劉志斌 牛 聰 劉 方

(中海油研究總院 北京 100028)

基于地震反演的烴源巖定量評(píng)價(jià)方法
——以渤海灣盆地遼西凹陷為例

劉志斌 牛 聰 劉 方

(中海油研究總院 北京 100028)

劉志斌,牛聰,劉方.基于地震反演的烴源巖定量評(píng)價(jià)方法——以渤海灣盆地遼西凹陷為例[J].中國(guó)海上油氣，2016,28(5)：16-21.

Liu Zhibin,Niu Cong,Liu Fang.A method to quantitatively evaluate source rocks based on seismic inversion: a case study of Liaoxi sag in Bohai Bay basin[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(5):16-21.

綜合地化、測(cè)井、盆地模擬等方法，提出了一套基于地震反演的生烴凹陷烴源巖定量評(píng)價(jià)方法。首先通過Passey經(jīng)驗(yàn)公式法擬合獲取單井有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)；再通過交會(huì)分析研究地球物理參數(shù)對(duì)有機(jī)碳含量的敏感度，優(yōu)選出敏感度最強(qiáng)的參數(shù)為縱波阻抗，并建立兩者的擬合關(guān)系式，在地震反演數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)體；然后參考烴源巖等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，提取目的層段優(yōu)質(zhì)烴源巖的分布面積和地層厚度；最后估算出研究區(qū)總生烴量。本文方法在渤海灣盆地遼西凹陷取得了良好的應(yīng)用效果，達(dá)到了定量描述烴源巖的目的，從而為該地區(qū)生烴凹陷評(píng)價(jià)及勘探區(qū)塊選擇提供了參考依據(jù)。

地震反演；生烴凹陷；烴源巖；定量評(píng)價(jià)；遼西凹陷

烴源巖評(píng)價(jià)是生烴凹陷評(píng)價(jià)、區(qū)塊評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，評(píng)價(jià)參數(shù)包括烴源巖規(guī)模、烴源巖質(zhì)量(有機(jī)碳含量(TOC)、有機(jī)質(zhì)類型、氯仿瀝青“A”含量、總烴含量等)、生排烴量等，其中烴源巖發(fā)育規(guī)模、有機(jī)碳含量和生排烴量是評(píng)價(jià)凹陷生成油氣潛力的重要指標(biāo)[1]。因此，識(shí)別烴源巖、刻畫烴源巖的空間分布以及評(píng)價(jià)烴源巖質(zhì)量是油氣勘探需要關(guān)注的重要問題。

在過去的研究中，地球化學(xué)分析方法只有在具備巖樣和巖屑資料樣品的情況下才能進(jìn)行應(yīng)用，并且該方法受樣品數(shù)量和取樣間隔的限制，研究成果往往會(huì)出現(xiàn)以偏概全的現(xiàn)象[2-3]。近年來，一些專家學(xué)者逐步開展了基于地球物理方法的烴源巖評(píng)價(jià)研究，并取得了一定進(jìn)展。袁東山、朱振宇 等[4-5]基于測(cè)井資料識(shí)別，計(jì)算了烴源巖層地化參數(shù)，彌補(bǔ)了巖樣地化分析樣品少的缺陷。王鵬、劉震、趙勝 等[6-8]基于地震資料速度譜解釋了泥巖厚度，預(yù)測(cè)了鏡質(zhì)體反射率，為勘探程度較低的盆地早期評(píng)價(jià)提供了較便捷的方法。劉軍、母國(guó)妍 等[9-10]開展了烴源巖定量評(píng)價(jià)應(yīng)用研究，并取得了相應(yīng)的效果。但是，上述研究成果目前在如何使用地球物理方法對(duì)烴源巖的發(fā)育規(guī)模、豐度等級(jí)和生烴潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)方面仍比較欠缺。

本文綜合地化、測(cè)井、盆地模擬等方法，提出了一套基于地震反演的生烴凹陷烴源巖評(píng)價(jià)方法，并在渤海灣盆地遼西凹陷進(jìn)行了成功應(yīng)用，刻畫了研究區(qū)沙河街組沙三段中下亞段優(yōu)質(zhì)烴源巖的空間展布，進(jìn)而估算了生烴量，達(dá)到了定量描述烴源巖的目的。

