0 引言

随着石油工业的发展,页岩气、煤层气、致密油、天然气水合物等非常规油气资源的勘探开发逐步成为当下和未来石油工业一个重要研究方向(孙赞东等,2011).在众多类型的非常规油气资源中,致密油由于其分布普遍、资源潜力大等特点,日益受到能源行业的重视,被石油工业界誉为“黑金”(Johnstone,2007),成为非常规油气中除页岩气外另一个勘探开发重点(邹才能等,2012；贾承造等,2012a).当前,致密油已在全球能源结构中扮演重要角色,美国等西方国家已对其进行了商业性开发(Daniel et al., 2009；卢雪梅,2011；林森虎等,2011；邹才能等,2011).虽然中国致密油资源也十分丰富,但对其勘探开发和相关研究仍处于起步和探索阶段(关德师等,1995),有必要加大勘探与研究力度.致密油是指夹在或紧邻优质生油层系的致密碎屑岩或者碳酸盐岩储层中,未经过大规模长距离运移而形成的石油聚集.与常规油气相比,其具有储层致密(渗透率小于0.1mD,孔隙度小于10%),资源丰度低,大面积含油气,“甜点”局部富集,不受圈闭控制等特征(图 1)(赵政璋和杜金虎,2012；贾承造等,2012b).

烃源岩评价是一切油气综合评价的基础,烃源岩品质决定了致密油的富集程度,烃源岩的评价工作也成为致密油勘探的重要任务之一.有机碳含量(TOC)是烃源岩评价中反映岩石有机质丰度最主要的一个指标,是进一步开展工作的重要依据.因此,TOC定量预测是致密油烃源岩评价的首要任务.在油气勘探初期,岩心资料不足的情况下,一般通过测井评价方法来评价烃源岩,即通过建立烃源岩测井定量预测模型来计算烃源岩TOC(张志伟和张龙海,2000；徐思煌和朱义清,2010).烃源岩测井定量预测模型在常规油气资源烃源岩评价中已广泛应用,并取得良好的效果(张寒和朱光有,2007；宋占东等,2009；闫建平等,2009；高阳,2013；李延钧等,2013；袁彩萍等,2014).但是这些模型在非常规油气勘探中应用效果如何,哪一种模型最适合致密油勘探,具有何种规律,都是未知的.因而,有必要针对上述问题展开进一步的研究.本文在介绍对比两种典型烃源岩定量评价方法及对应模型原理基础上,分析这两种方法在鄂尔多斯盆地延长组长7段烃源岩评价中的实际应用效果,优选出最佳致密油烃源岩评价方法.

1 烃源岩测井响应特征

烃源岩是指富含有机质、在地质历史过程中生成并排出了或者正在生成和排出石油和天然气的岩石.有机质具有独特的物理化学性质,使得烃源岩与非烃源岩的测井响应具有明显的差别.研究表明,富含有机质的烃源岩在测井上具有高伽马、低密度、高声波时差、高电阻率、高中子孔隙度等基本特征(马正,1994).

原理如下:(1) 烃源岩层常富含U等放射性元素,致使自然伽马和能谱测井曲线常呈现高异常；(2) 烃源岩一般为富含有机质的泥岩、页岩、泥质灰岩等,固体有机质的密度在1.0 g/cm³左右,导致其岩石密度大多低于围岩,因而其密度曲线以低异常为特征；(3) 烃源岩中有机质本身的特性导致其具有较低的声波传播速度,进而表现出高声波时差响应特征；(4) 烃源岩层富含的有机质属于不易导电物质,结果即是电阻率曲线测井响应表现为高电阻率；尤其当烃源岩处于生烃高峰阶段,电阻率会因生烃作用而大幅增加；(5) 烃源岩一般含氢量高,导致其中子孔隙度曲线呈现偏高的特点.

2 经典定量评价方法

自研究人员认识到有机碳含量与测井参数之间存在响应关系之后,使用测井方法评价烃源岩便成为一个发展趋势.20世纪70、80年代,科学家相继提出了多种定量评价方法及相应的预测模型.评价方法也从初始的单参数等效体积构成评价方法(Beers,1945；Schmoker,1981；徐思煌和朱义清,2010)、双参数交汇图半定量评价方法(Meyer and Nederlof, 1984；徐思煌和朱义清,2010),逐步演化为测井曲线叠合评价方法(即ΔLogR法)、多元线性回归评价方法等.其中ΔLogR法和多元线性回归法为两种常用的经典方法,在烃源岩定量预测中具有重要的作用.

