吐哈盆地中二叠统桃东沟群烃源岩测井评价

缪 欢,王延斌,国建英,韩文龙,龚 训

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;2.中国石油天然气集团有限公司天然气成藏与开发重点实验室,河北廊坊 065007)

吐哈盆地位于新疆东部,是新疆三大含油气盆地之一。盆地经历了二叠纪-三叠纪断拗充填阶段和侏罗纪以来的前陆盆地演化阶段,两大构造层分别发育以中二叠统桃东沟群湖相暗色泥岩和中-下侏罗统水西沟群煤系为主的烃源岩[1-2]。以往的勘探研究对象多侧重于中-下侏罗统水西沟群煤系烃源岩。

近年来,随着勘探技术水平的提升,吐哈探区勘探领域延伸至前侏罗系地层之中[3]。前侏罗系地层中目前已经发现多套烃源岩或潜在烃源岩地层,与其它几套烃源岩地层相比,中二叠统桃东沟群烃源岩埋深相对较浅、厚度大、在全区内稳定分布,有望成为吐哈探区前侏罗系地层勘探领域的“主战场”。

尽管目前中二叠统桃东沟群泥质烃源岩虽然已经被证实为有效烃源岩[4],但由于埋藏较深,地震资料品质差,钻井揭露少,导致其勘探程度较低,对烃源岩地化特征及生烃潜力等方面认识不足,这将会影响到对盆地内前侏罗系油气资源前景的认识和勘探部署的决策。本文基于有机地球化学相关测试结果和测井资料,对比现有预测烃源岩的测井解释方法预测结果,优选出适合评价吐哈盆地桃东沟群烃源岩的测井解释方法,进而系统地评价吐哈盆地桃东沟群烃源岩。

1 烃源岩的测井评价方法

烃源岩测井评价始于20世纪40年代,经过多年的积累和发展,已经形成了多种用于反演烃源岩有机质丰度、成熟度和生烃潜量等地化参数的成熟方法[5]。

1.1 有机质丰度

有机质丰度是指沉积物中的有机质含量,常用总有机碳含量来评价有机质丰度[6-8]。利用测井技术计算得到的烃源岩的有机质丰度,一直以来都是国内外研究的重点,其计算原理基于烃源岩具有的高伽马(GR)、高声波时差(DT)、高电阻率(RD)和低密度(DEN)的“三高一低”特征。应用较为广泛的预测模型和方法包括ΔlogR模型及其改进型、多元回归参数法和地震反演预测法。

1.1.1ΔlogR模型(传统ΔlogR法)

ΔlogR模型由PASSEY等[9]于1990年提出,其原理是将可以反映岩石孔隙度的声波时差曲线和电阻率曲线反向叠合,并以细颗粒的非烃源岩为基线,将两条曲线的幅度差定义为ΔlogR[8],即:

(1)

式中:R,R基,DT,DT基分别为电阻率、电阻率曲线基线值、声波时差值、声波时差曲线基线值,其中R基与DT基为定值。

ΔlogR与总有机碳含量(TOC)呈线性关系,并且为有机质成熟度的函数,因此TOC可以表示为:

TOC=ΔlogR×101.5374-0.994Ro

(2)

式中:TOC为总有机碳含量,Ro为镜质体反射率[9]。采用该模型在鄂尔多斯盆地北部的杭锦旗地区评价有机质丰度,取得了良好的应用效果[10]。

1.1.2 ΔlogR模型改进型(优化和广义ΔlogR法)

由于ΔlogR模型在陆相及中、深层烃源岩的TOC计算结果误差较大,所以国内学者对该模型进行了大量的修改,其中优化ΔlogR模型和广义ΔlogR模型的应用范围较广泛。

优化ΔlogR模型由边雷博等[11]于2018年依据一一映射原理提出,该模型将不同范围的声波时差及其对应的电阻率与260～460μs/m声波时差及其对应的电阻率一一映射,从而建立起未知叠合系数与声波时差为260～460μs/m时的最佳叠合系数的映射关系,因此ΔlogR可表示为:

(3)

式中:ACmax=460μs/m,ACmin=260μs/m,AC和AC基为定值。

将利用(3)式得到的ΔlogR值代入(2)式,即可获得有机碳含量的值,该模型在渤海湾盆地东濮凹陷西南部洼陷沙河街组沙三段中亚段烃源岩的有机碳预测中,获得了良好的应用效果。

广义ΔlogR模型由胡慧婷等[12]于2016年提出,为了消除误差,用GR曲线代替成熟度参数。王祥等[13]于2020年对该模型进行修改,将GR和DEN一起使用,因为GR值远大于DEN值,故直接建立的模型公式主要受GR影响,因此,首先对GR取自然对数值,再建立模型,即:

TOC=(a×logGR+b×DEN+c)×
ΔlogR+ΔTOC

(4)

式中:a,b,c为拟合系数。利用该模型精确地预测了松辽盆地徐家围子断陷安达地区和渤中凹陷西部的烃源岩TOC值。

1.1.3 多元回归参数法

该方法选取与TOC相关性较强的测井参数(如GR、DEN、DT等),以实测TOC值为因变量,测井参数为自变量进行一元、二元、三元等线性回归。以往的研究表明,选择的参数越多,其相关性就越高,即:

TOC=a×GR+b×DT+c×DEN+
d×SP+e×RD+f

(5)

式中:a,b,c,d,e,f均为拟合系数;SP为自然电位值。该模型精确评价了太行山东麓的页岩气储层的地化特征[14]。

1.1.4 地震叠前反演法

该方法通过三维地震资料获取了纵横波速度、纵波阻抗和横波阻抗等弹性数据,经过岩石物理交会分析研究,发现纵波速度和DEN与TOC的相关性最高,因此TOC可表示为:

TOC=k+m×vP+n×DEN

(6)

式中:k,m,n均为拟合系数;vP为纵波波速;DEN为密度。利用该模型计算渤中凹陷烃源岩TOC值取得了较好的效果[15]。

1.2 有机质成熟度

常用于确定有机质成熟度的指标包括镜质体反射率(Ro)和岩石最高热解峰温(Tmax),在陆相烃源岩中,镜质体反射率的使用效果优于岩石最高热解峰温。利用现有测井参数计算Ro的方法主要为多元回归参数法,以往的研究表明,Ro与深度存在经验公式:

Ro=a×H+b

(7)

式中:H为埋深;a,b为拟合系数[16]。该公式在不同的地区的应用效果差异很大,后续学者对镜质体反射率、常规测井参数和深度进行相关性分析后发现[17],镜质反射率与深度、声波时差的相关性较好,因此,镜质体反射率可表示为:

Ro=a×H+b×DT+c

(8)

式中:H为埋深;DT为声波时差。

1.3 生烃潜量

生烃潜量是评价烃源岩生烃能力的一个重要的参数,主要通过热解实验获取[18]。大量的实验数据表明,生烃潜量随着有机碳含量的增大而增大,因此,可以通过两者的统计关系直接获得,以往研究发现,生烃潜量PG与TOC值存在着如下关系:

PG=a×eb×TOC

(9)

该模型的精度实际应用效果一般,薛冰等[14]将实测生烃潜量与常规测井参数、TOC、Ro值进行相关性分析,发现生烃潜量与Ro、DT和SP的相关性高,得出:

PG=a×Ro+b×DT+c×SP+d

(10)

2 测井评价方法优选

研究区中二叠统烃源岩勘探程度较低,钻遇中二叠统的钻井有15口(图1),其中常规测井数据及岩心录井资料齐全的钻井共有7口,且这7口井中二叠统地层的沉积相均为半深湖—滨浅湖相。本次研究基于岩石热解等相关地球化学试验,获得包括62个TOC数据点以及43个镜质体反射率和生烃潜量的数据点。

