2017, Vol. 32
2. 胜利油田地质研究院, 东营 257000
3. 新疆油田公司工程院, 新疆克拉玛依 834000
4. 西部钻探工程有限公司, 新疆克拉玛依 834000
2. Geological Science Research Institute, Sinopec Shengli Oilfield Company, Dongying 257015, China
3. Engineering Technology Research Institute of Xinjiang Oilfield Company, Xinjiang Karamay 834000, China
4. Xibu Drilling Engineering Company Limited, Xinjiang Karamay 834000, China
近些年来，为了扩大中国油气地质储量，国内石油地质界侧重了油气成藏理论研究，对烃源岩的评价研究提出了很高的要求 (金强，2001).烃源岩的评价包括烃源岩的分布，有机质的含量、类型和成熟度等，这些也决定着含油气盆地油气生成潜力大小.有机碳含量是烃源岩评价的一个基础指标，它可用于确定生油岩，指示有机质丰度，判断生油效率、转化效率和演变程度，是评价烃源岩生烃潜力的重要参数 (吴景富等，2013).
利用测井资料研究烃源岩开始于20世纪70年代到20世纪90年代初，研究方向集中于识别烃源岩和有机质丰度的定量解释 (Passey et al., 1990；金涛等，2010).传统评价有机碳含量的方法包括双孔隙度法、碳氧比测井法、自然伽马法以及ΔLogR法等.由于碳氧比测井可获得地层碳原子与氧原子的比值信息，Herron最早将这种方法用来求解烃源岩的有机碳丰度 (Herron，1987)，由于误差比较大, 赵彦超等对Herron的方法作了适当改进，并取得了良好应用 (赵彦超等，1994).自然伽马法通常需要建立起TOC含量与自然伽马之间的数量关系，以往只能适用于泥质烃源岩 (Mendelzon and Toksoz, 1985).1990年埃克森和埃索公司Passey等研究出ΔLogR方法，这种方法既适合于碳酸盐岩，又适合于碎屑岩烃源岩，能够准确计算出不同成熟度条件下的有机碳质量分数 (Passey et al., 1990)，该方法后来在国内得到大规模推广，并且也取得了良好的应用效果.朱光有等在对该模型进行研究的基础上，建立了有机碳质量分数与电阻率、声波时差和地层密度测井之间的关系，并在济阳坳陷和渤海湾盆地进行了应用 (朱光有等，2003).刘超等通过修改模型系数、引入新的测井参数，提出变系数的ΔLogR方法，从而提高了ΔLogR方法对陆相地层有机质评价的适应性 (刘超等，2014).
在烃源岩具有很强的非均质性并且牛庄洼陷地区取心样品数量有限的情况下 (朱光有等，2003)，传统方法无法全面反映烃源岩的有机质丰度.测井资料具有干扰小、纵向分辨率高、测量连续性强等特点 (闫建平等，2009)，且测井曲线与TOC具有一定的相关关系，能较好的用来分析评价烃源岩有机质含量.因此，本文将以牛庄洼陷的测井资料、岩心资料为依据，拟合出TOC含量与自然伽马、声波时差以及电阻率的关系，建立一套测井多参数烃源岩TOC评价方法.
1 地质背景牛庄洼陷 (图 1) 位于东营凹陷的东南部，东至广利油田，西至现河断裂带，南至陈家庄-王家岗断裂带，北至东辛、现河油田，呈NEE向的长条形，面积约为600 km2.牛庄洼陷是东营凹陷的一个二级构造单元，也是该凹陷内岩性油气藏最为发育的一个重要生油洼陷.
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图 1 牛庄洼陷区域构造位置图 Figure 1 The tectonic zones of Niuzhuang Sag |
牛庄洼陷的基本形态呈向斜，构造比较简单，为古生界基岩古地形背景下经构造运动形成的断陷-坳陷湖盆 (罗群，2002).由于牛庄洼陷位于断陷湖盆东营凹陷的东坡折带边缘，控盆断裂控制下，次级生长断裂发育，众多断层围绕生油洼陷呈环带状分布 (王秉海和钱凯，1992).牛庄洼陷自下而上发育有孔店组、沙河街组、东营组、馆陶组、明化镇组和平原组，其中沙河街组总厚度可达2200~3500 m，发育有沙四上和沙三下两套优质烃源岩.
