致密油烃源岩有机碳含量测井定量预测模型适用性分析——以柴达木盆地上干柴沟组下段烃源岩为例

杜江民,张小莉,郑　茜，张子介,钟高润,郭　岭

(1.西北大学 大陆动力学国家重点实验室/地质学系,陕西 西安　710069;2.石家庄经济学院 资源学院,河北 石家庄　050031)



·地球科学·

致密油烃源岩有机碳含量测井定量预测模型适用性分析

——以柴达木盆地上干柴沟组下段烃源岩为例

杜江民1,2,张小莉1,郑茜1，张子介1,钟高润1,郭岭1

(1.西北大学 大陆动力学国家重点实验室/地质学系,陕西 西安710069;2.石家庄经济学院 资源学院,河北 石家庄050031)

中国致密油勘探初期，测井资料评价烃源岩为一种可行有效的方法。利用测井曲线叠合模型(即ΔLogR技术)和多元回归方程模型两种测井定量预测模型对柴达木盆地扎哈泉凹陷上干柴沟组(N1)下段烃源岩有机碳含量进行了预测，并通过比较预测效果来选取最佳预测模型。结果表明，本区多元回归方程模型的计算精度高于ΔLogR技术模型，原因应该在于使用ΔLogR技术模型时参考层或某些参数的选择存在问题。多元回归方程模型中，以自然伽马能谱U、声波时差以及电阻率、地层密度4个参数为自变量的模型为最佳，并得到了验证。

致密油;烃源岩;有机碳含量;定量预测模型;柴达木盆地;扎哈泉凹陷

近年来,页岩气、重油、油砂、致密油等非常规油气资源成功实现了规模开发。在众多的非常规油气资源类型中,致密油由于其分布普遍、资源潜力巨大等特点,日益受到能源行业的重视。与常规油气相比,致密油具有储层致密(渗透率小于0.1×10-3μm2,孔隙度小于10%),资源丰度低,大面积含油气,“甜点”局部富集,不受圈闭控制等特征[1-2]。

烃源岩评价是一切地质综合评价的基础,在油气勘探工作中具有重要意义,在非常规油气勘探中也不例外。有机碳含量(TOC)是反映岩石有机质丰度最主要的指标。对岩心、岩屑样品进行有机地球化学分析来评价烃源岩需要大量的岩心实验样品。但是，由于成本问题和样品齐全度问题,实际工作中无法对每口井做详细系统的实验分析,给烃源岩评价带来了很大的局限性。因此,需要寻找一种获取方便、连续广泛分布且成本相对低廉的工具或者方法来评价烃源岩有机质分布特征。在各种相关资料中,测井资料满足上述要求且具有很高的垂向分辨率。国内外研究亦表明,烃源岩有机碳含量与各类测井响应之间存在着一定的内在关联,所以可以建立起一套以现有有限岩心分析资料为纽带、以内在关联关系为基础的有机碳含量定量预测模型,进而实现烃源岩有机质分布特征的定量评价[3-4]。

目前,烃源岩定量评价模型在常规油气资源烃源岩评价中已经得到广泛的应用,并取得了良好的效果[3-14]。但是，这些模型在非常规油气勘探中应用效果如何,值得进一步探讨。本文将在探究两种烃源岩定量预测模型原理的基础上,分析两种模型在柴达木盆地扎哈泉凹陷上干柴沟组(N1)下段烃源岩评价中的实际应用效果,进而确定这两种模型在致密油烃源岩评价中的适用性。

1　烃源岩特征的测井响应

烃源岩是指含有大量有机质的页岩和灰质泥岩。烃源岩相对于非烃源岩具有富含有机质的特征。研究表明,富含有机质的烃源岩在测井上具有伽马高、密度低、声波时差高、电阻率高、中子孔隙度高等基本特征[15]。

