综合有机地球化学和测井信息的烃源岩地震评价——以辽中凹陷沙三段为例

侯庆杰 金 强 吴 奎 张如才 端木潇潇 洪国郎

(①中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东青岛 266580；②中海石油(中国)有限公司天津分公司勘探开发研究院，天津 300452)

1 引言

烃源岩有机碳含量(TOC)和厚度是评价烃源岩的重要参数，也是预测油气资源的基本指标[1-5]。通过采集岩心或岩屑样品分析TOC、有机质类型、成熟度等信息，已经形成了成熟的烃源岩评价指标和评价方法[6-11]。上述方法在钻井较多、勘探程度较高地区获得了较好的效果。在海域或勘探程度较低的油气探区，钻井及取心资料少、且多位于构造高部位，以有限的分析样品代表整个评价层段和区域，忽略了烃源岩分布的非均质性，使预测结果与实际情况有很大偏差，有时还可能得到错误的结论[12-14]。本文探索了充分利用海域油气探区深层地震资料丰富的优势，建立了一种综合有机地球化学和测井信息的烃源岩地震评价方法。运用烃源岩有机地球化学与测井资料建立烃源岩测井评价模型获得单井连续分布的烃源岩TOC等数据，并将结果标定到地震相、地震反演剖面及地震属性上，获得烃源岩分布范围、厚度和TOC等信息，从而预测少井或无井油气探区烃源岩分布情况。

辽中凹陷经过多年的石油地质研究和勘探实践，已证实古近系东营组中、下部及沙河街组发育的厚层暗色泥页岩是凹陷的主力烃源岩[15-17]。辽中凹陷沙一段及以上层段取心资料丰富，利用地球化学和测井信息已完成了烃源岩相关参数评价；对深层沙三段及沙四段研究相对薄弱，钻遇沙三段的井仅18口。辽中凹陷的面积近4300km2，仅利用常规地球化学和测井资料评价烃源岩的方法已难以满足高精度储层评价的要求。利用辽中凹陷覆盖全区的三维地震资料，通过建立综合有机地球化学和测井信息的烃源岩地震评价方法预测深层烃源岩发育相带，为下一步对辽中凹陷邻近含油气构造成藏理论分析奠定基础。

2 烃源岩发育背景及地化特征分析

辽东湾坳陷位于渤海湾盆地东北部海域，属于发育在华北克拉通上的裂陷盆地，东、西分别与胶辽隆起和燕山褶皱带相邻，南、北分别与渤中坳陷和辽河断陷接壤。辽东湾坳陷共包含“三凹两凸”共5个次级构造单元，其中辽中凹陷面积最大，埋深也最大，为辽东湾坳陷规模最大的生烃凹陷，并可进一步划分为辽中北洼(B1)、辽中中洼(B2)和辽中南洼(B3)三个次一级洼陷(图1)[18-20]。

辽中凹陷在沙三段(Es3)沉积时处于古新世—始新世中期的伸展裂陷Ⅱ幕阶段，为快速断陷期。该时期地壳拉张加剧，水域面积增大，统一湖盆基本形成，物源充足，具近源和短源特点。沉积相以浅湖、半深湖为主，湖盆边缘发育辫状河三角洲，局部区域(如边界断层的下降盘)发育近岸水下扇[21]。辽东凸起和辽西低凸起是辽中凹陷沉积的主要物源，导致部分近源地区高等植物来源较多，但稳定的深湖区受陆源输入影响较小，故有机质类型主要为Ⅱ型，含少量Ⅰ型和Ⅲ型[22，23]。

辽中凹陷Es3整体较厚，局部区域如辽中凹陷北部洼陷中心部分，地层厚度达1000m以上。为了便于精确分析烃源岩的分布情况，将Es3划分为上(Es3U)、中(Es3M)和下(Es3L)三个亚段，其中烃源岩主要分布在Es3M和Es3L，为本次研究的重点层段。根据6口典型井的热模拟、元素及显微组分等地化分析数据(图2)可知，Es3M和Es3L烃源岩丰度均较高，TOC值多处于1%～4%范围内； O/C值范围为0.05～0.23，H/C值范围为0.8～1.4，壳质组含量范围为48%～87%，腐泥组含量范围为3%～44%，镜质组+惰质组含量范围为5%～30%，T指数范围为11.5～62.5，均表明有机质类型主要为Ⅱ1和Ⅱ2型，反映有机质多为混合型来源。此外，Es3M烃源岩镜质体反射率R0多分布于0.7%～1.1%，Es3L 烃源岩的R0主要分布于0.9%～1.3%，反映成熟—高成熟热演化阶段，均已处于生烃高峰期。因此，Es3M烃源岩品质稍优于Es3L。

