鄂爾多斯盆地定邊-慶陽地區(qū)長7段致密油烴源巖地質(zhì)數(shù)據(jù)挖掘與評價

于京都, 鄭 民, 李 鵬, 林森虎

(中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

鄂爾多斯盆地定邊-慶陽地區(qū)長7段致密油烴源巖地質(zhì)數(shù)據(jù)挖掘與評價

于京都, 鄭 民, 李 鵬, 林森虎

(中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

探討鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)長7段致密油有效烴源巖的主控地質(zhì)因素及分布特征。結(jié)合地質(zhì)異常理論，采用因子分析、痕量元素分析、趨勢面分析及標準化處理等技術(shù)手段，提出一種對研究區(qū)長7段烴源巖進行地質(zhì)數(shù)據(jù)挖掘與信息整合的評價方法，建立表征烴源巖品質(zhì)的綜合性無因次線性組合，揭示出在有機碳豐度普遍較高的背景下，有效烴源巖的發(fā)育主要受控于低等水生生物勃發(fā)(有機質(zhì)類型指數(shù))與有機質(zhì)熱演化程度(鏡質(zhì)體反射率)。有效烴源巖集中分布于姬塬南部、定邊西部、油房莊東部、華池地區(qū)及合水東北部，對致密油高產(chǎn)富集帶的分布具有一定的控制作用。有利于進一步提高長7段致密油勘探開發(fā)成效的地區(qū)主要是耿灣-環(huán)縣、華池北部、油房莊-吳倉堡及定邊。

鄂爾多斯盆地；長7段；致密油；烴源巖；地質(zhì)異常理論

非常規(guī)油氣資源是目前地學和能源研究中的熱點[1-3]。致密油是非常規(guī)油氣研究的重要組成部分，具有較好的資源前景與經(jīng)濟開發(fā)效益[4-6]。鄂爾多斯盆地是中國目前重要的致密油產(chǎn)區(qū)，其上三疊統(tǒng)延長組第7段(簡稱“長7段”)構(gòu)造背景穩(wěn)定，沉積環(huán)境優(yōu)越，沉積范圍廣，自生自儲型陸相致密油成藏前景好，是相關(guān)研究領(lǐng)域中具有較高價值的研究目標[7-8]。

針對鄂爾多斯盆地長7段，當前在烴源巖地球化學特征、致密儲層物性、致密油賦存機理等方面取得了一系列研究進展[9-11]，但也存在著有效烴源巖分布位置相對不清，與致密油產(chǎn)能聯(lián)系相對不明等突出問題，一定程度上制約了其致密油勘探開發(fā)成效的提升[12-13]。由于烴源巖與儲層中“大面積緊密接觸”是致密油成藏條件中的關(guān)鍵因素[14-15]，故進一步明確鄂爾多斯盆地長7段有效烴源巖的集中發(fā)育區(qū)域及分布特征具有重要的理論價值和生產(chǎn)意義[16-17]。

研究區(qū)位于盆地西南部，北起定邊，南至慶陽一帶，面積約為2.59×104km2，構(gòu)造單元上主體屬伊陜斜坡，部分屬天環(huán)拗陷(圖1)。區(qū)內(nèi)長7段沉積發(fā)育范圍廣，致密油勘探開發(fā)程度適中，利于開展烴源巖地質(zhì)評價與相關(guān)分析。

1 評價方法與指標選取

前人研究表明，對連續(xù)性大面積分布、一定程度上又具非均質(zhì)性的烴源巖，地質(zhì)異常理論是一種行之有效的分析思路[18-20]。根據(jù)該理論及相關(guān)模型，本文結(jié)合長7段總體地質(zhì)特征與致密油勘探現(xiàn)狀，通過因子分析分配評價指標權(quán)重系數(shù)，表征不同地質(zhì)評價指標對有效烴源巖分布的控制作用；繼而通過網(wǎng)格井地質(zhì)數(shù)據(jù)的標準化，消除不同量綱單位的影響；形成權(quán)重系數(shù)與評價指標的線性組合，定量化評價研究區(qū)長7段烴源巖地質(zhì)異常幅度，從而明確有效烴源巖平面分布特征(圖2)。

