利用地震信息定量预测烃源岩 TOC 质量分数

陈宇航，姚根顺， 刘震， 吕福亮，唐鹏程， 陈亮，赵千慧(1.中国石油勘探开发研究院，北京，10008；.中国石油杭州地质研究院，浙江 杭州，100；.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京，109；.中海油研究总院，北京，10007)



利用地震信息定量预测烃源岩 TOC 质量分数

陈宇航1,2，姚根顺2， 刘震3， 吕福亮2，唐鹏程2， 陈亮4，赵千慧3
(1.中国石油勘探开发研究院，北京，100083；
2.中国石油杭州地质研究院，浙江 杭州，310023；
3.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京，102249；
4.中海油研究总院，北京，100027)

摘要：基于烃源岩评价是低勘探程度区(深水、深层)油气勘探工作中的重要环节，而烃源岩的有机碳(TOC)质量分数往往决定该地区的资源潜力和油气储量规模，将地震资料和少量钻井资料结合，通过地震速度反演对烃源岩的TOC质量分数进行预测：对FAUST公式进行变换，建立用泥岩速度预测电阻率的模型，并结合ΔlgR法，建立少井约束地震预测TOC质量分数模型。利用该模型对南海北部深水区C凹陷Y1段烃源岩TOC质量分数进行预测。研究结果表明：凹陷边缘三角洲相与海岸平原相TOC质量分数较高，凹陷中心滨浅海相TOC质量分数较低；TOC质量分数分布与沉积相匹配良好，显示了该预测方法在低勘探程度地区的可行性。

关键词：低勘探地区；有机碳；ΔlgR法；有色反演

烃源岩预测及评价是油气勘探工作中一个重要环节。而在低勘探程度地区尤其是深层、深水区，由于钻井很少，烃源岩样品有限，无法通过有机地球化学以及测井解释方法对烃源岩进行评价。但低勘探程度地区地震资料丰富，可利用地震资料对烃源岩进行预测。前人通过相关研究，提出了许多利用地震资料预测和评价烃源岩的方法，并取得了较好的效果[1−5]，但他们通过地震资料预测及评价烃源岩的研究主要集中在烃源岩的厚度、烃源岩成熟度以及有机相类型等相关内容上[3−5]，而对有机碳(TOC)质量分数这一评价烃源岩质量的重要指标研究较少。近年来，随着三维地震的广泛应用，一些学者通过对三维地震资料提取多种属性，建立不同地震属性和烃源岩TOC质量分数之间的经验公式，得到三维TOC质量分数的数据体，以此来预测烃源岩TOC质量分数[6]。但是，目前在低勘探地区尤其是深水区，三维地震资料主要覆盖在凹陷的边缘或凸起处等构造圈闭和地层圈闭较发育的区域，而烃源岩的主要发育部位即凹陷中心主要被二维地震资料所覆盖，三维地震覆盖面积很小，无法通过这种方法对整个凹陷烃源岩 TOC 质量分数分布进行有效预测和评价。针对上述问题，本文作者利用二维地震资料以及少数井资料，以井为控制点，通过FAUST 公式的逆变换建立泥岩电阻率与泥岩速度的响应关系，并结合 ΔlgR 法预测烃源岩TOC 质量分数的方法，建立少井约束地震预测TOC质量分数模型。应用该方法，对南海北部深水区C凹陷烃源岩主要发育层位 Y1段烃源岩 TOC 质量分数的平面分布进行预测。

