边缘凹陷烃源岩有机质丰度曲面预测法——以渤海湾盆地莱州湾东北洼为例

赵子斌　侯读杰*　程　熊　代　峰　董立成　徐长贵

(①中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083； ②海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083； ③中国海洋石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452)

1　引言

烃源岩有机质丰度反映了有机质的富集程度。在相同有机质类型的烃源岩中，高有机质丰度预示其在热演化过程中具有更大的生油气潜力。总有机碳含量(TOC)是最常用的表征有机质丰度的参数，其数值的获取一般通过有机碳分析和岩石热解等实验方法或结合样品实测的TOC预测法得到。基于TOC在不同测井曲线上的响应计算烃源岩TOC的方法具有纵向数值连续、可降低有限烃源岩样品的统计误差的特点[1-4]。

经历多期沉降运动的边缘凹陷的构造样式和沉积组合复杂多样，地层非均质性强。渤海湾盆地东部边缘凹陷勘探程度低，样品较少，烃源岩揭示程度差，在烃源岩有机质丰度评价中需进行有机质丰度预测。边缘凹陷潜在资源逐渐成为新的勘探目标，研究烃源岩有机质丰度可为油气勘探部署及开发决策提供科学的参考依据，具有重要的理论意义和实践意义。

2　有机碳预测概述

目前烃源岩有机碳预测方法可分为测井数据预测和地震属性预测法两大类。Herron等[5,6]利用C/O能谱测井中的C/O和Si/Ca曲线求取烃源岩有机质丰度；Passey等[7]提出了基于测井电阻率和声波时差的ΔlogR法，并得到认可和应用[8-11]；赵彦超等[12]使用“双孔隙度法”计算有机质含量；匡立春等[13]利用含油气饱和度法预测有机质丰度；王健等[14]利用密度测井数据对TOC进行回归预测；刘超等[15-18]建立了基于计算机自动拾取的方法识别基线和变系数的ΔlogR法；饶松等[19]利用自然伽马法预测有机质含量；朱光有等[20]、胡慧婷等[21]、陈贵科等[22]利用多元回归方程得到了有机质含量预测公式。此外，有人结合测井数据、地震属性和TOC实测值反演不同层位的有机质丰度，即先通过地震解释拾取层位，再提取和优选相应层位的各类地震属性，并建立一套地震属性和已知参数的组合关系，最终反演得到不同层位的有机质丰度特征[23-29]。传统的ΔlogR法计算公式为

(1)

TOC=ΔlogR×10a

(2)

式中：ΔlogR为声波时差曲线和电阻率曲线的叠合差值，R为电阻率测井实测值；R基线和Δt基线分别为电阻率和声波时差稳定值； Δt为实测声波时差；a=2.297-0.01688LOM，LOM为热变指数。

然而传统的ΔlogR法及基于ΔlogR法的其他预测法存在三个主要问题：①基线拾取所占权重较大。第一，基线拾取本身存在一定误差，曲线向高值或低值区少量偏移，会对最终的预测结果造成较大影响；第二，该理论默认细粒稳定段为非烃源岩，然而无论是碳酸盐岩还是泥岩，其或多或少都含有有机质，这一理论公式未考虑到有机质背景值的问题，使预测结果的准确性大大降低，导致预测结果在整体上反映了有机质在剖面上的垂向变化趋势[1,30]。②LOM本身是有机质成熟度的反映，间接依靠盆地模拟或镜质体反射率估计其数值，在这一过程中也会产生一定误差，进而影响预测效果。③最重要的是，一般根据测井曲线在细粒岩石上的稳定段确定基线，然而在边缘凹陷带等地层变化快、无大段连续而稳定的泥岩地区，在测井曲线上无法识别稳定段，因而从本质上讲不存在基线，因此基于ΔlogR的预测方法在边缘凹陷带具有局限性。地震数据具有在平面和垂向连续的特点，因而利用地震属性反演TOC值的方法能够反映有机质含量在平面和垂向的连续分布特征[1,3,31,32]。但是在地层变化较快的边缘凹陷地区，利用地震属性反演TOC值的方法的拟合度也仅有55.7%，表明该方法在边缘凹陷的适用性较低[33]。

3　基于测井数据的三元二次曲面拟合预测

文中结合电阻率、声波时差和密度等测井曲线与实测TOC值，采用三元二次最小二乘法进行曲面拟合预测烃源岩TOC值。考虑到基线判识及有机质背景值等参数拾取误差问题，将原有模型进行改写。首先将式(2)改写为

TOC=K×ΔlogR+△TOC

(3)

式中：K为拟合系数；△TOC为有机质背景值。将式(1)代入式(3)，并引入密度测井数值，可得

(4)

式中： lgR为以10为底的电阻率实测值对数值； Δt为实测声波时差；DEN为密度测井实测值；a、b、c为拟合系数；f(lgR)和g(Δt)分别为lgR和Δt的函数。

