為0～1，越接近1 表示顆粒圓度越好。

IPP 圓度實質(zhì)上是顆粒偏離正圓的程度，與磨圓度所表達的含義不同，圓度與顆粒形狀有關(guān)，通常用滾球狀、橢球狀、扁球狀來形容，但是磨圓度是指顆粒邊角的圓滑程度，如尖棱角、次圓狀等，與顆粒的形狀無關(guān)。因此，采用IPP 圓度衡量磨圓度是有前提條件的，只有在顆粒形狀相似的情況下，IPP圓度值才能代表顆粒的磨圓度［28-29］。采用陶金雨等［28-29］提出的去扁化圓度方法對IPP 圓度公式進行改進，其原理是先計算礫石輪廓的最小外接矩形，再計算該矩形在標準坐標系中的轉(zhuǎn)換參數(shù)（包括旋轉(zhuǎn)參數(shù)、縮放參數(shù)和平移參數(shù)），并據(jù)該轉(zhuǎn)換參數(shù)將礫石輪廓的所有節(jié)點轉(zhuǎn)到標準坐標系中，再通過長寬比例進行修正，使礫石輪廓的最小外接矩形為正方形，達到去扁化的目的，以提高IPP計算圓度的精確性。

去扁化的具體步驟：①采用灰度平均值法將灰度礫石圖像（圖3a）變換為二值圖像（圖3b）；②提取二值礫石圖像的礫石輪廓（圖3c）；③采用Graham 算法計算礫石輪廓的凸包（圖3d）；④計算礫石輪廓凸包的最小外接矩形（圖3e）；⑤將最小外接矩形的所有節(jié)點轉(zhuǎn)到標準坐標系中，并通過四參數(shù)校正轉(zhuǎn)換為圖形（圖3f）；⑥通過比較外界矩形的寬高比，將四參數(shù)矯正后的圖像（圖3f）映射成去扁化后的圖像（圖3g），用以消除形狀的扁度對IPP 圓度計算的影響。

圖3 去扁化圓度的計算原理Fig.3 Calculation principle of de-flat roundness

去扁化的圓度值記作Rd。由于待測顆粒圖形的形狀發(fā)生了不同程度的拉伸，該算法的計算結(jié)果整體上會比待測顆粒原先的百分圓度值大。通過大量的圖像測試表明，Rd值為0.7～1.0，為了符合傳統(tǒng)磨圓度的賦值范圍（0～1），對Rd值進行數(shù)值標準化，標準化后的值記作Rdn，Rdn值越大，表示顆粒的磨圓度越好。在一定程度上，去扁化算法會整體增大原來的RIPP值，扁度越小的顆粒，增大的幅度越大，但并不妨礙磨圓度的判斷，因為磨圓度和扁度的數(shù)值本身沒有相關(guān)性，只是不同扁度礫石的搬運方式不同，理論上會導致顆粒的磨蝕方式發(fā)生變化。

依據(jù)Krumbein［2］標準圖版中9 種分類的81 塊礫石（圖4），檢驗去扁化圓度算法的可行性。研究結(jié)果（圖5）顯示，去扁化圓度對圖版中9 種級別的相關(guān)性較IPP 圓度有所提高，少量的異常點（比如級別8 中圓度值為0.75 左右的2 個點）是由于分類本身的錯誤導致的。此次對瑪湖凹陷礫石磨圓度研究采用的是扁度分類法與去扁化圓度計算相結(jié)合的方法進行定量測量的。

圖4 Krumbein 磨圓度9 級分類標準圖版Fig.4 Nine-level classification standard plate for roundness of Krumbein’s

圖5 IPP 圓度（a）、去扁化圓度（b）與Krumbein 級別的相關(guān)性Fig.5 Correlation of Krumbein’s classification with IPP roundness（a）and de-flat roundness（b）

2.3 磨圓度定量分級標準

不同測量者對磨圓度不同的顆粒在巖石中所占比重的判斷標準不同，因此，在研究中要先確定每種磨圓度所占整體礫石磨圓度的比重，通過計算磨圓度的方差，將混雜磨圓度的測量單元與相對集中磨圓度的測量單元區(qū)分開來。

