Natural Gas Geoscience >

2020 , Vol. 31 >Issue 11: 1628 - 1636

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2020.05.010

TOC calculation model of source rocks： Case study from Taiyuan-Shanxi formations in Ordos Basin

  • Rui LIU ,
  • Shao-bin GUO ,
  • Ji-yuan WANG
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  • （China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China ）

Received date: 2020-03-23

  Revised date: 2020-05-08

  Online published: 2020-07-02

Fold

Highlights

Over the years， domestic and foreign scholars have been committed to the evaluation and research of conventional and unconventional oil and gas resource source rocks. The evaluation of source rocks is inseparable from the type， abundance， maturity and thickness of organic matter. The key parameter for the study of organic matter abundance is the calculation of Total Organic Carbon （TOC）. Using logging data can first qualitatively and then quantitatively evaluate source rocks. The source rock rich in organic matter is shown on the conventional logging curves as： high radioactivity， low compensation density （DEN）， high acoustic time （AC）， high compensation neutron （CNL）， high resistivity （Rt）， etc. This study integrated the Thorium （Th）， Uranium （U） measured by natural gamma spectroscopy logging， AC and Rt curves of Permian Taiyuan-Shanxi formations source rocks in Ordos Basin of China. Based on Th/U combined with △LogR model， the TOC calculation model was determined according to the multiple regression research method. The model was used to calculate the TOC of the Taiyuan-Shanxi formations in Well Y88， and the calculation results were compared with the core analysis. It was found that the absolute error was mostly less than 0.5. The model can be extended and applied to other wells， and the processing results are within the allowable error range. The model has a strong applicability and reliability.

Cite this article

Rui LIU , Shao-bin GUO , Ji-yuan WANG . TOC calculation model of source rocks： Case study from Taiyuan-Shanxi formations in Ordos Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2020 , 31(11) : 1628 -1636 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2020.05.010

0 引言

富含有机质页岩中有机质含量是评价页岩气形成富集地质条件和资源潜力的重要参数。测井曲线是地层岩石物理特性综合反应的结果，利用测井曲线可以在地层中先定性后定量连续评价有机页岩中TOC。前人关于利用测井资料解释来计算TOC的方法主要有：①SUPERNAW等［1］发现U曲线可以用于指示页岩中有机碳含量的高低，不足之处是磷酸盐易吸附铀，如果地层中含磷酸盐就不能用U曲线反映TOC。②SCHMOKER［2］基于自然伽马曲线与密度曲线的交会图斜率，提出利用自然伽马曲线计算Appalachia盆地泥盆系页岩TOC的方法。但是不是所有的地区都能采用GR曲线来计算TOC。③SCHMOKER等［3］共同提出利用密度测井曲线计算美国Williston盆地泥盆系巴肯页岩TOC的公式：TOC=（154.497/ρ）－57.261。但当重矿物富集时，密度测井就不能真实地反映有机质含量。④FERTL等［4］借助多元回归分析方法，建立基于GR、CNL、DEN和AC计算TOC模型，但此方法的使用具有区域性。⑤PASSEY等［5］基于 AC、Rt以及热变指数LOM的ΔLogR法计算模型，此方法主要适用于热变指数范围在7~12之间，对于热变指数低于7或者高于12时，该方法是不适用的。⑥MICHAEL等［6］采用核磁共振测井（NMR）结合密度测井共同建立计算TOC的模型，但NMR测量会受井眼条件的影响同时测量费用相对较高，适用性不强。⑦KHOSHNOODKIA等［7］利用神经网络方法，编程将多条测井曲线作为输入层，最后在输出层得到计算的TOC结果，该方法实现难度相对较大，推广适用性不高。国内外在利用测井数据计算TOC方面的研究工作较多，每种计算方法都有优缺点。本文根据前人的研究，结合鄂尔多斯盆地上古生界二叠系太原组—山西组烃源岩的特点，展开了利用测井数据计算TOC方法的研究，提出并建立计算模型。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地地处中国大陆中部，位于华北地台的西部，北起阴山，南至秦岭，东抵吕梁山，西达六盘山一带，地跨陕、甘、宁、蒙、晋五省，面积近37×104 km2，是中国内陆的第二大沉积盆地。根据盆地基底性质，现今构造形态及分布特征，可将盆地划分为伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、天环坳陷以及西缘逆冲带6个构造单元［8］。鄂尔多斯盆地属于稳定的克拉通盆地，盆地内构造稳定，地层平缓，且断层对气藏的破坏作用较小，有利于油气的成藏。鄂尔多斯盆地自下而上主要发育2套富有机质烃源岩层系：下部为下古生界奥陶系海相泥岩、泥质灰岩、碳酸盐岩与上古生界石炭系—二叠系海陆过渡相至陆相煤系页岩；上部为中生界侏罗系延安组煤系页岩与上三叠统延长组湖相暗色页岩［9］。
研究区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东部，研究层位为上古生界二叠系太原组—山西组烃源岩（图1）。
图1 区域慨况

