应用地球物理技术定量评价辽西凹陷沙河街组烃源岩

2017-10-23刘志斌王彦春张益明解吉高

石油地球物理勘探 2017年1期

关键词：街组烃源岩辽西

牛聪刘志斌王彦春张益明解吉高黄饶

（①中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院，北京100083；②中海油研究总院，北京100028）

应用地球物理技术定量评价辽西凹陷沙河街组烃源岩

牛聪*①②刘志斌①王彦春②张益明①解吉高①黄饶①

（①中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院，北京100083；②中海油研究总院，北京100028）

针对辽东湾辽西凹陷沙河街组烃源岩，提出了一种基于地球物理技术的定量评价方法。首先在岩心地化分析数据的基础上利用测井解释方法进行总有机碳含量（TOC）预测；接着利用岩石物理分析得到与TOC具有强相关性的地球物理敏感参数，进而拟合两者的关系方程；然后通过地震反演预测地球物理敏感参数数据体，并由拟合关系将其转换为TOC数据体；最后按照烃源岩的质量评价指标，预测不同等级烃源岩的空间分布，并与盆地模型参数相结合计算目标凹陷的生烃量。实际应用表明，研究区沙河街组存在一套TOC大多为2%以上、平均厚度可达200m的优质烃源岩，估算其油气资源量约为26亿吨，该方法预测的烃源岩厚度与实测值的相对误差小于10%。研究结果说明，利用地球物理技术可以实现对烃源岩的丰度分级和定量评价，对类似生烃凹陷的评价具有参考价值。

地球物理辽西凹陷沙河街组烃源岩定量评价

1 引言

烃源岩评价是含油气盆地勘探研究的基础。在过去的研究中，对烃源岩的评价常常是通过对岩样和岩屑资料的分析形成，其缺点是只有在具有地化资料的情况下才能进行，并且受样品数量的限制，研究成果仅局限于单点［1］。近年来，人们广泛利用地球物理技术进行了烃源岩预测并具有广阔的应用前景［2-8］。前人的研究表明湖相优质烃源岩具有典型的地球物理特征：在地震波响应上为空间可追踪的低频连续反射；在测井曲线上表现为高伽马、高电阻率、高声波时差、低密度的“三高一低”特征；评价烃源岩品质的总有机碳含量（TOC）、镜质体反射率（Ro）等指标与密度、纵波阻抗、纵横波速度比等地球物理弹性参数具有强相关性［9-13］。这些研究虽已经取得了积极的进展，但是在烃源岩丰度分级和定量评价方面的研究仍比较欠缺。

本文基于辽西凹陷的勘探实际，结合地质、沉积、地化及盆地模型等资料，探索了一种烃源岩的地球物理评价方法，确定了研究区内沙河街组烃源岩的发育规模，并对其进行了丰度评价和生烃量估算。

2 研究区概况

辽西凹陷位于渤海东北部海域，是辽东湾地区的一个次级构造单元，总体为北北东—南南西向展布，其东部为辽西凸起，面积约为3830km2，由北、中、南3个洼陷组成。本次研究区位于辽西凹陷北洼内，辽西凸起的西部（图1）。

前人基于该区构造演化、沉积充填特征及石油地质条件等方面的大量研究，总体认为形成于深湖—半深湖环境的沙河街组和东营组均发育烃源岩，是辽东湾油气的主要来源［14，15］。但是，由于辽西凹陷位于辽东湾坳陷西缘，其周边发育绥中、秦皇岛、兴城等水系，属于近源快速沉积，对该凹陷沙河街组沙三段烃源岩的分布规模及品质认识不清楚，制约了辽西凹陷资源潜力的评价［16，17］。因此，辽西凹陷沙河街组优质烃源岩的评价与预测，是该凹陷油气勘探面临的首要问题。辽西凹陷已有覆盖研究区的高品质三维地震资料和多口钻井数据，具备利用地球物理技术评价烃源岩的数据基础。

图1 辽西凹陷构造区划图

3 研究区烃源岩的特征

3.1 地化特征

目前烃源岩的评价参数主要包括TOC、有机质类型、氯仿沥青“A”含量、总烃含量等。在实际勘探中也有人提出了有效烃源岩和优质烃源岩的概念，前者常指经过排烃、运移、聚集等环节后仍具有工业价值的烃源岩，而后者为有机质含量高、类型好的有效烃源岩，通常它们的厚度不一定大，但却具有较高的生烃潜力和排烃强度。

通过分析辽西凹陷及周边辽中凹陷、辽东凹陷沙河街组的钻井数据，可知辽东湾地区优质烃源岩主要出现在沙三下、沙三中以及沙一段。目前辽西凹陷内已有13口井钻遇沙三段，揭示沙三段岩性主要为褐灰色泥岩，厚度较大。前人认为辽西凹陷沙三段烃源岩有较高含量的浮游藻类，有机屑含量较高，腐泥组和壳质组含量普遍大于80%，有机质类型主要为Ⅱ1型，埋深大，因此烃源岩处于成熟阶段［16］。研究区内S-1井钻遇沙三段地层650m，测井解释泥岩厚度为540m，其中优质烃源岩为228m（TOC＞2%，生烃潜量S1+S2＞10mg／g，氢指数HI＞40mg／g）；S-2井钻遇沙三段地层750m，测井解释泥岩厚度为630m，其中优质烃源岩总厚度为340m（TOC＞2%，S1+S2＞10mg／g，HI＞40mg／g）。

