烴源巖有機質(zhì)豐度預測的地球物理研究進展

秦建強,付德亮,2,3,錢亞芳,楊 甫,2,田 濤,2

(1.陜西省煤田地質(zhì)集團有限公司,陜西西安710021;2.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室,陜西西安710021;3.成都理工大學能源學院,四川成都610059;4.中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第三采氣廠,內(nèi)蒙古烏審旗017300)

石油天然氣地質(zhì)學發(fā)展到今天,油氣有機成因理論始終處于主導地位,這就決定了有機質(zhì)豐度成為烴源巖評價的核心參數(shù)[1-3]。有機質(zhì)豐度的確定對認識各類烴源巖的生烴潛力、儲層產(chǎn)能潛力預測等工作具有重要意義[4-5]。近年來,以自生自儲為特征的頁巖油、氣勘探開發(fā)迅速發(fā)展,由于頁巖油、氣的富集很大程度上決定于頁巖有機質(zhì)豐度特征[6-9],因此,準確評價烴源巖中有機質(zhì)豐度越來越受到油氣勘探工作者的重視。有機質(zhì)不僅是直接生成油氣資源的母質(zhì),同時也是油氣吸附及存儲的重要介質(zhì)[10-11]。

最直接可靠地獲取烴源巖中有機質(zhì)豐度的方法是采用燃燒法進行樣品地球化學分析,這涉及到鉆井、取樣、室內(nèi)分析檢測等過程,大范圍應用成本巨大,時間周期長,難以實現(xiàn)連續(xù)表征有機質(zhì)豐度參數(shù),并且中間過程因為隨機采樣等因素而導致樣品分布不均[12-14]。因此,地球化學分析往往局限在小范圍的初步勘探評價工作,在規(guī)?；蜌饪碧介_發(fā)評價工作中應用范圍有限。

有機質(zhì)豐度在自然伽馬、密度、聲波時差、電阻率、中子孔隙度等地球物理測井參數(shù)上有一定的反映[14-22]。據(jù)此,20世紀40年代起,已有學者開始利用自然伽馬與有機質(zhì)相關現(xiàn)象探索有機質(zhì)特征[23]。經(jīng)過近40年的發(fā)展,逐步建立了一系列定量評價有機質(zhì)豐度的方法。1979年研究人員采用ΔlogR法實現(xiàn)了烴源巖有機質(zhì)豐度的定量預測;1981年,SCHMOKER等[18]通過分析自然伽馬曲線與有機質(zhì)豐度之間的關系,為自然伽馬法預測烴源巖有機質(zhì)豐度奠定了基礎;隨后SCHMOKER[17,24]有關地層密度與烴源巖有機質(zhì)豐度關系的研究也成為重要的預測方法;MENDELZON等[15]嘗試建立了多元回歸法預測有機質(zhì)豐度。我國學者也對此做了諸多探索,包括利用電測井資料確定烴源巖有機質(zhì)成熟度[25]、碳酸鹽巖烴源巖有機質(zhì)豐度的測井評價[26]等。另外,近年來利用地震資料定量反演烴源巖有機質(zhì)豐度也取得了較好的成果[27-29]。

測井及地震勘探等方法因為其在縱向單井以及研究區(qū)域面上具有連續(xù)特性,同時能夠進行原位預測,因而在大規(guī)模油氣勘探開發(fā)的有機質(zhì)豐度預測工作中得到了廣泛應用。本文分析了大量的文獻資料,在總結地球物理方法預測有機質(zhì)豐度方法理論基礎上,對近年來應用較為廣泛的ΔlogR法、體積密度測井法、自然伽馬測井法、多元線性回歸法以及地震多屬性反演法等方法原理進行概要分述,并對不同模型的適用性及其優(yōu)勢和不足進行了分析。