原理主要为以下几点:①烃源岩层一般富含放射性元素,如吸咐特殊元素U,所以导致自然伽马曲线和能谱测井曲线表现为高异常;②烃源岩层密度一般低于其他岩层,因此密度曲线表现为低异常;③烃源岩富含有机质,有机质具有较低的声波传播速度,进而表现出高于其他岩层的声波时差响应特征;④烃源岩层富含的有机质不易导电，导致电阻率曲线测井响应表现为高电阻率;⑤由于烃源岩含氢量高,因而其中子孔隙度偏高。

2　经典定量预测模型的类型

从发现烃源岩有机碳含量与测井参数存在响应关系开始,定量预测就成为必然的发展趋势。20世纪七八十年代，国内外学者先后提出了多种定量预测模型。预测模型的类型也从单参数等效体积构成模型[4,16-17]、双参数交会图半定量模型[4,18],逐渐发展为测井曲线叠合模型(即ΔLogR技术)、多元线性回归方程定量模型等。其中ΔLogR技术和多元回归方程定量模型为两种常用的模型,在烃源岩定量预测中具有重要的作用。

2.1Δlog R技术

ΔlogR技术是埃克森(Exxon) 和埃索(Esso) 公司于1979年提出的一种利用测井资料识别和计算含有机质岩层总有机质碳的一种方法[19]。该方法将声波时差曲线与电阻率曲线叠合在一起。其中,一个电阻率对数刻度对应声波时差-164μs/m,当2条曲线在一定范围完全重叠时为基线,即为非烃源岩层段(如E 段),若2条曲线有幅度差(记为ΔLogR,如F段)为烃源岩(见图1)[20]。ΔlogR与TOC是线性关系,并且是成熟度的函数。 如果成熟度可以确定和估计,可将ΔlogR幅度差值直接转换为总有机碳含量(TOC)。 Passey[19]等(1990)经过大量统计分析后,提出TOC的计算图版(见图2),并得到了相应的经验公式:

ΔlogR=lg(R/R基线)+0.006 1(ΔtΔt基线) ，

(1)

TOC=(ΔlogR)×10a，

(2)

a=2. 297-0.168 8 Lom。

(3)

图1　Δlog R法解释烃源岩地层示意图 (据文献 [19])Fig.1　Schematic for the interpretation of source rocks by Δlog R method

图2　TOC与Δlog R关系图版 据Passy等Fig.2　Relation plate between TOC and Δlog R

公式(1)，(2)中，ΔlogR为电阻率曲线与声波时差曲线的分离间距值。R代表实测电阻率(Ω·m),Δt代表声波时差(μs/m),R基线和Δt基线分别代表基线对应的电阻率(Ω·m)和声波时差(μs/m)。LOM是反映有机质成熟度的热变指数,可以根据大量的样品分析(常见的为镜质体反射率分析)得到,也可从埋藏史和热史评价中得到。

2.2多元回归方程定量模型

多元回归方程定量模型是另外一种较为常用的模型。多元回归方法中,因为存在多种可以反映有机碳含量的测井参数，如铀的含量、铀/钾比、密度、中子孔隙度、声波时差、电阻率等。因此,可以建立以有机碳含量为因变量,以单一或多种测井参数为自变量的一元、二元或多元回归方程,并以这些方程为基础建立定量预测模型。该模型在线性回归实验分析TOC影响因素的基础上,确定了最佳的定量预测模型[19，21-22]。该方法具有两大特点：①以多因素为自变量的模型要优于单因素为自变量的模型;②不同地区,影响因变量的主控自变量可能不同,使得不同地区定量预测模型存在差异[22]。

