徐仕琨，葉加仁，楊寶林，趙牛斌

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074

烴源巖是油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，烴源巖評價(jià)是沉積盆地油氣資源潛力分析與勘探前景評價(jià)的核心內(nèi)容之一，烴源巖中的總有機(jī)碳含量（TOC）是烴源巖評價(jià)的重要參數(shù)。在利用有機(jī)地球化學(xué)資料評價(jià)烴源巖時(shí)，一般隔一定距離取心采樣進(jìn)行測試分析，但受取心數(shù)量和分析化驗(yàn)成本等影響，難以獲取縱向上連續(xù)的TOC 值[1-2]，而測井資料具有縱向上連續(xù)，分辨率高等優(yōu)勢，且多種測井參數(shù)與烴源巖TOC 之間具有一定的響應(yīng)關(guān)系，可據(jù)此建立預(yù)測模型對烴源巖TOC 進(jìn)行定量預(yù)測，并獲取烴源巖厚度[3-4]。國內(nèi)外學(xué)者現(xiàn)已提出了多種基于測井資料預(yù)測烴源巖TOC 的方法，如多元線性回歸法[5-6]、ΔlgR 法[7]、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[8-11]，不同方法原理各異，互有優(yōu)劣，分別適用于不同的地質(zhì)情況和資料狀況。

沙南凹陷位于渤海海域，目前勘探程度總體較低，烴源巖研究較薄弱，對凹陷油氣勘探潛力爭議較大。本文基于沙南凹陷測井資料，結(jié)合實(shí)測烴源巖TOC 數(shù)據(jù)，優(yōu)選適合沙南凹陷烴源巖TOC 計(jì)算的測井方法與模型，定量預(yù)測單井烴源巖TOC 縱向分布，為研究區(qū)勘探潛力分析奠定基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

沙南凹陷地處渤海西部海域，北靠沙壘田凸起，南為埕北低凸起及埕子口凸起，東臨渤中凹陷，西接歧口凹陷，面積約3235 km2，可分為東西兩個(gè)次洼（圖1），為一新生代發(fā)育起來的北斷南超的箕狀凹陷。沙南凹陷沉積蓋層自下而上由古近系孔店組、沙河街組（沙三段、沙二段、沙一段）、東營組（東三段、東二段、東一段），新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組及第四系組成，其中，東三段、沙一二段及沙三段湖相泥巖為該區(qū)主要烴源巖[12-13]，明化鎮(zhèn)組、館陶組、東二段及沙二段為主要的含油氣層段。截至目前，該區(qū)已累計(jì)鉆探井20 余口，發(fā)現(xiàn)了6 個(gè)含油氣構(gòu)造，但無商業(yè)開采價(jià)值，其勘探潛力備受質(zhì)疑[14]。

2 原理及方法

2.1 烴源巖測井評價(jià)原理

烴源巖測井評價(jià)是基于烴源巖與非烴源巖TOC和孔隙流體物理性質(zhì)不同而引起的測井響應(yīng)特征的差異。通常，非烴源巖由巖石骨架和孔隙流體（主要為地層水）組成（圖2a），未成熟烴源巖由巖石骨架、固體有機(jī)質(zhì)和孔隙流體（仍主要為地層水）（圖2b）組成，成熟烴源巖中的部分有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴進(jìn)入孔隙，其孔隙流體為地層水和液態(tài)烴（圖2c）[15]。因此，烴源巖和非烴源巖的測井響應(yīng)特征不同，研究表明，富有機(jī)質(zhì)烴源巖在測井曲線上表現(xiàn)為“四高一低”，即高聲波時(shí)差、高自然伽馬、高電阻率、高中子、低密度[16-18]。

2.2 烴源巖TOC 定量預(yù)測方法

如前所述，基于測井資料定量預(yù)測烴源巖TOC的方法主要有多元線性回歸法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、ΔlgR 法等，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法雖然在解決非線性復(fù)雜問題方面具較大優(yōu)勢，但其難以用表達(dá)式進(jìn)行表示，未被廣泛應(yīng)用，目前多元線性回歸法和ΔlgR 法在烴源巖定量預(yù)測中應(yīng)用廣泛。