根據(jù)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計（表1），扁度分布范圍可以采用方差（記作Var）分位數(shù)區(qū)間法來劃分：長扁形（Var值為0.03～0.38），扁球形（Var值為0.38～0.49），橢球形（Var值為0.49～0.61），圓球形（Var 值為0.61～0.91）。

表1 單個礫石扁度分類的IPP 圓度定量標準Table 1 IPP roundness quantitative standard of single gravel flatness classification

3 瑪15 井礫石磨圓度定量表征

瑪15 井位于瑪湖凹陷北斜坡帶，該井三疊系百口泉組（2 972～3 159 m）發(fā)育扇三角洲前緣的河道沉積，在瑪15 井百口泉組共取心3 次，第2 回次（T1b2，3 064.68～3 071.72 m）與第3回次（T1b2，3 084.59～3 093.61 m）主要發(fā)育灰綠色和灰色砂礫巖、含礫砂巖和褐色泥巖、砂質(zhì)泥巖，含油氣性較好（圖6）。此次研究以瑪15 井第2 和第3 回次取心礫石為例，進行了礫石磨圓度定量表征。

圖6 瑪湖凹陷瑪15 井三疊系百口泉組百二段（T1b2）典型巖心照片F(xiàn)ig.6 Typical core Photos of the second member of Triassic Baikouquan Formation of well Ma 15 in Mahu Sag

3.1 礫石磨圓度統(tǒng)計分析

對瑪15 井第2 和第3 回次巖心中的礫石圓度進行統(tǒng)計，累積統(tǒng)計圓度值的顆粒數(shù)為1 261 顆，其中第2 回次巖心17 個，礫石534 顆，第3 回次巖心21 個，礫石727 顆（表2）。

表2 瑪湖凹陷瑪15 井三疊系百口泉組礫石磨圓度測量結(jié)果Table 2 Gravel roundness of Triassic Baikouquan Formation of well Ma 15 in Mahu Sag

瑪湖凹陷M15 井第2 回次的取心礫石顆粒中橢球形礫石的占比最大，約為38.98%，其次是扁球形礫石和圓球形礫石，占比分別為33.31% 和19.89%，長扁形礫石占比最小，僅為7.83%。第3 回次的取心礫石顆粒中扁球形礫石的占比最大，約為37.48%，其次是橢球形礫石，占比為36.09%，長扁形礫石占比為13.85%，圓球形礫石占比最小，約為12.58%。按照IPP 圓度分類方案，第2 回次以橢球形的次圓狀礫石含量最高，其次是圓球形的圓狀礫石，整體的磨圓度較好（圖7a）。第3 回次以扁球形和橢球形的次圓狀礫石含量最高，其次是圓球形的圓狀和次圓狀礫石，整體的磨圓度較第2 回次差（圖7b）。

圖7 瑪湖凹陷瑪15 井巖心扁度分類IPP 圓度頻率直方圖Fig.7 Frequency histogram of IPP roundness for core flatness classification of well Ma 15 in Mahu Sag

3.2 礫石磨圓度的垂向變化

觀察瑪15 井的磨圓度垂向上的變化情況（圖8），可見該井第2 回次取心礫石的磨圓度呈向上變差的趨勢。下部的灰綠色小中礫巖磨圓度較好，向上發(fā)育大中礫薄層，磨圓度變差，圓度約為0.433，可能是因為大中礫巖將周圍礫石遮擋了，導致周圍礫石的磨圓度差，也有可能是測量樣品數(shù)太少所致；磨圓度最小處，Var值突然變大。在中部的灰色小中礫巖Rdn值中位數(shù)逐漸穩(wěn)定為0.667～0.700，磨圓度很好，Var值也很穩(wěn)定，約為0.050。上部為灰色大中礫巖，Rdn值變化較大，為0.433～0.667；Var值顯示為2 個旋回。

圖8 瑪湖凹陷瑪15 井第2 和第3 回次取心巖性綜合柱狀圖Fig.8 Comprehensive lithological column of the second and third coring intervals of well Ma 15 in Mahu Sag