結(jié)合研究區(qū)致密油勘探現(xiàn)狀與烴源巖研究實際情況，對研究區(qū)烴源巖品質(zhì)有關(guān)的評價指標(地質(zhì)參數(shù))的選取，總體基于形成及演化兩方面，分析認為主要包括(但不僅限于)下列幾項：①泥頁巖厚度；②有機碳豐度；③鏡質(zhì)體反射率；④有機質(zhì)類型指數(shù)；⑤古水深；⑥底層面相對構(gòu)造變形幅度。其中在致密油烴源巖評價中，各評價指標對應著不同的地質(zhì)意義：①～④項是在烴源巖評價中常涉及的地質(zhì)參數(shù)；⑤項(古水深)與沉積環(huán)境關(guān)系比較緊密；⑥項(相對構(gòu)造變形幅度)為在構(gòu)造作用下，烴源巖內(nèi)發(fā)育局部變形變位(如微裂縫等)的趨勢。根據(jù)非常規(guī)油氣地質(zhì)學相關(guān)理論，一般認為水體較深、水動力較弱的沉積部位相對利于優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成；而烴源巖內(nèi)發(fā)育的微裂縫等小構(gòu)造使得烴類物質(zhì)更易發(fā)生相對高效的初次運移，從而利于致密油“甜點”的形成。因此對以上評價指標展開分析，可以相對更全面、深入、準確地獲得對研究區(qū)致密油烴源巖的相關(guān)地質(zhì)認識。

在各項評價指標中，①、②、③項分別直接來自對已實施的致密油鉆井相關(guān)信息與實驗測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計；而④、⑤、⑥項需對其他基礎(chǔ)地質(zhì)參數(shù)(干酪根有機質(zhì)組分、痕量元素豐度及埋藏深度)展開分析后獲得(表1、圖3)。

結(jié)合研究區(qū)長7段致密油勘探經(jīng)驗及干酪根有機質(zhì)組分觀測結(jié)果，首先應用式(1)計算有機質(zhì)類型指數(shù)

It=(50×w1+50×w2-75×w3-100×w4)/100

(1)

表1 研究區(qū)長7段烴源巖評價指標地質(zhì)意義與性質(zhì)分析Table 1 Geological significance of source rock evaluation parameters for the Chang-7 Formation

其中：It為有機質(zhì)類型指數(shù)，為判斷有機質(zhì)類型的無因次量；w1～w4為干酪根有機質(zhì)組分相對含量(質(zhì)量分數(shù))，分別對應腐泥組、殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組(表2、圖3)。

接著根據(jù)宇宙塵埃年沉降量守恒原理，通過巖石中的特定痕量元素豐度(Co、La的質(zhì)量分數(shù))，計算沉積速率，在排除陸源物源的影響下，求得研究區(qū)烴源巖沉積時的古水深特征，其方法為[21-23]

(2)

t=wLa/w″La

(3)

(4)

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)長7段總體層面構(gòu)造特征(形態(tài)較完整的構(gòu)造斜坡)，對網(wǎng)格井底面深度數(shù)據(jù)及其縱、橫坐標利用SPSS 19?進行多元回歸分析，獲得長7段底面深度的趨勢面表達式

Dij=a×i+b×j+c

(5)

其中：Dij為研究區(qū)某一網(wǎng)格井的長7段底深擬合趨勢值;i、j分別代表對應橫、縱坐標(18帶大地坐標系)；a、b為擬合系數(shù)，a=-8.549×10-3，b=9.219×10-5；c為常數(shù)，c=1.620×105；擬合度(R2)為0.872。

表2 有機質(zhì)類型及古水深分析數(shù)據(jù)Table 2 The applied data in the corresponding analyses concerning to organic types and palaeo-water depth

繼而應用古水深及現(xiàn)今長7底面深度插值數(shù)據(jù)，消除構(gòu)造掀斜作用帶來的影響，對研究區(qū)范圍內(nèi)的“底層面相對構(gòu)造變形幅度”進行分析計算，其方法為

