杭錦旗地區(qū)基于測井響應(yīng)特征的泥質(zhì)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)研究

趙桂萍,李 良

(1.中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,北京100049;2.中國科學(xué)院計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100049;3.中國石油化工股份有限公司華北分公司,河南鄭州450006)

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杭錦旗地區(qū)基于測井響應(yīng)特征的泥質(zhì)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)研究

趙桂萍1,2,李 良3

(1.中國科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,北京100049;2.中國科學(xué)院計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100049;3.中國石油化工股份有限公司華北分公司,河南鄭州450006)

以鄂爾多斯盆地北部杭錦旗地區(qū)上古生界泥質(zhì)烴源巖為研究對(duì)象,利用該區(qū)70余口井的測井資料,在綜合分析不同類型烴源巖測井曲線特征的基礎(chǔ)上,利用ΔlogR技術(shù)對(duì)太原組和山西組山1段、山2段泥質(zhì)烴源巖進(jìn)行了識(shí)別和評(píng)價(jià)。研究區(qū)泥質(zhì)烴源巖測井曲線表現(xiàn)為高自然伽馬、高聲波時(shí)差、高電阻率、高補(bǔ)償中子和低密度特征。太原組泥質(zhì)烴源巖南厚北薄,有機(jī)碳含量(CTOC)在西南部和中部的錦98井區(qū)、錦69井—錦90井區(qū)為高值區(qū)、東北部為低值區(qū);山西組山1段泥質(zhì)烴源巖南厚北薄,有機(jī)碳在中部、南部含量較高,而西部、北部含量較低;山西組山2段泥質(zhì)烴源巖總體西南厚東北薄,有機(jī)碳含量相對(duì)較低,僅在錦94井區(qū)、錦48井區(qū)出現(xiàn)局部高值區(qū)?？傮w來看,杭錦旗地區(qū)上古生界太原組和山西組山1段、山2段泥質(zhì)烴源巖可以作為該區(qū)有效的烴源巖,為天然氣成藏提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

杭錦旗;泥質(zhì)烴源巖;測井評(píng)價(jià);有機(jī)碳含量

杭錦旗地區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部,橫跨伊盟隆起和伊陜斜坡兩個(gè)構(gòu)造單元,是鄂爾多斯盆地天然氣勘探的重點(diǎn)區(qū)域之一。關(guān)于杭錦旗地區(qū)的烴源巖和天然氣來源,有個(gè)逐步深化的認(rèn)識(shí)過程:早期認(rèn)為杭錦旗地區(qū)烴源巖發(fā)育程度較差,天然氣主要來源于區(qū)帶南部烏審旗生氣中心,上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組的煤層、炭質(zhì)泥巖和暗色泥巖是主要的烴源巖[1-6];隨著勘探程度的深入,逐步認(rèn)識(shí)到杭錦旗地區(qū)天然氣除來源于南部地區(qū)外,本區(qū)石炭系太原組、二疊系山西組的煤及炭質(zhì)泥巖、暗色泥巖等也能夠作為有效烴源巖[7-10],其中煤層是主要烴源巖,炭質(zhì)泥巖有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.17%～8.58%、暗色泥巖有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35%～2.39%[10]。杭錦旗地區(qū)烴源巖的研究成果,多是利用鉆井取心資料結(jié)合沉積相研究成果對(duì)烴源巖的厚度分布和成熟度進(jìn)行測試和評(píng)價(jià)[9-10]。鉆井取心由于受資料較少的限制,無論對(duì)井中烴源巖發(fā)育層段還是平面分布都很難有代表性。因此,為深入認(rèn)識(shí)杭錦旗地區(qū)烴源巖縱向上的發(fā)育狀況、平面上的分布特征,尤其是定量評(píng)價(jià)烴源巖的厚度和有機(jī)質(zhì)豐度,需要借助其它的技術(shù)方法。而作為鉆井采集的常規(guī)資料,測井資料具有豐富且縱向上連續(xù)的特點(diǎn),能夠滿足這種要求。

