陳宇航，姚根順， 劉震， 呂福亮，唐鵬程， 陳亮，趙千慧(1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京，10008；.中國石油杭州地質(zhì)研究院，浙江 杭州，100；.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京，109；.中海油研究總院，北京，10007)

?

利用地震信息定量預(yù)測烴源巖 TOC 質(zhì)量分數(shù)

陳宇航1,2，姚根順2， 劉震3， 呂福亮2，唐鵬程2， 陳亮4，趙千慧3
(1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京，100083；
2.中國石油杭州地質(zhì)研究院，浙江 杭州，310023；
3.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京，102249；
4.中海油研究總院，北京，100027)

摘要：基于烴源巖評價是低勘探程度區(qū)(深水、深層)油氣勘探工作中的重要環(huán)節(jié)，而烴源巖的有機碳(TOC)質(zhì)量分數(shù)往往決定該地區(qū)的資源潛力和油氣儲量規(guī)模，將地震資料和少量鉆井資料結(jié)合，通過地震速度反演對烴源巖的TOC質(zhì)量分數(shù)進行預(yù)測：對FAUST公式進行變換，建立用泥巖速度預(yù)測電阻率的模型，并結(jié)合ΔlgR法，建立少井約束地震預(yù)測TOC質(zhì)量分數(shù)模型。利用該模型對南海北部深水區(qū)C凹陷Y1段烴源巖TOC質(zhì)量分數(shù)進行預(yù)測。研究結(jié)果表明：凹陷邊緣三角洲相與海岸平原相TOC質(zhì)量分數(shù)較高，凹陷中心濱淺海相TOC質(zhì)量分數(shù)較低；TOC質(zhì)量分數(shù)分布與沉積相匹配良好，顯示了該預(yù)測方法在低勘探程度地區(qū)的可行性。

關(guān)鍵詞：低勘探地區(qū)；有機碳；ΔlgR法；有色反演

烴源巖預(yù)測及評價是油氣勘探工作中一個重要環(huán)節(jié)。而在低勘探程度地區(qū)尤其是深層、深水區(qū)，由于鉆井很少，烴源巖樣品有限，無法通過有機地球化學(xué)以及測井解釋方法對烴源巖進行評價。但低勘探程度地區(qū)地震資料豐富，可利用地震資料對烴源巖進行預(yù)測。前人通過相關(guān)研究，提出了許多利用地震資料預(yù)測和評價烴源巖的方法，并取得了較好的效果[1?5]，但他們通過地震資料預(yù)測及評價烴源巖的研究主要集中在烴源巖的厚度、烴源巖成熟度以及有機相類型等相關(guān)內(nèi)容上[3?5]，而對有機碳(TOC)質(zhì)量分數(shù)這一評價烴源巖質(zhì)量的重要指標研究較少。近年來，隨著三維地震的廣泛應(yīng)用，一些學(xué)者通過對三維地震資料提取多種屬性，建立不同地震屬性和烴源巖TOC質(zhì)量分數(shù)之間的經(jīng)驗公式，得到三維TOC質(zhì)量分數(shù)的數(shù)據(jù)體，以此來預(yù)測烴源巖TOC質(zhì)量分數(shù)[6]。但是，目前在低勘探地區(qū)尤其是深水區(qū)，三維地震資料主要覆蓋在凹陷的邊緣或凸起處等構(gòu)造圈閉和地層圈閉較發(fā)育的區(qū)域，而烴源巖的主要發(fā)育部位即凹陷中心主要被二維地震資料所覆蓋，三維地震覆蓋面積很小，無法通過這種方法對整個凹陷烴源巖 TOC 質(zhì)量分數(shù)分布進行有效預(yù)測和評價。針對上述問題，本文作者利用二維地震資料以及少數(shù)井資料，以井為控制點，通過FAUST 公式的逆變換建立泥巖電阻率與泥巖速度的響應(yīng)關(guān)系，并結(jié)合 ΔlgR 法預(yù)測烴源巖TOC 質(zhì)量分數(shù)的方法，建立少井約束地震預(yù)測TOC質(zhì)量分數(shù)模型。應(yīng)用該方法，對南海北部深水區(qū)C凹陷烴源巖主要發(fā)育層位 Y1段烴源巖 TOC 質(zhì)量分數(shù)的平面分布進行預(yù)測。

