應(yīng)用地球物理技術(shù)定量評價遼西凹陷沙河街組烴源巖

牛 聰 劉志斌 王彥春 張益明 解吉高 黃 饒

（①中國地質(zhì)大學（北京）地球物理與信息技術(shù)學院，北京100083；②中海油研究總院，北京100028）

應(yīng)用地球物理技術(shù)定量評價遼西凹陷沙河街組烴源巖

牛 聰*①②劉志斌①王彥春②張益明①解吉高①黃 饒①

（①中國地質(zhì)大學（北京）地球物理與信息技術(shù)學院，北京100083；②中海油研究總院，北京100028）

針對遼東灣遼西凹陷沙河街組烴源巖，提出了一種基于地球物理技術(shù)的定量評價方法。首先在巖心地化分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上利用測井解釋方法進行總有機碳含量（TOC）預測；接著利用巖石物理分析得到與TOC具有強相關(guān)性的地球物理敏感參數(shù)，進而擬合兩者的關(guān)系方程；然后通過地震反演預測地球物理敏感參數(shù)數(shù)據(jù)體，并由擬合關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為TOC數(shù)據(jù)體；最后按照烴源巖的質(zhì)量評價指標，預測不同等級烴源巖的空間分布，并與盆地模型參數(shù)相結(jié)合計算目標凹陷的生烴量。實際應(yīng)用表明，研究區(qū)沙河街組存在一套TOC大多為2%以上、平均厚度可達200m的優(yōu)質(zhì)烴源巖，估算其油氣資源量約為26億噸，該方法預測的烴源巖厚度與實測值的相對誤差小于10%。研究結(jié)果說明，利用地球物理技術(shù)可以實現(xiàn)對烴源巖的豐度分級和定量評價，對類似生烴凹陷的評價具有參考價值。

地球物理 遼西凹陷 沙河街組 烴源巖 定量評價

1 引言

烴源巖評價是含油氣盆地勘探研究的基礎(chǔ)。在過去的研究中，對烴源巖的評價常常是通過對巖樣和巖屑資料的分析形成，其缺點是只有在具有地化資料的情況下才能進行，并且受樣品數(shù)量的限制，研究成果僅局限于單點［1］。近年來，人們廣泛利用地球物理技術(shù)進行了烴源巖預測并具有廣闊的應(yīng)用前景［2-8］。前人的研究表明湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖具有典型的地球物理特征：在地震波響應(yīng)上為空間可追蹤的低頻連續(xù)反射；在測井曲線上表現(xiàn)為高伽馬、高電阻率、高聲波時差、低密度的“三高一低”特征；評價烴源巖品質(zhì)的總有機碳含量（TOC）、鏡質(zhì)體反射率（Ro）等指標與密度、縱波阻抗、縱橫波速度比等地球物理彈性參數(shù)具有強相關(guān)性［9-13］。這些研究雖已經(jīng)取得了積極的進展，但是在烴源巖豐度分級和定量評價方面的研究仍比較欠缺。

本文基于遼西凹陷的勘探實際，結(jié)合地質(zhì)、沉積、地化及盆地模型等資料，探索了一種烴源巖的地球物理評價方法，確定了研究區(qū)內(nèi)沙河街組烴源巖的發(fā)育規(guī)模，并對其進行了豐度評價和生烴量估算。

2 研究區(qū)概況

遼西凹陷位于渤海東北部海域，是遼東灣地區(qū)的一個次級構(gòu)造單元，總體為北北東—南南西向展布，其東部為遼西凸起，面積約為3830km2，由北、中、南3個洼陷組成。本次研究區(qū)位于遼西凹陷北洼內(nèi)，遼西凸起的西部（圖1）。

前人基于該區(qū)構(gòu)造演化、沉積充填特征及石油地質(zhì)條件等方面的大量研究，總體認為形成于深湖—半深湖環(huán)境的沙河街組和東營組均發(fā)育烴源巖，是遼東灣油氣的主要來源［14，15］。但是，由于遼西凹陷位于遼東灣坳陷西緣，其周邊發(fā)育綏中、秦皇島、興城等水系，屬于近源快速沉積，對該凹陷沙河街組沙三段烴源巖的分布規(guī)模及品質(zhì)認識不清楚，制約了遼西凹陷資源潛力的評價［16，17］。因此，遼西凹陷沙河街組優(yōu)質(zhì)烴源巖的評價與預測，是該凹陷油氣勘探面臨的首要問題。遼西凹陷已有覆蓋研究區(qū)的高品質(zhì)三維地震資料和多口鉆井數(shù)據(jù)，具備利用地球物理技術(shù)評價烴源巖的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 遼西凹陷構(gòu)造區(qū)劃圖

