基于不同巖性的總有機碳分段預(yù)測方法
——以東營凹陷始新統(tǒng)沙河街組三段下亞段為例

趙琳潔，陸建林，王保華，李 浩，宋振響，張彥霞

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126)

隨著陸相頁巖油氣勘探實踐的逐步深入，頁巖油氣選層選段需要依據(jù)更加精細的地質(zhì)評價參數(shù)?？傆袡C碳含量(TOC)是頁巖油評價的重要指標之一，合理預(yù)測TOC含量是評價頁巖有機質(zhì)豐度和生烴能力的關(guān)鍵[1-3]。傳統(tǒng)的TOC獲取方法主要依據(jù)實測數(shù)據(jù)進行分析，該方法易受樣品數(shù)量以及取心井的限制，難以獲取連續(xù)的TOC測定值。目前對泥頁巖TOC預(yù)測多基于測井數(shù)據(jù)(聲波、密度、電阻率等)、運用ΔlogR、神經(jīng)網(wǎng)格或者多元回歸方法進行預(yù)測[4-7]，可以較好地彌補當實驗分析數(shù)據(jù)不足時難以表征烴源巖有機質(zhì)分布特征的情況。

學者們對ΔlogR法和密度測井預(yù)測TOC等方法進行了改進，例如將聲波時差和電阻率參數(shù)進行歸一化處理，消除因測井儀器不同等因素造成的誤差[8]。但在實際處理過程中發(fā)現(xiàn)存在以下問題：(1)基線的確定存在一定的人為因素，正確利用基線來區(qū)分非烴源巖和具有排烴能力的烴源巖較為困難；(2)泥頁巖礦物特征近似，測井響應(yīng)特征差異性較小，測井曲線不能較真實地反映有機碳含量信息[9]；(3)單一TOC預(yù)測方法導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果與實際值之間存在較大的差異。本文基于前人認識，結(jié)合測井、實驗測試等方法，在合理分析預(yù)測泥頁巖巖性的基礎(chǔ)上，建立了不同巖性的TOC分段預(yù)測方法，以期為頁巖油資源評價及區(qū)帶目標優(yōu)選提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

渤海灣盆地東營凹陷屬于典型的斷陷盆地，是我國東部富油凹陷之一，整體上表現(xiàn)出“北斷南超、北深南淺”的箕狀結(jié)構(gòu)[10]。東營凹陷始新統(tǒng)沙河街組三段下亞段沉積時期盆地迅速裂陷，形成欠補償?shù)姆忾]湖盆[11-12]，受到氣候因素的影響，湖水波動頻繁，水體隨之收縮和擴張，沉積了一套垂向上巖性頻繁變化、平面上呈環(huán)帶狀分布的泥頁巖[13-14]。湖盆邊緣多沉積塊狀泥巖或含灰質(zhì)泥巖，湖盆中心多沉積層狀—紋層狀灰質(zhì)泥巖(圖1)[15]。烴源巖多集中在沙四上亞段和沙三下亞段[16-18]，主要巖性為灰質(zhì)泥巖和泥質(zhì)灰?guī)r，礦物組成上以黏土礦物、碳酸鹽和陸源碎屑(長石和石英)為主(圖2)。泥頁巖的非均質(zhì)性也表現(xiàn)在垂向及平面分布上，其影響著巖性及TOC預(yù)測的準確度。

圖1 渤海灣盆地東營凹陷始新統(tǒng)沙河街組三段下亞段細粒沉積巖巖相分布 據(jù)參考文獻[15]。

圖2 渤海灣盆地東營凹陷始新統(tǒng) 沙河街組三段下亞段巖性三角圖

2 泥頁巖層系不同巖性測井響應(yīng)特征

東營凹陷泥頁巖巖性主要成分為黏土、碳酸鹽以及粉砂(包括石英和長石)，以泥頁巖的三種主要成分作為三端元，按三端元劃分原則[19-20]，將其劃分為粉砂巖、碳酸鹽巖(灰?guī)r)、黏土巖以及混合細粒巖(圖2)。

