ΔlogR技術(shù)的改進(jìn)及其對(duì)油頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度的評(píng)價(jià)——以遼河坳陷大民屯凹陷沙四段油頁(yè)巖為例

張學(xué)娟，張 雷，馬 磊，袁子龍

(1.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶 163318;2.東北石油大學(xué)非常規(guī)油氣成藏與開(kāi)發(fā)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318)

ΔlogR技術(shù)［1］是由 Q.R.Passey等通過(guò)大量數(shù)據(jù)擬合及實(shí)驗(yàn)分析得出的烴源巖評(píng)價(jià)方法。該技術(shù)利用電阻率和聲波時(shí)差兩條測(cè)井曲線對(duì)烴源巖的差異響應(yīng)刻畫有機(jī)質(zhì)豐度。ΔlogR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是聲波時(shí)差和電阻率曲線都對(duì)孔隙度敏感，兩條曲線隨孔隙度的變化成一定比例，只要比例選取適當(dāng)，孔隙度變化使得兩條曲線產(chǎn)生的偏移幅度相同，從而抵消了孔隙度對(duì)有機(jī)碳測(cè)井響應(yīng)的影響。但該方法的缺陷是需人為確定聲波時(shí)差和電阻率曲線的基線值，確定基線值的操作較為繁瑣且主觀性較大。另外，預(yù)先給定疊合系數(shù)為0.02的合理性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

ΔlogR技術(shù)引入國(guó)內(nèi)后，得到推廣應(yīng)用。朱光有等［2－3］在對(duì)東營(yíng)凹陷沙四段烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度非均質(zhì)性研究過(guò)程中采用ΔlogR技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，取得了較好的評(píng)價(jià)效果。劉超［4］對(duì)ΔlogR技術(shù)進(jìn)行了一定的改進(jìn)，總體方法是以貧有機(jī)質(zhì)泥巖段為節(jié)點(diǎn)，將目標(biāo)層段細(xì)分，然后取細(xì)分層段內(nèi)貧有機(jī)碳泥巖ΔlogR為零，動(dòng)態(tài)選取疊合系數(shù)，對(duì)測(cè)井曲線動(dòng)態(tài)疊合，降低了人為確定基線帶來(lái)的主觀性。胡慧婷等［5］在其基礎(chǔ)上，通過(guò)逐步回歸法建立了改進(jìn)ΔlogR模型，在松遼盆地及其外圍盆地?zé)N源巖有機(jī)質(zhì)豐度的評(píng)價(jià)中取得了良好效果。湯麗娜［6］對(duì)比分析了多元統(tǒng)計(jì)回歸定量表征烴源巖和ΔlogR敏感曲線直接定量計(jì)算有機(jī)碳含量 (TOC)這兩種方法，發(fā)現(xiàn)利用ΔlogR敏感曲線計(jì)算的TOC精度高、誤差較小，對(duì)湖相烴源巖識(shí)別效果可靠。韓雙彪等［7］在評(píng)價(jià)吐哈盆地侏羅系水西溝群的烴源巖時(shí)，依據(jù)不同的沉積環(huán)境分別構(gòu)建ΔlogR的多元線性回歸模型，建立了基于烴源巖成因分類的有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)方法。高陽(yáng)［8］在評(píng)價(jià)東營(yíng)凹陷沙四下亞段鹽湖相烴源巖時(shí)發(fā)現(xiàn)，鹽湖相烴源巖受烴源巖中膏鹽質(zhì)成分、含量及有機(jī)質(zhì)豐度的共同影響，測(cè)井響應(yīng)特征相當(dāng)復(fù)雜，提出了依據(jù)自然伽馬絕對(duì)值的大小 (反映泥質(zhì)含量值)分段ΔlogR擬合計(jì)算TOC的方法，實(shí)際應(yīng)用效果較好。袁彩萍等［9］在對(duì)珠江口盆地文昌組烴源巖TOC評(píng)價(jià)過(guò)程中建立了TOC與電阻率、中子孔隙度、聲波時(shí)差及自然伽馬等多元線性回歸方程，取得了較好的效果。

