泥頁巖有機非均質(zhì)性評價及其在烴源巖分級評價中的應(yīng)用
——以遼西拗陷中元古界薊縣系為例

石 蕾，宗文明，孫求實，李永飛，陳樹旺

中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034

0 引言

全球范圍內(nèi)已有十多個國家和地區(qū)發(fā)現(xiàn)中新元古界原生油氣與油氣藏，20 世紀70 年代中國學(xué)者在燕山地區(qū)的石油地質(zhì)勘查中，在元古宙地層發(fā)現(xiàn)了數(shù)十處液體油苗與固體瀝青［1-4］.近年來，中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心在燕遼裂陷帶遼西拗陷先后鉆遇不同級別的油氣顯示，表明該地區(qū)中—新元古界具有一定的油氣資源潛力［5-6］.目前該區(qū)的油氣勘探程度較低，尚無工業(yè)油井，有必要進一步對油氣資源潛力進行評價.烴源巖作為油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，對其精細評價是客觀評價油氣資源潛力的重要前提［7］.前人針對燕遼裂陷帶中元古界薊縣系泥頁巖的地球化學(xué)特征、沉積環(huán)境等做了詳細的研究，然而該區(qū)烴源巖的有機非均質(zhì)性強、實測樣品數(shù)量有限，致使泥頁巖有機質(zhì)豐度（TOC）在平面和縱向上存在差異，而不同有機質(zhì)含量烴源巖的生、排烴能力存在差別［8-9］，導(dǎo)致預(yù)測的資源量存在較大的不確定性，因此對烴源巖開展精細評價顯得尤為重要.

在烴源巖評價中，由于資料容易獲取，可操作性強，ΔlogR 技術(shù)應(yīng)用得最為廣泛［10-16］.以遼凌地2 井（LLD2）中元古界薊縣系鐵嶺組與洪水莊組泥頁巖為研究對象，對其有機質(zhì)豐度、類型來源、成熟度等地球化學(xué)特征進行分析和探討，以巖心測試地球化學(xué)數(shù)據(jù)和常規(guī)測井曲線為基礎(chǔ)，針對烴源巖非均質(zhì)性強的特點，采用變系數(shù)ΔlogR 技術(shù)分組、分相預(yù)測方法，建立泥頁巖非均質(zhì)性刻畫評價模型，對薊縣系鐵嶺組與洪水莊組烴源巖品質(zhì)進行分級評價，以期為遼西拗陷進一步勘探開發(fā)提供依據(jù).

1 地質(zhì)概況

燕遼裂陷帶位于華北克拉通北緣的燕山地區(qū)，該地區(qū)中—新元古界發(fā)育相對連續(xù)、保存完好，我國標準地層剖面——“薊縣剖面”建立于此.遼西拗陷構(gòu)造上位于燕遼裂陷帶的東北部，是遼西、冀北、宣龍、冀東、京西5 個拗陷和山海關(guān)、密懷2 個隆起組成的“五拗兩隆”構(gòu)造格局中的一個單元（圖1）.遼西拗陷基底由太古宇到古元古界的混合花崗巖、片麻巖等古老的深變質(zhì)巖系組成.中—新元古界巖性主要為石英巖、黑色頁巖、泥巖、白云巖、灰?guī)r與陸源碎屑巖等，為碳酸鹽巖臺地的沉積環(huán)境，由下到上依次發(fā)育長城系與薊縣系的高于莊組、楊莊組、霧迷山組、洪水莊組、鐵嶺組，以及待建系與青白口系.該區(qū)空間上可形成自生自儲、上生下儲、下生上儲等多種成藏模式.洪水莊組、鐵嶺組發(fā)育大段的泥頁巖，為主要的烴源巖層［18-20］.遼凌地2 井位于遼西拗陷老虎洞地區(qū)，為全井取心的地質(zhì)調(diào)查井，分別鉆遇第四系（Q）、鐵嶺組（Jxt，7.5～380 m）、洪水莊組（Jxh，380 ～496 m）、霧迷山組（Jxw，496 ～937 m）、楊莊組（Jxy，937～948 m），未見底.