本文根据中国近海湖相生烃凹陷评价指标体系［18］（表1）和辽西凹陷的钻井资料样品分析，指出TOC＞2%为本区优质烃源岩的主要判别指标。

表1 中国近海湖相烃源岩质量的评价指标（中海油，2015）

3.2 地震相特征

前人认为辽西凹陷沙河街组发育多种沉积相类型，主要有滨湖、半深湖—深湖、三角洲、扇三角洲和浊积扇等沉积体系。其中，凹陷内沙三段主要发育扇三角洲—中、深湖相沉积，中、深湖相面积较大，暗色泥岩分布广、厚度大。沙三段这套半深湖—深湖相烃源岩表现为平行—亚平行反射结构，具有低频、连续、强反射的特点［10，16，19，20］。图 2 为研究区内过辽西凹陷北洼的一条地震剖面，从中可看出辽西凹陷北洼沙三段（E2s3）烃源岩位于洼陷中心，自下而上整体上表现出低频、连续、平行的反射特征，其对应一套中、深湖相沉积。

3.3 测井相特征

湖相—中深湖相优质烃源岩的测井曲线表现为高自然伽马、高声波时差、高电阻率和低密度的特征。这是因为优质烃源岩往往含有更多的放射性元素铀和干酪根及孔隙中的液态烃类。其中导电性差的干酪根和油气的声波时差一般大于岩石骨架的时差，而干酪根的密度（1.03～1.1g／cm3）和油的密度（0.7～0.98g／cm3）又小于岩石骨架密度（2.3～3.1g／cm3）［21］。表2为辽西凹陷沙河街组烃源岩的测井响应特征对比。测井揭示S-1井在沙三段钻遇的优质成熟烃源岩（TOC＞2%）与其他品质不佳的泥岩相比（TOC＜1%），测井响应表现为典型的“三高一低”特征。

图2 辽西北洼E2 s3烃源岩地震反射剖面

表2 辽西凹陷沙河街组烃源岩测井响应特征

4 方法应用

在综合分析辽西凹陷沙河街组烃源岩地化特征、测井响应特征和地震反射特征的基础上，结合地化分析和测井解释等资料，制定了本区优质烃源岩的定量评价流程（图3）。

图3 优质烃源岩的定量评价流程

4.1 TOC计算

本文根据已钻井的实测样品TOC值，使用Passey经验公式［22］

计算了靶区内井的TOC曲线。式中：ΔlgR=lg（R／R基线）+0.02（Δt-Δt基线），表示声波—电阻率曲线幅度差，R基线和Δt基线分别为电阻率与声波基线值；a=2.297-0.1688LOM，LOM为有机质成熟度的热变指数。通过分析认为，辽西凹陷沙河街组地层电阻率基线值约为2.5Ω·m，声波时差基线值约为92μs／ft，热变指数LOM选8时，测井预测结果与实测值的误差最小。图4为S-1井烃源岩TOC实测值与测井计算值的关系图，由图可见二者相关性较高，说明由上述参数通过Passey公式建立的计算模型比较可靠。

图4 S-1井计算TOC值与实测值的关系

4.2 岩石物理分析与敏感参数优选

通过岩石物理分析，能够明确与TOC之间最为敏感的地球物理参数，进而建立两者的拟合关系，最终根据关系式对TOC进行估算。对研究区内的S-1和S-2井进行交会分析。由图5可见，纵横波速度比为区分沙河街组砂泥岩的敏感参数，砂岩的纵横波速度比小于2，而泥岩的纵横波速度比则大于2，且在泥岩段内不同等级的烃源岩表现出不同范围的纵波阻抗，据此就可形成识别该区泥岩和烃源岩等级的标准（图5）。

图5 辽西凹陷沙河街组岩石物理分析

4.3 地震反演TOC数据体

岩石物理与敏感参数优选结果显示，通过地球物理技术是能够对辽西凹陷烃源岩的分布范围和等级进行预测的，即首先通过纵横波速度比区分砂、泥岩，进而在泥岩之中根据纵波阻抗的范围识别不同等级的烃源岩。

进一步通过纵波阻抗与TOC的交会分析（图6），得到研究区内沙河街组TOC与PI（纵波阻抗）之间的计算模型为：TOC=-0.000015×PI+0.154，由此将反演的纵波阻抗转换为TOC数据体。

