繆歡王延斌麻振濤國(guó)建英張雨健

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京 100083;2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司天然氣成藏與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北廊坊 065007

有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)一直是烴源巖評(píng)價(jià)的核心工作之一,總有機(jī)碳(TOC)含量是烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)的重要組成部分。 烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)主要依靠巖芯和巖樣的巖石熱解實(shí)驗(yàn),但這種方法受制于樣品數(shù)量和成果局限于單點(diǎn)等缺點(diǎn),往往難以滿足低-中勘探程度含油氣盆地的勘探需求[1]。

為滿足低-中勘探程度含油氣盆地的勘探需求,Passey 等[2]基于阿爾奇公式提出了ΔlogR法用于預(yù)測(cè)TOC 含量;Huang 等[3]引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法—神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)TOC 含量;Carcione[4]總結(jié)出基于密度測(cè)井曲線、干酪根密度、礦物密度等因素的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算TOC 含量;杜文鳳等[5]基于TOC 含量與電阻率、聲波時(shí)差、密度和中子等測(cè)井曲線的相關(guān)性預(yù)測(cè)了煤系烴源巖的TOC 含量;Atarita 等[6]通過建立TOC 含量和波阻抗的交會(huì)圖,提出了地球物理反演預(yù)測(cè)TOC 含量的方法。

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了多種反演預(yù)測(cè)TOC含量的方法,但是由于陸相烴源巖TOC 含量背景值較低,聲波時(shí)差曲線與電阻率曲線反向疊合后的幅度差不夠明顯[7],這些方法都難以適用于我國(guó)廣泛存在的陸相烴源巖地層。 為解決上述問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于上述方法進(jìn)行了適用性修改,其中應(yīng)用最多的為ΔlogR模型。 Liu 等[8]為了解決傳統(tǒng)ΔlogR模型在遼河油田沙三段烴源巖應(yīng)用誤差問題,提出了修改ΔlogR模型;劉超等[9]提出了變系數(shù)ΔlogR模型;胡慧婷等[10]針對(duì)陸相深層的烴源巖提出了廣義ΔlogR模型;邊雷博等[11]依據(jù)一一映射原理提出了優(yōu)化ΔlogR模型;王祥等[12]基于廣義ΔlogR模型提出了考慮密度的廣義ΔlogR模型;Zhu 等[13]提出了雙差ΔlogR模型。

吐哈盆地經(jīng)歷了二疊紀(jì)—三疊紀(jì)斷拗充填階段和侏羅紀(jì)以來的前陸盆地演化階段,兩大構(gòu)造層分別發(fā)育以中二疊統(tǒng)桃東溝群湖相暗色泥巖和中—下侏羅統(tǒng)水西溝群煤系為主的烴源巖[14]。 中二疊統(tǒng)桃東溝群湖相暗色泥巖雖然被證實(shí)為有效烴源巖[15],但由于埋藏較深,地震資料品質(zhì)差,鉆井揭露的較少,導(dǎo)致其勘探程度較低。 這為研究區(qū)烴源巖評(píng)價(jià)工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。 考慮現(xiàn)有的測(cè)井參數(shù)反演烴源巖總有機(jī)碳含量方法的局限性,本文將基于區(qū)內(nèi)鉆井巖芯的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),利用傳統(tǒng)ΔlogR模型、廣義ΔlogR模型、優(yōu)化ΔlogR模型、考慮密度的廣義ΔlogR模型、多元回歸參數(shù)法以及考慮自然電位的廣義ΔlogR模型預(yù)測(cè)區(qū)內(nèi)中二疊統(tǒng)桃東溝群烴源巖的總有機(jī)碳含量,通過對(duì)比優(yōu)選出預(yù)測(cè)研究區(qū)桃東溝群烴源巖TOC 含量的最佳方法。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

1.1 研究區(qū)概況

吐哈盆地位于新疆的東部,盆地內(nèi)沉積了石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、第三系和第四系等地層,最大沉積厚度超過9 000 m。 盆地經(jīng)歷了多期成盆階段,可劃分為2 個(gè)凹陷區(qū)(哈密、吐魯番)、1 個(gè)隆起(了墩隆起)和10 個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元[16-17],如圖1(a)所示。