綜上所述，前人的研究對(duì)象多以深湖—半深湖相泥質(zhì)烴源巖為主，大民屯凹陷高含有機(jī)質(zhì)的油頁(yè)巖形成環(huán)境與深湖—半深湖存在一定差異，其主要形成于干旱氣候、湖平面頻繁升降的淺水穩(wěn)定局部臺(tái)地構(gòu)造背景，沉積環(huán)境為封閉、半封閉狀態(tài)的弱還原、弱氧化環(huán)境。本文采用改進(jìn)的ΔlogR技術(shù)對(duì)大民屯凹陷油頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期建立起一套適用于此類成因油頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)方法。

1 大民屯凹陷沙四下亞段烴源巖發(fā)育基本特征

沙四下亞段 (Es42)烴源巖、沙四上亞段(Es41)和沙三段四亞段 (Es34)構(gòu)成了大民屯凹陷的主要烴源巖系統(tǒng)［10－12］。大民屯凹陷中部的安福屯—靜安堡周邊地區(qū)沙四下亞段烴源巖為一套油頁(yè)巖和鈣鎂質(zhì)油頁(yè)巖 (圖1)，所生成的油氣以高含蠟質(zhì)為主要特征。該套烴源巖含砂率極低(僅為2%～5%)，分布面積較廣 (達(dá)250km2)，平均厚度為120～250m，在東西兩側(cè)的安福屯斷階帶和勝東洼陷烴源巖最為發(fā)育，最大厚度達(dá)350m，凹陷中央的臺(tái)地?zé)N源巖相對(duì)欠發(fā)育，烴源巖厚度一般為80～120m。沙四下亞段烴源巖內(nèi)部有機(jī)質(zhì)豐度的非均質(zhì)性直接影響生排烴能力的差異，進(jìn)而影響資源的分布。

圖1 大民屯凹陷區(qū)域構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of regional structure in Damintun sag

大民屯凹陷安福屯—靜安堡周邊地區(qū)沙四段油頁(yè)巖分為3段，其中上段和下段油頁(yè)巖中礦物成分大都是氧化硅和黏土礦物，也可能含少量碳酸鹽，常與碳酸鹽巖、硅質(zhì)巖類和含磷酸鹽的巖類伴生，表現(xiàn)為微細(xì)的水平紋層油頁(yè)巖和具透鏡狀內(nèi)部結(jié)構(gòu)的油頁(yè)巖。沙四下亞段中部主要發(fā)育與蒸發(fā)鹽巖共生的灰質(zhì)油頁(yè)巖或白云質(zhì)油頁(yè)巖，在相對(duì)濕潤(rùn)時(shí)期，湖平面上升，沉積范圍擴(kuò)大，底棲的藍(lán)綠藻和真菌形成了絮凝狀的富有機(jī)質(zhì)的軟泥;干旱時(shí)期，湖平面下降，湖區(qū)范圍縮小，富含有機(jī)質(zhì)的軟泥濃縮，與砂和粉砂級(jí)的白云質(zhì)微晶內(nèi)碎屑伴生;湖平面再次上升，就形成透鏡狀 “內(nèi)碎屑”油頁(yè)巖［13－14］。

2 ΔlogR技術(shù)及數(shù)據(jù)歸位方法

2.1 模型的建立

據(jù) Q.R.Passey［1］提出的 ΔlogR技術(shù)公式為:

式中 AC——實(shí)測(cè)的聲波時(shí)差，μs/ft;

Rt——巖石的實(shí)測(cè)電阻率，Ω·m。

Rt基線——非烴源巖層段對(duì)應(yīng)電阻率測(cè)井值;

AC基線——非烴源巖層段對(duì)應(yīng)聲波時(shí)差;

0.02——疊合系數(shù)，即每 50μs/ft(164μs/m)的聲波時(shí)差。

在一定的成熟度條件下，ΔlogR與有機(jī)碳呈線性相關(guān)，由ΔlogR計(jì)算有機(jī)碳的經(jīng)驗(yàn)公式［1］為:

式中 TOC——計(jì)算的有機(jī)碳含量，%;

LOM——有機(jī)質(zhì)成熟度;

ΔTOC——有機(jī)碳含量背景值。

LOM可根據(jù)區(qū)域大量的成熟度指標(biāo)分析 (如熱變指數(shù)、Tmax分析、鏡質(zhì)組反射率等)得到。

該方法需要成熟度參數(shù)，且確定巖性基線位置的誤差較大，操作繁瑣。對(duì)于同一區(qū)塊相同層位烴源巖來(lái)說(shuō)，烴源巖的成熟度基本一致，而AC基線和Rt基線為常量，即得到文獻(xiàn) ［4］中的公式:

式中 a、b、c——ΔlogR系數(shù)。

改進(jìn)模型在無(wú)需LOM、ΔTOC及人為讀取基線值的條件下便可計(jì)算出有機(jī)碳含量。

大民屯凹陷鉆遇沙四段的眾多井中，選取實(shí)測(cè)TOC點(diǎn)較多且具有連續(xù)巖性剖面和完整測(cè)井資料的井為模型建立標(biāo)準(zhǔn)井 (沈352井)，建模前首先對(duì)聲波時(shí)差與電阻率曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，使其量綱一致，將標(biāo)準(zhǔn)化后的曲線與建模標(biāo)準(zhǔn)井的實(shí)測(cè)TOC進(jìn)行擬合優(yōu)化，得到系數(shù)a、b和c。

沈352井沙四下亞段在建模過(guò)程中，需剔除非烴源巖層段;同時(shí)消除非地層響應(yīng)的異常測(cè)井段的影響，包括井徑變化、儀器穩(wěn)定性等影響。標(biāo)準(zhǔn)化后，對(duì)沙四下亞段電阻率測(cè)井值求對(duì)數(shù)，再對(duì)聲波時(shí)差和電阻率對(duì)數(shù)進(jìn)行歸一化處理，使得電阻率的對(duì)數(shù)和聲波時(shí)差在相同的數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)。

2.2 數(shù)據(jù)歸位

實(shí)測(cè)有機(jī)質(zhì)樣品的深度受鉆井取心作業(yè)、鉆具測(cè)量長(zhǎng)度等誤差的影響，巖心深度不準(zhǔn);因此，在整理巖心資料時(shí)，一般會(huì)參照測(cè)井曲線進(jìn)行歸位，這種歸位受人為主觀影響較大，效果不理想。此外，分析取樣的位置也會(huì)帶來(lái)一定的誤差［15］。巖屑樣品深度受鉆井液回返遲到時(shí)間計(jì)算影響，誤差更為顯著。如何對(duì)巖心和巖屑樣品的深度進(jìn)行高精度歸位是進(jìn)行測(cè)井評(píng)價(jià)烴源巖的必要前提。

劉超［4］認(rèn)為巖屑的最大歸位幅度為1m，即巖屑樣品原始位置上下各浮動(dòng)0.5m較為合理，通過(guò)實(shí)測(cè)TOC與計(jì)算TOC的相關(guān)系數(shù)最大為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行擬合。主觀確定最大歸位幅度存在的問(wèn)題是過(guò)大幅度浮動(dòng)樣品深度會(huì)使得樣品歸位失真，而過(guò)小幅度浮動(dòng)樣品深度又會(huì)使得歸位不徹底，所以需要進(jìn)一步合理地確定歸位深度。在沈352井模型建立過(guò)程中，由于巖屑深度的誤差較大，選擇巖屑的最大歸位深度為巖心的2倍，將巖心的最大歸位幅度作為一個(gè)變量X(即巖心樣品原始位置上下各浮動(dòng)X/2)，對(duì)應(yīng)巖屑樣品的最大歸位幅度為2X(即巖屑樣品原始位置上下各浮動(dòng)X)，尋求樣品的合理歸位幅度。