2.1 ΔlogR法

ΔlogR 方法是埃克森(Exxon)和埃索(Esso)公司于1979年提出的一种利用测井资料识别和计算烃源岩层TOC的一种方法(Passey et al., 1990).在该方法中,声波时差曲线与电阻率曲线叠合在一起.其中,一个电阻率对数刻度对应声波时差-164 μs·m^-1,当两条曲线在一定范围完全重叠时为基线(E 段),即为非烃源岩层段；若两条曲线存在幅度差(记为ΔlogR,F段),便为烃源岩段(朱振宇等,2003)(图 2).ΔlogR、TOC二者为线性关系,并且是成熟度的函数.如果成熟度值可以求得,便可将ΔlogR 幅度差值直接转换为TOC值.Passey等(1990) 经过大量统计分析后,提出TOC的计算图版(图 3),并得到了相应的经验公式为

(1)

(2)

(3)

式中: ΔlogR为电阻率曲线与声波时差曲线的分离间距值；R代表实测电阻率(Ω·m)；Δt代表声波时差(μs·m^-1)；R_基线和Δt_基线分别代表基线对应的电阻率(Ω·m)和声波时差(μs·m^-1)； LOM是反映有机质成熟度的热变指数,可以根据大量样品分析(常见的为镜质体反射率分析)得到,也可从埋藏史和热史评价中得到.

2.2 多元线性回归方法

多元线性回归方法是另外一种较为常用的测井评价方法,同样适用于烃源岩有机碳含量测井评价.该方法中,可以综合利用多种反映有机碳含量的测井参数,如铀的含量、铀/钾比、密度、中子孔隙度、声波时差、电阻率等.以有机碳含量为因变量,以单一或多种测井参数为自变量可以建立一元、二元或多元回归方程,并以这些方程为基础建立定量预测模型.

在线性回归实验分析TOC影响因素的基础上,确定最佳的定量预测模型(Fertl and Chilingar, 1988；Passey et al., 1990；刘新颖等,2009).该方法具有两大特点：(1) 以多因素为自变量的模型要优于单因素为自变量的模型；(2) 不同地区,影响因变量的主控自变量可能不同,使得不同地区定量预测模型存在差异(刘新颖等,2009)；即多元线性回归方法具有很强的地域性,在不同的地区计算公式不同.

3 实例应用 3.1 研究区烃源岩地质特征

鄂尔多斯盆地地处中国大陆中部,位于华北地台的西部,北起阴山,南至秦岭,东抵吕梁山,西达六盘山一带,地跨陕、甘、宁、蒙、晋五省区,面积近37×10⁴ km²,是我国第二大沉积盆地.根据盆地基底性质、现今构造形态及分布特征,可将盆地划分为伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、天环坳陷及西缘逆冲带六个一级构造单元(图 4).鄂尔多斯盆地主要发育古生界和中生界两套烃源岩层系,其中古生界主要包括奥陶系烃源岩(主要是泥岩、泥质灰岩、碳酸盐岩)和石炭—二叠系烃源岩(主要是暗色泥岩与煤).中生界以侏罗系延安组煤系与上三叠统延长组暗色泥岩为主要烃源岩.延长组储集层成熟度低,成岩作用强,岩石颗粒细、分选差、胶结物含量高,储集空间变化大、非均质性强(王道富等,2007),油气藏呈现出储集层致密、预测难度大、成藏机理复杂、单井产量不高等特点(薛良清等,2002),是中国典型的致密油油藏发育区.

有机质丰度是评价烃源岩生烃潜力的重要参数.目前常用的有机质丰度指标主要有有机碳含量(TOC)、岩石热解生烃潜量(S₁+S₂)、氯仿沥青“A”和总烃(HC)含量等.其中有机碳含量是最常用的有机质丰度指标,虽然岩石在埋藏生烃过程中会损失一部分有机质,但相对于全部有机质而言,其损失量较少,因此目前测定的岩石中残留有机碳含量仍能反映岩石中原始有机质的丰度；岩石热解生烃潜量是评价岩石生烃潜力的直接和较有效的参数；氯仿沥青“A”、总烃含量在一定程度上可反映烃源岩中有机质的丰度,因此,可以用 以上四项指标评价岩石中有机质的丰度.在不同的沉积环境下形成的烃源岩有机质丰度评价标准不同,本文参考采用“中国陆相烃源岩有机质丰度评价标准”(表 1)的一部分.

