基于測井信息的烴源巖定量評價方法

宋延杰， 孫欽帥， 張曉軍， 馮景和

(1.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318； 2.東北石油大學(xué) 非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地， 黑龍江 大慶 163318； 3.延長油田井下作業(yè)工程公司， 陜西 延安 716000)

0 引 言

烴源巖的識別與評價工作對油氣田勘探與開發(fā)有著舉足輕重的意義。常規(guī)巖心樣品化驗(yàn)分析雖能提供較為可靠的烴源巖熱解參數(shù)數(shù)據(jù)等地球化學(xué)信息，但受限于巖心數(shù)量、化驗(yàn)費(fèi)用等因素，難以獲取垂向的連續(xù)分析數(shù)據(jù)。利用測井資料縱向分辨率較高、垂向上數(shù)據(jù)連續(xù)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)可以間接地指示地層的巖性及流體情況，為烴源巖的識別與評價提供更加準(zhǔn)確的參數(shù)。目前，利用地球物理資料進(jìn)行烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評價成為一大熱點(diǎn)[1-2]。

?？松?Exxon)與埃索(Esso)公司最先將ΔlgR技術(shù)運(yùn)用于碳酸鹽巖及碎屑巖TOC計(jì)算中并獲得了較好的效果，國內(nèi)學(xué)者將該方法引入我國各盆地?zé)N源巖的研究中，給烴源巖評價工作提供了較大幫助[3-5]。近幾十年來，學(xué)者利用測井信息對烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度評價做了許多工作[6-7]，出現(xiàn)了碳氧比測井法[8]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、ΔlgR法[9]等一系列定量計(jì)算TOC的方法[10-12]，一些學(xué)者提出利用回歸方法建立測井響應(yīng)與熱解生烴潛量(S1+S2)間的關(guān)系以對S1+S2進(jìn)行定量評價[13]。針對缺乏特殊測井資料、僅利用常規(guī)測井信息難以對烴源巖總有機(jī)碳含量(TOC)及熱解生烴潛量(S1+S2)進(jìn)行有效的綜合評價這一問題，文中以巖心熱解參數(shù)數(shù)據(jù)及實(shí)測測井資料為基礎(chǔ)，依據(jù)測井響應(yīng)與樣品分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)系，詳述了4種通用總有機(jī)碳含量(TOC)、2種熱解生烴潛量(S1+S2)的測井定量評價方法，在W凹陷進(jìn)行試用并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行定量對比分析，以期為研究區(qū)的烴源巖評價以及勘探工作提供幫助。

1 烴源巖基本特征

W凹陷含油氣構(gòu)造較為發(fā)育且油源條件較為充足，自下而上發(fā)育4套主力烴源巖系。其中E層巖性剖面主要為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖和炭質(zhì)泥巖，具有較強(qiáng)的生烴能力且為良好的儲集層，為研究區(qū)主要勘探目的層。通過對目的層位實(shí)測TOC、氯仿瀝青“A”，總烴及生烴潛量等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到TOC、氯仿瀝青“A”以及熱解生烴潛量(S=S1+S2)的頻率分布直方圖(圖1a～c，頻率占比為k)。根據(jù)SY/T 5375—1995陸相烴源巖評價標(biāo)準(zhǔn)(詳見表1)可以看出，研究區(qū)生油巖類型以中等至好生油巖為主。通過鏡質(zhì)體反射率Ro頻率分布直方圖(圖1d)可以看出，E層烴源巖以成熟烴源巖為主，處于油氣大量生成的階段。

圖1 研究區(qū)實(shí)測結(jié)果

表1 陸相烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評價標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 5735—1995)

2 總有機(jī)碳含量定量計(jì)算方法

由于測井響應(yīng)資料垂向上深度連續(xù)、分辨率較高，且可以間接反映地層的巖性及流體性質(zhì)，因此TOC與測井信息之間關(guān)系方面的研究從未停歇，許多學(xué)者也建立了相應(yīng)的計(jì)算模型[14]。文中利用研究區(qū)測井曲線對烴源巖的異常響應(yīng)的特點(diǎn)，分別通過單因素分析法、多元回歸法[15]、改進(jìn)ΔlgR法、主成分回歸法對TOC進(jìn)行計(jì)算求取，以達(dá)到準(zhǔn)確求取研究區(qū)TOC的目的。

