辮狀河致密砂巖儲層構(gòu)型單元定量表征方法

瞿雪姣，李繼強(qiáng)，張 吉，趙忠軍，戚志林，羅 超

1.復(fù)雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點實驗室，重慶 401331 2.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331 3.中國石油長慶油田公司，西安 710018

0 引言

儲層構(gòu)型(reservoir architecture)，也稱儲層建筑結(jié)構(gòu)，其初始定義為儲層及其內(nèi)部構(gòu)成單元的幾何形態(tài)、尺寸、方向及其相互關(guān)系[1]。這一概念主要是從層次結(jié)構(gòu)的角度對地質(zhì)體進(jìn)行研究，反映了不同成因、不同級次的儲層儲集單元與滲流屏障的空間配置及分布的差異性[2-4]。辮狀河儲層形成的油氣藏在世界范圍內(nèi)有著重要地位[5]，其中辮狀河河道內(nèi)的辮狀水道砂體和心灘砂體是辮狀河最主要的油氣儲集體，其對應(yīng)于Miall儲層構(gòu)型理論中的4級構(gòu)型單元[6-8]。辮狀河體系由于水道帶內(nèi)的持續(xù)改造和頻繁的水道遷移，使得砂體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜[9]、砂體間物性差異明顯[5，10-12]。儲層砂體間的非均質(zhì)性嚴(yán)重制約了油氣田的精細(xì)開發(fā)，而儲層構(gòu)型單元定量表征是降低鉆探風(fēng)險、提高采收率、剩余資源挖潛的關(guān)鍵性技術(shù)。

對于辮狀河儲層構(gòu)型單元定量表征，通常是基于巖心、測井資料獲取交錯層系組平均厚度，進(jìn)而計算單河道滿岸深度[13-14]，最后根據(jù)經(jīng)驗公式計算構(gòu)型單元規(guī)模[15]。然而，開發(fā)井區(qū)巖心和成像測井資料匱乏，加之辮狀河沉積特征難以滿足交錯層系組平均厚度估算的前提條件，致使基于單河道滿岸深度的構(gòu)型單元定量表征方法關(guān)鍵參數(shù)獲取困難且可靠性存疑。鑒于辮狀河道對辮狀水道和心灘砂體形態(tài)和規(guī)模的控制作用，本文建立了現(xiàn)代辮狀河單一辮狀河道寬度與構(gòu)型單元關(guān)系定量模型，提出了基于單一辮狀河道寬度的構(gòu)型單元定量表征方法，以期實現(xiàn)對地下辮狀河儲層構(gòu)型單元的定量表征及空間展布預(yù)測。

1 地下辮狀河儲層構(gòu)型單元定量表征方法

1.1 基于單河道滿岸深度的構(gòu)型單元定量表征方法

1.1.1 基本思路及步驟

基于單河道滿岸深度的辮狀河構(gòu)型單元定量表征方法主要分為兩個步驟，其中交錯層系組平均厚度(hs)是該方法的關(guān)鍵參數(shù)。

1)通過巖心、測井資料獲取單河道滿岸深度(hd)

對于取心段，通過巖心精細(xì)觀察和描述可獲得hs，由式(1)計算得到系數(shù)β，進(jìn)而由式(2)計算得到沙丘高度(hm)，最后由式(3)計算得到hd[13-14]。

β≌hs/1.8；

(1)

hm=5.3β+0.001β2；

(2)

hd=11.6hm0.84(0.1 m

(3)

對于非取心段，則利用測井資料來估算hs，進(jìn)而確定hd[13]。

2)根據(jù)經(jīng)驗公式計算構(gòu)型單元規(guī)模

Kelly[15]利用22個現(xiàn)代辮狀河體系(或水槽實驗)數(shù)據(jù)，通過式(4)與式(5)建立了現(xiàn)代辮狀河單河道hd與單一心灘寬度(Ws)以及Ws與單一心灘長度(Ls)之間的關(guān)系，其決定系數(shù)(R2)均大于0.900 0。

Ws=7.386 2hd1.461 4，R2=0.909 4。

(4)

Ls=4.951 7Ws0.967 6，R2=0.959 6。

(5)

雖然利用現(xiàn)代辮狀河數(shù)據(jù)和34個古代露頭剖面數(shù)據(jù)共同擬合時決定系數(shù)降為0.757 7，但hd與Ws兩組變量間仍存在相似的變化趨勢，總體上可用其中一個變量來確定另一變量(式(6))[15]。