(6)

Aij=fij-fmin

(7)

Bij=hmax-hij

(8)

Cij=|Aij-Bij|

(9)

其中：fij為研究區(qū)某一網(wǎng)格井點(橫坐標i，縱坐標j)長7段現(xiàn)今地層底面相對趨勢面的起伏程度(fij>0時，表明此網(wǎng)格井點的趨勢面深度大于地層底面深度，地層底面相對趨勢面突起；fij<0時則反之)；fmin為全部網(wǎng)格井點中對應的最小數(shù)據(jù)值；dij為對應網(wǎng)格井點的地層底面深度插值數(shù)據(jù)；Aij為標準化處理后的對應網(wǎng)格井點長7段現(xiàn)今地層底面相對起伏程度；Bij為對應網(wǎng)格井點的長7沉積期湖盆底部地形相對起伏程度；hij為對應網(wǎng)格井點的古水深插值數(shù)據(jù)；hmax為古水深插值數(shù)據(jù)中的最大值；Cij為“底層面相對構(gòu)造變形幅度”，即：研究區(qū)長7段對應的網(wǎng)格井點，從長7期至現(xiàn)今，底層面的相對變形幅度。

在研究區(qū)大型斷裂相對不發(fā)育、西傾斜坡形態(tài)比較完整的構(gòu)造背景下，研究認為層系的“底層面相對構(gòu)造變形幅度”越大，則一定程度上內(nèi)部形成微裂縫等小構(gòu)造的趨勢也相對越高，從而利于烴源巖向致密儲層排烴充注。利用網(wǎng)格井插值技術(shù)，該評價指標與其他指標進而可分別形成對應的單因素等值線圖， 并以此建立整一的“聯(lián)測型”地質(zhì)大數(shù)據(jù)集合，共計6×9.150 32×105項(表3、圖3)。

2 評價過程與結(jié)果討論

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)異常理論及地質(zhì)統(tǒng)計學原理，針對研究區(qū)長7段烴源巖網(wǎng)格井聯(lián)測地質(zhì)數(shù)據(jù)集合的Kaiser-Meyer-Olkin檢驗和Bartlett球形度檢驗表明，前者檢測指標為0.60，后者顯著性指標<0.05，揭示出各評價指標在烴源巖品質(zhì)評價上存在一定的相關(guān)性，具備根據(jù)數(shù)據(jù)集合特征開展因子分析，明確對應權(quán)重系數(shù)的條件[26-27]。利用SPSS 19?技術(shù)得到的研究區(qū)長7段烴源巖主成分方差貢獻及碎石圖表明，當抽取4個主成分時，具有相對較大累計方差貢獻率，達86.137%，碎石圖出現(xiàn)拐點，可比較有效地解釋原數(shù)據(jù)體中的大部分信息，由此可確定主成分(因子)數(shù)量并獲得其載荷矩陣(表4、 圖4、 表5)。

圖3 研究區(qū)烴源巖評價指標等值線圖Fig.3 Contours of source rock assessment parameters in the study area (A)泥頁巖厚度(δ/m)；(B)有機碳豐度(wTOC/%)；(C)鏡質(zhì)體反射率(Ro/%)；(D)有機質(zhì)類型指數(shù)；(E)古水深(d/m)；(F)底層面相對構(gòu)造變形幅度(Cij/m)

網(wǎng)格井編號網(wǎng)格井橫坐標網(wǎng)格井縱坐標厚度(δ/m)有機碳豐度(wTOC/%)鏡質(zhì)體反射率(Ro/%)類型指數(shù)古水深(d/m)底層面相對構(gòu)造變形幅度(Cij/m)WG-118792195.164035728.1453.787.951.2743.8056.1130.14WG-218793565.784024558.9859.2011.691.1063.8771.27103.85?????????WG-91503118793337.354011794.2355.168.880.8669.13125.46281.49WG-91503218793223.134022507.5153.5310.041.0557.4376.98118.32

