渤海秦南凹陷沙三段烴源巖有機碳含量定量預(yù)測

楊傳超, 郭 瑞, 王富民, 張 震, 裴小剛

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452)

隨著一系列大中型油氣田在渤海海域邊緣凹陷的不斷探明，邊緣凹陷成為近期油氣勘探的熱點[1-4]。大規(guī)模的油氣勘探發(fā)現(xiàn)是保證油氣田開發(fā)具備經(jīng)濟效益的關(guān)鍵。然而，邊緣凹陷勘探程度低、不確定因素多，導(dǎo)致勘探風(fēng)險較大。烴源巖作為油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，其分布和品質(zhì)的精確定量預(yù)測對于凹陷資源量評價、油氣富集區(qū)判別具有重要意義。

目前，常用的烴源巖預(yù)測和評價方法有地球化學(xué)實驗分析法、測井法和地震法。地球化學(xué)評價方法已十分成熟，但邊緣凹陷區(qū)鉆井少，橫向采樣受到限制，僅以縱向上有限的分析樣本評估整套烴源巖，這無疑忽略了烴源巖在空間范圍內(nèi)的非均勻性[5]。相對于地球化學(xué)法，測井法可獲得縱向連續(xù)的烴源巖評價參數(shù)[6-10]，但僅揭示了縱向上的烴源巖分布及品質(zhì)，無法描述烴源巖橫向展布特征。對此，一些學(xué)者寄希望于借助地震屬性在橫向上高分辨率的優(yōu)勢，積極探索了地震屬性與烴源巖有機碳含量(TOC)的響應(yīng)關(guān)系[11-15]，實現(xiàn)了三維TOC數(shù)據(jù)體的地震多屬性預(yù)測，從而獲得烴源巖的空間展布規(guī)律。

秦南凹陷作為渤海灣盆地的邊緣凹陷之一，過去的數(shù)十年間并無重大油氣發(fā)現(xiàn)，直至2009年QHD29-2構(gòu)造首次獲得重大勘探突破，探明億噸級大型古近系油氣田。以往對于該區(qū)的研究集中于層序地層格架、沉積相類型及分布、油氣成藏等方面[16-22]，對于凹陷烴源條件的報道相對較少。現(xiàn)有鉆井多位于凹陷邊緣或者構(gòu)造高部位，僅10余口井鉆遇古近系沙河街組烴源巖，導(dǎo)致目前對凹陷內(nèi)烴源巖的發(fā)育狀況認識不清，制約了對凹陷的油氣資源潛力評價和勘探選區(qū)。本文基于烴源巖有機地球化學(xué)資料、測井及地震等信息，利用地球物理評價方法，研究沙河街組烴源巖的品質(zhì)及展布規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

秦南凹陷地處渤海海域西北部，為渤中地區(qū)的一個次級構(gòu)造單元，整體呈近東西向展布，其南部為石臼坨凸起，面積約 2 300 km2，由東南、東、西3個洼陷組成(圖1)。鉆井揭示，凹陷內(nèi)新生界發(fā)育齊全，其中古近系發(fā)育完整的孔店組、沙河街組(沙四、沙三、沙二和沙一段)及東營組(東三、東二和東一段)。該區(qū)已發(fā)現(xiàn)的油氣藏主要分布于沙一、沙二段[16-22]。

前人通過對秦南凹陷的構(gòu)造演化、沉積充填以及油源對比等多方面研究，認為形成于半深湖-深湖環(huán)境的沙三段烴源巖為秦南地區(qū)油氣的主要來源[17]。因此，秦南凹陷沙三段烴源巖的評價與預(yù)測，是該凹陷實現(xiàn)油氣勘探突破的首要問題。