图1 吐哈盆地中二叠统地层沉积环境构造分区(a)及收集到的钻遇烃源岩钻井位置(b)(据中国石油勘探开发研究院第4次全区勘探成果)

本文根据上述7口钻井的实测数据,采用数理分析软件,拟合得到上文中所述模型在研究区内的参数,再将预测得到的参数与实测数据进行对比,选择适合评价本研究区的测井方法。

2.1 有机碳含量

由于研究区内地震资料品质较差,地震叠前反演预测工作难以进行。基于此,本文采用ΔlogR模型及其改进型和多元回归参数法反演区内烃源岩的TOC。

应用ΔlogR模型及其改进型,将RD曲线和DT曲线进行叠加,非烃源岩段中RD曲线和DT曲线相互平行或者相交,相交处所对应的值为R基与DT基值,利用对应的公式计算TOC值,并与实测值进行对比。前人研究表明,在使用多元回归参数法时,选择的参数越多,其相关性越高[19],因此,本次研究选择了声波时差、电阻率、自然电位、密度和伽马等测井参数进行拟合,模型公式如表1所示。

基于实测数据,利用数理分析软件,拟合出上述各方法的模型公式及相关系数(表1)。在此基础上,对比上述方法的应用结果,发现多元回归参数法的应用效果远优于ΔlogR模型及其改进型(图2)。因此,本文采用多元回归参数法评价烃源岩TOC的值。

图2 利用多种方法预测得到的TOC值与实测TOC值的交会结果a 传统ΔlogR法; b 优化ΔlogR法; c 广义ΔlogR法; d 多元回归参数法

表1 测井参数计算TOC值的模型公式及相关系数

2.2 有机质成熟度

基于前人研究结果和本文1.2节的内容,本次研究分析了研究区桃东沟群烃源岩Ro与深度、DT值的相关性,结果如图3a和图3b所示。结果显示,Ro与深度的相关性较好,Ro与DT具有弱正相关关系,这表明可以利用埋深和DT建立预测Ro模型。因此本次采用多元参数回归的方法,分别建立了Ro与深度以及Ro与深度和DT值之间的关系式如下:

图3 Ro与H(a),Ro与DT值(b)及实测值与预测值(c)的拟合关系

(11)

(12)

因为(12)式的应用效果优于(11)式,所以本文利用(12)式解释区内烃源岩有机质成熟度。

2.3 生烃潜量

前人研究表明,常用于计算生烃潜量的方法有两种,一种是建立生烃潜量与TOC之间的直接关系,另一种为多元回归参数法。因研究区勘探程度较低,目的层钻遇井少,地化参数的主要研究对象为露头剖面。本文对研究区露头与钻井实测的生烃潜量与TOC进行拟合(图4),发现生烃潜量与TOC之间存在如下关系:

图4 有机碳含量与生烃潜量的关系

(13)

前人对实测生烃潜量与常规测井参数、TOC、Ro值进行相关性分析,发现生烃潜量与Ro、DT和SP的相关性高,因此本文采用三元参数回归的方法,得到生烃潜量与Ro、DT和SP的关系式如下:

(14)

分别将(13)式与(14)式计算得到的生烃潜量预测值与实测值进行相关性分析(图5),其中,公式(13)中TOC值为采用本文2.1节中的多元回归参数模型反演所得的数值。对比上述两种方法的相关性不难发现,上述两种方法在研究区内的实际应用效果一般,但基于热解实验数据所得到的模型优于利用回归参数建立的模型。因此本文采用(13)式预测区内烃源岩生烃潜量。

图5 采用不同方法计算得到的生烃潜量预测值与实测值的相关性分析结果a 基于(13)式计算得到的预测值与实测值; b 基于(14)式计算得到的预测值与实测值

3 研究区烃源岩评价

由吐哈盆地构造分区图可知,目前钻遇中二叠统地层的钻井大都分布在台南凹陷和了墩隆起,其中,连22井和英17井的部分数据为收集得到。本次研究利用测井数据反演台南凹陷和了墩隆起的中二叠统烃源岩地化参数。