2 牛庄洼陷烃源岩特征牛庄洼陷面积较大，形成于始新世，到了渐新世已初具规模.其演化初期，以欠压实作用为主.在沙四段和沙三段沉积期，洼陷内以河流三角洲、深湖-半深湖沉积充填为主.盆地处于张性构造背景，以强烈的伸展运动为特征，盆地的边缘上升遭到剥蚀，沉积范围扩大，沉积速率较快.在这段时期内沙三下亚段和沙四上亚段成为牛庄洼陷的主力烃源岩，形成的油气资源量达到7.2608×108 t.沙四上亚段岩性为灰褐色钙质纹层泥页岩夹薄层白云岩、泥灰岩、砂岩和油页岩，烃源岩有机质主要来源于浮游藻、细菌等微生物和水生动物，饱和烃呈“单峰型”分布，有机碳丰度为1.5%~4.0%，干酪根以Ⅰ型和Ⅱ1型为主 (蔡李梅，2009).沙三下亚段岩性为深灰色泥岩、褐色油页岩夹少量薄砂岩、砂岩、白云岩，烃源岩有机质丰度较高，正构烷烃呈“双峰型”分布，有机碳含量 (TOC) 一般为2%~5%，油页岩TOC可达5%~13%，干酪根以Ⅱ1型为主 (蔡李梅，2009).到了沙二段和沙一段时期，沉积环境平静，沉积速率减缓.沙二段有效烃源岩较少，沙一段有效烃源岩主要分布在沙一段的下部，岩性为灰色泥岩夹砂岩、白云岩.在东营组末期，沉积速率加快，此阶段是重要的成藏时期，地层多数处于低速生烃阶段，其岩性是泥砂岩与含砾砂岩不等厚互层.演化中期，牛庄洼陷的生烃作用相对减弱.晚期阶段，由于地层的欠压实作用强烈，大量生烃.沙三下亚段和沙四上亚段两套主力烃源岩的埋深持续加速增大，源岩整体进入大量生烃阶段，有机质丰度较高，干酪根类型以Ⅰ型和Ⅱ1型为主 (鲍晓欢等，2007；朱光有和金强，2003)，页岩和油页岩的顺层富集型有机质的有机碳含量甚至高达8%(鲍晓欢等，2007).
3 牛庄洼陷烃源岩TOC的 (传统) 计算方法探讨传统评价有机碳含量的方法主要有双孔隙度法 (赵彦超等，1995；王方雄等，2002)、碳氧比测井法 (王方雄等，2002)、自然伽马法 (饶松等，2014)、ΔLogR法 (Passey et al., 1990)、密度测井法 (高衍武等，2014) 以及含油气饱和度法 (王方雄等，2002；匡立春等，2003).
3.1 双孔隙度法烃源岩的有机质具有高声波时差、低密度、高氢指数等测井响应特征.在声波、中子和密度测井的体积模型中，有机质可以看成是孔隙的一部分.同时，由于有机质的电阻率较高，在电阻率的体积模型中，可以将有机质看成是岩石骨架的一部份.烃源岩的总孔隙度Φt(包含有机质的体积) 采用三孔隙度测井的平均值；选用W-S方程计算烃源岩的电阻率孔隙度ΦR(不含有机质的体积) 和非烃源泥页岩的电阻率R0.Φt与ΦR的差值 (ΔΦ) 代表了有机质总体积的大小，越大，则有机质丰度越高 (赵彦超等，1995).