1 研究區(qū)概況

遼西凹陷位于渤海東北部海域，北部與遼河西部凹陷相連，東部是遼西低凸起，總體為北東—南西向展布，由北、中、南等3個(gè)洼陷組成。近年來在凹陷內(nèi)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)大中型油氣田，充分說明了遼西凹陷具有良好的勘探前景。遼西凹陷目前已有13口井鉆遇沙三段，前人研究表明沙三段烴源巖埋深大，目前處于成熟階段，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ1型，有較高含量的浮游藻類和有機(jī)屑含量，腐泥組和殼質(zhì)組含量普遍大于80%，是凹陷的主力烴源巖層段[11-13]。但是，由于遼西凹陷周邊發(fā)育秦皇島、綏中、興城等水系，屬近源快速沉積，不同學(xué)者對(duì)該凹陷沙三段烴源巖的發(fā)育規(guī)模及質(zhì)量認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一，制約著對(duì)該凹陷資源潛力的進(jìn)一步評(píng)價(jià)[14]。因此，遼西凹陷沙三段優(yōu)質(zhì)烴源巖的識(shí)別與評(píng)價(jià)是該凹陷油氣勘探面臨的首要問題。

研究區(qū)位于遼西低凸起西部及遼西凹陷北洼(圖1)，為三維地震覆蓋區(qū)，地震資料品質(zhì)較好，沙三段具有地化取心數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)縱橫波速度、密度資料，高品質(zhì)三維地震數(shù)據(jù)和井?dāng)?shù)據(jù)為利用地球物理技術(shù)開展烴源巖評(píng)價(jià)提供了有利條件。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造區(qū)劃圖

2 方法流程

基于地震反演的烴源巖定量評(píng)價(jià)方法，其關(guān)鍵技術(shù)是建立地化參數(shù)與地球物理參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而得到地化參數(shù)數(shù)據(jù)體，進(jìn)而達(dá)到定量描述烴源巖的目的，具體流程(圖2)包括：

1) 單井TOC數(shù)據(jù)求取。利用測(cè)井解釋方法擬合地化采樣點(diǎn)得到單井TOC數(shù)據(jù)。

2)TOC擬合公式建立。通過交會(huì)分析研究各地球物理參數(shù)對(duì)TOC的敏感度，優(yōu)選出敏感度最強(qiáng)的參數(shù)，并建立二者的擬合關(guān)系式，在疊前反演數(shù)據(jù)體的基礎(chǔ)上計(jì)算出TOC數(shù)據(jù)體。

3) 優(yōu)質(zhì)烴源巖面積和厚度預(yù)測(cè)。參考烴源巖等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，在TOC數(shù)據(jù)體上提取目的層段TOC≥2%的優(yōu)質(zhì)烴源巖分布面積和地層厚度。

4) 生烴量估算。將得到的各參數(shù)代入業(yè)內(nèi)常用公式，估算出研究區(qū)的總生烴量。

需要指出的是，不同凹陷的地質(zhì)和地球物理特征差別很大，需要根據(jù)各凹陷特征選用不同的參數(shù)和反演方法，或根據(jù)同一凹陷不同深度烴源巖的特征選用不同的方法。該方法評(píng)估結(jié)果的可靠性與研究區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)、地震、測(cè)井、取心、控制井?dāng)?shù)和巖石物理規(guī)律等資料品質(zhì)有關(guān)，敏感參數(shù)識(shí)別TOC能力越強(qiáng)、井控?cái)?shù)量越多、地震資料品質(zhì)越好，則應(yīng)用效果越好。

圖2 烴源巖定量評(píng)價(jià)流程圖

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 單井TOC數(shù)據(jù)求取

烴源巖層內(nèi)有機(jī)碳和充填的孔隙流體具有不同的物理性質(zhì)，一般情況下烴源巖層的測(cè)井曲線主要表現(xiàn)為高自然伽馬、高聲波時(shí)差和高電阻率[15-16]。研究區(qū)有鉆井在沙三段中亞段鉆遇了大套優(yōu)質(zhì)成熟烴源巖(TOC>3.0%)，這套優(yōu)質(zhì)烴源巖(2 975～3 050 m)的測(cè)井響應(yīng)表現(xiàn)出典型的“三高一低”特征,即高伽馬(90～135 gAPI)、高聲波時(shí)差(100～120 μs/ft)、高電阻率(7～18 ohm·m)和低密度(2.33～2.43 g/cm3)。而該井在沙三段上亞段鉆遇了大套純泥巖(有機(jī)碳含量平均值遠(yuǎn)小于1.0%)，這套純泥巖(2 650～2 725 m)的測(cè)井響應(yīng)表現(xiàn)為“三低一高”的非成熟烴源巖特征，即低伽馬(75～90 gAPI)、低聲波時(shí)差(80～95 μs/ft)、低電阻率(1～3 ohm·m)和高密度(2.41～2.53 g/cm3)。這說明不同豐度烴源巖的測(cè)井響應(yīng)特征不同，這為利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)評(píng)價(jià)烴源巖品質(zhì)提供了依據(jù)。研究表明，利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)求取單井TOC的方法較多，有交會(huì)圖識(shí)別法、聲波-電阻率重疊法和單一曲線識(shí)別法等，本文根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況選擇了聲波-電阻率重疊法，即Passey經(jīng)驗(yàn)公式法