Ws=11.413hd1.418 2，R2=0.757 7。

(6)

值得注意的是，Kelly[15]對現(xiàn)代辮狀河體系進(jìn)行測量時，未區(qū)分復(fù)合心灘與單個心灘，而是將單個心灘全部按單一心灘處理。

1.1.2 存在的問題和不足

1)hd估算的前提條件苛刻

利用交錯層系組平均厚度計算單河道滿岸深度時，必須滿足3個前提條件：①交錯層系組為中等尺度，其厚度大于3 cm；②交錯層系組厚度分布主要受控于沙丘高度的變化，并且加積速率對其影響甚微[16-17]；③交錯層是均勻的(如層理類型在空間上無明顯變化或粒度均勻)，即形成交錯層的沙丘具有平均的幾何形態(tài)，且不隨時間和空間顯著變化[13]。

辮狀河多出現(xiàn)在潮濕或較潮濕的季節(jié)性變化比較明顯的氣候帶或洪水平原，河水的凈流量隨季節(jié)更替而變化，流量不穩(wěn)定[5]。洪水期與枯水期水動力的強(qiáng)弱變化，導(dǎo)致沉積物載荷量和搬運能力的變化，以及加積速率的變化，其必然表現(xiàn)為交錯層系組厚度及規(guī)模的顯著差異。辮狀河道中側(cè)積交錯層，同一層系內(nèi)細(xì)層的巖性往往不同，既可為粗、細(xì)頻繁交替或數(shù)個粗粒的細(xì)層與數(shù)個細(xì)粒的細(xì)層相間分布，亦可粗細(xì)無規(guī)律地隨機(jī)分布[18]。

2)hd估算的基礎(chǔ)資料匱乏

成熟油氣開發(fā)區(qū)取心資料少、成像測井資料匱乏極大地制約了單河道滿岸深度的定量估算。為了獲得具有代表性的交錯層層組厚度，在巖心測量時應(yīng)盡可能測量多個值，并且保證交錯層組厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值之比為0.88(±0.30)[13]。成像測井資料是非取心井段交錯層系組厚度、沙丘高度和滿岸深度定量估算的關(guān)鍵基礎(chǔ)資料，同時，基于測井資料的計算結(jié)果往往都需要有取心段進(jìn)行校正和檢驗，以確保其可靠性[12-13]。取心資料少，一方面使得從巖心直接測量的交錯層系組厚度不具代表性和統(tǒng)計意義，另一方面也限制了基于測井資料計算結(jié)果的約束和驗證。而成像測井資料匱乏又使得非取心段單河道滿岸深度定量估算缺少基礎(chǔ)資料。

綜合來看，辮狀河沉積特征難以滿足交錯層系組平均厚度估算的前提條件，同時巖心和成像測井資料匱乏也限制了基于單河道滿岸深度的構(gòu)型單元定量表征方法的應(yīng)用；因此，尋求關(guān)鍵參數(shù)更易獲取、應(yīng)用前提更為寬松的定量表征方法就成為辮狀河構(gòu)型單元研究的關(guān)鍵。

1.2 單一辮狀河道寬度與構(gòu)型單元規(guī)模之間的關(guān)系

單一辮狀河道內(nèi)主要包括辮狀水道和心灘兩種4級構(gòu)型單元[6-8]，顯然單一辮狀河道控制了辮狀水道和心灘砂體的形態(tài)和規(guī)模。目前，基于自然伽馬(GR)、自然電位(VSP)和地層真電阻率(Rt)等常規(guī)測井資料的河道砂體識別技術(shù)已被廣泛應(yīng)用[19-20]，而基于水動力差異物質(zhì)表現(xiàn)的單一辮狀河道識別模式也取得了重要進(jìn)展[21-22]。因此，以單一辮狀河道寬度為關(guān)鍵參數(shù)約束構(gòu)型單元規(guī)模，是一種符合辮狀河沉積規(guī)律、操作性強(qiáng)的構(gòu)型單元定量表征方法。

