邊緣凹陷烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度曲面預(yù)測法
——以渤海灣盆地萊州灣東北洼為例

趙子斌　侯讀杰*　程　熊　代　峰　董立成　徐長貴

(①中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083； ②海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； ③中國海洋石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452)

1　引言

烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度反映了有機(jī)質(zhì)的富集程度。在相同有機(jī)質(zhì)類型的烴源巖中，高有機(jī)質(zhì)豐度預(yù)示其在熱演化過程中具有更大的生油氣潛力?？傆袡C(jī)碳含量(TOC)是最常用的表征有機(jī)質(zhì)豐度的參數(shù)，其數(shù)值的獲取一般通過有機(jī)碳分析和巖石熱解等實(shí)驗(yàn)方法或結(jié)合樣品實(shí)測的TOC預(yù)測法得到?；赥OC在不同測井曲線上的響應(yīng)計(jì)算烴源巖TOC的方法具有縱向數(shù)值連續(xù)、可降低有限烴源巖樣品的統(tǒng)計(jì)誤差的特點(diǎn)[1-4]。

經(jīng)歷多期沉降運(yùn)動(dòng)的邊緣凹陷的構(gòu)造樣式和沉積組合復(fù)雜多樣，地層非均質(zhì)性強(qiáng)。渤海灣盆地東部邊緣凹陷勘探程度低，樣品較少，烴源巖揭示程度差，在烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)中需進(jìn)行有機(jī)質(zhì)豐度預(yù)測。邊緣凹陷潛在資源逐漸成為新的勘探目標(biāo)，研究烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度可為油氣勘探部署及開發(fā)決策提供科學(xué)的參考依據(jù)，具有重要的理論意義和實(shí)踐意義。

2　有機(jī)碳預(yù)測概述

目前烴源巖有機(jī)碳預(yù)測方法可分為測井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)測和地震屬性預(yù)測法兩大類。Herron等[5,6]利用C/O能譜測井中的C/O和Si/Ca曲線求取烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度；Passey等[7]提出了基于測井電阻率和聲波時(shí)差的ΔlogR法，并得到認(rèn)可和應(yīng)用[8-11]；趙彥超等[12]使用“雙孔隙度法”計(jì)算有機(jī)質(zhì)含量；匡立春等[13]利用含油氣飽和度法預(yù)測有機(jī)質(zhì)豐度；王健等[14]利用密度測井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)TOC進(jìn)行回歸預(yù)測；劉超等[15-18]建立了基于計(jì)算機(jī)自動(dòng)拾取的方法識(shí)別基線和變系數(shù)的ΔlogR法；饒松等[19]利用自然伽馬法預(yù)測有機(jī)質(zhì)含量；朱光有等[20]、胡慧婷等[21]、陳貴科等[22]利用多元回歸方程得到了有機(jī)質(zhì)含量預(yù)測公式。此外，有人結(jié)合測井?dāng)?shù)據(jù)、地震屬性和TOC實(shí)測值反演不同層位的有機(jī)質(zhì)豐度，即先通過地震解釋拾取層位，再提取和優(yōu)選相應(yīng)層位的各類地震屬性，并建立一套地震屬性和已知參數(shù)的組合關(guān)系，最終反演得到不同層位的有機(jī)質(zhì)豐度特征[23-29]。傳統(tǒng)的ΔlogR法計(jì)算公式為

(1)

TOC=ΔlogR×10a

(2)

式中：ΔlogR為聲波時(shí)差曲線和電阻率曲線的疊合差值，R為電阻率測井實(shí)測值；R基線和Δt基線分別為電阻率和聲波時(shí)差穩(wěn)定值； Δt為實(shí)測聲波時(shí)差；a=2.297-0.01688LOM，LOM為熱變指數(shù)。

