利用地震信息定量預測烴源巖 TOC 質量分數

陳宇航，姚根順， 劉震， 呂福亮，唐鵬程， 陳亮，趙千慧(1.中國石油勘探開發研究院，北京，10008；.中國石油杭州地質研究院，浙江 杭州，100；.中國石油大學(北京)地球科學學院，北京，109；.中海油研究總院，北京，10007)

?

利用地震信息定量預測烴源巖 TOC 質量分數

陳宇航1,2，姚根順2， 劉震3， 呂福亮2，唐鵬程2， 陳亮4，趙千慧3
(1.中國石油勘探開發研究院，北京，100083；
2.中國石油杭州地質研究院，浙江 杭州，310023；
3.中國石油大學(北京)地球科學學院，北京，102249；
4.中海油研究總院，北京，100027)

摘要：基于烴源巖評價是低勘探程度區(深水、深層)油氣勘探工作中的重要環節，而烴源巖的有機碳(TOC)質量分數往往決定該地區的資源潛力和油氣儲量規模，將地震資料和少量鉆井資料結合，通過地震速度反演對烴源巖的TOC質量分數進行預測：對FAUST公式進行變換，建立用泥巖速度預測電阻率的模型，并結合ΔlgR法，建立少井約束地震預測TOC質量分數模型。利用該模型對南海北部深水區C凹陷Y1段烴源巖TOC質量分數進行預測。研究結果表明：凹陷邊緣三角洲相與海岸平原相TOC質量分數較高，凹陷中心濱淺海相TOC質量分數較低；TOC質量分數分布與沉積相匹配良好，顯示了該預測方法在低勘探程度地區的可行性。

關鍵詞：低勘探地區；有機碳；ΔlgR法；有色反演

烴源巖預測及評價是油氣勘探工作中一個重要環節。而在低勘探程度地區尤其是深層、深水區，由于鉆井很少，烴源巖樣品有限，無法通過有機地球化學以及測井解釋方法對烴源巖進行評價。但低勘探程度地區地震資料豐富，可利用地震資料對烴源巖進行預測。前人通過相關研究，提出了許多利用地震資料預測和評價烴源巖的方法，并取得了較好的效果[1?5]，但他們通過地震資料預測及評價烴源巖的研究主要集中在烴源巖的厚度、烴源巖成熟度以及有機相類型等相關內容上[3?5]，而對有機碳(TOC)質量分數這一評價烴源巖質量的重要指標研究較少。近年來，隨著三維地震的廣泛應用，一些學者通過對三維地震資料提取多種屬性，建立不同地震屬性和烴源巖TOC質量分數之間的經驗公式，得到三維TOC質量分數的數據體，以此來預測烴源巖TOC質量分數[6]。但是，目前在低勘探地區尤其是深水區，三維地震資料主要覆蓋在凹陷的邊緣或凸起處等構造圈閉和地層圈閉較發育的區域，而烴源巖的主要發育部位即凹陷中心主要被二維地震資料所覆蓋，三維地震覆蓋面積很小，無法通過這種方法對整個凹陷烴源巖 TOC 質量分數分布進行有效預測和評價。針對上述問題，本文作者利用二維地震資料以及少數井資料，以井為控制點，通過FAUST 公式的逆變換建立泥巖電阻率與泥巖速度的響應關系，并結合 ΔlgR 法預測烴源巖TOC 質量分數的方法，建立少井約束地震預測TOC質量分數模型。應用該方法，對南海北部深水區C凹陷烴源巖主要發育層位 Y1段烴源巖 TOC 質量分數的平面分布進行預測。

