邊緣凹陷烴源巖有機質豐度曲面預測法
——以渤海灣盆地萊州灣東北洼為例

趙子斌　侯讀杰*　程　熊　代　峰　董立成　徐長貴

(①中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083； ②海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室，北京 100083； ③中國海洋石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452)

1　引言

烴源巖有機質豐度反映了有機質的富集程度。在相同有機質類型的烴源巖中，高有機質豐度預示其在熱演化過程中具有更大的生油氣潛力。總有機碳含量(TOC)是最常用的表征有機質豐度的參數，其數值的獲取一般通過有機碳分析和巖石熱解等實驗方法或結合樣品實測的TOC預測法得到。基于TOC在不同測井曲線上的響應計算烴源巖TOC的方法具有縱向數值連續、可降低有限烴源巖樣品的統計誤差的特點[1-4]。

經歷多期沉降運動的邊緣凹陷的構造樣式和沉積組合復雜多樣，地層非均質性強。渤海灣盆地東部邊緣凹陷勘探程度低，樣品較少，烴源巖揭示程度差，在烴源巖有機質豐度評價中需進行有機質豐度預測。邊緣凹陷潛在資源逐漸成為新的勘探目標，研究烴源巖有機質豐度可為油氣勘探部署及開發決策提供科學的參考依據，具有重要的理論意義和實踐意義。

2　有機碳預測概述

目前烴源巖有機碳預測方法可分為測井數據預測和地震屬性預測法兩大類。Herron等[5,6]利用C/O能譜測井中的C/O和Si/Ca曲線求取烴源巖有機質豐度；Passey等[7]提出了基于測井電阻率和聲波時差的ΔlogR法，并得到認可和應用[8-11]；趙彥超等[12]使用“雙孔隙度法”計算有機質含量；匡立春等[13]利用含油氣飽和度法預測有機質豐度；王健等[14]利用密度測井數據對TOC進行回歸預測；劉超等[15-18]建立了基于計算機自動拾取的方法識別基線和變系數的ΔlogR法；饒松等[19]利用自然伽馬法預測有機質含量；朱光有等[20]、胡慧婷等[21]、陳貴科等[22]利用多元回歸方程得到了有機質含量預測公式。此外，有人結合測井數據、地震屬性和TOC實測值反演不同層位的有機質豐度，即先通過地震解釋拾取層位，再提取和優選相應層位的各類地震屬性，并建立一套地震屬性和已知參數的組合關系，最終反演得到不同層位的有機質豐度特征[23-29]。傳統的ΔlogR法計算公式為

(1)

TOC=ΔlogR×10a

(2)

式中：ΔlogR為聲波時差曲線和電阻率曲線的疊合差值，R為電阻率測井實測值；R基線和Δt基線分別為電阻率和聲波時差穩定值； Δt為實測聲波時差；a=2.297-0.01688LOM，LOM為熱變指數。

然而傳統的ΔlogR法及基于ΔlogR法的其他預測法存在三個主要問題：①基線拾取所占權重較大。第一，基線拾取本身存在一定誤差，曲線向高值或低值區少量偏移，會對最終的預測結果造成較大影響；第二，該理論默認細粒穩定段為非烴源巖，然而無論是碳酸鹽巖還是泥巖，其或多或少都含有有機質，這一理論公式未考慮到有機質背景值的問題，使預測結果的準確性大大降低，導致預測結果在整體上反映了有機質在剖面上的垂向變化趨勢[1,30]。②LOM本身是有機質成熟度的反映，間接依靠盆地模擬或鏡質體反射率估計其數值，在這一過程中也會產生一定誤差，進而影響預測效果。③最重要的是，一般根據測井曲線在細粒巖石上的穩定段確定基線，然而在邊緣凹陷帶等地層變化快、無大段連續而穩定的泥巖地區，在測井曲線上無法識別穩定段，因而從本質上講不存在基線，因此基于ΔlogR的預測方法在邊緣凹陷帶具有局限性。地震數據具有在平面和垂向連續的特點，因而利用地震屬性反演TOC值的方法能夠反映有機質含量在平面和垂向的連續分布特征[1,3,31,32]。但是在地層變化較快的邊緣凹陷地區，利用地震屬性反演TOC值的方法的擬合度也僅有55.7%，表明該方法在邊緣凹陷的適用性較低[33]。