2.1 單因素分析法與多元回歸法

單因素分析法可以直觀快速評價TOC與單條測井響應(yīng)的相關(guān)性，但當(dāng)測井曲線與TOC相關(guān)性較差時，往往計(jì)算結(jié)果與化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)存在較大誤差，這也是單因素法的不足之處。文中通過分別繪制巖心分析TOC實(shí)測值wr與自然伽馬(GR，γ)曲線、聲波時差(AC，Δt)曲線、密度(DEN,ρ)曲線、電阻率(RLLD,R)曲線及自然電位(SP,U)曲線的交會圖(圖2)，可以看出，TOC與AC相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)為0.663 1。因此選取AC作為TOC的敏感曲線，利用TOC與AC的擬合公式作為定量計(jì)算TOC的公式。其公式為

w(TOC)=0.005 3Δt+0.403 7。

多元回歸分析方法是一種建立多個變量之間線性或非線性數(shù)學(xué)關(guān)系式的統(tǒng)計(jì)方法，反映了一種現(xiàn)象或事物的數(shù)量依多種現(xiàn)象或事物的數(shù)量的變動而相應(yīng)地變動的規(guī)律?！岸嘣本褪嵌喾N測井曲線，通過多元線性回歸的方式建立多條測井曲線與TOC的響應(yīng)方程。該方法地域性較強(qiáng)，因此應(yīng)根據(jù)地區(qū)實(shí)際情況選取與TOC相關(guān)性較好的測井曲線建立回歸公式。在該研究區(qū)單因素分析基礎(chǔ)上，選用AC、RLLD曲線作為TOC的敏感曲線，建立了適用于該區(qū)塊的多元回歸TOC解釋模型。其公式為

w(TOC)=0.005 6Δt+0.01ρ+0.214 4。

圖2 巖心TOC與測井曲線的關(guān)系

2.2 改進(jìn)Δlg R計(jì)算法

ΔlgR=lg(R/Rb)+0.02(Δt-Δtb)，

式中：Rb——非烴源巖段電阻率與聲波時差重合時的電阻率測井響應(yīng)值；

Δtb——非烴源巖段電阻率與聲波時差重合時的聲波時差測井響應(yīng)值；

R——電阻率測井響應(yīng)值；

Δt——聲波時差測井響應(yīng)值。

由ΔlgR計(jì)算TOC，經(jīng)驗(yàn)公式[17]為

w(TOC)=ΔlgR×10(2.297-0.168 8 LOM)。

(1)

式中，LOM——成熟度指數(shù)。

由樣品分析化驗(yàn)的鏡質(zhì)體反射率(Ro)數(shù)據(jù)可知，研究區(qū)目的層位有機(jī)質(zhì)成熟度變化范圍不大，且TOC與ΔlgR線性相關(guān)，因此式(1)可進(jìn)一步修改為

當(dāng)時，灌著石油的內(nèi)燃機(jī)在戰(zhàn)爭中又開辟了一個嶄新的領(lǐng)域，空中打擊戰(zhàn)。1914年第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)時，航空工業(yè)初見雛形，僅有1000人；而5個月后的1915年1月，英國也才制造出250架飛機(jī)，其中60架還屬試產(chǎn)機(jī)型。為了迎合戰(zhàn)爭需要，飛機(jī)立即被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。

w(TOC)=A×ΔlgR+B,

(2)

其中，B為擬合的系數(shù)，A可認(rèn)為等價于式(1)中的10(2.297-0.168 8 LOM)，B為常數(shù)，與ΔlgR有關(guān)。根據(jù)研究區(qū)實(shí)際測井資料，選取非烴源巖段電阻率與聲波時差重合處的基線數(shù)值為：Rb=2.6 Ω·m，Δtb=278 μs/m。通過對TOC與ΔlgR線性擬合(圖3)，求出式(2)的系數(shù)A、B分別為0.285 1、1.724 8，進(jìn)而得出：

w(TOC)=0.285 1ΔlgR+1.724 8

。

(3)

圖3 Δlg R與巖心TOC的關(guān)系

2.3 主成分回歸法PCR

主成分回歸是回歸系數(shù)參數(shù)的一種線性有偏估計(jì)，它克服了最小二乘估計(jì)在設(shè)計(jì)陣病態(tài)(即存在多重共線性)時表現(xiàn)出的不穩(wěn)定性。將原來的回歸自變量變換為另一組變量(即主成分)，選擇其中重要的主成分作為新的自變量(實(shí)際上是降維過程)，然后利用最小二乘法對只含有主成分的模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，最后再變換回原來的模型求出參數(shù)的估計(jì)[18-19]。對研究區(qū)選取GR、AC、DEN、RLLD、SP曲線作為TOC的影響因素，利用Matlab軟件建立了TOC定量計(jì)算模型，即

w(TOC)=0.005 8Δt-0.001 9γ-0.048 4ρ+0.006 2R+0.002 5U+0.42。

3 熱解生烴潛量定量的計(jì)算方法

目前對于S1+S2定量計(jì)算方法主要為多元回歸方法。在TOC計(jì)算方法分析基礎(chǔ)上，利用TOC相關(guān)法、主成分回歸法對S1+S2分別進(jìn)行定量預(yù)測并建立了相應(yīng)的計(jì)算模型。

3.1 TOC相關(guān)法

通常，S1+S2與TOC呈正相關(guān)。文中利用巖心熱解分析數(shù)據(jù)及測井信息，對S1+S2實(shí)測值與TOC計(jì)算值進(jìn)行了線性擬合(圖4)，其中TOC由改進(jìn)ΔlgR法計(jì)算求得(詳見式(3))，利用其擬合公式作為S1+S2的定量預(yù)測模型以求取研究區(qū)的S1+S2，其公式為