Fig.1 Location map of the study area

2 样品及实验方法

本文研究的28个实验样品来自鄂尔多斯盆地Y88井上古生界二叠系太原组—山西组，其中有18个样品来自山西组，深度在2 400.01~2 424.09 m之间；另外10个样品来自太原组，深度在2 497.36~2 505.31 m之间。基本实验方法如下：
TOC测量方法：页岩样品表面用乙醇清洗后粉碎至100目（小于150 μm），并在110 ℃下真空干燥24 h。页岩TOC测量在美国LECO公司生产的C230有机碳分析仪上完成，该仪器在装置中供给足够的氧气，维持温度在704.4 ℃（1 300 ℉），燃烧至少140 mg的粉末岩样，分析得到测量数据。
实验样品测试数据如表1所示。
表1 Y88井太原组—山西组样品TOC实验数据概况

Table 1 Overview of TOC experimental data of Taiyuan-Shanxi formations of Well Y88

层位 样品编号 深度/m TOC/%

山

西

组

 Y88-07 2 400.01 2.10
Y88-08 2 402.23 1.64
Y88-10 2 404.11 1.33
Y88-11 2 404.60 2.16
Y88-45 2 405.23 2.11
Y88-46 2 405.76 3.14
Y88-12 2 406.39 1.21
Y88-47 2 407.44 1.46
Y88-13 2 408.26 1.39
Y88-14 2 408.94 1.46
Y88-48 2 409.79 0.54
Y88-15 2 419.78 0.98
Y88-16 2 420.38 0.78
Y88-17 2 420.92 1.35
Y88-18 2 422.26 2.35
Y88-19 2 422.81 0.65
Y88-20 2 423.74 0.28
Y88-21 2 424.09 0.38

太

原

组

 Y88-26 2 497.36 3.49
Y88-28 2 498.86 3.06
Y88-29 2 499.86 3.51
Y88-30 2 500.64 3.37
Y88-31 2 501.06 3.76
Y88-33 2 502.21 3.66
Y88-34 2 502.99 3.21
Y88-35 2 503.46 3.65
Y88-36 2 504.21 2.89
Y88-37 2 505.31 3.02

3 TOC测井评价理论依据

利用测井资料评价烃源岩，主要的理论依据是：烃源岩中含有大量的有机物质，具有不同于其他岩石特征的地球物理属性。理论认为烃源岩体积模型由3部分组成：岩石骨架、固体有机质和孔隙流体；而非烃源岩仅由2部分组成：岩石骨架和孔隙流体。对于未成熟的烃源岩，固体有机质和岩石骨架组成岩石的固体部分，地层水充填孔隙空间；对于成熟的烃源岩，部分固体有机质会转化为油气并运移到孔隙空间［5，10-12］（图2）。
图2 烃源岩与非烃源岩体积模型