根據(jù)主成分(因子)載荷矩陣的地質(zhì)與統(tǒng)計學意義，主成分載荷的絕對值大小表征各主成分對評價指標的不同依賴程度；針對研究區(qū)長7段烴源巖地質(zhì)數(shù)據(jù)集合的因子分析結(jié)果，揭示出各主成分具有明確的地質(zhì)意義。

表4 研究區(qū)長7段烴源巖數(shù)據(jù)集合主成分(因子)方差貢獻信息Table 4 Total variance explained by the combination of principal components from the database for the research area

圖4 研究區(qū)長7段烴源巖數(shù)據(jù)集合主成分(因子)碎石Fig.4 Scree plot of the principal components concerning to the Chang-7 Formation in the research area

評價指標(參數(shù)名稱)主成分1主成分2主成分3主成分4①厚度0.8730.0140.305-0.034②有機碳豐度0.0890.0810.1900.937③鏡質(zhì)體反射率-0.192-0.872-0.061-0.275④有機質(zhì)類型指數(shù)0.8140.106-0.2640.273⑤古水深0.0560.2290.8560.248⑥底層面相對構(gòu)造變形幅度-0.0910.8020.422-0.099

主成分1在類型指數(shù)及厚度上具有相對較大載荷絕對值，反映了沉積期中有機質(zhì)生源特征和陸源碎屑的搬運注入，可命名為生源-陸源碎屑因子。

主成分2在底層面相對構(gòu)造變形幅度和鏡質(zhì)體反射率上具相對較大載荷絕對值，反映了局部構(gòu)造形變的發(fā)生趨勢及有機質(zhì)熱演化情況，可命名為構(gòu)造-演化因子。

主成分3在古水體深度上具有相對較大載荷絕對值，反映了古湖盆水體的影響，可命名為水體環(huán)境因子。

主成分4在有機碳豐度上具有相對較大載荷絕對值，反映了有機質(zhì)的沉降及賦存總量的影響，可命名為有機質(zhì)沉降賦存因子。

進而根據(jù)方差貢獻情況，形成針對主成分、表征長7段烴源巖品質(zhì)的線性組合

F=(24.663%×F1+24.568%×F2+18.569×F3+18.337%×F4)×100/86.137

(10)

其中：F為綜合因子得分，為當前評價指標組合下表征的長7段烴源巖品質(zhì)的有利程度；F1～F4為各對應主成分。

根據(jù)因子載荷矩陣中的信息，求得對應主成分權(quán)重系數(shù)分別為：主成分1為28.6%；主成分2為28.5%；主成分3為21.6%；主成分4為21.3%(圖5-A)。

接著利用主成分(因子)載荷，表征各主成分中不同評價指標對應的權(quán)重系數(shù)

(11)

其中：Wn為某一主成分中某一評價指標的權(quán)重系數(shù);p1～pm為該主成分在因子載荷矩陣中對應的因子載荷；pn為該主成分中該評價指標的因子載荷值;m為評價指標總數(shù)(對研究區(qū)長7段烴源巖地質(zhì)數(shù)據(jù)集合而言，m=6);n為評價指標的序號(n≤m)。

以第一主成分中的泥頁巖厚度(n=1)為例，該主成分對其依賴程度(權(quán)重系數(shù))為

圖5 研究區(qū)長7段烴源巖評價指標權(quán)重系數(shù)分析圖Fig.5 Distribution of weights among applied parameters based on factor loadings of principal components(A)不同主成分對各評價指標的可視化依賴程度；(B)評價指標權(quán)重系數(shù)餅狀圖

W1=|0.873|/(|0.873|+|0.089|+ |-0.192|+|0.814|+|0.056|+ |-0.091|)×100%

(12)

由此可針對研究區(qū)長7段烴源巖地質(zhì)數(shù)據(jù)集合，建立各主成分對不同評價指標的依賴程度矩陣(表6、圖5-A)。

表6 研究區(qū)長7段烴源巖數(shù)據(jù)集合中主成分對評價指標的依賴程度矩陣Table 6 The matrix about the dependence of principal components (factors) on the applied parameters in research area