圖1 燕山地區(qū)構(gòu)造分區(qū)及遼凌地2 井柱狀圖（據(jù)文獻［17］）Fig.1 Tectonic division of Yanshan area with lithological column of LLD2 well（From Reference［17］）

2 遼凌地2 井烴源巖特征

鐵嶺組主要為暗色泥巖、白云巖及粉晶灰?guī)r.暗色泥巖的沉積環(huán)境為碳酸鹽巖臺地潮上帶，顏色以黑色和黑灰色為主，厚度為71 m.洪水莊組主要為暗色泥巖、白云巖.暗色泥巖的沉積環(huán)境為深水潟湖相，顏色以黑色和灰色為主，厚度為78.6 m.本研究選取不同深度泥頁巖樣品鐵嶺組7 件，洪水莊組28 件，分別進行分析探討.

2.1 有機質(zhì)豐度

實驗分析結(jié)果表明，鐵嶺組暗色泥巖實測TOC 值0.30%～1.57%，平均值為0.97%；可溶烴S1含量在0.02×10-3～0.15×10-3之間，平均值為0.08×10-3；生烴勢（S1＋S2）值0.06×10-3～0.47×10-3，平均值為0.31×10-3；氯仿瀝青“A”值0.004%～0.08%，平均值為0.02%.由于實測樣品成熟度較高，基本都在過成熟階段，因此對（S1＋S2）值進行了恢復(fù)，以便于對烴源巖品質(zhì)的評價更加客觀［16］，恢復(fù)后的（S1＋S2）分布在2.41×10-3～6.41×10-3之間，平均值為3.73×10-3.洪水莊組暗色泥巖實測TOC 值0.35%～5.20%，平均值為3.20%；（S1＋S2）值0.03×10-3～1.08×10-3，平均值為0.52×10-3，同理，恢復(fù)后的（S1＋S2）值1.63×10-3～30.51×10-3，平均值為16.16×10-3.

本研究按照中國古生界海相烴源巖生烴潛力評價方法［21］，將烴源巖劃分為中等、較好及優(yōu)質(zhì)（極好）烴源巖3 種級別（表1）.

表1 烴源巖分級標準Table 1 Grading criteria for source rocks

通過熱解參數(shù)交會圖（圖2）發(fā)現(xiàn)，鐵嶺組整體處于中等烴源巖范疇，洪水莊組不同級別烴源巖均有分布，但大部分為較好及優(yōu)質(zhì)烴源巖，整體生烴潛力好于鐵嶺組.

圖2 鐵嶺組、洪水莊組烴源巖熱解參數(shù)交會圖Fig.2 Pyrolytic parameter cross plot for source rocks of Tieling and Hongshuizhuang formations

2.2 有機質(zhì)類型

不同的生物來源指示著不同的有機質(zhì)類型，也決定著產(chǎn)物的類型是油還是氣.從生物標志化合物來看，指示鐵嶺組有機質(zhì)來源以腐泥型為主，并含少量腐殖型，即有機質(zhì)類型為Ⅰ型及Ⅱ1型（圖3）；洪水莊組有機質(zhì)來源為腐泥—腐殖型（Ⅱ1型）.根據(jù)ααα（R）構(gòu)型甾烷的C27-C28-C29相對含量判別有機質(zhì)來源［22-23］，可以看出鐵嶺組與洪水莊組烴源巖有機質(zhì)類型都以Ⅱ型為主，且為開闊海環(huán)境的低等生物輸入（圖4）.整體看來，遼凌地2 井鐵嶺組與洪水莊組有機質(zhì)類型以Ⅱ型為主，并含少量Ⅰ型干酪根.

