烴源巖有機碳含量的測井響應(yīng)特征與定量預(yù)測模型
——以珠江口盆地文昌組烴源巖為例

徐思煌,朱義清

(1.中國地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室,武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學(xué)研究生院,武漢 430074)

烴源巖有機碳含量的測井響應(yīng)特征與定量預(yù)測模型
——以珠江口盆地文昌組烴源巖為例

徐思煌1,朱義清2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室,武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學(xué)研究生院,武漢 430074)

利用測井資料評價烴源巖,能夠彌補烴源巖取心少、實測樣品分布不連續(xù)的不足。富含有機質(zhì)的烴源巖在測井上具有電阻率高、中子孔隙度高、聲波時差高、伽馬高、密度低等基本特征。測井資料不僅可用來定性識別烴源巖,而且還能定量預(yù)測有機碳含量。近半世紀不斷探索出的預(yù)測模型,可概括為定性識別模型、單參數(shù)等效體積模型、雙參數(shù)交匯圖半定量模型、多元回歸模型、測井曲線疊合模型(即ΔlogR技術(shù))、模糊數(shù)學(xué)模型6種類型。珠江口盆地惠州凹陷及番禺4洼文昌組烴源巖實測有機碳含量與同井段電阻率、中子、聲波、伽馬和密度等測井參數(shù)之間的相關(guān)程度比較均衡,因此由這5種測井參數(shù)構(gòu)成的五元回歸方程代表著最佳定量預(yù)測模型。對番禺4洼一口井文昌組進行了全井段有機碳含量預(yù)測,經(jīng)巖性描述、實測有機碳含量檢驗,認為預(yù)測效果良好。

烴源巖;有機碳含量;測井響應(yīng);預(yù)測模型;惠州凹陷;珠江口盆地

烴源巖有機碳含量是含油氣盆地中生烴研究和資源評價必需的一項基礎(chǔ)參數(shù)。在可獲取烴源巖樣品的情況下,通過實驗直接測定有機碳含量。然而,受采樣條件限制,合適的烴源巖樣品常常數(shù)量有限、分布局限;再加上測試費用的因素,直接測定的有機碳含量資料無論數(shù)量上還是分布上通常都難于滿足研究的需要。因此,有必要充分地利用縱向連續(xù)、廣泛分布的測井資料來評價烴源巖有機碳含量。研究表明,多種測井參數(shù)與烴源巖有機碳含量之間具有一定的響應(yīng)關(guān)系,根據(jù)這些響應(yīng)關(guān)系建立起合理的定量預(yù)測模型,可以實現(xiàn)烴源巖有機碳含量的有效定量預(yù)測[1]。隨著測井技術(shù)的不斷發(fā)展,這項探索也不斷取得新的進展[2]。

1 烴源巖特征的測井響應(yīng)

烴源巖相對于非烴源巖而言最顯著的特征為富含有機質(zhì)。隨著測井技術(shù)的發(fā)展,烴源巖中有機質(zhì)豐度與不同測井參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系也逐漸得到認識。

早在20世紀中葉,Beers(1945)就認識到一些古生界頁巖中的放射性與有機質(zhì)含量的關(guān)系[3]。Swanson(1960)進一步認識到黑色頁巖中放射性元素鈾的含量與石油生成密切相關(guān)[4]。由于富含有機質(zhì)及粘土礦物的烴源巖通常含有較高的放射性元素,因此自然伽馬測井(探測伽馬射線強度)、自然伽馬能譜測井(探測放射性元素含量)可用于烴源巖的識別及其有機碳含量預(yù)測[5-7]。

由于干酪根密度小于粘土礦物,因此有機質(zhì)含量越高的烴源巖應(yīng)具有越低的密度。Schmoker(1979)提出密度測井可用以確定烴源巖有機質(zhì)的含量[8-9]。