Fig.2 Volume model of source rocks and non-source rocks

不同的地层，测井曲线表现为不同的响应。对于含有烃源岩的地层，测井响应表现为：高放射性强度、低补偿密度、高声波时差、高补偿中子、高电阻率等［13］。利用测井曲线分辨率高这一特性来识别和评价烃源岩中的TOC，既能减少样品测试费用，又能快速得到连续地层剖面中有机碳含量的变化趋势。

4 Th/U和△LogR模型方法

4.1 Th/U原理

自然伽马能谱测井主要反映U、Th和K的变化特征，用能谱分析的方法，将测量得到的U、Th和K的伽马放射性的混合谱进行解谱，从而确定各自在地层中的含量［14］。能谱测量数据和U、Th和K之间的比值（Th/U、U/K和Th/K）在地质和工程方面的研究及应用很多。Th/U的应用包括：分析沉积环境、古岸线位置的研究和烃源岩生烃潜力评价等。U/K的应用包括：地层对比、黏土沉积物中成岩演化和地层相关性研究等。Th/K的应用包括：不同岩相类型识别；岩相古地理、古气候研究；沉积环境、古海岸线研究等［15］。

4.2 △LogR原理

埃克森（Exxon）和埃索（Esso）公司提出ΔLogR方法，该方法是利用测井资料识别和计算烃源岩中TOC的一种新方法［14］。利用声波时差曲线与电阻率曲线重叠，电阻率曲线以对数坐标刻度，声波时差曲线以线性刻度。1个电阻率曲线刻度对应声波时差为164 μs/m（不同的地层，此刻度范围是可以变化的）。
当2条曲线在非烃源岩段完全重合即为基线（图3，E段）；若2条曲线存在不同类型的幅度差即为ΔLogR，则代表不同的解释结论，如图3中C、F、H和I段的重叠特征代表富含有机质的特征。
图3 ΔLogR法解释烃源岩地层示意[5]

Fig.3 ΔLogR method to explain the source rock formation[5]

TOC与ΔLogR呈线性相关，并且是热变指数LOM的函数。求取得到热变指数LOM后，便可将ΔLogR直接用于计算TOC。PASSEY等［5］经过大量统计分析后，提出TOC的计算图版（图4），并且得到计算TOC相应的经验公式为：
图4 Th/U与TOC关系

Fig.4 The crossplot of Th/U and TOC

Δ L o g R = L o g 10 R / R b a s e l i n e + 0.02 × Δ t - Δ t b a s e l i n e
T O C = Δ L o g R × 10 2.297 - 0.168    8 × L O M
式中：△LogR为电阻率和声波时差在互融刻度下2条曲线的分隔间距；R为电阻率曲线，Ω∙m；R baseline为非烃源岩段基线对应的电阻率，Ω∙m；Δt为声波时差，μs/m；Δt baseline为非烃源岩段基线对应的声波时差，μs/m；0.02为一个电阻率对数刻度对应的声波时差（164 μs/m）的倒数，曲线重叠刻度范围不同，此值也不同；TOC为有机碳含量，%；LOM为热变指数。但是，在△LogR法计算TOC时，此方法主要适用于热变指数LOM的范围在7~12之间，因为LOM=7一般代表生油窗，LOM=12代表过成熟开始。对于热变指数LOM小于7和大于12，刻度标准不够严格，该方法不适用。