1 方法理論基礎

烴源巖表現(xiàn)在地球物理方面的一些特有性質(zhì)是預測其有機質(zhì)豐度的理論基礎。通常情況下,測井曲線表現(xiàn)出高自然伽馬、高鈾(U)、低釷(Th)、高電阻率、高聲波時差、高中子孔隙度、低密度等特征[30-32],地震波則表現(xiàn)出空間可追蹤的低頻連續(xù)反射的特征[14,27]。

自然伽馬測井測量了井內(nèi)放射性同位素衰變過程中產(chǎn)生的伽馬射線強度值,該值與地層當中放射性同位素含量密切相關,由于有機質(zhì)尤其是腐殖質(zhì)對鈾元素的強吸附作用,因而烴源巖自然伽馬測井值會顯著高于其它地層的自然伽馬測井值[33]。有機質(zhì)往往富集于還原環(huán)境中,而鈾和釷均是氧化還原環(huán)境敏感元素,一般情況下,鈾富集于還原條件而釷會在氧化環(huán)境中富集,因此烴源巖伽馬能譜測井顯示出高鈾、低釷特征[34]。烴源巖中的高電阻率特征是由于有機質(zhì)本身導電性差造成的,尤其是處于生烴高峰期時,賦存于有機質(zhì)孔隙中的油、氣會進一步降低其導電性[16],有機質(zhì)本身因為具有較低的聲波傳播速度,因此烴源巖會表現(xiàn)出較高的聲波時差特征[35]。中子孔隙度測井是井內(nèi)巖石氫指數(shù)的直接反應,有機質(zhì)中往往富含較高的氫原子,因此會表現(xiàn)高中子孔隙度特征[36]。烴源巖中有機質(zhì)密度較低,一般介于1.0～1.1g/cm3,而與之共生的圍巖基質(zhì)密度一般介于2.3～3.1g/cm3,因此有機質(zhì)豐度越高,密度越低,密度測井會表現(xiàn)出明顯的低異常[17]。

測井方法預測烴源巖有機質(zhì)豐度正是基于以上特征,結合地球化學實測數(shù)據(jù),建立相關數(shù)理方程,進而實現(xiàn)有機質(zhì)豐度的預測。但是因為受沉積物源及環(huán)境、地層巖性、成巖作用、地層流體性質(zhì)、礦物成分、構造地質(zhì)條件等諸多因素的影響[37],上述特征并非一成不變,往往會因為某些地質(zhì)因素的變化而發(fā)生一些特殊變化,所以,我們在數(shù)據(jù)處理過程中要尤其謹慎。

地層密度是影響地震波傳播的最敏感的因素之一,其變化會直接反映地震波阻抗的變化,據(jù)此可以實現(xiàn)烴源巖空間展布特征的預測[28]。利用疊前密度反演的方法,結合有機質(zhì)豐度與地層密度相關關系,便可實現(xiàn)空間上的有機質(zhì)豐度預測。

基于上述原理,研究人員從不同角度建立了多種烴源巖有機質(zhì)豐度的地球物理預測方法,常見的有ΔlogR法、地層體積密度測井法、自然伽馬測井法、多元線性回歸法、地震多屬性反演法等,各種方法的基本原理及適用范圍見表1。

表1 不同方法預測烴源巖有機質(zhì)豐度原理及適用性

2 預測方法

2.1 聲波時差-電阻率重疊法(ΔlogR法)

利用聲波時差與電阻率在不同地層中的響應特征,PASSEY等[16]建立了一套經(jīng)典的計算烴源巖中有機質(zhì)豐度的方法,該方法得到了廣泛應用。在貧有機質(zhì)富水地層中,聲波時差值低,電阻率值也低,這兩條曲線互相平行并疊加;而在富有機質(zhì)烴源巖地層中,聲波時差值高,電阻率值也高,這兩條曲線發(fā)生分離(圖1)。該方法將聲波時差曲線縮放處理并將電阻率曲線與之進行反向疊加,然后計算有機質(zhì)豐度:

(1)

TOC=ΔlogR×102.297-0.1688×LOM+ΔTOC

(2)

