蔡冬梅　趙弟江　彭靖松　付　立　曾金昌　程耀清

(①中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津塘沽 300459；②中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津塘沽 300459)

1　引言

識(shí)別與刻畫優(yōu)質(zhì)烴源巖的空間分布與發(fā)育規(guī)模是對(duì)一個(gè)地區(qū)開展勘探潛力分析的前提與基礎(chǔ)。近年來許多學(xué)者開展了基于地球物理資料的烴源巖評(píng)價(jià)研究，利用對(duì)測(cè)井參數(shù)、地震反射特征與地震屬性等的分析[1-3]，定量開展烴源巖的識(shí)別和評(píng)價(jià)，刻畫烴源巖平面分布規(guī)律與發(fā)育規(guī)模，在部分地區(qū)取得了較好的效果。許杰等[4]基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演為核心的地震儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)，通過約束稀疏脈沖波阻抗反演和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演，預(yù)測(cè)了烴源巖層總有機(jī)碳含量(TOC)的空間展布，但未考慮巖相對(duì)TOC分布的影響，因此對(duì)沉積相較穩(wěn)定的地區(qū)較為適用，而對(duì)于沉積相變化較快的地區(qū)效果較差。王健等[5]采用交會(huì)分析法、多元回歸法等優(yōu)選出地層密度參數(shù)，并建立區(qū)域性的地層密度與TOC的方程，再結(jié)合三維地震數(shù)據(jù)體的疊后反演，計(jì)算出TOC數(shù)據(jù)體，其方法適用于TOC與巖石物理參數(shù)關(guān)系簡(jiǎn)單的南方海相頁巖。牛聰?shù)萚6]利用巖石物理分析得到對(duì)TOC最為敏感的地球物理參數(shù)——縱波阻抗，并通過縱波阻抗反演及轉(zhuǎn)換得到TOC 數(shù)據(jù)體，其采用的縱波阻抗與TOC相關(guān)性不如ΔlgR法高，影響后續(xù)反演結(jié)果的精度。

本文以渤海海域遼東南洼陷為例，針對(duì)研究區(qū)首先運(yùn)用交會(huì)分析法優(yōu)選與TOC相關(guān)性較強(qiáng)的測(cè)井參數(shù)，在對(duì)比多元回歸法與ΔlgR法的基礎(chǔ)上，選用效果較好的ΔlgR法建立多口井烴源段的TOC曲線；再以TOC曲線為約束，運(yùn)用地震多屬性反演技術(shù)，經(jīng)過多元逐步回歸與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練等步驟，優(yōu)選與TOC相關(guān)性較強(qiáng)的地震屬性，擬合出地震屬性與TOC的相互關(guān)系，進(jìn)而得到TOC數(shù)據(jù)體。本文建立的多屬性與TOC的關(guān)系為非線性方程，避免了單參數(shù)反演的隨機(jī)性與多解性，提高了方法的精度與適用范圍。通過本文研究，厘清了研究區(qū)優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育層系、空間分布與發(fā)育規(guī)模，計(jì)算了研究區(qū)生烴量與資源量，為該區(qū)勘探潛力評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。

2　地質(zhì)概況

遼東凹陷位于渤海灣盆地遼東灣坳陷東緣，以遼東凸起南段的北東向斷層F8為界分為南北兩個(gè)次一級(jí)洼陷，本文的研究目標(biāo)為遼東南洼陷(圖1)。遼東南洼陷西以中央走滑斷層F5與遼中凹陷為界，東側(cè)以斜坡逐漸過渡到膠遼隆起，南以北東向斷裂F9與渤東凹陷為界。遼東南洼陷西斷東超，曾屬于古遼中凹陷的一部分，在早漸新世沙一、二段(E2s1-2)沉積時(shí)期郯廬走滑斷裂帶穿過古遼中凹陷，斷裂帶內(nèi)的差異升降和擠壓形成了遼東凸起與南部反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶，使遼東南洼陷分離，成為相對(duì)獨(dú)立的沉積凹陷[7]。遼東南洼陷經(jīng)歷了斷陷期和拗陷期兩個(gè)演化階段，自下而上發(fā)育古新統(tǒng)孔店組，漸新統(tǒng)沙河街組、東營(yíng)組，中新統(tǒng)館陶組、明化鎮(zhèn)組和第四系。目前認(rèn)為主力烴源巖層為孔店組(E1k)、沙河街組沙四段(E2s4)、沙三段(E2s3)、沙一、二段(E2s1-2)、東營(yíng)組東三段(E3d3)，主要含油層系為東二段(E3d2)和沙二段(E2s2)[8]。

