吐哈盆地中二疊統(tǒng)桃東溝群烴源巖測井評價

繆 歡,王延斌,國建英,韓文龍,龔 訓

(1.中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院,北京 100083;2.中國石油天然氣集團有限公司天然氣成藏與開發(fā)重點實驗室,河北廊坊 065007)

吐哈盆地位于新疆東部,是新疆三大含油氣盆地之一。盆地經(jīng)歷了二疊紀-三疊紀斷拗充填階段和侏羅紀以來的前陸盆地演化階段,兩大構(gòu)造層分別發(fā)育以中二疊統(tǒng)桃東溝群湖相暗色泥巖和中-下侏羅統(tǒng)水西溝群煤系為主的烴源巖[1-2]。以往的勘探研究對象多側(cè)重于中-下侏羅統(tǒng)水西溝群煤系烴源巖。

近年來,隨著勘探技術(shù)水平的提升,吐哈探區(qū)勘探領(lǐng)域延伸至前侏羅系地層之中[3]。前侏羅系地層中目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多套烴源巖或潛在烴源巖地層,與其它幾套烴源巖地層相比,中二疊統(tǒng)桃東溝群烴源巖埋深相對較淺、厚度大、在全區(qū)內(nèi)穩(wěn)定分布,有望成為吐哈探區(qū)前侏羅系地層勘探領(lǐng)域的“主戰(zhàn)場”。

盡管目前中二疊統(tǒng)桃東溝群泥質(zhì)烴源巖雖然已經(jīng)被證實為有效烴源巖[4],但由于埋藏較深,地震資料品質(zhì)差,鉆井揭露少,導致其勘探程度較低,對烴源巖地化特征及生烴潛力等方面認識不足,這將會影響到對盆地內(nèi)前侏羅系油氣資源前景的認識和勘探部署的決策。本文基于有機地球化學相關(guān)測試結(jié)果和測井資料,對比現(xiàn)有預(yù)測烴源巖的測井解釋方法預(yù)測結(jié)果,優(yōu)選出適合評價吐哈盆地桃東溝群烴源巖的測井解釋方法,進而系統(tǒng)地評價吐哈盆地桃東溝群烴源巖。

1 烴源巖的測井評價方法

烴源巖測井評價始于20世紀40年代,經(jīng)過多年的積累和發(fā)展,已經(jīng)形成了多種用于反演烴源巖有機質(zhì)豐度、成熟度和生烴潛量等地化參數(shù)的成熟方法[5]。

1.1 有機質(zhì)豐度

有機質(zhì)豐度是指沉積物中的有機質(zhì)含量,常用總有機碳含量來評價有機質(zhì)豐度[6-8]。利用測井技術(shù)計算得到的烴源巖的有機質(zhì)豐度,一直以來都是國內(nèi)外研究的重點,其計算原理基于烴源巖具有的高伽馬(GR)、高聲波時差(DT)、高電阻率(RD)和低密度(DEN)的“三高一低”特征。應(yīng)用較為廣泛的預(yù)測模型和方法包括ΔlogR模型及其改進型、多元回歸參數(shù)法和地震反演預(yù)測法。

1.1.1ΔlogR模型(傳統(tǒng)ΔlogR法)

ΔlogR模型由PASSEY等[9]于1990年提出,其原理是將可以反映巖石孔隙度的聲波時差曲線和電阻率曲線反向疊合,并以細顆粒的非烴源巖為基線,將兩條曲線的幅度差定義為ΔlogR[8],即:

(1)

式中:R,R基,DT,DT基分別為電阻率、電阻率曲線基線值、聲波時差值、聲波時差曲線基線值,其中R基與DT基為定值。

ΔlogR與總有機碳含量(TOC)呈線性關(guān)系,并且為有機質(zhì)成熟度的函數(shù),因此TOC可以表示為:

TOC=ΔlogR×101.5374-0.994Ro

(2)

式中:TOC為總有機碳含量,Ro為鏡質(zhì)體反射率[9]。采用該模型在鄂爾多斯盆地北部的杭錦旗地區(qū)評價有機質(zhì)豐度,取得了良好的應(yīng)用效果[10]。