2 烴源巖特征

2.1 地球化學(xué)特征

秦南凹陷發(fā)育3套烴源巖，分別為古近系沙三段、沙一段和東三段。其中沙三段烴源巖發(fā)育期對應(yīng)渤海灣盆地強裂陷期，該時期湖盆水體快速加深，為半咸水-淡水環(huán)境，藻類豐富，烴源巖有機質(zhì)來源主要為水生低等生物，有機質(zhì)類型較好[17]。目前，秦南凹陷內(nèi)共12口井鉆遇沙三段，巖性主要為灰褐色泥巖夾薄層砂巖，厚度為70～350 m。前人已利用有機碳含量(TOC)、氯仿瀝青“A”和熱解參數(shù)對研究區(qū)沙三段烴源巖進行了評價[17,21-24]，認為沙三段烴源巖有機質(zhì)類型以Ⅱ1型為主，有機碳質(zhì)量分數(shù)(wTOC)為1.53%～2.94%，平均為1.53%；生烴潛量(質(zhì)量分數(shù))為5.73‰～13.84‰，平均為9.57‰；鏡質(zhì)組反射率(Ro)為0.65%～0.73%，整體屬于低成熟-成熟階段的好品質(zhì)烴源巖。前人通常利用多個樣品實測TOC的平均值代表整段烴源巖TOC含量，該方法無法有效刻畫TOC在縱向上的變化規(guī)律，如QHD29-2-1井，沙三段泥巖實測wTOC為0.44%～2.94%，平均為1.37%，但其3 650～3 860 m深度內(nèi)wTOC>2.0%。

圖1 秦南凹陷構(gòu)造單元分布圖(新生界底界面) Fig.1 Distribution of tectonic units in the Qinnan Depression (bottom boundary of Cenozoic)

2.2 測井相特征

由于有機質(zhì)具有吸附能力強、干酪根導(dǎo)電性差、壓實程度強及低密度的特點，泥質(zhì)烴源巖在測井曲線上常呈現(xiàn)“三高一低”的典型特征，即高自然伽馬、高聲波時差、高電阻率和低密度，明顯區(qū)分于普通泥巖或者砂巖層的測井響應(yīng)[7]。以秦南凹陷xn-1井鉆遇的沙三段為例，相較于一般烴源巖(wTOC<1.0%)或非烴源巖層(wTOC<0.5%)，好烴源巖(wTOC>2.0%)測井響應(yīng)呈現(xiàn)出“三高一低”的特征(圖2)。

2.3 地震相特征

前人認為秦南凹陷沙三段沉積時期處于快速裂陷階段，凹陷快速沉降，凸起為主要物源區(qū)。該階段主要發(fā)育近岸水下扇、扇三角洲以及深湖-半深湖等多種沉積相，其中秦南西洼和中洼深湖-半深湖沉積面積較大，暗色泥巖分布廣、厚度大，為研究區(qū)主要的烴源巖層系[17,21]。從地震剖面上來看，沙三段深湖-半深湖相的烴源巖主要發(fā)育于凹陷中心，具有較為典型的低頻、連續(xù)、較強-強反射的烴源巖地震反射特征，內(nèi)部多表現(xiàn)為平行-亞平行的反射結(jié)構(gòu)(圖3)。

3 方法應(yīng)用

秦南凹陷區(qū)高品質(zhì)三維地震資料全覆蓋，且周邊有多口鉆井，具備利用地球物理方法評價烴源巖的資料條件。基于秦南凹陷沙三段烴源地球化學(xué)特征、測井響應(yīng)關(guān)系以及地震反射特征，運用地球化學(xué)分析、測井與地震等數(shù)據(jù)資料，形成本區(qū)沙三段烴源巖的定量評價流程(圖4)。

圖2 秦南凹陷xn-1井沙三段烴源巖測井響應(yīng)特征Fig.2 Characteristics of logging response of Well xn-1 Es3 source rocks in Qinnan Depression

圖4 井震預(yù)測烴源巖TOC定量評價流程Fig.4 Quantitative TOC evaluation process of source rock for well-seismic prediction

3.1 測井預(yù)測烴源巖TOC曲線

前人研究成果表明，烴源巖TOC與自然伽馬、聲波時差、密度和電阻率等測井參數(shù)具有明顯的相關(guān)性，常見的以ΔlgR法、多元回歸分析法以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6-10]居多。

本文基于實測樣品TOC，利用Passey[8]經(jīng)驗公式獲取研究區(qū)單井TOC曲線。在該方程中，R為實測電阻率；R基線為基線對應(yīng)的電阻率；Δt為實測聲波時差；Δt基線為基線對應(yīng)的聲波時差；K=0.02，為電阻率和聲波時差的疊合系數(shù)。熱變指數(shù)ILOM與有機質(zhì)成熟度有關(guān)。