第3 回次取心礫石的磨圓度整體上呈現(xiàn)向上變好的趨勢。下部發(fā)育灰綠色中礫巖互層，Rdn值由0.600 驟降到0.267，呈鋸齒狀上升，Var均大于0.05；中段Rdn較穩(wěn)定，在0.50 左右，中間夾有一段灰色砂巖，砂層下部的Var在0.04 左右，砂層上下的Var變大，是砂礫巖中砂質(zhì)含量增大的原因，向上方差也變大；上部的灰綠色細礫巖磨圓度變差，Rdn值降低到約0.470，再向上發(fā)育灰色小中礫與大中礫巖互層，Rdn值明顯變大，約為0.650，頂部的灰綠色大中礫巖的Rdn值穩(wěn)定在0.600左右，方差可見1個旋回。

4 礫石磨圓度表征在沉積相分析中的應用

將瑪湖凹陷瑪15 井第2 回次和第3 回次取心段的礫石磨圓度曲線與測井曲線進行對比分析（參見圖8），可以發(fā)現(xiàn)磨圓度曲線與SP，RXO測井曲線在垂向變化趨勢的一致性較好，其中第2 回次的相關(guān)性更好，因此磨圓度曲線在垂向上的變化一定程度可以指示巖性、相帶的變化。

瑪15 井第2 回次巖心礫石粒徑大，交錯層理發(fā)育，磨圓度整體集中在次圓狀到次棱—次圓狀，Rdn平均值為0.573，這是由于受到長期流水沖刷所致，因此推斷發(fā)育常年性河流。第3 回次巖心礫石粒徑大，交錯層理礫巖與塊狀礫巖互層，磨圓度集中在次棱角狀和次棱—次圓狀，磨圓度忽好忽差，Rdn平均值為0.523，且向上泥質(zhì)含量變小，水動力增強，推斷第3 回次發(fā)育間斷的季節(jié)性河流。此外，第2 回次取心的孔隙度和滲透率值總體上比第3回次取心的孔隙度和滲透率值大，也說明第2 回次取心礫石受流水沖刷作用強，泥質(zhì)含量少，物性也更好。

整體而言，瑪15 井百二段從底到頂，磨圓度逐漸變好，沉積相由季節(jié)性辮狀河道逐漸過渡為常年性辮狀河道，泥質(zhì)含量減少，物性逐漸變好，因此認為礫石磨圓度表征是沉積相類型及演化分析的1種有效輔助手段。

5 結(jié)論

（1）去扁化磨圓度定量表征方法是礫石磨圓度定量表征的有效方法。去扁化方法避開了百分圓度法表征磨圓度的局限性，其實質(zhì)是將顆粒進行變形矯正，使所有顆粒的形狀都標準化。

（2）瑪湖凹陷瑪15 井第2 回次取心礫石的磨圓度整體較第3 回次取心好。第2 回次取心主要發(fā)育橢球形和扁球形礫石，以圓球形的圓狀礫石含量最高，其次是橢球形的次圓狀礫石，整體的磨圓度較好；第3 回次取心主要發(fā)育橢球形和扁球形礫石，以扁球形和橢球形的次圓狀礫石含量最高，其次是圓球形的次圓狀和圓狀礫石。

（3）瑪湖凹陷瑪15 井第2 回次取心礫石的Rdn值向上減小，磨圓度向上變差；第3 回次取心礫石的Rdn值從下部向上逐漸變大，磨圓度向上總體變好。

（4）瑪湖凹陷瑪15 井第2 回次和第3 回次取心段的礫石磨圓度較好地反映了該段地層的沉積過程。第2 回次取心磨圓度整體集中在次圓狀到次棱—次圓狀，具有常年性河流特征，第3 回次的礫石磨圓度集中在次棱角狀和次棱—次圓狀，推斷發(fā)育季節(jié)性河流；瑪湖凹陷瑪15 井百二段從底到頂，沉積相由季節(jié)性辮狀河道過渡到常年性辮狀河道，礫石磨圓度具有次棱到次棱—次圓（逐漸變好）的變化特征，二者具有良好的對應關(guān)系。