1.1.2 ΔlogR模型改進型(優(yōu)化和廣義ΔlogR法)

由于ΔlogR模型在陸相及中、深層烴源巖的TOC計算結(jié)果誤差較大,所以國內(nèi)學者對該模型進行了大量的修改,其中優(yōu)化ΔlogR模型和廣義ΔlogR模型的應(yīng)用范圍較廣泛。

優(yōu)化ΔlogR模型由邊雷博等[11]于2018年依據(jù)一一映射原理提出,該模型將不同范圍的聲波時差及其對應(yīng)的電阻率與260～460μs/m聲波時差及其對應(yīng)的電阻率一一映射,從而建立起未知疊合系數(shù)與聲波時差為260～460μs/m時的最佳疊合系數(shù)的映射關(guān)系,因此ΔlogR可表示為:

(3)

式中:ACmax=460μs/m,ACmin=260μs/m,AC和AC基為定值。

將利用(3)式得到的ΔlogR值代入(2)式,即可獲得有機碳含量的值,該模型在渤海灣盆地東濮凹陷西南部洼陷沙河街組沙三段中亞段烴源巖的有機碳預(yù)測中,獲得了良好的應(yīng)用效果。

廣義ΔlogR模型由胡慧婷等[12]于2016年提出,為了消除誤差,用GR曲線代替成熟度參數(shù)。王祥等[13]于2020年對該模型進行修改,將GR和DEN一起使用,因為GR值遠大于DEN值,故直接建立的模型公式主要受GR影響,因此,首先對GR取自然對數(shù)值,再建立模型,即:

TOC=(a×logGR+b×DEN+c)×
ΔlogR+ΔTOC

(4)

式中:a,b,c為擬合系數(shù)。利用該模型精確地預(yù)測了松遼盆地徐家圍子斷陷安達地區(qū)和渤中凹陷西部的烴源巖TOC值。

1.1.3 多元回歸參數(shù)法

該方法選取與TOC相關(guān)性較強的測井參數(shù)(如GR、DEN、DT等),以實測TOC值為因變量,測井參數(shù)為自變量進行一元、二元、三元等線性回歸。以往的研究表明,選擇的參數(shù)越多,其相關(guān)性就越高,即:

TOC=a×GR+b×DT+c×DEN+
d×SP+e×RD+f

(5)

式中:a,b,c,d,e,f均為擬合系數(shù);SP為自然電位值。該模型精確評價了太行山東麓的頁巖氣儲層的地化特征[14]。

1.1.4 地震疊前反演法

該方法通過三維地震資料獲取了縱橫波速度、縱波阻抗和橫波阻抗等彈性數(shù)據(jù),經(jīng)過巖石物理交會分析研究,發(fā)現(xiàn)縱波速度和DEN與TOC的相關(guān)性最高,因此TOC可表示為:

TOC=k+m×vP+n×DEN

(6)

式中:k,m,n均為擬合系數(shù);vP為縱波波速;DEN為密度。利用該模型計算渤中凹陷烴源巖TOC值取得了較好的效果[15]。

1.2 有機質(zhì)成熟度

常用于確定有機質(zhì)成熟度的指標包括鏡質(zhì)體反射率(Ro)和巖石最高熱解峰溫(Tmax),在陸相烴源巖中,鏡質(zhì)體反射率的使用效果優(yōu)于巖石最高熱解峰溫。利用現(xiàn)有測井參數(shù)計算Ro的方法主要為多元回歸參數(shù)法,以往的研究表明,Ro與深度存在經(jīng)驗公式:

Ro=a×H+b

(7)

式中:H為埋深;a,b為擬合系數(shù)[16]。該公式在不同的地區(qū)的應(yīng)用效果差異很大,后續(xù)學者對鏡質(zhì)體反射率、常規(guī)測井參數(shù)和深度進行相關(guān)性分析后發(fā)現(xiàn)[17],鏡質(zhì)反射率與深度、聲波時差的相關(guān)性較好,因此,鏡質(zhì)體反射率可表示為:

Ro=a×H+b×DT+c

(8)

式中:H為埋深;DT為聲波時差。

1.3 生烴潛量

生烴潛量是評價烴源巖生烴能力的一個重要的參數(shù),主要通過熱解實驗獲取[18]。大量的實驗數(shù)據(jù)表明,生烴潛量隨著有機碳含量的增大而增大,因此,可以通過兩者的統(tǒng)計關(guān)系直接獲得,以往研究發(fā)現(xiàn),生烴潛量PG與TOC值存在著如下關(guān)系:

PG=a×eb×TOC

(9)

該模型的精度實際應(yīng)用效果一般,薛冰等[14]將實測生烴潛量與常規(guī)測井參數(shù)、TOC、Ro值進行相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)生烴潛量與Ro、DT和SP的相關(guān)性高,得出:

PG=a×Ro+b×DT+c×SP+d

(10)

2 測井評價方法優(yōu)選

研究區(qū)中二疊統(tǒng)烴源巖勘探程度較低,鉆遇中二疊統(tǒng)的鉆井有15口(圖1),其中常規(guī)測井數(shù)據(jù)及巖心錄井資料齊全的鉆井共有7口,且這7口井中二疊統(tǒng)地層的沉積相均為半深湖—濱淺湖相。本次研究基于巖石熱解等相關(guān)地球化學試驗,獲得包括62個TOC數(shù)據(jù)點以及43個鏡質(zhì)體反射率和生烴潛量的數(shù)據(jù)點。

圖1 吐哈盆地中二疊統(tǒng)地層沉積環(huán)境構(gòu)造分區(qū)(a)及收集到的鉆遇烴源巖鉆井位置(b)(據(jù)中國石油勘探開發(fā)研究院第4次全區(qū)勘探成果)

本文根據(jù)上述7口鉆井的實測數(shù)據(jù),采用數(shù)理分析軟件,擬合得到上文中所述模型在研究區(qū)內(nèi)的參數(shù),再將預(yù)測得到的參數(shù)與實測數(shù)據(jù)進行對比,選擇適合評價本研究區(qū)的測井方法。

2.1 有機碳含量

由于研究區(qū)內(nèi)地震資料品質(zhì)較差,地震疊前反演預(yù)測工作難以進行。基于此,本文采用ΔlogR模型及其改進型和多元回歸參數(shù)法反演區(qū)內(nèi)烴源巖的TOC。

應(yīng)用ΔlogR模型及其改進型,將RD曲線和DT曲線進行疊加,非烴源巖段中RD曲線和DT曲線相互平行或者相交,相交處所對應(yīng)的值為R基與DT基值,利用對應(yīng)的公式計算TOC值,并與實測值進行對比。前人研究表明,在使用多元回歸參數(shù)法時,選擇的參數(shù)越多,其相關(guān)性越高[19],因此,本次研究選擇了聲波時差、電阻率、自然電位、密度和伽馬等測井參數(shù)進行擬合,模型公式如表1所示。

基于實測數(shù)據(jù),利用數(shù)理分析軟件,擬合出上述各方法的模型公式及相關(guān)系數(shù)(表1)。在此基礎(chǔ)上,對比上述方法的應(yīng)用結(jié)果,發(fā)現(xiàn)多元回歸參數(shù)法的應(yīng)用效果遠優(yōu)于ΔlogR模型及其改進型(圖2)。因此,本文采用多元回歸參數(shù)法評價烴源巖TOC的值。

圖2 利用多種方法預(yù)測得到的TOC值與實測TOC值的交會結(jié)果a 傳統(tǒng)ΔlogR法; b 優(yōu)化ΔlogR法; c 廣義ΔlogR法; d 多元回歸參數(shù)法

表1 測井參數(shù)計算TOC值的模型公式及相關(guān)系數(shù)

