王 祥，馬勁風(fēng)，王飛龍，王震亮，陳容濤，閆昕宇

1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，西安 710069；2.二氧化碳捕集與封存技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，西安 710069；3.大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710069；4.中海石油(中國)有限公司 天津分公司 勘探開發(fā)研究院，天津 300452

烴源巖的研究一直以來均是勘探家們關(guān)注的熱點(diǎn)問題，伴隨著勘探程度逐漸加深，如何對烴源巖進(jìn)行較為精細(xì)的刻畫也一直困擾著各位學(xué)者[1-4]。有機(jī)相的概念最早由ROGERS等[5]提出，后來迅速推廣到烴源巖的研究工作中。有機(jī)相是從有機(jī)成因角度研究烴源巖形成環(huán)境、有機(jī)質(zhì)類型、展布特征等的重要分析方法，經(jīng)過多年的發(fā)展，有機(jī)相已成為烴源巖評價的有力工具[6-11]。我國學(xué)者對有機(jī)相的概念、內(nèi)涵和發(fā)展及其在盆地分析中的意義均做了詳細(xì)的論述[8,10]，郝芳等[8]將有機(jī)相定義為：有機(jī)相是具有一定豐度和特定成因類型的有機(jī)質(zhì)的地層單元。前人的工作已證實(shí)有機(jī)相研究需要以地球化學(xué)、沉積學(xué)、層序地層學(xué)等多學(xué)科為基礎(chǔ)進(jìn)行綜合分析[11-14]。因此為了快速針對不同有機(jī)相的烴源巖進(jìn)行分類評價，需要一套操作較為簡易的分類手段，其中總有機(jī)碳含量(TOC)和氫指數(shù)(IH)是有機(jī)相分析必不可少的指標(biāo)之一[5-7,15-17]。趙志剛等[15]根據(jù)大量熱解參數(shù)對二連盆地的烴源巖有機(jī)相進(jìn)行了劃分，并結(jié)合生物標(biāo)志化合物等其他地化參數(shù)對烴源灶進(jìn)行了評價；孫哲等[16]基于有機(jī)相劃分，結(jié)合地震相等研究了渤海灣盆地廟西中南洼烴源巖分布特征；楊海風(fēng)等[17]建立了有機(jī)相和沉積相之間的關(guān)系，進(jìn)而預(yù)測了渤海灣盆地萊州灣凹陷烴源巖的平面展布。

近年來，渤海海域渤中凹陷的油氣勘探取得了重要突破，相繼發(fā)現(xiàn)了以渤中19-6、渤中13-2等為代表的一系列大中型油氣田[18-21]，顯示了渤海海域具有巨大的油氣勘探潛力。但是，由于凹陷深部樣品稀少，缺少地化分析測試數(shù)據(jù)，且烴源巖具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，因而難以針對深部烴源巖展開有機(jī)相的分析和烴源巖平面上的精細(xì)化研究。地球物理測井在TOC含量、可溶烴含量(S1)、裂解烴含量(S2)預(yù)測等方面具有無可替代的作用，是對傳統(tǒng)地球化學(xué)測試的重要補(bǔ)充，其中衍生了ΔlogR系列方法[22-24]、多元線性回歸法[25]、機(jī)器學(xué)習(xí)法[26-31]等預(yù)測方法。ΔlogR方法因其使用過程中需確定基線值而顯得較為繁瑣，且在國內(nèi)非均質(zhì)性較強(qiáng)的陸相地層應(yīng)用效果不佳。有學(xué)者針對其進(jìn)行了諸多改進(jìn)，相繼出現(xiàn)了變系數(shù)ΔlogR方法[23]、廣義ΔlogR方法[32]、優(yōu)化ΔlogR方法[33]等。多元回歸法雖操作簡便，但其針對新數(shù)據(jù)的預(yù)測效果不甚理想，因此以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的方法逐漸成為主流。學(xué)者們針對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法做了一定程度的改進(jìn)，并且與ΔlogR方法進(jìn)行對比，顯示其在預(yù)測TOC、S1、S2等地化參數(shù)方面的巨大優(yōu)勢[27-30]。