類似地,由于干酪根的聲波時差大于固體巖石骨架的聲波時差,因此當其它條件一定時,有機質(zhì)含量越高的烴源巖應(yīng)具有越大的聲波時差。聲波時差測井成為巖性解釋和烴源巖有機質(zhì)含量預(yù)測的重要方法之一[10-11]。

電阻率測井探測的是井內(nèi)巖石電阻率變化特征。烴源巖有機質(zhì)屬于非導(dǎo)電物質(zhì),電阻率無限大,根據(jù)烴源巖構(gòu)成的體積模型,烴源巖的電阻率隨著有機碳含量增高而增大,尤其當烴源巖處于生烴高峰階段,電阻率會因生烴作用而大幅增加[1,12-13]。此外,烴源巖生烴作用可導(dǎo)致孔隙系統(tǒng)水的飽和度減小、電阻率增大,因此電阻率測井也與烴源巖熱演化成熟度具有良好響應(yīng)關(guān)系。

中子測井是探測井內(nèi)巖石含氫指數(shù)變化特征的一種測井。有機質(zhì)的含氫指數(shù)大于泥質(zhì)含氫指數(shù),因此烴源巖的中子測井孔隙度值與烴源巖有機質(zhì)含量也存在良好的響應(yīng)關(guān)系[7,12]。

此外,由于碳/氧能譜中子測井可同時提供C/O比和Si/Ca比[14],趙彥超(1990)經(jīng)過推導(dǎo),建立了該測井提供的C/O比和Si/Ca參數(shù)同烴源巖有機碳含量之間的數(shù)值關(guān)系[12]。Patterson(2003)實驗發(fā)現(xiàn),烴源巖巖心樣品的多普勒展寬(Doppler broadening)與有機碳含量存在良好的響應(yīng)關(guān)系,因此預(yù)言,正電子多普勒展寬的應(yīng)用可能將成為一種新的探測烴源巖有機碳含量的測井方法[15]。

可見,烴源巖有機質(zhì)含量的多少,在伽馬測井、密度測井、聲波時差測井、中子測井、電阻率測井等各種測井曲線上都有一定的響應(yīng)關(guān)系。這些響應(yīng)特征是烴源巖含量測井預(yù)測的理論依據(jù)。

2 有機碳含量的測井預(yù)測模型

2.1 定性識別模型

20世紀70—80年代之前,相關(guān)的研究主要集中于探索烴源巖在各種測井參數(shù)曲線上的響應(yīng)特征上。依據(jù)烴源巖特征的某些測井響應(yīng)關(guān)系,反過來根據(jù)一種或幾種測井響應(yīng)特征,識別或鑒定烴源巖存在與否[3-5,7-8,16-17]。

2.2 單參數(shù)等效體積構(gòu)成模型

烴源巖基本的等效體積構(gòu)成包括固體巖石骨架、孔隙流體以及密度接近于水的分散有機質(zhì)。與根據(jù)威利公式利用聲波時差求取巖石孔隙度相類似,也可以分別建立根據(jù)密度、伽馬測井求取烴源巖有機質(zhì)含量(體積分數(shù))的基本方程:

密度測井模型[8,13]:

式中,Vorg為烴源巖有機質(zhì)體積百分含量,ρSh為不含有機質(zhì)的頁巖密度,ρSR為烴源巖密度,ρOM為烴源巖所含有機質(zhì)密度。

伽馬測井模型[6]:

式中,Vorg為烴源巖有機質(zhì)體積百分含量,γSh為不含有機質(zhì)的頁巖伽馬強度,γSR為烴源巖伽馬強度,A為給定區(qū)域內(nèi)伽馬強度與地層密度線性關(guān)系的斜率,通過區(qū)域范圍內(nèi)多口鉆井的伽馬測井和密度測井可以獲得[8]。

2.3 雙參數(shù)交匯圖半定量評價模型

在發(fā)展2種以上測井識別烴源巖時,人們常常采用交匯圖的形式達到半定量評價烴源巖的效果。Meyer[13](1984)通過聲波時差(Δt)—電阻率(R)交匯圖(圖1),運用測井資料將烴源巖與非烴源巖大致區(qū)分開來,在二者之間建立了一個二元一次判別方程:

圖1 聲波時差與電阻率交匯圖判別烴源巖與非烴源巖據(jù)參考文獻[13]略有修改。圖中斜線表示判別式D=0,其右上方D>0,為烴源巖;左下方D<0,為非烴源巖Fig.1 Sonic transit time and resistivity crossplot for identify source rock from non-source rock

式中,D為判別系數(shù),當D>0,判別為烴源巖;當D<0,判別為非烴源巖;如果D=0,則不能確定烴源巖還是非烴源巖。Δt為聲波時差(μs/m),R24為校正到24℃時的電阻率(Ω·m)[13]。

趙彥超(1990)則利用自然伽馬的相對值(Δ γ)與聲波時差(Δt)的交匯圖評價烴源巖[12]。為消除不同鉆井間GR單位不統(tǒng)一的影響,他定義。根據(jù)大量已知烴源巖的Δ γ與Δt編繪交匯圖,確定烴源巖的下限值(即圖2的Δ γ1、Δt1);同時,將未知烴源巖的Δ γ、Δt值投在該交匯圖上,又可實現(xiàn)半定量評價,劃分為極好烴源巖、有利烴源巖、差烴源巖及非烴源巖等不同級別(圖2)。

圖2 南襄盆地南陽凹陷魏崗地區(qū)烴源巖評價Δ γ-Δt交匯圖[12]該區(qū)烴源巖下限值Δ γ1=0.2,Δt1=260μs/mFig.2 Gamma and sonic transit time crossplot of source rock in Weigang area,Nanyang Sag,Nanxiang Basin

2.4 多元回歸方程定量模型

從發(fā)現(xiàn)烴源巖有機碳含量與測井參數(shù)存在響應(yīng)關(guān)系開始,定量預(yù)測就成為必然的發(fā)展趨勢。20世紀70—80年代,先后提出了多種以總有機碳含量為因變量,以鈾的含量及鈾/鉀比、密度、中子孔隙度、聲波時差、電阻率等單一或多種測井參數(shù)為自變量的一元、二元或多元回歸方程形式的經(jīng)驗關(guān)系定量模型[1,9,18-19]。例如,Mendelson等(1985)根據(jù)英國北海4口井和美國加州1口井的巖心和井壁取心樣品,建立了這5口井烴源巖有機碳含量(TOC,%)與時差(Δt,μs/m)、中子(ФN,%)、密度(ρ,g/cm3)及伽馬(γ,API)4種測井響應(yīng)的四元回歸方程,其中A井回歸方程:

對于B、C、D及CA2井,回歸方程形式相同,但測井參數(shù)的系數(shù)不僅絕對值不同,且除了Δt的系數(shù)全為正值外,ФN、ρ與γ的系數(shù)均有正有負[18]。說明TOC與測井參數(shù)之間的定量關(guān)系是復(fù)雜的。

2.5 ΔlogR技術(shù)

ΔlogR技術(shù)是Exxon和Esso公司1979年開發(fā)的一種烴源巖有機碳含量測井預(yù)測技術(shù),經(jīng)廣泛試用證實,該技術(shù)既適用于碳酸鹽巖烴源巖,也適用于碎屑巖烴源巖,而且能精確根據(jù)烴源巖成熟度計算有機碳含量[1]。其理論依據(jù)依然是上述烴源巖特征在孔隙度測井和電阻率測井的響應(yīng)原理,即烴源巖有機質(zhì)含量越高,聲波時差、電阻率就越大。但在應(yīng)用方法上,采用特殊比例的電阻率測井曲線和聲波測井曲線疊合法來實現(xiàn)烴源巖識別與評價(圖3)。

