川中北部须家河组烃源岩测井解释及评价

冯林杰，蒋裕强 ，曹脊翔，杨长城，宋林珂

1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2.中国石油非常规油气重点实验室储层评价研究室，四川 成都 610500；3.中国石油西南油气田公司致密油气勘探开发项目部，四川 成都 610056；4.中国石油西南油气田公司开发管理部，四川 成都610056

引言

近两年来，以上三叠统须家河组烃源岩为主力气源的须家河组自生气藏、中侏罗统沙溪庙组次生气藏已成为四川盆地的勘探热点，同时也是当前增储上产的重要领域。川中北部金华—中台山区块已有多口须家河组专层井获得超过百万方的测试产量，沙溪庙组专层井产能已超过2 000×104m3/d，证实了该区致密砂岩气藏巨大的勘探潜力。

研究表明，须家河组天然气具有近源--间互式成藏及源内成藏的特征，气藏分布受烃源岩展布控制明显[1-4]；川中沙溪庙组致密砂岩气藏均为次生成因[5]，“源—断—储”配置模式控制着天然气的富集。可见，进行须家河组烃源岩评价及平面展布特征研究对落实四川盆地致密砂岩气成藏“甜点”区具有重要意义。

目前，关于四川盆地须家河组烃源测岩井解释、评价及地球物理预测方面的研究仍鲜有报道。姚军等[6]通过多元回归方法，以补偿密度、声波时差、自然伽马及补偿中子为参数，建立了川中—川西过渡带须家河组单井总有机碳含量测井计算公式，但总体拟合程度较低，不同测井曲线与实测有机碳含量决定系数均未超过0.550，在数据相关性较差情况下强行拟合得到的解释模型与实测总有机碳含量决定系数仅为0.805。

本文基于已有的烃源岩地球化学实验成果，在分析不同测井曲线对烃源岩响应敏感性的基础上，建立了适用于研究区上三叠统须家河组烃源岩，且较为可靠的地球化学参数解释模型，并结合实际烃源条件，对烃源岩等级进行了划分，初步明确了烃源岩的品质及展布特征，以期对川中北部金华--中台山区块须家河组、沙溪庙组成藏“甜点”区的落实提供参考，同时为后续地球物理反演预测等工作提供数据支撑。

1 区域地质概况

四川盆地是位于扬子板块西缘的大型叠合盆地，西以龙门山冲断带为界、北以米仓--大巴山冲断带为界、东南侧以齐岳山断裂为界、西南侧为大凉山断褶带。根据区域构造特征以及内部构造形迹，盆地自西向东可划分为川西北、川中以及川东南3 大构造区，并可进一步划分出川西拗陷带、川北低陡褶皱带、川中低缓褶皱带、川西南低陡褶皱带、川东高陡构造带以及川南低陡褶皱带等6 个次级构造单元[7]。本次研究区位于川中低缓断褶带西北部与川北低陡褶皱带西南部交会区，西邻川西拗陷，属于川中构造区北部（图1a）。

图1 研究区位置、须家河组构造及岩性特征Fig.1 Location of the study area and structural and lithological characteristics of Xujiahe Formation

中三叠世末期，受印支早幕运动影响，盆地整体上升为陆并接受沉积，在晚三叠世普遍发育河流相、湖泊相和沼泽相沉积体系，并经历多个沉积旋回，最终形成了多套煤系烃源岩和砂岩相互叠置的源、储互层式沉积组合，即须家河组[8]。

研究区须家河组厚度在900∼1 200 m，自下而上可分为须一（T3x1）∼须六（T3x6）等6 段（图1b）。从区域上的岩性分布来看，须一段、须三段及须五段泥页岩较为发育，夹薄层粉砂岩，是主要的烃源岩发育层段；须二段、须四段及须六段则以砂岩为主，夹薄层泥页岩，是主要含气储层发育段[9]。与区域上有所不同的是，钻井已证实川中北部须家河组存在明显相变，须二段下伏泥页岩厚度急剧增加[10]，烃源岩发育部位与以往认识有所差别。

