基于测井信息的烃源岩定量评价方法

宋延杰， 孙钦帅， 张晓军， 冯景和

(1.东北石油大学 地球科学学院， 黑龙江 大庆 163318； 2.东北石油大学 非常规油气成藏与开发省部共建国家重点实验室培育基地， 黑龙江 大庆 163318； 3.延长油田井下作业工程公司， 陕西 延安 716000)

0 引 言

烃源岩的识别与评价工作对油气田勘探与开发有着举足轻重的意义。常规岩心样品化验分析虽能提供较为可靠的烃源岩热解参数数据等地球化学信息，但受限于岩心数量、化验费用等因素，难以获取垂向的连续分析数据。利用测井资料纵向分辨率较高、垂向上数据连续准确的优点可以间接地指示地层的岩性及流体情况，为烃源岩的识别与评价提供更加准确的参数。目前，利用地球物理资料进行烃源岩有机质丰度评价成为一大热点[1-2]。

埃克森(Exxon)与埃索(Esso)公司最先将ΔlgR技术运用于碳酸盐岩及碎屑岩TOC计算中并获得了较好的效果，国内学者将该方法引入我国各盆地烃源岩的研究中，给烃源岩评价工作提供了较大帮助[3-5]。近几十年来，学者利用测井信息对烃源岩的有机质丰度评价做了许多工作[6-7]，出现了碳氧比测井法[8]、神经网络法、ΔlgR法[9]等一系列定量计算TOC的方法[10-12]，一些学者提出利用回归方法建立测井响应与热解生烃潜量(S1+S2)间的关系以对S1+S2进行定量评价[13]。针对缺乏特殊测井资料、仅利用常规测井信息难以对烃源岩总有机碳含量(TOC)及热解生烃潜量(S1+S2)进行有效的综合评价这一问题，文中以岩心热解参数数据及实测测井资料为基础，依据测井响应与样品分析化验数据的关系，详述了4种通用总有机碳含量(TOC)、2种热解生烃潜量(S1+S2)的测井定量评价方法，在W凹陷进行试用并对计算结果进行定量对比分析，以期为研究区的烃源岩评价以及勘探工作提供帮助。

1 烃源岩基本特征

W凹陷含油气构造较为发育且油源条件较为充足，自下而上发育4套主力烃源岩系。其中E层岩性剖面主要为泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩和炭质泥岩，具有较强的生烃能力且为良好的储集层，为研究区主要勘探目的层。通过对目的层位实测TOC、氯仿沥青“A”，总烃及生烃潜量等数据进行统计，得到TOC、氯仿沥青“A”以及热解生烃潜量(S=S1+S2)的频率分布直方图(图1a～c，频率占比为k)。根据SY/T 5375—1995陆相烃源岩评价标准(详见表1)可以看出，研究区生油岩类型以中等至好生油岩为主。通过镜质体反射率Ro频率分布直方图(图1d)可以看出，E层烃源岩以成熟烃源岩为主，处于油气大量生成的阶段。

图1 研究区实测结果

表1 陆相烃源岩有机质丰度评价标准(SY/T 5735—1995)

2 总有机碳含量定量计算方法

由于测井响应资料垂向上深度连续、分辨率较高，且可以间接反映地层的岩性及流体性质，因此TOC与测井信息之间关系方面的研究从未停歇，许多学者也建立了相应的计算模型[14]。文中利用研究区测井曲线对烃源岩的异常响应的特点，分别通过单因素分析法、多元回归法[15]、改进ΔlgR法、主成分回归法对TOC进行计算求取，以达到准确求取研究区TOC的目的。