1　建立泥岩电阻率与泥岩速度的响应关系

FAUST 提出了用于表征深度约束条件下岩层的电阻率与声波速度之间统计关系的经验公式[7]，即FAUST公式：

式中：v 为声波速度，m/s；K，C 和 d 为不同地区地层经验系数，可利用测井中的 v 和 Rt，按照 FAUST公式求取。H为深度，m；Rt为电阻率，Ω∙m。FAUST公式并不适用于所有地层。由于声波时差曲线和电阻率曲线不仅受岩性的影响，而且岩石孔隙中的流体对电阻率的影响比声波的影响更大，因此，只有在电阻率曲线与声波曲线存在较好对应关系的地层中，FAUST公式才适用[8]。一般地，FAUST公式较适用于泥岩和较致密的砂岩，因为这类地层的电阻率与声波时差曲线受孔隙流体影响较小，变化趋势较稳定，具有比较好的对应关系。由式(1)可得

式中：k 和 b 为常数。电阻率 Rt与ln(v/H)存在统计上的线性关系，由此可通过该地区泥岩的声波时差预测泥岩的电阻率。声波时差∆t为速度v的倒数，在井控区域之外，可以利用地震资料反演获得地层速度，以完成对泥岩层段的电阻率预测。

2　优化ΔlgR 法

在一般情况下，泥岩富含黏土矿物，故相对于砂岩，泥岩的自然伽马值 GR更高。当泥岩富含有机质时，由于有机质密度小于岩石骨架密度，降低了泥岩的速度，在声波时差曲线上具有高值响应，而成熟烃源岩内生成油气，在电阻率曲线上显示为高值异常[9]，因此，在泥质地层中，有机质质量分数低的层段，电阻率曲线和声波时差曲线之间的差异(间距)较小，而在富含有机质、成熟烃类的层段，2条曲线差异(间距)较大[10]。

基于以上原理，P ASSEY等[10]提出声波−电阻率曲线重叠法(ΔlgR法)预测烃源岩TOC质量分数。将声波时差曲线和电阻率曲线叠加在一起，在刻度上每2个对数电阻率刻度对应的声波时差为100 μs/m。通过左右调整测井曲线的位置，使得 2条曲线在非烃源岩泥质层段重合，视为基线。ΔlgR法主要计算公式如下：

式中：∆l gR 为声波时差曲线和电阻率曲线叠合幅度差；Rt为电阻率，Ω∙m；R基线为基线电阻率，Ω∙m；Δt为声波时差，μs/m；Δt基线为基线的声波时差，μs/m；w(TOC)为有机碳质量分数；LOM为热变指数，反映有机质成熟度，与TOC质量分数有一定对应关系，用镜质体反射率Ro代替LOM也是目前较常用方法[11]。但在低勘探程度地区，钻井很少，烃源岩样品有限，缺乏足够的 Ro实测数据，无法建立其与 TOC 质量分数的对应关系，且在一定层段内，可将Ro视作常数，故式(4)可变为

其中：a和c为常数。

3 构建低勘探程度地区少井约束地震预测 TOC 质量分数模型

根据以上分析可知，ΔlgR 法预测烃源岩 TOC 质量分数的关键数据是声波时差和电阻率。利用FAUST公式的变换式(式(2))，可以获得泥岩电阻率。声波时差是速度的倒数，在低勘探程度地区，可以通过地震资料反演获得的速度代替声波时差。因此，结合FAUST 公式以及 ΔlgR 法，可以据地震速度构建低勘探程度地区的烃源岩TOC质量分数预测模型。

将式(2)代入式(3)，可得

将式(7)和式(6)合并，得到烃源岩 TOC 质量分数最终预测模型为

该模型将测井资料和地震资料结合，对TOC质量分数进行预测。其中R基线和Δt基线通过测井资料获得，速度v通过地震资料反演获得，而深度H则通过研究区的时深关系获得。

4　应用效果分析

4.1模型建立

C 凹陷位于深水区，勘探程度很低，目前只有1口钻井。采用传统的烃源岩TOC质量分数预测方法无法对整个凹陷烃源岩TOC质量分数分布进行预测，而利用本文建立的少井约束地震预测 TOC 质量分数模型，可以将二维地震资料和少量井资料结合起来，对整个凹陷烃源岩发育层段烃源岩 TOC 质量分数分布进行预测。