研究区处于川中稳定刚性基底之上，在燕山期至喜马拉雅期受力总体较弱[10]，使得上三叠统地层结构整体表现为北西向倾伏的大型缓坡，以发育鼻状隆起为主，断层数量较少且主要发育于构造翼部以及扭曲部位（图1a）。

2 地球化学实验结果及有机质测井响应特征

2.1 成熟度及有机质丰度

根据研究区4 口典型井的地球化学分析数据可知，研究区须家河组泥页岩所含干酪根中镜质组含量最高（平均含量为53.49%），其次为壳质组（平均含量为20.72%）；镜质体反射率在1.38%∼1.48%，平均为1.43%；热解峰值温度在465.00∼484.00◦C，平均在470.42◦C；干酪根类型指数均小于零，在−46.55∼−8.57（表1），根据烃源岩地球化学评价方法（SY/T 5735--2019）[11]，综合分析认为其干酪根类型均为III 型，当前已进入高成熟阶段。

表1 研究区须家河组烃源岩地球化学参数统计Tab.1 Statistics of geochemical parameters of Xujiahe Formation source rocks in the study area

有机质丰度相关测试表明，研究区须家河组烃源岩总有机碳含量在0.20%∼4.83%，平均为1.36%，其中，总有机碳含量小于1.50%的样品占总样品数的74.1%（图2a）。生烃潜量在0.18∼13.59 mg/g，平均为1.17 mg/g，其中，生烃潜量小于1.00 mg/g 的样品同样占总样品数的74.1%（图2b）。

图2 研究区须家河组泥岩样品有机质丰度特征Fig.2 Abundance characteristics of organic matter in mudstone samples of Xujiahe Formation in the study area

2.2 烃源岩测井响应特征

测井曲线是岩石物理性质变化特征的反映，也是纵向上评价岩层有机质丰度的理论基础[12]。前人研究[12-16]表明，自然伽马、声波时差、补偿密度以及地层电阻率对烃源岩层一般具有明显的响应。

烃源岩中的有机质往往形成于铀含量比较高的还原环境中，而有机质对放射性元素铀具有较强的吸附作用，从而使得自然伽马值与总有机碳含量呈一定的线性关系，在有机质富集的烃源岩层，自然伽马曲线常呈现急剧增高的趋势。

在正常压力的地层剖面中，反映泥岩压实程度的声波时差值随其埋藏深度的增加而减小，但由于声波在有机质中的传播速率较小，因此，较高的有机质含量会促使烃源岩的声波时差值大于岩石骨架的声波时差值，从而形成异常高值。

除钙质地层外，贫有机质的泥页岩一般被含盐分的地层水所饱和，电阻率较低[13]，但受分散于岩石骨架之中的导电性较差的干酪根影响[14]，与纯泥岩段电阻率相比，富含有机质的烃源岩地层电阻率有所增大，特别是进入生烃高峰之后，由于烃类流体导电性极差[12，15]，使得成熟烃源岩电阻率大幅增加。

以砂泥岩为主的地层的岩石骨架密度一般在2.30∼3.10 g/cm3，而干酪根密度（1.03∼1.10 g/cm3）及烃类流体密度（0.70∼0.98 g/cm3）远小于岩石骨架密度[16]，当大量有机质取代烃源岩的岩石骨架时，就会使烃源层密度明显降低。

结合岩性描述及实测曲线分析认为，研究区须家河组烃源岩总体表现出“三高一低”的测井响应特征，即高自然伽马（大于120 API）、高声波时差（大于80µs/ft）、相对高电阻率（大于75 Ω·m）以及低补偿密度（小于2.50 g/cm3）（图3）。

图3 研究区须家河组烃源岩测井响应特征（ZT1 井）Fig.3 Logging response characteristics of Xujiahe Formation source rocks in the study area（Well ZT1）