1　建立泥巖電阻率與泥巖速度的響應關系

FAUST 提出了用于表征深度約束條件下巖層的電阻率與聲波速度之間統計關系的經驗公式[7]，即FAUST公式：

式中：v 為聲波速度，m/s；K，C 和 d 為不同地區地層經驗系數，可利用測井中的 v 和 Rt，按照 FAUST公式求取。H為深度，m；Rt為電阻率，Ω?m。FAUST公式并不適用于所有地層。由于聲波時差曲線和電阻率曲線不僅受巖性的影響，而且巖石孔隙中的流體對電阻率的影響比聲波的影響更大，因此，只有在電阻率曲線與聲波曲線存在較好對應關系的地層中，FAUST公式才適用[8]。一般地，FAUST公式較適用于泥巖和較致密的砂巖，因為這類地層的電阻率與聲波時差曲線受孔隙流體影響較小，變化趨勢較穩定，具有比較好的對應關系。由式(1)可得

式中：k 和 b 為常數。電阻率 Rt與ln(v/H)存在統計上的線性關系，由此可通過該地區泥巖的聲波時差預測泥巖的電阻率。聲波時差?t為速度v的倒數，在井控區域之外，可以利用地震資料反演獲得地層速度，以完成對泥巖層段的電阻率預測。

2　優化ΔlgR 法

在一般情況下，泥巖富含黏土礦物，故相對于砂巖，泥巖的自然伽馬值 GR更高。當泥巖富含有機質時，由于有機質密度小于巖石骨架密度，降低了泥巖的速度，在聲波時差曲線上具有高值響應，而成熟烴源巖內生成油氣，在電阻率曲線上顯示為高值異常[9]，因此，在泥質地層中，有機質質量分數低的層段，電阻率曲線和聲波時差曲線之間的差異(間距)較小，而在富含有機質、成熟烴類的層段，2條曲線差異(間距)較大[10]。

基于以上原理，P ASSEY等[10]提出聲波?電阻率曲線重疊法(ΔlgR法)預測烴源巖TOC質量分數。將聲波時差曲線和電阻率曲線疊加在一起，在刻度上每2個對數電阻率刻度對應的聲波時差為100 μs/m。通過左右調整測井曲線的位置，使得 2條曲線在非烴源巖泥質層段重合，視為基線。ΔlgR法主要計算公式如下：

式中：?l gR 為聲波時差曲線和電阻率曲線疊合幅度差；Rt為電阻率，??m；R基線為基線電阻率，??m；Δt為聲波時差，μs/m；Δt基線為基線的聲波時差，μs/m；w(TOC)為有機碳質量分數；LOM為熱變指數，反映有機質成熟度，與TOC質量分數有一定對應關系，用鏡質體反射率Ro代替LOM也是目前較常用方法[11]。但在低勘探程度地區，鉆井很少，烴源巖樣品有限，缺乏足夠的 Ro實測數據，無法建立其與 TOC 質量分數的對應關系，且在一定層段內，可將Ro視作常數，故式(4)可變為

其中：a和c為常數。

3 構建低勘探程度地區少井約束地震預測 TOC 質量分數模型

根據以上分析可知，ΔlgR 法預測烴源巖 TOC 質量分數的關鍵數據是聲波時差和電阻率。利用FAUST公式的變換式(式(2))，可以獲得泥巖電阻率。聲波時差是速度的倒數，在低勘探程度地區，可以通過地震資料反演獲得的速度代替聲波時差。因此，結合FAUST 公式以及 ΔlgR 法，可以據地震速度構建低勘探程度地區的烴源巖TOC質量分數預測模型。

將式(2)代入式(3)，可得

將式(7)和式(6)合并，得到烴源巖 TOC 質量分數最終預測模型為

該模型將測井資料和地震資料結合，對TOC質量分數進行預測。其中R基線和Δt基線通過測井資料獲得，速度v通過地震資料反演獲得，而深度H則通過研究區的時深關系獲得。

4　應用效果分析

4.1模型建立

C 凹陷位于深水區，勘探程度很低，目前只有1口鉆井。采用傳統的烴源巖TOC質量分數預測方法無法對整個凹陷烴源巖TOC質量分數分布進行預測，而利用本文建立的少井約束地震預測 TOC 質量分數模型，可以將二維地震資料和少量井資料結合起來，對整個凹陷烴源巖發育層段烴源巖 TOC 質量分數分布進行預測。