ΔlgR=lg(R/R基線)+K(Δt-Δt基線)

(1)

(2)

秦南凹陷沙三段烴源巖電阻率基線值為2.5 Ω·m，聲波時差基線值約為282 μs/m。根據(jù)烴源巖熱演化程度，確定該區(qū)熱變指數(shù)ILOM可取6～8，當(dāng)取7時，測井預(yù)測結(jié)果與實測值的誤差最小，平均誤差為10%，二者相關(guān)性可達92%(圖5)，證明了該方法在研究區(qū)具有較強的適用性。

3.2 地震反演TOC數(shù)據(jù)體

地震資料中包含有豐富的巖性、物性信息，而從地震資料中提取的地震屬性能在一定程度上反映地層中巖性、物性和充填在其中的流體性質(zhì)等因素的變化。本次研究通過優(yōu)選多種地震屬性組合定量預(yù)測烴源巖TOC[13-14]，運用HRS軟件中的Emerge和Strata模塊建立測井預(yù)測TOC曲線與井旁道地震屬性的關(guān)系模型，優(yōu)選最佳屬性參數(shù)組合，最終獲得三維TOC數(shù)據(jù)體。

地震反演主要分為2步：一是數(shù)據(jù)加載及井震標定，包括三維地震數(shù)據(jù)、烴源巖層頂?shù)讓游灰约皽y井獲取的TOC曲線等；二是屬性優(yōu)選及關(guān)系模型確立，也是地震多屬性反演TOC的關(guān)鍵步驟。屬性優(yōu)選在Emerge模塊中實現(xiàn)，通過提取井旁道相位、頻率和振幅等多種屬性，優(yōu)選與烴源巖TOC相關(guān)性好的屬性。本次研究初步篩選了9種地震屬性進行多屬性相關(guān)性分析(圖6)，隨著地震屬性個數(shù)的增加，訓(xùn)練誤差逐漸降低，而驗證誤差呈現(xiàn)先降低后增高的特征。訓(xùn)練誤差是反映單井TOC曲線與地震屬性組合的擬合程度，井與井之間互不干擾；驗證誤差則是井震預(yù)測模型對某口單井預(yù)測效果的反應(yīng)。換言之，驗證誤差的存在可以有效防止地震屬性與TOC曲線出現(xiàn)過度擬合的現(xiàn)象。

圖5 秦南凹陷區(qū)實鉆井TOC值與測井預(yù)測值的關(guān)系Fig.5 Relation between measured TOC and predicted value based on logging in Qinnan Depression

圖6 多屬性預(yù)測TOC曲線效果質(zhì)控圖Fig.6 Quality control of TOC curve effect predicted by multiple attributes

因此，綜合考慮訓(xùn)練誤差和驗證誤差結(jié)果，最終研究區(qū)選取了平均頻率、主頻、視極性、道積分和振幅加權(quán)頻率5個地震屬性組合預(yù)測烴源巖TOC三維空間分布，建立了秦南凹陷區(qū)地震多屬性預(yù)測烴源巖TOC的關(guān)系模型。在該方程中，A1為道積分；A2為平均頻率；A3為主頻；A4為視極性；A5為振幅加權(quán)頻率。

wTOC=2.9-0.34A1-3.47e-5A2+4.33e-6A3-

7.1e-8A4-5.29e-5A5

(3)

從xn-1、xn-2和xn-3等單井?dāng)M合效果以及抽井驗證效果來看，都具有很強的正相關(guān)性(圖7)。通過地震預(yù)測TOC與實測TOC的對比分析發(fā)現(xiàn)，預(yù)測精度可達91%(圖8)。以上多項證據(jù)表明，TOC預(yù)測結(jié)果較為可靠，與實測數(shù)據(jù)非常吻合，能夠客觀反映烴源巖TOC在空間上的變化規(guī)律。

3.3 沙三段烴源巖分布特征

以地震反演的三維TOC數(shù)據(jù)體為基礎(chǔ)，通過HRS軟件的切片功能可以得到一系列TOC剖面圖，凹陷內(nèi)沙三段發(fā)育大套優(yōu)質(zhì)烴源巖，同時表現(xiàn)出強非均質(zhì)性，下部烴源巖品質(zhì)整體優(yōu)于上部，橫向上呈“豆莢狀”分布(圖9)。