圖3 鐵嶺組、洪水莊組烴源巖Ph/nC18 與Pr/nC17 相關(guān)圖Fig.3 The Ph/nC18-Pr/nC17 cross plot for source rocks of Tieling and Hongshuizhuang formations

圖4 鐵嶺組、洪水莊組烴源巖C27-C28-C29ααα（R）構(gòu)型甾烷相對質(zhì)量分數(shù)三角圖Fig.4 Relative percentage triangle diagram of C27-C28-C29ααα（R）sterane distribution for source rocks of Tieling and Hongshuizhuang formations

2.3 有機質(zhì)成熟度

鐵嶺組暗色泥巖樣品鏡質(zhì)組反射率（Ro）值為2.08%～2.18%，洪水莊組暗色泥巖樣品Ro值為2.08%～2.26%，鐵嶺組與洪水莊組烴源巖都處于生氣高峰期的過成熟階段（圖5）.

圖5 鐵嶺組、洪水莊組烴源巖成熟度-深度關(guān)系圖Fig.5 The Ro vs.depth diagram for source rocks of Tieling and Hongshuizhuang formations

3 泥頁巖非均質(zhì)性刻畫與分級評價

不同區(qū)域和層位泥頁巖TOC 差異可以在一定程度上反映油氣富集程度的差異，由于有機質(zhì)的發(fā)育特征對眾多測井響應(yīng)都有影響［24］，利用測井資料的縱向連續(xù)性和高分辨率來評價這種差異性（非均質(zhì)性）變得可行.本研究采用變系數(shù)ΔlogR 技術(shù)［25-26］，利用地球化學(xué)參數(shù)TOC 對鐵嶺組與洪水莊組烴源巖進行有機非均質(zhì)性刻畫，建立地球化學(xué)數(shù)學(xué)模型，并用計算結(jié)果對源巖進行分級評價.

變系數(shù)ΔlogR 模型的計算公式為：

式中，R 為深側(cè)向電阻率曲線（Ωm），K 為電阻率部分在ΔlogR 中所占比例，Δt 為聲波時差曲線（μs/m），Baseline 為相對基線值，a 和b 為公式擬合系數(shù).

3.1 TOC 預(yù)測模型的建立

為減少誤差，對電阻率測井曲線與聲波時差測井曲線進行標準化處理，使兩者數(shù)量級相當.標準化后的曲線結(jié)合實測TOC 數(shù)據(jù)，針對鐵嶺組、洪水莊組建立有機非均質(zhì)性測井響應(yīng)模型.鐵嶺組曲線擬合效果較好，從所建模型計算值與實測值關(guān)系圖（圖6）中可以看出，趨勢線斜率接近于1，表明計算值與實測值較為接近；從幅度差與實測值關(guān)系圖（圖7）中可以看出，實測值與幅度差擬合關(guān)系較好，具有明顯的線性關(guān)系，收斂于一條直線附近，表明模型可信度較高.洪水莊組在標定過程中為避免個別異常數(shù)據(jù)影響整體標定結(jié)果，剔除了極少數(shù)明顯偏離整體趨勢的異常點.從模型效果看，實測值與計算值及幅度差的擬合關(guān)系均較好，相關(guān)系數(shù)R2大于0.85，線性關(guān)系較明顯，模型可信度較高（圖8、9）.

圖6 鐵嶺組計算TOC 與實測TOC 相關(guān)關(guān)系圖Fig.6 Correlation between calculated and measured TOCs of Tieling Formation

圖7 鐵嶺組幅度差與實測TOC 相關(guān)關(guān)系圖Fig.7 Correlation between amplitude difference and measured TOC of Tieling Formation

圖8 洪水莊組計算TOC 與實測TOC 相關(guān)關(guān)系圖Fig.8 Correlation between calculated and measured TOCs of Hongshuizhuang Formation

圖9 洪水莊組幅度差與實測TOC 相關(guān)關(guān)系圖Fig.9 Correlation between amplitude difference and measured TOC of Hongshuizhuang Formation

3.2 泥頁巖非均質(zhì)性刻畫

通過所建立的預(yù)測模型，對遼凌地2 井中元古界薊縣系鐵嶺組、洪水莊組泥頁巖TOC 進行了刻畫描述.鐵嶺組泥頁巖TOC 值波動幅度較小，計算值大多在0.8%～1.2%之間浮動，最大值為2.91%，計算值與實測值吻合較好，測井計算TOC 曲線較準確地反映了實測TOC 的垂向變化（圖10）.洪水莊組泥頁巖TOC 值從上到下整體呈現(xiàn)“增大—減小—增大—減小”的波動趨勢，計算值一般在2%～6%之間，最大值為10.2%，計算值與實測值整體吻合較好，測井計算TOC 曲線較準確地反映了實測TOC 的垂向變化.

