松遼盆地長垣地區白堊系青山口組一段有機質含量對超壓分析的影響及校正方法

徐澤陽,趙靖舟，李軍

(1.西安石油大學 陜西省油氣成藏地質學重點實驗室,陜西 西安 710065；2.西安石油大學 地球科學與工程學院，陜西 西安 710065)

超壓廣泛分布于世界各大盆地中,通常是指高于靜水壓力的孔隙流體壓力。最初人們研究超壓主要是為鉆井服務,而隨著研究的深化,超壓分析已成為油氣成藏研究中的重要一環。近些年來,超壓研究在方法手段和觀點認識兩方面呈現出了一定的發展趨勢。

首先,超壓成因判別方法由過去的推測性判別不斷轉變為以測井、鉆井、錄井等參數為基礎的實證性判別,并形成了一系列成因判別理論,主要包括:基于“加載-卸載”理論的“有效應力-聲波速度法”[1-2]、基于測井參數敏感性的“速度-密度交會圖法”[3-5]以及在這二者基礎上延伸出的一系列方法。在壓力預測方面,由早期僅適用于非均衡壓實成因超壓的平衡深度法發展出指數可靈活變換的Eaton指數法[6]、考慮成因的Bowers法[7]以及經驗統計的劉震法[8-9]等。其次在認識方面,起初關于超壓成因的認識大都以不均衡壓實成因為主導。近年來,隨著超壓成因判別及預測方法的發展及完善,人們逐漸開始重視生烴膨脹、成巖作用、構造傳導等非不均衡壓實的超壓成因。

同樣,早期關于松遼盆地內部泥巖地層超壓的研究多認為不均衡壓實是超壓的主要來源。雖然也有學者提出非不均衡壓實成因對超壓貢獻的可能,但卻缺乏實證性分析[10]。筆者在對松遼盆地長垣地區青山口組一段(青一段)進行研究時發現,該段地層是區域性優質烴源巖,其內部低密度有機質將對測井參數產生一定影響,其勢必會使超壓成因判別結果出現偏差。因此,本文將以長垣地區葡532井為例,給出一套適用于該地區青一段超壓研究的測井參數校正處理方法。

1 測井資料分析

葡532井位于大慶長垣中部,該區青一段是松遼盆地主要的烴源巖之一,干酪根以 Ⅰ 型為主,現今實測鏡質體反射率(Ro)為0.65%～1.15%,平均為0.90%,處于成熟階段。由于上覆青二段-青三段為巨厚的泥巖段,故大部分烴類沿斷層向下“倒灌”進入了扶、楊油層聚集成藏。目前普遍認為向下“倒灌”需具備足夠的動力,故對該段地層壓力特征進行詳細分析。

觀察發現,區內青一段泥巖聲波時差普遍偏離正常壓實曲線(圖1)。結合地層測試顯示的超壓現象,有學者認為該區普遍存在的超壓系不均衡壓實成因。然而,單憑聲波時差特征確定超壓成因幾乎是不可能的,還需結合其他資料綜合判斷[11]。

Bowers(2002)指出體密度、孔隙度屬于體積屬性(bulk property),聲波時差、電阻率屬于傳導屬性(transport property)；此外,當孔隙度保持不變,孔隙結構發生改變時,體積屬性基本不變或變化程度極小,而傳導屬性將表現出極強的敏感性[2,12]。他根據實驗分析指出,孔隙和喉道對體積屬性的影響是一致的；但對于傳導屬性而言,喉道的影響是占主導地位的。也正因如此,由于不均衡壓實僅是壓實過程的停頓或放緩,其對孔隙結構影響不大,所以傳導屬性與體積屬性對這類成因的超壓響應是一致的；而對于生烴這類流體膨脹成因的超壓而言,由于壓力由內部生成,其對喉道與孔隙的重新分布影響重大,因此將表現出傳導屬性響應強烈而體積屬性沒有響應或響應微弱的特征。根據這一理論,本文將以葡532井為例,對體密度及聲波時差進行對比分析,試圖尋找研究區超壓的真正成因。此外,本文采用Tingay(2007)[13]的方法,將二者分別計算為孔隙度,進而方便對比。

1.1 密度計算孔隙度

本文采用下式計算密度孔隙度(即用密度參數計算出的孔隙度,下同):

(1)

式中：Φden為密度孔隙度,小數；ρma為泥巖骨架密度,取經驗值2.68 g/cm3；ρf為孔隙流體密度,取地層水密度1.05 g/cm3；ρb為取值點體密度,由密度測井曲線讀取,g/cm3。