式中:R為電阻率;Δt為聲波時差;Rbaseline和Δtbaseline分別指基線上對應的電阻率和聲波時差值;TOC為有機質(zhì)豐度;ΔTOC為背景值;LOM為熱成熟度參數(shù),反映有機質(zhì)熱演化程度。

由于聲波時差曲線對低密度、低速干酪根的響應和電阻率曲線對地層流體的響應表現(xiàn)出顯著異常,因此ΔlogR法計算過程中可以通過聲波時差曲線和電阻率曲線的疊合而避免孔隙度對TOC測井響應的干擾,從而準確預測TOC[16]。但是,由于該計算方法假設基線對應地層不含有機質(zhì),這顯然與事實不符,因此在一定程度上計算結果會存在偏差。另外,該模型基于正常壓實的海相沉積背景建立,對于一些陸相沉積的烴源巖并不完全適用[38]。此外對于構造條件復雜、熱演化程度較高的海相烴源巖,該方法的應用效果也不甚理想[39]。

為此,針對不同的地質(zhì)背景,人們對此方法進行了多種變形和改進,胡慧婷等[12]針對陸相深層烴源巖低孔隙度和低電阻率的特征,利用自然伽馬曲線代替?zhèn)鹘y(tǒng)模型中的LOM參數(shù),建立了基于自然伽馬、聲波時差和電阻率三參數(shù)的廣義ΔlogR模型。陳海峰等[40]就烴源巖測井評價參數(shù)通用性較差的問題,將ΔlogR中的經(jīng)驗參數(shù)視為待定系數(shù),采用變系數(shù)ΔlogR法對海拉爾盆地烏爾遜凹陷南一段烴源巖有機質(zhì)豐度進行了評價。許娟娟等[41]在對長嶺斷陷龍鳳山次凹下白堊統(tǒng)烴源巖工作中發(fā)現(xiàn),烴源巖層段異常點的去除,能夠有效改善ΔlogR法的計算精度。

圖1 ΔlogR法解釋烴源巖地層示意[16]

2.2 地層體積密度測井法

地層體積密度測井法是基于烴源巖中有機質(zhì)密度為1.0～1.1g/cm3而圍巖密度介于2.3～3.1g/cm3,因而地層密度會隨有機質(zhì)含量的變化呈現(xiàn)出一定的線性規(guī)律[17,42]:

(3)

式中:A和B均為與區(qū)域地質(zhì)條件相關的經(jīng)驗參數(shù),可以利用最小二乘法求取;ρ為巖石密度值。

該方法具有應用簡易、相關性高等優(yōu)勢,只要通過巖心數(shù)據(jù)分析獲取目標區(qū)域有機質(zhì)豐度與地層巖石密度的線性關系(圖2),根據(jù)密度測井值即可預測目標區(qū)域的有機質(zhì)豐度。該方法已在眾多含油氣盆地中獲得了較好的應用效果[24,42-43]。但是,如果烴源巖中重礦物含量較多,則會對該方法的適用性產(chǎn)生一定影響,尤其是與有機質(zhì)相關性較高的黃鐵礦等礦物,有必要在應用過程中加以校正;此外孔隙流體因為其密度值近似于有機質(zhì)密度,也可能導致計算結果比實際值大[43-45]。

圖2 焦石壩氣田Y1井頁巖氣儲層巖心分析密度與TOC關系[42]

需著重指出的是,在各種地球物理測井參數(shù)中,地層密度測井與地震波阻抗、振幅、頻率等參數(shù)存在很好的線性關系,因此體積密度測井法在有機質(zhì)豐度的平面預測方面具有獨特的優(yōu)勢,該方法也是目前實現(xiàn)有機質(zhì)豐度平面預測最可靠的方法。王健等[46]采用該方法對四川盆地涪陵地區(qū)有機質(zhì)豐度進行了擬合計算,并實現(xiàn)了研究區(qū)有機質(zhì)豐度的平面預測(圖3),相關性良好。