2.2.1 確定歸位步長(zhǎng)及最大歸位深度范圍

選取樣品歸位步長(zhǎng)d為0.125m(測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采樣點(diǎn)間距為0.125m)，歸位過(guò)程中以淺部樣品的埋深不超過(guò)深部樣品埋深為原則，從上至下進(jìn)行如下歸位。

(1)對(duì)于巖心樣品。

①當(dāng)i=1時(shí):

S1=X，H2－H1≥X/2

S1=X/2+H2－H1，H2－H1≤X/2

②當(dāng)i=2，3，…，n－1時(shí):

Si=X，Hi+1－ Hi≥ X/2，Hi－ Hi－1'≥ X/2

Si=Hi+1－Hi－1'，Hi+1－Hi＜ X/2，Hi－Hi－1'＜ X/2

Si=X/2+Hi－ Hi－1'，Hi+1－ Hi≥ X/2，Hi－Hi－1' ＜ X/2

Si=X/2+Hi+1－ Hi，Hi+l－ Hi＜ X/2，Hi－Hi－1' ≥ X/2

③當(dāng)i=n時(shí):

Sn=X，Hn－ Hn－1'≥ X/2

Sn=X/2+Hn－ Hn－1'，Hn－ Hn－1'≤ X/2

式中 Si——第i個(gè)烴源巖樣品的最大歸位幅度;

Hi——第i個(gè)烴源巖樣品的初始深度;

Hi+1——第i+1個(gè)烴源巖樣品的初始深度;

Hi－1'——第 i－1 個(gè)烴源巖樣品歸位后的深度;

n——樣品總數(shù)。

(2)對(duì)于巖屑樣品。

①當(dāng)i=1時(shí):

S1=2X，H2－H1≥X

S1=X+H2－H1，H2－H1≤X

②當(dāng)i=2，3，…，n－1時(shí):

Si=2X，Hi+1－ Hi≥ X，Hi－ Hi－1'≥ X

Si=Hi+1－ Hi－1'，Hi+l－ Hi＜ X，Hi－ Hi－1' ＜ X

Si=X+Hi－ Hi－1'，Hi+l－ Hi≥X，Hi－ Hi－1' ＜ X

Si=X+Hi+1－ Hi，Hi+l－ Hi＜ X，Hi－ Hi－1'≥X

Sn=2X，Hn－ Hn－1'≥ X

Sn=X+Hn－ Hn－1'，Hn－ Hn－1'≤ X

2.2.2 對(duì)各樣品點(diǎn)深度逐步歸位校正

由淺至深，從第1個(gè)烴源巖樣品到第n個(gè)烴源巖樣品，對(duì)烴源巖樣品逐個(gè)逐步長(zhǎng)地進(jìn)行歸位，即第i個(gè)巖心或巖屑樣品歸位后的深度為Hi':

式中 Hi——第i個(gè)烴源巖巖心或者巖屑樣品的記錄深度;

j——?dú)w位次數(shù)，第i個(gè)樣品的歸位次數(shù)為2Si/d。

總的歸位校正組合數(shù)P可以表示為:

2.2.3 構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，評(píng)價(jià)各樣品歸位校正深度

以實(shí)測(cè)TOC與歸位后計(jì)算TOC之差的平方和為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)各樣品歸位校正深度組合效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最小值時(shí)，擬合效果最優(yōu)，即:

式中 Ri'——第i個(gè)樣品校正深度后所對(duì)應(yīng)的電阻率值;

ACi'——第i個(gè)樣品校正深度后所對(duì)應(yīng)的聲波時(shí)差值;

TOCi——第i個(gè)樣品的有機(jī)碳含量。

通過(guò)最小二乘法 (當(dāng)目標(biāo)函數(shù)F達(dá)到極小值時(shí)，目標(biāo)函數(shù)對(duì)a、b和c偏導(dǎo)值為0)來(lái)求取a、b和c，再將求取的a、b和c代入式 (6)中，求得目標(biāo)函數(shù)的最小值Fmin。從所有歸位校正組合中選擇Fmin的最小值及其對(duì)應(yīng)的a、b和c，即該歸位組合為目標(biāo)歸位組合，記錄Fmin最小值及其所對(duì)應(yīng)的a、b和c，以及校正后各樣品的深度Hi'。