圖1 長垣及三肇地區葡451—宋深6井聲波時差隨埋藏深度變化Fig.1 Interval transit time vs. buried depth in Wells Pu451-Songshen6 in Placanticline and Sanzhao areas

1.2 聲波時差計算孔隙度

根據Raymer等校正的Wyllie方程,即可求得聲波孔隙度(即用聲波時差參數計算出的孔隙度,下同):

(2)

式中：Φsonic為聲波孔隙度,小數；Cp為地層壓實系數,無量綱；Δt為實測聲波時差,μs/m；Δtf為孔隙流體聲波時差,取地層水聲波時差625 μs/m；Δtma為泥巖骨架聲波時差,μs/m。

與密度求取孔隙度不同,聲波時差計算孔隙度時應求得相應的地層壓實系數Cp以及泥巖骨架聲波時差Δtma。為了達到這一目的,本文選取嫩江組三段—五段非源巖泥巖層(下文敘述原因),讀取聲波時差并計算出對應點密度孔隙度進行交會,進而讀取孔隙度為0處的聲波時差值作為泥巖骨架聲波時差。對于葡532井而言,其泥巖骨架聲波時差值應取207.79 μs/m(圖2)。

關于地層壓實系數Cp,可根據下述方法計算:

若圖2擬合結果為:Φden=aΔt-b

(3)

式中：Cp為地層壓實系數,無量綱；Δtf為孔隙流體聲波時差,取地層水聲波時差625 μs/m；Δtma為泥巖骨架聲波時差,取207.79 μs/。

經計算,葡532井地層壓實系數取1.71。

1.3 結果分析

選取地層壓力正常段(嫩江組三段—五段)的密度孔隙度回歸出正常壓實曲線,并將密度孔隙度與聲波孔隙度同時投入深度剖面后,可得圖3。

圖2 長垣地區葡532井密度孔隙度-聲波時差交會圖Fig.2 The cross-plot of density porosity-interval transit time for Well Pu532 in Placanticline area

圖3 長垣地區葡532井密度孔隙度和聲波孔隙度隨深度變化Fig.3 The density porosity and acoustic porosity vs. buried depth in Well Pu532 in Placanticline area

觀察發現,在嫩江組三段—五段,由于地層壓力正常,密度孔隙度與聲波孔隙度同時沿正常壓實曲線分布。然而,在青一段內,密度孔隙度與聲波孔隙度明顯偏離正常壓實曲線,且聲波孔隙度偏離幅度遠大于密度孔隙度。Tingay(2009)在探討文萊盆地超壓成因時層指出,青一段這種現象反映了不均衡壓實成因超壓的存在[14]。關于孔隙度對比法的具體介紹及實例,也可參考趙靖舟等(2017)對超壓判別方法的總結[11]。

圖3中的這一結果所反映的超壓成因似乎與目前關于松遼盆地青一段超壓成因的普遍認識一致,即不均衡壓實是導致現今壓力異常的主要原因。然而,觀察圖1發現,研究區內聲波時差在源巖段內的偏離幅度往往高于相鄰層位。同時,不難看出,青一段烴源巖的聲波時差異常幅度明顯高于其緊鄰的青二段-青三段巨厚泥巖層。筆者認為青一段烴源巖中富含大量低密度有機質,勢必會影響聲波時差的變化,進而影響孔隙度計算的可靠性(此處所說的可靠性是指能夠真實反映超壓成因的程度,而非確切的孔隙度值)。因此,上述結果是否能夠真實反映超壓成因,還需進一步論證。

2 有機質含量校正方法

為了消除有機質對計算結果的影響,本文分別對密度孔隙度及聲波孔隙度進行了校正。

與非源巖段不同,青一段泥頁巖主要由非有機質泥巖骨架、固體有機質及孔隙流體構成(圖4)。此外,由于研究區青一段源巖已經生烴并大量排出,故應將其內孔隙流體定為石油。綜上,目前需確定的主要參數即為固體有機質及非有機質泥巖骨架的體積在烴源巖中的占比。

