濟陽坳陷富有機質頁巖的TOC變化與地震響應特征分析

袁 飛，陳 波，李生濤，王雪柯

(長江大學 地球科學學院，湖北 武漢 430100)

濟陽坳陷富有機質頁巖的TOC變化與地震響應特征分析

袁 飛，陳 波，李生濤，王雪柯

(長江大學 地球科學學院，湖北 武漢 430100)

TOC的含量能夠影響泥頁巖中所滯留的烴類。TOC含量高低的確定有助于利用地震資料確定總有機碳含量的高值區。主要研究的是濟陽坳陷工區內頁巖中TOC含量的變化對地球物理響應的影響。基于濟陽坳陷實際已獲得頁巖油產量的羅69井，通過改變目標層段泥頁巖中TOC含量的AVO正演模擬，做出振幅隨炮檢距變化趨勢圖和P-G交會圖，判斷AVO異常響應類型，研究地震反射系數隨炮檢距的變化情況，分析地層TOC的變化對地震屬性所造成的影響。研究結果表明:TOC含量增加時，AVO截距P會逐漸減小，AVO斜率G會逐漸增大。

濟陽坳陷；地球物理；TOC含量

0 前 言

地球物理方法有助于描述頁巖油氣遠景區特征，將測井曲線數據和地震數據結合能夠很好的識別頁巖油氣儲層特征。TOC含量能夠影響泥頁巖中滯留的烴類。前人對TOC含量和地球物理響應特征之間的關系進行了一定的研究，Yaping Zhu等[1]研究發現TOC能夠顯著地影響富含有機質巖石的地球物理響應，為頁巖氣遠景區地球物理特征提供基礎。但對TOC含量的改變對地球物理響應特征所產生的具體影響研究較少[2]。筆者通過改變目的層段泥頁巖中TOC含量的AVO正演模擬，做出振幅隨炮檢距變化趨勢圖和P-G交會圖，判斷AVO異常響應類型，研究地震反射系數隨炮檢距的變化情況，并分析地層TOC的變化對地震屬性產生何種影響。

1 區域地質概況

濟陽坳陷地處華北平原東部，屬于中、新生代盆地，其北部和南部分別鄰接埕寧隆起區和魯西隆起區[2]，屬于渤海構造之一，面積約為25 510 km2。其內部被濱縣、青城、義和莊、陳家莊等凸起劃分為沾化、惠民、車鎮和東營共計4個凹陷[3]。在始新世的早期，濟陽斷陷湖盆構造運動比較穩定，湖盆逐漸下降，陸源碎屑物源源不斷的匯聚進來，這樣就為湖泊帶來了豐富的營養物質[4]。在這一時期湖生生物大量的生長和繁殖，發育沙河街組四段(以下簡稱沙四段，Es4)上亞段、沙河街組三段(以下簡稱：沙三段，Es3)下亞段和中亞段以及沙河街組一段(以下簡稱：沙一段，Es1)的烴源巖[5]。據大量的井資料研究表明，濟陽坳陷的頁巖層集中發育在古近系的Es4上亞段、Es3下亞段以及Es1。其有機質類型主要是腐泥型—混合型，整體上而言具有厚度大、有機質豐度高，有機質成熟度分布范圍寬等特點[6-8]。其中有機質成熟度R0大于0.5%，有機碳含量TOC大于2.0%以及厚度大于50 m的有利源巖區的面積約為5 524 km2，這些條件使其具有生成豐富頁巖油氣的基礎[9]。

2 TOC含量預測

TOC含量是泥頁巖中評價頁巖油氣必不可少的參數。通過測井數據能夠較快捷的評價泥頁巖中的總有機碳含量[10]。前人研究表明，ΔlogR法預測TOC具有明顯的實用性。在應用時，其主要方法是確定基線，然后算出富含有機質的烴源巖段時差曲線與電阻率曲線間的距離ΔlogR，最后再進一步預測TOC[11]。

ΔlogR法還被稱為聲波曲線和電阻率曲線重疊法，是Creaney和Passey[12]在1990年利用電阻率和聲波時差曲線重疊的間距ΔlogR來研究的一種TOC預測技術。ΔlogR與TOC呈現線性相關關系，并且其還是成熟度的函數。所以，在應用中倘若能夠確定成熟度，那么我們利用ΔlogR和TOC之間的關系就能夠把ΔlogR直接換算成TOC。在實際應用時，電阻率與時差曲線的刻度之間的關系是每兩個對數電阻率的刻度相當于聲波時差為-100 μs/ft。把非生油巖曲線疊在一起作為基線，以重疊曲線中部的數值作為R基線值和Δt基線值，其代數公式為：

△logR=Lg(R/R基線)+0.006 4×(△t-△t基線)

