綜合有機地球化學和測井信息的烴源巖地震評價
——以遼中凹陷沙三段為例

侯慶杰 金 強 吳 奎 張如才 端木瀟瀟 洪國郎

(①中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，山東青島 266580；②中海石油(中國)有限公司天津分公司勘探開發(fā)研究院，天津 300452)

1 引言

烴源巖有機碳含量(TOC)和厚度是評價烴源巖的重要參數(shù)，也是預測油氣資源的基本指標[1-5]。通過采集巖心或巖屑樣品分析TOC、有機質類型、成熟度等信息，已經(jīng)形成了成熟的烴源巖評價指標和評價方法[6-11]。上述方法在鉆井較多、勘探程度較高地區(qū)獲得了較好的效果。在海域或勘探程度較低的油氣探區(qū)，鉆井及取心資料少、且多位于構造高部位，以有限的分析樣品代表整個評價層段和區(qū)域，忽略了烴源巖分布的非均質性，使預測結果與實際情況有很大偏差，有時還可能得到錯誤的結論[12-14]。本文探索了充分利用海域油氣探區(qū)深層地震資料豐富的優(yōu)勢，建立了一種綜合有機地球化學和測井信息的烴源巖地震評價方法。運用烴源巖有機地球化學與測井資料建立烴源巖測井評價模型獲得單井連續(xù)分布的烴源巖TOC等數(shù)據(jù)，并將結果標定到地震相、地震反演剖面及地震屬性上，獲得烴源巖分布范圍、厚度和TOC等信息，從而預測少井或無井油氣探區(qū)烴源巖分布情況。

遼中凹陷經(jīng)過多年的石油地質研究和勘探實踐，已證實古近系東營組中、下部及沙河街組發(fā)育的厚層暗色泥頁巖是凹陷的主力烴源巖[15-17]。遼中凹陷沙一段及以上層段取心資料豐富，利用地球化學和測井信息已完成了烴源巖相關參數(shù)評價；對深層沙三段及沙四段研究相對薄弱，鉆遇沙三段的井僅18口。遼中凹陷的面積近4300km2，僅利用常規(guī)地球化學和測井資料評價烴源巖的方法已難以滿足高精度儲層評價的要求。利用遼中凹陷覆蓋全區(qū)的三維地震資料，通過建立綜合有機地球化學和測井信息的烴源巖地震評價方法預測深層烴源巖發(fā)育相帶，為下一步對遼中凹陷鄰近含油氣構造成藏理論分析奠定基礎。

2 烴源巖發(fā)育背景及地化特征分析

遼東灣坳陷位于渤海灣盆地東北部海域，屬于發(fā)育在華北克拉通上的裂陷盆地，東、西分別與膠遼隆起和燕山褶皺帶相鄰，南、北分別與渤中坳陷和遼河斷陷接壤。遼東灣坳陷共包含“三凹兩凸”共5個次級構造單元，其中遼中凹陷面積最大，埋深也最大，為遼東灣坳陷規(guī)模最大的生烴凹陷，并可進一步劃分為遼中北洼(B1)、遼中中洼(B2)和遼中南洼(B3)三個次一級洼陷(圖1)[18-20]。

遼中凹陷在沙三段(Es3)沉積時處于古新世—始新世中期的伸展裂陷Ⅱ幕階段，為快速斷陷期。該時期地殼拉張加劇，水域面積增大，統(tǒng)一湖盆基本形成，物源充足，具近源和短源特點。沉積相以淺湖、半深湖為主，湖盆邊緣發(fā)育辮狀河三角洲，局部區(qū)域(如邊界斷層的下降盤)發(fā)育近岸水下扇[21]。遼東凸起和遼西低凸起是遼中凹陷沉積的主要物源，導致部分近源地區(qū)高等植物來源較多，但穩(wěn)定的深湖區(qū)受陸源輸入影響較小，故有機質類型主要為Ⅱ型，含少量Ⅰ型和Ⅲ型[22，23]。

遼中凹陷Es3整體較厚，局部區(qū)域如遼中凹陷北部洼陷中心部分，地層厚度達1000m以上。為了便于精確分析烴源巖的分布情況，將Es3劃分為上(Es3U)、中(Es3M)和下(Es3L)三個亞段，其中烴源巖主要分布在Es3M和Es3L，為本次研究的重點層段。根據(jù)6口典型井的熱模擬、元素及顯微組分等地化分析數(shù)據(jù)(圖2)可知，Es3M和Es3L烴源巖豐度均較高，TOC值多處于1%～4%范圍內； O/C值范圍為0.05～0.23，H/C值范圍為0.8～1.4，殼質組含量范圍為48%～87%，腐泥組含量范圍為3%～44%，鏡質組+惰質組含量范圍為5%～30%，T指數(shù)范圍為11.5～62.5，均表明有機質類型主要為Ⅱ1和Ⅱ2型，反映有機質多為混合型來源。此外，Es3M烴源巖鏡質體反射率R0多分布于0.7%～1.1%，Es3L 烴源巖的R0主要分布于0.9%～1.3%，反映成熟—高成熟熱演化階段，均已處于生烴高峰期。因此，Es3M烴源巖品質稍優(yōu)于Es3L。