3 研究區(qū)烴源巖的特征

3.1 地化特征

目前烴源巖的評價參數(shù)主要包括TOC、有機質(zhì)類型、氯仿瀝青“A”含量、總烴含量等。在實際勘探中也有人提出了有效烴源巖和優(yōu)質(zhì)烴源巖的概念，前者常指經(jīng)過排烴、運移、聚集等環(huán)節(jié)后仍具有工業(yè)價值的烴源巖，而后者為有機質(zhì)含量高、類型好的有效烴源巖，通常它們的厚度不一定大，但卻具有較高的生烴潛力和排烴強度。

通過分析遼西凹陷及周邊遼中凹陷、遼東凹陷沙河街組的鉆井數(shù)據(jù)，可知遼東灣地區(qū)優(yōu)質(zhì)烴源巖主要出現(xiàn)在沙三下、沙三中以及沙一段。目前遼西凹陷內(nèi)已有13口井鉆遇沙三段，揭示沙三段巖性主要為褐灰色泥巖，厚度較大。前人認為遼西凹陷沙三段烴源巖有較高含量的浮游藻類，有機屑含量較高，腐泥組和殼質(zhì)組含量普遍大于80%，有機質(zhì)類型主要為Ⅱ1型，埋深大，因此烴源巖處于成熟階段［16］。研究區(qū)內(nèi)S-1井鉆遇沙三段地層650m，測井解釋泥巖厚度為540m，其中優(yōu)質(zhì)烴源巖為228m（TOC＞2%，生烴潛量S1+S2＞10mg／g，氫指數(shù)HI＞40mg／g）；S-2井鉆遇沙三段地層750m，測井解釋泥巖厚度為630m，其中優(yōu)質(zhì)烴源巖總厚度為340m（TOC＞2%，S1+S2＞10mg／g，HI＞40mg／g）。

本文根據(jù)中國近海湖相生烴凹陷評價指標體系［18］（表1）和遼西凹陷的鉆井資料樣品分析，指出TOC＞2%為本區(qū)優(yōu)質(zhì)烴源巖的主要判別指標。

表1 中國近海湖相烴源巖質(zhì)量的評價指標（中海油，2015）

3.2 地震相特征

前人認為遼西凹陷沙河街組發(fā)育多種沉積相類型，主要有濱湖、半深湖—深湖、三角洲、扇三角洲和濁積扇等沉積體系。其中，凹陷內(nèi)沙三段主要發(fā)育扇三角洲—中、深湖相沉積，中、深湖相面積較大，暗色泥巖分布廣、厚度大。沙三段這套半深湖—深湖相烴源巖表現(xiàn)為平行—亞平行反射結(jié)構(gòu)，具有低頻、連續(xù)、強反 射 的 特 點［10，16，19，20］。 圖 2 為 研 究 區(qū) 內(nèi) 過遼西凹陷北洼的一條地震剖面，從中可看出遼西凹陷北洼沙三段（E2s3）烴源巖位于洼陷中心，自下而上整體上表現(xiàn)出低頻、連續(xù)、平行的反射特征，其對應(yīng)一套中、深湖相沉積。

3.3 測井相特征

湖相—中深湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖的測井曲線表現(xiàn)為高自然伽馬、高聲波時差、高電阻率和低密度的特征。這是因為優(yōu)質(zhì)烴源巖往往含有更多的放射性元素鈾和干酪根及孔隙中的液態(tài)烴類。其中導電性差的干酪根和油氣的聲波時差一般大于巖石骨架的時差，而干酪根的密度（1.03～1.1g／cm3）和油的密度（0.7～0.98g／cm3）又小于巖石骨架密度（2.3～3.1g／cm3）［21］。表2為遼西凹陷沙河街組烴源巖的測井響應(yīng)特征對比。測井揭示S-1井在沙三段鉆遇的優(yōu)質(zhì)成熟烴源巖（TOC＞2%）與其他品質(zhì)不佳的泥巖相比（TOC＜1%），測井響應(yīng)表現(xiàn)為典型的“三高一低”特征。

圖2 遼西北洼E2 s3烴源巖地震反射剖面

表2 遼西凹陷沙河街組烴源巖測井響應(yīng)特征

4 方法應(yīng)用

在綜合分析遼西凹陷沙河街組烴源巖地化特征、測井響應(yīng)特征和地震反射特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合地化分析和測井解釋等資料，制定了本區(qū)優(yōu)質(zhì)烴源巖的定量評價流程（圖3）。