研究區(qū)內(nèi)中二疊統(tǒng)桃東溝群烴源巖勘探程度較低,僅有15 口鉆井鉆遇中二疊統(tǒng)地層。 依據(jù)鉆井資料及前人研究成果[18-23],研究區(qū)內(nèi)烴源巖的TOC 含量為0.1% ～27.6%,生烴潛量為0.1 ～27.0 mg/g,鏡質(zhì)體反射率為0.42% ～1.28%;有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型和Ⅱ2型為主。

本次研究共收集研究區(qū)內(nèi)資料齊全的5 口鉆井TOC 含量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)33 個(gè),沉積環(huán)境為半深湖—濱淺湖相[圖1(b)]。

圖1 吐哈盆地中二疊統(tǒng)地層沉積環(huán)境、構(gòu)造分區(qū)及收集鉆遇烴源巖鉆井位置(修編自參考文獻(xiàn)[22])Fig.1 Sedimentary environment,structural division and drilling location of hydrocarbon source rocks encountered in the Middle Permian in Turpan Hami basin

1.2 研究區(qū)烴源巖TOC 含量與測(cè)井參數(shù)的關(guān)系

為探究研究區(qū)內(nèi)烴源巖的TOC 含量與各測(cè)井參數(shù)的關(guān)系,將常規(guī)測(cè)井參數(shù)與實(shí)測(cè)TOC 含量進(jìn)行交會(huì)(圖2)。 結(jié)果發(fā)現(xiàn),研究區(qū)內(nèi)烴源巖TOC 含量與電阻率、聲波時(shí)差呈弱正相關(guān),與自然伽馬(GR)、密度(DEN)、自然電位(SP)呈弱負(fù)相關(guān),與中子相關(guān)性不明顯。

圖2 研究區(qū)內(nèi)烴源巖TOC 與常規(guī)測(cè)井參數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationship between TOC of source rocks and conventional logging parameters in the study area

2 TOC 含量的測(cè)井預(yù)測(cè)方法及原理

測(cè)井參數(shù)反演烴源巖總有機(jī)碳值始于20 世紀(jì)40年代[24-25]。 經(jīng)過多年的發(fā)展,已形成了多種成熟預(yù)測(cè)烴源巖TOC 含量的方法。 其中,應(yīng)用較為廣泛的有傳統(tǒng)ΔlogR法及其相關(guān)的改進(jìn)型(優(yōu)化ΔlogR法和廣義ΔlogR法)和多元參數(shù)回歸法。

2.1 烴源巖的測(cè)井響應(yīng)特征

烴源巖因自身有機(jī)質(zhì)的一些物理和化學(xué)性質(zhì),使其在測(cè)井曲線中表現(xiàn)出異于其他巖性的響應(yīng)特征。 本文通過調(diào)研前人研究成果,總結(jié)出烴源巖層段在測(cè)井曲線上的響應(yīng)特征。

2.1.1 聲波時(shí)差響應(yīng)特征

烴源巖具有高聲波時(shí)差的響應(yīng)特征[17]。 正常壓實(shí)的地層中,聲波時(shí)差會(huì)隨著埋深的增加而減小。 但地層中含有有機(jī)質(zhì)時(shí),就會(huì)出現(xiàn)聲波時(shí)差異常增大的現(xiàn)象,這主要是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)的聲波時(shí)差(570 μs/m)大于巖石骨架的聲波時(shí)差[26]。

2.1.2 電阻率響應(yīng)特征

烴源巖具有高電阻率的響應(yīng)特征[25]。 有機(jī)質(zhì)一般導(dǎo)電性差或幾乎不導(dǎo)電,而巖石骨架(除鈣質(zhì)外)及孔隙內(nèi)地層水均導(dǎo)電,這就造成了富含有機(jī)質(zhì)的泥巖的電阻率一般高于不含有機(jī)質(zhì)的泥巖。

