河套盆地吉兰泰地区固阳组烃源岩测井评价

2021-06-03王盛亮吴晨林

能源与环保 2021年5期

王盛亮，吴晨林，王标

(中国石油华北油田巴彦勘探开发分公司，内蒙古巴彦淖尔 015000)

河套盆地40多年的油气勘探历程，主要经历了石油普查勘探、油气探索勘探、油气勘探快速突破等3个阶段[1-2]。2017年8月矿权流转给华北油田以来，在中石油股份公司正确指导和长庆油田大力支持下，华北油田超前谋划部署，精细工程实施，在太古界、白垩系、古近系等3套含油层系中均见到了良好的油气显示，4口井获高产油流，4口井获工业油流，实现了临河坳陷油气勘探的重要发现。一系列的勘探突破指示了该区的勘探前景，但一些基础地质特征尚未完全揭示，特别是研究区烃源岩的特征[3-4]。

烃源岩是油气成藏的物质基础，也是含油气系统研究的核心，烃源岩的生烃能力对油藏的分布具有控制作用[5]。但由于受到诸多因素限制，如钻井取心长度、实验分析费用等，在获取垂向上表征烃源岩有机质丰度的参数——总有机碳含量(TOC)上增大了难度，进而影响了对烃源岩垂向上有机质丰度的全面评价，降低了烃源岩评价的可靠性。目前，针对烃源岩的地球化学参数与测井信息之间的相关关系，国内外学者已进行了广泛而深入的研究，在识别烃源岩[6-7]、烃源岩有机质丰度和热成熟度的定量预测[8-9]以及烃源岩测井评价[10-11]等方面已探讨出多种研究方法，促进了测井资料在烃源岩的研究中广泛应用。尽管目前利用测井方法来评价烃源岩尚未到达储层测井评价的成熟阶段，但从经济、有效性角度来说，烃源岩测井评价方法正在不断发展并获得认可[12]。不同油区由于地质情况以及测井资料的差异性，所适用的烃源岩测井评价方法也有所不同[13-17]。

本文以河套盆地吉兰泰地区固阳组为研究对象，使用传统ΔlgR方法、多元回归法对烃源岩总有机碳TOC进行了预测，并将多种方法进行对比，选出适合本地区的方法。

1 地质背景及烃源岩基本特征

河套盆地处于华北克拉通北缘，受阴山造山带和鄂尔多斯盆地夹持，是一个近东西向的狭长型沉积盆地，面积约4万km2，为中、新生代断陷盆地，基底为古元古界变质岩系，沉积盖层为中生界的白垩系、以及新生界古近系、新近系和第四系，沉积岩厚3～8 km，最厚可达16 km[1-4]。据临深3、JHZK2、松探1等钻入基底的多口探井揭示，基底岩性为以角闪黑云斜长片麻岩和角闪斜长片麻岩为主。中、新生界沉积地层岩性多样，主体由砂泥岩互层组成，局部存在碳酸盐岩与含膏质岩薄夹层。华北油田矿权区(图1)包括吉兰泰、杭锦后旗区块，河套矿权区呈北东走向弧形展布的箕状断陷划分为“两凹一凸三斜坡”，即北部凹、南部断阶、东部斜坡、吉兰泰凹陷、吉西凸起和吉东斜坡6个构造单元。

目前，对研究区的勘探仍处于早期阶段，钻井数量相对较少，岩芯地球化学分析资料更是有限。由于钻井均分布在斜坡和隆起带上，所揭示的地层中暗色泥岩的发育程度受沉积相带控制而发育较差，但依然发现高丰度、好类型的烃源岩。根据已有钻井和录井资料，可以发现研究区主要发育2套暗色泥岩，分别是下白垩统固阳组和渐新统临河组2个层系，两套暗色泥岩岩芯略有差异，固阳组以深灰、黑灰色泥岩夹深灰色泥晶灰云岩为主要岩性，临河组以(深)灰色泥岩、云质泥岩和含膏泥岩为主。吉兰泰浅凹中，吉参1井下白垩统上段暗色泥岩累计厚度108 m，占地层厚度比18%，松探2井、松探1井下白垩上段暗色泥岩累计厚度分别为14、50 m，占地层厚度比4%、11%，整体上暗色泥岩占比虽小，但在下白垩上段下部较为集中，属于连续的暗色细粒沉积，对烃源岩发育有利。