1　建立泥巖電阻率與泥巖速度的響應(yīng)關(guān)系

FAUST 提出了用于表征深度約束條件下巖層的電阻率與聲波速度之間統(tǒng)計關(guān)系的經(jīng)驗公式[7]，即FAUST公式：

式中：v 為聲波速度，m/s；K，C 和 d 為不同地區(qū)地層經(jīng)驗系數(shù)，可利用測井中的 v 和 Rt，按照 FAUST公式求取。H為深度，m；Rt為電阻率，Ω?m。FAUST公式并不適用于所有地層。由于聲波時差曲線和電阻率曲線不僅受巖性的影響，而且?guī)r石孔隙中的流體對電阻率的影響比聲波的影響更大，因此，只有在電阻率曲線與聲波曲線存在較好對應(yīng)關(guān)系的地層中，F(xiàn)AUST公式才適用[8]。一般地，F(xiàn)AUST公式較適用于泥巖和較致密的砂巖，因為這類地層的電阻率與聲波時差曲線受孔隙流體影響較小，變化趨勢較穩(wěn)定，具有比較好的對應(yīng)關(guān)系。由式(1)可得

式中：k 和 b 為常數(shù)。電阻率 Rt與ln(v/H)存在統(tǒng)計上的線性關(guān)系，由此可通過該地區(qū)泥巖的聲波時差預(yù)測泥巖的電阻率。聲波時差?t為速度v的倒數(shù)，在井控區(qū)域之外，可以利用地震資料反演獲得地層速度，以完成對泥巖層段的電阻率預(yù)測。

2　優(yōu)化ΔlgR 法

在一般情況下，泥巖富含黏土礦物，故相對于砂巖，泥巖的自然伽馬值 GR更高。當泥巖富含有機質(zhì)時，由于有機質(zhì)密度小于巖石骨架密度，降低了泥巖的速度，在聲波時差曲線上具有高值響應(yīng)，而成熟烴源巖內(nèi)生成油氣，在電阻率曲線上顯示為高值異常[9]，因此，在泥質(zhì)地層中，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)低的層段，電阻率曲線和聲波時差曲線之間的差異(間距)較小，而在富含有機質(zhì)、成熟烴類的層段，2條曲線差異(間距)較大[10]。

基于以上原理，P ASSEY等[10]提出聲波?電阻率曲線重疊法(ΔlgR法)預(yù)測烴源巖TOC質(zhì)量分數(shù)。將聲波時差曲線和電阻率曲線疊加在一起，在刻度上每2個對數(shù)電阻率刻度對應(yīng)的聲波時差為100 μs/m。通過左右調(diào)整測井曲線的位置，使得 2條曲線在非烴源巖泥質(zhì)層段重合，視為基線。ΔlgR法主要計算公式如下：

式中：?l gR 為聲波時差曲線和電阻率曲線疊合幅度差；Rt為電阻率，??m；R基線為基線電阻率，??m；Δt為聲波時差，μs/m；Δt基線為基線的聲波時差，μs/m；w(TOC)為有機碳質(zhì)量分數(shù)；LOM為熱變指數(shù)，反映有機質(zhì)成熟度，與TOC質(zhì)量分數(shù)有一定對應(yīng)關(guān)系，用鏡質(zhì)體反射率Ro代替LOM也是目前較常用方法[11]。但在低勘探程度地區(qū)，鉆井很少，烴源巖樣品有限，缺乏足夠的 Ro實測數(shù)據(jù)，無法建立其與 TOC 質(zhì)量分數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，且在一定層段內(nèi)，可將Ro視作常數(shù)，故式(4)可變?yōu)?/p>

其中：a和c為常數(shù)。

3 構(gòu)建低勘探程度地區(qū)少井約束地震預(yù)測 TOC 質(zhì)量分數(shù)模型

根據(jù)以上分析可知，ΔlgR 法預(yù)測烴源巖 TOC 質(zhì)量分數(shù)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)是聲波時差和電阻率。利用FAUST公式的變換式(式(2))，可以獲得泥巖電阻率。聲波時差是速度的倒數(shù)，在低勘探程度地區(qū)，可以通過地震資料反演獲得的速度代替聲波時差。因此，結(jié)合FAUST 公式以及 ΔlgR 法，可以據(jù)地震速度構(gòu)建低勘探程度地區(qū)的烴源巖TOC質(zhì)量分數(shù)預(yù)測模型。

