利用測井信息評價鹽湖相烴源巖①

高 陽

(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司地質科學研究院 山東東營 257015)

0 引言

有機碳含量(TOC)是烴源巖評價和油氣資源評價的重要指標，但由于測試樣品數量有限，實驗所得有機碳在地質剖面上往往是不連續的［1］。而且受沉積相帶、古生產力、古環境等因素影響，烴源巖性質具有明顯非均質性，烴源巖中有機質含量變化很大［2］，只通過烴源巖厚度和平均有機碳含量的傳統方法評價烴源巖往往忽視了高峰度烴源巖層的貢獻，特別是在缺少取芯資料的地區，傳統地球化學方法受到嚴重制約。基于實測有機碳和巖石熱解數據，可以建立烴源巖性質與測井信息之間的關系，進而利用測井資料評價烴源巖有機碳含量，就可獲得縱向上連續分布的有機碳數據，為烴源巖評價提供可靠資料［3］。

近年來，國內外學者都在探索利用測井資料評價烴源巖的方法。1981年，Schmoker就指出Appalachian二疊系頁巖有機碳含量與自然伽馬存在相關關系［4］，Meyer和Nederlof1984年進一步提出可以采用電阻率、密度和聲波時差綜合評價烴源巖優劣［5］，Muller1987年又增加了伽馬能譜評價烴源巖［6］。1988年，由EXXON/ESSO石油公司總結前人成果，提出了ΔlogR模型［7］，即將算數坐標下的聲波時差和對數坐標下的電阻率曲線疊合，通過確定基線位置，求取ΔlogR分布(式1)，進而建立有機碳含量定量關系式(式2)。

式中，ΔlogR為兩條曲線間距離;R為實測電阻率，Ω·m;R基線為基線對應電阻率，Ω·m;Δt為實測聲波時差，μs/ft;K 為疊合系數，取值0.02;Δt基線為基線對應聲波時差。

式中，TOC為有機碳含量，%;LOM為有機質成熟度，ΔTOC為有機碳地區校正值。

目前國內外學者采用的烴源巖測井評價方法大都基于 ΔlogR 模型，如張志偉［8］、許曉宏［9］、湯麗娜［10］、石強［11］、朱光有［12］等，其中胡慧婷等 2011年通過逐步回歸法改進ΔlogR模型，對海拉爾和松遼盆地烴源巖的有機碳含量進行評價［13］。另外，用自然伽馬能譜也能計算有機碳及巖石熱解生烴潛量［14］。

由于不同巖性烴源巖的測井響應特征有很大差異，如炭質泥巖和油頁巖測井響應特征相差很大，且地下巖石情況復雜，每種測井響應特征都是多種地質因素疊加的結果，這就給利用測井信息評價烴源巖帶來困難。尤其在鹽湖相烴源巖評價時，由于鹽湖相烴源巖中富含的膏、鹽質成分，使其測井響應特征發生極大的改變，給利用測井信息評價鹽湖相烴源巖帶來很大困難。

本文提出在大量實驗分析數據的基礎上，首先評價鹽湖相烴源巖中膏質和鹽質含量，再根據烴源巖中膏、鹽質成分多少，分類研究烴源巖有機碳與測井信息的相關關系，再建立不同巖性烴源巖的有機質含量測井評價模型，并利用該方法對東營凹陷沙四下亞段鹽湖相烴源巖進行評價。

表1 豐深2井不同巖性富有機質(TOC＞2%)烴源巖測井響應特征Table 1 Log characteristics of different types of organic rich source rocks in Well FS2

1 鹽湖相烴源巖測井評價

1.1 烴源巖測井響應特征

鹽湖沉積物中，與石膏和鹽巖互層的純泥巖、含膏(鹽)泥巖、膏(鹽)質泥巖都能孕育有效烴源巖，這些巖石測井響應特征隨膏、鹽巖含量變化有很大差別。

已成熟的純泥巖自然伽馬為高值，聲波時差一般超過 70 μs/ft，體積密度介于 2.4 ～ 2.6 g/cm3，中子孔隙度高值，電阻率低且平直，通常而言，富含有機質的泥巖與貧有機質泥巖相比具有“四高一低”的特征，即高自然伽馬、高電阻率、高聲波時差、低密度值［15］。石膏的自然伽馬極低，聲波時差約52 μs/ft，密度約為2.3 g/cm3，中子孔隙度約50%，電阻率高值。巖鹽自然伽馬極低，聲波時差67 μs/ft，體積密度僅2.1 g/cm3，中子孔隙度接近于0，電阻率高值(圖1)。當泥巖中含有石膏、巖鹽等成分時，自然伽馬和體積密度降低，聲波時差增大，電阻率增大，使得同樣富含有機質的膏(鹽)質泥巖、含膏(鹽)泥巖與純泥巖之間測井響應特征相差極大(表1)。因此利用測井信息評價鹽湖相烴源巖必須先查清不同膏、鹽巖含量泥巖中有機碳含量與測井信息的關系。