圖3 涪陵地區(qū)頁巖目的層一段平均TOC分布[46]

2.3 自然伽馬測井法

自然伽馬測井可以對地層中放射性元素產(chǎn)生的伽馬射線進行定量分析。伽馬射線強度與放射性元素豐度密切相關,而有機質(zhì)在沉積成巖過程中會對鈾起到還原和吸附作用,進而使其富集[47],因此有機質(zhì)豐度與伽馬測井值呈良好的正相關關系,據(jù)此可以通過地層自然伽馬測井值計算其有機質(zhì)豐度[23]。陳中紅等[34]研究了東營凹陷古近系沙河街組沙三段的自然伽馬測井曲線,指出鈾與有機質(zhì)豐度存在良好相關性(圖4);SCHMOKER[18]研究了Devonian頁巖,對其TOC與自然伽馬測井曲線之間的線性關系進行了分析,認為某一區(qū)域內(nèi)的自然伽馬與地層密度存在線性關系,其斜率(A)定義為:

(4)

式中:γ為自然伽馬值;ρ為地層密度;γB和ρB分別為區(qū)域地層中不含有機質(zhì)條件下的自然伽馬值和地層密度。求取地層有機質(zhì)的體積分數(shù)Φo[17]:

(5)

因此可以得到:

(6)

自然伽馬值還會因為沉積物源、沉積巖粒度、沉積環(huán)境、水動力條件等因素的變化而發(fā)生改變[48],因此在應用過程中需要對相關問題進行深入鑒別和分析。陳增智等[26]在利用自然伽馬測井法預測陜甘寧盆地不同構造單元內(nèi)下古生界碳酸鹽巖烴源巖有機質(zhì)豐度時發(fā)現(xiàn),沉積成巖作用和有機質(zhì)演化以及泥質(zhì)含量等因素均會對有機質(zhì)豐度產(chǎn)生顯著影響。王勝建等[49]在對柴達木盆地柴頁1井的測井資料進行分析評價時發(fā)現(xiàn),目的層段由于鈣質(zhì)含量較高,并且夾有煤層,自然伽馬測井值偏低,不宜用于計算有機質(zhì)豐度。

圖4 東營凹陷古近系沙河街組沙三段鈾含量與有機質(zhì)豐度關系[34]

2.4 多元線性回歸法

有機質(zhì)豐度與多種地球物理測井參數(shù)之間均有一定的關聯(lián)性,因此可以采用多測井參數(shù)共同控制下的數(shù)理方程實現(xiàn)有機質(zhì)豐度預測,該方法便是測井參數(shù)的多元線性回歸法。MENDELZON等[15]指出,多元回歸方程的預測結果一般情況下會比單因素分析方法更可靠。多元回歸方程基于各數(shù)據(jù)集的相關矩陣計算獲得,其一般形式是:

(7)

式中:A0和Ai均是與區(qū)域地質(zhì)條件相關的回歸系數(shù);Xi為與Ai對應的測井值,此時Ai可以反映Xi對應測井參數(shù)對有機質(zhì)豐度的貢獻程度及相關性。A0和Ai可以結合TOC數(shù)據(jù)通過最小二乘法計算獲得。

對比多元線性回歸法與經(jīng)典的ΔlogR法的應用結果發(fā)現(xiàn),在某些情況下多元線性回歸法的預測結果的擬合度更高,并且與實際測試結果更相符(表2)[20,50]。王濡岳等[39]對貴州岑鞏區(qū)塊牛蹄塘組頁巖進行多元線性回歸分析發(fā)現(xiàn),自然伽馬、鈾含量、聲波時差等參數(shù)與有機質(zhì)豐度正相關,而密度、電阻率、補償中子、鉀含量與有機質(zhì)豐度負相關,據(jù)此建立了該區(qū)域有機質(zhì)豐度預測的多元線性方程。但是多元線性回歸法并非相關參數(shù)越多越好,需要根據(jù)實際地質(zhì)條件及檢測結果進行優(yōu)選。杜江民等[30,50]分別對柴達木盆地上干柴溝組下段和鄂爾多斯盆地延長組長7段烴源巖開展了多元線性回歸法預測有機質(zhì)豐度,發(fā)現(xiàn)應用于上干柴溝組的多元回歸方程以自然伽馬、聲波時差、電阻率和地層密度4個參數(shù)模型擬合度最高,而長7段烴源巖則以自然伽馬、地層密度、聲波時差3個參數(shù)模型擬合結果最好。

