渤海秦南凹陷沙三段烃源岩有机碳含量定量预测

杨传超, 郭 瑞, 王富民, 张 震, 裴小刚

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300452)

随着一系列大中型油气田在渤海海域边缘凹陷的不断探明，边缘凹陷成为近期油气勘探的热点[1-4]。大规模的油气勘探发现是保证油气田开发具备经济效益的关键。然而，边缘凹陷勘探程度低、不确定因素多，导致勘探风险较大。烃源岩作为油气生成的物质基础，其分布和品质的精确定量预测对于凹陷资源量评价、油气富集区判别具有重要意义。

目前，常用的烃源岩预测和评价方法有地球化学实验分析法、测井法和地震法。地球化学评价方法已十分成熟，但边缘凹陷区钻井少，横向采样受到限制，仅以纵向上有限的分析样本评估整套烃源岩，这无疑忽略了烃源岩在空间范围内的非均匀性[5]。相对于地球化学法，测井法可获得纵向连续的烃源岩评价参数[6-10]，但仅揭示了纵向上的烃源岩分布及品质，无法描述烃源岩横向展布特征。对此，一些学者寄希望于借助地震属性在横向上高分辨率的优势，积极探索了地震属性与烃源岩有机碳含量(TOC)的响应关系[11-15]，实现了三维TOC数据体的地震多属性预测，从而获得烃源岩的空间展布规律。

秦南凹陷作为渤海湾盆地的边缘凹陷之一，过去的数十年间并无重大油气发现，直至2009年QHD29-2构造首次获得重大勘探突破，探明亿吨级大型古近系油气田。以往对于该区的研究集中于层序地层格架、沉积相类型及分布、油气成藏等方面[16-22]，对于凹陷烃源条件的报道相对较少。现有钻井多位于凹陷边缘或者构造高部位，仅10余口井钻遇古近系沙河街组烃源岩，导致目前对凹陷内烃源岩的发育状况认识不清，制约了对凹陷的油气资源潜力评价和勘探选区。本文基于烃源岩有机地球化学资料、测井及地震等信息，利用地球物理评价方法，研究沙河街组烃源岩的品质及展布规律。

1 研究区概况

秦南凹陷地处渤海海域西北部，为渤中地区的一个次级构造单元，整体呈近东西向展布，其南部为石臼坨凸起，面积约 2 300 km2，由东南、东、西3个洼陷组成(图1)。钻井揭示，凹陷内新生界发育齐全，其中古近系发育完整的孔店组、沙河街组(沙四、沙三、沙二和沙一段)及东营组(东三、东二和东一段)。该区已发现的油气藏主要分布于沙一、沙二段[16-22]。

前人通过对秦南凹陷的构造演化、沉积充填以及油源对比等多方面研究，认为形成于半深湖-深湖环境的沙三段烃源岩为秦南地区油气的主要来源[17]。因此，秦南凹陷沙三段烃源岩的评价与预测，是该凹陷实现油气勘探突破的首要问题。

2 烃源岩特征

2.1 地球化学特征

秦南凹陷发育3套烃源岩，分别为古近系沙三段、沙一段和东三段。其中沙三段烃源岩发育期对应渤海湾盆地强裂陷期，该时期湖盆水体快速加深，为半咸水-淡水环境，藻类丰富，烃源岩有机质来源主要为水生低等生物，有机质类型较好[17]。目前，秦南凹陷内共12口井钻遇沙三段，岩性主要为灰褐色泥岩夹薄层砂岩，厚度为70～350 m。前人已利用有机碳含量(TOC)、氯仿沥青“A”和热解参数对研究区沙三段烃源岩进行了评价[17,21-24]，认为沙三段烃源岩有机质类型以Ⅱ1型为主，有机碳质量分数(wTOC)为1.53%～2.94%，平均为1.53%；生烃潜量(质量分数)为5.73‰～13.84‰，平均为9.57‰；镜质组反射率(Ro)为0.65%～0.73%，整体属于低成熟-成熟阶段的好品质烃源岩。前人通常利用多个样品实测TOC的平均值代表整段烃源岩TOC含量，该方法无法有效刻画TOC在纵向上的变化规律，如QHD29-2-1井，沙三段泥岩实测wTOC为0.44%～2.94%，平均为1.37%，但其3 650～3 860 m深度内wTOC>2.0%。

图1 秦南凹陷构造单元分布图(新生界底界面) Fig.1 Distribution of tectonic units in the Qinnan Depression (bottom boundary of Cenozoic)