通過計算主成分對評價指標的依賴程度矩陣與主成分對應權(quán)重系數(shù)組合的向量積，繼而可形成針對研究區(qū)長7段烴源巖的地質(zhì)評價指標權(quán)重系數(shù)組合

(13)

其中：A長7為地質(zhì)評價指標的權(quán)重系數(shù),其中厚度的權(quán)重系數(shù)為15.5%、有機碳豐度的權(quán)重系數(shù)為15.0%、鏡質(zhì)體反射率的權(quán)重系數(shù)為18.2%、有機質(zhì)類型指數(shù)的權(quán)重系數(shù)為18.3%、古水深的權(quán)重系數(shù)為15.5%、底層面相對構(gòu)造變形幅度的權(quán)重系數(shù)為17.6%(圖5-B)。

又因各評價指標具有的不同量綱影響評價準確性，所以有必要對研究區(qū)長7段烴源巖地質(zhì)數(shù)據(jù)集合進行標準化處理。觀察因子載荷矩陣可以看出，各評價指標所對應的因子載荷值中，除鏡質(zhì)體反射率的因子載荷為負值，表明鏡質(zhì)體反射率與評價目標(長7段烴源巖品質(zhì))具負相關(guān)特征外；其余各項指標的因子載荷均以正值為主，表現(xiàn)為總的正相關(guān)特征。由此根據(jù)不同評價指標的相關(guān)性類型，可確定數(shù)據(jù)標準化方法。

當評價指標為負相關(guān)特征時

(14)

當評價指標為正相關(guān)特征時

(15)

其中：Aij為對某一評價指標的網(wǎng)格井數(shù)據(jù)標準化處理值(其橫坐標為i，縱坐標為j)，該值的理論上限為1，下限為0，分別對應最高與最低有利程度；Dmax為該評價指標網(wǎng)格井地質(zhì)數(shù)據(jù)集合中的最大值；Dmin為該數(shù)據(jù)集合中的最小值。

根據(jù)地質(zhì)異常理論，對研究區(qū)網(wǎng)格井地質(zhì)數(shù)據(jù)集合進行標準化處理后，結(jié)合各評價指標的對應權(quán)重系數(shù)，可就長7段烴源巖品質(zhì)的地質(zhì)異常幅度形成以下無因次線性組合

Gij=(Aij1×15.5%+Aij2×15.1%+Aij3×18.2%+Aij4×18.3%+Aij5×15.3%+Aij6×17.6%)×100

(16)

其中：Gij為表征某一橫坐標為i、縱坐標為j的網(wǎng)格井烴源巖品質(zhì)的地質(zhì)異常幅度綜合得分(無因次)，其理論上限為100，下限為0，分別對應烴源巖評價中的最高與最低品質(zhì)；Aij1、Aij2、Aij3、Aij4、Aij5、Aij6分別為該網(wǎng)格井對應的泥頁巖厚度、有機碳豐度、鏡質(zhì)體反射率、有機質(zhì)類型指數(shù)、古水深及底層面相對構(gòu)造變形幅度在數(shù)據(jù)標準化處理后得到的無因次量。

進一步統(tǒng)計分析表明，獲得的評價結(jié)果在數(shù)值分布上符合正態(tài)分布特征，具有理論上的規(guī)律性與可預測性，從而使各評價指標對應的地質(zhì)信息凝縮至定量化的地質(zhì)異常幅度綜合得分中(圖6)。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)網(wǎng)格井位置，利用插值技術(shù)可形成研究區(qū)長7段致密油烴源巖品質(zhì)的地質(zhì)異常幅度綜合得分等值線圖，結(jié)合對研究區(qū)部分相對高產(chǎn)井生產(chǎn)信息的統(tǒng)計，揭示烴源巖品質(zhì)受多種地質(zhì)因素共同影響，對長7段致密油勘探開發(fā)成效具有一定程度的控制作用。其中姬塬南部、定邊西部、油房莊東部、華池地區(qū)及合水東北部為有效烴源巖的集中發(fā)育區(qū)，總體位于綜合得分等值線的50分線內(nèi)，呈現(xiàn)出沿NW-SE分布的特點；而致密油高產(chǎn)富集帶大致位于綜合得分等值線40分線附近，部分靠近50分線處，基本呈現(xiàn)沿有效烴源巖集中發(fā)育區(qū)近源環(huán)繞分布的特征(圖7、圖8)。

