基于测井方法的辽河坳陷沙河街组页岩发育特征评价

石佳玉, 丁文龙, 赵 威, 何建华

( 1. 中国地质大学 能源学院，北京 100083； 2. 中国地质大学 海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083； 3. 中国地质大学 页岩气资源战略评价国土资源部重点实验室，北京 100083)



基于测井方法的辽河坳陷沙河街组页岩发育特征评价

石佳玉1,2,3, 丁文龙1,2,3, 赵 威1,2,3, 何建华1,2,3

( 1. 中国地质大学 能源学院，北京 100083； 2. 中国地质大学 海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083； 3. 中国地质大学 页岩气资源战略评价国土资源部重点实验室，北京 100083)

以辽河坳陷沙四段—沙三段富有机质页岩为研究对象，根据测井、录井和有机地球化学实验分析等资料，采用多元线性回归及ΔlgR方法，识别富有机质页岩；从纵向发育、横向分布和平面展布等方面，对页岩发育特征进行综合评价.结果表明：研究区富有机质泥页岩呈现“展布面积广、连续厚度大”特点，其中西部凹陷沙三下亚段富有机质页岩平均厚度约为75.20 m，且厚度大于90 m的富有机质页岩分布面积达到210.26 km2，为页岩油气勘探的首选层位.该结果为研究区乃至东部渤海湾地区寻找新的天然气勘探领域具有指导作用.

富有机质页岩； 发育特征； 多元线性回归； ΔlgR； 测井方法； 沙四段—沙三段； 辽河坳陷

0 引言

中国页岩气资源丰富，预测资源量为30×1012m3[1].随着页岩气勘探开发技术的发展，中国进一步加大页岩气勘探力度，开展一系列关于页岩气富集机理和富集规律的研究[2-4].页岩气的勘探开发对于提高中国天然气产量、缓解油气对外依存度、保障国家能源安全具有重要意义[5].

页岩气勘探开发的“甜点”是富有机质页岩优质储层的发育层段和有利区.页岩气储层为特低孔渗储层，以发育多类型纳米至微米级孔隙为特征[6]；裂缝是页岩气的另一种主要储集空间，对页岩气藏具有双重作用[6-9].有机质含量、类型、成熟度、页岩储层物性、裂缝发育程度、矿物成分、温度和压力、湿度、优质页岩厚度等参数对含气量有不同程度的影响[8,10]，是页岩气储层评价的重要内容.页岩气储层评价方法包括地质分析、样品实验分析、地震勘探和地球物理测井等技术，其中地球物理测井技术是进行页岩气储层评价的重要技术手段.

对于陆相页岩气，勘探成功实例较少且勘探程度低.渤海湾盆地辽河坳陷沙四段—沙三段富有机质泥页岩主要发育在陆相断陷湖盆内，是该区重要的烃源岩和常规含油气层系，埋藏较深，勘探程度相对较低，但开发潜力较大.富有机质页岩的定性—定量解释方法主要有测井曲线特征定性识别、多元线性回归定量识别和ΔlgR识别方法等.Schmoker J W研究美国Illinois的New Albany页岩岩心，发现TOC含量与密度测井和自然伽马测井值之间具有良好的线性关系，可以利用密度和自然伽马测井资料计算TOC含量[11-12]；Passey Q R等提出利用声波曲线和地层电阻率计算TOC含量的公式，即ΔlgR法[13]；Lewis R等利用元素俘获能谱测井(ECS)和干酪根转换因子等参数,计算干酪根和TOC含量[14]；Jacobi D J等提出利用密度和核磁共振测井计算TOC含量[15]；Pemper R R等利用脉冲中子和自然伽马能谱测井资料计算TOC含量[16]；Khoshnoodkia M等利用电阻率、中子、密度、声波测井资料与模糊逻辑技术，建立神经网络并计算TOC含量[17]；刘超等提出并应用变系数ΔlgR法，提高TOC含量预测精度，在理论上适用于泥页岩的含油性评价，为富有机质泥页岩含油性评价提供新的思路[18].

元素俘获能谱测井能够较为精确地获取TOC含量，但是成本较高，尚未得到广泛运用和推广.ΔlgR法虽然较为简便，但需要镜质体反射率参数，且该方法未考虑对TOC含量敏感的密度参数.朱光有等在ΔlgR法的基础上建立利用声波时差、电阻率和密度测井资料计算TOC含量的数学模型[19].