图2 辽中凹陷Es3烃源岩特征

3 烃源岩测井预测模型建立

选取辽中凹陷6口典型井的162个样品的地化和测井资料，发现测井响应特征总体体现为“三高一低”的特点，即高自然伽马(GR>105API)、高声波时差(AC>90μs/ft)、高电阻率(RT>2.8Ω·m)和低密度(DEN<2.5g/cm3)。利用自然伽马去除非泥岩层，采用Passey等[24]的TOC定量测井评价技术优选电阻率和声波时差测井参数，并利用改进后的ΔlgR公式[6, 25]计算TOC值

TOC=algRT+bAC+c

(1)

通过系统分析研究区的采集样品，采用最小二乘法拟合获得a、b、c等常数。

利用研究区热模拟TOC值与测井参数AC及RT标准化值进行拟合，分别建立了辽中凹陷Es3M及Es3L的TOC测井预测模型

TOC(Es3M)=0.11AC+3.27lgRT-9.95

(2)

TOC(Es3L)=0.07AC+2.59lgRT-6.06

(3)

获取非连续取心井的烃源岩TOC值，并判断相应烃源岩厚度等评价参数。该参数与实验室分析化验数据具有较高一致性(图3)。

图3 辽中凹陷Es3M(左)及Es3L(右)TOC实测值与预测值相关图

4 烃源岩的地震识别与评价

4.1 由烃源岩的地震相特征定性识别烃源岩边界

按地震地层学及层序地层学的观点，以地震相和沉积相模式为指导，对比借鉴中、浅层沉积相单元与地震反射结构的对应关系，结合测井资料解释成果，进而确定研究区烃源岩的地震反射特征。

根据前人的沉积相研究成果，辽中凹陷三个洼陷中心均为深湖—半深湖相沉积，发育中等—优质烃源岩；向两侧凸起和斜坡处延伸，沉积相过渡至滨、浅湖和近岸水下扇沉积，烃源岩与地层的厚度比降低。根据单井烃源岩地震相标定，认为湖泊相泥质烃源岩表现为低频、连续和强振幅的典型地震相特征[26，27]。由辽中北洼主测线AA′剖面(图4上)可见：T5和T6分别为Es3顶、底，洼陷中心在纵向呈三种地震相特征，中间部分为低频、连续、强振幅和平行—亚平行反射结构(Ⅰ类地震相特征)，对应烃源岩TOC值多大于2%，为低能静水还原环境下沉积的富含有机质的泥岩类；上、下部分为中低频、较连续以及中强振幅(Ⅱ类地震相特征)，对应烃源岩TOC值多为0.5%～2%，反映了沉积相由浅湖相至深湖—半深湖相再到浅湖相的变化。由辽中中洼主测线BB′剖面(图4下)可见，由洼陷中心向洼陷两侧，地震相特征由低频、连续、强振幅逐渐过渡至中频、较连续和弱振幅，反映沉积相转变为滨浅湖和近岸水下扇，水体能量增加，砂岩比率增加，烃源岩TOC值多小于0.5%。综上所述，辽中凹陷烃源岩主要分布在Ⅰ类和Ⅱ类地震相范围内。

利用地震相特征可定性识别剖面上烃源岩的边界，进一步确定烃源岩在平面上的分布范围，还可粗略估计烃源岩厚度。但是由于地震资料的纵向分辨率低，地震相解释结果具有主观性。因此，仅仅利用地震相特征难以定量计算烃源岩的厚度。

图4 辽中凹陷主测线AA′剖面(上)、BB′剖面(下)(剖面位置见图1)