根據△logR計算TOC的經驗方程為：

TOC=△LogR×101.5374-0.944×R0+△TOC

或

TOC=△LogR×102.297-0.1688×LOM+△TOC

式中，TOC為總有機碳含量；ΔlogR為時差曲線與電阻率曲線間的距離；LOM為有機質熱成熟度；Ro為鏡質體反射率；ΔTOC表示TOC含量的背景值；其中LOM和Ro之間具有以下對應關系(見表1)。

表1 LOM與Ro關系

由此可知，ΔlogR法最重要的是知道鏡質體反射率Ro。但同時我們也能夠知道這種方法根本沒有把巖層的物性考慮進來[13]，并且該方法中基線是人為確定的，會引起較大誤差。為此，朱光有等[13]根據勝利油區的實際情況，對ΔlogR法進行改進，最終得到了一種新的解釋模型，他們將ΔlogR法計算TOC的公式改進為：

TOC=K·△lgR

式中，K為系數。所以公式可進一步改寫成：

TOC=K·lgR+0.02K·△t-K(lgR基線+0.02△t基線)

對各個井段的測井數據將K進行歸一化處理，公式可改寫成：

TOC=a·lgR+b·△t+c

考慮到高品質的烴源巖相比于其他烴源巖有著高聲波時差、高電阻率、低密度等特點[14]，上式可進一步改寫為：

TOC=(a·lgR+b·△t+c)/d

式中，d表示密度測井值，而另外幾個系數則可以經過工區系統的采樣分析，根據最小二乘法換算獲取。

運用上述方法利用已獲得的羅69井的相關數據預測出TOC值，然后將預測出的TOC值與實測TOC值進行交會，交會結果如下圖(圖1)所示。

圖1 濟陽坳陷羅69井TOC計算值與實測值交匯圖

由圖1可知R2=0.775 8，也就是說預測的TOC值與實測TOC值之間的相關性比較好。通過對羅69井的TOC的預測值與實測TOC值進行交會，我們可以驗證我們通過測井數據所預測的TOC值的準確性。因此我們可以將資料中部分缺少的TOC含量數據通過預測得到。

然后再將羅69井的TOC含量分別與縱波速度、橫波速度以及密度進行交會，分別找出TOC含量與縱波速度、橫波速度和密度之間的關系(如圖2、圖3、圖4所示)。

圖2 濟陽坳陷羅69井TOC含量與縱波速度關系

圖3 濟陽坳陷羅69井TOC含量與橫波速度關系

圖4 濟陽坳陷羅69井TOC含量與密度關系

從圖2、3、4中可以看出：縱波速度、橫波速度以及密度分別隨TOC含量變化而變化的情況。當TOC含量增大時，縱波速度、橫波速度和密度都在不同程度的減小。圖中還標出來具體的函數關系式，通過這些關系式可以計算出TOC的變化對其具體的影響。

利用得出來的TOC與縱波速度、橫波速度和密度之間的關系式，分別假設目的層段TOC含量分別為TOC=1%、TOC=2%、TOC=3%、TOC=4%、TOC=5%、TOC=6%，并與各個深度的實測TOC值做出增量，再結合相應的公式求出羅69井的各個不同深度的縱波速度、橫波速度和密度的數據，為之后的變TOC模型做準備。

3 變TOC地球物理響應特征分析

3.1 AVO正演分析的基本方法

AVO正演是利用AVO方法進行烴類檢測的基礎，AVO正演是從已獲得的測井資料著手，通過改變實際井中儲層的流體性質，來模擬儲層在含不同含流體狀況下的AVO響應，研究地震反射振幅和炮檢距之間的變化關系[15]。截距P和斜率G是巖石

骨架、孔隙度和孔隙流體的綜合表征，而將兩者進行交會則是AVO研究的一種簡潔而直觀的分析手段[16]。本文借鑒此方法，利用已獲得的測井數據，通過改變實際井中的TOC含量來模擬TOC變化時的AVO響應。根據變TOC狀態下的AVO模擬圖來分析反射振幅隨炮檢距的變化情況，通過繪出的P-G交會圖可以研究TOC含量變化對AVO截距P和斜率G的影響。

通過改變TOC的含量可以計算出不同TOC狀態下定縱橫波速度以及密度，從而建立TOC含量變化與地震響應特征之間的關系。

當儲層中充填油氣后會導致縱波速度和泊松比下降。根據Domenico[17-18]的研究，當儲層孔隙中含少量油氣后將會引起地震縱波速度的快速減小，但橫波速度并沒有明顯的變化。通過引起的這些參數的變化來看，當部分孔隙被油氣所充填時，AVO的截距與斜率都將會不同程度的減小。而截距P與斜率G一起變小就說明了泊松比的降低，這種現象恰好是含油氣砂巖所具備的性質，正因如此，所以這也就奠定了利用AVO技術進行烴類檢測的基礎。

就本文而言，AVO正演模擬主要分為6個步驟：a當研究區某些井缺乏部分TOC值時，要先進行TOC的預測；b對測井曲線進行預處理；c制作合成地震記錄；d AVO正演模擬30(°)以內入射角范圍的地震響應；e改變TOC的含量，分別模擬其地震響應，并與實際曲線的模擬結果進行對比分析；f進行AVO屬性的提取及分析。