通過對不同巖性的測井響應(yīng)特征分析，不同巖性在測井上的響應(yīng)特征存在差異，這為巖性預(yù)測提供了依據(jù)。其中，粉砂巖具有相對低GR(自然伽馬)、低AC(聲波時差)、低NPHI(中子孔隙度)的測井響應(yīng)特征；黏土巖具有相對高GR、高AC、高NPHI的測井響應(yīng)特征；碳酸鹽巖(灰?guī)r)具有相對低GR、中AC、低NPHI的測井響應(yīng)特征；混合細粒巖具有相對中GR、中AC、中NPHI的測井響應(yīng)特征(表1)。

表1 渤海灣盆地東營凹陷不同巖性的測井響應(yīng)特征

3 基于不同巖性的TOC分段預(yù)測

3.1 原理與技術(shù)流程

TOC預(yù)測目前主要有兩種方法:一種是基于已有的巖心實測樣品數(shù)據(jù)，建立TOC縱向分布剖面，對目的層段進行TOC估算；另一種是基于測井數(shù)據(jù)(聲波、密度、電阻率)預(yù)測方法進行預(yù)測[21-22]，如ΔlogR法和密度測井法。

由于頻繁震蕩的水體環(huán)境導(dǎo)致泥頁巖巖性、礦物成分差異大，因此現(xiàn)有預(yù)測方法對湖相非均質(zhì)性較強的泥頁巖層預(yù)測效果較差。對于不同巖性、不同級別TOC僅采用統(tǒng)一的預(yù)測模型及參數(shù)預(yù)測存在較大誤差。為合理預(yù)測TOC，在預(yù)測巖性的基礎(chǔ)上，對不同巖性段選用不同的TOC預(yù)測公式進行TOC預(yù)測。

3.1.1 巖性預(yù)測

首先，結(jié)合X衍射測試分析數(shù)據(jù)，依據(jù)不同巖性的測井響應(yīng)特征，優(yōu)選GR、AC、NPHI、DEN等測井曲線進行測井相識別，劃分出粉砂巖(Ⅰ)、黏土巖(Ⅱ)、碳酸鹽巖(灰?guī)r)(Ⅲ)及混合細粒巖(Ⅳ)等四種基本巖性。預(yù)測結(jié)果表明，東營凹陷沙三下亞段主要發(fā)育碳酸鹽巖和混合細粒巖兩種巖性，粉砂巖和黏土巖較少(圖3)。

圖3 渤海灣盆地東營凹陷始新統(tǒng)沙河街組三段下亞段預(yù)測巖性三角圖

3.1.2 TOC分段預(yù)測

針對研究區(qū)不同泥頁巖巖性，結(jié)合礦物成分、測井以及TOC測試分析數(shù)據(jù)，選用不同的TOC測井預(yù)測模型及相關(guān)參數(shù)進行對比分析。

混合細粒巖及灰?guī)r的測井響應(yīng)特征相似，對比發(fā)現(xiàn)采用密度曲線法預(yù)測的結(jié)果(圖4a,c)要好于ΔlogR法(圖4b,d)，因此優(yōu)選密度曲線法進行TOC預(yù)測。黏土巖具有相對明顯的測井響應(yīng)特征，GR曲線相對較高，黏土巖實測TOC含量與密度曲線和聲波時差曲線存在較為明顯的線性關(guān)系(圖5)，利用多元回歸方法進行TOC含量預(yù)測。粉砂巖具有低GR、低AC、低NPHI的測井響應(yīng)特征，易確定基線的位置，可運用ΔlogR法進行TOC預(yù)測。