5 Th/U结合△LogR模型的建立

基于上述Th/U原理和ΔLogR原理，结合Th/U的优势和ΔLogR的优势，同时避开ΔLogR法中热变指数LOM小于7和大于12的不足，试验性的将2种方法结合，建立计算TOC的模型。
首先，基于表1的28个样品实验分析TOC数据和岩心归位后对应的自然伽马能谱测井中的Th、U曲线数据，建立Th/U与TOC的关系图（图4）。从图中可看出，随着TOC的增加，Th/U值呈乘幂形式减小，除个别数据误差相对大一点，整体相关性比较好。
其次，根据28个样品实验分析TOC数据和岩心归位后对应的AC、Rt曲线数据，采用公式（1）计算各个样品对应的△LogR。根据TOC与ΔLogR关系图版，将计算所得到的ΔLogR投到图版中（图5），可以看出：粉红色椭圆圈住的部分实验样品的热变指数LOM相对较大，说明样品的成熟度较高。通过Y88井太原组—山西组部分测量R O的实验结果（表2），可以验证样品的成熟度较高，与图5中的结果吻合。同时，在图5中也可以看出，热变指数LOM的分布范围相对较大，数据比较分散，很难准确确定热变指数LOM的值。因此，对于过成熟的烃源岩，尽量不要采用热变指数LOM线性回归计算TOC，应探寻新的研究方法。
图5 TOC与△LogR关系

Fig.5 TOC and ΔLogR relationship chart

表2 Y88井太原组—山西组样品R O实验结果

Table 2 R O results of Taiyuan-Shanxi formations samples for Well Y88

层位 样品编号 深度/m R O/%
山西组 Y88-07 2 400.05 2.64
Y88-14 2 407.50 2.65
Y88-18 2 419.06 2.66
太原组 Y88-28 2 497.30 3.30
Y88-34 2 501.93 3.32
Y88-36 2 503.15 3.33
结合Th/U和ΔLogR各自的优势，利用SPSS软件进行多元回归并得到鄂尔多斯盆地上古生界二叠系太原组—山西组TOC的计算模型：
T O C = - 0.0796 × T h / U + 0.034    2 × Δ L o g R + 3.323    3
R 2 = 0.84
根据上面多元回归公式，利用Th、U、AC和Rt曲线计算TOC，并将计算结果与实验分析TOC进行对比，结果发现除有少数4个点数据误差相对较大外，其余的24数据点相关性较好，证明了该方法的有效性（图6）。
图6 实测与多元回归计算TOC对比

Fig.6 Comparison the core and multiple regression calculated TOC

该方法具有两大特点：①多因素为自变量的模型要优于单因素为自变量的模型；②不同地区，影响因变量的主控自变量可能不同，使得不同地区定量预测模型存在差异［16］。即多元线性回归方法具有很强的地域性，在不同的地区计算公式系数各不相同，但是模型思想可以在不同的区块进行尝试。

6 以Y88井为例计算TOC

利用新模型对鄂尔多斯盆地Y88井的TOC进行了计算，图7为山西组TOC计算结果图。山西组共18个岩心测试数据，深度在2 400.01~2 424.09 m之间，TOC实验数据与计算得到的数据整体吻合度较高，有个别数据误差较大，分析原因有以下2点：①部分井眼扩径，测井曲线受到影响；②由于地层岩相变较快、地层薄互层频繁，而常规测井仪器分辨能力有限。图8为太原组TOC计算成果图，太原组共10个岩心测试数据，深度在2 497.36~2 505.31 m之间，除有个别点误差相对大一点，其余的实测TOC值与计算值整体一致性较好。
图7 Y88井山西组TOC实测值与计算值对比

Fig.7 Comparison of the core and calculated TOC of Shanxi Formation for Well Y88

图8 Y88井太原组TOC实测值与计算值对比

Fig.8 Comparison of the core and calculated TOC of Taiyuan Formation for Well Y88

以实测分析TOC值作为参考依据，统计计算TOC的绝对误差（表3），发现绝对误差大部分低于0.5。通过统计绝对误差频率分布直方图（图9），也可以看出绝对误差低于0.5的频率大于75%。该模型在鄂尔多斯盆地二叠系太原组—山西组烃源岩TOC计算方面具有较好的适用性和可靠性。
表3 Y88井太原组—山西组样品TOC误差分析