2个凹陷中下白垩统固阳组烃源岩有机质丰度差异较大，杭后凹陷中下白垩统的烃源岩(以临深3、临深4、吉华14X等井为代表)有机质丰度中等偏高，烃源岩多数为中等烃源岩。临深3井灰黑色泥岩地化指标较好，总TOC平均值为1.16%，最大值为1.64%，生烃潜量平均值为1.39 mg/g，最大值为2.26 mg/g，总烃平均值为0.051 mg/m3，最大值为0.091 mg/m3，沥青“A”平均值为0.078 9%，最大值为0.126 8%，有机质类型偏腐殖型，主要以Ⅱ2型干酪根为主，综合各项地化指标评价为中等—好烃源岩。而吉兰泰浅凹固阳组烃源岩(以松探1、JHZK9等井为代表)整体上有机质丰度较高，指示吉兰泰凹陷发育较好烃源岩。松探1井固阳组深灰色泥岩地化指标明显好于杭后凹陷，总有机碳含量(TOC)平均值为1.29%，最大值为3.55%；生烃潜量平均值为6.36 mg/g，最大值为19.87 mg/g；总烃平均值为0.547 mg/m3，最大值为0.826 mg/m3；沥青“A”平均值为0.901 5%，最大值为1.315 3%，综合评价为好烃源岩。

表1 白垩系固阳组暗色泥岩有机质丰度表Tab.1 Abundance of organic matter in dark mudstone of Cretaceous Guyang formation

吉兰泰凹陷固阳组烃源岩干酪根元素H/C为0.60～1.39，平均为0.99，O/C为0.06～0.30，平均为0.15，氢指数为157.5～766.67，平均372.47，综合各指标评价，有机质类型以Ⅰ—Ⅱ1型为主，整体偏腐泥型干酪根。吉兰泰地区尽管整体埋深较浅，但主要烃源层是以下白垩统为主，有机质丰度高，具有相当的生烃能力，而且成熟门限约1 700 m。因此，吉兰泰浅凹中下白垩统部分烃源岩已经进入成熟阶段。

2 烃源岩测井响应特征

烃源岩与非烃源岩具有不同的测井响应特征，主要是由于二者的有机质含量及赋存形式存在差异。经典的体积模型可以划分为以下3种[8]。

(1)非烃源岩的体积模型。主要由岩石骨架以及孔隙流体组成，骨架中一般不含干酪根或极少含量的干酪根(图2(a))。

(2)富含有机质的未成熟烃源岩体积模型。主要由岩石骨架、固体有机质以及孔隙流体组成，其中未成熟烃源岩中的孔隙流体主要为地层水(图2(b))。

(3)成熟烃源岩的体积模型。主要由岩石骨架、固体有机质和孔隙流体组成，成熟烃源岩中部份有机质转化为液态烃进入孔隙空间，孔隙中既含有液态烃类也含有地层水(图2(c))。

图2 岩石体积模型示意Fig.2 Schematic diagram of rock volume model

测井信号反映的是岩石有机质含量及孔隙流体的物理性质差异，这种信号的差异是使用测井曲线识别并评价烃源岩特征的基础。由于有机质具有非常独特的物理化学性质，使得烃源岩与非烃源岩具有明显不同的测井响应特征。前人研究成果表明，测井曲线中对有机质具有明显敏感响应的主要包括自然伽马、密度、声波、电阻率等[18-22]。一般情况下，随着地层中有机质含量增高，对应测井曲线异常幅度越明显，据此可识别烃源岩层段并计算烃源岩的TOC。

大量研究表明，与非源岩相比，烃源岩在自然伽马曲线和伽马能谱测井曲线上往往表现为高异常[18]。主要是因为浮游生物对铀离子有很强的吸附性，铀离子和其他微量元素广泛存在于海相环境中，因此，海相源岩中一般富集铀元素，而淡水环境中缺乏铀离子，故湖相源岩中一般不显示伽马异常[19-20]。吉兰泰地区固二段烃源岩主要为半深湖—深湖泥岩，烃源岩与自然伽马有一定的正相关关系(图3(a))。

正常情况下，由于有机质密度与岩石骨架密度的差异，有机质含量越多，密度值越低，烃源岩层密度往往低于相同岩性的非烃源岩层，因此在密度测井曲线上表现为低密度异常[21]。但研究区烃源岩密度表现为随TOC增大而增大的趋势(图3(b))，可能与其沉积时的咸化环境有关。

