济阳坳陷富有机质页岩的TOC变化与地震响应特征分析

袁 飞，陈 波，李生涛，王雪柯

(长江大学 地球科学学院，湖北 武汉 430100)

济阳坳陷富有机质页岩的TOC变化与地震响应特征分析

袁 飞，陈 波，李生涛，王雪柯

(长江大学 地球科学学院，湖北 武汉 430100)

TOC的含量能够影响泥页岩中所滞留的烃类。TOC含量高低的确定有助于利用地震资料确定总有机碳含量的高值区。主要研究的是济阳坳陷工区内页岩中TOC含量的变化对地球物理响应的影响。基于济阳坳陷实际已获得页岩油产量的罗69井，通过改变目标层段泥页岩中TOC含量的AVO正演模拟，做出振幅随炮检距变化趋势图和P-G交会图，判断AVO异常响应类型，研究地震反射系数随炮检距的变化情况，分析地层TOC的变化对地震属性所造成的影响。研究结果表明:TOC含量增加时，AVO截距P会逐渐减小，AVO斜率G会逐渐增大。

济阳坳陷；地球物理；TOC含量

0 前 言

地球物理方法有助于描述页岩油气远景区特征，将测井曲线数据和地震数据结合能够很好的识别页岩油气储层特征。TOC含量能够影响泥页岩中滞留的烃类。前人对TOC含量和地球物理响应特征之间的关系进行了一定的研究，Yaping Zhu等[1]研究发现TOC能够显著地影响富含有机质岩石的地球物理响应，为页岩气远景区地球物理特征提供基础。但对TOC含量的改变对地球物理响应特征所产生的具体影响研究较少[2]。笔者通过改变目的层段泥页岩中TOC含量的AVO正演模拟，做出振幅随炮检距变化趋势图和P-G交会图，判断AVO异常响应类型，研究地震反射系数随炮检距的变化情况，并分析地层TOC的变化对地震属性产生何种影响。

1 区域地质概况

济阳坳陷地处华北平原东部，属于中、新生代盆地，其北部和南部分别邻接埕宁隆起区和鲁西隆起区[2]，属于渤海构造之一，面积约为25 510 km2。其内部被滨县、青城、义和庄、陈家庄等凸起划分为沾化、惠民、车镇和东营共计4个凹陷[3]。在始新世的早期，济阳断陷湖盆构造运动比较稳定，湖盆逐渐下降，陆源碎屑物源源不断的汇聚进来，这样就为湖泊带来了丰富的营养物质[4]。在这一时期湖生生物大量的生长和繁殖，发育沙河街组四段(以下简称沙四段，Es4)上亚段、沙河街组三段(以下简称：沙三段，Es3)下亚段和中亚段以及沙河街组一段(以下简称：沙一段，Es1)的烃源岩[5]。据大量的井资料研究表明，济阳坳陷的页岩层集中发育在古近系的Es4上亚段、Es3下亚段以及Es1。其有机质类型主要是腐泥型—混合型，整体上而言具有厚度大、有机质丰度高，有机质成熟度分布范围宽等特点[6-8]。其中有机质成熟度R0大于0.5%，有机碳含量TOC大于2.0%以及厚度大于50 m的有利源岩区的面积约为5 524 km2，这些条件使其具有生成丰富页岩油气的基础[9]。

2 TOC含量预测

TOC含量是泥页岩中评价页岩油气必不可少的参数。通过测井数据能够较快捷的评价泥页岩中的总有机碳含量[10]。前人研究表明，ΔlogR法预测TOC具有明显的实用性。在应用时，其主要方法是确定基线，然后算出富含有机质的烃源岩段时差曲线与电阻率曲线间的距离ΔlogR，最后再进一步预测TOC[11]。

ΔlogR法还被称为声波曲线和电阻率曲线重叠法，是Creaney和Passey[12]在1990年利用电阻率和声波时差曲线重叠的间距ΔlogR来研究的一种TOC预测技术。ΔlogR与TOC呈现线性相关关系，并且其还是成熟度的函数。所以，在应用中倘若能够确定成熟度，那么我们利用ΔlogR和TOC之间的关系就能够把ΔlogR直接换算成TOC。在实际应用时，电阻率与时差曲线的刻度之间的关系是每两个对数电阻率的刻度相当于声波时差为-100 μs/ft。把非生油岩曲线叠在一起作为基线，以重叠曲线中部的数值作为R基线值和Δt基线值，其代数公式为：