据近期的研究成果(张文正等,2006；张妮妮等,2013)可知,鄂尔多斯盆地延长组长7段高阻泥岩有机质丰度高,有机碳含量最低值均大于5％,通常有机碳含量一般大于10％,氯仿沥青“A”大于0.6%.高阻泥岩干酪根镜下观察鉴定为Ⅰ型或Ⅱ型.长7生油岩较高的热解峰温(440～455 ℃)和较高的产率指数(S₁/(S₁+S₂))反映出长7生油岩已达成熟阶段.

在鄂尔多斯盆地延长组长7段烃源岩岩心分析测试的基础上,总结得出鄂尔多斯盆地延长组长7段烃源岩有机质丰度特征表(表 2),将表 2数据与表 1进行对比证明延长组长7段具高有机碳含量、高氯仿沥青“A”、高总烃含量、高生烃潜量的特点,属于优质烃源岩.

下文以盆地内姬塬油田(图 4)延长组长7段烃源岩定量评价为例来判断前述两种定量评价方法在致密油烃源岩预测中的适用性.在姬塬油田,取心井有很多口,其中G196井采样最多、资料最为齐全.因此以该井为重点分析对象,并结合其他几口相邻井资料来对此问题进行探讨研究.

3.2 ΔlogR 技术模型的应用

鄂尔多斯盆地经过几十年的钻探,测井资料十分丰富,大部分探井都有声波时差、电阻率等测井曲线.

本次研究分析了大量样品的地球化学参数,并通过对G196井及邻近井区岩心资料的测试,得到取心段的有机碳含量值(下文统称TOC_实测).通过对G196井及相邻井区测井数据的读取,获得了实测电阻率R(Ω·m)和声波时差Δt(μs·m^-1)等相关数据.通过对图 5中G196井电阻率曲线和声波时差曲线的读取,可以获得R_基和Δt_基.采用公式(1) 求得ΔlogR.

结合G196井及邻井的ΔlogR和TOC_实测数据,采用图 3的定量图版可求得Lom=11.通过过公式(2) 便可得出TOC计算值(下文统称TOC_计算).

将G196井测试出的TOC_实测制作成棒状图并与计算得出的TOC_计算曲线在图 5中进行对比可知：二者吻合性较好,规律性较强.在缺乏实测样品的井段亦预测出多段TOC高于1%、厚度大于4 m的烃源岩层,最大厚度甚至可达40 m.根据前人研究,鄂尔多斯盆地延长组长7段烃源岩具有单层厚度大(厚度在3～80 m之间)的特点.在图 5中,通过计算预测的烃源岩层厚度大约为4 m,符合该区的烃源岩特征.同时,绘制了G196井TOC_实测和TOC_计算关系图(图 6).在图 6中TOC_实测和TOC_计算(单位%)值大部分大于2,且以4～10之间居多.按照我国陆相烃源岩有机质丰度评价标准,该钻井长7段烃源岩整体上都为好烃源岩.

接下来笔者通过该模型预测了姬塬地区另外数口井的烃源岩TOC值,得出的结果与G196井效果相似,表明该方法可以广泛验证,具有可行性与可推广性.说明ΔlogR法在本地区的应用是合适可行的.

3.3 多元线性回归法的应用

(1) 烃源岩有机碳与各种测井的相关性

通过统计并绘制鄂尔多斯盆地姬塬地区11口典型钻井延长组长7段岩心样品101个实测TOC数据与对应深度测井参数的的关系图,发现本区延长组长7段致密油烃源岩有机碳含量(TOC)与自然伽马曲线(GR)、声波时差(Δt)、电阻率(R)等三种测井参数存在正相关性,但是相关系数均不高；对应的相关系数分别是0.46、0.49、0.26.与地层密度(ρ)测井参数存在负相关关系,相关系数为0.55. 说明TOC与这4种测井曲线的响应程度存在一定的差异(图 7).所以,在优选TOC定量评价方法时,可以建立单个测井参数的一元回归方程模型及综合两种或者多种参数的二元回归方程、多元回归方程模型并对它们的应用效果进行比较,找到最佳预测模型(杜江民等,2016).