圖2 遼中凹陷Es3烴源巖特征

3 烴源巖測井預測模型建立

選取遼中凹陷6口典型井的162個樣品的地化和測井資料，發(fā)現(xiàn)測井響應特征總體體現(xiàn)為“三高一低”的特點，即高自然伽馬(GR>105API)、高聲波時差(AC>90μs/ft)、高電阻率(RT>2.8Ω·m)和低密度(DEN<2.5g/cm3)。利用自然伽馬去除非泥巖層，采用Passey等[24]的TOC定量測井評價技術優(yōu)選電阻率和聲波時差測井參數(shù)，并利用改進后的ΔlgR公式[6, 25]計算TOC值

TOC=algRT+bAC+c

(1)

通過系統(tǒng)分析研究區(qū)的采集樣品，采用最小二乘法擬合獲得a、b、c等常數(shù)。

利用研究區(qū)熱模擬TOC值與測井參數(shù)AC及RT標準化值進行擬合，分別建立了遼中凹陷Es3M及Es3L的TOC測井預測模型

TOC(Es3M)=0.11AC+3.27lgRT-9.95

(2)

TOC(Es3L)=0.07AC+2.59lgRT-6.06

(3)

獲取非連續(xù)取心井的烴源巖TOC值，并判斷相應烴源巖厚度等評價參數(shù)。該參數(shù)與實驗室分析化驗數(shù)據(jù)具有較高一致性(圖3)。

圖3 遼中凹陷Es3M(左)及Es3L(右)TOC實測值與預測值相關圖

4 烴源巖的地震識別與評價

4.1 由烴源巖的地震相特征定性識別烴源巖邊界

按地震地層學及層序地層學的觀點，以地震相和沉積相模式為指導，對比借鑒中、淺層沉積相單元與地震反射結構的對應關系，結合測井資料解釋成果，進而確定研究區(qū)烴源巖的地震反射特征。

根據(jù)前人的沉積相研究成果，遼中凹陷三個洼陷中心均為深湖—半深湖相沉積，發(fā)育中等—優(yōu)質烴源巖；向兩側凸起和斜坡處延伸，沉積相過渡至濱、淺湖和近岸水下扇沉積，烴源巖與地層的厚度比降低。根據(jù)單井烴源巖地震相標定，認為湖泊相泥質烴源巖表現(xiàn)為低頻、連續(xù)和強振幅的典型地震相特征[26，27]。由遼中北洼主測線AA′剖面(圖4上)可見：T5和T6分別為Es3頂、底，洼陷中心在縱向呈三種地震相特征，中間部分為低頻、連續(xù)、強振幅和平行—亞平行反射結構(Ⅰ類地震相特征)，對應烴源巖TOC值多大于2%，為低能靜水還原環(huán)境下沉積的富含有機質的泥巖類；上、下部分為中低頻、較連續(xù)以及中強振幅(Ⅱ類地震相特征)，對應烴源巖TOC值多為0.5%～2%，反映了沉積相由淺湖相至深湖—半深湖相再到淺湖相的變化。由遼中中洼主測線BB′剖面(圖4下)可見，由洼陷中心向洼陷兩側，地震相特征由低頻、連續(xù)、強振幅逐漸過渡至中頻、較連續(xù)和弱振幅，反映沉積相轉變?yōu)闉I淺湖和近岸水下扇，水體能量增加，砂巖比率增加，烴源巖TOC值多小于0.5%。綜上所述，遼中凹陷烴源巖主要分布在Ⅰ類和Ⅱ類地震相范圍內。

利用地震相特征可定性識別剖面上烴源巖的邊界，進一步確定烴源巖在平面上的分布范圍，還可粗略估計烴源巖厚度。但是由于地震資料的縱向分辨率低，地震相解釋結果具有主觀性。因此，僅僅利用地震相特征難以定量計算烴源巖的厚度。

圖4 遼中凹陷主測線AA′剖面(上)、BB′剖面(下)(剖面位置見圖1)