考虑到有机质输入受到有机质母源、气候、沉积环境及保存条件等因素的影响，对式(4)进行电阻率—声波—密度三元二次最小二乘曲面拟合。为了降低迭代过程的复杂性，拟合过程以降维开始，将式(4)变换为仅含lgR和Δt两个变量的函数，即

d=e×f′(lgR)+h×g′(Δt)+i

(5)

式中：e、h和i为拟合系数；d为中间变量；f′(lgR)和g′(Δt)分别为lgR和Δt的二次函数。可见式(5)为二元二次方程。

将数据加载到“IBM SPSS 17.0”中进行“二元二次最小二乘曲面自动拟合”(图1)，最后将式(1)～式(4)的变换逆向代回，得到最终结果。这种将电阻率、声波时差和密度三类测井数据与实测有机质含量数据结合进行三元二次最小二乘曲面拟合的预测手段具有两个优点：首先，采用原始测试数据直接进行拟合，消除了基线拾取和LOM取值时产生的人为误差；另一方面，该方法将密度这一反映岩石组分的综合指标纳入预测控制因素的范畴，更好地控制了有机质的测井响应[20,34]。

图1　沙三段二元二次拟合图示

在渤海湾盆地等构造活跃的盆地边缘地区，其沉积和构造较复杂，加之不同沉积时期古环境、古气候和有机质母源输入的差异，在不同年代地层中形成了不同的有机质类型和孔渗性等岩石物性特征的组合，进而导致不同层位各测井参数间的差异。因此，分层段(组)进行有机质丰度拟合预测更具有针对性和实际意义。

4　实例分析

本次研究样品来自渤海湾盆地莱州湾东北洼的K-a、K-b、K-c井，研究区(图2)位于渤海湾盆地海域部分的东南缘，西接莱北低凸起，东邻郯庐断裂带，南部为莱州湾凹陷主洼，为一个典型的边缘次级洼陷。

①中海油渤海研究院.渤海湾地区油气富集规律与有利勘探方向，2015限于经济原因，海上钻井取心较少，烃源岩样品多以岩屑为主，在样品分析过程中存在以下困难。第一，泥岩岩屑本身在钻井过程中被泥浆冲洗严重，被大量泥浆所包裹。所取样品被大量已脱水并粘附在泥岩岩屑上的泥浆所包围，泥杂质的混入增大了样品的无机本底，进而拉低了烃源岩有机碳含量实验数值。第二，泥浆冲洗作用降低了样品中的干酪根丰度，循环液的高压冲洗会带走一部分样品外层的有机质，进而拉低测试结果。因此在样品准备前应注意去除样品表层泥浆和被冲洗过的表层泥岩，将最后留下的样品进入下一步测试分析前的制样阶段。

图2　研究区构造区划图①

准确的岩石有机质丰度参数是保证拟合效果的一个重要前提，本次采用Leco CS744型岩石碳硫分析仪对所有样品进行有机碳分析。

4.1　参数特征

有机碳分析表明，本区烃源岩TOC值为0.58%～4.26%，平均值为2.18%。沙三段烃源岩有机质丰度最高，TOC值为1.95%～4.26%，平均值为2.93%；沙二段TOC值为1.21%～3.22%，平均值为2.01%；沙一段有机质丰度较沙二段低，TOC值为0.59%～3.38%，平均值为1.48%；东三段烃源岩有机质丰度最低，TOC值为0.58%～1.76%，平均值为0.95%。

4.2　拟合结果

通过对研究区沙三段、沙二段、沙一段及东三段等烃源岩层段的拟合，得到每个层段烃源岩的有机质丰度预测公式，拟合度较高。拟合公式分别为

(6)

(7)

(8)

(9)

限于篇幅，本文只给出了K-b井有机质丰度预测结果柱状图(图3)。需要注意的是，因为砂岩不能作为烃源岩，故对砂岩不作有机质丰度预测，在剖面上砂岩处为空值。

K-b井烃源岩TOC预测结果表明(图3)： 沙三段TOC值为0.34%～6.95%，平均值为2.89%； 沙二段TOC值为0.23%～6.95%，平均值为2.63%； 沙一段TOC值为0.26%～6.85%，平均值为2.30%； 东三段TOC值为0.31%～6.99%，平均值为1.17%。

K-a井 烃源岩TOC实测值与预测结果基本吻合，烃源岩TOC预测结果为： 沙三段TOC值为0.37%～6.99%，平均值为3.84%； 沙二段TOC值为0.23%～6.92%，平均值为2.66%； 沙一段TOC值为0.20%～6.89%，平均值为2.44%； 东三段烃源岩TOC值为0.21%～6.49%，平均值为1.06%。

图3　K-b井有机质丰度预测结果柱状图

K-c井烃源岩TOC的预测结果表明：沙二段TOC值为0.22%～6.85%，平均值为2.40%； 沙一段TOC值为0.22%～6.90%，平均值为1.48%； 东三段TOC值为0.20%～3.09%，平均值为0.95%； 沙三段未被测井揭示。