Table 3 TOC errors analysis of Taiyuan-Shanxi formations for Well Y88

层位 样品编号 深度/m TOC实测/% TOC计算/% 绝对误差

山

西

组

 Y88-07 2 400.01 2.10 1.75 0.35
Y88-08 2 402.23 1.64 1.86 -0.22
Y88-10 2 404.11 1.33 1.41 -0.08
Y88-11 2 404.60 2.16 1.69 0.47
Y88-45 2 405.23 2.11 2.17 -0.06
Y88-46 2 405.76 3.14 2.58 0.56
Y88-12 2 406.39 1.21 1.59 -0.38
Y88-47 2 407.44 1.46 1.40 0.06
Y88-13 2 408.26 1.39 1.21 0.18
Y88-14 2 408.94 1.46 1.43 0.03
Y88-48 2 409.79 0.54 0.71 -0.17
Y88-15 2 419.78 0.98 1.14 -0.16
Y88-16 2 420.38 0.78 0.91 -0.13
Y88-17 2 420.92 1.35 1.13 0.23
Y88-18 2 422.26 2.35 2.28 0.07
Y88-19 2 422.81 0.65 1.55 -0.90
Y88-20 2 423.74 0.28 0.47 -0.19
Y88-21 2 424.09 0.38 0.67 -0.29

太

原

组

 Y88-26 2 497.36 3.49 3.45 0.05
Y88-28 2 498.86 3.06 3.15 -0.09
Y88-29 2 499.86 3.51 2.79 0.72
Y88-30 2 500.64 3.37 3.29 0.08
Y88-31 2 501.06 3.76 3.70 0.06
Y88-33 2 502.21 3.66 2.68 0.98
Y88-34 2 502.99 3.21 2.68 0.53
Y88-35 2 503.46 3.65 4.37 -0.72
Y88-36 2 504.21 2.89 3.11 -0.22
Y88-37 2 505.31 3.02 3.77 -0.75
图9 岩心分析TOC与计算TOC绝对误差频率直方图

Fig.9 The absolute errors between the core analysis and predicted TOC

7 模型推广应用

利用Th/U和ΔLogR多元回归模型计算了鄂尔多斯盆地二叠系太原组—山西组没有测量TOC实验数据的Z100井，得到太原组—山西组TOC计算成果图（图10）。各道测井曲线与Y88井测井曲线相同，山西组深度3 304.00~3 388.08 m，太原组深度3 388.08~3 426.19 m。通过最后一道计算得到的TOC数据可以看出：在煤系地层和灰黑色烃源岩地层中，TOC相对较高，说明该地层中有机质的丰度较高；对于深灰色泥岩、颜色相对较浅的烃源岩，TOC相对较低。因此可以看出，颜色相对越深，TOC相对越高。同时，在纵向剖面上，山西组下段的TOC要优于上段，而太原组TOC整体高于山西组。太原组—山西组纵向上，随深度的增加，TOC含量相对增高。该方法预测了多口井的TOC，也取得了类似的预测效果，在此不再重复叙述。通过验证，可以看出该方法具有可行性与可推广性，同时也说明该方法在研究区的应用是合适可行的。
图10 Z100井太原组—山西组TOC计算成果图

Fig.10 The TOC estimation results of Taiyuan-Shanxi formations for Well Z100

8 结论

ΔLogR方法主要适用于热变指数LOM在7~12之间，对于过成熟的烃源岩，LOM不好确定。发挥测井经典方法ΔLogR在TOC计算中的应用和Th/U在地质中烃源岩评价的优势，建立适用于鄂尔多斯盆地二叠系太原组—山西组烃源岩的Th/U结合△LogR多元回归TOC计算模型。
新方法成功应用于Y88井太原组—山西组TOC计算，以实测分析TOC值作为参考依据，绝对误差大部分低于0.5，推广应用该方法发现该模型具有较强的适用性和可靠性。

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
1
SUPERNAW I R， MCCOY A D， LIND A J.Method for in Situ Evaluation of the Source Rock Potential of Earth Formations：USA，US4071755A［P］. 1978-01-31.