这种方法虽然可以在现场缺少烃源岩实验室对样品进行分析的情况下可以直观快速地评价烃源岩TOC含量，但是ΔΦ反映的是烃源岩中有机质的体积含量，而TOC是地层中有机质的重量含量，这二者并不能完全相等.再加上牛庄洼陷地区缺少计算烃源岩总孔隙度Φt与烃源岩电阻率孔隙度ΦR的相关数据，因此不能得出ΔΦ与TOC有很好的相关性.另外，我国小型断陷湖盆通常情况下没有纯泥岩，所以需要确定泥质参数来形成实际情况中的泥质砂岩，此时泥质参数的选取以及常规测井解释得到的孔隙度或多或少都有误差.因此，利用双孔隙度法在牛庄洼陷地区进行烃源岩TOC测井评价并不适用.
3.2 碳氧比测井方法利用碳氧比测井方法计算TOC，在该方法中，认为地层是由岩石骨架和孔隙两部分组成，且孔隙饱含水.利用碳氧比测井中获得的碳氧比值，经环境校正后乘以地层中氧原子得到地层碳元素信息，并扣除碳酸盐岩矿物中的无机碳而获得有机碳含量 (袁超等，2014).
碳氧比能谱测井方法不受地层水矿化度影响，是一种有效测井评价方法.但是这种方法应用条件过于理想化，如假设地层中的无机碳只由灰岩组成，且烃源岩由岩石骨架、地层孔隙和灰岩组成，其中岩石骨架由石英、长石、粘土矿物和有机质组成.但是牛庄洼陷各地层的主要岩性多为泥岩，而泥岩成分极其复杂，这样的方法并不能考虑到其他岩类的影响.因此，利用碳氧比测井方法在牛庄洼陷地区进行烃源岩TOC测井评价也不适用.
3.3 自然伽马法在沉积岩中，对不含放射性矿物的地层，其自然放射性强度主要取决于地层的泥质含量，牛庄洼陷各地层的主要岩性多为泥岩，因此我们可以利用GR曲线值的高低来确定地层的泥质含量 (饶松等，2014).在这种条件下，按下列自然伽马测井公式来计算，公式为
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(1) |
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(2) |
式中，GR为自然伽马测井值；GRmin为纯泥岩的自然伽马极小值；GRmax为纯泥岩的自然伽马极大值；C为经验常数，根据取心分析资料与自然伽马测井值按指数统计而确定.一般情况下老地层C=2，第三系新地层C=4左右.
通过线性回归分析建立泥质含量 (Vsh) 与有机质丰度 (TOC) 间的数学关系，公式为
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(3) |
所以，有机质丰度 (TOC) 与自然伽马的关系式为
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(4) |
令Z=(24·ΔGR-1)/(24-1)，利用牛1×6井TOC实测数据以及自然伽马测井曲线，得到TOC与Z的相关关系图 (图 2).
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图 2 实测TOC值与Z值相关关系图 Figure 2 The correlation graph of measured TOC values and Z values |
通过图 2可知，TOC值与泥质含量以及自然伽马并无很好的相关关系.
自然伽马测井值有它的优势：(1) 自然伽马测井值在一般情况下与岩石孔隙中的流体性质 (油或水) 无关；(2) 自然伽马测井值与地层水和泥浆矿化度无关；(3) 自然伽马测井值曲线上容易找到标准层.但是它要求地层的自然放射强度主要与地层中的泥质含量有关，其岩石骨架如石英、长石等又没有天然放射性，且自然伽马测井仪分辨率不高，在其测井过程中信噪低，使得测井的置信度不高.因此利用自然伽马法在牛庄洼陷进行烃源岩TOC测井评价没法达到预期效果.
3.4 ΔLogR方法ΔLogR方法即声波时差电阻率曲线重叠法是1979年埃克森 (Exxon) 和埃索 (Esso) 公司进行实验获得的, 适用于碳酸盐岩和碎屑岩进行烃源岩识别和有机碳含量计算的一种方法.基本原理：首先利用自然伽马测井或者自然电位曲线识别并剔除油层、蒸发岩、火成岩、低孔层段、欠压实的沉积物和井壁垮塌严重层段等，然后将刻度合适的孔隙度曲线 (声波测井、补偿中子、密度) 叠合在电阻率曲线上，对于贫含有机质层段，2条线相互重合或平行；而在富含有机质层段中两者分离 (Passey et al., 1990；郭泽清等，2012)(图 3).