圖4 渤海灣盆地東營凹陷始新統(tǒng)沙河街組三段下亞段主要巖性不同方法TOC的預(yù)測值與實測值交會圖

圖5 渤海灣盆地東營凹陷始新統(tǒng)沙河街組三段下亞段黏土巖中AC、DEN曲線與TOC實測值交會圖

通過對比研究，建立了不同巖性段選用不同的TOC預(yù)測方法的基本公式，形成了不同巖性的分段TOC預(yù)測方法(表2)。其中，混合細粒巖和灰?guī)r成熟度指數(shù)；a1、a2、a4、b4、c4為斜率；b1、b2、c3、d4為截距。

表2 渤海灣盆地東營凹陷始新統(tǒng)沙河街組三段下亞段不同巖性TOC預(yù)測模型

運用密度曲線方法預(yù)測TOC含量；粉砂巖運用ΔlogR法預(yù)測TOC含量；黏土巖運用多元回歸法預(yù)測TOC含量。

3.2 預(yù)測結(jié)果對比驗證

為驗證分段TOC預(yù)測方法的適用性及合理性，對三種不同TOC預(yù)測方法進行對比分析，即不同巖性的TOC分段預(yù)測方法、密度測井法和ΔlogR預(yù)測法。結(jié)果表明，運用分段預(yù)測TOC方法得到的預(yù)測值與實測值之間的相關(guān)系數(shù)約為0.84，高于密度曲線法和ΔlogR法(圖6)，說明該方法在本研究區(qū)具有較好的適用性。

圖6 渤海灣盆地東營凹陷始新統(tǒng)沙河街組三段下亞段不同預(yù)測方法預(yù)測TOC與實際值交會圖

TOC含量自下而上呈現(xiàn)從高到低的變化規(guī)律，其中高豐度段主要集中在沙三下亞段中下部(3 160～3 232 m)，厚度約72 m。該段預(yù)測TOC含量為0.88%～7.04%，中位值為2.51%，而實測TOC含量為1.09%～8.83%，中位值為2.64%，二者數(shù)據(jù)較為吻合。對比發(fā)現(xiàn)，預(yù)測得到的TOC高豐度段與目前東營凹陷的勘探主力層系較為一致。

利用該預(yù)測方法實現(xiàn)了對Fy1井沙三下亞段泥頁巖的巖性及TOC含量預(yù)測(圖7)。對比巖性預(yù)測結(jié)果與實際錄井數(shù)據(jù)，可見該方法可對薄層進行預(yù)測，提高了巖性的預(yù)測精度。Fy1井沙三下亞段主要發(fā)育混合細粒巖與灰?guī)r，其中，下半部巖性以灰?guī)r為主夾薄層混合細粒巖，上半部巖性以混合細粒巖為主夾薄層灰?guī)r；灰?guī)r自下而上單層厚度變薄，含量較低，指示水體加深，陸源物質(zhì)輸入增強，間接指示沙三下亞段為半深水—深水的沉積環(huán)境。

圖7 渤海灣盆地東營凹陷Fy1井始新統(tǒng)沙河街組三段下亞段柱狀圖

4 結(jié)論

(1)東營凹陷沙三下亞段是頁巖油勘探的重要層系，發(fā)育粉砂巖、黏土巖、灰?guī)r及混合細粒巖，以灰?guī)r和混合細粒巖為主；不同巖相具有不同的測井響應(yīng)特征。

(2)建立了針對東營凹陷沙三下亞段不同巖性的TOC預(yù)測方法，并開展了應(yīng)用研究。黏土巖采用多元回歸法預(yù)測TOC含量，粉砂巖采用ΔlogR法預(yù)測TOC含量。對于混合細粒巖及灰?guī)r，TOC含量預(yù)測采用密度曲線法預(yù)測效果較好。

(3)該方法克服了測試實驗周期長、成本高、取樣難等難題，同時提高了巖性及TOC的預(yù)測精度，為頁巖油資源評價、“甜點”預(yù)測及目標優(yōu)選提供了重要依據(jù)。