與輔水道相比，辮狀水道水體能量強(qiáng)、曲彎度低的特征，決定了辮狀河道的發(fā)育規(guī)模，因此將辮狀水道圍限的復(fù)合心灘(包括單一心灘)作為一個構(gòu)型單元進(jìn)行分析。鄂爾多斯盆地下石盒子組底部的盒8下亞段為“強(qiáng)物源供給的緩坡淺水辮狀河三角洲沉積模式”[23]，因此選取具有強(qiáng)物源供給、常年流水的現(xiàn)代砂質(zhì)辮狀河平坦河道段，包括西藏拉薩河、雅魯藏布江、俄羅斯勒拿河等13個河道段，應(yīng)用Google Earth軟件對單一辮狀河道寬度、辮狀水道寬度、復(fù)合心灘長度和復(fù)合心灘寬度分別進(jìn)行測量(圖1)。由于洪水期最大水流狀態(tài)控制了辮狀河河道形態(tài)和心灘規(guī)模，故以上4個參數(shù)在測量時均取最大值。又由于河道最大寬度與平水期河道最大寬度接近，心灘最大寬度和長度與枯水期心灘的寬度和長度接近[12]，為確保單一辮狀河道寬度、復(fù)合心灘長度和寬度的準(zhǔn)確性，采用平水期單一辮狀河道最大寬度，具體測量時以河岸突然變陡時的線為界；采用枯水期所限制的范圍對復(fù)合心灘的最大長度和最大寬度進(jìn)行測量。分別對單一辮狀河道寬度與構(gòu)型單元規(guī)模關(guān)系進(jìn)行擬合，其決定系數(shù)均在0.940 0以上(圖2)。復(fù)合心灘內(nèi)的單個心灘受輔助水道及水溝(或水槽)控制，其規(guī)模與單一辮狀河道寬度相關(guān)性差，無法建立高相關(guān)度的經(jīng)驗公式?，F(xiàn)代辮狀河單一辮狀河道寬度與構(gòu)型單元規(guī)模關(guān)系如下：

圖1 現(xiàn)代辮狀河沉積單一辮狀河道、辮狀水道、復(fù)合心灘、單一心灘規(guī)模測量部位示意圖Fig.1 Measurement location of single braided river channel, braided water channel, complex channel bar, and single channel bar for modern sedimentation

Wc=0.153 8Wr1.053 4，R2=0.949 1；

(7)

Lb=1.346 8Wr1.044 8，R2=0.951 0；

(8)

Wb=0.601 1Wr1.011 8，R2=0.965 9。

(9)

其中：Wr為單一辮狀河道寬度；Wc為辮狀水道寬度；Lb為復(fù)合心灘長度；Wb為復(fù)合心灘寬度。

1.3 基于單一辮狀河道寬度的構(gòu)型單元定量表征方法及步驟

根據(jù)巖心、測井等基礎(chǔ)資料和現(xiàn)代辮狀河單一辮狀河道寬度與構(gòu)型單元規(guī)模關(guān)系，采用以下步驟對4級構(gòu)型單元進(jìn)行定量表征。

1)根據(jù)單井構(gòu)型單元解釋結(jié)果，結(jié)合砂體厚度和古水流方向，繪制單層砂體等厚圖，確定同期辮狀河道平面分布(砂泥界線)。

2)建立垂直辮狀河道的連井對比剖面，根據(jù)河道頂部高程差異、河道砂體規(guī)模差異、不連續(xù)的相變砂體和測井曲線差異[21-22]，確定連井剖面內(nèi)單一辮狀河道間的界線位置。

3)根據(jù)辮狀河沉積模式進(jìn)行多條連井對比剖面間單一辮狀河道界線組合，確定單層內(nèi)單一辮狀河道分布，進(jìn)而測量單一辮狀河道寬度。

4)根據(jù)現(xiàn)代辮狀河單一辮狀河道寬度與構(gòu)型單元規(guī)模關(guān)系，確定辮狀水道寬度、單一辮狀河道寬度、復(fù)合心灘(包括單一心灘)長度及寬度等4級構(gòu)型單元規(guī)模。

5)以辮狀水道與復(fù)合心灘規(guī)模定量計算結(jié)果為約束，根據(jù)心灘砂體頂面相對深度比水道砂體淺，并結(jié)合單層砂體等厚圖和辮狀河水動力規(guī)律，在單一辮狀河道內(nèi)確定復(fù)合心灘和辮狀水道的幾何形態(tài)，并繪制4級構(gòu)型單元平面分布圖。

6)在密集井網(wǎng)區(qū)，針對復(fù)合心灘開展多條連井對比剖面解剖，分析輔助水道位置及規(guī)模，進(jìn)而確定單個心灘位置和幾何形態(tài)。