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图 3 ΔLogR技术识别地层特征示意 (据Passey et al., 1990) Figure 3 The schematic diagram of TOC technology to recognizing formation characteristics (According to Passey et al., 1990) |
根据声波时差电阻率叠加计算ΔLogR的方程为
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(5) |
式中，ΔLogR为实测曲线间距在对数电阻率坐标上的读数；R为测井实测的电阻率；Δt为声波时差；R基线为基线对应的电阻率，Ω·m；Δt基线为基线对应的传播时间，μs/ m.
ΔLogR与TOC呈线性关系，并且是成熟度的函数，由ΔLogR计算TOC的定量关系式为
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(6) |
式中，TOC为计算的有机碳含量，%；Ro为镜质体反射率.
根据胜利油田牛庄洼陷的牛××井的TOC、Rt、Δt数据，牛××井的TOC值计算公式为
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(7) |
由关系图 4可以看出，R2为0.7161.
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图 4 ΔlogR法实测TOC值与计算TOC值相关关系图 Figure 4 The correlation graph of measured TOC values and calculated TOC values |
ΔLogR法在已知岩性并且基线层段选取合理的情况下，只要正确地标定孔隙度和电阻率曲线，ΔLogR的幅度大小就能够反映有机质质量分数的高低，而其他地质因素 (如孔隙度等) 的变化会使电阻率和声波时差曲线成比例变化，产生相同幅度的偏移，从而消除其他地质背景因素对ΔLogR幅度的影响 (朱振宇等，2003).同时，ΔLogR法能够连续读出烃源层TOC值，反映TOC的垂向变化.即便基线和成熟度LOM的选择有偏差，也不会影响其垂向变化.
但是ΔLogR法的缺点也相当明显，在操作过程中要充分考虑有机质热演化成熟度的影响，同时需要人为确定岩性基线 (同一口井中有时需要确定多个基线，以消除其他地质背景对测井曲线的影响)，计算出的TOC值还需加上TOC的背景值，这个值往往估计存在有很大误差.因此，利用ΔLogR法对牛庄洼陷进行烃源岩TOC测井评价还是无法达到预期效果.
4 本文改进方法通过上述烃源岩TOC测井评价方法的分析，可以发现当这些方法应用于牛庄洼陷烃源岩TOC测井评价时，会出现精度不高甚至条件不符合的情况，对烃源岩TOC测井评价明显不足.本文对前人的方法进行改进，结合优质烃源岩具有高声波时差、高电阻率、高自然伽马和低密度的特点，建立一套改进的计算模型，尽量减小烃源岩TOC测井评价的误差.
4.1 测井评价烃源岩TOC改进依据东营凹陷多年来的油气勘探实践及分析测试资料证实，古近系烃源岩中有机质的分布存在明显的非均质性，这种非均质性不仅反映在不同环境形成的烃源层内，而且在相同沉积环境下形成的烃源层内也有所表现 (朱光有等，2003)，如果以地化资料作为评价牛庄洼陷地区烃源岩的主要依据，往往会出现以点带面，评价不准确的情况.纵向高分辨率连续的有机碳含量数据弥补了因取心不足而造成在区域范围内识别与评价烃源岩的困难 (闫建平等，2009).利用测井资料建立起测井曲线与有机碳含量的关系，能更好地分析评价牛庄洼陷地区烃源岩的有机碳含量.
牛庄洼陷沙三下亚段、沙四上亚段烃源岩地层埋深普遍位于2200~3500 m，在2100 m以下的沙三、沙四段由于生烃作用地层普遍超压，没有特殊岩性层段发育或者泥浆侵入，岩性以泥岩夹灰岩、砂岩为主，区内次级生长断裂发育，众多断层围绕生油洼陷呈环带状分布 (王秉海和钱凯，1992).这些条件使得自然伽马、电阻率和声波时差测井曲线在牛庄洼陷地区烃源岩TOC测井评价具有较好适用性.