1 利用測井資料識(shí)別和評(píng)價(jià)烴源巖的基本原理

利用測井資料進(jìn)行烴源巖的研究始于20世紀(jì)40年代,其理論基礎(chǔ)是烴源巖層段含有大量的有機(jī)物質(zhì),使其具有不同于其它巖石層段的地球物理屬性。非烴源巖僅由巖石骨架和充填于孔隙空間的流體組成;非成熟烴源巖由巖石骨架、固體有機(jī)質(zhì)和充填于孔隙空間的以地層水為主的流體組成;成熟烴源巖則由巖石骨架、固體有機(jī)質(zhì)和充填于孔隙空間的地層水、烴類等流體組成。這3種情況在測井曲線上的不同響應(yīng)特征是利用測井曲線識(shí)別和評(píng)價(jià)烴源巖的基礎(chǔ)。

利用測井資料可以研究烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型和有機(jī)質(zhì)成熟度,但較為成熟、應(yīng)用也較為廣泛的技術(shù)是利用測井資料識(shí)別烴源巖層段以及預(yù)測有機(jī)質(zhì)豐度[11-19],其中又以電阻率和孔隙度測井曲線重疊法(即ΔlogR技術(shù))計(jì)算總有機(jī)碳含量的技術(shù)應(yīng)用最多[13-21]。ΔlogR技術(shù)認(rèn)為烴源巖地層中富含有機(jī)質(zhì)(干酪根)的泥巖、頁巖或灰質(zhì)泥巖的物理性質(zhì)不同,對(duì)聲波、密度、中子、電阻率等測井曲線就有不同的響應(yīng),在壓實(shí)程度相同、礦物成分類似的地層中,水或粘土的含量增大時(shí),對(duì)應(yīng)的聲波時(shí)差增大、電阻率降低;有機(jī)質(zhì)的含量增大時(shí),對(duì)應(yīng)的聲波時(shí)差增大、電阻率增大。實(shí)際工作中,將刻度合適的聲波測井、補(bǔ)償中子、密度等孔隙度曲線疊合在電阻率曲線上,貧含有機(jī)質(zhì)層段中兩條曲線相互重合或平行,富含有機(jī)質(zhì)層段中兩條分離曲線之間的距離即為ΔlogR。

在應(yīng)用時(shí),電阻率曲線刻度為兩個(gè)數(shù)量級(jí)的對(duì)數(shù)電阻率刻度,對(duì)應(yīng)的聲波時(shí)差為328μs/m。兩條曲線在一定深度范圍內(nèi)“一致”或完全重合時(shí)即為基線。移動(dòng)曲線刻度時(shí),一般保持聲波曲線不動(dòng)而移動(dòng)電阻率曲線,但應(yīng)遵循電阻率曲線刻度為兩個(gè)數(shù)量級(jí)對(duì)數(shù)電阻率刻度對(duì)應(yīng)聲波時(shí)差為328μs/m的原則。

根據(jù)聲波時(shí)差、電阻率疊加計(jì)算ΔlogR的方程為:

(1)

式中:ΔlogR為實(shí)測曲線間距在對(duì)數(shù)電阻率坐標(biāo)上的讀數(shù);R為測井儀實(shí)測的電阻率;Δt為實(shí)測傳播時(shí)間;R基線為基線對(duì)應(yīng)的電阻率;Δt基線為基線對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)間。

ΔlogR與有機(jī)碳含量(CTOC)呈線性關(guān)系,并且是成熟度的函數(shù),由ΔlogR計(jì)算CTOC的定量關(guān)系式為:

(2)