將式(2)代入式(3)，可得

將式(7)和式(6)合并，得到烴源巖 TOC 質(zhì)量分數(shù)最終預(yù)測模型為

該模型將測井資料和地震資料結(jié)合，對TOC質(zhì)量分數(shù)進行預(yù)測。其中R基線和Δt基線通過測井資料獲得，速度v通過地震資料反演獲得，而深度H則通過研究區(qū)的時深關(guān)系獲得。

4　應(yīng)用效果分析

4.1模型建立

C 凹陷位于深水區(qū)，勘探程度很低，目前只有1口鉆井。采用傳統(tǒng)的烴源巖TOC質(zhì)量分數(shù)預(yù)測方法無法對整個凹陷烴源巖TOC質(zhì)量分數(shù)分布進行預(yù)測，而利用本文建立的少井約束地震預(yù)測 TOC 質(zhì)量分數(shù)模型，可以將二維地震資料和少量井資料結(jié)合起來，對整個凹陷烴源巖發(fā)育層段烴源巖 TOC 質(zhì)量分數(shù)分布進行預(yù)測。

C 凹陷主要烴源巖的發(fā)育層段為古近系漸新統(tǒng)的Y1段，主要發(fā)育海陸過渡相。通過 Well-1井巖性柱剖面可以看出：在古近系 Y1段地層中，發(fā)育大套淺海相泥巖以及粉砂質(zhì)泥巖，夾有薄層的濁積水道砂巖。測井曲線顯示：泥巖的電阻率和聲波時差在 Y1段變化趨勢穩(wěn)定，而在砂巖層段以及 Y1段底部電阻率曲線變化幅度較大，質(zhì)量較差。對該井實際資料進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)該井在 Y1段上部和中部泥巖的聲波時差與電阻率具有良好的統(tǒng)計關(guān)系(見圖1)，說明在這該層段可以通過式(2)，利用泥巖聲波時差來獲得其電阻率。

圖1　C凹陷Well-1井Y1段測井沉積相圖Fig.1　Logging sedimentary facies map of Y1member in well1inC sag

對Rt和ln(v/h)進行擬合(見圖2)，確定Rt和ln(v/h)對應(yīng)關(guān)系為

從圖2可以看出：該井 Y1段泥巖的電阻率 Rt和ln(v/h)線性關(guān)系擬合度較高，相關(guān)系數(shù)R2為0.848 9。

圖2C凹陷Well-1井Y1段Rt?ln(v/h)交會圖Fig.2Correlation of Rt and ln(v/h)of Y1member in Well-1ofC sag

利用測井曲線和巖心資料，將電阻率、聲波曲線重疊，確定R基線=1.7633Ω?m，Δt基線=350.3303μs/m，利用聲波時差 t ?和經(jīng) t ?計算得到的電阻率 Rt來計算ΔlgR，將 ΔlgR 與實測 TOC 質(zhì)量分數(shù)進行交會，見圖3最終確定TOC質(zhì)量分數(shù)的預(yù)測模型為

圖3　C凹陷Well-1井Y1段TOC質(zhì)量分數(shù)與ΔlgR交會圖Fig.3　Correlation of ΔlgR and TOC mass fraction of Y1member in Well-1ofC sag

由該預(yù)測模型可以看出 ΔlgR和 TOC 質(zhì)量分數(shù)存在正相關(guān)關(guān)系，即 ln(v/H)和 TOC 質(zhì)量分數(shù)存在正相關(guān)關(guān)系，這也符合 ΔlgR 預(yù)測原理。Rt和 t ?的2條曲線差異(間距)越大，泥巖 TOC 質(zhì)量分數(shù)的質(zhì)量分數(shù)越高。