TOC=(ΔlgR)10a

(1)

其中

ΔlgR=lg(R/R基線)+0.02(Δt-Δt基線)

(2)

a=2.297-0.168 8LOM

(3)

式(1)～(3)中:ΔlgR是聲波-電阻率曲線幅度差；R為電阻率；Δt為聲波時(shí)差；LOM是表示有機(jī)質(zhì)成熟度的熱變指數(shù)。通過微調(diào)電阻率基線R基線與聲波時(shí)差基線Δt基線的取值，可使有機(jī)碳含量的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值一致性更好。統(tǒng)計(jì)分析表明，研究區(qū)沙河街組電阻率基線取值在2.5 ohm·m左右，聲波時(shí)差基線取值在92 μs/ft左右，LOM取8時(shí)可使計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差相對(duì)最小。

圖3為研究區(qū)A井有機(jī)碳含量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，兩者吻合度較高，趨勢(shì)一致，且誤差較小，說明通過烴源巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)與測(cè)井解釋的結(jié)合可計(jì)算出連續(xù)分布的烴源巖TOC數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了鉆井資料中TOC數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)少、在剖面上連續(xù)性差的缺點(diǎn)。

圖3 研究區(qū)A井Passey模型預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)TOC值對(duì)比

3.2TOC擬合公式建立

通過交會(huì)分析確定巖石物理參數(shù)對(duì)有機(jī)碳含量敏感度。圖4為研究區(qū)A-1井烴源巖層各地球物理屬性與有機(jī)碳含量的交會(huì)圖，可見烴源巖有機(jī)碳含量對(duì)縱波阻抗(PI)、泊松比(σ)、密度(ρ)和縱橫波速度比(vp/vs)等參數(shù)都有響應(yīng)，但敏感程度不同。基于誤差最小和相關(guān)性最大的原則，在目的層段分別運(yùn)用線性回歸模型對(duì)各參數(shù)的敏感程度進(jìn)行判別，結(jié)果如表1所示，可見縱波阻抗擬合有機(jī)碳含量的線性方程具有最大的相關(guān)系數(shù)(0.75)和最小的誤差(1.51)，由此確定研究區(qū)沙三段中下亞段有機(jī)碳含量對(duì)縱波阻抗的敏感度最強(qiáng)。

圖4 研究區(qū)A-1井沙三段中下亞段有機(jī)碳含量敏感參數(shù)分析

表1 研究區(qū)A-1井沙三段中下亞段有機(jī)碳含量-敏感參數(shù)擬合分析

Table 1 Fitting analysis ofTOC-sensitive parameters

地球物理參數(shù)回歸方程相關(guān)系數(shù)誤差ρTOC=-6 65ρ+190 232 24σTOC=-100σ+330 084 88PITOC=-0 0016PI+150 751 51vp/vsTOC=-11(vp/vs)+250 064 07

基于研究區(qū)反演縱波阻抗數(shù)據(jù)體，再利用擬合公式得到TOC數(shù)據(jù)體。圖5為研究區(qū)過A-1井的有機(jī)碳含量剖面圖，其中A-2井為預(yù)測(cè)井。由圖5可以看出，A-2井處的反演結(jié)果與實(shí)鉆結(jié)果吻合度高。同時(shí)，圖5顯示研究區(qū)沙三段中下亞段整體發(fā)育一套有機(jī)碳含量較高的烴源巖，從洼陷邊緣到深部，烴源巖厚度在逐漸增大，反映出洼陷深部?jī)?yōu)質(zhì)烴源巖更為發(fā)育。