C 凹陷主要烴源巖的發育層段為古近系漸新統的Y1段，主要發育海陸過渡相。通過 Well-1井巖性柱剖面可以看出：在古近系 Y1段地層中，發育大套淺海相泥巖以及粉砂質泥巖，夾有薄層的濁積水道砂巖。測井曲線顯示：泥巖的電阻率和聲波時差在 Y1段變化趨勢穩定，而在砂巖層段以及 Y1段底部電阻率曲線變化幅度較大，質量較差。對該井實際資料進行統計，發現該井在 Y1段上部和中部泥巖的聲波時差與電阻率具有良好的統計關系(見圖1)，說明在這該層段可以通過式(2)，利用泥巖聲波時差來獲得其電阻率。

圖1　C凹陷Well-1井Y1段測井沉積相圖Fig.1　Logging sedimentary facies map of Y1member in well1inC sag

對Rt和ln(v/h)進行擬合(見圖2)，確定Rt和ln(v/h)對應關系為

從圖2可以看出：該井 Y1段泥巖的電阻率 Rt和ln(v/h)線性關系擬合度較高，相關系數R2為0.848 9。

圖2C凹陷Well-1井Y1段Rt?ln(v/h)交會圖Fig.2Correlation of Rt and ln(v/h)of Y1member in Well-1ofC sag

利用測井曲線和巖心資料，將電阻率、聲波曲線重疊，確定R基線=1.7633Ω?m，Δt基線=350.3303μs/m，利用聲波時差 t ?和經 t ?計算得到的電阻率 Rt來計算ΔlgR，將 ΔlgR 與實測 TOC 質量分數進行交會，見圖3最終確定TOC質量分數的預測模型為

圖3　C凹陷Well-1井Y1段TOC質量分數與ΔlgR交會圖Fig.3　Correlation of ΔlgR and TOC mass fraction of Y1member in Well-1ofC sag

由該預測模型可以看出 ΔlgR和 TOC 質量分數存在正相關關系，即 ln(v/H)和 TOC 質量分數存在正相關關系，這也符合 ΔlgR 預測原理。Rt和 t ?的2條曲線差異(間距)越大，泥巖 TOC 質量分數的質量分數越高。

4.2誤差分析

為檢驗該預測模型的精確性，以實測樣本集中的Well-1井Y1段為例，比較TOC質量分數計算值與實測值之間的誤差，見表1。從表1可知：TOC質量分數最大相對誤差為 9.97%，最小相對誤差為 0.55%，平均相對誤差為4.79%，表明利用此方法預測的TOC質量分數具有較高的精度，可以作為該地區烴源巖TOC質量分數的預測方法。

表1　TOC質量分數計算結果誤差統計表Table1　Error ofCalculated mass fraction of TOC

4.3TOC質量分數平面分布預測

通過以上研究可以看出泥巖速度是預測 TOC 質量分數的關鍵參數，目前一般利用地震資料反演獲得地層巖性速度。但在深水區，鉆井資料十分有限，采用常規地震速度反演方法并不能保證提取地震子波的準確性，進而會影響反演速度的精度。針對上述情況，本研究采用有色反演的方法來完成地層巖性速度反演。

有色反演是將有色濾波理論應用到地球物理反演領域而形成的一套方法，該法只需1個濾波過程即可達到反演目的，不需提取地震子波，不用建立初始模型，在反演過程中人為影響少，能夠反映真實地質現象，在少井的深水區非常適用[12?14]。目前，有色反演在井震層序地層格架建立、層序解釋構造、地震相研究、巖性圈閉預測等領域均獲得較好的應用效果。

有色反演方法的關鍵環節是提取有色濾波因子，濾波因子由測井和地震信息共同決定。有色反演方法主要包含4步：1)單井波阻抗頻譜分析(圖 4(a))，擬合出井波阻抗能量曲線(圖 4(b))；2)井旁地震道頻譜分析(圖4(c))，擬合出地震波阻抗能量曲線(圖4(d))；3)地震道頻譜和單井波阻抗頻譜通過匹配算子使其匹配(圖 4(e)和圖 4(f))；4)利用匹配算子進行全部地震剖面計算，完成反演。