式中:CTOC為計(jì)算的有機(jī)碳含量;RO為鏡質(zhì)體反射率。

2 杭錦旗地區(qū)烴源巖測井響應(yīng)特征及測井評(píng)價(jià)方法可靠性標(biāo)定

從前面的論述可以看出,利用測井資料評(píng)價(jià)烴源巖分為定性和定量兩個(gè)層面:從定性的層面看,可以依據(jù)測井曲線對(duì)烴源巖的響應(yīng)特征識(shí)別烴源巖,即定性地判斷哪些層位可以作為烴源巖,哪些地層即使是泥質(zhì)巖也不能作為烴源巖;從定量的角度看,可以利用測井資料,采用公式(1)和公式(2)定量地計(jì)算烴源巖有機(jī)碳含量，評(píng)價(jià)烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度。

2.1 烴源巖測井響應(yīng)特征

研究表明,優(yōu)質(zhì)烴源巖具有高自然伽馬、高聲波時(shí)差、高電阻率和低密度的特征[19-21],根據(jù)自然伽馬、聲波時(shí)差、電阻率和密度測井曲線特征可以識(shí)別烴源巖。

杭錦旗地區(qū)烴源巖主要集中在上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組山1段、山2段,巖石類型主要有煤層、炭質(zhì)泥巖和暗色泥巖3類,在測井曲線上表現(xiàn)出不同的特征:煤層的測井曲線特征最為典型,表現(xiàn)為高電阻率、高聲波時(shí)差、高補(bǔ)償中子和低自然伽馬、低密度特征;泥質(zhì)烴源巖測井曲線表現(xiàn)為高自然伽馬、高聲波時(shí)差、高電阻率、高補(bǔ)償中子和低密度的特征;炭質(zhì)泥巖烴源巖的測井曲線特征介于煤層和泥質(zhì)烴源巖曲線特征之間(圖1)。

圖1 杭錦旗地區(qū)錦69井烴源巖測井解釋結(jié)果

2.2 杭錦旗地區(qū)泥質(zhì)烴源巖成熟度的認(rèn)識(shí)

在利用公式(1)和公式(2)估算烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度時(shí),RO反映了烴源巖成熟度。前人對(duì)杭錦旗地區(qū)烴源巖成熟度的認(rèn)識(shí)較為一致[12-13],總體認(rèn)為杭錦旗地區(qū)上古生界有機(jī)質(zhì)成熟度分布范圍在0.6%～1.3%,由南向北RO逐漸降低,泊爾江海子斷裂以南RO值大于1.2%。

在計(jì)算有機(jī)碳含量時(shí),我們利用前人的研究成果,根據(jù)不同探井所處的構(gòu)造位置,采用不同的成熟度值:南部鉆井如錦89井、錦57井、錦56井等采用的RO值為1.3%;而北部的鉆井如錦97井、錦27井、錦84井等的RO值為0.6%;其余探井依據(jù)其所處的位置RO的取值為0.6%～1.3%。

2.3 烴源巖測井評(píng)價(jià)結(jié)果標(biāo)定

為了評(píng)價(jià)利用測井資料計(jì)算烴源巖CTOC的可靠性,我們依據(jù)杭錦旗烴源巖實(shí)際測試的CTOC值對(duì)利用測井資料計(jì)算的烴源巖CTOC值進(jìn)行標(biāo)定(表1)。從表1的對(duì)比結(jié)果可以看出,對(duì)于有機(jī)碳含量低的烴源巖(如錦6井2766.34m樣品,錦7井2767.00m樣品等),或者是有機(jī)碳含量高的烴源巖(如錦7井2945.54m的炭質(zhì)泥巖樣品,錦8井3314.46～3314.51m的炭質(zhì)泥巖樣品),ΔlogR技術(shù)評(píng)價(jià)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度的計(jì)算值與實(shí)測值差別較大,反映出ΔlogR技術(shù)的局限性。因此,從應(yīng)用角度看,利用ΔlogR技術(shù)評(píng)價(jià)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度,對(duì)于有機(jī)碳含量過低或者過高的樣品,誤差較大,需要依據(jù)錄井資料等對(duì)巖性進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而剔除異常值,從而盡可能地使評(píng)價(jià)結(jié)果反映實(shí)際地質(zhì)情況。