然而傳統(tǒng)的ΔlogR法及基于ΔlogR法的其他預(yù)測法存在三個(gè)主要問題：①基線拾取所占權(quán)重較大。第一，基線拾取本身存在一定誤差，曲線向高值或低值區(qū)少量偏移，會(huì)對(duì)最終的預(yù)測結(jié)果造成較大影響；第二，該理論默認(rèn)細(xì)粒穩(wěn)定段為非烴源巖，然而無論是碳酸鹽巖還是泥巖，其或多或少都含有有機(jī)質(zhì)，這一理論公式未考慮到有機(jī)質(zhì)背景值的問題，使預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性大大降低，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果在整體上反映了有機(jī)質(zhì)在剖面上的垂向變化趨勢[1,30]。②LOM本身是有機(jī)質(zhì)成熟度的反映，間接依靠盆地模擬或鏡質(zhì)體反射率估計(jì)其數(shù)值，在這一過程中也會(huì)產(chǎn)生一定誤差，進(jìn)而影響預(yù)測效果。③最重要的是，一般根據(jù)測井曲線在細(xì)粒巖石上的穩(wěn)定段確定基線，然而在邊緣凹陷帶等地層變化快、無大段連續(xù)而穩(wěn)定的泥巖地區(qū)，在測井曲線上無法識(shí)別穩(wěn)定段，因而從本質(zhì)上講不存在基線，因此基于ΔlogR的預(yù)測方法在邊緣凹陷帶具有局限性。地震數(shù)據(jù)具有在平面和垂向連續(xù)的特點(diǎn)，因而利用地震屬性反演TOC值的方法能夠反映有機(jī)質(zhì)含量在平面和垂向的連續(xù)分布特征[1,3,31,32]。但是在地層變化較快的邊緣凹陷地區(qū)，利用地震屬性反演TOC值的方法的擬合度也僅有55.7%，表明該方法在邊緣凹陷的適用性較低[33]。

3　基于測井?dāng)?shù)據(jù)的三元二次曲面擬合預(yù)測

文中結(jié)合電阻率、聲波時(shí)差和密度等測井曲線與實(shí)測TOC值，采用三元二次最小二乘法進(jìn)行曲面擬合預(yù)測烴源巖TOC值?？紤]到基線判識(shí)及有機(jī)質(zhì)背景值等參數(shù)拾取誤差問題，將原有模型進(jìn)行改寫。首先將式(2)改寫為

TOC=K×ΔlogR+△TOC

(3)

式中：K為擬合系數(shù)；△TOC為有機(jī)質(zhì)背景值。將式(1)代入式(3)，并引入密度測井?dāng)?shù)值，可得

(4)

式中： lgR為以10為底的電阻率實(shí)測值對(duì)數(shù)值； Δt為實(shí)測聲波時(shí)差；DEN為密度測井實(shí)測值；a、b、c為擬合系數(shù)；f(lgR)和g(Δt)分別為lgR和Δt的函數(shù)。

考慮到有機(jī)質(zhì)輸入受到有機(jī)質(zhì)母源、氣候、沉積環(huán)境及保存條件等因素的影響，對(duì)式(4)進(jìn)行電阻率—聲波—密度三元二次最小二乘曲面擬合。為了降低迭代過程的復(fù)雜性，擬合過程以降維開始，將式(4)變換為僅含lgR和Δt兩個(gè)變量的函數(shù)，即

d=e×f′(lgR)+h×g′(Δt)+i

(5)

式中：e、h和i為擬合系數(shù)；d為中間變量；f′(lgR)和g′(Δt)分別為lgR和Δt的二次函數(shù)?？梢娛?5)為二元二次方程。

將數(shù)據(jù)加載到“IBM SPSS 17.0”中進(jìn)行“二元二次最小二乘曲面自動(dòng)擬合”(圖1)，最后將式(1)～式(4)的變換逆向代回，得到最終結(jié)果。這種將電阻率、聲波時(shí)差和密度三類測井?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)測有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行三元二次最小二乘曲面擬合的預(yù)測手段具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，采用原始測試數(shù)據(jù)直接進(jìn)行擬合，消除了基線拾取和LOM取值時(shí)產(chǎn)生的人為誤差；另一方面，該方法將密度這一反映巖石組分的綜合指標(biāo)納入預(yù)測控制因素的范疇，更好地控制了有機(jī)質(zhì)的測井響應(yīng)[20,34]。