烃源岩在声波时差曲线上通常表现为高时差异常，但由于声波时差受地层岩性、孔隙度及地层中流体的种类(水、气、油、干酪根)和分布模式影响[21]，不能简单的仅通过声波时差测井来评价烃源岩的有机质含量。研究区烃源岩TOC与声波时差值显示微弱的负相关关系(图3(c))。

在成熟的烃源岩中，富含的有机质及孔隙空间内充填的液态烃均能导致岩石电阻率的增加，使得其与相同岩性、物性的非烃源岩相比，具有电阻率高异常的特征。研究区烃源岩段电阻率就存在随TOC增加而明显增大的现象(图3(d))。

图3 测井参数与TOC拟合关系Fig.3 Fitting relationship between logging parameters and TOC

由此可见，研究地区烃源岩TOC只与电阻率有较明显的正相关关系，与自然伽马、密度和声波时差相关性均较弱。很难用单变量模型来准确预测研究区TOC，故只能采用多参数耦合的方法来进行测算。本次研究选取ΔlgR法及其改进法和多因素拟合法3种比较成熟的方法进行对比计算。

3 总有机碳含量(TOC)数学模型

3.1 ΔlgR法原理

ΔlgR法是由Passey等[8]提出的一项测井评价方法，主要用于评价成熟度在较大范围内变化的碎屑岩和碳酸盐岩烃源岩的，并进而求取在不同成熟度条件下烃源岩的TOC。该方法中声波时差测井曲线值使用线性刻度，电阻率测井曲线值使用对数刻度，将对应深度的声波时差测井曲线和值电阻率测井曲线值按一定刻度关系进行叠合，当2条曲线在在较长的深度段内重合或具有十分相似的形态时将该深度段内曲线定为基线，待基线确定好后，声波时差测井和电阻率测井2条曲线之间的幅度差即为ΔlgR。

在油气含量较高的储集层或有机质含量较高的烃源岩层中，受有机质和储层流体的物理性质影响，两条曲线之间均存在ΔlgR，但可以通过自然伽马曲线或自然电位曲线加以辨别，进而排除储集层段。在富含有机质的泥页岩段，导致声波时差曲线和自然电位曲线分离的原因有2种。

(1)在未成熟的富含有机质的岩石中，干酪根尚未大量生烃，两条曲线之间的距离主要由于声波时差曲线响应造成。

(2)在成熟的烃源岩中，除了声波时差曲线响应外，由于有液态烃类存在，电阻率增加，两条曲线之间的距离由声波时差和电阻率共同作用形成[8，20]。

根据声波时差、电阻率测井曲线值综合求取ΔlgR的方程为：

ΔlgR=lg(R/R基线)+0.02(Δt-Δt基线)

(1)

式中，ΔlgR为声波时差和电阻率测井曲线间的幅度差；R为实测电阻率值；R基线为基线段对应电阻率值；Δt为声波时差值；Δt基线为基线段对应声波时差值。

由于ΔlgR基线源自声波时差和电阻率曲线重合处，指示基线段的非烃源岩基本不含有机碳。但实际上所有的碎屑岩或碳酸盐岩均一定程度上含有有机质，因此经验公式应适当考虑有机碳含量背景值(ΔTOC)。故实际表达式应为：

TOC=10(2.297-0.168 8LOM)ΔlgR+ΔTOC

(2)

式中，LOM为热变指数，主要反映有机质成熟度，可依据大量样品分析(如镜质体反射率、Tmax分析、热变指数)得到，或从埋藏史和热史评价中得到。

由于LOM的取值上存在较多影响因素，因此将上述公式改写为：

TOC=aΔlgR+b

(3)

系数a、b可通过对研究区采集的样品系统分析，采用最小二乘法拟合来获取。

3.2 改进法

ΔlgR法没有考虑密度等重要的岩层物性参数，研究表明有机质与密度曲线关系密切[19]，并且该方法需人为的确定基线位置、读取基线值，操作过程繁琐，也可能导致较大误差[20]。

鉴于上述缺陷，朱光有等在利用测井资料计算TOC的研究中考虑了岩层的物性参数[11]，把密度资料与ΔlgR法结合，并将TOC的公式修改如下：

TOC=KΔlgR

(4)

式中，K为系数。

将式(1)代入可得：

TOC=K(lg(R/R基线)+0.02(Δt-Δt基线))=KlgR+0.02KΔt-K(lgR基线+0.02Δt基线)

(5)

将上式简写为：

TOC=algR+bΔt+c

(6)