2.1 固體有機質體積求取

如上所述,利用測井資料對烴源巖段超壓成因進行判別時,首先要獲得地質體中固體有機質的體積。一般而言,目前可直接獲得的相關參數應當是總有機碳含量(TOC),其作為當前國內外評價有機質豐度的主要指標之一,可用來參與超壓成因判別中的有機質含量校正計算。獲取總有機碳含量最直接的手段即為地球化學分析測試,然而這種方法卻存在周期長、費用高、取樣點不連續等缺點。在進行超壓成因分析時,離散且稀疏的實測數據往往難以有效地參與有機質含量的校正計算。為了彌補實測數據的不足,人們通常根據測井曲線與有機碳含量之間的定量關系,進行TOC計算。常見的TOC預測方法有ΔlgR法、自然伽馬能譜法、多元回歸法及氣測錄井法等。

圖4 烴源巖體積模型示意圖Fig.4 Schematic diagram showing the volume model of source rocks

對于松遼盆地而言,ΔlgR法是當下應用最為普遍的烴源巖有機碳含量預測方法。霍秋立等根據松科1井實測資料分析,對ΔlgR法中所需參數進行了確定,并對計算過程進行了完善,其結果普遍適用于松遼盆地青一段[15]。具體計算過程如下:

(4)

ΔlgR′=lgR+0.02Δt

(5)

ωTOC=aΔlgR+b

(6)

研究區內青一段烴源巖成熟度普遍處于低熟至生油高峰階段,故根據式(1)—(3)可采用如下算式預測ωTOC:

ωTOC=5ΔlgR+0.3

(7)

針對葡532井青一段烴源巖的TOC計算結果見圖5。

值得注意的是,孔隙度實際上是體積分數,想要對其進行計算,就必須將TOC的質量占比轉化為體積百分比,其體積分數與質量分數之間的關系見下式:

(8)

式中:ΦTOC為固體有機質在固體骨架中的體積百分比,小數；k為有機碳轉化系數,該系數受有機質類型和巖層成巖作用的影響,其取值范圍為1.18～1.48(表1)；ρfm為烴源巖骨架密度,g/cm3；ρom為固體有機質密度,g/cm3；ωTOC為TOC含量(質量百分比),小數。

2.2 非有機質泥巖骨架體積

在以地球化學分析測試法獲取烴源巖有機碳含量的過程中,往往都忽略了孔隙流體的質量。因此,實測數據中的ωTOC實際上是指固體有機質在固體骨架中的質量占比,即:

ωTOC=mTOC/(mTOC+m非)

(9)

式中:ωTOC為TOC含量(質量百分比),小數；mTOC為測試樣品中有機碳的質量,g；m非為測試樣品中非有機質泥巖的質量,g。

如前文所述,當前的TOC預測方法基本是基于測井資料與實測資料之間的定量關系而建立的,因此其計算結果也僅能代表固體有機質在整個固體骨架中的質量占比,在孔隙度預測中應作相應變換。由此,只要獲得了固體有機質體積的相關參數,自然就可以得到非有機質泥巖骨架在地質體中的質量或體積占比(圖6)。

圖5 長垣地區葡532井青山口組一段TOC預測結果Fig.5 Prediction of TOC content in K1qn1 in Well Pu532,Placanticline area

表1 有機碳轉化系數k取值(據文獻[16])Table 1 The value table of organic carbon conversion coefficient(k)(after reference[16])

2.3 孔隙度校正

要想求得地質體的孔隙度,首先要將烴源巖由三要素化簡為二要素,即固體骨架和孔隙流體。

圖6 烴源巖各要素體積關系示意圖Fig.6 Schematic diagram showing the volume relationship of various source rock elements

因此,首先可將烴源巖固體骨架的密度及聲波時差寫作:

ρfm=(1-ΦTOC)ρma+ΦTOCρom

(10)

Δtfm=(1-ΦTOC)Δtma+ΦTOCΔtom

(11)

式中:ΦTOC為固體有機質在固體骨架中的體積百分比,小數；ρfm為烴源巖固體骨架密度,g/cm3；ρma為非有機質泥巖骨架密度,取2.68 g/cm3；ρom為固體有機質密度,取1.20 g/cm3；Δtfm為烴源巖骨架聲波時差,μs/m；Δtma為非有機質泥巖骨架聲波時差,μs/m；Δtmo為固體有機質聲波時差,取理論值550 μs/m。

用公式(10)和(11)分別替換公式(1)和(2)中的ρma和Δtma,可獲得烴源巖孔隙度計算式:

(12)

(13)

公式(10)和(11)中各參數與公式(1),(2),(10)和(11)中一致。

注意到,上述各式中ρfm較難確定,因此需要將公式(8)和(10)聯立得ΦTOC:

(14)

此外,李超等(2016)在研究鄂爾多斯盆地延長組長7段泥巖不均衡壓實特征時,亦提出了應用有機質含量對聲波時差校正的理論式[17]:

(15)

式中:Δtma與公式(10)—(14)中有所不同。公式(15)中Δtma是指非有機質泥巖骨架與固體有機質共同組成的固體骨架所對應的聲波時差,且在計算中取某一定值。本文中Δtma僅指非有機質泥巖骨架那一部分對應的聲波時差。很明顯,由于有機質含量的變化,公式(15)中的Δtma并非定值,故本文關于該項的計算更為準確。值得注意的是,實際上孔隙流體的相對含量也是影響孔隙度計算及聲波時差和密度校正的重要參數。遺憾的是,目前還沒有能夠準確獲悉烴源巖內部孔隙含油率及含水率的測井計算方法。因此,本次計算時只能根據油水聲波時差、密度及生排烴史相關資料給孔隙流體聲波時差及密度一個經驗估值。

綜上,對烴源巖段超壓進行成因判別時,應遵循如下步驟:① 根據測井數據與實測TOC之間的定量關系,獲得目的層段垂向上連續的ωTOC信息；② 將反映質量占比的ωTOC轉換為體積占比ΦTOC；③ 將三元烴源巖體化簡為二元地質體；④ 根據公式(12)—(14)進行孔隙度計算。

3 有機質含量校正結果

涉及到聲波及密度參數的超壓成因判別方法眾多,其中較為典型的當屬孔隙度對比法及速度-密度交會圖法。這兩種的優點在于能夠避免實測壓力數據匱乏的限制,可在一定程度上對各類成因超壓進行區分。

3.1 孔隙度對比法

將校正結果投在圖3中后可以看出,校正后的密度孔隙度已沿正常壓實曲線分布；而聲波孔隙度雖較之前有一定程度的降低,但仍表現為異常(圖7)。Tingay認為這種情況是壓力的垂向傳導或流體膨脹造成的[14],這一結論與之前未校正得出的不均衡壓實成因截然不同。

3.2 速度-密度交會圖法

聲波速度-密度交會圖法也是較為可靠的超壓成因判別方法之一[11]。對比有機質含量校正前后葡532井青山口組一段泥頁巖聲波速度-密度交會點分布情況(圖8)可以看出,未經校正的交會點緊靠正常壓實曲線,表現為不均衡壓實成因超壓的特征；而經有機質含量校正后的交會點則偏離正常壓實趨勢,表現為密度基本不變,聲波速度迅速降低的特征,代表了傳導或流體膨脹成因的超壓。這一結果亦說明有機質含量校正前后對超壓成因的判別結果將存在顯著差異。

圖7 長垣地區葡532井有機質含量校正前、后密度孔隙度與聲波孔隙度對比Fig.7 Comparison of non-corrected and corrected porosities in terms of density and acoustic wave in Well Pu532 in Placanticline area

3.3 壓力預測效果

為了進一步驗證有機質含量校正的可靠性,本文還根據校正結果對典型井烴源巖壓力進行了預測,并進行了精度分析。

3.3.1 正常壓實趨勢校正

常見的壓力預測方法包括平衡深度法、伊頓指數法等,其與超壓成因緊密相關。值得注意的是,在應用依賴正常壓實趨勢的計算方法時,應當注意上覆地層的剝蝕情況。

以平衡深度法為例,該法的核心原則在于泥巖在壓實過程中孔隙度不可逆,且某一孔隙度值對應唯一的有效應力。然而當研究區存在剝蝕且新沉積的厚度遠小于被剝蝕的厚度時,則如圖9a所示,現今A點并非處于歷史最大埋深處。實際上,正常壓實下現今A點孔隙度應當形成于歷史最大埋深處,其對應的有效應力應如圖9b中所示。若沒有考慮剝蝕,則有效應力為零的起算點將取現今地表,勢必會將小于真實情況的有效應力與現今A點的孔隙度相對應,從而過高地估計了該點處的地層壓力。

圖8 長垣地區葡532井青山口組一段泥頁巖聲波速度-密度交會圖Fig.8 The acoustic velocity-density cross plot of K1qn1 shale in Well Pu532 in Placanticline areaa.速度-密度超壓成因判別圖版；b.葡532井速度-密度交會圖