圖2 現(xiàn)代辮狀河單一辮狀河道寬度與構(gòu)型單元規(guī)模關(guān)系Fig.2 Curve relationship of the width of single braided channels vs. the geometric shape of reservoir architecture units of modern braided river

2 實例應(yīng)用

2.1 氣藏地質(zhì)概況及儲層構(gòu)型分級

蘇××提高采收率試驗區(qū)(簡稱“試驗區(qū)”)位于鄂爾多斯盆地蘇里格氣田蘇D區(qū)塊北部，總面積61.8 km2，完鉆井62口，是目前蘇里格氣田井網(wǎng)密度最大的井區(qū)。盒8下亞段砂巖是該試驗區(qū)內(nèi)最為重要的儲集砂體之一，巖性以中—粗粒巖屑石英砂巖和細(xì)—中粒巖屑砂巖為主，孔隙結(jié)構(gòu)以巖屑溶孔、晶間孔等次生孔隙為主，平均孔隙度為9.6%，平均滲透率為0.70×10-3μm-2，屬于低孔隙、低滲透、強(qiáng)非均質(zhì)性的致密砂巖氣藏[24-26]，致密氣來源于石炭—二疊系煤系烴源巖[27]。

盒8段沉積期，鄂爾多斯盆地呈現(xiàn)北隆南傾的構(gòu)造格局，由于風(fēng)化作用強(qiáng)烈，物源供給充足，辮狀河入湖后形成的三角洲持續(xù)向湖盆推進(jìn)，形成了盒8下亞段的辮狀河三角洲平原亞相內(nèi)的辮狀河沉積。三角洲平原亞相為三角洲沉積的陸上部分，其沉積環(huán)境和沉積特征與河流相有較多的共同之處[28]，遭受水體的侵蝕(即水下剝蝕)較弱，因此盒8下亞段辮狀河三角洲平原亞相內(nèi)的辮狀河沉積，可以根據(jù)相似的現(xiàn)代河流沉積進(jìn)行擬合。自上而下將盒8下亞段細(xì)分為盒8下1和8下2兩個小層和盒8下1-1、盒8下1-2、盒8下1-3、盒8下2-1、盒8下2-2、盒8下2-3共6個單層。根據(jù)Miall河流相構(gòu)型要素分析方法[6-8]，按照層次分析的思路，由大到小進(jìn)行構(gòu)型單元分級：將小層對應(yīng)于7級構(gòu)型單元，代表多期辮狀河道，即多個同期辮狀河道縱向相互疊置的復(fù)合體；將單層對應(yīng)于6級構(gòu)型單元，代表同期辮狀河道，即平面上多個并排的單一辮狀河道復(fù)合體；將較長周期的大洪水期內(nèi)形成的、經(jīng)多次洪水改造的單一辮狀河道對應(yīng)于5級構(gòu)型單元；將單一辮狀河道內(nèi)的辮狀水道和復(fù)合心灘對應(yīng)于4級構(gòu)型單元。

2.2 構(gòu)型單元單井識別特征

試驗區(qū)辮狀河沉積包括辮狀河道、溢岸、泛濫平原3種亞相，由于辮狀河的頻繁擺動，溢岸砂體欠發(fā)育，辮狀水道和心灘是該區(qū)主要的構(gòu)型單元。在單井構(gòu)型單元識別過程中，對于取心井段以實際巖心觀察結(jié)果為準(zhǔn)；對于非取心井段，則需結(jié)合錄井資料，研究區(qū)巖心與測井響應(yīng)關(guān)系，以及巖性、沉積相典型測井響應(yīng)特征進(jìn)行綜合判定。

心灘以細(xì)礫巖-粗砂巖為主，內(nèi)部發(fā)育泥質(zhì)夾層，砂體厚度較厚，一般6～15 m，垂向韻律性不明顯，發(fā)育大、小型槽狀交錯層理；GR值較低，曲線呈低幅齒化箱形、箱形鐘形疊加等特征，VSP曲線以箱形、齒化箱形、漏斗形為主，Rt曲線較平直(圖3)。

辮狀水道以粗-細(xì)砂巖為主，底部面常見沖刷面，泥礫定向分布，砂體厚度2～6 m，垂向上正韻律，發(fā)育大、小型槽狀交錯層理及斜層理、平行層理；GR曲線以高幅箱形、齒化箱形為主，VSP曲線以低幅鐘形為主，Rt曲線呈漏斗形、齒化漏斗形等(圖3)。