2
SCHMOKER J W. Determination of organic content of Appalachian Devonian shale from formation-density logs［J］.AAPG Bulletin， 1981，63（9）： 1504-1509.

3
SCHMOKER J W， HESTER T C. Organic carbon in Bakken Formation，United States portion of Williston Basin［J］.AAPG Bulletin， 1983，7（12）：2165-2174.

4
FERTL W H， CHILINGAR G V.Total organic carbon content determined from well logs［J］.SPE Formation Evaluation， 1988，3（2）： 407-419.

5
PASSEY Q R， CREANEY S， KULLA J B.A practical mo-del for organic richness from porosity and resistivity logs［J］. AAPG Bulletin， 1990，74（5）：1777-1794.

6
MICHAEL M， JAMES A， SUSAN L， et al.Total organic carbon and foramtion evaluation with wireline logs in the green river oil shale［J］. Plasma Physics & Controlled Fusion， 2013， 46（4）：593-609.

7
KHOSHNOODKIA M， MOHSENI H， RAHMANI O， et.al.TOC determination of Gadvan Formation in south pars gas field， using artificial intelligent systems and geochemical data［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering， 2011，78（1）：119-130.

8
杜江民， 张小莉， 钟高润，等.致密油烃源岩有机碳含量测井评价方法优选及应用——以鄂尔多斯盆地延长组长7段烃源岩为例［J］.地球物理学进展， 2016，31（6）： 2526-2533.

DU J M， ZHANG X L， ZHONG G R， et.al. Optimization and application of logging evaluation methods for organic carbon content of tight oil source rocks：Take the Chang 7 Member source rock of Yanchang Formation in Ordos Basin as an example［J］.Progress in Geophysics，2016，31（6）：2526-2533.

9
徐士林， 包书景.鄂尔多斯盆地三叠系延长组页岩气形成条件及有利发育区预测［J］.天然气地球科学， 2016，20（3）： 460-465.

XU S L， BAO S J.Preliminary analysis of shale gas resource potential and favorable areas in Ordos Basin［J］.Natural Gas Geoscience， 2009，20（3）： 460-465.

10
PHILIPPI G T.On the depth time and mechanism of petroleum generation［J］.Geochimica et Cosmochimica Acta， 1968，29：1021-1049.

11
NIXON R P.Oil source beds in Cretaceous Mowry shale of north western interior United State［J］.AAPG Bulletin， 1973，52：57-65.

12
MEISSNER F F.Petroleum Geology of the Bakken Formation Williston Basin， North Dakota and Montana， in the Economic Geology of the Williston Basin［C］.Montana Geological Society， Williston Basin Symposium， 1978.

13
LEWIS R D，INGRAHAM， PEARCY M， et al. New Evaluation Techniques for Gas Shale Reservoirs［C］.Schlumberger Reservoir Symposium， Denver， Colorado， 2004，July 29-20.

14
黄隆基.核测井原理［M］.北京：石油大学出版社， 2000：48-50.

HUANG L J.Nuclear Logging Principle［M］.Beijing：Petroleum University Press， 2000：48-50.

15
FERTL W H.Gamma ray spectral data assists in complex formation evaluation［J］.Log Analyst，1979，20（5）：3-37.

16
刘新颖，邓宏文，邸永香，等.海拉尔盆地乌尔逊凹陷南屯组优质烃源岩发育特征［J］.石油实验地质， 2009，31（1）：68-73.

LIU X Y， DENG H W， DI Y X，et al.High quality source rocks of Nantun Formation in Wuerxun Depression，the Hailaer Basin［J］.Petroleum Geology & Experiment，2009，31（1）： 68-73.

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