(2) 定量预测模型优选

为了获得最佳的烃源岩TOC定量预测模型,通过运用多元统计分析软件(SPSS),以上述11口井101个延长组长7段烃源岩TOC为因变量,以样品点相同深度的自然伽马、声波时差、电阻率、地层密度参数为自变量,进行了多种模型的试验、对比,优选过程及结果如表 3所示.结果表明,TOC与上述单个测井参数拟合效果,均不是太好； 尤其是均不如多参数综合拟合的效果好.总体来说,拟合效果随着测井参数数量由单一、两个、三个、到四个的逐步增加而逐渐变好.其中双参数以自然伽马和密度测井两种参数拟合效果最好,相关系数可达0.56.三参数以自然伽马、密度、声波时差三个参数拟合效果最好,相关系数可达0.57.四个参数模型与三参数拟合效果相近,相关系数为0.57.总体看来三参数模型在所有模型中拟合效果最佳,回归估计的标准误差最小,属于最佳模型.但是从该表中也可看出以自然伽马、密度为参数的双参数模型与四参数模型相关系数差别不是很大,误差也比较接近.由于双参数模型与三参数、四参数模型拟合效果相似,但是使用的参数最少,可为实际工作带来便利.因此,认为双参数模型一定程度上可以作为最佳预测模型来使用.

(3) 定量预测结果验证

得出了最佳预测模型之后,需要运用实际工作资料对其进行验证.同样,选取了鄂尔多斯盆地姬塬地区G196井延长组长7段为研究实例.一方面,将四种测井参数曲线与实测TOC值的棒状趋势线进行了对比,发现四个参数曲线与棒状图有一定的相干关系；另一方面,利用表 3中的几个定量预测模型对G196井长7部分井段烃源岩TOC进行了预测,获得了连续井段的计算TOC曲线,将离散的实测TOC数据以棒状投在几条曲线上,可发现实测数据棒状趋势图与双参数模型计算出的TOC曲线具有最好的一致性,预测效果良好,证明我们选取的模型确实为多元线性回归最佳模型(图 8).

最后,结合图 8综合分析ΔlogR法与多元线性回归法在本地区的适用性.研究发现,在本地区各种多元线性回归模型均不如ΔlogR模型预测效果好.发生这种情况的原因可能有以下几点：

(1) ΔlogR方法在成熟度资料丰富、有机碳含量分布稳定的地区适用性较好,本地区烃源岩厚度较大,地层稳定,更加适用于本方法.

(2) 研究区烃源岩主要呈厚层状分布,有机质含量受多种因素影响,烃源岩有机质含量的变化引起的测井响应特征不够敏感,仅用简单的线性回归的方法来求取烃源岩有机质含量误差较大.

(3) 研究区烃源岩测井曲线高特征源于烃源岩中TH、K、U三种元素的存在.但是K主要来自钾长石,而TH主要反映的是粘土矿物的含量,只有U的富集程度与有机质含量的高低密切相关.因而测井曲线高特征并不能准确反映有机碳含量较高,存在误差.

(4) 使用多元线性回归方法时,各测井参数值本身存在一定的误差,再加上测井环境及测井仪器的影响,所获得的测井曲线数值会有所偏差,导致在进行回归时,TOC_计算与TOC_实测存在一定的偏差.

4 结论 4.1  

在测井响应的基础上,可以运用多种测井评价方法来评价烃源岩,具体表现为通过建立相应的测井定量预测模型并进行高精度预测.ΔlogR法与多元线性回归方法为典型且常用的两种烃源岩有机碳含量评价方法.

4.2  

鄂尔多斯盆地姬塬地区延长组长7段烃源岩用ΔlogR法计算出的有机碳含量值TOC_计算与有机碳含量实测值TOC_实测二者的拟合度很高.多元线性回归方法中,以双参数模型为最佳预测模型.综合比较,ΔlogR法为该地区最好的烃源岩评价方法.

4.3  

致密油烃源岩测井评价方法与常规烃源岩测井评价方法在研究方法和思路选取方面具有共同点,均可以利用常规预测方法来预测致密油烃源岩TOC；但是由于致密油其本身的源储特征,使得致密油烃源岩评价较常规烃源岩评价而言,需要更深入的认识以及更高的评价精度,对评价方法有较高要求.因此,针对致密油油藏的勘探开发工作,需要对各种评价方法进行优选对比来确定最适合的评价方法.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！