通過有色反演獲得的是地層的相對速度(圖5(a))，而利用研究區的速度譜插值獲得的是低頻速度(圖5(b))，將相對速度和低頻速度疊加，即可獲得能夠反映地層真實情況的絕對速度(圖5(c))。

將反演得到井旁地震道的絕對速度和聲波測井速度進行對比，結果見圖 6。井旁地震道絕對速度與測井聲波速度平均相對誤差為 6.59%，誤差較小。以聲波測井速度為標準，取絕對速度與聲波測井速度絕對誤差的平均值作為絕對速度的誤差校正量，據此校正量對合成的地震絕對速度進行誤差校正可獲得更精確的地層速度，進而提高烴源巖TOC質量分數定量預測的精度。

通過有色反演獲得的相對速度對地層巖性的變化十分敏感，因此，首先通過有色反演的結果確定地層中泥巖位置，然后確定相應位置泥巖的絕對速度，將泥巖的絕對速度以及對應的深度代入預測模型，即可計算出該位置泥巖的TOC質量分數。

通過以上方法，對C 凹陷有利烴源巖發育層段Y1段TOC質量分數平面分布進行預測，將TOC質量分數等值線圖和沉積相分布圖疊合，見圖7。

圖4有色反演原理示意圖Fig.4Schematic diagrams ofColor inversion theory

從圖7可以看出：TOC質量分數在凹陷邊緣較高，達6%左右，從凹陷邊緣向凹陷中心逐漸降低，從6%逐漸減至1%左右；相應地，在沉積相分布上，凹陷邊緣主要發育海岸平原相和三角洲相，其中海岸平原相為低能還原環境，而三角洲相距離物源較近，2 種沉積相均有利于有機質的富集和保存，故與TOC質量分數高值區相對應；凹陷中心主要為濱淺海相，物源供給有限，并缺少低等水生生物的貢獻，有機質堆積相對減少，不利于烴源巖的發育，故TOC質量分數較低，預測結果與前人預測的南海北部相鄰地區烴源巖有機相分布結果相符[15?16]?？梢?，通過該方法預測的烴源巖 TOC 質量分數平面分布和沉積相分布在整體上具有良好的匹配關系。

圖5　地層相對速度、低頻速度和絕對速度剖面Fig.5　Profiles of relative velocity,low frequency velocity and absolute velocity of earth layer

圖6　C凹陷Well-1井井旁地震道絕對速度與測井聲波速度對比圖Fig.6　Comparison of uphole trace and acoustic velocity in Well-1inC sag

圖7　C凹陷Y1段TOC質量分數及沉積相平面分布圖Fig.7　TOC mass fraction and sedimentary facies map of Y1member inC sag

5 結論

1)針對低勘探地區鉆井稀少的特點，利用地震和1口井的測井資料，應用 FAUST 公式和 ΔlgR 法，建立了少井約束地震預測TOC質量分數模型。利用該模型，對南海北部深水區C凹陷Y1段烴源巖的TOC質量分數進行預測，發現凹陷邊緣海岸平原、三角洲等沉積相TOC質量分數較高，而凹陷中心濱淺海相TOC質量分數較低，預測結果與沉積相具有良好的匹配關系。

2)雖然地震資料的預測精度略低于鉆井資料的預測精度，但在低勘探地區，在鉆井極少的條件下，綜合地震?測井資料，可應用 FAUST 公式和 ΔlgR 法構建的少井約束地震預測TOC質量分數模型，對烴源巖TOC質量分數進行預測。

參考文獻：

[1]張寒,朱光有.利用地震和測井信息預測和評價烴源巖：以渤海灣盆地富油凹陷為例[J].石油勘探與開發,2007,34(1): 55?59.ZHANG Han,ZHU Guangyou.Using seismic and log information to predict and evaluate hydrocarbon source rocks: an example from rich oil depressions in Bohai Bay[J].Petroleum Exploration and Development,2007,34(1): 55?59.