3　应用实例

3.1柴达木盆地致密油烃源岩的主要特征

柴达木盆地位于青藏高原北部,盆地面积12.1×104km2,其中，中、新生代沉积岩分布面积 9.6×104km2。前人根据石油地质条件和油气勘探需要,将柴达木盆地划分为4个一级构造单元: 柴西隆起、一里坪拗陷、三湖拗陷和柴北缘隆起[23]。晚印支以来,受构造活动影响,柴达木盆地沉积中心不断迁移,在纵向上自侏罗纪到第三纪沉积了3套互不叠置的优质烃源岩,分别是柴北缘中下侏罗统大煤沟组、小煤沟组(J1+2)，柴西下干柴沟组(E3) 和柴西上干柴沟组(N1) 烃源岩。它们具有丰度较高、类型好、生烃潜力大等特点,为致密油的形成奠定了物质基础。

扎哈泉凹陷位于盆地西部南区,包括跃东构造、扎哈泉构造及乌南—绿草滩斜坡3个三级构造。扎哈泉地区早第三纪开始接受沉积,共发育七个泉组(Q1+2)—上干柴沟组(N1)、下干柴沟组上段(E32)、下干柴沟组下段(E31)、路乐河组(E1+2)等多套地层。其中，上干柴沟组地层含有较为可观的致密油资源。目前勘探证实，乌南斜坡区、跃东构造、扎哈泉构造N1地层含油层段为中下部Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ砂层组,由于致密油的生储一体特性,烃源岩也分布于上干柴沟组地层之中。

本文以扎哈泉凹陷上干柴沟组下段烃源岩定量预测为例来判断这两种定量预测模型在致密油烃源岩预测中的适用性。在扎哈泉凹陷中,取心井有很多口,其中ZT-1井采样最多，资料最为齐全。因此，该研究以ZT-1井为重点,并结合其他几口取心井资料来对此问题进行探讨研究。

3.2ΔlogR技术模型的应用

通过对ZT-1井烃源岩取心资料的测试,得到取心段的有机碳含量值(TOC实测)。通过对采样最多、资料最为齐全的ZT-1井测井数据的读取,获得了实测电阻率R(Ω·m)和声波时差Δt(μs/m)等相关数据。通过对图3中电阻率曲线和声波时差曲线的读取，可以获得R基和Δt基。通过前公式(1)求得ΔlogR。

通过计算logR和TOC实测,将这些数据放到图2中可求得LOM=11。通过公式(2)便可得出TOC预测值(TOC预测)。

将计算得出的TOC预测和TOC实测加入测井曲线中,可以得到图3。从该图3中可以发现，对二者进行对比,发现二者吻合性较差,规律性不强。而且TOC预测普遍低于TOC实测，对于实测结果为烃源岩的岩心段,预测结果解释却为非烃源岩段。出现此种情况,应是在评价中,某些岩层虽然评价为非烃源岩层,但并不代表这些岩层中的TOC为0。因此,需要在此模型中对TOC基值进行补偿。此外，用该模型对其他几口井进行实验,发现TOC基值即使得到补偿,该方法计算效果依然不是很好。这表明该方法在研究区致密油烃源岩定量预测中的应用效果不是很好。

图3　ZT-1井ΔlogR法测井解释图Fig.3　Composite diagram of ZT-1 well computed by ΔlogR method

根据分析，造成以上问题的原因应该有以下几点:①该区致密油中TOC总体偏低,导致计算不准、误差较大;②该地区致密油烃源岩以薄层为主,相较于厚层烃源岩,测井响应不够明显;③基值的确定受人为因素影响较大。

3.3多元回归方程模型的应用

3.3.1烃源岩有机碳与各种测井的相关性通过统计柴达木盆地扎哈泉凹陷5口典型钻井上干柴沟组45个岩心或岩屑样品，实测TOC数据，编绘上述数据与对应深度测井参数的关系图。由关系图发现，本区上干柴沟组致密油烃源岩有机碳含量(TOC)与自然伽马能谱曲线、声波时差以及电阻率3种测井参数存在正相关性,并与前两者显著相关，对应的相关系数分别是0.862，0.457，0.199；与地层密度测井参数存在负相关关系,相关系数为0.519。这说明TOC与这4种测井曲线的响应程度存在一定的差异, 但总体上比较接近(见图4)。所以,在优选TOC定量预测模型时, 可以通过对单个测井参数的单元回归方程及综合两种或者多种参数的二元回归方程、多元回归方程模型进行比较,找到最合适的预测模型。