圖3 優(yōu)質(zhì)烴源巖的定量評價流程

4.1 TOC計算

本文根據(jù)已鉆井的實測樣品TOC值，使用Passey經(jīng)驗公式［22］

計算了靶區(qū)內(nèi)井的TOC曲線。式中：ΔlgR=lg（R／R基線）+0.02（Δt-Δt基線），表示聲波—電阻率曲線幅度差，R基線和Δt基線分別為電阻率與聲波基線值；a=2.297-0.1688LOM，LOM為有機質(zhì)成熟度的熱變指數(shù)。通過分析認為，遼西凹陷沙河街組地層電阻率基線值約為2.5Ω·m，聲波時差基線值約為92μs／ft，熱變指數(shù)LOM選8時，測井預測結(jié)果與實測值的誤差最小。圖4為S-1井烴源巖TOC實測值與測井計算值的關(guān)系圖，由圖可見二者相關(guān)性較高，說明由上述參數(shù)通過Passey公式建立的計算模型比較可靠。

圖4 S-1井計算TOC值與實測值的關(guān)系

4.2 巖石物理分析與敏感參數(shù)優(yōu)選

通過巖石物理分析，能夠明確與TOC之間最為敏感的地球物理參數(shù)，進而建立兩者的擬合關(guān)系，最終根據(jù)關(guān)系式對TOC進行估算。對研究區(qū)內(nèi)的S-1和S-2井進行交會分析。由圖5可見，縱橫波速度比為區(qū)分沙河街組砂泥巖的敏感參數(shù)，砂巖的縱橫波速度比小于2，而泥巖的縱橫波速度比則大于2，且在泥巖段內(nèi)不同等級的烴源巖表現(xiàn)出不同范圍的縱波阻抗，據(jù)此就可形成識別該區(qū)泥巖和烴源巖等級的標準（圖5）。

圖5 遼西凹陷沙河街組巖石物理分析

4.3 地震反演TOC數(shù)據(jù)體

巖石物理與敏感參數(shù)優(yōu)選結(jié)果顯示，通過地球物理技術(shù)是能夠?qū)|西凹陷烴源巖的分布范圍和等級進行預測的，即首先通過縱橫波速度比區(qū)分砂、泥巖，進而在泥巖之中根據(jù)縱波阻抗的范圍識別不同等級的烴源巖。

進一步通過縱波阻抗與TOC的交會分析（圖6），得到研究區(qū)內(nèi)沙河街組TOC與PI（縱波阻抗）之間的計算模型為：TOC=-0.000015×PI+0.154，由此將反演的縱波阻抗轉(zhuǎn)換為TOC數(shù)據(jù)體。

需要說明的是，TOC曲線計算、巖石物理分析與敏感參數(shù)的優(yōu)選主要是基于縱橫波速度、密度、電阻率等測井曲線及其組合，各測井曲線的品質(zhì)和對目標的識別能力將會對后期的預測結(jié)果產(chǎn)生影響，因此準確的測井曲線校正工作是應(yīng)用地球物理技術(shù)定量評價烴源巖的關(guān)鍵。對比圖4和圖6，可看出利用Passey公式（相關(guān)性：96%）和縱波阻抗（相關(guān)性：81%）計算的TOC的精度不同，經(jīng)分析可能是由于緊貼井壁的密度曲線測井方式更容易受到井壁條件、孔內(nèi)泥漿、孔壁泥餅等外界因素的影響，因此擬合精度較電阻率會低。

圖6 縱波阻抗（PI）與TOC的交會分析

另外受地質(zhì)沉積環(huán)境、埋藏條件、巖性變化等因素的影響，不同凹陷不同層段的烴源巖與圍巖之間的巖石物理特征的差別變化很大，具有不同的TOC敏感識別參數(shù)、敏感參數(shù)范圍或識別相關(guān)性。如筆者在相關(guān)凹陷的研究中就發(fā)現(xiàn)渤海灣盆地沙南凹陷沙河街組的優(yōu)質(zhì)烴源巖的縱波阻抗小于8400g／cm3·m／s，而黃河口凹陷縱波阻抗（擬合相關(guān)性：73%）和縱橫波速度比（擬合相關(guān)性：82%）都可識別優(yōu)質(zhì)烴源巖，但后者的擬合相關(guān)性更高，因此黃河口凹陷的敏感參數(shù)為縱橫波速度比。同時，烴源巖與圍巖之間巖石物理參數(shù)的重疊交叉也會產(chǎn)生一定的多解性，因此在工作中需要針對各凹陷、各層段的特點分別開展分析工作，進而確定相應(yīng)的敏感參數(shù)和計算模型，以期降低多解性。