圖1　遼東南洼陷構(gòu)造位置圖

3　優(yōu)質(zhì)烴源巖主要識(shí)別特征

3.1　常規(guī)地球化學(xué)特征

總有機(jī)碳含量(TOC)、生烴潛力(S1+S2)等參數(shù)是評(píng)價(jià)烴源巖品質(zhì)的最重要地球化學(xué)指標(biāo)[9]。通過對(duì)遼東南洼陷162塊各層系潛在烴源巖樣品TOC、S1+S2等參數(shù)的統(tǒng)計(jì)(表1)，可以看出E2s1-2與E2s3烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)指標(biāo)最高，根據(jù)中國(guó)陸相含油氣盆地的烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[10]，E2s1-2與E2s3烴源巖達(dá)到了好至非常好的標(biāo)準(zhǔn)；E3d3烴源巖有機(jī)碳含量、總烴含量與生烴潛力參數(shù)平均值稍低，說明有機(jī)質(zhì)豐度稍低； E2s4～E1k烴源巖的TOC、S1+S2等參數(shù)平均值最低，說明E2s4～E1k有機(jī)質(zhì)豐度相對(duì)最低。把TOC大于2%、S1+S2大于10mg/g、反映有機(jī)質(zhì)成熟度的鏡質(zhì)體反射率(R0)大于0.5%的烴源巖劃分為優(yōu)質(zhì)烴源巖。

表1　遼東南洼陷各潛在烴源巖層系部分參數(shù)統(tǒng)計(jì)

注：0.18～6.6表示最小值～最大值； 1.70(87)表示平均值(樣品數(shù))。

3.2　測(cè)井曲線響應(yīng)特征

各套烴源巖由于有機(jī)質(zhì)豐度、類型與成熟度不同，生烴潛力存在差別，其測(cè)井曲線響應(yīng)特征(圖2)也有很大的差異[11]。

E2s1-2巖性主要為泥巖夾薄層油頁巖和頁巖，較高GR(自然伽馬，平均值為102API)、高RD(深側(cè)向電阻率，平均值為4.8Ω·m)、高DT(聲波時(shí)差，平均值為102μs/m)、高ZDEN(密度，平均值為2.32g/cm3)、高CNCF(環(huán)境校正后的補(bǔ)償中子孔隙度，平均值為34%)，油頁巖層段聲波曲線明顯增大，與RD曲線分開。E2s3巖性主要為棕色泥巖局部夾薄層狀頁巖，高GR(平均值為95API)、低RD(平均值為3.8Ω·m)、高DT(平均值為105μs/m)、高ZDEN(平均值為2.34g/cm3)、高CNCF(平均值為36%)，DT與RD曲線重疊，孔隙中束縛水含量可能較高。E3d3主要為棕色泥巖，較低GR(平均值為88API)、偏低RD(平均值為3.1Ω·m)、偏低DT(平均值為97μs/m)、高ZDEN(平均值為2.4g/cm3)、低CNCF(平均值為30%)，DT與RD曲線重疊；RD較低，說明E3d3尚未進(jìn)入成熟階段，孔隙中尚未含降解生成的液態(tài)烴，且有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低。E1k主要為雜色泥巖與棕色油頁巖，油頁巖層段具有低GR(平均值為82API)、 高RD(平均值為5.2Ω·m)、高DT(平均值107μs/m)、低ZDEN(平均值為2.0g/cm3)、高CNCF(平均值為42%)的特征，DT與RD曲線分開，表明油頁巖段有機(jī)質(zhì)含量較高。