2.2 有機質(zhì)成熟度

基于前人研究結(jié)果和本文1.2節(jié)的內(nèi)容,本次研究分析了研究區(qū)桃東溝群烴源巖Ro與深度、DT值的相關(guān)性,結(jié)果如圖3a和圖3b所示。結(jié)果顯示,Ro與深度的相關(guān)性較好,Ro與DT具有弱正相關(guān)關(guān)系,這表明可以利用埋深和DT建立預(yù)測Ro模型。因此本次采用多元參數(shù)回歸的方法,分別建立了Ro與深度以及Ro與深度和DT值之間的關(guān)系式如下:

圖3 Ro與H(a),Ro與DT值(b)及實測值與預(yù)測值(c)的擬合關(guān)系

(11)

(12)

因為(12)式的應(yīng)用效果優(yōu)于(11)式,所以本文利用(12)式解釋區(qū)內(nèi)烴源巖有機質(zhì)成熟度。

2.3 生烴潛量

前人研究表明,常用于計算生烴潛量的方法有兩種,一種是建立生烴潛量與TOC之間的直接關(guān)系,另一種為多元回歸參數(shù)法。因研究區(qū)勘探程度較低,目的層鉆遇井少,地化參數(shù)的主要研究對象為露頭剖面。本文對研究區(qū)露頭與鉆井實測的生烴潛量與TOC進行擬合(圖4),發(fā)現(xiàn)生烴潛量與TOC之間存在如下關(guān)系:

圖4 有機碳含量與生烴潛量的關(guān)系

(13)

前人對實測生烴潛量與常規(guī)測井參數(shù)、TOC、Ro值進行相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)生烴潛量與Ro、DT和SP的相關(guān)性高,因此本文采用三元參數(shù)回歸的方法,得到生烴潛量與Ro、DT和SP的關(guān)系式如下:

(14)

分別將(13)式與(14)式計算得到的生烴潛量預(yù)測值與實測值進行相關(guān)性分析(圖5),其中,公式(13)中TOC值為采用本文2.1節(jié)中的多元回歸參數(shù)模型反演所得的數(shù)值。對比上述兩種方法的相關(guān)性不難發(fā)現(xiàn),上述兩種方法在研究區(qū)內(nèi)的實際應(yīng)用效果一般,但基于熱解實驗數(shù)據(jù)所得到的模型優(yōu)于利用回歸參數(shù)建立的模型。因此本文采用(13)式預(yù)測區(qū)內(nèi)烴源巖生烴潛量。

圖5 采用不同方法計算得到的生烴潛量預(yù)測值與實測值的相關(guān)性分析結(jié)果a 基于(13)式計算得到的預(yù)測值與實測值; b 基于(14)式計算得到的預(yù)測值與實測值

3 研究區(qū)烴源巖評價

由吐哈盆地構(gòu)造分區(qū)圖可知,目前鉆遇中二疊統(tǒng)地層的鉆井大都分布在臺南凹陷和了墩隆起,其中,連22井和英17井的部分數(shù)據(jù)為收集得到。本次研究利用測井數(shù)據(jù)反演臺南凹陷和了墩隆起的中二疊統(tǒng)烴源巖地化參數(shù)。

為了驗證優(yōu)選所得的烴源巖地化參數(shù)評價模型應(yīng)用時的精確性,本文利用鉆井實測數(shù)據(jù)與不同方法得到的預(yù)測數(shù)據(jù)計算上述模型的平均誤差率(表2),結(jié)果顯示:在研究區(qū)內(nèi),利用多元回歸參數(shù)法計算TOC的平均誤差率為18.81%;利用二元線性回歸法計算Ro的平均誤差率為13.40%;利用(13)式計算PG的平均誤差率為32.15%,表明優(yōu)選所得模型在評價烴源巖地化參數(shù)時具有較高的準確性。

基于測井方法預(yù)測結(jié)果,分別繪制該區(qū)兩口井中二疊統(tǒng)烴源巖綜合地球化學剖面,結(jié)果如圖6和圖7所示,吐哈盆地中二疊統(tǒng)桃東溝群烴源巖地化參數(shù)頻率直方圖如圖8 所示。