圖5 研究區(qū)沙三段中下亞段TOC數(shù)據(jù)體剖面

圖6為基于上述方法得到的研究區(qū)沙三段中下亞段有機(jī)碳含量平面分布圖，可以看出，凹陷邊緣地層有機(jī)碳含量逐漸變低，因此烴源巖質(zhì)量也逐漸變差，這與沉積相研究結(jié)果相吻合。

圖6 研究區(qū)沙三段中下亞段TOC數(shù)據(jù)體平面圖

3.3 優(yōu)質(zhì)烴源巖面積和厚度預(yù)測(cè)

參考中國(guó)近海湖相生烴凹陷烴源巖評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[17],將研究區(qū)烴源巖劃分為3個(gè)等級(jí)：優(yōu)質(zhì)烴源巖(2%≤TOC)、中等烴源巖(1%≤TOC<2%)和差烴源巖(0

圖7 研究區(qū)沙三段中下亞段烴源巖分級(jí)平面圖

圖8 研究區(qū)沙三段中下亞段優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度預(yù)測(cè)圖

表2 研究區(qū)沙三段中下亞段烴源巖預(yù)測(cè)厚度與鉆井結(jié)果對(duì)比

Table 2 Comparison of predicted thickness of source rocks

井名預(yù)測(cè)等級(jí)預(yù)測(cè)厚度/m鉆井實(shí)測(cè)厚度/m相對(duì)誤差/%A?1(反演井)優(yōu)2572483 6A?2(驗(yàn)證井)優(yōu)266289-8 0A?3(驗(yàn)證井)優(yōu)3633406 8

3.4 生烴量估算

結(jié)合行業(yè)內(nèi)石油天然氣資源量計(jì)算方法和研究區(qū)的勘探實(shí)際，確定該區(qū)烴源巖生烴量計(jì)算公式為

Q=H×S×ρ×IH×TOC

(4)

式(4)中：Q為計(jì)算總生烴量，億t；H為烴源巖層厚度，m；S為烴源巖分布面積，km2；ρ為烴源巖密度，g/cm3；IH為氫指數(shù)，mg/g；TOC為有機(jī)碳含量，%。綜合該區(qū)地化和盆模分析參數(shù)，ρ取2.3 g/cm3，IH取450 mg/g，由式(4)可估算出研究區(qū)內(nèi)生烴量為43億t。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用本文提出的基于地震反演的生烴凹陷烴源巖定量評(píng)價(jià)方法對(duì)渤海灣盆地遼西凹陷研究區(qū)內(nèi)沙三段中下亞段優(yōu)質(zhì)烴源巖的厚度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，對(duì)其空間分布及橫向變化規(guī)律進(jìn)行了刻畫，并結(jié)合地化和盆模分析參數(shù)成功估算了生烴量，達(dá)到了定量描述烴源巖的目的，從而為該地區(qū)生烴凹陷評(píng)價(jià)及勘探區(qū)塊選擇提供了參考依據(jù)。

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(編輯：馮 娜)

A method to quantitatively evaluate source rocks based on seismic inversion: a case study of Liaoxi sag in Bohai Bay basin

Liu Zhibin Niu Cong Liu Fang

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

A quantitative evaluation method of hydrocarbon source rocks based on the seismic inversion is proposed by comprehensively integrating geochemistry, logging and basin modeling. Firstly, theTOClog curve is fitted with Passey formula; secondly, impedance, the most sensitive parameter which can identifyTOC, is found with the application of petrophysical analysis; and then through the fitting relationship between impedance andTOC,TOCvolume is obtained based on seismic inversion; finally, according to the classification criteria of different source rocks, the distribution area and thickness of high-quality hydrocarbon source rocks are extracted, and the total amount of hydrocarbon generation in the study area is estimated. Research result shows that the method has obtained a good application effect in Liaoxi sag, achieving the purpose of quantitative description of source rocks. The proposed method can provide a reference to assess resources and guide exploration in the research area.

seismic inversion; hydrocarbon generation sag; source rocks; quantitative evaluation; Liaoxi sag

劉志斌，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，2008年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所固體地球物理專業(yè)，獲博士學(xué)位，主要從事地球物理方法研究與勘探項(xiàng)目管理工作。地址：北京市朝陽(yáng)區(qū)太陽(yáng)宮南街6號(hào)院(郵編：100028)。E-mail:liuzhb@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)05-0016-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.05.003

TE132.1

A

2016-01-07 改回日期：2016-03-05