前人已針對渤海灣盆地的烴源巖有機(jī)相做了大量的研究工作，但是其主要還是依靠地化數(shù)據(jù)，使得烴源巖的橫向研究較為困難，而且海上鉆井的烴源巖樣品獲取較為困難，難以針對每口井進(jìn)行大量取樣進(jìn)行烴源巖的地化分析測試，因此樣品稀少的研究區(qū)仍需依靠地球物理方法結(jié)合地化分析進(jìn)行預(yù)測[16-17,34-35]。

本文在歸納整理前人方法的基礎(chǔ)上，以渤中凹陷西南部東營組和沙河街組深層烴源巖的巖石熱解、元素分析、干酪根顯微組分、氣相色譜、測井曲線等資料為基礎(chǔ)，在沉積相的約束下，對比ΔlogR系列方法、多元回歸法，優(yōu)選BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測烴源巖TOC含量、S2含量，進(jìn)而計(jì)算得到測井尺度的氫指數(shù)，結(jié)合TOC含量預(yù)測結(jié)果，定量研究各層系烴源巖的有機(jī)相，評價烴源巖的展布規(guī)律和品質(zhì)，以期為渤中凹陷下一步的深層油氣勘探提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

圖1 渤海灣盆地渤中凹陷區(qū)域概況(a)、研究區(qū)位置(b)及地層綜合柱狀圖(c)據(jù)文獻(xiàn)[19，37]修改。

研究區(qū)受大型走滑斷層的影響，長期多走向的活動斷層較多，溝通了烴源巖層與孔店組(E1-2k)、太古界潛山變質(zhì)巖儲層，并與不整合面和砂體組成了復(fù)式的油氣輸導(dǎo)體系，主要發(fā)育了南部的渤中19-6暴露型潛山和北部的渤中13-2覆蓋型潛山，具有良好的油氣聚集和保存能力[36-37]。研究區(qū)部分鉆井缺少烴源巖地化分析測試數(shù)據(jù)，從而加大了對該區(qū)烴源巖精細(xì)研究的難度。

2 有機(jī)相分析

2.1 有機(jī)質(zhì)類型與有機(jī)質(zhì)豐度

圖2 渤海灣盆地渤中凹陷西南部烴源巖干酪根顯微組分(a)、干酪根H/C原子比和O/C原子比(b)、TOC含量(c)和Pr/nC17和Ph/nC18值相關(guān)圖(d)

2.2 有機(jī)相分類

本文采用JONES的有機(jī)相分類方法，其依據(jù)烴源巖中干酪根的無定形含量、AOM熒光強(qiáng)度、浮游生物含量、氫指數(shù)(IH)、干酪根類型、總有機(jī)碳含量等指標(biāo)，將有機(jī)相分為A、AB、B、BC、C、CD、D七種(表1)[6,17]。其中A相IH≥850 mg/g，TOC為5%～20%或更高，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型，形成于缺氧的還原環(huán)境中；AB相IH為650～850 mg/g，B相IH為400～650 mg/g，AB相、B相的TOC為3%～10%或更高，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ—Ⅱ型，形成于缺氧—乏氧環(huán)境；BC相IH為250～400 mg/g，TOC為3%或更高，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ—Ⅲ型，也形成于缺氧—乏氧環(huán)境，水體相較于B相更淺；C相IH為125～250 mg/g，TOC一般小于等于3%，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型，形成于偏氧化環(huán)境中；CD相IH為50～125 mg/g，TOC一般小于0.5%，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ—Ⅳ型，形成于氧化環(huán)境中，D相IH和TOC含量均較低。

表1 有機(jī)相分類

根據(jù)研究區(qū)巖石熱解的S1+S2、TOC、IH的三維交會圖(圖3)，結(jié)合前文中的烴源巖有機(jī)質(zhì)類型、豐度和發(fā)育環(huán)境等參數(shù)(圖2)劃分有機(jī)相。