圖1　沙三段二元二次擬合圖示

在渤海灣盆地等構(gòu)造活躍的盆地邊緣地區(qū)，其沉積和構(gòu)造較復(fù)雜，加之不同沉積時(shí)期古環(huán)境、古氣候和有機(jī)質(zhì)母源輸入的差異，在不同年代地層中形成了不同的有機(jī)質(zhì)類型和孔滲性等巖石物性特征的組合，進(jìn)而導(dǎo)致不同層位各測井參數(shù)間的差異。因此，分層段(組)進(jìn)行有機(jī)質(zhì)豐度擬合預(yù)測更具有針對(duì)性和實(shí)際意義。

4　實(shí)例分析

本次研究樣品來自渤海灣盆地萊州灣東北洼的K-a、K-b、K-c井，研究區(qū)(圖2)位于渤海灣盆地海域部分的東南緣，西接萊北低凸起，東鄰郯廬斷裂帶，南部為萊州灣凹陷主洼，為一個(gè)典型的邊緣次級(jí)洼陷。

①中海油渤海研究院.渤海灣地區(qū)油氣富集規(guī)律與有利勘探方向，2015限于經(jīng)濟(jì)原因，海上鉆井取心較少，烴源巖樣品多以巖屑為主，在樣品分析過程中存在以下困難。第一，泥巖巖屑本身在鉆井過程中被泥漿沖洗嚴(yán)重，被大量泥漿所包裹。所取樣品被大量已脫水并粘附在泥巖巖屑上的泥漿所包圍，泥雜質(zhì)的混入增大了樣品的無機(jī)本底，進(jìn)而拉低了烴源巖有機(jī)碳含量實(shí)驗(yàn)數(shù)值。第二，泥漿沖洗作用降低了樣品中的干酪根豐度，循環(huán)液的高壓沖洗會(huì)帶走一部分樣品外層的有機(jī)質(zhì)，進(jìn)而拉低測試結(jié)果。因此在樣品準(zhǔn)備前應(yīng)注意去除樣品表層泥漿和被沖洗過的表層泥巖，將最后留下的樣品進(jìn)入下一步測試分析前的制樣階段。

圖2　研究區(qū)構(gòu)造區(qū)劃圖①

準(zhǔn)確的巖石有機(jī)質(zhì)豐度參數(shù)是保證擬合效果的一個(gè)重要前提，本次采用Leco CS744型巖石碳硫分析儀對(duì)所有樣品進(jìn)行有機(jī)碳分析。

4.1　參數(shù)特征

有機(jī)碳分析表明，本區(qū)烴源巖TOC值為0.58%～4.26%，平均值為2.18%。沙三段烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度最高，TOC值為1.95%～4.26%，平均值為2.93%；沙二段TOC值為1.21%～3.22%，平均值為2.01%；沙一段有機(jī)質(zhì)豐度較沙二段低，TOC值為0.59%～3.38%，平均值為1.48%；東三段烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度最低，TOC值為0.58%～1.76%，平均值為0.95%。

4.2　擬合結(jié)果

通過對(duì)研究區(qū)沙三段、沙二段、沙一段及東三段等烴源巖層段的擬合，得到每個(gè)層段烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度預(yù)測公式，擬合度較高。擬合公式分別為

(6)

(7)

(8)

(9)

限于篇幅，本文只給出了K-b井有機(jī)質(zhì)豐度預(yù)測結(jié)果柱狀圖(圖3)。需要注意的是，因?yàn)樯皫r不能作為烴源巖，故對(duì)砂巖不作有機(jī)質(zhì)豐度預(yù)測，在剖面上砂巖處為空值。

K-b井烴源巖TOC預(yù)測結(jié)果表明(圖3)： 沙三段TOC值為0.34%～6.95%，平均值為2.89%； 沙二段TOC值為0.23%～6.95%，平均值為2.63%； 沙一段TOC值為0.26%～6.85%，平均值為2.30%； 東三段TOC值為0.31%～6.99%，平均值為1.17%。