兩條測井曲線疊合時,二者的坐標軸方向相反,電阻率曲線采用對數(shù)坐標,聲波時差曲線采用算術(shù)坐標,坐標軸刻度比例尺關(guān)系為電阻率每2個數(shù)量級(如1～100Ω·m)對應(yīng)于聲波時差的間隔為328μs/m(100μs/ft)(如492～164μs/m或150～50μs/ft)。結(jié)合伽馬曲線特征,劃分滲透性巖層與非滲透性巖層,水平方向移動電阻率曲線,當聲波和電阻率2條曲線在非滲透性巖層在一定深度范圍內(nèi)“一致”或完全重疊時即為基線,基線井段對應(yīng)于非烴源巖段(電阻率和聲波時差皆最小)。在選擇基線時,根據(jù)地層的變化和曲線的響應(yīng)情況可以進行分段重疊,即一口井可能有多段基線。確定基線之后,用2條曲線之間的間距來識別富含有機質(zhì)的層段(圖3),這個間距被定義為ΔlogR,顯然ΔlogR與TOC正相關(guān)。ΔlogR技術(shù)的數(shù)學(xué)模型:

圖3 ΔlogR疊合技術(shù)不同情形解釋示意據(jù)參考文獻[1],略有修改。Fig.3 Schematic guide for the interpretation of features observed onΔlogRoverlays

式中:R和Δt分別代表實測電阻率(Ω·m)和聲波時差(μs/m);R基線和Δt基線分別代表基線對應(yīng)的電阻率(Ω·m)和聲波時差(μs/m)。ΔlogR為電阻率曲線與聲波時差曲線的分離間距值。

根據(jù)ΔlogR計算TOC的模型:

式中:TOC為計算的有機碳含量;LOM為有機質(zhì)熱變質(zhì)程度(Level of Metamorphism),可根據(jù)實測鏡質(zhì)體反射率資料或埋藏史評價確定。

ΔlogR技術(shù)提出后得到非常廣泛的推廣應(yīng)用[2,14,19-21]。但也有人認為該技術(shù)計算的TOC偏低,因為對于基線代表的非滲透性巖層雖然評價為非烴源巖,TOC(低于烴源巖下限值)并非為零,因此應(yīng)在模型式(6)中進行基線TOC補償[21]。

2.6 模糊識別預(yù)測模型

在發(fā)展烴源巖有機碳含量定量模型的同時,也有人注意到對于這種復(fù)雜問題難于用顯式方程來表達。Huang(1996)率先將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法幫助模擬預(yù)測烴源巖特征[22],之后在該領(lǐng)域的研究中,朱振宇(2002)、Kamali(2004)先后提出了類似的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊模型[20,23]。

考慮到烴源巖沉積的旋回性,Prokoph(2000)在應(yīng)用烴源巖測井資料分析烴源巖特征時,引進了小波分析方法[24],使分析結(jié)果沿深度方向的變化規(guī)律與沉積旋回的吻合程度更高。

3 應(yīng)用實例

3.1 研究區(qū)烴源巖基本特征

珠江口盆地位于我國的南海北部、海南島至臺灣島之間,近NE向延伸,面積約17.5×104km2?？蓜澐譃楸辈繑嚯A帶、北部坳陷帶、中央隆起帶、南部坳陷帶和南部隆起帶5個構(gòu)造單元[25-27]。珠一坳陷位于北部坳陷帶,為一個NE向展布的狹長坳陷。珠一坳陷發(fā)育2套有效烴源巖:古近系始新統(tǒng)的文昌組和始新統(tǒng)—漸新統(tǒng)的恩平組。從目前鉆井揭示地層看,文昌組主要由中深湖相和淺湖相沉積的泥巖、砂巖組成,恩平組主要為一套湖沼相沉積的泥巖、頁巖和砂巖互層,夾煤層和碳質(zhì)泥巖[28]。油氣資源評價研究表明,文昌組烴源巖的生烴量要大于恩平組烴源巖[26]。本文主要討論文昌組烴源巖有機碳含量的測井預(yù)測。