△logR=Lg(R/R基线)+0.006 4×(△t-△t基线)

根据△logR计算TOC的经验方程为：

TOC=△LogR×101.5374-0.944×R0+△TOC

或

TOC=△LogR×102.297-0.1688×LOM+△TOC

式中，TOC为总有机碳含量；ΔlogR为时差曲线与电阻率曲线间的距离；LOM为有机质热成熟度；Ro为镜质体反射率；ΔTOC表示TOC含量的背景值；其中LOM和Ro之间具有以下对应关系(见表1)。

表1 LOM与Ro关系

由此可知，ΔlogR法最重要的是知道镜质体反射率Ro。但同时我们也能够知道这种方法根本没有把岩层的物性考虑进来[13]，并且该方法中基线是人为确定的，会引起较大误差。为此，朱光有等[13]根据胜利油区的实际情况，对ΔlogR法进行改进，最终得到了一种新的解释模型，他们将ΔlogR法计算TOC的公式改进为：

TOC=K·△lgR

式中，K为系数。所以公式可进一步改写成：

TOC=K·lgR+0.02K·△t-K(lgR基线+0.02△t基线)

对各个井段的测井数据将K进行归一化处理，公式可改写成：

TOC=a·lgR+b·△t+c

考虑到高品质的烃源岩相比于其他烃源岩有着高声波时差、高电阻率、低密度等特点[14]，上式可进一步改写为：

TOC=(a·lgR+b·△t+c)/d

式中，d表示密度测井值，而另外几个系数则可以经过工区系统的采样分析，根据最小二乘法换算获取。

运用上述方法利用已获得的罗69井的相关数据预测出TOC值，然后将预测出的TOC值与实测TOC值进行交会，交会结果如下图(图1)所示。

图1 济阳坳陷罗69井TOC计算值与实测值交汇图

由图1可知R2=0.775 8，也就是说预测的TOC值与实测TOC值之间的相关性比较好。通过对罗69井的TOC的预测值与实测TOC值进行交会，我们可以验证我们通过测井数据所预测的TOC值的准确性。因此我们可以将资料中部分缺少的TOC含量数据通过预测得到。

然后再将罗69井的TOC含量分别与纵波速度、横波速度以及密度进行交会，分别找出TOC含量与纵波速度、横波速度和密度之间的关系(如图2、图3、图4所示)。

图2 济阳坳陷罗69井TOC含量与纵波速度关系

图3 济阳坳陷罗69井TOC含量与横波速度关系

图4 济阳坳陷罗69井TOC含量与密度关系

从图2、3、4中可以看出：纵波速度、横波速度以及密度分别随TOC含量变化而变化的情况。当TOC含量增大时，纵波速度、横波速度和密度都在不同程度的减小。图中还标出来具体的函数关系式，通过这些关系式可以计算出TOC的变化对其具体的影响。

利用得出来的TOC与纵波速度、横波速度和密度之间的关系式，分别假设目的层段TOC含量分别为TOC=1%、TOC=2%、TOC=3%、TOC=4%、TOC=5%、TOC=6%，并与各个深度的实测TOC值做出增量，再结合相应的公式求出罗69井的各个不同深度的纵波速度、横波速度和密度的数据，为之后的变TOC模型做准备。

3 变TOC地球物理响应特征分析

3.1 AVO正演分析的基本方法

AVO正演是利用AVO方法进行烃类检测的基础，AVO正演是从已获得的测井资料着手，通过改变实际井中储层的流体性质，来模拟储层在含不同含流体状况下的AVO响应，研究地震反射振幅和炮检距之间的变化关系[15]。截距P和斜率G是岩石

骨架、孔隙度和孔隙流体的综合表征，而将两者进行交会则是AVO研究的一种简洁而直观的分析手段[16]。本文借鉴此方法，利用已获得的测井数据，通过改变实际井中的TOC含量来模拟TOC变化时的AVO响应。根据变TOC状态下的AVO模拟图来分析反射振幅随炮检距的变化情况，通过绘出的P-G交会图可以研究TOC含量变化对AVO截距P和斜率G的影响。