圖3 渤海灣盆地渤中凹陷西南部烴源巖巖石熱解氫指數(shù)、總有機(jī)碳含量、生烴潛力交會圖

3 TOC和S2的測井預(yù)測

根據(jù)IH、TOC的交會圖僅能定性判斷各層系烴源巖的有機(jī)相類型，難以對其進(jìn)行定量化研究，因此需要通過測井資料建立和有機(jī)質(zhì)豐度參數(shù)(TOC、S2)的關(guān)系，進(jìn)而優(yōu)選對TOC、S2的測井參數(shù)，建立其與測井參數(shù)對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對全井有效烴源巖的TOC和S2進(jìn)行測井尺度的拓展，進(jìn)而轉(zhuǎn)化得到IH曲線[IH=S2/ω(TOC)]，并結(jié)合TOC曲線進(jìn)行有機(jī)相的定量分析。

通過分析發(fā)現(xiàn)，測井參數(shù)聲波時差(DT)、密度(DEN)、深電阻率(RD)、自然伽馬(GR)和TOC、S2具有一定的相關(guān)性(圖4)。根據(jù)前人研究，烴源巖中含有的有機(jī)質(zhì)，會導(dǎo)致聲波時差(DT)增大；且有機(jī)質(zhì)的密度相較于巖石骨架的密度較低，會導(dǎo)致測井密度(DEN)降低；而且，有機(jī)質(zhì)本身屬于電阻率較高的成分，且其中含有的U、Th、K等放射性元素，均會不同程度影響電阻率(RD)和自然伽馬(GR)[25]。

3.1 ΔlogR系列方法

目前TOC預(yù)測的主流方法為ΔlogR系列方法[22-25]。該方法由PASSEY等[22]根據(jù)阿爾奇公式等推導(dǎo)得出，電阻率曲線和孔隙度曲線(一般選取聲波時差)反向疊合后即為ΔlogR。該公式在烴源巖評價方面起到了至關(guān)重要的作用，但是該系列方法需要確定基線值而顯得較為繁瑣，后續(xù)也有許多學(xué)者對該方法進(jìn)行了改進(jìn)[23,25,32-33,38]。其原始公式為：

ΔlogR=lg(R/R基線)+0.02(Δt-Δt基線)

(1)

ω(TOC)=ΔlogR×102.297-0.168 8LOM

(2)

因上述方法未考慮陸相深層烴源巖自然伽馬(GR)與密度(DEN)測井曲線與有機(jī)質(zhì)豐度良好的相關(guān)性，因此建立模型時，可引入GR和DEN，得到廣義ΔlogR方法[24,32]：

ΔlogR=lg(R/R基線)+0.02(Δt-Δt基線)

(3)

ω(TOC)=ΔlogR×(a+bDEN+clgGR)+d

(4)

式中：R基線、Δt基線分別為深電阻率曲線和聲波時差曲線在非烴源巖的值，R、Δt分別為深電阻率和聲波時差測井曲線的讀值，LOM為熱成熟度參數(shù)，可根據(jù)鏡質(zhì)體反射率(Ro)獲得；a、b、c為擬合系數(shù)，d為常數(shù)。

3.2 多元線性回歸法

優(yōu)選與研究區(qū)TOC相關(guān)系數(shù)最高的測井參數(shù)(圖4)——聲波時差(DT)、密度(DEN)、深電阻率(RD)、自然伽馬(GR)，以上述測井參數(shù)為自變量，實(shí)測TOC為因變量，建立多元回歸模型：

圖4 渤海灣盆地渤中凹陷西南部烴源巖測井參數(shù)與TOC、S2交會圖

ω(TOC)=mDT+nDEN+pRD+qGR+k

(5)

式中：m、n、p、q為擬合系數(shù)，k為常數(shù)。

3.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是一種多層前向傳遞網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)據(jù)預(yù)測方面的應(yīng)用極為廣泛，可以有效針對工程計(jì)算中的非線性問題進(jìn)行預(yù)測、分類等；主要結(jié)構(gòu)包括輸入層、隱含層和輸出層(圖5)，其算法本質(zhì)為梯度下降法，經(jīng)過多次的訓(xùn)練，各個神經(jīng)元之間進(jìn)行正向與反向傳播，把誤差信息傳遞給上一層神經(jīng)元，進(jìn)而調(diào)整權(quán)值和閾值，使得訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的期望輸出和實(shí)際輸出誤差最小[39]?？赏ㄟ^調(diào)整隱含層的數(shù)量和隱含層神經(jīng)元(節(jié)點(diǎn))數(shù)量，提高網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的效果。已有研究表明，當(dāng)原始數(shù)據(jù)為非線性分離時才需要隱含層，單隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以有效逼近任意連續(xù)函數(shù)[39]。為了簡化運(yùn)算步驟，提高預(yù)測的效率，本文采用單隱含層的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