根据富有机质页岩测井曲线特征和交会图技术，笔者优化ΔlgR和多元线性回归法，从纵向发育、横向分布和平面展布等方面，评价研究区沙四段—沙三段富有机质页岩发育特征，明确富有机质页岩分布的主要层位，查明单层连续厚度较大(>30 m)的富有机质页岩的平面分布特征.以西部凹陷与东部凹陷关键井的测井解释数据为例，根据全区多种资料进行分析，为研究区乃至东部渤海湾地区页岩油气目标层段的选取和有利区的圈定提供指导.

1 区域地质背景

辽河坳陷位于渤海湾盆地东北部，东临辽东地块，西接燕辽沉降带，是发育于华北地台中、新生代断陷盆地的一级构造单元[20](见图1).在经过古近纪构造变动和沉积后，辽河坳陷基底形成隆凹相间展布的6个构造单元，总体上呈NE向展布，形成“三凹”“三凸”的构造格局.在盆地发育过程中，断裂活动强烈，控制各凹陷的边界和古近系的沉积范围.研究区富有机质泥页岩主要发育于3个主力生油凹陷(大民屯凹陷、西部凹陷、东部凹陷)沙四段—沙三段地层，以半深湖—深湖沉积为主，连续厚度为30～200 m.

图1 辽河坳陷区域位置

2 富有机质页岩识别方法

利用测井资料识别烃源岩最常用的是ΔlgR方法，已成功应用于我国松辽盆地等地区的源岩评价[21-22].根据富有机质页岩测井曲线“四高一低”特征(自然伽马、电阻率、声波时差及中子孔隙度值较高，密度值较低)，优化ΔlgR方法(见图2[13])，将反映地层孔隙度变化的声波时差曲线(AC)和电阻率曲线(RT、R25及RLLD)叠合在一起，构成ΔlgR综合判别曲线，若两条曲线基本重合，则反映地层饱含水但缺乏有机质；若两条曲线存在ΔlgR幅度差(AC曲线左突起，电阻率曲线右突起)，则反映烃源岩地层富含有机质及含烃储集层段之间的岩性差异(见图2(b)).

图2 Δlg R法评价有机碳质量分数

在定性识别的基础上，采用交会图—叠合图技术,确定TOC质量分数大于2%的岩性段测井曲线定量解释阈值(见图3).建立TOC测井解释模型，由于测井系列AC、GR、RT与TOC质量分数具有一定的正相关关系，并且AC与TOC质量分数的相关性最好，对AC与TOC质量分数进行线性拟合：AC=4.24w(TOC)+247.13，R2=0.860；设置TOC质量分数大于2%的AC阈值为255 μs/m，分别作声波时差与自然伽马、电阻率的交会图，确定TOC质量分数大于2%时GR阈值为55 API，RT阈值为36 Ω·m.

图3 交会图技术解释TOC质量分数

利用ΔlgR和多元线性回归方法解释TOC质量分数，采用ΔlgR方法拟合：

w(TOC)=0.028 1AC+11.746lgRT-24.513,R2=0.889.

采用多元线性回归方法拟合：

w(TOC)=0.004 0AC+0.052CNL-2.060DEN+0.002RT+0.072GR-0.822，R2=0.934.

利用ΔlgR和多元线性拟合方法，分别对关键井(高60、雷37和沈224井)进行TOC质量分数计算，结果见图4和图5.通过与实测结果对比，多元线性回归方法结果相关关系更好,选用优化后的多元线性回归方法进行辽河坳陷富有机质页岩TOC质量分数解释.