圖9 正常壓實曲線校正原理示意圖Fig.9 Schematic diagram showing correction principles of the normal compaction curvea.剝蝕前后正常壓實趨勢；b.最大埋深期有效應力變化；c.現今有效應力變化

為了消除上述情況的影響,可以根據剝蝕厚度恢復情況獲得A點歷史最大埋藏深度與現今埋藏深度的差值,并將現今正常壓實曲線整體向下平移該差值的距離,以此得到的新的正常壓實曲線上各深度點孔隙度值則與圖9c中各深度點有效應力值一一對應。

3.3.2 壓力計算結果

當前泥巖壓力研究的難點之一在于實測壓力的獲取,目前常見的實測手段有地層重復測試、鉆井測試以及泥漿比重法等。由于研究區泥巖壓力資料相對匱乏,故本文選用泥漿比重作為實測壓力數據的來源。

圖10 長垣地區葡532井實測壓力點處聲波時差校正結果Fig.10 The correction result of interval transit time at the measured pressure point in Well Pu532 in Placanticline areaa.泥漿密度變化趨勢；b.泥巖聲波時差變化趨勢

眾所周知,為了確保鉆井過程的安全,泥漿密度往往取某一井段中的最高值,以此防止井噴等事故的發生。正因如此,錄井資料中的泥漿密度并不能真實反映對應深度的地層壓力。為了避免這一影響,本文選取泥漿密度開始發生變化的深度進行壓力預測,并將預測結果同該點泥漿密度換算的實測壓力進行比對,以獲得計算精度。

葡532井位于大慶長垣中南部地區,其在嫩江組沉積期末及明水組沉積期末的構造反轉運動中皆遭受過強烈的剝蝕。因此在應用平衡深度法或伊頓指數法這類預測方法時,應格外注意剝蝕量這一因素的影響。如圖10所示,葡532井青山口組泥漿密度變化處其密度變為1.45 g/cm3,對應壓力為18.92 MPa。依照上文所述方法對該點測井參數進行校正后,聲波時差為318 μs/m。選用6.5作為伊頓指數進行計算后,該點壓力預測結果為18.89 MPa,預測誤差0.03 MPa。

為了驗證這一指數的精確性,本文選取了另外一口聲波時差及密度數據較全的井(敖12井),進行了測井參數校正及壓力預測。如圖11所示,敖12井青山口組泥漿密度變化處其密度變為1.41 g/cm3,對應壓力為29.73 MPa。對該點測井參數進行校正后,聲波時差為251 μs/m。選用6.5作為伊頓指數進行計算后,該點壓力預測結果為29.12 MPa,預測誤差0.61 MPa,精度可達95%以上。

圖11 長垣地區敖12井實測壓力點處聲波時差校正結果Fig.11 The correction result of interval transit time at the measured pressure point in Well Ao12 in Placanticline areaa.泥漿密度變化趨勢；b.泥巖聲波時差變化趨勢

4 討論

隨著超壓研究理論的發展,實證性的成因判別方法逐漸多樣化,但大多還依賴聲波速度、密度等測井參數。然而對于烴源巖而言,其內部低密度有機質將與超壓一同對這些測井參數造成影響,以此迷惑人們的判斷。本文以葡532井為例,介紹了一種在超壓成因判別中針對烴源巖的測井參數校正方法,并初步取得了幾點認識。

1) 本文將烴源巖劃分為非有機質泥巖骨架、固體有機質及孔隙流體三部分,并以此對超壓成因判別中應用到的聲波時差及密度參數進行了校正,去除了低密度有機質對這兩種參數的影響。校正前后關于超壓成因的認識明顯不同:校正前測井參數表現出明顯的不均衡壓實成因超壓；校正后各類成因判別方法均將結果指向傳導或流體膨脹成因超壓。

2) 應用依賴正常壓實曲線的超壓預測方法時,對于存在剝蝕且剝蝕厚度大于新沉積地層厚度的地區,應根據剝蝕厚度對正常壓實曲線進行校正。未經校正的計算結果將明顯高于真實值,且可能造成超壓成因的誤判。根據校正后的測井參數及壓實趨勢,對典型井進行壓力預測,其精度可達95%以上。預測過程中選用了6.5作為伊頓指數,這從側面證明了流體膨脹是造成研究區青一段出現超壓的原因。

3) 需指出的是,本文得出的計算孔隙度并不能準確代表真實的孔隙度值,其目的僅僅是為了反映超壓對測井參數的影響。