由三口井数据预测的TOC值在剖面上呈频繁跳动特征，在一定程度上反映了烃源岩有机质含量的非均质性，反映了地史时期盆地边缘频繁的水退、水进过程。

5　烃源岩有机质丰度评价

以生烃潜量PG值作为烃源岩丰度等级评价的划分依据， 即分别以PG等于0.6、 2.0、 6.0和20.0mg/g将烃源岩等级分为“差”、“中等”、“好”和“很好”等，并将“很好”级烃源岩确定为优质烃源岩[30]。依此对应的TOC值建立本区烃源岩评价标准(图4、表1)。

图4　烃源岩有机质丰度评价图板

指标非生油岩生油岩类型差中等好很好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

依照烃源岩有机质丰度评价标准(表1)，研究区沙三段烃源岩实测TOC值以大于2.0%为主，预测TOC平均值为2.89%～3.84%，有机质丰度高，烃源岩以“好”级为主，“很好”和“好”级均有发育，生烃潜力最大；沙二段烃源岩“很好”和“好”级均有发育，但实测TOC值主体为1.0%～2.0%，预测TOC平均值为2.40%～2.66%，相对沙三段有机质丰度低，烃源岩属“好”级；沙一段烃源岩实测TOC值分布范围较大，预测TOC平均值为1.48%～2.44%，烃源岩总体为“好”级，但差于沙二段；东三段预测TOC均值为0.95%～1.17%，烃源岩主要为“中等—差”级(图5)。

图5　烃源岩实测TOC值分布直方图

综合烃源岩预测结果，研究区各层段随地层由老到新有机质丰度逐渐降低，沙三段烃源岩为“很好”级，沙一段及沙二段烃源岩为“好”级，东三段烃源岩为“中等—差”级。

6　有机碳平面分布特征

基于前述的各项工作，结合烃源岩有机质丰度实测数值、预测数值及沉积相展布等资料，利用盆地模拟绘制烃源岩TOC值等值线图(图6)。

6.1　沙三段烃源岩TOC值分布特征

与渤海湾盆地其他地区一样，沙三段是本区最为重要的烃源岩层系。沙三段具有高TOC值的特征，平面上呈现两个高值区。第一个高值区靠近莱北低凸起，是TOC值最高的部位(TOC值最高大于4%)，TOC值呈环带状分布，反映了沉积时期的古地理环境。沙三段古地理环境恢复表明，在地史期间古河流由东南向西北方向流动，在K-b井东南方向发育辫状河三角洲相，在其西北方向发育滨浅湖—半深湖相，因而该区有机质具有环带状分布特征，且该部位在地史时期深度最大，故具有最高的TOC值。另一个高值区位于研究区南部(靠近K-c井)，TOC值最大可超过2%，在地史时期该部位水体深度也较大。整体上看，研究区沙三段TOC值分布呈现东西低、中心高的特点(图6a)。

6.2　沙二段烃源岩TOC值分布特征

受构造迁移作用影响，沙二段TOC值分布特点与沙三段相比有较大变化，共发育四个TOC值高值区。原西北方向的高值区范围萎缩，TOC最大值达到4%，但其分布范围较沙三段大幅度缩减。原东南方向高值区扩大，TOC最大值达4%。此外，K-a井和研究区东北角附近也发育两个TOC高值区，最大可达4%(图6b)。

6.3　沙一段烃源岩TOC值分布特征

随构造迁移作用增强，研究区在沙一段沉积期发生构造抬升，沉积水体变浅。该阶段TOC高值区范围呈继承性萎缩，洼陷东、西两侧及南部的高值区面积缩小，TOC最大值约为3%。原北部高值区范围严重萎缩，TOC值仅在局部达到3%。整体上沙一段TOC值分布呈中间狭长地带较高、向东西两侧逐渐降低的特征(图6c)。

6.4　东三段烃源岩TOC值分布特征

东三段TOC值继承了沙一段的特征，闭合的高值区消失，TOC值沿洼陷走向呈狭长分布特征，且TOC最大值约为1.5%(图6d)。

综上所述，一方面，在早期TOC值的一个高值带分布于洼陷沉积中心，到后期受构造迁移和抬升作用影响，TOC值高值带向四周扩散、高值降低、直至闭合状高值带消失；另一方面，TOC值的空间分布表现为随时间由老到新有机质丰度逐渐降低的特点，因此沙三段为主要烃源岩。

图6　莱州湾东北洼烃源岩TOC值等值线图

7　结束语

在地层变化快、非均质性强的边缘凹陷的烃源岩有机质丰度预测中，基于△logR法的测井预测法和地震属性预测法存在局限性。

文中结合电阻率、声波时差和密度等测井曲线与实测TOC值，采用三元二次最小二乘法进行曲面拟合预测烃源岩TOC值，在渤海湾盆地莱州湾东北洼烃源岩有机质丰度预测中取得了较好的预测效果。预测结果表明：TOC值分布由早期的洼陷沉积中心的一个高值带，到后期随构造迁移和抬升作用影响，高值带向四周扩散、高值降低、直至闭合状高值带消失的特征；TOC值的空间分布表现为随时间由老到新有机质丰度逐渐降低的特点，因此沙三段为主要烃源岩。

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