通过改变TOC的含量可以计算出不同TOC状态下定纵横波速度以及密度，从而建立TOC含量变化与地震响应特征之间的关系。

当储层中充填油气后会导致纵波速度和泊松比下降。根据Domenico[17-18]的研究，当储层孔隙中含少量油气后将会引起地震纵波速度的快速减小，但横波速度并没有明显的变化。通过引起的这些参数的变化来看，当部分孔隙被油气所充填时，AVO的截距与斜率都将会不同程度的减小。而截距P与斜率G一起变小就说明了泊松比的降低，这种现象恰好是含油气砂岩所具备的性质，正因如此，所以这也就奠定了利用AVO技术进行烃类检测的基础。

就本文而言，AVO正演模拟主要分为6个步骤：a当研究区某些井缺乏部分TOC值时，要先进行TOC的预测；b对测井曲线进行预处理；c制作合成地震记录；d AVO正演模拟30(°)以内入射角范围的地震响应；e改变TOC的含量，分别模拟其地震响应，并与实际曲线的模拟结果进行对比分析；f进行AVO属性的提取及分析。

《企业级项目开发实训》力求使学生能使用Microsoft Visual Studio 2010和Microsoft SQL Server 2005作为开发工具进行ASP.NET网站的开发、编码、调试，培养学生的程序设计和编程能力及团队合作、沟通交流等职业素质。

3.2变TOC正演特征分析

正演模拟是进行地震响应特征研究的基础，通过改变实际井中不同的地质参数，如TOC含量，厚度等不同地质参数，可以研究这些参数对AVO响应特征的影响和变化[10]。

通过假设济阳坳陷的罗69井目的层段TOC含量分别为1%、2%、3%、4%、5%、6%时，模拟其地震响应，进一步分析其在不同TOC含量下的地震反射振幅随炮检距的变化特征。图5～7分别为变TOC状态下的纵波曲线、横波曲线及密度曲线。图8为不同TOC含量下的正演模型。从左至右依次表征是泥页岩原始TOC含量以及TOC含量为1%、2%、3%、4%、5%、6%的正演模型。

图5 罗69井变TOC纵波曲线

图6 罗69井变TOC横波曲线

图7 罗69井变TOC密度曲线

图8 罗69井变TOC地震正演模型

下面分别对罗69井沙3段1、2小层变TOC模型进行分析。

1)罗69井沙3段1小层变TOC模型

通过该模型所对应的各TOC含量下反射系数随入射角的变化趋势图(见图9)可以发现：当TOC<3.0%时，反射系数为正且反射系数伴随着入射角的增大而逐渐变小；当TOC=3.0%时，反射系数为正且反射系数随入射角的变化较小，几乎不随入射角的变化而变化；当TOC=4.0%时，反射系数伴随着入射角的增大而逐渐增大，当入射角增加到某一值时会出现极性反转的现象；当TOC>4.0%时，反射系数为负且反射系数伴随着入射角的增大而逐渐增大。

图9 罗69井沙3段1小层变TOC状态下的AVO模拟

总的来说，随着有机质含量的增加其P值呈逐渐减小的趋势，G值由小变大。

2)罗69井沙3段2小层变TOC模型

通过各TOC含量下反射系数随入射角变化的趋势(图10)可以发现：当TOC含量从1.0%增大到6.0%时，反射系数伴随着入射角的增大而持续变小。

图10 罗69井沙3段2小层变TOC状态下的AVO模拟

罗69井沙3段2小层变TOC含量正演模型AVO属性交会图如图10所示。通过AVO属性交会图可以分析AVO截距P和AVO斜率G受TOC含量的影响情况。

当TOC从1.0%增大到6.0%时，AVO截距P<0，AVO斜率G<0，位于第Ⅲ象限。

总的来说，随着有机质含量增加其P值呈减小的趋势，且G值逐渐变大。

4 结 论

1)针对罗69井1小层目的层段，可以发现当TOC含量小于3%时，振幅均为正，且随炮检距变化趋势不大。当TOC含量大于4%时振幅为负且正向增大。通过分析AVO截距P和AVO斜率G受TOC含量的影响，能够得到当TOC含量在3%以下时主要位于第Ⅳ象限，当TOC含量大于4%后，逐渐过渡到第Ⅱ象限。随着TOC含量的增大，P、G变化均较大，且二者之间线性关系较强。

2)罗69井2小层目的层段，随着TOC含量的增加，反射系数伴随着入射角的增大而呈现持续减小的态势，AVO截距P随着TOC含量的增加而减小且P<0，AVO斜率G随着TOC含量的增加而增大且G<0，位于第Ⅲ象限。

3)在富有机质页岩中，TOC含量增加时，AVO截距P会逐渐减小，AVO斜率G会逐渐增大。

[1] Yaping Zhu，Enru Liu，刘盼喜. 对页岩气储层地球物理响应的认识[J]. 吐哈油气，2012,17(2)：198-200.