3.2 烴源巖有機碳與各種測井的相關(guān)性

通過編繪珠江口盆地惠州凹陷及番禺4洼8口典型鉆井文昌組巖心或巖屑樣品158個實測TOC數(shù)據(jù)與對應(yīng)深度測井參數(shù)的關(guān)系圖,發(fā)現(xiàn)本區(qū)文昌組烴源巖有機碳含量(TOC)與電阻率(R)、中子孔隙度(ФN)、聲波時差(Δt)及自然伽馬(γ)這4種測井參數(shù)均存在比較顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.569,0.502,0.470,0.293;而與密度(ρ)測井存在比較顯著的負相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.474(圖4)。說明TOC與這5種測井曲線的響應(yīng)程度存在一定的差異,但總體上比較接近。因此,在優(yōu)選TOC定量預(yù)測模型時,應(yīng)盡可能綜合以上5種測井參數(shù),構(gòu)成一個多元回歸方程式的數(shù)學(xué)模型;僅使用包含一、二個參數(shù)的模型,不能很全面反映這種響應(yīng)關(guān)系的特點。

圖4 珠江口盆地8口典型鉆井文昌組烴源巖TOC與測井取值關(guān)系Fig.4 TOCand well logs crossplots of source rock in Wenchang Formation of 8 wells in the Pearl River Mouth Basin

3.3 定量預(yù)測模型優(yōu)選

為了獲得最佳的烴源巖TOC定量預(yù)測模型,運用了多元統(tǒng)計分析軟件(SPSS),以上述8口井158個文昌組烴源巖TOC為因變量,以樣品點相同深度的R,ФN,ρ,Δt和γ等測井參數(shù)為自變量,進行了多種模型的試驗、比較,優(yōu)選過程及結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明,TOC與單測井參數(shù)擬合明顯不如多參數(shù)綜合擬合的效果好,而且擬合效果隨著測井參數(shù)種數(shù)的增加而逐漸提高,五元回歸方程模型的相關(guān)系數(shù)最高、回歸估計的標準誤差最小,屬于最佳模型。

3.4 定量預(yù)測結(jié)果、效果

本次TOC定量預(yù)測選取了珠江口盆地珠一坳陷番禺4洼為研究實例。番禺4洼是珠一坳陷的富生烴洼陷,利用表1中的五參數(shù)模型對該洼陷的PY5-8-x井文昌組全井段烴源巖TOC進行了預(yù)測,獲得了連續(xù)井段的預(yù)測TOC曲線,將離散的實測TOC數(shù)據(jù)點投在該曲線上,不難發(fā)現(xiàn)二者具有很好的一致性,說明預(yù)測效果良好(圖5)。

表1 珠江口盆地惠州凹陷及番禺4洼文昌組烴源巖TOC測井預(yù)測模型優(yōu)選Table 1 Predication models ofTOCfrom well logs of Wenchang Formation source rock in Huizhou Depression and Panyu 4 Sag,the Pearl River Mouth Basin

在圖5中,電阻率曲線和聲波時差曲線按照ΔlogR技術(shù)要求的比例尺疊合于同一欄內(nèi),中子和密度曲線同置于另一欄內(nèi)。這樣,高有機碳含量烴源巖的測井曲線特征就表現(xiàn)為:較高伽馬(泥質(zhì)巖)、聲波時差曲線與電阻率曲線分離距離大、中子孔隙度(高值)與密度(低值)曲線一般也明顯分離。TOC的具體數(shù)值根據(jù)表1中的五參數(shù)模型計算。圖5還表明,該鉆井文昌組烴源巖整體上都為好的烴源巖,實測、預(yù)測的TOC一般都大于2.0%。而且在缺乏實測樣品的井段預(yù)測出多層TOC高于4.0%的優(yōu)質(zhì)烴源巖層,其中3層厚達6～12 m,另3層厚度3～4 m,累計厚度達32 m。圖5也說明五元回歸方程計算結(jié)果得到ΔlogR曲線疊合結(jié)果的支持性驗證,同時克服了ΔlogR法計算值偏低(基線段TOC為零)、僅利用聲波與電阻率2個測井參數(shù)的不足。用同樣方法預(yù)測了研究區(qū)另外6口鉆井文昌組烴源巖的有機碳含量,也取得了類似的預(yù)測效果,限于篇幅不再敘述。