利用東營凹陷沙四下亞段、渤南洼陷沙四上亞段和東濮洼陷沙三段鹽湖烴源巖實測數據和測井信息，首先以標準層法將測井曲線標準化，然后提取了含膏(鹽)泥巖、膏(鹽)質泥巖和純泥巖的測井響應值。利用R型聚類分析，查明體積密度(DEN)、聲波時差(AC)、泥質含量(ΔGR)和電阻率對數(LogRt)可以表征有機碳(TOC)變化，最后建立了含膏(鹽)泥巖、膏(鹽)質泥巖和純泥巖有機碳含量(TOC)與測井信息之間的響應模式(圖2)。

從圖2中可以看出，ΔGR可以有效區分巖性，純泥巖ΔGR大于0.9，含膏(鹽)泥巖ΔGR介于0.7～0.9，膏(鹽)質泥巖ΔGR小于0.7。泥巖和含膏(鹽)泥巖的TOC與ΔGR之間沒有明顯的相關性，但膏(鹽)質泥巖TOC與ΔGR正相關。這是由于膏巖和鹽巖具有極低的自然伽馬值，隨著巖石中膏、鹽質成分的增加，巖石的自然伽馬值降低。對于膏(鹽)質泥巖，隨著石膏或鹽巖含量增加(ΔGR減小)，泥巖中有機質含量降低(TOC減小)。

聲波時差(AC)能有效地表征各類巖石有機碳變化。純泥巖和含膏(鹽)泥巖TOC與AC成正比。這兩類巖石中泥質含量遠高于膏、鹽成分，由于有機質組分的聲波時差高，富有機質泥巖和含膏(鹽)泥巖聲波時差較高。隨著膏、鹽成分增加，由于膏、鹽組分聲波時差遠低于正常泥巖，使膏(鹽)質泥巖的聲波時差值較低，且AC隨有機碳含量變化無明顯相關性。

由于有機質密度低，純泥巖和含膏(鹽)泥巖有機質含量增加使巖石體積密度降低，但膏(鹽)質泥巖TOC與密度呈反比，這是由于膏、鹽巖密度極低，密度主要表征了泥質含量變化，而這類巖石TOC隨泥質含量增加而增加，即密度增加、泥質含量增加，膏(鹽)質泥巖的有機碳含量增加。

純泥巖和含膏(鹽)泥巖TOC與LogRt呈正比，膏(鹽)質泥巖LogRt遠遠高于純泥巖和含膏(鹽)泥巖，且TOC與LogRt呈反比，隨著膏、鹽等貧有機質組分增加，巖石電阻率增大，巖石有機碳含量減少。

綜上可知，鹽湖相烴源巖測井響應特征復雜，受烴源巖中膏、鹽質成分含量和有機質含量共同控制。當巖石中的膏、鹽成分含量低時(ΔGR＞0.7)，烴源巖測井響應特征受有機質含量控制，TOC與聲波時差、電阻率成正比，與密度呈反比;當巖石中的膏、鹽成分含量較高時(ΔGR≤0.7)，烴源巖測井響應特征主要受膏、鹽成分含量控制，TOC與密度呈正比，與電阻率呈反比。

圖1 豐深1井鹽湖相不同巖性測井響應特征Fig.1 Log characteristics of different types of rocks in salt lake of Well FS1

圖2 不同巖性TOC與 ΔGR、AC、DEN、LogRt相關關系Fig.2 Relationships between TOC and ΔGR，AC，DEN，LogRt in different rocks

1.2 建立烴源巖性質測井評價模型

根據鹽湖相不同巖性烴源巖的測井響應特征，首先以ΔGR區分巖性，再利用AC、LogRt和DEN來表征純泥巖和含膏(鹽)泥巖的TOC，利用DEN、LogRt和ΔGR表征膏(鹽)泥巖的TOC。根據待研究區域實測TOC數據和測井信息，分不同巖性建立TOC的測井評價模型(式 3、4、5)，并可求得式 3、4、5 中的a1、b1等系數。

式中，TOC為有機碳含量，%;Rt為原狀地層電阻率，Ω·m;AC為實測聲波時差，μs/ft;DEN為體積密度，g/cm3;ΔGR為自然伽馬相對值(GR-GRmin)/(GRmax-GRmin)，小數。

求取TOC之后，利用巖石熱解和有機碳測試數據，建立S1+S2與TOC的相關關系，就能求得巖石的生烴潛力S1+S2。應用該方法可以為烴源巖評價和油氣資源量評估提供大量的評價數據。

