鄂尔多斯盆地定边-庆阳地区长7段致密油烃源岩地质数据挖掘与评价

于京都, 郑 民, 李 鹏, 林森虎

(中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

鄂尔多斯盆地定边-庆阳地区长7段致密油烃源岩地质数据挖掘与评价

于京都, 郑 民, 李 鹏, 林森虎

(中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

探讨鄂尔多斯盆地上三叠统长7段致密油有效烃源岩的主控地质因素及分布特征。结合地质异常理论，采用因子分析、痕量元素分析、趋势面分析及标准化处理等技术手段，提出一种对研究区长7段烃源岩进行地质数据挖掘与信息整合的评价方法，建立表征烃源岩品质的综合性无因次线性组合，揭示出在有机碳丰度普遍较高的背景下，有效烃源岩的发育主要受控于低等水生生物勃发(有机质类型指数)与有机质热演化程度(镜质体反射率)。有效烃源岩集中分布于姬塬南部、定边西部、油房庄东部、华池地区及合水东北部，对致密油高产富集带的分布具有一定的控制作用。有利于进一步提高长7段致密油勘探开发成效的地区主要是耿湾-环县、华池北部、油房庄-吴仓堡及定边。

鄂尔多斯盆地；长7段；致密油；烃源岩；地质异常理论

非常规油气资源是目前地学和能源研究中的热点[1-3]。致密油是非常规油气研究的重要组成部分，具有较好的资源前景与经济开发效益[4-6]。鄂尔多斯盆地是中国目前重要的致密油产区，其上三叠统延长组第7段(简称“长7段”)构造背景稳定，沉积环境优越，沉积范围广，自生自储型陆相致密油成藏前景好，是相关研究领域中具有较高价值的研究目标[7-8]。

针对鄂尔多斯盆地长7段，当前在烃源岩地球化学特征、致密储层物性、致密油赋存机理等方面取得了一系列研究进展[9-11]，但也存在着有效烃源岩分布位置相对不清，与致密油产能联系相对不明等突出问题，一定程度上制约了其致密油勘探开发成效的提升[12-13]。由于烃源岩与储层中“大面积紧密接触”是致密油成藏条件中的关键因素[14-15]，故进一步明确鄂尔多斯盆地长7段有效烃源岩的集中发育区域及分布特征具有重要的理论价值和生产意义[16-17]。

研究区位于盆地西南部，北起定边，南至庆阳一带，面积约为2.59×104km2，构造单元上主体属伊陕斜坡，部分属天环拗陷(图1)。区内长7段沉积发育范围广，致密油勘探开发程度适中，利于开展烃源岩地质评价与相关分析。

1 评价方法与指标选取

前人研究表明，对连续性大面积分布、一定程度上又具非均质性的烃源岩，地质异常理论是一种行之有效的分析思路[18-20]。根据该理论及相关模型，本文结合长7段总体地质特征与致密油勘探现状，通过因子分析分配评价指标权重系数，表征不同地质评价指标对有效烃源岩分布的控制作用；继而通过网格井地质数据的标准化，消除不同量纲单位的影响；形成权重系数与评价指标的线性组合，定量化评价研究区长7段烃源岩地质异常幅度，从而明确有效烃源岩平面分布特征(图2)。

结合研究区致密油勘探现状与烃源岩研究实际情况，对研究区烃源岩品质有关的评价指标(地质参数)的选取，总体基于形成及演化两方面，分析认为主要包括(但不仅限于)下列几项：①泥页岩厚度；②有机碳丰度；③镜质体反射率；④有机质类型指数；⑤古水深；⑥底层面相对构造变形幅度。其中在致密油烃源岩评价中，各评价指标对应着不同的地质意义：①～④项是在烃源岩评价中常涉及的地质参数；⑤项(古水深)与沉积环境关系比较紧密；⑥项(相对构造变形幅度)为在构造作用下，烃源岩内发育局部变形变位(如微裂缝等)的趋势。根据非常规油气地质学相关理论，一般认为水体较深、水动力较弱的沉积部位相对利于优质烃源岩的形成；而烃源岩内发育的微裂缝等小构造使得烃类物质更易发生相对高效的初次运移，从而利于致密油“甜点”的形成。因此对以上评价指标展开分析，可以相对更全面、深入、准确地获得对研究区致密油烃源岩的相关地质认识。

在各项评价指标中，①、②、③项分别直接来自对已实施的致密油钻井相关信息与实验测试数据的统计；而④、⑤、⑥项需对其他基础地质参数(干酪根有机质组分、痕量元素丰度及埋藏深度)展开分析后获得(表1、图3)。

结合研究区长7段致密油勘探经验及干酪根有机质组分观测结果，首先应用式(1)计算有机质类型指数

It=(50×w1+50×w2-75×w3-100×w4)/100

(1)

