渤海海域庙西中南洼围区烃源岩有机相与测井评价

孙 哲，彭靖淞，江尚昆，叶 涛，郭 颖

（中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459）

0 引言

渤海海域东南部发育多个以庙西中南洼为代表的边缘洼陷。近年来，围绕此类洼陷的油气勘探取得了一系列成果，相继发现了渤中36-1、垦利6-5等一批大中型油田［1-2］，证实了相对于富烃凹陷，边缘洼陷也具有良好的勘探前景，然而，相较于富烃凹陷“满凹生烃”的强劲生排烃能力［3-4］，边缘洼陷由于在盆地演化过程中沉降幅度较小或剥蚀量较大，烃源岩发育局限、非均质性强［5-6］，往往成为油气成藏要素中的“短板”。因此，在边缘洼陷的勘探中，关于烃源岩分布特征和规律的相关研究是重中之重。遗憾的是，相较于富烃凹陷丰富的钻井和地球化学资料，边缘洼陷受自身勘探程度低的制约，可用相关资料较少，这与对其烃源岩发育特征认识的高要求形成矛盾。胡志伟等［7］、贾楠等［8］、张宏国等［9］关于本地区烃源岩的研究多是应用常规地质及地球化学分析方法，并基于少量钻井揭示的岩石地球化学、有机地球化学等资料，指明了研究区烃源岩的主要发育层系，但忽视了对边缘洼陷烃源岩纵向非均质性的刻画，也未指出区域上烃源岩的横向分布特征及规律。

显然，研究区烃源岩评价目前面临2 个主要问题：一是勘探程度低，常规地球化学资料少；二是烃源岩非均质性强，预测难度大。Δ logR技术是利用高分辨率测井信息预测烃源岩有机质含量的经典方法，该技术最早由埃克森（Exxon）、埃索（Esso）公司和Passey 等［10］开发，具有资料易获取、可操作性强等优点，得到广泛应用［11-15］，但也有基线的确定过程繁琐，受人为因素影响大等缺点。胡慧婷等［16］、刘超等［17-18］、许娟娟等［19］、陈海峰等［20］通过改进算法模型，利用变系数Δ logR技术将原技术中的经验参数改为待定系数，并结合误差分析，依据研究区实际资料厘定待定系数的值，改善了Δ logR技术对烃源岩TOC（总有机碳）的预测效果。借助于连续的TOC数据，王飞宇等［21］、王浩等［22］、赵志刚等［23］通过对渤海湾盆地饶阳凹陷以及二连盆地赛汉塔拉凹陷烃源岩的有机相进行分类，实现了对烃源岩的分级评价，很好地解决了烃源岩评价中的非均质性问题。

此次研究，在系统整合前人烃源岩测井评价、有机相划分等相关研究方法的基础上，从庙西中南洼围区单井实测地球化学数据出发，应用变系数Δ logR技术刻画研究区烃源岩纵向非均质性，并通过井-震标定，在研究区三维地震数据格架下明确各类有机相的地震反射特征，总结区域上烃源岩的横向分布特征及规律，以期对油气勘探部署以及此类边缘洼陷的烃源岩评价有所启示和借鉴。

1 研究区概况

庙西中南洼位于渤海海域的东南部海域（图1），西邻渤南低凸起，东靠胶辽隆起，北邻庙西南凸起，洼陷呈北东向狭长形展布，面积约1 090 km2。研究区位于郯庐断裂东支南段，构造环境复杂，油气勘探程度低，钻井数量较少，且钻井多位于高部位，从揭示地层来看，目前仅2 口探井（PL25-A 井和PL25-B井）揭示了洼陷主力烃源岩，对研究区普遍存在的沙三段（Es3），特别是沙四段（Es4）主力烃源岩钻遇较少，导致对其烃源岩的发育状况与特征认识不清，极大地制约了该洼陷的油气勘探。

图1 庙西中南洼围区构造区划简图Fig.1 Structure regionalization diagram of the study area

2 烃源岩纵向非均质性刻画

2.1 烃源岩有机相划分依据和标准

有机相的概念最初由Rogers［24］和Jones［25］提出，此后，烃源岩有机相在石油勘探中得到了广泛的应用［26-27］。在有机相的划分上，国内外学者根据实际研究的需要和使用范围，采用不同的指标，提出了许多分类方案［28-29］。本文主要参考了Pepper等［30］和Evenick 等［31］对有机相的定义和划分方案，并将该区烃源岩有机相划分为A，B，C，D/E，F 等5类（表1）。