2.1 单因素分析法与多元回归法

单因素分析法可以直观快速评价TOC与单条测井响应的相关性，但当测井曲线与TOC相关性较差时，往往计算结果与化验分析数据存在较大误差，这也是单因素法的不足之处。文中通过分别绘制岩心分析TOC实测值wr与自然伽马(GR，γ)曲线、声波时差(AC，Δt)曲线、密度(DEN,ρ)曲线、电阻率(RLLD,R)曲线及自然电位(SP,U)曲线的交会图(图2)，可以看出，TOC与AC相关性最好，相关系数为0.663 1。因此选取AC作为TOC的敏感曲线，利用TOC与AC的拟合公式作为定量计算TOC的公式。其公式为

w(TOC)=0.005 3Δt+0.403 7。

多元回归分析方法是一种建立多个变量之间线性或非线性数学关系式的统计方法，反映了一种现象或事物的数量依多种现象或事物的数量的变动而相应地变动的规律。“多元”就是多种测井曲线，通过多元线性回归的方式建立多条测井曲线与TOC的响应方程。该方法地域性较强，因此应根据地区实际情况选取与TOC相关性较好的测井曲线建立回归公式。在该研究区单因素分析基础上，选用AC、RLLD曲线作为TOC的敏感曲线，建立了适用于该区块的多元回归TOC解释模型。其公式为

w(TOC)=0.005 6Δt+0.01ρ+0.214 4。

图2 岩心TOC与测井曲线的关系

2.2 改进Δlg R计算法

ΔlgR=lg(R/Rb)+0.02(Δt-Δtb)，

式中：Rb——非烃源岩段电阻率与声波时差重合时的电阻率测井响应值；

Δtb——非烃源岩段电阻率与声波时差重合时的声波时差测井响应值；

R——电阻率测井响应值；

Δt——声波时差测井响应值。

由ΔlgR计算TOC，经验公式[17]为

w(TOC)=ΔlgR×10(2.297-0.168 8 LOM)。

(1)

式中，LOM——成熟度指数。

由样品分析化验的镜质体反射率(Ro)数据可知，研究区目的层位有机质成熟度变化范围不大，且TOC与ΔlgR线性相关，因此式(1)可进一步修改为

当时，灌着石油的内燃机在战争中又开辟了一个崭新的领域，空中打击战。1914年第一次世界大战爆发时，航空工业初见雏形，仅有1000人；而5个月后的1915年1月，英国也才制造出250架飞机，其中60架还属试产机型。为了迎合战争需要，飞机立即被应用于军事领域。

w(TOC)=A×ΔlgR+B,

(2)

其中，B为拟合的系数，A可认为等价于式(1)中的10(2.297-0.168 8 LOM)，B为常数，与ΔlgR有关。根据研究区实际测井资料，选取非烃源岩段电阻率与声波时差重合处的基线数值为：Rb=2.6 Ω·m，Δtb=278 μs/m。通过对TOC与ΔlgR线性拟合(图3)，求出式(2)的系数A、B分别为0.285 1、1.724 8，进而得出：

w(TOC)=0.285 1ΔlgR+1.724 8

。

(3)

图3 Δlg R与岩心TOC的关系

2.3 主成分回归法PCR

主成分回归是回归系数参数的一种线性有偏估计，它克服了最小二乘估计在设计阵病态(即存在多重共线性)时表现出的不稳定性。将原来的回归自变量变换为另一组变量(即主成分)，选择其中重要的主成分作为新的自变量(实际上是降维过程)，然后利用最小二乘法对只含有主成分的模型参数进行估计，最后再变换回原来的模型求出参数的估计[18-19]。对研究区选取GR、AC、DEN、RLLD、SP曲线作为TOC的影响因素，利用Matlab软件建立了TOC定量计算模型，即

w(TOC)=0.005 8Δt-0.001 9γ-0.048 4ρ+0.006 2R+0.002 5U+0.42。

3 热解生烃潜量定量的计算方法

目前对于S1+S2定量计算方法主要为多元回归方法。在TOC计算方法分析基础上，利用TOC相关法、主成分回归法对S1+S2分别进行定量预测并建立了相应的计算模型。

3.1 TOC相关法

通常，S1+S2与TOC呈正相关。文中利用岩心热解分析数据及测井信息，对S1+S2实测值与TOC计算值进行了线性拟合(图4)，其中TOC由改进ΔlgR法计算求得(详见式(3))，利用其拟合公式作为S1+S2的定量预测模型以求取研究区的S1+S2，其公式为