[2]曹強,葉加仁,石萬忠,等.低勘探程度盆地烴源巖早期評價:以南黃海北部盆地東北凹為例[J].石油學報,2009,30(4): 522?529.CAO Qiang,YE Jiaren,SHI Wanzhong,et al.Preliminary prediction and evaluation of source rocks in low-exploration basins: ACase study on the northeast sag of the Northern South Sea Basin inChina[J].Acta Petrolei Sinica,2009,30(4): 522?529.

[3]劉震,常邁,趙陽,等.低勘探程度盆地烴源巖早期預測方法研究[J].地學前緣,2007,14(4):159?167.LIU Zhen,CHANG Mai,ZHAO Yang,et al.Method of early prediction on source rocks in basins with low exploration activity[J].Earth Science Frontiers,2007,14(4):159?167.

[4]顧禮敬,徐守余,蘇勁,等.利用地震資料預測和評價烴源巖[J].天然氣地球科學,2011,22(3): 554?560.GU Lijing,XU Shouyu,SU Jin,et al.Muddy hydrocarbon source rock prediction and evaluation with seismic data[J].Natural Gas Geoscience,2011,22(3): 554?560.

[5]曹強,葉加仁,石萬忠.地震屬性法在南黃海北部盆地勘探新區烴源巖厚度預測中的應用[J].海洋地質與第四紀地質,2008,20(5):109?114.CAO Qiang,YE Jiaren,SHI Wanzhong.Application of the method of seismic attribution to prediction of source rock thickness in the new exploration of north detpression in South Yellow Sea Basin[J].Marine Geology and Quaternary Geology,2008,20(5):109?114.

[6]劉軍,汪瑞良,舒譽,等.烴源巖 TOC 質量分數地球物理定量預測新技術及在珠江口盆地的應用[J].成都理工大學學報(自然科學版),2012,9(4): 415?419.LIU Jun,WANG Ruiliang,SHU Yu,et al.Geophysical quantitative prediction technology about the total organicCarbon in the source rock and application in Pearl River Mouth Basin,China[J].Journal ofChengdu University of Technology(Science & Technology Edition),2012,9(4): 415?419.

[7]FAUST L Y.Seismic velocity as a function of depth and geologic time[J].Geophysics,1951,16(2):192?206.

[8]陳鋼花,王永剛.FAUST 公式在聲波曲線重構中的應用[J].勘探地球物理進展,2005,28(2):125?128.CHEN Ganghua,WANG Yonggang.Application of FAUST equation in rebuilding of acousticCurve[J].Progress in Exploration Geophysics,2005,28(2):125?128.

[9]高崗,王緒龍,柳光弟,等.準噶爾盆地上三疊統源巖 TOC質量分數預測方法[J].高校地質學報,2012,18(4): 745?750.GAO Gang,WANG Xulong,LIU Guangdi,et al.Prediction method and of organicCarbon abundance of darkColor mudstones in the triassic system of junggar basin[J].Geological Journal ofChina Universities,2012,18(4): 745?750.

[10]PASSEY Q R,CREANEY S,KULLA J B.A practical model for organic richness from porosity and resistivity logs[J].AAPG Bulletin,1990,74(5):1777?1794.

[11]曲彥勝,鐘寧寧,劉巖,等.烴源巖有機質豐度測井計算方法及影響因探討[J].巖性油氣藏,2011,23(2): 80?84.QU Yansheng,ZHONG Ningning,LIU Yan,et al.Using longging methods toCalculate matter abundance of source rocks and its influencing factors[J].Lithologic Reservoirs,2011,23(2): 80?84.

[12]郭志峰,劉震,呂睿,等.南海北部深水區白云凹陷鉆前地層壓力地震預測方法[J].石油地球物理勘探,2012,47(1):126?136.GUO Zhifeng,LIU Zhen,Lü Rui,et al.Predrill prediction of formation pressure using seismic data in deep-water area of Baiyun Depression,northern SouthChina Sea[J].Oil Geophysical Prospecting,2012,47(1):126?136.