有机相的划分主要考虑烃源岩的有机质来源、沉积环境，以及干酪根类型等因素，然而，在实际勘探过程中，定性指标的划分往往难以操作和应用。为了建立有机相划分的定量指标，通过统计研究区烃源岩样品TOC 与干酪根显微组分以及HI（氢指数）与干酪根的类型关系发现，随着TOC 的增加，烃源岩有机质来源逐渐由陆源有机质向水生低等生物变化［图2（a）］；随着HI的增加，干酪根类型由Ⅲ型渐变为Ⅰ型［图2（b）］。TOC 和HI定量表征了烃源岩有机质来源和干酪根类型，因此将研究区烃源岩有机相的表征简化为TOC 和HI层段的划分，再结合沉积环境相关研究，可以较为完善地划分有机相。

表1 有机相定义及划分方案［30］Table 1 Definition and division scheme of organic facies

图2 庙西中南洼围区沙三段烃源岩TOC 与干酪根显微组分的关系（a）及沙三段烃源岩HI 与干酪根类型关系（b）Fig.2 Relationship between TOC and kerogen macerals（a）and relationship between HI and kerogen types（b）of source rocks of Es3 in the study area

对于中低成熟度泥质烃源岩来说，TOC 与HI存在很好的正相关性［22］，边缘洼陷多位于盆地边缘，沉降幅度较小或剥蚀量较大，烃源岩成熟度低，这种相关性表现得更为明显。通过统计、整理庙西中南洼围区共计200 余个岩石热解数据（样品深度为1 600～3 500 m，平均深度为2 611.5 m，研究区生烃门限约2 700 m）表明，烃源岩的HI与TOC 的含量具有很好的相关性，在未成熟—低成熟阶段，HI随TOC 含量的增大而增大，当TOC 的质量分数大于3%时，HI值达到最大值后趋于平缓（图3）。

据此，参考Pepper 等［30］对有机相的定性划分方案，并利用研究区大量的实测TOC 和HI数据建立了本区烃源岩有机相的定量划分标准（表2），即TOC 质量分数大于2%，HI均值约600 mg/g 的烃源岩对应的有机相为C 相；TOC 质量分数为1%～2%，HI均值约350 mg/g 的烃源岩对应的有机相为D/E 相；TOC 质量分数为0.5%～1.0%，HI均值约170 mg/g 的烃源岩对应的有机相为F 相。

图3 庙西中南洼围区TOC 与HI 相关关系统计Fig.3 Correlation of TOC and HI of source rocks in the study area

表2 庙西中南洼围区烃源岩有机相定量划分标准Table 2 Organic facies classification criteria of source rocks in the study area

2.2 烃源岩测井地球化学评价

边缘洼陷勘探程度低，且海上钻井作业取心资料有限，实测烃源岩TOC 数据稀少，不足以支持单井上对烃源岩的精细有机相划分。Δ logR技术是利用测井资料预测烃源岩TOC 的有效方法，该方法利用电阻率和声波时差曲线识别烃源岩和定量计算烃源岩TOC，其公式如下：

式中：R为电阻率，Ω·m；R基线为基线电阻率，Ω·m；Δt为声波时差，μs/m；Δt基线为基线声波时差，μs/m；K为叠合系数，取K=0.02。

式中：TOC 为总有机碳含量，%；A，B均为常数。

根据Δ logR值与实测TOC 拟合的线性关系，最终可以计算出全井段泥岩的TOC。国内有很多学者也应用此方法对烃源岩进行评价，并取得了很好的效果，但是，在具体应用时则发现公式中给定的叠合系数K是一个经验值，即K=0.02。现以PL25-B 井为例（图4），当取K=0.02 时，实测TOC与Δ logR的拟合关系较差，当以一定步长移动K值，动态拟合实测TOC 时，随着K值的不断增加，相关系数表现出先增大后减小的趋势，当K=0.032时，相关系数（R2=0.828）达到最高值，那么此时的叠合系数即为最优叠合系数（图4，图中1 ft=30.48 cm，在英尺进制下经验系数取0.02）。

图4 庙西中南洼围区不同K 值对应拟合系数R2变化Fig.4 Variation of fitting coefficient R2corresponding to different K values in the study area

采用这种最优叠合系数下的Δ logR技术，优选了研究区4 口资料齐全的探井进行了TOC 测井预测。结果表明，实测TOC 与预测TOC 整体吻合较好。

借助于泥岩纵向连续TOC 数据，对沙三段烃源岩进行单井有机相划分，这样就实现了烃源岩非均质性的直观描述。从单井上看（图5）：C 相烃源岩在PL25-A 井区沙一段和沙二段均较为发育，厚度为42 m，沙三段和沙四段以及孔店组均不发育；PL25-B 井揭示的C 相烃源岩厚度最大，约360 m，沙一段和沙二段以及沙三段整体上为一套品质较好的烃源岩；BZ36-A 井沙三中段烃源岩质量较好，C 相烃源岩厚度为260 m，沙三下段烃源岩品质变差；KL6-A 井沙三中下段烃源岩品质较好，C 相烃源岩厚度为210 m，上部沙三上段及沙一段和沙二段烃源岩品质逐渐趋于一般。