表2 吐哈盆地臺北凹陷侏羅系烴源巖多元回歸法與ΔlogR法計算誤差對比[20]

注:相對誤差指計算結果相對于實測結果的誤差平均值。

2.5 地震多屬性反演法

地震多屬性反演法是一種多參數(shù)綜合預測地層有機質(zhì)豐度的方法,采用三維地震資料結合鉆井、測井、錄井以及地球化學測試等參數(shù),通過地震解釋確定地層展布,建立地震相關屬性與有機質(zhì)豐度等參數(shù)之間的統(tǒng)計關系,進而反演整個地層有機質(zhì)豐度[28]。這一過程涉及到的地震參數(shù)包括地震波幾何形態(tài)、振幅、波形、頻率、能量、相位等。

地震多屬性反演法的優(yōu)點在于能夠?qū)崿F(xiàn)整個工區(qū)空間上的有機質(zhì)豐度預測,近年來在部分地區(qū)的研究也取得了一定成果。李金磊等[51]應用該方法對四川盆地焦石壩地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖有機質(zhì)豐度進行了預測,并精確圈定出研究區(qū)中TOC≥1%的空間展布。徐新德等[52]在北部灣盆地建立了一套基于地化-測井-地震聯(lián)合反演烴源巖有機質(zhì)豐度的方法,為研究區(qū)油氣資源勘探提供了重要參考,但該研究中因為設定TOC>2%為優(yōu)質(zhì)烴源巖的閥值,因而可能會對北部灣盆地主力烴源巖范圍的界定產(chǎn)生一定影響。

對于地震多屬性反演法而言,由于演算過程中累積誤差較大,因此其穩(wěn)定性較差?；赥OC與地層密度之間的擬合方程,利用疊前密度反演數(shù)據(jù)可以在很大程度上降低這種誤差,并且能夠有效降低預測結果的多解性[27,51]。

3 討論與展望

地球物理方法預測烴源巖有機質(zhì)豐度已形成了地化-測井-地震聯(lián)合反演評價模式(圖5)[52],是未來烴源巖規(guī)?；C合評價中較為完善的方法,有利于縮短評價時間、降低評價成本。眾多研究資料表明,沒有哪種方法能夠在所有地質(zhì)條件下通用,各方法均有其自身優(yōu)勢和缺陷(表3)。不同地質(zhì)條件對各種方法的預測結果有一定程度的影響,例如:ΔlogR法需要人為確定的參數(shù)較多,很容易因為主觀因素造成較大的計算誤差;地層體積密度測井法面對重礦物及地層流體含量變化的影響,需要通過進一步的礦物流體組分分析校正才能夠得到準確的預測結果;自然伽馬測井法對有機吸附富集鈾元素過度依賴,面對一些非有機吸附作用而富集鈾元素的地層很可能造成計算結果偏大,而對一些鈾元素吸附性差的有機質(zhì)則可能導致計算結果偏低;多元線性回歸法需要的測井資料過多,因而數(shù)據(jù)量大,處理過程中對各參數(shù)的影響機理不夠明確,影響了系數(shù)確定,可能出現(xiàn)偏差,從而導致計算結果有誤;地震多屬性反演法中間過程繁瑣,容易累積誤差,并且在不同地層間的應用穩(wěn)定性差?？梢姴捎貌煌椒A測有機質(zhì)豐度的相關工作依然存在較多問題,這在一定程度上也決定了該方法未來的發(fā)展方向。