2.1.3 自然伽馬(GR)響應(yīng)特征

烴源巖一般具有高GR 的響應(yīng)特征[26],這是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)中的腐殖質(zhì)對(duì)放射性物質(zhì)具有較強(qiáng)吸附性,導(dǎo)致高放射性[5],但煤系烴源巖的腐殖質(zhì)含量較低,故表現(xiàn)出低GR 的特征[27]。

2.1.4 密度(DEN)響應(yīng)特征

烴源巖具有低DEN 的響應(yīng)特征[26-28],這是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)的DEN 小于或接近于1 g/cm3,而泥巖的骨架密度約為2.7 g/cm3,因此富含有機(jī)質(zhì)的泥巖DEN 往往小于不含有機(jī)質(zhì)的泥巖[28]。

2.1.5 自然電位(SP)響應(yīng)特征

SP 是以泥巖中的溶解離子與泥漿中的帶電離子發(fā)生交換而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì),常用于識(shí)別巖性、判斷沉積環(huán)境等,其取值與地層水的礦化度和地層的電阻率等有關(guān)[29],地層電阻率越大,SP 取值越高。

前人研究發(fā)現(xiàn),富含有機(jī)質(zhì)的泥巖電阻率高于不含有機(jī)質(zhì)的泥巖[26]。 因此,烴源巖應(yīng)該具有高SP 響應(yīng)特征,富含有機(jī)質(zhì)的泥巖SP 也應(yīng)高于不含有機(jī)質(zhì)的泥巖。 該結(jié)果與陳孝平[30]在陜北地區(qū)蟠龍油田三疊系延長(zhǎng)組烴源巖中發(fā)現(xiàn)的結(jié)果一致。

2.1.6 中子(CN)響應(yīng)特征

以往的研究表明,煤系烴源巖具有高中子的響應(yīng)特征[5,31],但該結(jié)果在我國(guó)的部分地區(qū)表現(xiàn)并不明顯[28],主要原因是泥巖骨架和有機(jī)質(zhì)的氫含量都很高,且經(jīng)常相互替換。

2.2 TOC 含量的測(cè)井預(yù)測(cè)方法

2.2.1 傳統(tǒng)ΔlogR法

傳統(tǒng)ΔlogR法由Passey 等依據(jù)阿爾奇公式提出。 該方法的原理是,用一條可以反映巖石孔隙率的聲波時(shí)差測(cè)井曲線和電阻率曲線反向疊合,并以細(xì)顆粒的非烴源巖為基線,兩條曲線的幅度差被定義為ΔlogR,即

式中,ρ和ρ基為電阻率數(shù)值和電阻率曲線基線值,Ω·m;DT和DT基為聲波時(shí)差數(shù)值和聲波時(shí)差曲線基線值,μs/ft;ρ基與DT基為定值[2]。

ΔlogR與TOC 含量和成熟度之間存在著線性關(guān)系,系數(shù)為成熟度參數(shù)。 成熟度參數(shù)一般為整數(shù)。 一些學(xué)者通過大量的數(shù)據(jù)計(jì)算,將成熟度參數(shù)轉(zhuǎn)化為鏡質(zhì)體反射率(Ro),即

式中,TOC為總有機(jī)碳含量,% ;Ro為鏡質(zhì)組反射率;ΔTOC為有機(jī)碳含量背景值[28-29]。

2.2.2 優(yōu)化ΔlogR法

優(yōu)化ΔlogR模型由邊雷博等于2018年依據(jù)一一映射提出。 該模型將不同范圍的聲波時(shí)差及其對(duì)應(yīng)的電阻率,與260 ～460 μs/m 聲波時(shí)差及其對(duì)應(yīng)的電阻率一一映射,從而建立未知疊合系數(shù)與聲波時(shí)差為260 ～460 μs/m 時(shí)的最佳疊合系數(shù)的映射關(guān)系。 因此,ΔlogR可以表達(dá)為

ACmax=460 μs/m,ACmin=260 μs/m

式中,AC和AC基為聲波時(shí)差數(shù)值和聲波時(shí)差曲線基線值;ρ基與AC基為定值[11]。

將公式(3)中所獲得ΔlogR值代入式(2)中,即可獲得TOC 含量的數(shù)值。

2.2.3 廣義ΔlogR法及其改進(jìn)型

廣義ΔlogR模型最早由胡慧婷等于2016年提出,為了消除誤差,將成熟度參數(shù)用GR 曲線代替[10]。 王祥等于2020年對(duì)該模型進(jìn)行修改,將GR 和DEN 直接一起使用,考慮GR 在數(shù)值上遠(yuǎn)大于DEN 值,因此先將GR 取對(duì)數(shù),再建立模型,即