圖2　L17井各套烴源巖測(cè)井曲線響應(yīng)特征

3.3　地震反射特征

不同層系優(yōu)質(zhì)烴源巖因巖性組合不同，有機(jī)質(zhì)豐度、類型與成熟度各異，其地震反射特征也不相同[12]。本文總結(jié)了研究區(qū)各套烴源巖反射特征(圖3，其中T3為沙一、二段頂，T5為沙三段頂，T7為孔店組頂)，優(yōu)質(zhì)烴源巖一般具有平行—亞平行反射、低頻率、高連續(xù)、強(qiáng)振幅的反射特征，內(nèi)部可出現(xiàn)空白或弱振幅，表明烴源巖為可能發(fā)育在深湖—半深湖相的富有機(jī)質(zhì)的泥巖。但因各套地層沉積環(huán)境、巖性組合、烴源巖品質(zhì)、成熟度等方面存在差異，E3d3下部、E2s1-2、E2s3和E1k等層位烴源巖反射特征又各不相同(表2)。

圖3　烴源巖地震反射特征

層位巖性組合反射結(jié)構(gòu)頻率振幅連續(xù)性反射構(gòu)型E3d3泥巖8～38中頻5846強(qiáng)好平行E2s1?2泥巖夾油頁巖與頁巖　5～28低頻4745較強(qiáng)中—好平行E2s3泥巖4～23低頻6961強(qiáng)好平行E1k泥巖頁巖夾砂巖　5～22低頻8413強(qiáng)中等平行—亞平行

4　優(yōu)質(zhì)烴源巖的定量評(píng)價(jià)

4.1　測(cè)井資料求取單井TOC曲線

近年來很多學(xué)者開始探索烴源巖的地球化學(xué)參數(shù)與測(cè)井信息之間的關(guān)系，嘗試通過建立表征烴源巖豐度、類型、成熟度的地化參數(shù)與各類測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系，評(píng)價(jià)整個(gè)層段烴源巖品質(zhì)，彌補(bǔ)巖心與巖屑樣品分析費(fèi)用較高且耗時(shí)的不足[13]。

TOC是評(píng)價(jià)生油巖生烴能力的主要指標(biāo)之一，是含油盆地中生烴研究和資源評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要參數(shù)[14]。本文通過對(duì)各測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與有機(jī)質(zhì)豐度TOC相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，中子孔隙度、聲波時(shí)差、自然伽馬、深側(cè)向等測(cè)井曲線與TOC均呈正相關(guān)關(guān)系，能譜測(cè)井曲線釷/鈾元素比(TH/U)及密度測(cè)井曲線則與TOC呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4)。

圖4　遼東南洼烴源巖測(cè)井參數(shù)與TOC相關(guān)性分析

本文選取四個(gè)與TOC相關(guān)性較強(qiáng)的測(cè)井參數(shù)，通過多元線性回歸分析方法建立了與TOC之間的關(guān)系

TOC=0.003×RD+0.005×GR+0.009×DT+0.031×CNCF-0.113

(1)

ΔlgR法是Passey等[15]提出的能較精確地預(yù)測(cè)不同成熟條件下的TOC烴源巖測(cè)井量評(píng)價(jià)技術(shù)，適用于碳酸鹽巖和碎屑巖。聲波時(shí)差曲線疊合在電阻率曲線上，兩條曲線的幅度差即為ΔlgR。研究表明ΔlgR與TOC呈線性關(guān)系，并且是成熟度的函數(shù)。如果成熟度可以確定，可以將ΔlgR轉(zhuǎn)換為TOC，其經(jīng)驗(yàn)公式為

(2)

TOC=ΔlgR×102.279-0.1688LOM

(3)