式中，a、b、c均为系数，可通过对研究区系统采集样品分析，并采用最小二乘法拟合获得。

3.3 多元回归法

当某一个特定地质变量y与其他多个地质变量xi(i=1，2，…，m)间存在一定的依赖性，且它们之间的数量关系不确定，需要通过相关变量间的观测值，建立出一个可以表达其相关关系的数学表达式，即为多元回归分析。在地质勘探研究过程中，多元回归分析总体上可以解决三方面难题：①确定特定地质变量y与其他变量xi(i=1，2，…，p；p≤m)是否存在相关关系，若存在，寻求彼此间相关关系的数学表达式；②通过多元回归分析可以优选出对该特定变量y作用大的相关地质变量，剔除对其影响无足轻重的，进而简化地质研究；③根据相关变量xi(i=1，2，…，p；p≤m)的观测值，利用建立的数学表达式可以计算该特定变量y的估计值，同时也可以评估其结果的准确度。目前，多元回归分析已在油气勘探开发研究过程中广泛应用，例如利用多元回归建立模型来进行孔隙度的预测、剩余油的预测、构造应力场的模拟等多地质因素目标的研究。本次建立烃源岩TOC定量模型的研究也恰恰符合利用多元回归分析法的特点。

按照回归模型的类型可以将多元回归分析划分为两种类型，分别是线性回归分析以及非线性回归分析。通过参考前人对烃源岩TOC测井响应特征分析，掌握了TOC与各测井参数间的相关关系特征，因此本次模型的建立采用了线性回归分析，建立相关变量的回归方程为：

y=A1+A2×f(x1)+A3×f(x2)+…

(7)

式中，y为因变量；f(x1)、f(x2)、…为选出的自变量参数关系式；A1、A2、A3、…为回归系数。

当自变量互不相关时，运用多个自变量与因变量进行多元回归分析，比单个自变量与因变量进行拟合得到的结果相关性要高的多。

前文已经分析TOC与常规测井参数间的关系，结果表明，实测TOC与RD相关性最好，R2高达0.578 7，与DEN、GR、AC参数的相关性依次变差。

本次研究为了综合考虑常规测井对TOC预测的效果，同时对比拟合法与ΔlgR法的差异，初步建立的如式(8)、(9)所示的4元和2元回归公式：

TOC=a×AC+b×DEN+c×GR+d×RT+e

(8)

TOC=a×AC+b×RT+c

(9)

3.4 模型应用及效果分析

在上述分析的基础上，对研究区数据及相应深度的声波时差、电阻率测井曲线值按照ΔlgR法应用式(1)、式(3)，得到TOC计算值。不同模型拟合结果(表2)显示，ΔlgR法计算值与实测TOC值R2为0.617 1，相关性总体较差。应用相同的实测TOC数据，将其与对应深度的声波时差、电阻率曲线值按照式(6)对系数a、b、c进行回归分析，求得系数a=6.217，b=0.029，c=-9.845。根据改进后的ΔlgR模型求取TOC，R2为0.684 8，拟合度显著提升，最后，采用相同的TOC实测数据及对应深度的各测井数值按多元回归法式(8)、式(9)进行回归分析，求取了相应系数值，计算结果与实测TOC间R2分别为0.741 2和0.721 7，普遍强于ΔlgR法及改进法，而且参与回归的参数越多，相关性越好。值得考虑的是ΔlgR法式(1)、式(3)，改进法式(6)和拟合法式(9)均只用了声波时差、电阻率2种测井数据，但拟合的结果却存在明显差异。

表2 公式拟合结果Tab.2 Formula fitting results

以吉兰泰地区JHZK9井为例对多种TOC评价方法进行对比(图4)，可以发现烃源岩TOC非均质性强烈，优质烃源岩主要分布在固一段厚层泥岩段中。通过纵向对比各方法TOC计算值与TOC实测值分布特征，ΔlgR法及其改进法在部分砂岩段也表现为高值，虽说是受地层岩性或其内流体特征影响，但一定程度上干扰了对研究区烃源岩特征的认识，增加了评价的难度。但拟合法计算的TOC值不光与实测值具有很好的相关性，在垂向上能够弱化岩性对计算结果的影响，评价的高值段均处于泥岩段内，与实际认识相符。综上可知对于研究区固阳组烃源岩TOC评价来说，多元拟合法预测效果优于ΔlgR法及其改进法，同时4元和2元回归公式效果差别不大，仅使用声波时差、电阻率2种测井数据的2元回归公式即可有效评价烃源岩TOC特征。