4.2誤差分析

為檢驗該預(yù)測模型的精確性，以實測樣本集中的Well-1井Y1段為例，比較TOC質(zhì)量分數(shù)計算值與實測值之間的誤差，見表1。從表1可知：TOC質(zhì)量分數(shù)最大相對誤差為 9.97%，最小相對誤差為 0.55%，平均相對誤差為4.79%，表明利用此方法預(yù)測的TOC質(zhì)量分數(shù)具有較高的精度，可以作為該地區(qū)烴源巖TOC質(zhì)量分數(shù)的預(yù)測方法。

表1　TOC質(zhì)量分數(shù)計算結(jié)果誤差統(tǒng)計表Table1　Error ofCalculated mass fraction of TOC

4.3TOC質(zhì)量分數(shù)平面分布預(yù)測

通過以上研究可以看出泥巖速度是預(yù)測 TOC 質(zhì)量分數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)，目前一般利用地震資料反演獲得地層巖性速度。但在深水區(qū)，鉆井資料十分有限，采用常規(guī)地震速度反演方法并不能保證提取地震子波的準確性，進而會影響反演速度的精度。針對上述情況，本研究采用有色反演的方法來完成地層巖性速度反演。

有色反演是將有色濾波理論應(yīng)用到地球物理反演領(lǐng)域而形成的一套方法，該法只需1個濾波過程即可達到反演目的，不需提取地震子波，不用建立初始模型，在反演過程中人為影響少，能夠反映真實地質(zhì)現(xiàn)象，在少井的深水區(qū)非常適用[12?14]。目前，有色反演在井震層序地層格架建立、層序解釋構(gòu)造、地震相研究、巖性圈閉預(yù)測等領(lǐng)域均獲得較好的應(yīng)用效果。

有色反演方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是提取有色濾波因子，濾波因子由測井和地震信息共同決定。有色反演方法主要包含4步：1)單井波阻抗頻譜分析(圖 4(a))，擬合出井波阻抗能量曲線(圖 4(b))；2)井旁地震道頻譜分析(圖4(c))，擬合出地震波阻抗能量曲線(圖4(d))；3)地震道頻譜和單井波阻抗頻譜通過匹配算子使其匹配(圖 4(e)和圖 4(f))；4)利用匹配算子進行全部地震剖面計算，完成反演。

通過有色反演獲得的是地層的相對速度(圖5(a))，而利用研究區(qū)的速度譜插值獲得的是低頻速度(圖5(b))，將相對速度和低頻速度疊加，即可獲得能夠反映地層真實情況的絕對速度(圖5(c))。

將反演得到井旁地震道的絕對速度和聲波測井速度進行對比，結(jié)果見圖 6。井旁地震道絕對速度與測井聲波速度平均相對誤差為 6.59%，誤差較小。以聲波測井速度為標準，取絕對速度與聲波測井速度絕對誤差的平均值作為絕對速度的誤差校正量，據(jù)此校正量對合成的地震絕對速度進行誤差校正可獲得更精確的地層速度，進而提高烴源巖TOC質(zhì)量分數(shù)定量預(yù)測的精度。

通過有色反演獲得的相對速度對地層巖性的變化十分敏感，因此，首先通過有色反演的結(jié)果確定地層中泥巖位置，然后確定相應(yīng)位置泥巖的絕對速度，將泥巖的絕對速度以及對應(yīng)的深度代入預(yù)測模型，即可計算出該位置泥巖的TOC質(zhì)量分數(shù)。

通過以上方法，對C 凹陷有利烴源巖發(fā)育層段Y1段TOC質(zhì)量分數(shù)平面分布進行預(yù)測，將TOC質(zhì)量分數(shù)等值線圖和沉積相分布圖疊合，見圖7。

圖4有色反演原理示意圖Fig.4Schematic diagrams ofColor inversion theory

從圖7可以看出：TOC質(zhì)量分數(shù)在凹陷邊緣較高，達6%左右，從凹陷邊緣向凹陷中心逐漸降低，從6%逐漸減至1%左右；相應(yīng)地，在沉積相分布上，凹陷邊緣主要發(fā)育海岸平原相和三角洲相，其中海岸平原相為低能還原環(huán)境，而三角洲相距離物源較近，2 種沉積相均有利于有機質(zhì)的富集和保存，故與TOC質(zhì)量分數(shù)高值區(qū)相對應(yīng)；凹陷中心主要為濱淺海相，物源供給有限，并缺少低等水生生物的貢獻，有機質(zhì)堆積相對減少，不利于烴源巖的發(fā)育，故TOC質(zhì)量分數(shù)較低，預(yù)測結(jié)果與前人預(yù)測的南海北部相鄰地區(qū)烴源巖有機相分布結(jié)果相符[15?16]。可見，通過該方法預(yù)測的烴源巖 TOC 質(zhì)量分數(shù)平面分布和沉積相分布在整體上具有良好的匹配關(guān)系。