2.2.4 確定最大歸位深度范圍

為了進(jìn)一步探索最大歸位幅度與TOC擬合效果之間的關(guān)系，將巖心最大歸位幅度確定為0～1m，計(jì)算步長(zhǎng)為0.125m;巖屑的最大歸位幅度確定為0～2m，計(jì)算步長(zhǎng)為0.25m。對(duì)比計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)巖心樣品的最大歸位幅度小于0.375m(巖屑的最大歸位幅度確定為0.75m)時(shí)，TOC的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)隨巖心樣品最大歸位幅度的增大而顯著增大，但是當(dāng)巖心樣品最大歸位幅度大于0.375m(巖屑的最大歸位幅度為0.75m)后，其擬合相關(guān)系數(shù)提升效果有限，且浮動(dòng)距離過(guò)大將導(dǎo)致模型失真，脫離了地質(zhì)實(shí)際。所以確定巖心樣品最大歸位幅度為0.375m(巖屑的最大歸位幅度為0.75m)為該模型樣品的歸位校正幅度 (圖2)。

通過(guò)計(jì)算對(duì)比歸位前后TOC與實(shí)測(cè)TOC的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)歸位后計(jì)算TOC和實(shí)測(cè)TOC的相關(guān)性得到顯著提升，其擬合相關(guān)系數(shù)R2由歸位前的0.59提升到0.79(圖2)，預(yù)測(cè)效果良好。

圖2 沈352井沙四下亞段油頁(yè)巖巖心樣品實(shí)測(cè)TOC最大歸位幅度與擬合相關(guān)系數(shù)的關(guān)系圖Fig.2 Relationship between the maximum homing amplitude and the fitting correlation coefficient of measure TOC of core oil shale samples in the submermber of the fourth member of Shahejie Formation in Well Shen352

沙四下亞段分為3個(gè)層段，這3個(gè)層段的巖性存在一定差異，特別是中段以白云質(zhì)泥巖和灰質(zhì)泥巖為主，而上段和下段的巖性以泥質(zhì)油頁(yè)巖為主。在進(jìn)行TOC預(yù)測(cè)時(shí)可能需要分層段擬合。將沙四下亞段分成3段分別擬合各層段TOC的相對(duì)含量，從效果來(lái)看，分段擬合的效果有所提升，擬合相關(guān)系數(shù)R2由0.75提高到0.767，但效果提升有限，且分段擬合和整體擬合的擬合相關(guān)系數(shù)相當(dāng) (表1、圖3)，再加上分段擬合工作量更大，所以分段擬合就變得沒(méi)有必要。

表1 不同方法擬合的沈352井沙四下亞段TOC效果及ΔlogR系數(shù)對(duì)比表Table 1 Comparison of TOC effect and ΔlogR coefficient of Well Shen352 with different fitting methods

圖3 不同方法擬合沈352井TOC與其實(shí)測(cè)TOC對(duì)比圖Fig.3 Comparison between TOC and measure TOC of Well Shen352 by different fitting methods

3 改進(jìn)ΔlogR模型的應(yīng)用

3.1 模型驗(yàn)證

通過(guò)建立的歸位整段擬合參數(shù)對(duì)沈166井和安1井進(jìn)行了計(jì)算TOC與模擬TOC的相關(guān)性分析。將擬合參數(shù)a、b及c帶入標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化的聲波時(shí)差和電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中，計(jì)算了這兩口井沙四下亞段的TOC值，擬合效果發(fā)現(xiàn)，計(jì)算TOC值在油頁(yè)巖段呈現(xiàn)高值，碳酸鹽巖段的TOC值相對(duì)較低，基本符合客觀實(shí)際;并且計(jì)算TOC與實(shí)測(cè)TOC值高度相關(guān)，其中沈166井沙四段計(jì)算TOC與實(shí)測(cè)TOC的相關(guān)系數(shù)R2為0.759，而安1井的計(jì)算TOC與實(shí)測(cè)TOC的相關(guān)系數(shù)R2高達(dá)0.8191(圖4)。