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3.2變TOC正演特征分析

正演模擬是進行地震響應特征研究的基礎，通過改變實際井中不同的地質參數，如TOC含量，厚度等不同地質參數，可以研究這些參數對AVO響應特征的影響和變化[10]。

通過假設濟陽坳陷的羅69井目的層段TOC含量分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%時，模擬其地震響應，進一步分析其在不同TOC含量下的地震反射振幅隨炮檢距的變化特征。圖5～7分別為變TOC狀態下的縱波曲線、橫波曲線及密度曲線。圖8為不同TOC含量下的正演模型。從左至右依次表征是泥頁巖原始TOC含量以及TOC含量為1%、2%、3%、4%、5%、6%的正演模型。

圖5 羅69井變TOC縱波曲線

圖6 羅69井變TOC橫波曲線

圖7 羅69井變TOC密度曲線

圖8 羅69井變TOC地震正演模型

下面分別對羅69井沙3段1、2小層變TOC模型進行分析。

1)羅69井沙3段1小層變TOC模型

通過該模型所對應的各TOC含量下反射系數隨入射角的變化趨勢圖(見圖9)可以發現：當TOC<3.0%時，反射系數為正且反射系數伴隨著入射角的增大而逐漸變小；當TOC=3.0%時，反射系數為正且反射系數隨入射角的變化較小，幾乎不隨入射角的變化而變化；當TOC=4.0%時，反射系數伴隨著入射角的增大而逐漸增大，當入射角增加到某一值時會出現極性反轉的現象；當TOC>4.0%時，反射系數為負且反射系數伴隨著入射角的增大而逐漸增大。

圖9 羅69井沙3段1小層變TOC狀態下的AVO模擬

總的來說，隨著有機質含量的增加其P值呈逐漸減小的趨勢，G值由小變大。

2)羅69井沙3段2小層變TOC模型

通過各TOC含量下反射系數隨入射角變化的趨勢(圖10)可以發現：當TOC含量從1.0%增大到6.0%時，反射系數伴隨著入射角的增大而持續變小。

圖10 羅69井沙3段2小層變TOC狀態下的AVO模擬

羅69井沙3段2小層變TOC含量正演模型AVO屬性交會圖如圖10所示。通過AVO屬性交會圖可以分析AVO截距P和AVO斜率G受TOC含量的影響情況。

當TOC從1.0%增大到6.0%時，AVO截距P<0，AVO斜率G<0，位于第Ⅲ象限。

總的來說，隨著有機質含量增加其P值呈減小的趨勢，且G值逐漸變大。

4 結 論

1)針對羅69井1小層目的層段，可以發現當TOC含量小于3%時，振幅均為正，且隨炮檢距變化趨勢不大。當TOC含量大于4%時振幅為負且正向增大。通過分析AVO截距P和AVO斜率G受TOC含量的影響，能夠得到當TOC含量在3%以下時主要位于第Ⅳ象限，當TOC含量大于4%后，逐漸過渡到第Ⅱ象限。隨著TOC含量的增大，P、G變化均較大，且二者之間線性關系較強。

2)羅69井2小層目的層段，隨著TOC含量的增加，反射系數伴隨著入射角的增大而呈現持續減小的態勢，AVO截距P隨著TOC含量的增加而減小且P<0，AVO斜率G隨著TOC含量的增加而增大且G<0，位于第Ⅲ象限。

3)在富有機質頁巖中，TOC含量增加時，AVO截距P會逐漸減小，AVO斜率G會逐漸增大。

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AnAnalysisonTOCChangesinOrganic-richShalesandSeismicResponseCharacteristicsinJiyangDepression

YUAN Fei, CHEN Bo, LI Shengtao, WANG Xueke

(SchoolofGeosciences,YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei430100,China)

The content of TOC can affect the retention of shale hydrocarbons. To determine the relative level of TOC content was helpful to use seismic data to determine the total organic carbon content of high value area. This paper mainly studies the influence of TOC content in the area of shale in Jiyang depression of geophysical response. The shale oil production has been obtained in L69 well in Jiyang depression, by changing the TOC content of shale in AVO forward model to make the amplitude variation with offset trend and P-G cross-plot to judge AVO abnormal response type. Our research and analysis brings about the changes of seismic reflection coefficient with offset. The analysis on the influence of seismic attributes will be caused by change of TOC in formation. The results show that, when the content of TOC increases, the intercept of AVO will decrease and the slope of AVO will increase gradually.

Jiyang depression; Geophysical method; TOC content

2017-08-23

袁飛(1993-)，男，湖北漢川人，在讀碩士研究生，研究方向：非常規油氣地質，手機：18627940321，E-mail：yuanfly1@163.com.

P618.13

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.019