K-a井 烴源巖TOC實(shí)測值與預(yù)測結(jié)果基本吻合，烴源巖TOC預(yù)測結(jié)果為： 沙三段TOC值為0.37%～6.99%，平均值為3.84%； 沙二段TOC值為0.23%～6.92%，平均值為2.66%； 沙一段TOC值為0.20%～6.89%，平均值為2.44%； 東三段烴源巖TOC值為0.21%～6.49%，平均值為1.06%。

圖3　K-b井有機(jī)質(zhì)豐度預(yù)測結(jié)果柱狀圖

K-c井烴源巖TOC的預(yù)測結(jié)果表明：沙二段TOC值為0.22%～6.85%，平均值為2.40%； 沙一段TOC值為0.22%～6.90%，平均值為1.48%； 東三段TOC值為0.20%～3.09%，平均值為0.95%； 沙三段未被測井揭示。

由三口井?dāng)?shù)據(jù)預(yù)測的TOC值在剖面上呈頻繁跳動(dòng)特征，在一定程度上反映了烴源巖有機(jī)質(zhì)含量的非均質(zhì)性，反映了地史時(shí)期盆地邊緣頻繁的水退、水進(jìn)過程。

5　烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)

以生烴潛量PG值作為烴源巖豐度等級(jí)評(píng)價(jià)的劃分依據(jù)， 即分別以PG等于0.6、 2.0、 6.0和20.0mg/g將烴源巖等級(jí)分為“差”、“中等”、“好”和“很好”等，并將“很好”級(jí)烴源巖確定為優(yōu)質(zhì)烴源巖[30]。依此對(duì)應(yīng)的TOC值建立本區(qū)烴源巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(圖4、表1)。

圖4　烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)圖板

指標(biāo)非生油巖生油巖類型差中等好很好PGmg/g<0．60．6～2．02．0～6．06．0～20．0>20．0TOC%<0．10．1～0．450．45～1．01．0～3．0>3．0

依照烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，研究區(qū)沙三段烴源巖實(shí)測TOC值以大于2.0%為主，預(yù)測TOC平均值為2.89%～3.84%，有機(jī)質(zhì)豐度高，烴源巖以“好”級(jí)為主，“很好”和“好”級(jí)均有發(fā)育，生烴潛力最大；沙二段烴源巖“很好”和“好”級(jí)均有發(fā)育，但實(shí)測TOC值主體為1.0%～2.0%，預(yù)測TOC平均值為2.40%～2.66%，相對(duì)沙三段有機(jī)質(zhì)豐度低，烴源巖屬“好”級(jí)；沙一段烴源巖實(shí)測TOC值分布范圍較大，預(yù)測TOC平均值為1.48%～2.44%，烴源巖總體為“好”級(jí)，但差于沙二段；東三段預(yù)測TOC均值為0.95%～1.17%，烴源巖主要為“中等—差”級(jí)(圖5)。

圖5　烴源巖實(shí)測TOC值分布直方圖

綜合烴源巖預(yù)測結(jié)果，研究區(qū)各層段隨地層由老到新有機(jī)質(zhì)豐度逐漸降低，沙三段烴源巖為“很好”級(jí)，沙一段及沙二段烴源巖為“好”級(jí)，東三段烴源巖為“中等—差”級(jí)。

6　有機(jī)碳平面分布特征

基于前述的各項(xiàng)工作，結(jié)合烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度實(shí)測數(shù)值、預(yù)測數(shù)值及沉積相展布等資料，利用盆地模擬繪制烴源巖TOC值等值線圖(圖6)。