表1 杭錦旗地區(qū)烴源巖測試結(jié)果與測井評(píng)價(jià)結(jié)果

3 杭錦旗地區(qū)重點(diǎn)鉆井泥質(zhì)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度測井評(píng)價(jià)結(jié)果

基于上述烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度的測井評(píng)價(jià)方法和不同的參數(shù)取值,我們分析了杭錦旗地區(qū)74口井的泥質(zhì)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度。杭錦旗地區(qū)太原組、山西組泥質(zhì)烴源巖的發(fā)育情況有如下3種類型。

3.1 不發(fā)育泥質(zhì)烴源巖

從所選的74口鉆井鉆遇地層的情況看,不發(fā)育烴源巖的鉆井又可分為兩種情況:

1) 因缺失山西組和太原組而不發(fā)育烴源巖,如錦13井是下石盒子組直接覆蓋在中元古界之上、錦15井是下石盒子組直接覆蓋在太古界花崗片麻巖之上,中間缺失山西組、太原組而不發(fā)育烴源巖。

2) 雖然發(fā)育有太原組或山西組,也發(fā)育有泥質(zhì)巖,但不發(fā)育泥質(zhì)烴源巖。如錦38井雖然在山西組的山1段、山2段均發(fā)育泥巖段,泥巖厚度為23m和9m,分別占各層段厚度的44.2%和26.3%,但從該井聲波時(shí)差與電阻率測井曲線的疊合情況看,泥巖段聲波時(shí)差曲線均位于電阻率曲線的右側(cè),表示該井下石盒子組并不發(fā)育烴源巖。類似的鉆井還有錦43井,雖然鉆遇了泥質(zhì)巖地層,但其聲波時(shí)差和電阻率測井曲線分開顯著,指示該井不發(fā)育泥質(zhì)烴源巖。

3.2 發(fā)育泥質(zhì)烴源巖

根據(jù)測井資料評(píng)價(jià)結(jié)果,該類型是只發(fā)育泥質(zhì)烴源巖而不發(fā)育煤系地層的鉆井,例如錦39井雖然僅鉆遇了山2段,但該段發(fā)育炭質(zhì)泥巖和泥巖兩種類型的烴源巖(圖2)。從計(jì)算結(jié)果看,錦39井山2段共發(fā)育4段烴源巖,有機(jī)碳以2248.87～2253.97m的炭質(zhì)泥巖最好,最大CTOC值為6.44%,平均為1.56%,達(dá)到了好烴源巖的標(biāo)準(zhǔn);其它3段CTOC相對(duì)較低。另外,需要指出的是,雖然從厚度統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，山2段發(fā)育泥質(zhì)巖13.5m,炭質(zhì)泥巖3m,但從測井識(shí)別結(jié)果看,烴源巖厚度只有11.2m,占泥質(zhì)巖厚度的67.9%。

3.3 發(fā)育泥質(zhì)烴源巖和煤層

既發(fā)育泥質(zhì)烴源巖又發(fā)育煤層的鉆井在研究區(qū)所占比重最大,在進(jìn)行烴源巖測井識(shí)別及研究的74口鉆井中,這種類型的井占了65口,如錦76井、錦78井、錦84井和錦86井等,鉆遇的烴源巖既有泥質(zhì)巖也有煤系地層。

圖2 杭錦旗地區(qū)錦39井烴源巖測井評(píng)價(jià)結(jié)果

4 杭錦旗地區(qū)烴源巖的平面分布特征

根據(jù)前文單井烴源巖測井計(jì)算結(jié)果,我們重點(diǎn)對(duì)杭錦旗地區(qū)太原組和山西組山1段、山2段的泥巖、炭質(zhì)泥巖烴源巖的平面分布特征進(jìn)行了分析。