式中： DTb、RDb為非烴源巖層段即基線位置聲波時(shí)差與電阻率，多數(shù)情況下非烴源巖層的聲波時(shí)差與電阻率曲線是重疊的，重疊段即基線位置；LOM由下式確定

LOM=12.55-22.8092exp(-2.813R0)

(4)

式中R0為鏡質(zhì)體反射率(表征有機(jī)質(zhì)成熟度)。

兩種方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，多元回歸法計(jì)算的TOC值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.762，而ΔlgR法計(jì)算的TOC值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.914，由此可見，ΔlgR計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更接近(圖5)。本文運(yùn)用ΔlgR法分別計(jì)算了本地區(qū)8口井主要烴源巖層段TOC，計(jì)算結(jié)果表明，利用測(cè)井參數(shù)得到的TOC與實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近(圖6)，證實(shí)了該方法在研究區(qū)的適用性，也為進(jìn)一步的地球物理反演提供了井控資料。

圖5　兩種方法計(jì)算得到的TOC值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

4.2　地震資料多屬性反演評(píng)價(jià)烴源巖

地震資料具有橫向分布廣、精度高的特點(diǎn)[16]，因此，基于地震資料的烴源巖分布預(yù)測(cè)，對(duì)于烴源巖的分布范圍與發(fā)育規(guī)模評(píng)價(jià)具有十分重要的意義[17，18]。

地震多屬性反演是在三維地震資料和鉆井、錄井、測(cè)井等資料解釋的儲(chǔ)層物性、含氣性和巖石地化指標(biāo)等目標(biāo)參數(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過構(gòu)造解釋拾取層位，提取和優(yōu)化地震屬性，建立地震屬性或組合與已知目標(biāo)參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系反演目標(biāo)參數(shù)分布的技術(shù)[19]。其核心思想就是用已知數(shù)據(jù)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系預(yù)測(cè)未知數(shù)據(jù)，再用已知數(shù)據(jù)驗(yàn)證所預(yù)測(cè)的未知數(shù)據(jù)的可靠性[20]。具體工作主要包括地震屬性的提取、優(yōu)化和目標(biāo)參數(shù)的反演。

應(yīng)用地震屬性研究烴源巖TOC的基礎(chǔ)是地震與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)之間存在一定的內(nèi)在關(guān)系，利用測(cè)井資料計(jì)算TOC，建立井旁地震道地震屬性與測(cè)井之間的相關(guān)性，將地震屬性轉(zhuǎn)換成烴源巖的TOC，并推廣到井間或無井區(qū)，其基本流程如圖7所示。

由地震資料提取的地震屬性，需做歸一化及優(yōu)化處理。統(tǒng)計(jì)關(guān)系是建立測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與地震數(shù)據(jù)相關(guān)性的橋梁[21]； 刻度是采用某種地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)地震屬性與測(cè)井參數(shù)的線性或非線性轉(zhuǎn)換； 由地震屬性轉(zhuǎn)換的地層特征與測(cè)井特性往往有一定的誤差，需要進(jìn)行剩余校正。由地震屬性反演的地層特征應(yīng)結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析與合理應(yīng)用，從而提高反演數(shù)據(jù)的精度。

圖6　L8井運(yùn)用ΔlgR計(jì)算的有機(jī)碳含量與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖7　地震屬性TOC預(yù)測(cè)流程

地震多屬性反演主要由Geoview軟件的Emerge模塊完成。首先加載單井TOC曲線與原始地震數(shù)據(jù)后，提取地震屬性并通過多元逐步回歸與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練等方法研究地震屬性與TOC之間的相關(guān)性，優(yōu)選與TOC相關(guān)性較高的地震屬性組合，最終確定濾波切片(15-20-25-30Hz)振幅、瞬時(shí)振幅二階導(dǎo)數(shù)、主頻、單程旅行時(shí)、瞬時(shí)振幅倒數(shù)、絕對(duì)振幅積分等6個(gè)地震屬性(圖8)，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練建立TOC與地震屬性之間的擬合方程，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.78。為了取得最佳擬合效果，將各套烴源巖單獨(dú)進(jìn)行擬合，得到三維分布的TOC數(shù)據(jù)體。對(duì)各烴源巖層段TOC>2%采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)進(jìn)行累加，乘以地震資料采樣率，再分別乘以鉆井揭示的各烴源巖層段穩(wěn)定泥巖層統(tǒng)計(jì)得到的速度，從而得到E2s1-2、E2s3、E2s4～E1k優(yōu)質(zhì)烴源巖空間展布。