6.1　沙三段烴源巖TOC值分布特征

與渤海灣盆地其他地區(qū)一樣，沙三段是本區(qū)最為重要的烴源巖層系。沙三段具有高TOC值的特征，平面上呈現(xiàn)兩個(gè)高值區(qū)。第一個(gè)高值區(qū)靠近萊北低凸起，是TOC值最高的部位(TOC值最高大于4%)，TOC值呈環(huán)帶狀分布，反映了沉積時(shí)期的古地理環(huán)境。沙三段古地理環(huán)境恢復(fù)表明，在地史期間古河流由東南向西北方向流動(dòng)，在K-b井東南方向發(fā)育辮狀河三角洲相，在其西北方向發(fā)育濱淺湖—半深湖相，因而該區(qū)有機(jī)質(zhì)具有環(huán)帶狀分布特征，且該部位在地史時(shí)期深度最大，故具有最高的TOC值。另一個(gè)高值區(qū)位于研究區(qū)南部(靠近K-c井)，TOC值最大可超過2%，在地史時(shí)期該部位水體深度也較大。整體上看，研究區(qū)沙三段TOC值分布呈現(xiàn)東西低、中心高的特點(diǎn)(圖6a)。

6.2　沙二段烴源巖TOC值分布特征

受構(gòu)造遷移作用影響，沙二段TOC值分布特點(diǎn)與沙三段相比有較大變化，共發(fā)育四個(gè)TOC值高值區(qū)。原西北方向的高值區(qū)范圍萎縮，TOC最大值達(dá)到4%，但其分布范圍較沙三段大幅度縮減。原東南方向高值區(qū)擴(kuò)大，TOC最大值達(dá)4%。此外，K-a井和研究區(qū)東北角附近也發(fā)育兩個(gè)TOC高值區(qū)，最大可達(dá)4%(圖6b)。

6.3　沙一段烴源巖TOC值分布特征

隨構(gòu)造遷移作用增強(qiáng)，研究區(qū)在沙一段沉積期發(fā)生構(gòu)造抬升，沉積水體變淺。該階段TOC高值區(qū)范圍呈繼承性萎縮，洼陷東、西兩側(cè)及南部的高值區(qū)面積縮小，TOC最大值約為3%。原北部高值區(qū)范圍嚴(yán)重萎縮，TOC值僅在局部達(dá)到3%。整體上沙一段TOC值分布呈中間狹長地帶較高、向東西兩側(cè)逐漸降低的特征(圖6c)。

6.4　東三段烴源巖TOC值分布特征

東三段TOC值繼承了沙一段的特征，閉合的高值區(qū)消失，TOC值沿洼陷走向呈狹長分布特征，且TOC最大值約為1.5%(圖6d)。

綜上所述，一方面，在早期TOC值的一個(gè)高值帶分布于洼陷沉積中心，到后期受構(gòu)造遷移和抬升作用影響，TOC值高值帶向四周擴(kuò)散、高值降低、直至閉合狀高值帶消失；另一方面，TOC值的空間分布表現(xiàn)為隨時(shí)間由老到新有機(jī)質(zhì)豐度逐漸降低的特點(diǎn)，因此沙三段為主要烴源巖。

圖6　萊州灣東北洼烴源巖TOC值等值線圖

7　結(jié)束語

在地層變化快、非均質(zhì)性強(qiáng)的邊緣凹陷的烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度預(yù)測中，基于△logR法的測井預(yù)測法和地震屬性預(yù)測法存在局限性。

文中結(jié)合電阻率、聲波時(shí)差和密度等測井曲線與實(shí)測TOC值，采用三元二次最小二乘法進(jìn)行曲面擬合預(yù)測烴源巖TOC值，在渤海灣盆地萊州灣東北洼烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度預(yù)測中取得了較好的預(yù)測效果。預(yù)測結(jié)果表明：TOC值分布由早期的洼陷沉積中心的一個(gè)高值帶，到后期隨構(gòu)造遷移和抬升作用影響，高值帶向四周擴(kuò)散、高值降低、直至閉合狀高值帶消失的特征；TOC值的空間分布表現(xiàn)為隨時(shí)間由老到新有機(jī)質(zhì)豐度逐漸降低的特點(diǎn)，因此沙三段為主要烴源巖。

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