泛濫平原以泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，成層性明顯，波狀層理、水平層理發(fā)育；GR曲線近基線，基本無幅度差(圖3)。

2.3 構(gòu)型單元定量表征

根據(jù)心灘、辮狀水道和泛濫平原單井識別特征對試驗區(qū)盒8下亞段辮狀河儲層構(gòu)型單元進(jìn)行識別。結(jié)合砂體厚度和古水流方向，繪制單層砂體等厚圖(圖4)，進(jìn)而確定辮狀河道(心灘和辮狀水道)與泛濫平原沉積邊界(圖5)。

在垂直辮狀河道的連井對比剖面內(nèi)，根據(jù)河道頂部高程差異、河道砂體規(guī)模差異、不連續(xù)的相變砂體和測井曲線差異(圖6)，確定連井剖面內(nèi)單一辮狀河道間的界線位置。根據(jù)辮狀河沉積模式，組合單一辮狀河道界線，確定單層內(nèi)單一辮狀河道平面分布(圖5)。

試驗區(qū)內(nèi)盒8下1-3單層主要發(fā)育完整的5條復(fù)合連片分布的單一辮狀河道，其寬度為1 050～1 890 m(圖5)。根據(jù)現(xiàn)代辮狀河單一辮狀河道寬度與構(gòu)型單元規(guī)模關(guān)系，計算辮狀水道寬度為234～435 m，復(fù)合心灘長度為1 931～3 569 m，復(fù)合心灘寬度為685～1 242 m。

圖3 J11井盒8下亞段構(gòu)型單元單井識別特征Fig.3 Characteristics of braided river reservoir architecture units of the lower part of 8th member of Xiashihezi Formation in well J11

圖4 盒8下1-3單層砂體等厚圖Fig.4 Isopach map of sandstone body of the 1-3 layer of the lower part of 8th member of Xiashihezi Formation

A—A′、B—B′為圖6中剖面線位置。圖5 盒8下1-3單層辮狀河道平面分布圖Fig.5 Horizontal distribution map of single braided river channels of the 1-3 layer of the lower part of 8th member of Xiashihezi Formation

以單層砂體等厚圖(圖4)為基礎(chǔ)，根據(jù)心灘和辮狀水道形態(tài)特征，以4級構(gòu)型單元規(guī)模為參照，并結(jié)合辮狀河水動力規(guī)律，在單一辮狀河道內(nèi)組合復(fù)合心灘和辮狀水道，并確定其平面分布(圖7、圖8a)。

在密集井網(wǎng)區(qū)建立橫向和縱向多條連井對比剖面(圖8b、c、d、e)，在剖面內(nèi)識別輔助水道，在平面上根據(jù)辮狀河水動力規(guī)律分析其展布，進(jìn)而確定復(fù)合心灘內(nèi)單個心灘的位置和幾何形態(tài)(圖7、圖8a)。實際測量結(jié)果顯示，單個心灘長度為660～1 880 m，寬度為310～1 030 m。

圖7 盒8下1-3單層4級構(gòu)型單元平面分布圖Fig.7 Horizontal distribution map of braided river reservoir architecture units of the 1-3 layer of the lower part of 8th member of Xiashihezi Formation

a.連井對比剖面位置圖；b.C--C′連井對比剖面砂體解釋圖；c.D--D′連井對比剖面砂體解釋圖；d.E--E′連井對比剖面砂體解釋圖；e.F--F′連井對比剖面砂體解釋圖。圖8 盒8下1-3單層密集井網(wǎng)區(qū)復(fù)合心灘解剖圖Fig.8 Interpretation of the complex channel bar of the 1-3 layer of the lower part of 8th member of Xiashihezi Formation in the dense well spacing area

3 結(jié)論

1)基于辮狀河道對辮狀水道和心灘砂體形態(tài)和規(guī)模的控制作用，建立了現(xiàn)代單一辮狀河道寬度與構(gòu)型單元關(guān)系定量模型，提出了基于單一辮狀河道寬度的構(gòu)型單元定量表征方法。

2)蘇××提高采收率試驗區(qū)盒8下1-3單層發(fā)育5條單一辮狀河道，其寬度為1 050～1 890 m，辮狀水道寬度為234～435 m，復(fù)合心灘長度和寬度分別為1 931～3 569 m、685～1 242 m。密集井網(wǎng)區(qū)解剖表明，單個心灘長度和寬度分別為660～1 880 m、310～1 030 m。