4.2 计算模型的建立根据牛×0、牛×3、牛×6、牛×8和牛1×6井的测井资料，在2600~2800 m深度段，声波时差随深度的增大而减小，自然伽马值随深度的增大而减小；在2900m以下的深度声波时差随深度的增大而增大，自然伽马值随深度的增大而增大.
以牛1×6井测井曲线为基础，对实测TOC值以及分离变量 (lgR、Δt、Vsh) 做回归分析得到相关系数达到0.8003，说明它们有很好的线性关系.牛1×6井实测TOC值见表 1.
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表 1 牛1×6井实测TOC值 Table 1 Niu 1×6 well actual measured TOC values |
通过图 2、3可以得出分离变量 (ΔGR、logR、Δt) 与有机碳 (TOC) 呈线性关系，对实测TOC值以及分离变量 (ΔGR、logR、Δt) 做回归分析得到相关系数达到0.7912，说明它们有较好的线性关系.
结合公式 (1)(4)(5)，对声波时差进行地层压实作用、对电阻率进行地层温度影响以及对自然伽马进行泥质含量校正后得到：
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(8) |
系数a、b、c需要对同一地区不同井段测井数据进行数据回归拟合处理求得并使其成为经验常数.
以牛1×6井为推导公式的发起井，并作拟合公式得到a=-1.2，b=0.072，c=-0.4，d=-4.83.
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(9) |
利用该方法对牛×××井进行验证，计算TOC值与样品实测TOC值吻合较好.由图 5可知计算TOC值与实测TOC值绝对误差分布在0.4的点占总数的91.7%.这表明用本文改进的方法所建立的测井评价模型对牛庄洼陷地区进行烃源岩TOC测井评价具有较好的稳定性以及较高的可信度.
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图 5 牛×××井利用改进方法实测TOC值与计算TOC值相关关系图 Figure 5 The correlation graph of measured TOC values and calculated TOC values for Niu ××× well |
该方法在研究区进行TOC值预测时，误差较大的情况通常会出现在未压实地层储集层以及有机碳含量较低的地层.误差分析表明，总体上牛×××井TOC计算值与实测值吻合较好，实测TOC值大于2.5%时，相对误差值在0.67%~0.98%；其对应TOC值小于2.5%，为5.87%~33.45%.所以，在牛庄洼陷地区，有机碳测井响应效果呈两段式.当TOC大于2.5%时，计算与实测值误差小，测井响应效果好，TOC小于2.5%时，计算值与实测值误差很大，测井响应效果相对较差.这说明了测井资料对烃源岩测井响应，随有机碳的含量增大而效果显著，即对优质烃源岩 (有效烃源岩) 响应好.
综合各方面因素，认为该方法在井口数少、有机碳含量分布稳定、成熟度资料丰富的地区适用性较好.改进后的方法继承了传统方法的优点，并大量地减少了工作量，除去了基线读取时的误差，可以适用于钻井较多、烃源岩情况复杂的地区，适用性更强.当地层内TOC处于高值时，通过本文改进后的方法计算所得的有机碳含量也更加接近实际情况.
5 结论 5.1改进后的方法通过选取对烃源岩较为敏感的自然伽马、声波时差和电阻率等测井参数，建立起来的计算模型能够有效地评价研究区烃源岩的TOC含量.改进后的方法消除了研究区有机质分布所具有的明显的非均质性以及取心样品数量的有限性所带来的评价不准确的问题.
5.2利用改进后的模型计算TOC值与实测TOC值绝对误差分布在0.4的点占总数的91.7%，证实了该方法的可靠性以及求取研究区TOC值的准确性.本文改进后的方法为牛庄洼陷烃源岩TOC评价提供了一种新的方法，在研究区进行烃源岩TOC识别具有较好的适用性，并且取得了良好的应用效果.
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