式中,a、b、c為擬合系數(shù),無量綱[12]。

前人研究發(fā)現(xiàn),烴源巖具有高SP 響應(yīng)特征,SP 的變化在一定程度上可表示TOC 含量的變化[30,32-35],且多條測(cè)井的抗干擾能力更強(qiáng)[10]。 此外,與其他測(cè)井參數(shù)相比,研究區(qū)內(nèi)桃東溝群烴源巖TOC 與SP 的相關(guān)性較高。 因此,本文在現(xiàn)有廣義ΔlogR模型基礎(chǔ)上,提出一種考慮SP 的廣義ΔlogR模型,即在式(4)中加入SP,可表示為

式中,d為擬合系數(shù),無量綱。

2.2.4 多元回歸參數(shù)法

該方法選取與TOC 含量相關(guān)性較強(qiáng)的測(cè)井參數(shù)(GR、DEN、DT 等),以實(shí)測(cè)TOC 含量為因變量、測(cè)井參數(shù)為自變量,進(jìn)行一元、二元、三元等線性回歸,選擇的參數(shù)越多,其相關(guān)性就越高[32],最常用的為三元線性回歸。

3 TOC 含量預(yù)測(cè)結(jié)果分析對(duì)比

基于上述33 個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn),分析對(duì)比考慮自然電位的廣義ΔlogR模型和其他現(xiàn)有預(yù)測(cè)TOC 含量的方法的應(yīng)用效果。

3.1 傳統(tǒng)Δlog R 法與優(yōu)化Δlog R 法預(yù)測(cè)結(jié)果

當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)較多時(shí),應(yīng)用ΔlogR法時(shí),可以采用最小二乘法簡(jiǎn)化ΔlogR模型[7,36]。 但研究區(qū)內(nèi)烴源巖總有機(jī)碳數(shù)據(jù)點(diǎn)較少且較為分散。 基于此,本文應(yīng)用前文1.2.1 及1.2.2 所述模型預(yù)測(cè)區(qū)內(nèi)烴源巖的TOC 含量。 將RD 曲線和DT 曲線進(jìn)行疊加,非烴源巖段中RD 曲線和DT 曲線相互平行或者相交處所對(duì)應(yīng)的值為ρ基與DT基。 統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)資料齊全的鉆井的ρ基與DT基值見表1。 基于表1 的數(shù)值,利用1.1 及1.2 中模型預(yù)測(cè)研究區(qū)中二疊統(tǒng)烴源巖TOC 含量,對(duì)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行擬合,得出傳統(tǒng)ΔlogR法與優(yōu)化ΔlogR法的相關(guān)系數(shù)和誤差率(圖3)。 結(jié)果表明,傳統(tǒng)ΔlogR法相關(guān)系數(shù)R2為0.306 4,平均誤差率為42.61% ;優(yōu)化ΔlogR法的相關(guān)系數(shù)R2為0.422 6,平均誤差率為39.21% 。

圖3 傳統(tǒng)Δlog R 法與優(yōu)化Δlog R 法預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.3 Prediction results of traditional Δlog R method and optimized Δlog R method

表1 研究區(qū)內(nèi)鉆井的ρ基、DT基與Ro 值Table 1 ρ基,Ro and DT基value of drilling wells in the study area

3.2 廣義Δlog R 法及其改進(jìn)型預(yù)測(cè)結(jié)果

廣義ΔlogR法目前有3 種,分別為胡慧婷等[10]針對(duì)陸相深層的烴源巖提出的廣義ΔlogR模型、王祥等[12]提出的考慮DEN 的廣義ΔlogR模型和本次提出的考慮SP 的廣義ΔlogR模型。 本次研究基于表1 和TOC 含量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),應(yīng)用SPSS軟件的多元線性擬合功能,建立研究區(qū)內(nèi)3 種廣義ΔlogR法的模型(表2)。