2.2.1 多元線性回歸法

由于多種測井參數(shù)如中子、聲波時(shí)差、電阻率、自然伽馬、密度、鈾含量等均與烴源巖TOC 存在響應(yīng)關(guān)系，因此，先對各測井參數(shù)與實(shí)測TOC 進(jìn)行相關(guān)性分析，確定相關(guān)性較好的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，將一種或多種測井參數(shù)作為自變量，TOC 作為因變量建立一元或多元回歸方程，通過多元回歸分析確定最佳TOC 定量預(yù)測模型。通常，多參數(shù)模型要優(yōu)于單參數(shù)模型，且不同地區(qū)TOC 的主控因素不同，預(yù)測模型也會(huì)具有地域差異[19-20]。

圖 1 沙南凹陷構(gòu)造位置（據(jù)參考文獻(xiàn)[12]修改）Fig.1 Tectonic location of the Shanan Sag （modified from reference [12]）

圖 2 巖石組成示意圖[15]Fig.2 Diagram of rock composition

2.2.2 改進(jìn)的ΔlgR 法

Passey 等提出了能夠計(jì)算不同成熟度條件下烴源巖TOC 的測井評價(jià)方法，即ΔlgR 法[7]。該方法先通過聲波時(shí)差和電阻率疊加計(jì)算ΔlgR，再根據(jù)TOC與ΔlgR 呈線性相關(guān)，由ΔlgR 計(jì)算TOC，公式如下：

式中，R 為電阻率，R基線為非烴源巖段電阻率，Δt 為聲波時(shí)差，Δt基線為非烴源巖段聲波時(shí)差，x 為系數(shù)，LOM 為有機(jī)質(zhì)成熟度指數(shù)，與鏡質(zhì)體反射率Ro相關(guān)。

由于該方法沒有考慮其他與TOC 具有相關(guān)性的重要測井參數(shù)，且需要成熟度參數(shù)和人為確定巖性基線，誤差較大，為此，朱光有等[21]及張寒等[22]提出了改進(jìn)的ΔlgR 法，公式（2）可簡化為

式中，K 為系數(shù)，將公式（1）代入公式（3）可得

同一凹陷或同一口井的Δt基線和lgR基線為常數(shù)，式（4）可簡化為

由于TOC 與密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，經(jīng)密度校正，可將式（5）改為

式中，ρ 為密度測井值，a、b、c 的值可通過對研究區(qū)樣品進(jìn)行分析，用最小二乘法擬合獲得。

3 烴源巖TOC 測井預(yù)測

由于沙南凹陷東三段、沙一二段、沙三段這三套烴源巖的沉積環(huán)境及母質(zhì)來源等均存在一定的差異[14]，本次對東三段、沙一二段、沙三段分別建立TOC 測井定量預(yù)測模型。

沙南凹陷共有6 口井具較完整測井資料，分別是CFD13-1-1、CFD14-1-1、CFD16-3-1、CFD18-2-1、CFD18-2E-1、CFD23-1-1（具體位置見圖1）。本文基于6 口井3 個(gè)烴源巖層段共55 個(gè)巖心樣品的實(shí)測TOC 數(shù)據(jù)及相應(yīng)的測井參數(shù)，分別應(yīng)用多元線性回歸法及改進(jìn)的ΔlgR 法分層段建立烴源巖TOC 定量預(yù)測模型，進(jìn)而根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小，優(yōu)選預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)單井烴源巖TOC 預(yù)測。