表1 研究区长7段烃源岩评价指标地质意义与性质分析Table 1 Geological significance of source rock evaluation parameters for the Chang-7 Formation

其中：It为有机质类型指数，为判断有机质类型的无因次量；w1～w4为干酪根有机质组分相对含量(质量分数)，分别对应腐泥组、壳质组、镜质组和惰质组(表2、图3)。

接着根据宇宙尘埃年沉降量守恒原理，通过岩石中的特定痕量元素丰度(Co、La的质量分数)，计算沉积速率，在排除陆源物源的影响下，求得研究区烃源岩沉积时的古水深特征，其方法为[21-23]

(2)

t=wLa/w″La

(3)

(4)

在此基础上，结合研究区长7段总体层面构造特征(形态较完整的构造斜坡)，对网格井底面深度数据及其纵、横坐标利用SPSS 19®进行多元回归分析，获得长7段底面深度的趋势面表达式

Dij=a×i+b×j+c

(5)

其中：Dij为研究区某一网格井的长7段底深拟合趋势值;i、j分别代表对应横、纵坐标(18带大地坐标系)；a、b为拟合系数，a=-8.549×10-3，b=9.219×10-5；c为常数，c=1.620×105；拟合度(R2)为0.872。

表2 有机质类型及古水深分析数据Table 2 The applied data in the corresponding analyses concerning to organic types and palaeo-water depth

继而应用古水深及现今长7底面深度插值数据，消除构造掀斜作用带来的影响，对研究区范围内的“底层面相对构造变形幅度”进行分析计算，其方法为

(6)

Aij=fij-fmin

(7)

Bij=hmax-hij

(8)

Cij=|Aij-Bij|

(9)

其中：fij为研究区某一网格井点(横坐标i，纵坐标j)长7段现今地层底面相对趋势面的起伏程度(fij>0时，表明此网格井点的趋势面深度大于地层底面深度，地层底面相对趋势面突起；fij<0时则反之)；fmin为全部网格井点中对应的最小数据值；dij为对应网格井点的地层底面深度插值数据；Aij为标准化处理后的对应网格井点长7段现今地层底面相对起伏程度；Bij为对应网格井点的长7沉积期湖盆底部地形相对起伏程度；hij为对应网格井点的古水深插值数据；hmax为古水深插值数据中的最大值；Cij为“底层面相对构造变形幅度”，即：研究区长7段对应的网格井点，从长7期至现今，底层面的相对变形幅度。

在研究区大型断裂相对不发育、西倾斜坡形态比较完整的构造背景下，研究认为层系的“底层面相对构造变形幅度”越大，则一定程度上内部形成微裂缝等小构造的趋势也相对越高，从而利于烃源岩向致密储层排烃充注。利用网格井插值技术，该评价指标与其他指标进而可分别形成对应的单因素等值线图， 并以此建立整一的“联测型”地质大数据集合，共计6×9.150 32×105项(表3、图3)。

2 评价过程与结果讨论

在此基础上，结合地质异常理论及地质统计学原理，针对研究区长7段烃源岩网格井联测地质数据集合的Kaiser-Meyer-Olkin检验和Bartlett球形度检验表明，前者检测指标为0.60，后者显著性指标<0.05，揭示出各评价指标在烃源岩品质评价上存在一定的相关性，具备根据数据集合特征开展因子分析，明确对应权重系数的条件[26-27]。利用SPSS 19®技术得到的研究区长7段烃源岩主成分方差贡献及碎石图表明，当抽取4个主成分时，具有相对较大累计方差贡献率，达86.137%，碎石图出现拐点，可比较有效地解释原数据体中的大部分信息，由此可确定主成分(因子)数量并获得其载荷矩阵(表4、 图4、 表5)。

图3 研究区烃源岩评价指标等值线图Fig.3 Contours of source rock assessment parameters in the study area (A)泥页岩厚度(δ/m)；(B)有机碳丰度(wTOC/%)；(C)镜质体反射率(Ro/%)；(D)有机质类型指数；(E)古水深(d/m)；(F)底层面相对构造变形幅度(Cij/m)

网格井编号网格井横坐标网格井纵坐标厚度(δ/m)有机碳丰度(wTOC/%)镜质体反射率(Ro/%)类型指数古水深(d/m)底层面相对构造变形幅度(Cij/m)WG-118792195.164035728.1453.787.951.2743.8056.1130.14WG-218793565.784024558.9859.2011.691.1063.8771.27103.85︙︙︙︙︙︙︙︙︙WG-91503118793337.354011794.2355.168.880.8669.13125.46281.49WG-91503218793223.134022507.5153.5310.041.0557.4376.98118.32

根据主成分(因子)载荷矩阵的地质与统计学意义，主成分载荷的绝对值大小表征各主成分对评价指标的不同依赖程度；针对研究区长7段烃源岩地质数据集合的因子分析结果，揭示出各主成分具有明确的地质意义。