2.2 测井相特征

由于有机质具有吸附能力强、干酪根导电性差、压实程度强及低密度的特点，泥质烃源岩在测井曲线上常呈现“三高一低”的典型特征，即高自然伽马、高声波时差、高电阻率和低密度，明显区分于普通泥岩或者砂岩层的测井响应[7]。以秦南凹陷xn-1井钻遇的沙三段为例，相较于一般烃源岩(wTOC<1.0%)或非烃源岩层(wTOC<0.5%)，好烃源岩(wTOC>2.0%)测井响应呈现出“三高一低”的特征(图2)。

2.3 地震相特征

前人认为秦南凹陷沙三段沉积时期处于快速裂陷阶段，凹陷快速沉降，凸起为主要物源区。该阶段主要发育近岸水下扇、扇三角洲以及深湖-半深湖等多种沉积相，其中秦南西洼和中洼深湖-半深湖沉积面积较大，暗色泥岩分布广、厚度大，为研究区主要的烃源岩层系[17,21]。从地震剖面上来看，沙三段深湖-半深湖相的烃源岩主要发育于凹陷中心，具有较为典型的低频、连续、较强-强反射的烃源岩地震反射特征，内部多表现为平行-亚平行的反射结构(图3)。

3 方法应用

秦南凹陷区高品质三维地震资料全覆盖，且周边有多口钻井，具备利用地球物理方法评价烃源岩的资料条件。基于秦南凹陷沙三段烃源地球化学特征、测井响应关系以及地震反射特征，运用地球化学分析、测井与地震等数据资料，形成本区沙三段烃源岩的定量评价流程(图4)。

图2 秦南凹陷xn-1井沙三段烃源岩测井响应特征Fig.2 Characteristics of logging response of Well xn-1 Es3 source rocks in Qinnan Depression

图4 井震预测烃源岩TOC定量评价流程Fig.4 Quantitative TOC evaluation process of source rock for well-seismic prediction

3.1 测井预测烃源岩TOC曲线

前人研究成果表明，烃源岩TOC与自然伽马、声波时差、密度和电阻率等测井参数具有明显的相关性，常见的以ΔlgR法、多元回归分析法以及BP神经网络法[6-10]居多。

本文基于实测样品TOC，利用Passey[8]经验公式获取研究区单井TOC曲线。在该方程中，R为实测电阻率；R基线为基线对应的电阻率；Δt为实测声波时差；Δt基线为基线对应的声波时差；K=0.02，为电阻率和声波时差的叠合系数。热变指数ILOM与有机质成熟度有关。

ΔlgR=lg(R/R基线)+K(Δt-Δt基线)

(1)

(2)

秦南凹陷沙三段烃源岩电阻率基线值为2.5 Ω·m，声波时差基线值约为282 μs/m。根据烃源岩热演化程度，确定该区热变指数ILOM可取6～8，当取7时，测井预测结果与实测值的误差最小，平均误差为10%，二者相关性可达92%(图5)，证明了该方法在研究区具有较强的适用性。

3.2 地震反演TOC数据体

地震资料中包含有丰富的岩性、物性信息，而从地震资料中提取的地震属性能在一定程度上反映地层中岩性、物性和充填在其中的流体性质等因素的变化。本次研究通过优选多种地震属性组合定量预测烃源岩TOC[13-14]，运用HRS软件中的Emerge和Strata模块建立测井预测TOC曲线与井旁道地震属性的关系模型，优选最佳属性参数组合，最终获得三维TOC数据体。

地震反演主要分为2步：一是数据加载及井震标定，包括三维地震数据、烃源岩层顶底层位以及测井获取的TOC曲线等；二是属性优选及关系模型确立，也是地震多属性反演TOC的关键步骤。属性优选在Emerge模块中实现，通过提取井旁道相位、频率和振幅等多种属性，优选与烃源岩TOC相关性好的属性。本次研究初步筛选了9种地震属性进行多属性相关性分析(图6)，随着地震属性个数的增加，训练误差逐渐降低，而验证误差呈现先降低后增高的特征。训练误差是反映单井TOC曲线与地震属性组合的拟合程度，井与井之间互不干扰；验证误差则是井震预测模型对某口单井预测效果的反应。换言之，验证误差的存在可以有效防止地震属性与TOC曲线出现过度拟合的现象。

图5 秦南凹陷区实钻井TOC值与测井预测值的关系Fig.5 Relation between measured TOC and predicted value based on logging in Qinnan Depression

图6 多属性预测TOC曲线效果质控图Fig.6 Quality control of TOC curve effect predicted by multiple attributes