3　基于測井數據的三元二次曲面擬合預測

文中結合電阻率、聲波時差和密度等測井曲線與實測TOC值，采用三元二次最小二乘法進行曲面擬合預測烴源巖TOC值。考慮到基線判識及有機質背景值等參數拾取誤差問題，將原有模型進行改寫。首先將式(2)改寫為

TOC=K×ΔlogR+△TOC

(3)

式中：K為擬合系數；△TOC為有機質背景值。將式(1)代入式(3)，并引入密度測井數值，可得

(4)

式中： lgR為以10為底的電阻率實測值對數值； Δt為實測聲波時差；DEN為密度測井實測值；a、b、c為擬合系數；f(lgR)和g(Δt)分別為lgR和Δt的函數。

考慮到有機質輸入受到有機質母源、氣候、沉積環境及保存條件等因素的影響，對式(4)進行電阻率—聲波—密度三元二次最小二乘曲面擬合。為了降低迭代過程的復雜性，擬合過程以降維開始，將式(4)變換為僅含lgR和Δt兩個變量的函數，即

d=e×f′(lgR)+h×g′(Δt)+i

(5)

式中：e、h和i為擬合系數；d為中間變量；f′(lgR)和g′(Δt)分別為lgR和Δt的二次函數。可見式(5)為二元二次方程。

將數據加載到“IBM SPSS 17.0”中進行“二元二次最小二乘曲面自動擬合”(圖1)，最后將式(1)～式(4)的變換逆向代回，得到最終結果。這種將電阻率、聲波時差和密度三類測井數據與實測有機質含量數據結合進行三元二次最小二乘曲面擬合的預測手段具有兩個優點：首先，采用原始測試數據直接進行擬合，消除了基線拾取和LOM取值時產生的人為誤差；另一方面，該方法將密度這一反映巖石組分的綜合指標納入預測控制因素的范疇，更好地控制了有機質的測井響應[20,34]。

圖1　沙三段二元二次擬合圖示

在渤海灣盆地等構造活躍的盆地邊緣地區，其沉積和構造較復雜，加之不同沉積時期古環境、古氣候和有機質母源輸入的差異，在不同年代地層中形成了不同的有機質類型和孔滲性等巖石物性特征的組合，進而導致不同層位各測井參數間的差異。因此，分層段(組)進行有機質豐度擬合預測更具有針對性和實際意義。

4　實例分析

本次研究樣品來自渤海灣盆地萊州灣東北洼的K-a、K-b、K-c井，研究區(圖2)位于渤海灣盆地海域部分的東南緣，西接萊北低凸起，東鄰郯廬斷裂帶，南部為萊州灣凹陷主洼，為一個典型的邊緣次級洼陷。

①中海油渤海研究院.渤海灣地區油氣富集規律與有利勘探方向，2015限于經濟原因，海上鉆井取心較少，烴源巖樣品多以巖屑為主，在樣品分析過程中存在以下困難。第一，泥巖巖屑本身在鉆井過程中被泥漿沖洗嚴重，被大量泥漿所包裹。所取樣品被大量已脫水并粘附在泥巖巖屑上的泥漿所包圍，泥雜質的混入增大了樣品的無機本底，進而拉低了烴源巖有機碳含量實驗數值。第二，泥漿沖洗作用降低了樣品中的干酪根豐度，循環液的高壓沖洗會帶走一部分樣品外層的有機質，進而拉低測試結果。因此在樣品準備前應注意去除樣品表層泥漿和被沖洗過的表層泥巖，將最后留下的樣品進入下一步測試分析前的制樣階段。