圖5 珠江口盆地番禺4洼PY5-8-x井文昌組烴源巖TOC測井預(yù)測結(jié)果Fig.5 TOCof Wenchang Formation source rock predicted from logs in Well PY5-8-x in the Pearl River Mouth Basin

4 結(jié)論

1)經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展,測井技術(shù)在烴源巖識別與評價中的應(yīng)用范圍越來越廣、有機碳含量預(yù)測的精度越來越高。縱觀有機碳含量各種預(yù)測模型的發(fā)展過程與應(yīng)用效果,認為測井響應(yīng)特征是基礎(chǔ),每種預(yù)測模型都具有自身的適用范圍和應(yīng)用條件。具體研究時,應(yīng)結(jié)合研究地區(qū)地質(zhì)特征、烴源巖特點,在充分分析烴源巖屬性的測井響應(yīng)特征基礎(chǔ)上,優(yōu)選出最佳的預(yù)測模型,并盡可能綜合利用多種測井參數(shù)實施預(yù)測、盡可能使用多種方法與模型互為驗證。

2)珠一坳陷番禺4洼及惠州凹陷158個文昌組樣品實測有機碳含量與電阻率、中子、聲波、密度和伽馬等5種測井參數(shù)均相關(guān),建立的五元回歸方程預(yù)測模型的相關(guān)系數(shù)達0.751。對番禺4洼PY5-8-x井文昌組進行全井段有機碳含量預(yù)測結(jié)果顯示,泥質(zhì)烴源巖有機碳含量普遍較高,而且還發(fā)育多層單層厚度適中、有機碳含量特別高的極優(yōu)質(zhì)烴源巖,說明烴源巖條件好是番禺4洼成為富烴洼陷的根本原因。

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(編輯徐文明)

WELL LOGS RESPONSE AND PREDICTION MODEL OF ORGANIC CARBON CONTENT IN SOURCE ROCKS—A CASE STUDY FROM THE SOURCE ROCK OF WENCHANG FORMATION IN THE PEARL MOU TH BASIN

Xu Sihuang1,Zhu Yiqing2
(1.Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources of Ministry of Education,China University of Geosciences,Wuhan,Hubei430074,China;2.Graduate School,China University of Geosciences,Wuhan,Hubei430074,China)

The evaluation of source rocks from well loggings can make up for the insufficiency of source rock core and discontinuity of samples examined.Organic-rich source rocks show relative increase in response to resistivity,neutron,sonic transit time and gamma loggings and decrease in response to density logs.Based on this response relationship,well logging data not only can be used to identify qualitatively source rocks from non-source rocks,but also predict quantificationally organic carbon content in source rocks.The predicting models proposed during past fifty years can be summed up as qualitative identification model,volume model,cross plot model,regression equation model,ΔlogR technique,and fuzzy model.The TOC of Wenchang Formation source rock in Huizhou Depression and Panyu 4 Sag in the Pearl River Mouth Basin shows similar degree of correlation respectively to resistivity,neutron,sonic transit time,gamma and density.So,the five variate regression equation should be the best prediction model for this study area.The organic carbon content of whole Wenchang Formation of one well in Panyu 4 sag predicted by this numerical model,and it shows good results verified by the lithological description and the TOC test of core samples in this well.

source rocks;organic carbon content;well logs response;predication model;Huizhou Depression;Pearl River Mouth Basin

TE122.113

A

1001-6112(2010)03-0290-06

2010-02-09;

2010-04-28。

徐思煌(1964—),男,博士,教授,從事石油及天然氣地質(zhì)學(xué)研究與教學(xué)。E-mail:xusih@cug.edu.cn。

國家油氣重大專項課題(2008ZX05023-01)。