由圖6和圖7可以看出:位于臺南凹陷的魯南1井地層變化較小,烴源巖層主要為黑色泥巖,為優(yōu)質(zhì)烴源巖;位于了墩隆起的南湖1井所在地層變化明顯,主要烴源巖層段為多套深灰色泥巖,為差-較好-好烴源巖。

圖6 魯南1井中二疊統(tǒng)烴源巖綜合地球化學剖面

圖7 南湖1井中二疊統(tǒng)烴源巖綜合地球化學剖面

由圖8可知,吐哈盆地中二疊統(tǒng)桃東溝群烴源巖的TOC值多數(shù)大于1.0%,鏡質(zhì)體反射率主要分布范圍為0.5%～1.3%,PG主要分布范圍為2.0～6.0mg/g。但是,臺南凹陷烴源巖TOC值和鏡質(zhì)體反射率要高于了墩隆起,兩者PG值相差不大,臺南凹陷略高。

圖8 吐哈盆地中二疊統(tǒng)桃東溝群烴源巖的地化參數(shù)頻率直方顯示a 吐哈盆地TOC分布; b 臺南凹陷TOC分布; c 了墩隆起TOC分布; d 吐哈盆地Ro分布; e 臺南凹陷Ro分布; f 了墩隆起Ro分布; g 吐哈盆地PG分布; h 臺南凹陷PG分布; i 了墩隆起PG分布

根據(jù)我國陸相生油巖的有機質(zhì)豐度和成熟度評價標準[21],就TOC值而言,吐哈盆地中二疊統(tǒng)桃東溝群烴源巖整體屬于優(yōu)質(zhì)烴源巖;就PG值而言,吐哈盆地中二疊統(tǒng)桃東溝群烴源巖大多屬于較優(yōu)質(zhì)烴源巖。因此,吐哈盆地中二疊統(tǒng)桃東溝群烴源巖屬于優(yōu)質(zhì)-較優(yōu)質(zhì)烴源巖,成熟度為低成熟-成熟階段,主要為低成熟階段。臺南凹陷的烴源巖的優(yōu)質(zhì)烴源巖比例明顯高于了墩隆起;臺南凹陷烴源巖處于低成熟-成熟階段,而了墩隆起的烴源巖處于低成熟階段。

統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)7口資料齊全鉆井的TOC、鏡質(zhì)體反射率和生烴潛量的平均值(表3),結(jié)果顯示:臺南凹陷鉆井單井烴源巖TOC與PG值均高于了墩隆起的南湖1井,成熟度差異不大,均處于低成熟階段。這表明臺南凹陷的烴源巖的有機質(zhì)豐度優(yōu)于了墩隆起。

表3 研究區(qū)內(nèi)7口鉆井的烴源巖地化參數(shù)平均值

4 結(jié)論與認識

基于吐哈盆地桃東溝群烴源巖地球化學參數(shù)的實測數(shù)據(jù),對比目前應(yīng)用較為廣泛的烴源巖測井評價方法,優(yōu)選出多元回歸參數(shù)法應(yīng)用于總有機碳含量的計算,將基于聲波時差與埋深所建立的模型用于鏡質(zhì)體反射率的計算,將基于有機碳含量與生烴潛量所建立的模型用于生烴潛量的評價。

將上述模型方法應(yīng)用于吐哈盆地桃東溝群烴源巖地化參數(shù)評價,結(jié)果表明,研究區(qū)內(nèi)桃東溝群烴源巖的總有機碳含量幾乎均大于1.0%,生烴潛量為2.0～6.0mg/g,為優(yōu)質(zhì)-較優(yōu)質(zhì)烴源巖;鏡質(zhì)體反射率主要分布范圍為0.5%～1.3%,處于低成熟-成熟階段。

吐哈盆地桃東溝群烴源巖地化參數(shù)的縱向與橫向?qū)Ρ冉Y(jié)果表明:臺南凹陷烴源巖有機質(zhì)豐度優(yōu)于了墩隆起。