4.2 由烴源巖的波阻抗半定量反演烴源巖厚度

由地震反演得到的波阻抗參數(shù)可以反映巖性差異[28-31]，本文采用疊后多井約束稀疏脈沖反演方法預測烴源巖。對比遼中凹陷18口取心井的83個烴源巖樣品與64個非烴源巖樣品的波阻抗反演數(shù)據(jù)并分析其巖石物理特性，由烴源巖、非烴源巖的密度—波阻抗交會圖(圖5)可知，烴源巖落在波阻抗小于7200g·cm-3·m·s-1、密度為2.26～2.41g·cm-3的范圍內，非烴源巖落在波阻抗大于7200g·cm-3·m·s-1、密度為2.31～2.51g·cm-3的范圍內，兩者重合部分(波阻抗數(shù)據(jù)無法識別烴源巖的部分)共12個樣品，占烴源巖總樣品數(shù)的14.5%，在誤差允許范圍內。因此，根據(jù)波阻抗反演剖面去除波阻抗大于7200g·cm-3·m·s-1的部分，便可識別主測線任一CDP線下某一深度段內的烴源巖厚度，進而確定該CDP線對應平面烴源巖的厚度。

圖5 烴源巖、非烴源巖的密度—波阻抗交會圖

圖6為遼中凹陷主測線CC′波阻抗反演剖面。由圖可見，烴源巖表現(xiàn)為藍/綠色等冷色調，非烴源巖表現(xiàn)為紅/黃色等暖色調，在剖面上可清晰地分辨烴源巖層和非烴源巖層。以縱向CDP線Z1為例，依據(jù)烴源巖的波阻抗特征，在Z1線上共識別出Es3的5個小烴源巖層，其中累積烴源巖厚度占總地層厚度的45%。結合CC′剖面的時深轉換關系，計算出Z1線Es3M累積烴源巖厚度為272m，Es3L累積烴源巖厚度為90m。與利用地震相識別烴源巖的方法相比，波阻抗反演將烴源巖識別半定量化，分辨率得到提高，降低了主觀識別烴源巖帶來的誤差，進一步提高了識別精度。

4.3 地震屬性預測模型定量計算烴源巖TOC值

地震屬性指的是那些由疊前或疊后地震數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)學變換而得出的有關地震波的幾何學、運動學、動力學或統(tǒng)計學特征。巖性、物性和充填在其中的流體性質等因素的空間變化，都會造成地震波速度、振幅、頻率等相應的變化[12]。通過反復對比發(fā)現(xiàn)，烴源巖與非烴源巖在地震屬性特征上存在明顯差異，部分屬性與烴源巖TOC之間具有很強的相關性[32]。

按剖面從遼中凹陷地震資料中提取振幅類、頻率類和能量類等12種地震屬性，每一種地震屬性的任一值都對應唯一坐標(x,y)，根據(jù)該地區(qū)時深轉換關系，即可確定某一深度對應的屬性值。建立烴源巖地震屬性預測模型的具體方法為：

(1)利用烴源巖典型波阻抗特征剔除剖面上的非烴源巖部分。

(2)地震屬性歸一化預處理。由于多信息TOC值預測的地震屬性數(shù)據(jù)量大，屬性之間量綱不統(tǒng)一，數(shù)量級差別大，局部異常往往淹沒在區(qū)域背景上，還存在一些離群異常數(shù)值等問題。在做TOC值預測之前，必須對地震屬性參數(shù)進行歸一化等預處理，具體方法為：設樣本數(shù)據(jù)為Xp(p=1,2,…,p)，定義樣本數(shù)據(jù)中最大值Xmax=max{Xp}，樣本數(shù)據(jù)最小值Xmin=min{Xp}，樣本數(shù)據(jù)歸一化值為Xp'，有

(4)

即按式(4)進行歸一化處理，將樣本數(shù)據(jù)轉化為0～1之間的數(shù)據(jù)。

(3)優(yōu)選地震屬性參數(shù)。將歸一化處理的地震屬性數(shù)據(jù)，依據(jù)

(5)

(4)擬合建立TOC定量預測模型。利用步驟(1)～步驟(3)優(yōu)選歸一化后的地震屬性參數(shù)， 結合單井地球化學—測井數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到遼中凹陷Es3烴源巖TOC定量預測模型

表1 遼中凹陷烴源巖TOC值與地震屬性相關系數(shù)

TOC= 5.44-3.43X1-3.08X2-2.88X3+

1.07X4

(6)

式中：X1為平均光滑反射強度；X2為均方根振幅；X3為平均瞬時頻率；X4為平均瞬時相位。

確定主測線剖面任一CDP下固定深度段平均TOC值，需要對段內烴源巖小層劃分。假定小層內TOC值均一、有機質類型相同、成熟度相似，則通過對各單層進行加權平均求得任一CDP下整個深度段平面平均TOC值

(7)

式中：hi為第i小層烴源巖的厚度值； TOCi為第i小層的平均TOC值；H為固定深度段烴源巖總厚度。段內小層數(shù)劃分越多，預測TOC值精度越高。

4.4 抽稀井檢驗

將上述方法得到的烴源巖TOC和厚度值與鉆井資料的實際值進行對比(圖7)，發(fā)現(xiàn)兩者的相對誤差平均值分別為9.56%和10.06%(表2)，對盆地勘探部署提供了較為準確的信息。