4.2 由烃源岩的波阻抗半定量反演烃源岩厚度

由地震反演得到的波阻抗参数可以反映岩性差异[28-31]，本文采用叠后多井约束稀疏脉冲反演方法预测烃源岩。对比辽中凹陷18口取心井的83个烃源岩样品与64个非烃源岩样品的波阻抗反演数据并分析其岩石物理特性，由烃源岩、非烃源岩的密度—波阻抗交会图(图5)可知，烃源岩落在波阻抗小于7200g·cm-3·m·s-1、密度为2.26～2.41g·cm-3的范围内，非烃源岩落在波阻抗大于7200g·cm-3·m·s-1、密度为2.31～2.51g·cm-3的范围内，两者重合部分(波阻抗数据无法识别烃源岩的部分)共12个样品，占烃源岩总样品数的14.5%，在误差允许范围内。因此，根据波阻抗反演剖面去除波阻抗大于7200g·cm-3·m·s-1的部分，便可识别主测线任一CDP线下某一深度段内的烃源岩厚度，进而确定该CDP线对应平面烃源岩的厚度。

图5 烃源岩、非烃源岩的密度—波阻抗交会图

图6为辽中凹陷主测线CC′波阻抗反演剖面。由图可见，烃源岩表现为蓝/绿色等冷色调，非烃源岩表现为红/黄色等暖色调，在剖面上可清晰地分辨烃源岩层和非烃源岩层。以纵向CDP线Z1为例，依据烃源岩的波阻抗特征，在Z1线上共识别出Es3的5个小烃源岩层，其中累积烃源岩厚度占总地层厚度的45%。结合CC′剖面的时深转换关系，计算出Z1线Es3M累积烃源岩厚度为272m，Es3L累积烃源岩厚度为90m。与利用地震相识别烃源岩的方法相比，波阻抗反演将烃源岩识别半定量化，分辨率得到提高，降低了主观识别烃源岩带来的误差，进一步提高了识别精度。

4.3 地震属性预测模型定量计算烃源岩TOC值

地震属性指的是那些由叠前或叠后地震数据，经过数学变换而得出的有关地震波的几何学、运动学、动力学或统计学特征。岩性、物性和充填在其中的流体性质等因素的空间变化，都会造成地震波速度、振幅、频率等相应的变化[12]。通过反复对比发现，烃源岩与非烃源岩在地震属性特征上存在明显差异，部分属性与烃源岩TOC之间具有很强的相关性[32]。

按剖面从辽中凹陷地震资料中提取振幅类、频率类和能量类等12种地震属性，每一种地震属性的任一值都对应唯一坐标(x,y)，根据该地区时深转换关系，即可确定某一深度对应的属性值。建立烃源岩地震属性预测模型的具体方法为：

(1)利用烃源岩典型波阻抗特征剔除剖面上的非烃源岩部分。

(2)地震属性归一化预处理。由于多信息TOC值预测的地震属性数据量大，属性之间量纲不统一，数量级差别大，局部异常往往淹没在区域背景上，还存在一些离群异常数值等问题。在做TOC值预测之前，必须对地震属性参数进行归一化等预处理，具体方法为：设样本数据为Xp(p=1,2,…,p)，定义样本数据中最大值Xmax=max{Xp}，样本数据最小值Xmin=min{Xp}，样本数据归一化值为Xp'，有

(4)

即按式(4)进行归一化处理，将样本数据转化为0～1之间的数据。

(3)优选地震属性参数。将归一化处理的地震属性数据，依据

(5)

(4)拟合建立TOC定量预测模型。利用步骤(1)～步骤(3)优选归一化后的地震属性参数， 结合单井地球化学—测井数据进行线性拟合，得到辽中凹陷Es3烃源岩TOC定量预测模型

表1 辽中凹陷烃源岩TOC值与地震属性相关系数

TOC= 5.44-3.43X1-3.08X2-2.88X3+

1.07X4

(6)

式中：X1为平均光滑反射强度；X2为均方根振幅；X3为平均瞬时频率；X4为平均瞬时相位。

确定主测线剖面任一CDP下固定深度段平均TOC值，需要对段内烃源岩小层划分。假定小层内TOC值均一、有机质类型相同、成熟度相似，则通过对各单层进行加权平均求得任一CDP下整个深度段平面平均TOC值

(7)

式中：hi为第i小层烃源岩的厚度值； TOCi为第i小层的平均TOC值；H为固定深度段烃源岩总厚度。段内小层数划分越多，预测TOC值精度越高。

4.4 抽稀井检验

将上述方法得到的烃源岩TOC和厚度值与钻井资料的实际值进行对比(图7)，发现两者的相对误差平均值分别为9.56%和10.06%(表2)，对盆地勘探部署提供了较为准确的信息。