圖2　研究區構造區劃圖①

準確的巖石有機質豐度參數是保證擬合效果的一個重要前提，本次采用Leco CS744型巖石碳硫分析儀對所有樣品進行有機碳分析。

4.1　參數特征

有機碳分析表明，本區烴源巖TOC值為0.58%～4.26%，平均值為2.18%。沙三段烴源巖有機質豐度最高，TOC值為1.95%～4.26%，平均值為2.93%；沙二段TOC值為1.21%～3.22%，平均值為2.01%；沙一段有機質豐度較沙二段低，TOC值為0.59%～3.38%，平均值為1.48%；東三段烴源巖有機質豐度最低，TOC值為0.58%～1.76%，平均值為0.95%。

4.2　擬合結果

通過對研究區沙三段、沙二段、沙一段及東三段等烴源巖層段的擬合，得到每個層段烴源巖的有機質豐度預測公式，擬合度較高。擬合公式分別為

(6)

(7)

(8)

(9)

限于篇幅，本文只給出了K-b井有機質豐度預測結果柱狀圖(圖3)。需要注意的是，因為砂巖不能作為烴源巖，故對砂巖不作有機質豐度預測，在剖面上砂巖處為空值。

K-b井烴源巖TOC預測結果表明(圖3)： 沙三段TOC值為0.34%～6.95%，平均值為2.89%； 沙二段TOC值為0.23%～6.95%，平均值為2.63%； 沙一段TOC值為0.26%～6.85%，平均值為2.30%； 東三段TOC值為0.31%～6.99%，平均值為1.17%。

K-a井 烴源巖TOC實測值與預測結果基本吻合，烴源巖TOC預測結果為： 沙三段TOC值為0.37%～6.99%，平均值為3.84%； 沙二段TOC值為0.23%～6.92%，平均值為2.66%； 沙一段TOC值為0.20%～6.89%，平均值為2.44%； 東三段烴源巖TOC值為0.21%～6.49%，平均值為1.06%。

圖3　K-b井有機質豐度預測結果柱狀圖

K-c井烴源巖TOC的預測結果表明：沙二段TOC值為0.22%～6.85%，平均值為2.40%； 沙一段TOC值為0.22%～6.90%，平均值為1.48%； 東三段TOC值為0.20%～3.09%，平均值為0.95%； 沙三段未被測井揭示。

由三口井數據預測的TOC值在剖面上呈頻繁跳動特征，在一定程度上反映了烴源巖有機質含量的非均質性，反映了地史時期盆地邊緣頻繁的水退、水進過程。

5　烴源巖有機質豐度評價

以生烴潛量PG值作為烴源巖豐度等級評價的劃分依據， 即分別以PG等于0.6、 2.0、 6.0和20.0mg/g將烴源巖等級分為“差”、“中等”、“好”和“很好”等，并將“很好”級烴源巖確定為優質烴源巖[30]。依此對應的TOC值建立本區烴源巖評價標準(圖4、表1)。

圖4　烴源巖有機質豐度評價圖板

指標非生油巖生油巖類型差中等好很好PGmg/g<0．60．6～2．02．0～6．06．0～20．0>20．0TOC%<0．10．1～0．450．45～1．01．0～3．0>3．0

依照烴源巖有機質豐度評價標準(表1)，研究區沙三段烴源巖實測TOC值以大于2.0%為主，預測TOC平均值為2.89%～3.84%，有機質豐度高，烴源巖以“好”級為主，“很好”和“好”級均有發育，生烴潛力最大；沙二段烴源巖“很好”和“好”級均有發育，但實測TOC值主體為1.0%～2.0%，預測TOC平均值為2.40%～2.66%，相對沙三段有機質豐度低，烴源巖屬“好”級；沙一段烴源巖實測TOC值分布范圍較大，預測TOC平均值為1.48%～2.44%，烴源巖總體為“好”級，但差于沙二段；東三段預測TOC均值為0.95%～1.17%，烴源巖主要為“中等—差”級(圖5)。