2 模型應用

東營凹陷沙四下亞段是典型的鹽湖相沉積［16］，自盆地邊緣至中心依次發育有碎屑巖-碳酸鹽巖-硫酸巖組合［17］。沙四下亞段沉積后期，東營凹陷北部形成“高山深湖”的沉積格局，湖水在重力作用下形成下部鹵水和上部咸水、微咸水的分層現象［2，18］，當鹵水達到鹽類結晶濃度時便有鹽類沉積，當氣候變化、發生風暴、濁流或季節性洪水涌入等使湖水大規模震蕩，分層鹵水結構就會遭到破壞，形成碎屑巖沉積［19］，灰白色膏、鹽巖與深灰色泥巖頻繁韻律互層，膏、鹽巖層單層厚度不超過25 m。由于鹽湖湖盆底層具有缺氧、強還原、高鹽度條件，使得有機質得以最大程度的保存，與膏、鹽巖互層的暗色泥巖和油頁巖具有較高的有機質豐度，是有效烴源巖［20］。

由于東營凹陷北部沙四下亞段埋深大多超過4 000 m，鉆遇的井較少，且烴源巖取芯數量有限，不能在剖面和平面上控制烴源巖地球化學性質變化規律，難以反映烴源巖平面和剖面非均質性全貌。本文利用前文所述方法，首先以測井深度為準，對巖心深度進行校正，而后提取巖心的測井相應特征，然后建立了測井信息與烴源巖實測TOC之間的關系(式6～8)將利用測井信息評價的TOC與實測TOC進行比對，發現二者吻合程度較高(表2，圖3)。

圖3 實測TOC和測井預測TOC對比Fig.3 Different between actual measurement and forecast TOC

圖4 S1+S2與TOC相關關系Fig.4 Relationships between S1+S2and TOC

利用巖石熱解數據與有機碳測試數據(表2)建立了相關關系(圖4)，見式9。

式中:S1+S2為巖石生烴潛力，mg/g;TOC為巖石有機碳含量，小數。

為檢驗模型準確性和適用性，選取研究區烴源巖發育的豐深2井進行實測值和計算值對比，發現二者吻合較好，說明筆者所建立的鹽湖相烴源巖測井評價方法是可信的(圖5)。

表2 東營凹陷沙四下亞段烴源巖實測、預測TOC與S1+S2Table 2 Actual measurement TOC，S1，S2and forecast TOC of lower member of Es4in Dongying Depression

在測井數據標準化的基礎上，利用該方法對研究區62口井沙四下亞段烴源巖進行評價，獲取了巨量的烴源巖評價參數，對研究區沙四下亞段鹽湖相烴源巖性質和平面展布進行評價。以TOC＞0.5%為有效烴源巖界定標準，繪制了有效烴源巖累計厚度和有機碳均值平面等值線圖(圖6)。從圖中可以看出，東營北帶沙四下亞段有效烴源巖北部以陳家莊斷層為界，主要分布在勝科1井、郝科1井以北，濱680、利古6以西，其中在新利深1南和豐深2～東風8井區有效烴源巖累計厚度超過了350 m。中央隆起帶以南僅在局部(梁125～梁6井區、史130井區)發育有效烴源巖，累計厚度不超過100 m(圖4左)。從有效烴源巖TOC均值等值線圖上可以看出，在利津地區(新利深1南)、勝坨地區下降盤(坨深1井區)、民豐地區(豐深2～豐深6井區)有效烴源巖的TOC均值超過1.8%，郝科1井區TOC均值超過1.6%，總的來看，有效烴源巖向東、向南厚度減薄、品質變差。

3 結論

(1)受膏、鹽質含量影響，鹽湖相烴源巖中普遍存在的純泥巖、含膏(鹽)泥巖和膏(鹽)質泥巖的測井響應有較大差別。利用東營凹陷沙四下亞段、渤南洼陷沙四上亞段和東濮洼陷沙三段鹽湖烴源巖實測數據和測井信息建立了含膏(鹽)泥巖、膏(鹽)質泥巖和純泥巖有機碳含量(TOC)與測井信息之間的響應模式，發現自然伽馬相對值(ΔGR)可以有效區分巖性，體積密度(DEN)、聲波時差(AC)和原狀地層電阻率(LogRt)可以表征鹽湖相烴源巖有機碳含量。

(2)建立了鹽湖相烴源巖測井評價方法，即首先用ΔGR區分巖性，進而根據實測TOC數據和DEN、AC、LogRt進行多元回歸，建立相關關系，計算烴源巖TOC。最后利用實測TOC和巖石熱解S1+S2建立相關關系，用計算所得TOC評價巖石S1+S2。并利用該方法對東營凹陷沙四下亞段鹽湖相烴源巖性質和展布進行評價，發現評價結果與實測數據吻合程度高，具有實用價值。

圖5 豐深2井TOC實測值與計算值比對Fig.5 Comparison between actual measurement and calculated TOC in Well FS2

圖6 有效烴源巖累計厚度(左)和TOC均值(右)等值線圖Fig.6 Effective source rocks accumulated thickness(left)and TOC mean(right)contour map

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