圖5　地層相對速度、低頻速度和絕對速度剖面Fig.5　Profiles of relative velocity,low frequency velocity and absolute velocity of earth layer

圖6　C凹陷Well-1井井旁地震道絕對速度與測井聲波速度對比圖Fig.6　Comparison of uphole trace and acoustic velocity in Well-1inC sag

圖7　C凹陷Y1段TOC質(zhì)量分數(shù)及沉積相平面分布圖Fig.7　TOC mass fraction and sedimentary facies map of Y1member inC sag

5 結(jié)論

1)針對低勘探地區(qū)鉆井稀少的特點，利用地震和1口井的測井資料，應(yīng)用 FAUST 公式和 ΔlgR 法，建立了少井約束地震預(yù)測TOC質(zhì)量分數(shù)模型。利用該模型，對南海北部深水區(qū)C凹陷Y1段烴源巖的TOC質(zhì)量分數(shù)進行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)凹陷邊緣海岸平原、三角洲等沉積相TOC質(zhì)量分數(shù)較高，而凹陷中心濱淺海相TOC質(zhì)量分數(shù)較低，預(yù)測結(jié)果與沉積相具有良好的匹配關(guān)系。

2)雖然地震資料的預(yù)測精度略低于鉆井資料的預(yù)測精度，但在低勘探地區(qū)，在鉆井極少的條件下，綜合地震?測井資料，可應(yīng)用 FAUST 公式和 ΔlgR 法構(gòu)建的少井約束地震預(yù)測TOC質(zhì)量分數(shù)模型，對烴源巖TOC質(zhì)量分數(shù)進行預(yù)測。

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(編輯 陳燦華)

Total organicCarbon quantitative prediction using seismic information

CEHN Yuhang1,2,YAO Genshun2,LIU Zhen3, Lü Fuliang2, TANG Pengcheng2,CHEN Liang4, ZHAO Qianhui3
(1.Research Institute of Petroleum Exploration and Development,CNPC,Beijing100083,China? 2.PetroChina Hangzhou Institute of Geology,Hangzhou 310023,China? 3.College of Geoscience,China University of Petroleum,Beijing102249,China? 4.China National Offshore OilCorporation Research Institute,Beijing100027,China)

Abstract:Considering that source rock evaluation is an important step of the whole process of oil and gas exploration in low exploration areas(deep water,deep layer),where the mass fraction of total organicCarbon(TOC)of source rocks determines the resource potential and oil and gas reserves,based on theCombination of seismic data and a few of drilling data,the mass fraction of TOCCould be quantitatively predicted by seismic velocity inversion.The mudstone resistivity prediction model was established by velocity based on the FAUST equation-transformation.Furthermore,less wellConstrained seismic prediction model of mass fraction of TOC was built inCombination with ΔlgR method.The mass fraction of TOC ofC Sag of Y1Member in the north of SouthChina Sea was predicted by using this model.The results show that the mass fraction of TOC of the delta andCoastal plain facies on the edge of the Sag is higher than that of shore-neritic facies in the sagCenter.The results areConsistent with those of sedimentary facies,which verifies the reliability of this method.

Key words:low exploration areas?total organicCarbon?ΔlgR method?color inversion

中圖分類號：TE122.1

文獻標志碼：A

文章編號：1672?7207(2016)01?0159?07

DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.023

收稿日期：2015?02?04；修回日期：2015?04?22

基金項目(Foundation item)：國家科技重大專項(2011ZX05025-004)(Project(2011ZX05025-004)supported by the National Major Science and Technology)

通信作者：陳宇航，博士研究生，從事深水油氣地質(zhì)相關(guān)研究；E-mail:C1988yh@163.com