4.1 太原組泥質(zhì)烴源巖

太原組泥質(zhì)烴源巖的厚度分布總體上表現(xiàn)為南厚北薄的特征,但在最大厚度分布上,以北部的錦35井最大,泥質(zhì)烴源巖厚度達(dá)到了31.5m;其次是在錦72井、錦56井和錦61井區(qū)，為厚度相對(duì)較大的地區(qū),其中錦61井區(qū)泥質(zhì)烴源巖的厚度為26m,錦56井區(qū)泥質(zhì)烴源巖的厚度為19m,錦72井區(qū)的泥質(zhì)烴源巖厚度為20m(圖3)。太原組炭質(zhì)泥巖厚度南北分布的差異更為明顯,炭質(zhì)泥巖主要分布在泊爾江海子斷裂帶南側(cè),其最大厚度出現(xiàn)在錦92井區(qū),達(dá)到了18m;其次是在錦76井區(qū),炭質(zhì)泥巖厚度也達(dá)到了12m。

與厚度分布相比,泥質(zhì)烴源巖的有機(jī)碳含量平面分布并沒有表現(xiàn)出相關(guān)性，總體表現(xiàn)為：西南部和中部的錦98井區(qū)、錦69井—錦90井區(qū)為高值區(qū),東北部為低值區(qū)(圖3),其中錦69井區(qū)有機(jī)碳含量最高,達(dá)8.96%,其次為錦62井區(qū),有機(jī)碳含量為8.07%,達(dá)到了優(yōu)質(zhì)烴源巖的有機(jī)碳含量標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 山西組山1段泥質(zhì)烴源巖

山1段泥質(zhì)烴源巖的厚度分布總體上表現(xiàn)為南厚北薄的特征(圖4)。以西部的錦60井區(qū)最大,泥質(zhì)烴源巖厚度為30m;其次是錦84—錦78井區(qū)、錦54—錦76井區(qū)，為厚度相對(duì)較大的地區(qū),其中錦76井區(qū)泥質(zhì)烴源巖的厚度為23.9m,錦78井區(qū)的最大厚度為22m。山1段炭質(zhì)泥巖厚度的分布特征整體上與泥質(zhì)烴源巖類似,但其厚度最大的地區(qū)為錦76井區(qū),達(dá)到了13.13m;其次是錦44井區(qū)炭質(zhì)泥巖厚度為11.15m,錦79井區(qū)炭質(zhì)泥巖的厚度為11.00m。

山1段泥質(zhì)烴源巖有機(jī)碳含量的平面分布與其厚度分布具有一定的相似性，總體表現(xiàn)為中部、南部有機(jī)碳含量較高,而西部、北部有機(jī)碳含量較低的特征(圖4)。山1段泥質(zhì)烴源巖有機(jī)碳含量最高值在錦68井區(qū),達(dá)到了7.15%,其次為錦69井區(qū),達(dá)到了5.83%。

圖3 杭錦旗地區(qū)太原組泥質(zhì)烴源巖厚度及有機(jī)質(zhì)豐度平面分布a 泥質(zhì)烴源巖等厚圖; b 泥質(zhì)烴源巖CTOC等值線

圖4 杭錦旗地區(qū)山西組山1段泥質(zhì)烴源巖厚度及有機(jī)質(zhì)豐度平面分布a 泥質(zhì)烴源巖等厚圖; b 泥質(zhì)烴源巖CTOC等值線

4.3 山西組山2段泥質(zhì)烴源巖

山2段泥質(zhì)烴源巖的厚度分布總體上表現(xiàn)為西南厚東北薄的特征(圖5),其中最大厚度在西南部的錦60井區(qū),泥質(zhì)烴源巖厚度為32m;其次在錦31—錦58—錦57井區(qū)、錦69—錦32井區(qū),其中錦31井區(qū)泥質(zhì)烴源巖的厚度為22.5m,錦32井區(qū)的最大厚度為22.7m。山2段炭質(zhì)泥巖厚度的分布范圍相對(duì)有限,其厚度最大的地區(qū)在錦57井區(qū),達(dá)到了6m;其次是在錦51井區(qū),炭質(zhì)泥巖厚度為5.5m。