由反演的TOC剖面(圖9)可知，烴源巖TOC含量分布具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，沙一、二段中上部烴源巖TOC含量較高，沙三段整體與沙四段局部層段TOC含量均較高，是本區(qū)優(yōu)質(zhì)的烴源巖，高TOC帶橫向上總體有較好的連續(xù)性，但受深層地震資料信噪比較低的影響，在E2s4～E1k局部連續(xù)性較差。

由預(yù)測(cè)優(yōu)質(zhì)烴源巖(TOC>2%的泥巖)分布(圖10)可知，E2s3優(yōu)質(zhì)烴源巖較厚，E2s1-2有機(jī)質(zhì)豐度最高，但厚度最小，E2s4～E1k也發(fā)育了規(guī)模較大的優(yōu)質(zhì)烴源巖，這是本區(qū)有別于遼東灣其他凹陷的重要層系，其生烴潛力值得關(guān)注。平面上，優(yōu)質(zhì)烴源巖較厚的層段主要分布在北部，是烴源巖的沉積中心，南部地區(qū)優(yōu)質(zhì)烴源巖沿走滑斷層呈串珠狀分布，表明其發(fā)育明顯受到走滑斷層控制，沉積中心不斷發(fā)生遷移。應(yīng)用有機(jī)碳法計(jì)算了研究區(qū)優(yōu)質(zhì)烴源巖生烴量與資源量，結(jié)果顯示，遼東南洼總生烴量為36.51×108t，總資源量為2.76×108t，而前人計(jì)算整個(gè)遼東凹陷資源量?jī)H為1.68×108t。近年來該地區(qū)L4、L5井先后取得了重大發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步印證了遼東南洼具有較好的勘探潛力。

圖8　遼東南洼烴源巖井旁道地震屬性與TOC的相關(guān)性分析

圖9　多屬性反演得到的TOC剖面

圖10　各層段優(yōu)質(zhì)烴源巖預(yù)測(cè)厚度

5　結(jié)論

(1)綜合利用地化、測(cè)井與地震資料，建立了優(yōu)質(zhì)烴源巖常規(guī)地球化學(xué)參數(shù)、測(cè)井參數(shù)與地震反射特征等三級(jí)識(shí)別標(biāo)志：常規(guī)地化特征主要為總有機(jī)碳含量大于2%、生烴潛量(S1+S2)大于10mg/g、鏡質(zhì)體反射率(R0)大于0.5%； 測(cè)井曲線具有高伽馬、高電阻率、高聲波時(shí)差、高中子孔隙度、低密度的特點(diǎn)；地震上具有低頻、強(qiáng)振幅、連續(xù)、平行反射的特征。

(2)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)約束下的地震屬性反演技術(shù)對(duì)研究區(qū)烴源巖進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，指出沙一、二段及沙三段整體是優(yōu)質(zhì)的烴源巖主要發(fā)育層段。沙四段—孔店組局部油頁巖段是研究區(qū)潛力烴源巖，資源量值得繼續(xù)研究，東三段泥巖不能作為研究區(qū)烴源巖。

(3)研究區(qū)各套優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度較大，展布范圍廣。其中洼陷北部?jī)?yōu)質(zhì)烴源巖明顯比南部厚，是該區(qū)生烴中心，南部則主要沿走滑斷層呈串珠狀分布，明顯受到走滑斷層控制。遼東南洼烴源巖發(fā)育層系較多、規(guī)模較大、生烴潛力大，是渤海海域極具勘探潛力的地區(qū)。

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