3.1 多元線性回歸法模型

3.1.1 烴源巖實(shí)測TOC 與各測井參數(shù)相關(guān)性分析

分別統(tǒng)計(jì)分析東三段、沙一二段、沙三段烴源巖實(shí)測TOC 與各測井參數(shù)的相關(guān)關(guān)系（圖3-5）發(fā)現(xiàn)，東三段烴源巖實(shí)測TOC 與聲波時(shí)差（AC）、中子（CNL）存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，與密度（DEN）存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.63、0.465、0.502，與電阻率（RT）及自然伽馬（GR）沒有明顯的相關(guān)關(guān)系；沙一二段烴源巖實(shí)測TOC 與聲波時(shí)差（AC）、電阻率（RT）、中子（CNL）存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，與密度（DEN）、自然伽馬（GR）存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.816、0.611、0.23、0.38、0.55；沙三段烴源巖實(shí)測TOC 與聲波時(shí)差（AC）、電阻率（RT）、中子（CNL）存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，與密度（DEN）存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.685、0.42、0.625、0.686，與自然伽馬（GR）存在較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。綜合來看，沙南凹陷烴源巖實(shí)測TOC 與聲波時(shí)差（AC）、中子（CNL）、電阻率（RT）具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，與密度（DEN）具顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與自然伽馬（GR）的相關(guān)關(guān)系不明顯或不符合地質(zhì)規(guī)律，因此，本文不考慮自然伽馬（GR）參數(shù)，選擇其他4 個(gè)測井參數(shù)進(jìn)行TOC定量預(yù)測模型的建立。

圖 3 沙南凹陷東三段烴源巖實(shí)測TOC 與各測井參數(shù)交會(huì)圖Fig.3 Correlation of measured TOC and logging parameters of the E3d3 in Shanan Sag

圖 4 沙南凹陷沙一二段烴源巖實(shí)測TOC 與各測井參數(shù)交會(huì)圖Fig.4 Correlation of measured TOC and logging parameters of the E3s1+2in Shanan Sag

圖 5 沙南凹陷沙三段烴源巖實(shí)測TOC 與各測井參數(shù)交會(huì)圖Fig.5 Correlation graphs of measured TOC and logging parameters of the E2s3 in Shanan Sag

3.1.2 定量預(yù)測模型優(yōu)選

為獲得最佳多元預(yù)測模型，應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS，以烴源巖實(shí)測TOC 數(shù)據(jù)為因變量，相應(yīng)部位的測井參數(shù)為自變量，分別對東三段、沙一二段、沙三段進(jìn)行單參數(shù)、雙參數(shù)、三參數(shù)及四參數(shù)預(yù)測模型的建立，并對比優(yōu)選合適的預(yù)測模型。

結(jié)果表明（表1），各層段烴源巖TOC 測井預(yù)測模型的擬合度（相關(guān)系數(shù)）均隨測井參數(shù)個(gè)數(shù)的增加而增加，即多參數(shù)模型優(yōu)于單參數(shù)模型，并以四參數(shù)模型相關(guān)系數(shù)最高，擬合效果最好，為多元線性回歸法中的最佳預(yù)測模型，東三段、沙一二段、沙三段的四參數(shù)模型的相關(guān)系數(shù)分別為0.695、0.865、0.847。對比四參數(shù)預(yù)測模型計(jì)算TOC 與實(shí)測TOC（圖6），二者具較高的吻合度，也證實(shí)本次建立的四參數(shù)模型具有較高的預(yù)測精度。

圖 6 測井四參數(shù)預(yù)測模型計(jì)算TOC 與實(shí)測TOC 對比Fig.6 Correlation of measured TOC and calculated TOC（Four-parameter method）

表1 沙南凹陷烴源巖TOC 測井多元線性回歸法定量預(yù)測模型優(yōu)選Table 1 Quantitative TOC logging prediction models by multivariate linear regression method for source rocks in Shanan Sag