C 凹陷主要烃源岩的发育层段为古近系渐新统的Y1段，主要发育海陆过渡相。通过 Well-1井岩性柱剖面可以看出：在古近系 Y1段地层中，发育大套浅海相泥岩以及粉砂质泥岩，夹有薄层的浊积水道砂岩。测井曲线显示：泥岩的电阻率和声波时差在 Y1段变化趋势稳定，而在砂岩层段以及 Y1段底部电阻率曲线变化幅度较大，质量较差。对该井实际资料进行统计，发现该井在 Y1段上部和中部泥岩的声波时差与电阻率具有良好的统计关系(见图1)，说明在这该层段可以通过式(2)，利用泥岩声波时差来获得其电阻率。

图1　C凹陷Well-1井Y1段测井沉积相图Fig.1　Logging sedimentary facies map of Y1member in well1inC sag

对Rt和ln(v/h)进行拟合(见图2)，确定Rt和ln(v/h)对应关系为

从图2可以看出：该井 Y1段泥岩的电阻率 Rt和ln(v/h)线性关系拟合度较高，相关系数R2为0.848 9。

图2C凹陷Well-1井Y1段Rt−ln(v/h)交会图Fig.2Correlation of Rt and ln(v/h)of Y1member in Well-1ofC sag

利用测井曲线和岩心资料，将电阻率、声波曲线重叠，确定R基线=1.7633Ω∙m，Δt基线=350.3303μs/m，利用声波时差 t ∆和经 t ∆计算得到的电阻率 Rt来计算ΔlgR，将 ΔlgR 与实测 TOC 质量分数进行交会，见图3最终确定TOC质量分数的预测模型为

图3　C凹陷Well-1井Y1段TOC质量分数与ΔlgR交会图Fig.3　Correlation of ΔlgR and TOC mass fraction of Y1member in Well-1ofC sag

由该预测模型可以看出 ΔlgR和 TOC 质量分数存在正相关关系，即 ln(v/H)和 TOC 质量分数存在正相关关系，这也符合 ΔlgR 预测原理。Rt和 t ∆的2条曲线差异(间距)越大，泥岩 TOC 质量分数的质量分数越高。

4.2误差分析

为检验该预测模型的精确性，以实测样本集中的Well-1井Y1段为例，比较TOC质量分数计算值与实测值之间的误差，见表1。从表1可知：TOC质量分数最大相对误差为 9.97%，最小相对误差为 0.55%，平均相对误差为4.79%，表明利用此方法预测的TOC质量分数具有较高的精度，可以作为该地区烃源岩TOC质量分数的预测方法。

表1　TOC质量分数计算结果误差统计表Table1　Error ofCalculated mass fraction of TOC

4.3TOC质量分数平面分布预测

通过以上研究可以看出泥岩速度是预测 TOC 质量分数的关键参数，目前一般利用地震资料反演获得地层岩性速度。但在深水区，钻井资料十分有限，采用常规地震速度反演方法并不能保证提取地震子波的准确性，进而会影响反演速度的精度。针对上述情况，本研究采用有色反演的方法来完成地层岩性速度反演。

有色反演是将有色滤波理论应用到地球物理反演领域而形成的一套方法，该法只需1个滤波过程即可达到反演目的，不需提取地震子波，不用建立初始模型，在反演过程中人为影响少，能够反映真实地质现象，在少井的深水区非常适用[12−14]。目前，有色反演在井震层序地层格架建立、层序解释构造、地震相研究、岩性圈闭预测等领域均获得较好的应用效果。

有色反演方法的关键环节是提取有色滤波因子，滤波因子由测井和地震信息共同决定。有色反演方法主要包含4步：1)单井波阻抗频谱分析(图 4(a))，拟合出井波阻抗能量曲线(图 4(b))；2)井旁地震道频谱分析(图4(c))，拟合出地震波阻抗能量曲线(图4(d))；3)地震道频谱和单井波阻抗频谱通过匹配算子使其匹配(图 4(e)和图 4(f))；4)利用匹配算子进行全部地震剖面计算，完成反演。