表4 研究区长7段烃源岩数据集合主成分(因子)方差贡献信息Table 4 Total variance explained by the combination of principal components from the database for the research area

图4 研究区长7段烃源岩数据集合主成分(因子)碎石Fig.4 Scree plot of the principal components concerning to the Chang-7 Formation in the research area

评价指标(参数名称)主成分1主成分2主成分3主成分4①厚度0.8730.0140.305-0.034②有机碳丰度0.0890.0810.1900.937③镜质体反射率-0.192-0.872-0.061-0.275④有机质类型指数0.8140.106-0.2640.273⑤古水深0.0560.2290.8560.248⑥底层面相对构造变形幅度-0.0910.8020.422-0.099

主成分1在类型指数及厚度上具有相对较大载荷绝对值，反映了沉积期中有机质生源特征和陆源碎屑的搬运注入，可命名为生源-陆源碎屑因子。

主成分2在底层面相对构造变形幅度和镜质体反射率上具相对较大载荷绝对值，反映了局部构造形变的发生趋势及有机质热演化情况，可命名为构造-演化因子。

主成分3在古水体深度上具有相对较大载荷绝对值，反映了古湖盆水体的影响，可命名为水体环境因子。

主成分4在有机碳丰度上具有相对较大载荷绝对值，反映了有机质的沉降及赋存总量的影响，可命名为有机质沉降赋存因子。

进而根据方差贡献情况，形成针对主成分、表征长7段烃源岩品质的线性组合

F=(24.663%×F1+24.568%×F2+18.569×F3+18.337%×F4)×100/86.137

(10)

其中：F为综合因子得分，为当前评价指标组合下表征的长7段烃源岩品质的有利程度；F1～F4为各对应主成分。

根据因子载荷矩阵中的信息，求得对应主成分权重系数分别为：主成分1为28.6%；主成分2为28.5%；主成分3为21.6%；主成分4为21.3%(图5-A)。

接着利用主成分(因子)载荷，表征各主成分中不同评价指标对应的权重系数

(11)

其中：Wn为某一主成分中某一评价指标的权重系数;p1～pm为该主成分在因子载荷矩阵中对应的因子载荷；pn为该主成分中该评价指标的因子载荷值;m为评价指标总数(对研究区长7段烃源岩地质数据集合而言，m=6);n为评价指标的序号(n≤m)。

以第一主成分中的泥页岩厚度(n=1)为例，该主成分对其依赖程度(权重系数)为

图5 研究区长7段烃源岩评价指标权重系数分析图Fig.5 Distribution of weights among applied parameters based on factor loadings of principal components(A)不同主成分对各评价指标的可视化依赖程度；(B)评价指标权重系数饼状图

W1=|0.873|/(|0.873|+|0.089|+ |-0.192|+|0.814|+|0.056|+ |-0.091|)×100%

(12)

由此可针对研究区长7段烃源岩地质数据集合，建立各主成分对不同评价指标的依赖程度矩阵(表6、图5-A)。

表6 研究区长7段烃源岩数据集合中主成分对评价指标的依赖程度矩阵Table 6 The matrix about the dependence of principal components (factors) on the applied parameters in research area

通过计算主成分对评价指标的依赖程度矩阵与主成分对应权重系数组合的向量积，继而可形成针对研究区长7段烃源岩的地质评价指标权重系数组合

(13)

其中：A长7为地质评价指标的权重系数,其中厚度的权重系数为15.5%、有机碳丰度的权重系数为15.0%、镜质体反射率的权重系数为18.2%、有机质类型指数的权重系数为18.3%、古水深的权重系数为15.5%、底层面相对构造变形幅度的权重系数为17.6%(图5-B)。

又因各评价指标具有的不同量纲影响评价准确性，所以有必要对研究区长7段烃源岩地质数据集合进行标准化处理。观察因子载荷矩阵可以看出，各评价指标所对应的因子载荷值中，除镜质体反射率的因子载荷为负值，表明镜质体反射率与评价目标(长7段烃源岩品质)具负相关特征外；其余各项指标的因子载荷均以正值为主，表现为总的正相关特征。由此根据不同评价指标的相关性类型，可确定数据标准化方法。

当评价指标为负相关特征时

(14)

当评价指标为正相关特征时

(15)

其中：Aij为对某一评价指标的网格井数据标准化处理值(其横坐标为i，纵坐标为j)，该值的理论上限为1，下限为0，分别对应最高与最低有利程度；Dmax为该评价指标网格井地质数据集合中的最大值；Dmin为该数据集合中的最小值。