圖10 鐵嶺組、洪水莊組泥頁巖測井識別TOC 模型結(jié)果Fig.10 TOC results of logging identification of shale from Tieling and Hongshuizhuang formations

3.3 烴源巖分級評價

結(jié)合TOC 非均質(zhì)性刻畫結(jié)果，對遼凌地2 井中元古界薊縣系鐵嶺組與洪水莊組泥頁巖進行分級評價.

鐵嶺組泥頁巖累計厚度為70.2 m（表2），優(yōu)質(zhì)烴源巖累計厚度為0 m；較好烴源巖累計厚度為6.45 m，占總厚度比值為9.19%，最大連續(xù)厚度為2.8 m；中等烴源巖累計厚度為63.75 m，占總厚比值為90.81%，最大連續(xù)厚度為33 m.洪水莊組泥頁巖累計厚度為78.6 m，優(yōu)質(zhì)烴源巖累計厚度為32.1 m，占總厚比值為40.84%，最大連續(xù)厚度為22 m；較好烴源巖累計厚度為33.7 m，占總厚度比值為42.88%，最大連續(xù)厚度為9 m；中等烴源巖累計厚度為12.8 m，占總厚比值為16.28%，最大連續(xù)厚度為2.8 m.

表2 遼凌地2 井鐵嶺組與洪水莊組泥頁巖分級評價數(shù)據(jù)表Table 2 Grading evaluation data for shales of Tieling and Hongshuizhuang formations in LLD2 well

整體看來，遼凌地2 井薊縣系洪水莊組泥頁巖烴源巖品質(zhì)優(yōu)于鐵嶺組，應(yīng)為薊縣系主力烴源巖.其中鐵嶺組泥頁巖整體以中等烴源巖為主，190 m 處發(fā)育少量較好烴源巖，未見優(yōu)質(zhì)品質(zhì)烴源巖；洪水莊組以優(yōu)質(zhì)烴源巖及較好烴源巖為主，兩者數(shù)量大致相當，總體占83%以上，優(yōu)質(zhì)烴源巖主要分布在洪水莊組中下部，較好烴源巖分布以中上部為主，少量的中等烴源巖分布在大段黑色泥巖建造的中上部（圖11）.

圖11 遼凌地2 井鐵嶺組、洪水莊組烴源巖分級評價結(jié)果Fig.11 Grading evaluation results for source rocks of Tieling and Hongshuizhuang formations in LLD2 well

4 結(jié)論及認識

1）遼凌地2 井薊縣系洪水莊組烴源巖有機質(zhì)豐度（TOC）大多在2%以上，明顯高于鐵嶺組，鐵嶺組與洪水莊組有機質(zhì)類型都以Ⅱ型為主，并含少量Ⅰ型干酪根，烴源巖都處于生氣高峰期的過成熟階段.

2）采用變系數(shù)ΔlogR 技術(shù)建立了遼凌地2 井鐵嶺組與洪水莊組泥頁巖TOC 預(yù)測模型，對泥頁巖非均質(zhì)性進行了刻畫描述，實現(xiàn)了烴源巖TOC 準確評價.

3）依據(jù)TOC 分級標準，采用測井計算TOC 指導(dǎo)烴源巖分級，得到遼凌地2 井鐵嶺組烴源巖品質(zhì)以中等為主，占泥頁巖總厚90%以上；洪水莊組烴源巖整體以優(yōu)質(zhì)烴源巖和較好烴源巖為主，兩者厚度大致相當，厚度占泥頁巖總厚83%以上.整體看來，洪水莊組烴源巖品質(zhì)優(yōu)于鐵嶺組，應(yīng)為薊縣系主力烴源巖層.