S1+S2=3.078 2w(TOC)+4.368 6。

图4 S1+S2实测值与TOC计算值的关系

3.2 主成分回归法

考虑到多种曲线对S1+S2值共同具有贡献作用，单一曲线对S1+S2贡献作用较小或相关系数较低的情况，文中选取了基于改进ΔlgR法计算求得的TOC值(详见式(3))及GR、RLLD、DEN、AC、SP曲线作为S1+S2的影响因素，采用主成分回归法(主成分回归方法原理前述已提及，详见2.3)，利用Matlab软件建立了S1+S2定量预测模型，即

S1+S2=3.513 7w(TOC)-0.011 5γ-0.016 7Δt+1.322 9ρ-0.063 2R+0.035 1U-3.954 2。

4 定量计算结果分析与应用实例

4.1 TOC定量计算结果分析

通过4种方法的计算结果对比分析(见表2、图5)，TOC计算值为wc。

图5 TOC计算值与实测值对比

由图5可见，改进的ΔlgR方法计算效果最优，其分析与计算数据点平均相对误差仅为2.56%。其次为多元回归方法，该模型的相关系数为0.746 1，分析与计算数据点平均相对误差为2.63%。单因素分析法与主成分回归法的平均相对误差分别为3.81%和3.06%。

表2 总有机碳(TOC)定量预测模型统计

4.2 S1+S2定量计算结果分析

通过对比TOC相关法与主成分回归法的计算结果(表3，图6，S1+S2计算值为Sc,S1+S2实测值为Sr)，主成分回归法效果较好，平均相对误差为35.61%。TOC相关法计算与分析数据点平均相对误差高达43.51%，考虑原因如下：研究区有机质成熟度较高，通过大量的有机质生、排烃过程使得S1+S2含量较低，因此S1+S2与TOC相关性差。

表3 热解生烃潜量(S1+S2)定量预测模型统计

图6 S1+S2计算值与实测值对比

4.3 单井实例

结合TOC及S1+S2各模型的定量计算分析结果，优选出TOC及S1+S2计算效果较好的方法分别为改进ΔlgR法和主成分回归法。利用两种方法分别对W凹陷k6井的TOC及S1+S2值进行了定量预测(图7)。

由图7可见，在4 290～5 130 m井段，TOC计算值范围为1.42%～2.93%，与岩心TOC实测值平均绝对误差为0.14%，平均相对误差为3.62%；S1+S2计算值范围为0.03～2.36 mg/g，与岩心S1+S2实测值平均绝对误差为0.27 mg/g，平均相对误差为34.79%。表明利用改进ΔlgR法和主成分回归法分别求取的TOC值和S1+S2值均能满足研究区的定量计算精度要求，证实了两种方法的可靠性与实用性，可有效应用于研究区烃源岩有机质丰度评价工作。根据SY/T 5375—1995陆相烃源岩评价标准(表1)，由TOC指标可以看出，该井段以好生油岩类型为主，根据S1+S2指标来看该井段则以差至中等生油岩类型为主。

图7 TOC与S1+S2计算模型应用实例

综合来看，该井段生油岩类型为中等至好，推测S1+S2值较低原因可能为有机质成熟度较高，处于油气大量生成阶段。

5 结 论

(1)研究区层位烃源岩地化特征分析表明，其生油岩类型较好，烃源岩类型主要为成熟烃源岩。

(2)单因素分析法、多元回归法、改进的ΔlgR法及主成分回归法4种总有机碳定量预测模型均能满足研究区定量求取总有机碳的需要，改进的ΔlgR法效果最优。

(3)通过TOC相关法、主成分回归法对研究区烃源岩生烃潜量进行了定量评价，结果表明,主成分回归法效果较好，在分析化验资料较少时，可用主成分回归法对生烃潜量进行定量评价。在利用TOC相关法对生烃潜量进行定量预测时，需考虑有机质成熟度这一因素。