图7 辽中凹陷烃源岩厚度和TOC实测值与预测值相关图

井名深度/m层位烃源岩厚度烃源岩TOC预测厚度m钻井厚度m相对误差%预测TOC%钻井TOC%相对误差%P1-32246～2783Es3M2962776.81.751.684.2P2-22396～2547Es3M4953-7.50.510.5710.5P7-13084～3192Es3M104122-14.81.781.5912.0P8-12946～3025Es3M574916.30.920.858.2P8-22882～2945Es3M3941-4.90.270.31-12.9P1-32783～3036Es3L1171097.31.761.712.9

5 辽中凹陷沙三段烃源岩预测

利用研究区43条主测线地震数据和18口钻井的测井及地化资料，运用综合有机地球化学和测井信息的烃源岩地震评价法分别对辽中凹陷Es3M和Es3L的烃源岩TOC与厚度进行预测。图8为Es3烃源岩厚度和TOC平面等值线图。由图可见，总体上，两个亚段烃源岩主要分布在凹陷深洼处，呈NNE走向，两侧凸起及斜坡带处烃源岩厚度小(图8a、图8b)，TOC值小(图8c、图8d)。具体为：①辽中凹陷Es3L处于第一快速断陷初期，湖盆初步形成，南北开始连片，但与辽西凹陷分隔依旧明显，共发育三个生烃中心，由北至南依次为辽中北洼、辽中中洼和辽中南洼。其中辽中北洼和辽中中洼烃源灶品质均较好且无明显差异，TOC值多为1.5%～2.7%，烃源岩厚度为100～262m，辽中南洼烃源灶品质相对较差，TOC值最大为1.7%，烃源岩厚度均小于200m(图8b、图8d)。②辽中凹陷Es3M处于第一快速断陷中后期，构造沉降持续大于沉积供给，可容纳空间充足，造成沉积区规模进一步扩大，辽中北洼开始与辽西凹陷扩展联合。生烃中心继承了Es3L的分布格局，烃源灶发育程度整体提升，但南北分异性远大于Es3L，其中辽中北洼烃源岩厚度最大达372m，TOC值多为2%～2.7%，往西南方向延伸，烃源岩TOC值和厚度逐渐变小，其中辽中中洼厚度多为200～300m，仅邻近辽东凸起的深洼处厚度达313m，TOC值多为1.7%～2.4%；辽中南洼由于受扇三角洲和辫状河三角洲的影响，水体相对动荡，烃源灶品质较差，TOC值均在2.0%以下，烃源岩厚度均小于200m(图8a、图8c)。

6 结束语

(1)利用TOC、干酪根类型、成熟度以及地球化学等信息，结合自然伽马、声波时差、电阻率和密度等测井参数，运用改进后的ΔlgR公式拟合出适用于研究区的TOC测井评价公式，预测TOC值与实测值具有较好一致性，可以准确获取非连续取心井的烃源岩TOC值并判断相应烃源岩厚度等评价参数。

(2)利用钻井资料标定辽中凹陷烃源岩地震相和地震反演剖面，认为烃源岩典型地震相特征为低频、连续和强反射，其波阻抗反演参数小于7200g·cm-3·m·s-1。因此，地震相分析和波阻抗反演两种方法均可确定烃源岩的分布范围和厚度，但后者与前者相比，分辨率相对提高，降低了主观识别烃源岩带来的误差，进一步提高了识别精度。

(3)在确定烃源岩厚度的基础上，优选平均光滑反射强度、均方根振幅、平均瞬时频率和平均瞬时相位等4种与TOC值变化相关度高的地震属性，建立地震属性计算TOC的经验公式，并预测烃源岩平面分布趋势，增加了预测参数的横向连续性。经抽稀井检验，与钻井计算值相对误差小于17%。

(4)利用本文所述的综合有机地球化学和测井信息的烃源岩地震评价方法，预测了辽中凹陷3个洼陷的烃源岩厚度和TOC平面分布，认为厚度较大的烃源岩分布在辽中北洼和辽中中洼，为该区主力烃源灶，沙三中亚段烃源岩TOC、厚度以及分布范围均优于沙三下亚段。该成果在油田勘探开发进程中取得了较好的效果。