[13]黃艷輝,劉震,陳婕,等.利用地震信息定量預測烴源巖熱成熟度[J].石油地球物理勘探,2013,48(6): 985?994.HUANG Yanhui,LIU Zhen,CHEN Jie,et al.Source rock maturity quantitative prediction using seismic information,aCase study in the Ledong—Lingshui Depression,Qiongdongnan Basin[J].Oil Geophysical Prospecting,2013,48(6): 985?994.

[14]王子嵩,劉震,王振峰,等.瓊東南盆地深水區中央坳陷帶異常壓力分布特征[J].地球學報,2014,35(3): 355?364.WANG Zisong,LIU Zhen,WANG Zhenfeng,et al.DistributionCharacteristics of abnormal pressure inCentral depression belt,deepwater area,Qiongdongnan Basin[J].Acta Geoscientica Sinica,2014,35(3): 355?364.

[15]王子嵩,劉震,孫志鵬,等.瓊東南深水區樂東—陵水凹陷漸新統烴源巖早期預測及評價[J].中南大學學報(自然科學版),2014,45(3): 876?888.WANG Zisong,LIU Zhen,SUN Zhipeng,et al.Preliminary prediction and evaluation of oligocene source rocks in Ledong-lingshui sag in deep-water area of Qiongdongnan Basin[J].Journal ofCentral South University(Science and Technology),2014,45(3): 876?888.

[16]王子嵩,劉震,黃保家,等.瓊東南盆地深水區中央坳陷帶東部漸新統烴源巖分布及評價[J].天然氣地球科學,2014,25(3): 360?371.WANG Zisong,LIU Zhen,HUANG Baojia,et al.Distribution and evaluation of Oligocene source rocks in the east ofCentral Depression Belt in deep-water area,Qiongdongnan Basin[J].Natural Gas Geoscience,2014,25(3): 360?371.

(編輯 陳燦華)

Total organicCarbon quantitative prediction using seismic information

CEHN Yuhang1,2,YAO Genshun2,LIU Zhen3, Lü Fuliang2, TANG Pengcheng2,CHEN Liang4, ZHAO Qianhui3
(1.Research Institute of Petroleum Exploration and Development,CNPC,Beijing100083,China? 2.PetroChina Hangzhou Institute of Geology,Hangzhou 310023,China? 3.College of Geoscience,China University of Petroleum,Beijing102249,China? 4.China National Offshore OilCorporation Research Institute,Beijing100027,China)

Abstract:Considering that source rock evaluation is an important step of the whole process of oil and gas exploration in low exploration areas(deep water,deep layer),where the mass fraction of total organicCarbon(TOC)of source rocks determines the resource potential and oil and gas reserves,based on theCombination of seismic data and a few of drilling data,the mass fraction of TOCCould be quantitatively predicted by seismic velocity inversion.The mudstone resistivity prediction model was established by velocity based on the FAUST equation-transformation.Furthermore,less wellConstrained seismic prediction model of mass fraction of TOC was built inCombination with ΔlgR method.The mass fraction of TOC ofC Sag of Y1Member in the north of SouthChina Sea was predicted by using this model.The results show that the mass fraction of TOC of the delta andCoastal plain facies on the edge of the Sag is higher than that of shore-neritic facies in the sagCenter.The results areConsistent with those of sedimentary facies,which verifies the reliability of this method.

Key words:low exploration areas?total organicCarbon?ΔlgR method?color inversion

中圖分類號：TE122.1

文獻標志碼：A

文章編號：1672?7207(2016)01?0159?07

DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.023

收稿日期：2015?02?04；修回日期：2015?04?22

基金項目(Foundation item)：國家科技重大專項(2011ZX05025-004)(Project(2011ZX05025-004)supported by the National Major Science and Technology)

通信作者：陳宇航，博士研究生，從事深水油氣地質相關研究；E-mail:C1988yh@163.com