通过有色反演获得的是地层的相对速度(图5(a))，而利用研究区的速度谱插值获得的是低频速度(图5(b))，将相对速度和低频速度叠加，即可获得能够反映地层真实情况的绝对速度(图5(c))。

将反演得到井旁地震道的绝对速度和声波测井速度进行对比，结果见图 6。井旁地震道绝对速度与测井声波速度平均相对误差为 6.59%，误差较小。以声波测井速度为标准，取绝对速度与声波测井速度绝对误差的平均值作为绝对速度的误差校正量，据此校正量对合成的地震绝对速度进行误差校正可获得更精确的地层速度，进而提高烃源岩TOC质量分数定量预测的精度。

通过有色反演获得的相对速度对地层岩性的变化十分敏感，因此，首先通过有色反演的结果确定地层中泥岩位置，然后确定相应位置泥岩的绝对速度，将泥岩的绝对速度以及对应的深度代入预测模型，即可计算出该位置泥岩的TOC质量分数。

通过以上方法，对C 凹陷有利烃源岩发育层段Y1段TOC质量分数平面分布进行预测，将TOC质量分数等值线图和沉积相分布图叠合，见图7。

图4有色反演原理示意图Fig.4Schematic diagrams ofColor inversion theory

从图7可以看出：TOC质量分数在凹陷边缘较高，达6%左右，从凹陷边缘向凹陷中心逐渐降低，从6%逐渐减至1%左右；相应地，在沉积相分布上，凹陷边缘主要发育海岸平原相和三角洲相，其中海岸平原相为低能还原环境，而三角洲相距离物源较近，2 种沉积相均有利于有机质的富集和保存，故与TOC质量分数高值区相对应；凹陷中心主要为滨浅海相，物源供给有限，并缺少低等水生生物的贡献，有机质堆积相对减少，不利于烃源岩的发育，故TOC质量分数较低，预测结果与前人预测的南海北部相邻地区烃源岩有机相分布结果相符[15−16]。可见，通过该方法预测的烃源岩 TOC 质量分数平面分布和沉积相分布在整体上具有良好的匹配关系。

图5　地层相对速度、低频速度和绝对速度剖面Fig.5　Profiles of relative velocity,low frequency velocity and absolute velocity of earth layer

图6　C凹陷Well-1井井旁地震道绝对速度与测井声波速度对比图Fig.6　Comparison of uphole trace and acoustic velocity in Well-1inC sag

图7　C凹陷Y1段TOC质量分数及沉积相平面分布图Fig.7　TOC mass fraction and sedimentary facies map of Y1member inC sag

5 结论

1)针对低勘探地区钻井稀少的特点，利用地震和1口井的测井资料，应用 FAUST 公式和 ΔlgR 法，建立了少井约束地震预测TOC质量分数模型。利用该模型，对南海北部深水区C凹陷Y1段烃源岩的TOC质量分数进行预测，发现凹陷边缘海岸平原、三角洲等沉积相TOC质量分数较高，而凹陷中心滨浅海相TOC质量分数较低，预测结果与沉积相具有良好的匹配关系。

2)虽然地震资料的预测精度略低于钻井资料的预测精度，但在低勘探地区，在钻井极少的条件下，综合地震−测井资料，可应用 FAUST 公式和 ΔlgR 法构建的少井约束地震预测TOC质量分数模型，对烃源岩TOC质量分数进行预测。

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(编辑 陈灿华)

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

中图分类号：TE122.1

文献标志码：A

文章编号：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

基金项目(Foundation item)：国家科技重大专项(2011ZX05025-004)(Project(2011ZX05025-004)supported by the National Major Science and Technology)

通信作者：陈宇航，博士研究生，从事深水油气地质相关研究；E-mail:C1988yh@163.com