因此，综合考虑训练误差和验证误差结果，最终研究区选取了平均频率、主频、视极性、道积分和振幅加权频率5个地震属性组合预测烃源岩TOC三维空间分布，建立了秦南凹陷区地震多属性预测烃源岩TOC的关系模型。在该方程中，A1为道积分；A2为平均频率；A3为主频；A4为视极性；A5为振幅加权频率。

wTOC=2.9-0.34A1-3.47e-5A2+4.33e-6A3-

7.1e-8A4-5.29e-5A5

(3)

从xn-1、xn-2和xn-3等单井拟合效果以及抽井验证效果来看，都具有很强的正相关性(图7)。通过地震预测TOC与实测TOC的对比分析发现，预测精度可达91%(图8)。以上多项证据表明，TOC预测结果较为可靠，与实测数据非常吻合，能够客观反映烃源岩TOC在空间上的变化规律。

3.3 沙三段烃源岩分布特征

以地震反演的三维TOC数据体为基础，通过HRS软件的切片功能可以得到一系列TOC剖面图，凹陷内沙三段发育大套优质烃源岩，同时表现出强非均质性，下部烃源岩品质整体优于上部，横向上呈“豆荚状”分布(图9)。

图10为研究区井-震联合预测的烃源岩分布图，从图中可以看出秦南凹陷东南洼烃源岩有机质丰度最高，wTOC值在3.0%～4.5%，其次为东洼，西洼烃源岩TOC值最低。东洼和西洼由于受北部大物源影响[18,20]，物源供给充足，洼陷内沉积砂体较发育，不利于烃源岩的发育和保存，致使东洼和西洼的烃源岩TOC值相对较低；东南洼主要靠南侧局部物源供给，仅发育规模较小的沉积体，整体为稳定的半深湖-深湖沉积，有利于烃源岩的发育和保存。

关于烃源岩厚度的获取，本次研究用HRS软件中的Emerge模块完成烃源岩的厚度预测。

图7 基于多属性预测的单井拟合效果图(A)和抽井验证效果图(B)Fig.7 Single well fitting effect of multi-attribute prediction (A) and verification effect of multi-attribute prediction (B)红线为测井预测TOC曲线；黑线为地震预测TOC曲线

图8 地震多属性预测烃源岩TOC拟合效果图Fig.8 TOC fitting effect of source rock for seismic multi-attribute prediction

考虑到TOC值预测误差在0.5%左右，因此首先设置wTOC>1% 作为有效烃源岩的门限值，进而获取对应等级烃源岩体的地震属性数据体；然后垂向累加地震属性体的样本点数，将累积的样本点数与采样间隔数2 ms相乘得到时间厚度；最后通过时深转换即可得相应厚度值。

图11为秦南凹陷沙三段烃源岩的预测厚度分布图，不同颜色代表不同厚度分布范围，颜色越深代表厚度越大。从图中可看出，预测烃源岩厚度最大区位于东洼，平均厚度达500 m，最大可达700 m。通过与研究区钻井资料对比，沙三段烃源岩预测厚度与实钻结果较为吻合，平均误差在10%左右。例如，xn-1、xn-6和xn-8三口井，均已钻穿沙三段，预测烃源岩厚度与实钻烃源岩厚度相差无几(表1)。

表1 秦南凹陷沙三段烃源岩厚度预测效果对比Table 1 Contrast of prediction results of Es3 source rock thickness in Qinnan Depression

图9 秦南凹陷沙三段烃源岩TOC分布栅状图Fig.9 Grid diagram showing TOC distribution of Es3 source rocks in Qinnan Depression

图10 秦南凹陷沙三段烃源岩TOC平面分布图Fig.10 TOC distribution of Es3 source rocks in Qinnan Depression

4 结 论

a.秦南凹陷沙三段烃源岩在测井上表现为“三高一低”的典型特征，即高自然伽马、高声波时差、高电阻率和低密度，同时具有低频、连续、较强-强反射的典型烃源岩地震响应特征。

b. TOC地震多属性反演结果与实钻井揭示的烃源岩特征较为吻合，表明该预测方法在边缘凹陷具有较强的适用性，能够有效刻画烃源岩在空间范围内的品质及展布规律。预测结果表明，研究区沙三段烃源岩wTOC大多在2.0%以上，横向上呈“豆荚状”分布。秦南凹陷东南洼烃源岩TOC值最高，其次为东洼，西洼烃源岩TOC值最低。通过与实钻结果对比，沙三段烃源岩TOC预测误差在20%左右，厚度预测误差在10%左右。

图11 秦南凹陷沙三段烃源岩厚度平面分布图Fig.11 Thickness plane distribution of Es3 source rocks in Qinnan Depression