3.2 改進(jìn)的ΔlgR 法模型

基于烴源巖實(shí)測TOC 及聲波時(shí)差（AC）與電阻率（RT）測井?dāng)?shù)據(jù)，利用SPSS 軟件，采用公式（6）分別建立沙南凹陷三套烴源巖TOC 測井ΔlgR 法定量預(yù)測模型（表2）。各層段烴源巖的擬合效果均較好，相關(guān)系數(shù)大于0.75；同時(shí)，ΔlgR 法預(yù)測的TOC與實(shí)測TOC 對比也揭示二者吻合度高（圖7），說明該模型具有較高的預(yù)測精度。

3.3 方法對比及應(yīng)用

運(yùn)用“四參數(shù)線性回歸法”和“改進(jìn)的ΔlgR 法”分別對沙南凹陷東三段、沙一二段、沙三段烴源巖TOC 進(jìn)行計(jì)算，并對比分析TOC 實(shí)測值與測井計(jì)算值，計(jì)算出平均絕對誤差和平均相對誤差（表3）。顯然，兩種方法預(yù)測TOC 的平均絕對誤差及相對誤差均較小，滿足TOC 預(yù)測的精度要求，四參數(shù)線性回歸法對東三段、沙一二段、沙三段TOC 預(yù)測結(jié)果的平均相對誤差分別為25.1%、34.6%、22.8%，改進(jìn)的ΔlgR 法預(yù)測結(jié)果的平均相對誤差較四參數(shù)線性回歸法總體來說更低，只有沙一二段因?qū)崪y數(shù)據(jù)較少而導(dǎo)致預(yù)測誤差相對較大，東三段、沙一二段、沙三段分別為23.1%、40.3%、19.4%，因此，改進(jìn)的ΔlgR 法優(yōu)于四參數(shù)線性回歸法，其相對誤差更小。同時(shí)，應(yīng)用這兩種方法對研究區(qū)兩口代表性單井CFD23-1-1 井 和CFD16-3-1 井 進(jìn) 行 烴 源 巖TOC 預(yù)測，結(jié)果（圖8）也揭示預(yù)測TOC 曲線與實(shí)測TOC 點(diǎn)吻合度高，且改進(jìn)的ΔlgR 法預(yù)測TOC 曲線與實(shí)測TOC 點(diǎn)更接近，預(yù)測效果更好。

對改進(jìn)的ΔlgR 法和四參數(shù)線性回歸法兩種模型進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，兩者的主要差別在于參數(shù)的選取和運(yùn)算形式：參數(shù)的選取上，改進(jìn)的ΔlgR 法包括聲波時(shí)差、電阻率以及密度3 個(gè)參數(shù)，四參數(shù)線性回歸法則多一個(gè)中子參數(shù)，因選取的參數(shù)與TOC 均具有較高的相關(guān)性，故兩種方法差別不大；運(yùn)算形式上，兩種方法的差別主要為是否對電阻率參數(shù)取對數(shù)后再參與計(jì)算，根據(jù)Passey 等提出的TOC 與ΔlgR 呈線性相關(guān)，可推測對電阻率參數(shù)取對數(shù)后再建立的TOC 預(yù)測模型具有更好的應(yīng)用效果，故改進(jìn)的ΔlgR 法較優(yōu)。

表2 沙南凹陷烴源巖TOC 測井ΔlgR 法定量預(yù)測模型Table 2 Quantitative TOC logging prediction models by ΔlgR method of source rocks in Shanan Sag

圖 7 測井ΔlgR 法預(yù)測TOC 與實(shí)測TOC 對比Fig.7 Correlation of measured TOC and calculated TOC（ΔlgR method）