据Passey 等[17]的研究，对声波时差曲线采用算术坐标，电阻率曲线采用对数坐标，按照一定规则将两条曲线叠置，使其在非烃源岩段基本重合，此时，声波时差以及电阻率在非烃源岩段的测井值即为二者的基线值。在富有机质层，声波时差或电阻率会出现增大的现象，两者之间形成明显的幅度差（即∆lgR）[13]。当两条曲线分离主要由声波时差增大造成时，可认为该层段为未生烃的富含有机质段，干酪根低密度、高声波时差的特性造成了这一结果；当两曲线分离由声波时差和电阻率同步增大造成时，可认为该层段为已生烃的富含有机质层段，这是因为此层段不仅受干酪根影响，同时烃类的存在也会使得电阻率增大。对于研究区须家河组，将电阻率设置为0.2∼2 000.0 Ω·m，声波时差设置为100∼40µs/ft，其叠合图与岩性剖面具有较好的对应效果。纵向上须家河组烃源岩主要发育于须一段顶部、须二段底部、须三段以及须五段（图3）。

3 烃源岩地球化学参数解释模型

3.1 总有机碳含量解释模型

3.1.1 总有机碳含量测井响应敏感性分析

为了建立适用于研究区的烃源岩总有机碳含量测井解释模型，需要分析不同测井曲线对总有机碳含量的响应敏感性。利用自然伽马值，挑选出纯泥岩段样品7 件，分别绘制了对应的自然伽马、声波时差、补偿密度及电阻率值与实测总有机碳含量值的交会图（图4）。由图4a，图4b 可以看出，研究区纯泥岩段样品自然伽马、补偿密度与实测总有机碳含量之间的相关性极差，决定系数分别为0.008 7 与0.248 8，其中，自然伽马与实测总有机碳含量几乎没有相关性。由图4c，图4d 可以看出，声波时差及电阻率与实测总有机碳含量相关性较高，决定系数分别为0.798 0 与0.698 8，因此，本次研究首选声波时差与电阻率曲线对总有机碳含量进行解释。

图4 研究区须家河组总有机碳含量测井响应敏感性分析Fig.4 Sensitivity analysis of TOC logging response of source rocks of Xujiahe Formation in the study area

3.1.2 总有机碳含量解释模型建立

目前已有的应用测井资料计算有机碳含量的方法较多，常见的方法包括曲线刻度法、曲线重叠法和人工智能法[18]。其中，最为成熟和常用的方法是曲线重叠法，尤以Passey 等[17]提出的∆lgR法为代表。

∆lgR法是一个能够基于声波时差、电阻率以及热变指数计算不同成熟度条件下总有机碳含量的模型，并且在碳酸盐岩和碎屑岩地层中均可适用，其主要计算模型为

从以上计算模型可以看出，该方法的优点是通过声波时差和电阻率曲线叠合能在一定程度上消除孔隙度对总有机碳含量测井响应的影响[19]，但也存在一定的不足，尤其是模型中人为确定的参数较多，对计算结果造成了不可避免的误差，主要体现在以下几个方面：1）起修正作用的总有机碳含量背景值是人为确定的，存在较大的不确定性；2）声波时差与电阻率基线值是人为确定的，存在一定的误差；3）LOM需要通过大量有机质成熟度实验进行确定，当工区内相关分析化验资料较少时，确定的热变指数并不具有代表性[20]。

鉴于该模型的局限性，已有学者提出了针对该模型的改进方案，并取得了良好的实际应用效果[19，21-22]。根据各参数的含义，式（2）中LOM与ωTOCb均为基于实测、统计及运算得到的常数，可将式（2）改写为