图4　柴达木盆地扎哈泉凹陷 5口典型钻井上干柴沟组组烃源岩TOC与测井参数关系Fig.4　TOC and well logs crossplots of source rock in N1 Formation of 5 wells in Zhahaquan Depression in Qaidam Basin

3.3.2测量预测模型优选为了获得最佳的烃源岩有机碳含量定量预测模型,通过运用多元统计分析软件(SPSS), 以上述5口井45个N1下段烃源岩TOC为因变量,以样品点相同深度的自然伽马能谱、声波时差、地层密度、电阻率等测井参数为自变量,进行了多种模型的试验、比较,优选过程及结果如表1所示。结果表明,TOC与单测井参数拟合效果,除了与自然伽马能谱参数的拟合效果较好之外，其他单参数拟合效果均不如多参数综合拟合的效果好。总体来说,拟合效果随着测井参数数量由单一、二个、三个到4个的逐步增加而逐渐变好。其中双参数以自然伽马能谱和密度测井两种参数拟合效果最好。三参数以自然伽马能谱、密度、声波时差3个参数拟合效果最好。4个参数模型在所有模型中拟合效果最佳,回归估计的标准误差最小，属于最佳模型。但是，从表1也可看出，以自然伽马铀、密度为参数的双参数模型与四参数模型相关系数差别不是很大,误差也比较小。因此，双参数模型一定程度上可以作为最佳预测模型来使用。

3.3.3定量预测结果验证得出了最佳预测模型之后,需要运用实际工作资料对其进行验证。同样,选取柴达木盆地扎哈泉凹陷内ZT-1井为研究实例。一方面,将4种测井参数曲线与实测TOC值的棒状趋势线进行了对比,发现4个参数曲线与棒状图有一定的相干关系;另一方面,利用表1中的几个定量预测模型对ZT-1井N1部分井段烃源岩TOC进行了预测，获得了连续井段的预测TOC曲线, 将离散的实测TOC数据以棒状投在几条曲线上，发现实测数据棒状趋势图与双参数模型计算出的TOC曲线具有最好的一致性, 预测效果良好,这证明该研究选取的模型确实为最佳模型。

在图5中可见,TOC实测和TOC预测(%)大部分大于0.4, 且以0.4～1.0居多。 按照扎哈泉凹陷所属的柴达木盆地西南区烃源岩分类评价标准(<0.4为非烃源岩, 0.4～0.6为较差烃源岩, 0.6～0.8为较好烃源岩,0.8～1.0为好烃源岩,>1.0为很好烃源岩),该钻井N1烃源岩整体上都为较差烃源岩和较好烃源岩。在缺乏实测样品的井段亦预测出TOC高于0.4%厚度约为2 m的烃源岩层。根据前人研究,扎哈泉凹陷烃源岩具有总厚度大(100～700 m),源储频繁互层,单层厚度薄的特点。在图5中，通过计算可知预测的烃源岩层厚度大约为4 m,符合该区的烃源岩特征。本研究通过该模型预测了扎哈泉凹陷另外3口井的烃源岩TOC值,得出的结果与ZT-1井效果相似,表明该方法可以广泛验证,具有可行性与可推广性。

表1柴达木盆地扎哈泉凹陷N1烃源岩TOC测井定量预测模型优选

Tab.1Quantitative predication models ofTOCfrom well logs of lower section of N1Formation source rocks in Zhahaquan Depression in Qaidam Basin