利用上述模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行交會(huì),計(jì)算3 種廣義的廣義ΔlogR模型相關(guān)系數(shù)和平均誤差率(圖4 和表2)。 結(jié)果顯示:考慮SP 的廣義ΔlogR模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.804 2,平均誤差率為15.58% ,應(yīng)用效果最好。

圖4 三種廣義Δlog R 法的模型預(yù)測(cè)結(jié)果分析Fig.4 Model prediction results of three generalized Δlog R methods

表2 三種廣義Δlog R 法的模型、相關(guān)系數(shù)及誤差率Table 2 Models,correlation coefficients and error rates of three generalized Δlog R methods

3.3 多元回歸參數(shù)法預(yù)測(cè)結(jié)果

由TOC 含量與常規(guī)測(cè)井參數(shù)的交會(huì)圖(圖2)可知,研究區(qū)內(nèi)烴源巖TOC 含量與SP、GR 和電阻率之間的相關(guān)性高,因此可以通過SP、GR 和電阻率曲線來預(yù)測(cè)研究區(qū)內(nèi)烴源巖TOC 含量。 利用SPSS 軟件線性擬合功能可得出:

通過計(jì)算,得出該模型的平均誤差率為19.83% (圖5)。

圖5 多元回歸參數(shù)法預(yù)測(cè)結(jié)果分析Fig.5 Prediction results of multiple regression parameter method

3.4 測(cè)井方法對(duì)比與優(yōu)選

前文基于區(qū)內(nèi)鉆井巖芯的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),利用傳統(tǒng)ΔlogR模型、廣義ΔlogR模型、優(yōu)化ΔlogR模型、考慮DEN 的廣義ΔlogR模型、多元回歸參數(shù)法以及考慮自然電位的廣義ΔlogR模型預(yù)測(cè)了研究區(qū)內(nèi)中二疊統(tǒng)桃東溝群烴源巖的TOC 含量。 通過對(duì)比(圖6 和表3)發(fā)現(xiàn):考慮自然電位的廣義ΔlogR模型是預(yù)測(cè)研究區(qū)中二疊統(tǒng)桃東溝群烴源巖TOC含量的最優(yōu)方法。

圖6 南湖1 井桃東溝群烴源巖TOC 含量測(cè)井預(yù)測(cè)剖面Fig.6 TOC logging prediction profile of source rocks of Taodonggou group in Nanhu 1 well

表3 現(xiàn)有預(yù)測(cè)TOC 含量的成熟方法對(duì)比Table 3 Comparison and optimization of existing mature methods for predicting TOC

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過分析研究區(qū)內(nèi)烴源巖的TOC 含量與各測(cè)井參數(shù)的關(guān)系,揭示出研究區(qū)內(nèi)烴源巖與電阻率密度呈弱正相關(guān),與自然電位、自然伽馬和密度呈弱負(fù)相關(guān),與中子相關(guān)性不明顯。

通過對(duì)比傳統(tǒng)ΔlogR模型、廣義ΔlogR模型、優(yōu)化ΔlogR模型、考慮密度的廣義ΔlogR模型、多元回歸參數(shù)法以及考慮自然電位的廣義ΔlogR模型在預(yù)測(cè)區(qū)內(nèi)烴源巖TOC 含量的相關(guān)系數(shù)和平均誤差率,優(yōu)選出考慮自然電位的廣義ΔlogR模型為預(yù)測(cè)研究區(qū)內(nèi)中二疊統(tǒng)桃東溝群烴源巖TOC 含量的最佳方法。

不同地區(qū)、不同類型的烴源巖的測(cè)井響應(yīng)特征不同。 因此,預(yù)測(cè)或評(píng)價(jià)研究區(qū)內(nèi)烴源巖的TOC含量等地化參數(shù)時(shí),應(yīng)先明確研究區(qū)內(nèi)烴源巖的測(cè)井響應(yīng)特征,后采用多方法進(jìn)行橫向?qū)Ρ群蛢?yōu)選,才能精確地預(yù)測(cè)或評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)烴源巖。