S1+S2=3.078 2w(TOC)+4.368 6。

圖4 S1+S2實(shí)測值與TOC計(jì)算值的關(guān)系

3.2 主成分回歸法

考慮到多種曲線對S1+S2值共同具有貢獻(xiàn)作用，單一曲線對S1+S2貢獻(xiàn)作用較小或相關(guān)系數(shù)較低的情況，文中選取了基于改進(jìn)ΔlgR法計(jì)算求得的TOC值(詳見式(3))及GR、RLLD、DEN、AC、SP曲線作為S1+S2的影響因素，采用主成分回歸法(主成分回歸方法原理前述已提及，詳見2.3)，利用Matlab軟件建立了S1+S2定量預(yù)測模型，即

S1+S2=3.513 7w(TOC)-0.011 5γ-0.016 7Δt+1.322 9ρ-0.063 2R+0.035 1U-3.954 2。

4 定量計(jì)算結(jié)果分析與應(yīng)用實(shí)例

4.1 TOC定量計(jì)算結(jié)果分析

通過4種方法的計(jì)算結(jié)果對比分析(見表2、圖5)，TOC計(jì)算值為wc。

圖5 TOC計(jì)算值與實(shí)測值對比

由圖5可見，改進(jìn)的ΔlgR方法計(jì)算效果最優(yōu)，其分析與計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)平均相對誤差僅為2.56%。其次為多元回歸方法，該模型的相關(guān)系數(shù)為0.746 1，分析與計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)平均相對誤差為2.63%。單因素分析法與主成分回歸法的平均相對誤差分別為3.81%和3.06%。

表2 總有機(jī)碳(TOC)定量預(yù)測模型統(tǒng)計(jì)

4.2 S1+S2定量計(jì)算結(jié)果分析

通過對比TOC相關(guān)法與主成分回歸法的計(jì)算結(jié)果(表3，圖6，S1+S2計(jì)算值為Sc,S1+S2實(shí)測值為Sr)，主成分回歸法效果較好，平均相對誤差為35.61%。TOC相關(guān)法計(jì)算與分析數(shù)據(jù)點(diǎn)平均相對誤差高達(dá)43.51%，考慮原因如下：研究區(qū)有機(jī)質(zhì)成熟度較高，通過大量的有機(jī)質(zhì)生、排烴過程使得S1+S2含量較低，因此S1+S2與TOC相關(guān)性差。

表3 熱解生烴潛量(S1+S2)定量預(yù)測模型統(tǒng)計(jì)

圖6 S1+S2計(jì)算值與實(shí)測值對比

4.3 單井實(shí)例

結(jié)合TOC及S1+S2各模型的定量計(jì)算分析結(jié)果，優(yōu)選出TOC及S1+S2計(jì)算效果較好的方法分別為改進(jìn)ΔlgR法和主成分回歸法。利用兩種方法分別對W凹陷k6井的TOC及S1+S2值進(jìn)行了定量預(yù)測(圖7)。

由圖7可見，在4 290～5 130 m井段，TOC計(jì)算值范圍為1.42%～2.93%，與巖心TOC實(shí)測值平均絕對誤差為0.14%，平均相對誤差為3.62%；S1+S2計(jì)算值范圍為0.03～2.36 mg/g，與巖心S1+S2實(shí)測值平均絕對誤差為0.27 mg/g，平均相對誤差為34.79%。表明利用改進(jìn)ΔlgR法和主成分回歸法分別求取的TOC值和S1+S2值均能滿足研究區(qū)的定量計(jì)算精度要求，證實(shí)了兩種方法的可靠性與實(shí)用性，可有效應(yīng)用于研究區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評價工作。根據(jù)SY/T 5375—1995陸相烴源巖評價標(biāo)準(zhǔn)(表1)，由TOC指標(biāo)可以看出，該井段以好生油巖類型為主，根據(jù)S1+S2指標(biāo)來看該井段則以差至中等生油巖類型為主。

圖7 TOC與S1+S2計(jì)算模型應(yīng)用實(shí)例

綜合來看，該井段生油巖類型為中等至好，推測S1+S2值較低原因可能為有機(jī)質(zhì)成熟度較高，處于油氣大量生成階段。

5 結(jié) 論

(1)研究區(qū)層位烴源巖地化特征分析表明，其生油巖類型較好，烴源巖類型主要為成熟烴源巖。

(2)單因素分析法、多元回歸法、改進(jìn)的ΔlgR法及主成分回歸法4種總有機(jī)碳定量預(yù)測模型均能滿足研究區(qū)定量求取總有機(jī)碳的需要，改進(jìn)的ΔlgR法效果最優(yōu)。

(3)通過TOC相關(guān)法、主成分回歸法對研究區(qū)烴源巖生烴潛量進(jìn)行了定量評價，結(jié)果表明,主成分回歸法效果較好，在分析化驗(yàn)資料較少時，可用主成分回歸法對生烴潛量進(jìn)行定量評價。在利用TOC相關(guān)法對生烴潛量進(jìn)行定量預(yù)測時，需考慮有機(jī)質(zhì)成熟度這一因素。