圖5　烴源巖實測TOC值分布直方圖

綜合烴源巖預測結果，研究區各層段隨地層由老到新有機質豐度逐漸降低，沙三段烴源巖為“很好”級，沙一段及沙二段烴源巖為“好”級，東三段烴源巖為“中等—差”級。

6　有機碳平面分布特征

基于前述的各項工作，結合烴源巖有機質豐度實測數值、預測數值及沉積相展布等資料，利用盆地模擬繪制烴源巖TOC值等值線圖(圖6)。

6.1　沙三段烴源巖TOC值分布特征

與渤海灣盆地其他地區一樣，沙三段是本區最為重要的烴源巖層系。沙三段具有高TOC值的特征，平面上呈現兩個高值區。第一個高值區靠近萊北低凸起，是TOC值最高的部位(TOC值最高大于4%)，TOC值呈環帶狀分布，反映了沉積時期的古地理環境。沙三段古地理環境恢復表明，在地史期間古河流由東南向西北方向流動，在K-b井東南方向發育辮狀河三角洲相，在其西北方向發育濱淺湖—半深湖相，因而該區有機質具有環帶狀分布特征，且該部位在地史時期深度最大，故具有最高的TOC值。另一個高值區位于研究區南部(靠近K-c井)，TOC值最大可超過2%，在地史時期該部位水體深度也較大。整體上看，研究區沙三段TOC值分布呈現東西低、中心高的特點(圖6a)。

6.2　沙二段烴源巖TOC值分布特征

受構造遷移作用影響，沙二段TOC值分布特點與沙三段相比有較大變化，共發育四個TOC值高值區。原西北方向的高值區范圍萎縮，TOC最大值達到4%，但其分布范圍較沙三段大幅度縮減。原東南方向高值區擴大，TOC最大值達4%。此外，K-a井和研究區東北角附近也發育兩個TOC高值區，最大可達4%(圖6b)。

6.3　沙一段烴源巖TOC值分布特征

隨構造遷移作用增強，研究區在沙一段沉積期發生構造抬升，沉積水體變淺。該階段TOC高值區范圍呈繼承性萎縮，洼陷東、西兩側及南部的高值區面積縮小，TOC最大值約為3%。原北部高值區范圍嚴重萎縮，TOC值僅在局部達到3%。整體上沙一段TOC值分布呈中間狹長地帶較高、向東西兩側逐漸降低的特征(圖6c)。

6.4　東三段烴源巖TOC值分布特征

東三段TOC值繼承了沙一段的特征，閉合的高值區消失，TOC值沿洼陷走向呈狹長分布特征，且TOC最大值約為1.5%(圖6d)。

綜上所述，一方面，在早期TOC值的一個高值帶分布于洼陷沉積中心，到后期受構造遷移和抬升作用影響，TOC值高值帶向四周擴散、高值降低、直至閉合狀高值帶消失；另一方面，TOC值的空間分布表現為隨時間由老到新有機質豐度逐漸降低的特點，因此沙三段為主要烴源巖。

圖6　萊州灣東北洼烴源巖TOC值等值線圖

7　結束語

在地層變化快、非均質性強的邊緣凹陷的烴源巖有機質豐度預測中，基于△logR法的測井預測法和地震屬性預測法存在局限性。

文中結合電阻率、聲波時差和密度等測井曲線與實測TOC值，采用三元二次最小二乘法進行曲面擬合預測烴源巖TOC值，在渤海灣盆地萊州灣東北洼烴源巖有機質豐度預測中取得了較好的預測效果。預測結果表明：TOC值分布由早期的洼陷沉積中心的一個高值帶，到后期隨構造遷移和抬升作用影響，高值帶向四周擴散、高值降低、直至閉合狀高值帶消失的特征；TOC值的空間分布表現為隨時間由老到新有機質豐度逐漸降低的特點，因此沙三段為主要烴源巖。

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