测井参数总有机碳定量预测模型(TOC/%)相关系数回归估计的标准误差单参数U/10-6TOC=0.184U-0.7980.8620.12785ρ/g·cm-3TOC=-3.883ρ+10.1980.5190.21562Δt/μs·m-1TOC=0.022Δt-0.9360.4570.22439R/Ω·mTOC=0.031R+0.4120.1990.2472双参数U,ρTOC=0.165U-1.894ρb+4.0420.8940.11442三参数U,ρ,ΔtTOC=0.159U-1.647ρb+0.005Δt+3.1030.9000.11296四参数U,ρ,Δt,RTOC=0.141U-1.921ρb+0.009Δt+0.023R+3.5470.9070.11060

图5　柴达木盆地扎哈泉凹陷ZT-1井N1烃源岩TOC测井预测结果Fig.5　TOC of N1 Formation source rocks predicted from logs in Well ZT-1 in Zhahaquan Depression in Qaidam Basin

4　结　论

1)用ΔlogR法预测出的烃源岩TOC值与实测TOC值相差较大,规律性不明显且明显低于后者。出现该情况的原因众多：①致密油中TOC总体偏低,导致计算不准；②该地区致密油烃源岩以薄层为主,相较于厚层烃源岩,测井响应不够明显;③基值的确定受人为因素影响等原因。种种原因导致该方法在柴达木盆地扎哈泉凹陷上干柴沟组下段致密油烃源岩定量预测中并不是很适用。

2)扎哈泉凹陷N1下段45个样品实测TOC与自然伽马能谱、电阻率、声波时差、密度等4种测井参数均相关,建立的四元回归方程预测模型的相关系数高达0.901。即使以自然伽马和密度为参数的双参数二元回归方程预测模型,相关系数亦可达0.894。对扎哈泉凹陷ZT-1井N1进行部分井段有机碳含量预测,结果显示实测段烃源岩与预测段烃源岩在井内深度、位置有较好的一致性。因此,该模型为最佳预测模型。

3)致密油烃源岩TOC定量预测与常规烃源岩预测两者之间既有相同点也有不同点。相同点在于研究方法和思路的选取,即均可以利用常规预测方法来预测致密油烃源岩TOC;不同之处在于，由于致密油其本身的源储特征,使得致密油烃源岩评价较常规烃源岩评价而言,需要更深入的认识以及更高的评价精度,对评价方法有较高要求。因此,针对致密油油藏的勘探开发工作,需要对各种评价方法进行优选对比来确定最适合的预测模型。

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(编辑雷雁林)

The applicability of well logs prediction models of organic carbon content in source rocks of the tight oil: A case of the source rocks of lower section of N1Formation in Qaidm Basin

DU Jiang-min1,2, ZHANG Xiao-li1, Zheng Xi1, Zhang Zi-jie1,ZHONG Gao-run1, GUO Ling1

(1.State Key Laboratory of Continental Dynamics/Department of Geology, Northwest University, Xi′an 710069, China;2.College of Resources, Shijiazhuang University of Economics, Shijiazhuang 050031， China)

In the early stage of tight oil exploration, well logging is considered as one effective method for evaluation of hydrocarbon source rocks. The organic carbon content of N1Formation in Zhahaquan Depression in Qaidam Basin was predicted using two kinds of quantitative prediction model: logging curve superposition model(ΔLogRtechnique) and multiple regression equation model. Then the best prediction model was selected through comparing the prediction results. The results show that the multiple regression equation model is more accurate than the ΔLogRmethod in the study area, which is probably attributed to the choice of the reference stratum or some parameters in ΔLogRmethod. In all kinds of multiple regression equation models, the one with gamma, sonic transit time, resistivity, density four parameters as independent variables is the optimal model and it has been verified.

tight oil; source rocks; organic carbon content; prediction models; Qaidm Basin; Zhahaquan Depression

2015-11-14

国家自然科学基金资助项目(41302076);河北省教育厅青年基金资助项目(QN2015255)

杜江民，男，河北石家庄人，博士，从事石油地质研究。

张小莉，女，河南濮阳人，博士，教授，从事石油地质和测井技术应用研究。

P631

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-02-016