需要说明的是，TOC曲线计算、岩石物理分析与敏感参数的优选主要是基于纵横波速度、密度、电阻率等测井曲线及其组合，各测井曲线的品质和对目标的识别能力将会对后期的预测结果产生影响，因此准确的测井曲线校正工作是应用地球物理技术定量评价烃源岩的关键。对比图4和图6，可看出利用Passey公式（相关性：96%）和纵波阻抗（相关性：81%）计算的TOC的精度不同，经分析可能是由于紧贴井壁的密度曲线测井方式更容易受到井壁条件、孔内泥浆、孔壁泥饼等外界因素的影响，因此拟合精度较电阻率会低。

图6 纵波阻抗（PI）与TOC的交会分析

另外受地质沉积环境、埋藏条件、岩性变化等因素的影响，不同凹陷不同层段的烃源岩与围岩之间的岩石物理特征的差别变化很大，具有不同的TOC敏感识别参数、敏感参数范围或识别相关性。如笔者在相关凹陷的研究中就发现渤海湾盆地沙南凹陷沙河街组的优质烃源岩的纵波阻抗小于8400g／cm3·m／s，而黄河口凹陷纵波阻抗（拟合相关性：73%）和纵横波速度比（拟合相关性：82%）都可识别优质烃源岩，但后者的拟合相关性更高，因此黄河口凹陷的敏感参数为纵横波速度比。同时，烃源岩与围岩之间岩石物理参数的重叠交叉也会产生一定的多解性，因此在工作中需要针对各凹陷、各层段的特点分别开展分析工作，进而确定相应的敏感参数和计算模型，以期降低多解性。

工区内S-1井和S-2井参与了反演，S-3井为验证井。图7为通过叠前同时反演得到的过井vP／vS岩性剖面，其中测井曲线为泥质含量，右侧为高值。由图可见凹陷内沙二段为一套砂岩，沙三中、下段泥岩非常发育，井旁反演结果与实钻吻合度高（合成记录标定时相关系数可达0.93）。图8为TOC数据体剖面，剖面中颜色表示有机质丰度，红色表示TOC丰度较高，井曲线为TOC曲线，右侧为高值。由图看出沙三中、下段为一套TOC值较高的地层（＞2%），从洼陷边缘到深部，这套烃源岩的厚度逐渐增大，反映出洼陷深部优质烃源岩更为发育。图9为提取的沙三中、下段TOC预测平面图，图中显示研究区中东部亮色部分烃源岩TOC大多为2%以上，属于优质烃源岩发育带，从凹陷深部到边缘亮色逐渐减弱，表示地层的泥质含量和TOC逐渐降低，烃源岩等级为中等（1%＜TOC＜2%）或差等（0＜TOC＜1%），沉积相由深湖相—中深湖相转换为三角洲相。

图8 辽西凹陷沙三段TOC数据体剖面

4.4 烃源岩定量预测

本文基于Jason反演平台Body Checking模块完成了烃源岩的厚度预测。首先针对TOC数据体，根据选定的各级烃源岩的门槛值范围，得到相应等级烃源岩体的属性数据体；然后在垂向上累加属性体的样本点数，并将其与采样间隔相乘作为时间厚度；最后通过时间厚度与速度相乘得到厚度值。

图10为预测研究区优质烃源岩的分布图，图中颜色表示预测烃源岩的厚度，颜色越深表示厚度越大。从图中可看出凹陷中部烃源岩最为发育，通过测量可知该处优质烃源岩的面积近180km2，平均厚度达200m，最厚处可达660m。对比研究区内实钻井资料（表3），反演预测的烃源岩厚度与实钻测井解释结果基本一致，相对误差较小。

基于本方法研究得到的优质烃源岩的面积、厚度和TOC等数据，结合行业内盆地资源潜力分析方法和靶区的勘探实际，对该区资源量的估算，采用了以下有机碳法

图10 预测的研究区沙三段优质烃源岩厚度

表3 烃源岩预测与钻井结果对比

式中：Q为总油气资源量；H为烃源岩有效厚度（m）；S为烃源岩面积（km2）；ρ为烃源岩密度（g／cm3）；HI为氢指数（mg／g）；TOC为总有机碳含量；Kc为有机碳转化系数；k为运聚系数。

本研究中，ρ取2.3g／cm3，HI取450mg／g，Kc取1%，k取10%，最终估算研究区沙三段油气资源量约为2.6×109t。

5 结束语

应用地球物理技术可以对烃源岩的分布范围进行预测，并能够根据反演参数的定量关系区分烃源岩的等级，本文所述方案对类似生烃凹陷的评价具有参考价值。辽西凹陷沙河街组烃源岩评价的应用结果表明：

（1）该套优质烃源岩具有高自然伽马、高声波时差、高电阻率和低密度的测井响应特征；在地震相上表现为低频、连续、强反射的地震反射特征。

（2）纵波阻抗参数是反映烃源岩丰度的敏感参数，根据TOC与纵波阻抗间的数学关系，可以通过地震反演实现烃源岩有机质含量的定量评价。

（3）研究区中部沙三段烃源岩TOC大多为2%以上，横向整体分布稳定，平均厚度达200m。定量预测烃源岩厚度相对误差小于10%，与实钻对比吻合度较高，证实了应用地球物理方法定量预测烃源岩技术的有效性和适用性。

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