圖5 杭錦旗地區(qū)山西組山2段泥質(zhì)烴源巖厚度及有機(jī)質(zhì)豐度平面分布a 泥質(zhì)烴源巖等厚圖; b 泥質(zhì)烴源巖CTOC等值線

與山1段、太原組泥質(zhì)烴源巖有機(jī)碳含量相比,山2段泥質(zhì)烴源巖有機(jī)碳含量相對(duì)較低,僅在錦94井區(qū)、錦48井區(qū)出現(xiàn)局部高值區(qū),其中錦94井區(qū)有機(jī)碳含量為5.31%,錦48井區(qū)有機(jī)碳含量為6.08%,但分布范圍較為有限(圖5)。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過與實(shí)際測試結(jié)果對(duì)比,在杭錦旗地區(qū)利用測井資料的ΔlogR技術(shù)對(duì)泥質(zhì)烴源巖評(píng)價(jià)是可靠的,ΔlogR技術(shù)可以作為烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)的一種手段。

除煤層外,太原組和山1段、山2段泥質(zhì)巖、炭質(zhì)泥巖可以作為杭錦旗地區(qū)的烴源巖;從泥質(zhì)烴源巖分布范圍、厚度和CTOC高值區(qū)分布范圍看,山1段泥質(zhì)烴源巖最好,太原組泥質(zhì)烴源巖相對(duì)較好,山2段泥質(zhì)烴源巖相對(duì)較差。

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(編輯：陳 杰)

Evaluation on abundance of organic matter for shaly source rocks based on well log responses in Hangjiqi area,Ordos Basin

ZHAO Guiping1,2,LI Liang3

(1.CollegeofEarthSciences,UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;2.KeyLaboratoryofComputationalGeodynamics,CAS,Beijing100049,China2.NorthChinaBranch,SINOPEC,Zhengzho,450006,China)

Based on comprehensive analysis on the well log responses of different types of source rock from more than 70 wells,shaly source rock in upper Palaeozoic Taiyuan formation and Shan 1 and Shan 2 members of Shanxi formation were identified and the thickness of source rock and total organic carbon (TOC) were estimated by the ΔlogRtechnique in Hangjinqi area,north of Erdos Basin.In target area,the logging curves of shaly source rock are characterized by high natural gamma,high acoustic moveout,high resistivity,high compensated neutron and low density.The thickness of shaly source rock in Taiyuan formation presents the characteristics of thinning from south to north.The distribution of TOC in shaly source rock shows a pattern of higher value in the southwest and middle areas (i.e.Well 98,Well 69 and Well 90 blocks) and lower value in the northeast area.The thickness distribution of shaly source rock in Shan 1 member displays the characteristics of thinning from south to north.The distribution of TOC in Shan 1 member shows a pattern of higher value in the south and middle areas and lower value in the western and northern areas.The shaly source rock in Shan 2 member as a whole shows the characteristics of thicker in southwest area and thinner in the northeast area.The TOC in Shan 2 member is relatively lower and partial high TOC value is only presented in Well 94 and Well 48 blocks.Overall,the shaly source rocks in upper Paleozoic Taiyuan formation and Shan 1 and Shan 2 members of Shanxi formation can be regarded as effective source rock in Hangjinqi area,providing fundament for gas accumulation.

Hangjinqi area,shaly source rocks,well log evaluation,total organic carbon (TOC)

2016-01-25;改回日期：2016-03-23。

趙桂萍(1972—),女,副教授,主要從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和油氣地質(zhì)學(xué)的教學(xué)和研究工作。

中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目(Y225014EA2)資助。

This research is financially supported by the Knowledge Innovation Project of Chinese Academy of Sciences (Grant No.Y225014EA2).

P631

A

1000-1441(2016)06-0879-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2016.06.013