圖6 研究區(qū)長7段烴源巖評價綜合得分數(shù)值分布特征Fig.6 Digital distribution of the result acquired from quantitative assessment for Chang-7 source rock in the research area(A)評價綜合得分數(shù)值分布柱狀圖； (B)評價綜合得分數(shù)值分布正態(tài)性檢驗Q-Q圖

圖7 研究區(qū)部分相對高產(chǎn)井長7段烴源巖品質(zhì)地質(zhì)異常幅度綜合得分統(tǒng)計直方圖Fig.7 Statistical histogram of the result of the prolific wells to geological anomalies for Chang-7 source rock in the research area

3 結(jié) 論

a.利用地質(zhì)異常定量評價形成的分析成果圖件，蘊含豐富的地質(zhì)信息，且簡明直觀，信息集合程度較高，在對鄂爾多斯盆地長7段有效烴源巖的研究分析中，顯示出較好的效果和適用性。

b.有機質(zhì)類型指數(shù)和鏡質(zhì)體反射率具有相對較高的權(quán)重值，揭示出在相對較高有機碳豐度背景下，低等水生生物勃發(fā)與有機質(zhì)熱演化程度對有效烴源巖的形成與分布有重要的影響，成為研究區(qū)長7段致密油有效烴源巖集中發(fā)育的主控地質(zhì)因素。

圖8 研究區(qū)長7段烴源巖品質(zhì)地質(zhì)異常幅度綜合得分等值線圖Fig.8 Contour map of the comprehensive assessment for Chang-7 source rock in the research area

c.研究區(qū)長7段致密油有效源巖相對集中發(fā)育于姬塬南部、定邊西部、油房莊東部、華池地區(qū)及合水東北部，與局部高產(chǎn)富集帶的分布存在聯(lián)系；揭示出利于勘探開發(fā)成效進一步提高的方向主要有耿灣-環(huán)縣、華池北部、油房莊-吳倉堡及定邊地區(qū)。

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Geological data collection and assessment of tight oil source rock of Chang-7 from Dingbian to Qingyang region in Ordos Basin, China

YU Jingdu, ZHENG Min, LI Peng, LIN Senhu

Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing 100083, China

Geological anomaly theory, multiple technical approaches of factor analysis, trace elements analysis, trend surface analysis and data normalization treatment are used to discuss the controlling factors and distributive characteristics of the effective source rock of Chang-7 Member of Triassic Yanchang Formation in Ordos Basin. A method of geological data collection and information integration on the source rock of Chang-7 Member is proposed. It is indicated that the biological burst of the lower aquatic paleo-organisms (type index of organic matter) and degree of thermal evolution of organic matter are the main controlling factors to the development of effective source rock under the background of a generally high content of total organic carbon. The relatively concentrated distribution of effective rock is generally located in the south Jiyuan, west Dingbian, east Youfangzhuang, Huachi area and the northeast Heshui, which indicates a certain degree of relating and controlling effect on the zones of tight oil high production. The study reveals that the favorable direction for future exploration and exploitation of tight oil in Chang-7 Member includes the area from Gengwan to Huanxian, the north Huachi, Youfangzhuang to Wucangpu area and the Dingbian area.

Ordos Basin; Yanchang Formation; tight oil; source rock; geological anomaly theory

10.3969/j.issn.1671-9727.2017.04.11

1671-9727(2017)04-0478-11

2017-03-27。

“十三五”國家科技重大專項(2016ZX05046002)。

于京都(1983-),男,博士,研究方向：非常規(guī)油氣資源評價, E-mail:188379463@qq.com。

TE122.115

A