圖10為研究區(qū)井-震聯(lián)合預(yù)測的烴源巖分布圖，從圖中可以看出秦南凹陷東南洼烴源巖有機質(zhì)豐度最高，wTOC值在3.0%～4.5%，其次為東洼，西洼烴源巖TOC值最低。東洼和西洼由于受北部大物源影響[18,20]，物源供給充足，洼陷內(nèi)沉積砂體較發(fā)育，不利于烴源巖的發(fā)育和保存，致使東洼和西洼的烴源巖TOC值相對較低；東南洼主要靠南側(cè)局部物源供給，僅發(fā)育規(guī)模較小的沉積體，整體為穩(wěn)定的半深湖-深湖沉積，有利于烴源巖的發(fā)育和保存。

關(guān)于烴源巖厚度的獲取，本次研究用HRS軟件中的Emerge模塊完成烴源巖的厚度預(yù)測。

圖7 基于多屬性預(yù)測的單井?dāng)M合效果圖(A)和抽井驗證效果圖(B)Fig.7 Single well fitting effect of multi-attribute prediction (A) and verification effect of multi-attribute prediction (B)紅線為測井預(yù)測TOC曲線；黑線為地震預(yù)測TOC曲線

圖8 地震多屬性預(yù)測烴源巖TOC擬合效果圖Fig.8 TOC fitting effect of source rock for seismic multi-attribute prediction

考慮到TOC值預(yù)測誤差在0.5%左右，因此首先設(shè)置wTOC>1% 作為有效烴源巖的門限值，進而獲取對應(yīng)等級烴源巖體的地震屬性數(shù)據(jù)體；然后垂向累加地震屬性體的樣本點數(shù)，將累積的樣本點數(shù)與采樣間隔數(shù)2 ms相乘得到時間厚度；最后通過時深轉(zhuǎn)換即可得相應(yīng)厚度值。

圖11為秦南凹陷沙三段烴源巖的預(yù)測厚度分布圖，不同顏色代表不同厚度分布范圍，顏色越深代表厚度越大。從圖中可看出，預(yù)測烴源巖厚度最大區(qū)位于東洼，平均厚度達500 m，最大可達700 m。通過與研究區(qū)鉆井資料對比，沙三段烴源巖預(yù)測厚度與實鉆結(jié)果較為吻合，平均誤差在10%左右。例如，xn-1、xn-6和xn-8三口井，均已鉆穿沙三段，預(yù)測烴源巖厚度與實鉆烴源巖厚度相差無幾(表1)。

表1 秦南凹陷沙三段烴源巖厚度預(yù)測效果對比Table 1 Contrast of prediction results of Es3 source rock thickness in Qinnan Depression

圖9 秦南凹陷沙三段烴源巖TOC分布柵狀圖Fig.9 Grid diagram showing TOC distribution of Es3 source rocks in Qinnan Depression

圖10 秦南凹陷沙三段烴源巖TOC平面分布圖Fig.10 TOC distribution of Es3 source rocks in Qinnan Depression

4 結(jié) 論

a.秦南凹陷沙三段烴源巖在測井上表現(xiàn)為“三高一低”的典型特征，即高自然伽馬、高聲波時差、高電阻率和低密度，同時具有低頻、連續(xù)、較強-強反射的典型烴源巖地震響應(yīng)特征。

b. TOC地震多屬性反演結(jié)果與實鉆井揭示的烴源巖特征較為吻合，表明該預(yù)測方法在邊緣凹陷具有較強的適用性，能夠有效刻畫烴源巖在空間范圍內(nèi)的品質(zhì)及展布規(guī)律。預(yù)測結(jié)果表明，研究區(qū)沙三段烴源巖wTOC大多在2.0%以上，橫向上呈“豆莢狀”分布。秦南凹陷東南洼烴源巖TOC值最高，其次為東洼，西洼烴源巖TOC值最低。通過與實鉆結(jié)果對比，沙三段烴源巖TOC預(yù)測誤差在20%左右，厚度預(yù)測誤差在10%左右。

圖11 秦南凹陷沙三段烴源巖厚度平面分布圖Fig.11 Thickness plane distribution of Es3 source rocks in Qinnan Depression