式（5）中的R基线与∆t基线均为人为确定的常数，K也是常数，仅有lgR与∆t两个未知量，则可将式（5）简写为

基于式（6），将实测总有机碳含量以及与测点对应的lgR、∆t值进行多元回归分析（图5a），可得到如式（7）所示的研究区须家河组烃源岩总有机碳含量测井解释模型。

图5 研究区须家河组烃源岩总有机碳含量测井解释模型及误差分析Fig.5 TOC logging interpretation model and error analysis of hydrocarbon source rocks of Xujiahe Formation in the study area

该模型决定系数为0.968 2，表明模型中自变量与因变量关联度较高。利用式（7）反推有总机碳含量值，与实测总有机碳含量值经45◦线检验，二者吻合度较高，表明该测井解释模型较可靠。

3.2 生烃潜量测井解释模型

3.2.1 生烃潜量测井响应敏感性分析

生烃潜量在测井评价方面的相关报道较少，但大量热解实验分析数据表明，烃源岩生烃潜量随着有机碳含量的增加呈现明显增大的趋势，因此，部分学者直接利用二者的统计关系计算生烃潜量[18-19，23]。需要注意的是，利用测井资料计算有机碳含量本身存在不同程度的误差，据此，进一步计算生烃潜量会导致误差传递，使计算结果与测试结果出现较明显的偏差[24]。

本次研究采用了与总有机碳含量测井响应敏感性分析相同的方法，分别绘制了不同测井曲线与实测生烃潜量值的交会图，结果表明，自然伽马以及补偿密度值与生烃潜量之间无明显的相关性，决定系数分别为0.006 3、0.246 6（图6a，图6b），自然伽马与生烃潜量之间几乎没有相关性；声波时差及电阻率值同样对生烃潜量的响应最为明显，二者决定系数分别为0.560 5、0.582 6（图6c，图6d）。因此，仍考虑使用声波时差与电阻率曲线建立生烃潜量的测井解释模型。

图6 研究区须家河组生烃潜量测井响应敏感性分析Fig.6 Sensitivity analysis of S1+S2 logging response of Xujiahe Formation in the study area

3.2.2 生烃潜量测井解释模型建立

为了最大限度地减小计算误差，研究拟借鉴变形后的∆lgR技术，通过多元回归方法，将实测生烃潜量值与对应测点的声波时差以及电阻率值进行拟合（图7a），从而得到相应的测井解释模型

图7 研究区块须家河组烃源岩生烃潜量测井解释模型及误差分析Fig.7 S1+S2 logging interpretation model and error analysis of hydrocarbon source rocks of Xujiahe Formation in the study area

该模型决定系数为0.938 3，模型中自变量与因变量关联度较高。利用式（8）反推生烃潜量值，与实测生烃潜量值经45◦线验证，二者吻合程度高，表明该测井解释模型较可靠。

4 烃源岩评价及展布特征

4.1 烃源岩评价标准

当前对煤系烃源岩等级的评价，主要依据标准SY/T 5735--2019[11]中提出的煤系泥岩有机质丰度评价标准，以总有机碳含量、生烃潜量、氯仿沥青“A”含量及总烃含量为评价指标进行评价。由于本次研究缺少氯仿沥青“A”及总烃的相关分析化验数据，因此，采用总有机碳含量以及生烃潜量作为评价指标，对研究区须家河组烃源岩等级进行划分。

行业标准中，好烃源岩总有机碳含量在3.00%以上，而通过分析化验可知，研究区大部分样品总有机碳含量值小于1.50%，若以此方案进行评价，研究区绝大多数烃源岩将被划分为一般烃源岩，从而导致在平面上无法区分出相对有利的烃源岩发育区。因此，本文结合研究区实际情况，在一般烃源岩中以总有机碳含量1.50%为界，进一步划分出差烃源岩和中等烃源岩，以适应对研究区烃源岩进行分级评价的目标。同时，行业标准中定义的非烃源岩生烃潜量小于2.00 mg/g，而研究区绝大多数烃源岩样品生烃潜量在2.00 mg/g 以下，烃源条件本身具有一定的特殊性，因此，本文以实际分析化验结果为参考，重新制定了适合研究区的烃源岩生烃潜量评价指标。综上，本次研究中采用的川中北部须家河组烃源岩等级评价标准如表2 所示。