[2] 龚小卫, 李玮, 乔中山,等. 国内非常规油气勘探开发技术研究现状及难点分析[J]. 中国锰业, 2017,35(3):108-111.

[3] 甘志红，杨显成，郭瑾，等. 济阳坳陷天然气成藏主控因素分析[J].天然气勘探与开发，2005,23(5):118-124.

[4] 张林晔，李政，朱日房，等．济阳坳陷古近系存在页岩气资源的可能性[J].天然气工业，2008,28(12):26-29.

[5] 张林晔，李政，朱日房.页岩气的形成与开发[J].天然气工业，2009,29(1):124-128.

[6] 王秉海，钱凯．胜利油区地质研究与勘探实践[M].东营：石油大学出版社，1992:76-175.

[7] 张林晔，孔祥星，张春荣，等．济阳坳陷下第三系优质烃源岩的发育及其意义[J]．地球化学，2003,32(1):35-42.

[8] 周杰，庞雄奇，李娜．渤海湾盆地济阳坳陷烃源岩排烃特征研究[J]．石油实验地质，2006,28(1):59-64.

[9] 王永诗，李政，巩建强，等. 济阳坳陷页岩油气评价方法——以沾化凹陷罗家地区为例[J].石油学报，2013,34(1):83-92.

[11] 王健，石万忠，舒志国，等. 富有机质页岩TOC含量的地球物理定量化预测[J]. 石油地球物理勘探, 2016, 51(3):596-604.

[10] 郭双, 谢锐杰, 邓勇,等. 致密油藏烃源岩有机碳含量预测方法研究[J]. 中国锰业, 2016, 34(4):99-103.

[12] Creaney S，Passey Q. Rccurring patterns of total organic carbon and source rock quality with in a sequence stratig raph ic frame work[J]. AAPG Bulletin,1993,77(3):386-4011.

[13] 朱光有，金强．用测井信息获取烃源岩的地球化学参数研究[J]．测井技术，2003,27(2) :104-109.

[14] 张寒，朱光有．利用地震和测井信息预测和评价烃源岩——以渤海湾盆地富油凹陷为例[J]．石油勘探与开发，2007,34(1)：55-59．

[15] 张玉华. 基于岩石物理的AVO正演模拟研究[D]. 青岛：中国石油大学(华东), 2007.

[16] 潘仁芳，陈思路，张利萍，等．含气砂岩AVO正演的半定量分析[J]．石油地球物理勘探，2013,48(1)：103-108．

[17] Domenico S N，Effect of Brine gas mixture on velocity in an unconsolidated sand reservoir [J].Geophysics,1976,41(5):882-894.

[18] Domenico S N，Elastic properties of unconsolidated porous sand reservoirs [J],Geophysics, 1977,42(7):1339-1368.

AnAnalysisonTOCChangesinOrganic-richShalesandSeismicResponseCharacteristicsinJiyangDepression

YUAN Fei, CHEN Bo, LI Shengtao, WANG Xueke

(SchoolofGeosciences,YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei430100,China)

The content of TOC can affect the retention of shale hydrocarbons. To determine the relative level of TOC content was helpful to use seismic data to determine the total organic carbon content of high value area. This paper mainly studies the influence of TOC content in the area of shale in Jiyang depression of geophysical response. The shale oil production has been obtained in L69 well in Jiyang depression, by changing the TOC content of shale in AVO forward model to make the amplitude variation with offset trend and P-G cross-plot to judge AVO abnormal response type. Our research and analysis brings about the changes of seismic reflection coefficient with offset. The analysis on the influence of seismic attributes will be caused by change of TOC in formation. The results show that, when the content of TOC increases, the intercept of AVO will decrease and the slope of AVO will increase gradually.

Jiyang depression; Geophysical method; TOC content

2017-08-23

袁飞(1993-)，男，湖北汉川人，在读硕士研究生，研究方向：非常规油气地质，手机：18627940321，E-mail：yuanfly1@163.com.

P618.13

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.019