图5 庙西中南洼围区烃源岩单井有机相划分Fig.5 Organic facies division of source rocks of single well in the study area

3 烃源岩平面发育特征

3.1 有机相地震反射特征及展布

根据单井有机相划分结果，通过井-震结合，在地震数据格架下对各类有机相的地震反射特征进行了识别（图6）。PL25-B 井沙三段由上至下烃源岩有机相变化为C-D/E-C 相，地震反射特征整体为中低频—连续—强振幅；PL25-A 井纵向上烃源岩有机相变化为C-D/E-F 相，地震反射特征由顶部的中低频—连续—强振幅逐渐变化为中高频—断续—弱振幅的特征；KL6-A 井纵向上烃源岩有机相变化为F-D/E-C 相，地震反射特征由顶部的中高频—断续—弱振幅，逐渐变化为中低频—连续—强振幅；BZ36-A 井烃源岩有机相变化为F-D/E-C-D/E 相，地震反射特征由顶部的中高频—断续—弱振幅，逐渐变化为中低频—连续—强振幅。可以看出有机相的变化与剖面上地震反射特征有着很好的吻合性，同时也明确了中低频—连续—强振幅是优质烃源岩即C 相的典型地震反射特征。

图6 庙西中南洼围区各类有机相的地震反射特征Fig.6 Seismic reflection characteristics of various organic facies in the study area

在地震数据格架下，根据单井标定识别的各类有机相的地震反射特征，综合考虑区域地层展布与沉积体系特征，对研究区沙三段和沙四段烃源岩展开了横向上的有机相追踪，刻画出各类有机相的展布范围（图7）。

3.2 C 相烃源岩展布特征

从已钻井烃源岩有机相（厚度）出发，在地震数据建立的地质格架下，根据烃源岩测井地球化学评价结果，综合考虑地层的厚度与沉积相，采用相关网格化成图软件编制出研究区沙三段和沙四段C 相烃源岩（TOC 质量分数大于2%）厚度图（图8）。从图8 可以看出，沙三段C 相烃源岩在庙西中南洼的北次洼、黄河口东洼及莱州湾东北洼广泛发育，庙西中南洼南次洼相对不发育；沙四段C 相烃源岩分布相对局限，仅在庙西中南洼南次洼发育，其他地区均不发育。

边缘洼陷烃源岩生排烃能力较富烃洼陷弱，油气运聚成藏多以近源为主。因此，围绕优质烃源岩发育区寻找近源的有利构造目标，是研究区下一步的主要勘探方向。研究表明：庙西中南洼南次洼和黄河口东洼结合区的沙三段和沙四段C 相烃源岩都很发育，是下一步的主要勘探靶区；南部的莱州湾东北洼缺失沙四段，但沙三段烃源岩较为发育，围区以沙三段为主要供烃来源的构造目标也是较好的靶区；庙西中南洼的北次洼沙三段和沙四段优质烃源岩均不发育，因此勘探风险较大，这也很好地解释了近年来北次洼多个勘探目标失利的主要原因。

图7 庙西中南洼围区烃源岩有机相展布特征Fig.7 Distribution characteristics of organic facies of source rocks in the study area

图8 庙西中南洼围区C 相烃源岩厚度Fig.8 Thickness of C-facies source rock in the study area

4 结论

（1）应用变系数Δ logR技术结合有机相划分刻画了庙西中南洼围区烃源岩的纵向非均质性。通过井-震结合，在研究区三维地震数据格架下明确了各类有机相平面展布特征，综合考虑地层厚度与沉积相，明确了研究区高丰度烃源岩发育特征，形成了针对边缘洼陷烃源岩预测评价的新方法及流程。该方法解决了边缘洼陷烃源岩评价中钻井稀少和采样分析资料缺乏的问题，对于低勘探程度地区烃源岩评价行之有效。

（2）庙西中南洼围区沙三段烃源岩以C 相为主，烃源岩品质整体较好，但也有一定的非均质性。优质烃源岩主要分布于庙西中南洼南次洼以及黄河口东洼东部与庙西中南洼结合部，庙西中南洼北次洼分布相对局限；沙四段烃源岩质量稍差，优质烃源岩主要分布于庙西中南洼南次洼。庙西中南洼南次洼是沙三段和沙四段优质烃源岩叠合发育区，是下一步勘探应重点关注的有利区带。