為此，本文選取改進(jìn)的ΔlgR 法預(yù)測TOC 曲線對上述兩口單井的烴源巖進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)根據(jù)侯讀杰[23]提出的湖相烴源巖評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，按TOC 含量將研究區(qū)烴源巖分為非（TOC＜0.5%）、差（0.5%≤TOC＜1%）、中（1%≤TOC＜2%）、好（2%≤TOC＜3%）、優(yōu)（TOC≥3%）五個(gè)級別，并對兩口井不同級別的烴源巖厚度分別統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明（圖8，表4），在CFD23-1-1 井中，沙三段、沙一二段及東三段3 個(gè)層段均發(fā)育有效烴源巖，其中以沙三段最佳，烴源巖厚度占本段地層總厚度的比例最高，達(dá)90.46%，且好至優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度最大，累計(jì)達(dá)244 m，分別占地層總厚度及源巖厚度的86.22% 與95.31%；其次為沙一二段，其烴源巖厚度占本段地層總厚度的89.47%，好—優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度累計(jì)達(dá)107 m，分別占地層總厚度及源巖厚度的80.45% 與89.92%；東三段相對較差，源巖厚度占本段地層總厚度的80.78%，低于沙三段和沙一二段，且好—優(yōu)質(zhì)烴源巖的累計(jì)厚度也相對較小（87 m），占地層總厚度及源巖厚度的比例也較低，分別為34.12%與42.23%，多發(fā)育差和中等烴源巖。在CFD16-3-1 井中，也以沙三段烴源巖最好，烴源巖厚度占本段地層總厚度的百分比相對最高，為63.92%，好—優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度累計(jì)達(dá)244.5 m，分別占地層總厚度及源巖厚度的44.33%與69.36%；其次為東三段，其烴源巖厚度占本段地層總厚度的48.14%，主要發(fā)育中等—好烴源巖；沙一二段相對最差，其烴源巖厚度?。?9 m），僅占本段地層總厚度的28.82%，并以差—中等烴源巖為主。

綜上所述并結(jié)合前人相關(guān)成果，沙南凹陷烴源巖發(fā)育，并以沙三段烴源巖最優(yōu)，其厚度大且TOC高，是凹陷的主力烴源巖層系；沙一二段烴源巖雖然TOC 高、質(zhì)量好，但厚度較小，且橫向變化快，非均質(zhì)性強(qiáng)，如地處沙南凹陷東次洼南部的CFD23-1-1 井與西次洼東部的CFD16-3-1 井沙一段好—優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育程度差異顯著，沙一二段沉積時(shí)沙壘田凸起為凹陷的主要物源供給區(qū)，CFD16-3-1 井處于扇三角洲前緣[24]，砂巖發(fā)育，而烴源巖發(fā)育狀況較差。

圖 8 CFD23-1-1 井、CFD16-3-1 井烴源巖TOC 測井預(yù)測圖Fig.8 The prediction of TOC of source rocks for Well CFD23-1-1 and Well CFD16-3-1

表3 沙南凹陷烴源巖實(shí)測TOC 值與測井計(jì)算TOC 值誤差對比分析Table 3 Comparison of errors between measured TOC from coresand predicted TOC by different means

表4 CFD23-1-1 井、CFD16-3-1 井烴源巖評價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistical table of source rock evaluation results of Well CFD23-1-1 and Well CFD16-3-1

4 結(jié)論

（1）對比分析應(yīng)用多元線性回歸法及改進(jìn)的ΔlgR 法分層段建立的沙南凹陷東三段、沙一二段、沙三段烴源巖TOC 定量預(yù)測模型，發(fā)現(xiàn)多元線性回歸法中TOC 測井預(yù)測模型的擬合度隨測井參數(shù)個(gè)數(shù)的增加而增加，以四參數(shù)線性回歸法最佳；四參數(shù)線性回歸法和改進(jìn)的ΔlgR 法均可有效地預(yù)測沙南凹陷單井湖相烴源巖TOC 縱向分布，并以改進(jìn)的ΔlgR 法預(yù)測精度更高。

（2）應(yīng)用改進(jìn)的ΔlgR 法對凹陷內(nèi)CFD23-1-1、CFD16-3-1 兩口代表性單井的烴源巖進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果顯示沙南凹陷烴源巖發(fā)育，勘探潛力大。沙三段為凹陷主力烴源巖系，具有烴源巖占比地層厚度高、TOC 高、好—優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度大等特點(diǎn)；沙一二段烴源巖TOC 高，質(zhì)量好，但厚度較小，橫向變化快。