为了验证优选所得的烃源岩地化参数评价模型应用时的精确性,本文利用钻井实测数据与不同方法得到的预测数据计算上述模型的平均误差率(表2),结果显示:在研究区内,利用多元回归参数法计算TOC的平均误差率为18.81%;利用二元线性回归法计算Ro的平均误差率为13.40%;利用(13)式计算PG的平均误差率为32.15%,表明优选所得模型在评价烃源岩地化参数时具有较高的准确性。

基于测井方法预测结果,分别绘制该区两口井中二叠统烃源岩综合地球化学剖面,结果如图6和图7所示,吐哈盆地中二叠统桃东沟群烃源岩地化参数频率直方图如图8 所示。

由图6和图7可以看出:位于台南凹陷的鲁南1井地层变化较小,烃源岩层主要为黑色泥岩,为优质烃源岩;位于了墩隆起的南湖1井所在地层变化明显,主要烃源岩层段为多套深灰色泥岩,为差-较好-好烃源岩。

图6 鲁南1井中二叠统烃源岩综合地球化学剖面

图7 南湖1井中二叠统烃源岩综合地球化学剖面

由图8可知,吐哈盆地中二叠统桃东沟群烃源岩的TOC值多数大于1.0%,镜质体反射率主要分布范围为0.5%～1.3%,PG主要分布范围为2.0～6.0mg/g。但是,台南凹陷烃源岩TOC值和镜质体反射率要高于了墩隆起,两者PG值相差不大,台南凹陷略高。

图8 吐哈盆地中二叠统桃东沟群烃源岩的地化参数频率直方显示a 吐哈盆地TOC分布; b 台南凹陷TOC分布; c 了墩隆起TOC分布; d 吐哈盆地Ro分布; e 台南凹陷Ro分布; f 了墩隆起Ro分布; g 吐哈盆地PG分布; h 台南凹陷PG分布; i 了墩隆起PG分布

根据我国陆相生油岩的有机质丰度和成熟度评价标准[21],就TOC值而言,吐哈盆地中二叠统桃东沟群烃源岩整体属于优质烃源岩;就PG值而言,吐哈盆地中二叠统桃东沟群烃源岩大多属于较优质烃源岩。因此,吐哈盆地中二叠统桃东沟群烃源岩属于优质-较优质烃源岩,成熟度为低成熟-成熟阶段,主要为低成熟阶段。台南凹陷的烃源岩的优质烃源岩比例明显高于了墩隆起;台南凹陷烃源岩处于低成熟-成熟阶段,而了墩隆起的烃源岩处于低成熟阶段。

统计研究区内7口资料齐全钻井的TOC、镜质体反射率和生烃潜量的平均值(表3),结果显示:台南凹陷钻井单井烃源岩TOC与PG值均高于了墩隆起的南湖1井,成熟度差异不大,均处于低成熟阶段。这表明台南凹陷的烃源岩的有机质丰度优于了墩隆起。

表3 研究区内7口钻井的烃源岩地化参数平均值

4 结论与认识

基于吐哈盆地桃东沟群烃源岩地球化学参数的实测数据,对比目前应用较为广泛的烃源岩测井评价方法,优选出多元回归参数法应用于总有机碳含量的计算,将基于声波时差与埋深所建立的模型用于镜质体反射率的计算,将基于有机碳含量与生烃潜量所建立的模型用于生烃潜量的评价。

将上述模型方法应用于吐哈盆地桃东沟群烃源岩地化参数评价,结果表明,研究区内桃东沟群烃源岩的总有机碳含量几乎均大于1.0%,生烃潜量为2.0～6.0mg/g,为优质-较优质烃源岩;镜质体反射率主要分布范围为0.5%～1.3%,处于低成熟-成熟阶段。

吐哈盆地桃东沟群烃源岩地化参数的纵向与横向对比结果表明:台南凹陷烃源岩有机质丰度优于了墩隆起。