圖5 三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測TOC、S2原理

3.4 模型的對比優(yōu)選和應(yīng)用

根據(jù)各沉積相模型的判定系數(shù)R2對比(表2)可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)ΔlogR法各沉積相的模型判定系數(shù)R2主體介于0.22～0.78之間；廣義ΔlogR法和多元回歸法各沉積相的模型判定系數(shù)R2差異不大，主體介于0.32～0.82之間，但都高于傳統(tǒng)ΔlogR法；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法各沉積相的模型判定系數(shù)R2在0.80以上，相比于前三種方法優(yōu)勢明顯。

表2 渤海灣盆地渤中凹陷西南部各TOC預(yù)測方法判定系數(shù)R2對比

由圖6可以看出，傳統(tǒng)ΔlogR法、廣義ΔlogR法、多元回歸法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法判定系數(shù)R2分別為0.798 7，0.852 1，0.843 6，0.918 0，平均相對誤差分別為26.46%，21.69%，21.88%，12.79%。由此可見，廣義ΔlogR法相比于傳統(tǒng)ΔlogR法精度有了顯著提高，且略高于多元回歸法，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的判定系數(shù)R2和平均相對誤差遠(yuǎn)優(yōu)于其他三種方法。

圖6 四種方法預(yù)測TOC判定系數(shù)R2、平均相對誤差分析

因此，S2的預(yù)測也相應(yīng)采取BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。以Q3井為例，可以看出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對TOC和S2取得了較好的預(yù)測效果(圖7)，計(jì)算得到的IH預(yù)測曲線與實(shí)測值的吻合度也較高。

圖7 渤海灣盆地渤中凹陷西南部Q3井TOC、S2、IH預(yù)測與實(shí)測綜合地球化學(xué)剖面

4 有機(jī)相平面預(yù)測及分析

得到單井的IH預(yù)測曲線后，每口井按照表1和圖3的有機(jī)相分類標(biāo)準(zhǔn)，分層篩選泥巖的各有機(jī)相測井尺度的厚度，進(jìn)而繪制各烴源巖層的有機(jī)相分布圖(圖8)。

E3d3沉積時期，渤中凹陷斷裂活動加劇，沉積速率增加，湖盆范圍達(dá)到最大，沉積了渤中凹陷一套厚層的優(yōu)質(zhì)烴源巖。研究區(qū)北部主要發(fā)育半深湖—深湖、南部主要為濱淺湖沉積，烴源巖有機(jī)相主要為B相和BC相；西北部Y1、Y2、Y3、Q10、Q11井區(qū)烴源巖廣泛發(fā)育，中南部Q2、Q3、Q4、Q12、Q13、P1井區(qū)烴源巖發(fā)育局限，與沉積相圖吻合(圖8)。

E2s1+2沉積時期，渤中凹陷重新發(fā)生沉降，廣泛發(fā)育濱淺湖沉積，水體較淺，烴源巖有機(jī)相主要為B相和BC相；研究區(qū)北部、東部B、BC相烴源巖發(fā)育廣泛，西部烴源巖發(fā)育局限(圖8)。

E2s3沉積時期，渤中凹陷發(fā)育了大量斷裂，形成了多個沉積中心；研究區(qū)主要發(fā)育半深湖—深湖、湖底扇沉積，E2s3烴源巖是研究區(qū)的主力烴源巖，烴源巖有機(jī)相主要為B相和BC相。研究區(qū)中南部Q3、Q6井區(qū)烴源巖廣泛發(fā)育；北部、東北部Y1、Q1井區(qū)烴源巖發(fā)育局限，與沉積相圖較為吻合(圖8)。

5 結(jié)論

(2)研究區(qū)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測總有機(jī)碳含量的判定系數(shù)R2相比ΔlogR系列方法、多元回歸法更高，為0.918 0，平均相對誤差最小，為12.79%；通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測總有機(jī)碳含量和裂解烴含量，間接獲得的氫指數(shù)預(yù)測結(jié)果精度較高。