表2 研究区须家河组烃源岩评价标准Tab.2 Evaluation criteria for source rocks of Xujiahe Formation in the study area

4.2 烃源岩展布特征

基于已建立的总有机碳含量及生烃潜量解释模型，并参考烃源岩等级评价标准，对研究区内须家河组钻遇井的32 口进行了相应的烃源岩地球化学参数测井解释及分级评价。结果表明，研究区须家河组烃源岩中差烃源岩占比较高，其次为中等烃源岩，好烃源岩发育程度很低（图8）。对于研究区而言，中等烃源岩及好烃源岩即为相对优质烃源岩。考虑到研究区多数钻井未钻至须一段，导致须一段烃源岩厚度的平面分布缺少有效数据点，因此，本次研究仅对须二段、须三段和须五段的烃源岩及优质烃源岩平面厚度分布特征（图9）进行分析。

图8 研究区须家河组烃源岩评价结果（JH8 井）Fig.8 Evaluation results of source rocks of Xujiahe Formation in the study area（Well JH8）

图9 研究区须家河组烃源岩及优质烃源岩平面分布Fig.9 Distribution of source rocks and high-quality source rocks of Xujiahe Formation in the study area

须五段是研究区须家河组烃源岩最为发育的层段，总厚度在6.8∼115.5 m，主要在60.0 m 以上。平面上，具有自西向东逐渐减薄的趋势，厚度最大处发育于QL12 井—FS1 井一线以西、JH6井--QL1 井一线以及研究区西南部。该段优质烃源岩厚度在1.1∼30.3 m，主要在25.0 m 以上，其平面展布特征与烃源岩总厚度展布具有相似性，烃源岩总厚度最大处同样为优质烃源岩最发育部位。

须三段烃源岩发育程度相对较低，总厚度在1.6∼31.9 m，主要在16.0 m 以上。平面上自西向东减薄，烃源岩最发育区位于JN31 井--ZTH106井一线、JH6 井--FS1 井一线、QL12 井以西及研究区西南部，总体上呈SW—NE 向展布，厚度向两侧减薄。该段优质烃源厚度较薄，在0∼5.3 m，其展布特征同样与总厚度展布特征相近。

须二段烃源岩发育程度与须三段相当，总厚度在3.1∼36.3 m，主要在12.0 m 以上，平面上有自北东至南西向减薄的趋势，厚度最大处在QL12井--FS1井一线西北部、WT1 井—ZT108--X2 井一线及其以北。该段优质烃源岩发育程度高于须三段，在0∼13.6 m，其展布特征与总厚度展布特征相近。

5 结论

1）川中北部地区块须家河组烃源岩主要发育III 型干酪根，目前已进入高成熟阶段，平均总有机碳含量1.36%，平均生烃潜量1.17 mg/g。

2）须家河组烃源岩具有“三高一低”的测井响应特征，即自然伽马、声波时差以及电阻率值较大，补偿密度较低。测井曲线与总有机碳含量、生烃潜量之间的相关性分析结果表明，声波时差和电阻率曲线对烃源岩地球化学特征响应最为敏感，以二者作为自变量，与实测地球化学参数进行多元回归，可以得到有效的须家河组烃源岩总有机碳含量以及生烃潜量解释模型。

3）研究区须家河组主要发育差烃源岩，其次为中等烃源岩，好烃源岩发育程度低。

4）纵向上，研究区须家河组烃源岩主要发育于须一段顶部、须二段底部、须三段以及须五段，其中，须五段烃源岩最发育程度最高，优质烃源岩厚度同样较大，须三段与须二段烃源岩发育程度接近，但须二段优质烃源岩厚度大于须三段。

5）平面上，须五段、须三段烃源岩厚度具有自西向东减薄的趋势，须二段烃源岩总体具有自北西至南东减薄的趋势。

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