图4 辽河坳陷西部凹陷沙四段-沙三段TOC质量分数Δlg R方法测井解释结果

图5 辽河坳陷西部凹陷沈224井沙四段TOC质量分数多元线性回归方法测井解释结果

3 富有机质页岩纵向和横向发育特征

具有一定连续厚度的单层泥页岩段或砂层隔层薄，并且砂岩层数少的页岩段是页岩油气勘探的优选层段.由图4和图5分析关键井单层富有机质泥页岩的连续厚度、单层大于30 m的富有机质泥页岩的连续累计厚度(见表1)，再结合曙125—曙118—曙112—雷36—雷53—雷35井南北向连井对比剖面(见图6)，综合评价富有机质泥页岩的纵向和横向发育特征.辽河坳陷西部凹陷富有机质泥页岩主要集中发育于沙三下亚段中下部和沙四上亚段中上部，且差异性较为突出.由表1和图6可以看出，在纵向上，沙四上亚段表现频繁的“砂泥互层”特征，富有机质泥页岩发育的连续性明显没有沙三下亚段的好；沙三段富有机质泥页岩的单层厚度及累计厚度较沙四段的大.在横向上，沙三段富有机质页岩井间对比性较好，厚度分布在50～180 m之间，在曙125井和曙118井地区厚度较大，约为150 m；沙四段富有机质页岩厚度较薄，厚度主要分布在20～120 m之间，由南向北逐渐减薄.可见，沙三下亚段富有机质页岩发育条件较好，更有利于页岩气的富集.

表1 辽河坳陷西部凹陷关键井沙四段—沙三段富有机质泥页岩厚度统计

Table 1 The thickness statistical table of Es4-Es3 organic-rich shale of western sag in Liaohe depression

单位：m

图6 辽河坳陷西部凹陷沙四段—沙三段富有机质页岩南北向连井剖面

4 富有机质页岩平面展布特征

研究区富有机质页岩厚度大且分布面积广，由于存在构造沉降差异，富有机质页岩发育在时间上和规模上存在一定差异性，主要选取单层连续厚度大于30 m，并且w(TOC)>2.0%的富有机质页岩层段作为基本作图单元.以纵向、横向发育条件较好的沙三下亚段为例，绘制辽河坳陷富有机质页岩厚度分布图(见图7).与传统烃源岩厚度分布图具有较大的差别，它扣除单层连续厚度小于30 m,并且w(TOC)<2.0%的有效烃源岩的厚度，突出对于页岩油气勘探具有重要意义的部分富有机质页岩厚度.

在辽河坳陷西部凹陷，富有机质泥页岩面积分布广、厚度大，呈现“南厚北薄”的特征，平均厚度约为75.20 m，其中清水洼陷富有机质泥页岩的厚度最大，约为200.00 m；厚度大于90 m的富有机质泥页岩的分布面积为210.26 km2.在辽河坳陷东部凹陷，总体上呈现南北厚中间薄的“哑铃状”分布特征，平均厚度约为70.00 m，其中南部地区驾掌寺洼陷厚度最大，约为95.00 m；厚度大于85 m的富有机质泥页岩的分布面积为372.70 km2.在大民屯凹陷，富有机质泥页岩主要分布于荣胜堡洼陷中心及大民屯地区，平均厚度约为40.00 m，其中洼陷周围高部位的富有机质泥页岩厚度较薄，一般低于60 m；厚度大于65 m的富有机质泥页岩的分布面积为216.65 km2.

因此，富有机质页岩发育较好的地区主要分布于西部凹陷西部斜坡带的西北部、陈家洼陷和北部牛心坨地区.

图7 辽河坳陷沙三下亚段富有机质泥页岩厚度等值线

5 结论

(1)结合测井曲线特征和交会图技术优化多元线性回归和ΔlgR方法，对富有机质页岩有机碳质量分数的解释更为合理，利用AC、GR、RT测井系列进行多元线性拟合得到的富有机质页岩有机碳质量分数更为准确.

(2)辽河坳陷富有机质泥页岩主要发育于沙四上亚段上部和沙三下亚段中下部，且沙三下亚段发育情况优于沙四下亚段的.在主力生油凹陷中心地区，富有机质泥页岩发育的厚度大、连续性好、分布稳定，在邻近斜坡地区表现频繁的“砂泥互层”的特征，厚度迅速减薄.沙三下亚段中下部为页岩油气勘探的首选层位.

(3)辽河坳陷沙四上段—沙三下亚段富质泥页岩单层连续厚度较大，并且平面上分布较稳定的地区主要集中于西部凹陷西部斜坡带的西北部、陈家洼陷和北部牛心坨地区，也为页岩油气富集的最有利地区.

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2015-09-01；编辑：任志平

国家自然科学基金项目(41372139)；国家科技重大专项(2011ZX05018-001-002)

石佳玉(1992-)，女，硕士研究生，主要从事非常规油气构造及裂缝方面的研究.

TE121.1

A

2095-4107(2015)06-0038-07

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.06.005