根据地质异常理论，对研究区网格井地质数据集合进行标准化处理后，结合各评价指标的对应权重系数，可就长7段烃源岩品质的地质异常幅度形成以下无因次线性组合

Gij=(Aij1×15.5%+Aij2×15.1%+Aij3×18.2%+Aij4×18.3%+Aij5×15.3%+Aij6×17.6%)×100

(16)

其中：Gij为表征某一横坐标为i、纵坐标为j的网格井烃源岩品质的地质异常幅度综合得分(无因次)，其理论上限为100，下限为0，分别对应烃源岩评价中的最高与最低品质；Aij1、Aij2、Aij3、Aij4、Aij5、Aij6分别为该网格井对应的泥页岩厚度、有机碳丰度、镜质体反射率、有机质类型指数、古水深及底层面相对构造变形幅度在数据标准化处理后得到的无因次量。

进一步统计分析表明，获得的评价结果在数值分布上符合正态分布特征，具有理论上的规律性与可预测性，从而使各评价指标对应的地质信息凝缩至定量化的地质异常幅度综合得分中(图6)。

在此基础上，根据网格井位置，利用插值技术可形成研究区长7段致密油烃源岩品质的地质异常幅度综合得分等值线图，结合对研究区部分相对高产井生产信息的统计，揭示烃源岩品质受多种地质因素共同影响，对长7段致密油勘探开发成效具有一定程度的控制作用。其中姬塬南部、定边西部、油房庄东部、华池地区及合水东北部为有效烃源岩的集中发育区，总体位于综合得分等值线的50分线内，呈现出沿NW-SE分布的特点；而致密油高产富集带大致位于综合得分等值线40分线附近，部分靠近50分线处，基本呈现沿有效烃源岩集中发育区近源环绕分布的特征(图7、图8)。

图6 研究区长7段烃源岩评价综合得分数值分布特征Fig.6 Digital distribution of the result acquired from quantitative assessment for Chang-7 source rock in the research area(A)评价综合得分数值分布柱状图； (B)评价综合得分数值分布正态性检验Q-Q图

图7 研究区部分相对高产井长7段烃源岩品质地质异常幅度综合得分统计直方图Fig.7 Statistical histogram of the result of the prolific wells to geological anomalies for Chang-7 source rock in the research area

3 结 论

a.利用地质异常定量评价形成的分析成果图件，蕴含丰富的地质信息，且简明直观，信息集合程度较高，在对鄂尔多斯盆地长7段有效烃源岩的研究分析中，显示出较好的效果和适用性。

b.有机质类型指数和镜质体反射率具有相对较高的权重值，揭示出在相对较高有机碳丰度背景下，低等水生生物勃发与有机质热演化程度对有效烃源岩的形成与分布有重要的影响，成为研究区长7段致密油有效烃源岩集中发育的主控地质因素。

图8 研究区长7段烃源岩品质地质异常幅度综合得分等值线图Fig.8 Contour map of the comprehensive assessment for Chang-7 source rock in the research area

c.研究区长7段致密油有效源岩相对集中发育于姬塬南部、定边西部、油房庄东部、华池地区及合水东北部，与局部高产富集带的分布存在联系；揭示出利于勘探开发成效进一步提高的方向主要有耿湾-环县、华池北部、油房庄-吴仓堡及定边地区。

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Geological data collection and assessment of tight oil source rock of Chang-7 from Dingbian to Qingyang region in Ordos Basin, China

YU Jingdu, ZHENG Min, LI Peng, LIN Senhu

Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing 100083, China

Geological anomaly theory, multiple technical approaches of factor analysis, trace elements analysis, trend surface analysis and data normalization treatment are used to discuss the controlling factors and distributive characteristics of the effective source rock of Chang-7 Member of Triassic Yanchang Formation in Ordos Basin. A method of geological data collection and information integration on the source rock of Chang-7 Member is proposed. It is indicated that the biological burst of the lower aquatic paleo-organisms (type index of organic matter) and degree of thermal evolution of organic matter are the main controlling factors to the development of effective source rock under the background of a generally high content of total organic carbon. The relatively concentrated distribution of effective rock is generally located in the south Jiyuan, west Dingbian, east Youfangzhuang, Huachi area and the northeast Heshui, which indicates a certain degree of relating and controlling effect on the zones of tight oil high production. The study reveals that the favorable direction for future exploration and exploitation of tight oil in Chang-7 Member includes the area from Gengwan to Huanxian, the north Huachi, Youfangzhuang to Wucangpu area and the Dingbian area.

Ordos Basin; Yanchang Formation; tight oil; source rock; geological anomaly theory

10.3969/j.issn.1671-9727.2017.04.11

1671-9727(2017)04-0478-11

2017-03-27。

“十三五”国家科技重大专项(2016ZX05046002)。

于京都(1983-),男,博士,研究方向：非常规油气资源评价, E-mail:188379463@qq.com。

TE122.115

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