圖7 遼中凹陷烴源巖厚度和TOC實測值與預測值相關圖

井名深度/m層位烴源巖厚度烴源巖TOC預測厚度m鉆井厚度m相對誤差%預測TOC%鉆井TOC%相對誤差%P1-32246～2783Es3M2962776.81.751.684.2P2-22396～2547Es3M4953-7.50.510.5710.5P7-13084～3192Es3M104122-14.81.781.5912.0P8-12946～3025Es3M574916.30.920.858.2P8-22882～2945Es3M3941-4.90.270.31-12.9P1-32783～3036Es3L1171097.31.761.712.9

5 遼中凹陷沙三段烴源巖預測

利用研究區(qū)43條主測線地震數(shù)據(jù)和18口鉆井的測井及地化資料，運用綜合有機地球化學和測井信息的烴源巖地震評價法分別對遼中凹陷Es3M和Es3L的烴源巖TOC與厚度進行預測。圖8為Es3烴源巖厚度和TOC平面等值線圖。由圖可見，總體上，兩個亞段烴源巖主要分布在凹陷深洼處，呈NNE走向，兩側凸起及斜坡帶處烴源巖厚度小(圖8a、圖8b)，TOC值小(圖8c、圖8d)。具體為：①遼中凹陷Es3L處于第一快速斷陷初期，湖盆初步形成，南北開始連片，但與遼西凹陷分隔依舊明顯，共發(fā)育三個生烴中心，由北至南依次為遼中北洼、遼中中洼和遼中南洼。其中遼中北洼和遼中中洼烴源灶品質均較好且無明顯差異，TOC值多為1.5%～2.7%，烴源巖厚度為100～262m，遼中南洼烴源灶品質相對較差，TOC值最大為1.7%，烴源巖厚度均小于200m(圖8b、圖8d)。②遼中凹陷Es3M處于第一快速斷陷中后期，構造沉降持續(xù)大于沉積供給，可容納空間充足，造成沉積區(qū)規(guī)模進一步擴大，遼中北洼開始與遼西凹陷擴展聯(lián)合。生烴中心繼承了Es3L的分布格局，烴源灶發(fā)育程度整體提升，但南北分異性遠大于Es3L，其中遼中北洼烴源巖厚度最大達372m，TOC值多為2%～2.7%，往西南方向延伸，烴源巖TOC值和厚度逐漸變小，其中遼中中洼厚度多為200～300m，僅鄰近遼東凸起的深洼處厚度達313m，TOC值多為1.7%～2.4%；遼中南洼由于受扇三角洲和辮狀河三角洲的影響，水體相對動蕩，烴源灶品質較差，TOC值均在2.0%以下，烴源巖厚度均小于200m(圖8a、圖8c)。

6 結束語

(1)利用TOC、干酪根類型、成熟度以及地球化學等信息，結合自然伽馬、聲波時差、電阻率和密度等測井參數(shù)，運用改進后的ΔlgR公式擬合出適用于研究區(qū)的TOC測井評價公式，預測TOC值與實測值具有較好一致性，可以準確獲取非連續(xù)取心井的烴源巖TOC值并判斷相應烴源巖厚度等評價參數(shù)。

(2)利用鉆井資料標定遼中凹陷烴源巖地震相和地震反演剖面，認為烴源巖典型地震相特征為低頻、連續(xù)和強反射，其波阻抗反演參數(shù)小于7200g·cm-3·m·s-1。因此，地震相分析和波阻抗反演兩種方法均可確定烴源巖的分布范圍和厚度，但后者與前者相比，分辨率相對提高，降低了主觀識別烴源巖帶來的誤差，進一步提高了識別精度。

(3)在確定烴源巖厚度的基礎上，優(yōu)選平均光滑反射強度、均方根振幅、平均瞬時頻率和平均瞬時相位等4種與TOC值變化相關度高的地震屬性，建立地震屬性計算TOC的經(jīng)驗公式，并預測烴源巖平面分布趨勢，增加了預測參數(shù)的橫向連續(xù)性。經(jīng)抽稀井檢驗，與鉆井計算值相對誤差小于17%。

(4)利用本文所述的綜合有機地球化學和測井信息的烴源巖地震評價方法，預測了遼中凹陷3個洼陷的烴源巖厚度和TOC平面分布，認為厚度較大的烴源巖分布在遼中北洼和遼中中洼，為該區(qū)主力烴源灶，沙三中亞段烴源巖TOC、厚度以及分布范圍均優(yōu)于沙三下亞段。該成果在油田勘探開發(fā)進程中取得了較好的效果。