工區(qū)內(nèi)S-1井和S-2井參與了反演，S-3井為驗證井。圖7為通過疊前同時反演得到的過井vP／vS巖性剖面，其中測井曲線為泥質(zhì)含量，右側(cè)為高值。由圖可見凹陷內(nèi)沙二段為一套砂巖，沙三中、下段泥巖非常發(fā)育，井旁反演結(jié)果與實鉆吻合度高（合成記錄標定時相關(guān)系數(shù)可達0.93）。圖8為TOC數(shù)據(jù)體剖面，剖面中顏色表示有機質(zhì)豐度，紅色表示TOC豐度較高，井曲線為TOC曲線，右側(cè)為高值。由圖看出沙三中、下段為一套TOC值較高的地層（＞2%），從洼陷邊緣到深部，這套烴源巖的厚度逐漸增大，反映出洼陷深部優(yōu)質(zhì)烴源巖更為發(fā)育。圖9為提取的沙三中、下段TOC預測平面圖，圖中顯示研究區(qū)中東部亮色部分烴源巖TOC大多為2%以上，屬于優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育帶，從凹陷深部到邊緣亮色逐漸減弱，表示地層的泥質(zhì)含量和TOC逐漸降低，烴源巖等級為中等（1%＜TOC＜2%）或差等（0＜TOC＜1%），沉積相由深湖相—中深湖相轉(zhuǎn)換為三角洲相。

圖8 遼西凹陷沙三段TOC數(shù)據(jù)體剖面

4.4 烴源巖定量預測

本文基于Jason反演平臺Body Checking模塊完成了烴源巖的厚度預測。首先針對TOC數(shù)據(jù)體，根據(jù)選定的各級烴源巖的門檻值范圍，得到相應(yīng)等級烴源巖體的屬性數(shù)據(jù)體；然后在垂向上累加屬性體的樣本點數(shù)，并將其與采樣間隔相乘作為時間厚度；最后通過時間厚度與速度相乘得到厚度值。

圖10為預測研究區(qū)優(yōu)質(zhì)烴源巖的分布圖，圖中顏色表示預測烴源巖的厚度，顏色越深表示厚度越大。從圖中可看出凹陷中部烴源巖最為發(fā)育，通過測量可知該處優(yōu)質(zhì)烴源巖的面積近180km2，平均厚度達200m，最厚處可達660m。對比研究區(qū)內(nèi)實鉆井資料（表3），反演預測的烴源巖厚度與實鉆測井解釋結(jié)果基本一致，相對誤差較小。

基于本方法研究得到的優(yōu)質(zhì)烴源巖的面積、厚度和TOC等數(shù)據(jù)，結(jié)合行業(yè)內(nèi)盆地資源潛力分析方法和靶區(qū)的勘探實際，對該區(qū)資源量的估算，采用了以下有機碳法

圖10 預測的研究區(qū)沙三段優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度

表3 烴源巖預測與鉆井結(jié)果對比

式中：Q為總油氣資源量；H為烴源巖有效厚度（m）；S為烴源巖面積（km2）；ρ為烴源巖密度（g／cm3）；HI為氫指數(shù)（mg／g）；TOC為總有機碳含量；Kc為有機碳轉(zhuǎn)化系數(shù)；k為運聚系數(shù)。

本研究中，ρ取2.3g／cm3，HI取450mg／g，Kc取1%，k取10%，最終估算研究區(qū)沙三段油氣資源量約為2.6×109t。

5 結(jié)束語

應(yīng)用地球物理技術(shù)可以對烴源巖的分布范圍進行預測，并能夠根據(jù)反演參數(shù)的定量關(guān)系區(qū)分烴源巖的等級，本文所述方案對類似生烴凹陷的評價具有參考價值。遼西凹陷沙河街組烴源巖評價的應(yīng)用結(jié)果表明：

（1）該套優(yōu)質(zhì)烴源巖具有高自然伽馬、高聲波時差、高電阻率和低密度的測井響應(yīng)特征；在地震相上表現(xiàn)為低頻、連續(xù)、強反射的地震反射特征。

（2）縱波阻抗參數(shù)是反映烴源巖豐度的敏感參數(shù)，根據(jù)TOC與縱波阻抗間的數(shù)學關(guān)系，可以通過地震反演實現(xiàn)烴源巖有機質(zhì)含量的定量評價。

（3）研究區(qū)中部沙三段烴源巖TOC大多為2%以上，橫向整體分布穩(wěn)定，平均厚度達200m。定量預測烴源巖厚度相對誤差小于10%，與實鉆對比吻合度較高，證實了應(yīng)用地球物理方法定量預測烴源巖技術(shù)的有效性和適用性。

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A

10.13810／j.cnki.issn.1000-7210.2017.01.018

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1000-7210（2017）01-0131-07

*北京市朝陽區(qū)太陽宮南街6號院A-1003室，100028。Email：niucong＠cnooc.com.cn

本文于2016年1月22日收到，最終修改稿于同年10月29日收到。

（本文編輯：馮杏芝）

牛聰 高級工程師，博士研究生，1980年生；2006年畢業(yè)于成都理工大學，獲信號與信息處理專業(yè)碩士學位，2013年起在中國地質(zhì)大學（北京）攻讀地球探測與信息技術(shù)專業(yè)博士學位；現(xiàn)在中海油研究總院主要從事油氣地球物理勘探技術(shù)研究。