圖4 實(shí)測(cè)TOC與擬合TOC對(duì)比圖Fig.4 Comparison between measured TOC and fitted TOC

3.2 結(jié)果分析

預(yù)測(cè)TOC與實(shí)測(cè)TOC高度相關(guān)，說(shuō)明模型高度可靠。從圖4來(lái)看，沙四下亞段下部 (PS1)有機(jī)質(zhì)豐度震蕩變化，為氣候變化比較頻繁的表現(xiàn)，以半干旱—半濕潤(rùn)氣候?yàn)橹?，沉積水體比較動(dòng)蕩，在弱氧化—弱還原環(huán)境間頻繁交互 (還原環(huán)境占主導(dǎo)地位)，水體鹽度較高，以微咸水—半咸水環(huán)境為主，沉積暗色油頁(yè)巖、泥巖 (微咸水還原環(huán)境產(chǎn)物)，沈352井、沈166井和安1井PS1段有機(jī)質(zhì)豐度呈現(xiàn)較強(qiáng)的非均質(zhì)性。沙四下亞段中部 (PS2)TOC含量與上下表現(xiàn)出較大的差異，主要原因可能為水體變淺，呈現(xiàn)出弱氧化環(huán)境特征，蒸發(fā)環(huán)境使水體進(jìn)一步咸化，以微咸水—半咸水環(huán)境為主，氣候干旱、較強(qiáng)水動(dòng)力條件和微咸水—半咸水的弱氧化蒸發(fā)環(huán)境條件不利于油頁(yè)巖的形成，處于安福屯斷階帶的沈166井此時(shí)位于構(gòu)造低洼處，水體相對(duì)較深，形成了整體低有機(jī)質(zhì)豐度背景下的相對(duì)高有機(jī)質(zhì)豐度特征。沙四下亞段上部 (PS3)沉積時(shí)期整體為相對(duì)暖濕氣候，沉積水體加深，有機(jī)質(zhì)豐度最高，其TOC平均值高達(dá)4.3%。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)對(duì)ΔlogR技術(shù)提出了改進(jìn)，通過(guò)TOC=a·logR+b·AC+c的預(yù)測(cè)模型，以實(shí)測(cè)TOC與計(jì)算TOC之差的平方和作為目標(biāo)函數(shù)，由巖心樣品在一定范圍內(nèi)自由浮動(dòng)進(jìn)行擬合，確定該模型的巖心樣品最大浮動(dòng)距離為0.375m(巖屑樣品最大浮動(dòng)距離為0.75m)時(shí)最為合理，既保證了歸位徹底，又不會(huì)造成數(shù)據(jù)過(guò)度歸位而失真。

(2)改進(jìn)ΔlogR技術(shù)在大民屯凹陷沙四下亞段油頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)豐度非均質(zhì)性評(píng)價(jià)中應(yīng)用效果良好，沈166井和安1井沙四下亞段油頁(yè)巖計(jì)算TOC與實(shí)測(cè) TOC值高度相關(guān)，相關(guān)系數(shù) R2分別為0.759和0.8191。

(3)沙四下亞段下部 (PS1)有機(jī)質(zhì)豐度表現(xiàn)為較強(qiáng)的非均質(zhì)性;沙四下亞段中部 (PS2)沉積時(shí)期，臺(tái)地中央氣候干燥炎熱，水體大量蒸發(fā)，水體變淺，氧化性增強(qiáng)，陸源有機(jī)質(zhì)供給有限，有機(jī)質(zhì)豐度較低;沙四下亞段上部 (PS3)沉積時(shí)期轉(zhuǎn)為相對(duì)暖濕氣候，水體加深，有機(jī)質(zhì)豐度最高，其TOC平均值高達(dá)4.3%。

［1］Passey Q R，Creaney S，Kulla J B.A practical model for organic richness from Porosity and resistivity logs［J］.AAPG Bulletin，1990，74(5):1777－1794.

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