圖5 過潿西南凹陷A洼陷地震反演得到的典型TOC剖面[52]

表3 不同方法優(yōu)、劣勢對比及優(yōu)化方法

3.1 存在問題

首先,有機質(zhì)豐度受沉積環(huán)境與物源、構造地質(zhì)條件、水動力條件、礦物巖石組成等多種因素控制,這一系列因素反映在地球物理參數(shù)上會造成預測結果不佳,需要結合具體地質(zhì)條件,采取針對性的措施(如電阻率成像測井、核磁共振測井等),從中獲取更加豐富的地質(zhì)參數(shù)。

其次,近年來隨著以自生自儲為特征的頁巖油、氣越來越受油氣地質(zhì)工作者的重視[9,53-55],烴源巖評價工作的重要性已上升到了一個新的高度。我國在常規(guī)的電磁、聲波等測井方面理論及技術均已達到較高水平,但針對非常規(guī)油氣地質(zhì)的測井評價技術,無論在儀器設備還是在理論基礎方面均存在較大的不足,一定程度上限制了我國非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的進展。

第三,我國廣泛發(fā)育海相、陸相、海陸過渡相等多時期、多類型的烴源巖,區(qū)域地質(zhì)條件差異極大,同時各方法均存在適用性,難以建立一套通用的評價方法。因此,實際工作中必須基于精細化的地質(zhì)背景資料,確定不同地質(zhì)條件下的有機質(zhì)豐度主控因素,進而優(yōu)選適用于研究區(qū)的預測方法。另外,針對煤巖、富有機質(zhì)頁巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖、碳酸鹽巖等特定巖性的烴源巖有機質(zhì)豐度地球物理評價方法有必要做進一步研究。

3.2 未來展望

利用地球物理方法預測烴源巖有機質(zhì)豐度是目前開展大規(guī)模烴源巖評價工作的有效途徑,能夠極大地降低烴源巖評價的資金和時間成本。近年來,精準成像測井技術和高分辨率地震反演技術的快速發(fā)展[56-57],使得更加精細化的地質(zhì)特征參數(shù)被廣泛認識,從而進一步擴大了該方法的應用范圍。非常規(guī)油氣勘探開發(fā)對烴源巖精細評價的迫切需求,將促使水平隨鉆測井技術等設備的快速發(fā)展,從而在非常規(guī)油氣領域得到更多的應用[32,58]。另外,隨著地質(zhì)云技術的快速發(fā)展[59-60],早期獲得的大量地球物理及有機質(zhì)豐度等基礎數(shù)據(jù)有望通過該技術得到進一步發(fā)掘,從中探索出更多的有用信息。

4 結論和建議

1) 根據(jù)烴源巖評價工作的深入程度和廣度,已逐步建立起一套地球化學方法測定控點—單井測井預測控線—地震資料或多井測井預測控面的點—線—面逐級深入的評價模式。具體到各個預測方法而言,各方法自有其適用條件和范圍,實際應用過程中需要緊密結合地質(zhì)背景,對比分析不同方法在研究區(qū)的適用性,優(yōu)選最佳方案。

2) 我國地質(zhì)情況復雜,多種烴源巖類型廣泛分布,開展區(qū)域性的地質(zhì)資料對比和針對性的巖性地球物理特征參數(shù)研究,建立精細化的地質(zhì)資料數(shù)據(jù)庫,有利于在未來烴源巖評價工作中提高效率和準確度。

3) 我國關于地球物理方法預測烴源巖有機質(zhì)豐度的研究起步較晚,但常規(guī)的電磁、聲波等測井理論及技術已達到較高水平。得益于此,現(xiàn)階段應當深入開展有機質(zhì)豐度與地球物理參數(shù)相關性影響機理方面的基礎研究,這是科學開發(fā)更高效和更精確的技術設備的前提,同時也是預測計算工作中合理設定各影響參數(shù)的相關性系數(shù)的保障,能夠有效提高預測精度。