區(qū)分河型的河道砂體幾何參數(shù)定量表征方法及其應(yīng)用

袁 靜， 周 濤， 王學(xué)軍， 謝 君， 馬立馳， 孫 超

(1.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580； 2.中國石化勝利油田分公司，山東東營 257000； 3.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

河流類型的劃分有諸多方案[1-4]，王隨繼等[5-6]在前人研究基礎(chǔ)上提出根據(jù)河道形態(tài)及沉積物特征將河流劃分為辮狀河、曲流河、分汊河、網(wǎng)狀河及順直河5種河流類型(簡稱為“河型”)，這種河流分類方案既滿足了水利工程修建、地質(zhì)地貌探索，也滿足了油氣生產(chǎn)為目的河流儲層沉積學(xué)研究的需要。廣泛應(yīng)用于水利工程研究領(lǐng)域的分汊河[7]在勝利油田灘海地區(qū)新近系已有發(fā)現(xiàn)[6]，因此將其與辮狀河、曲流河等河型分別進(jìn)行研究對油氣勘探開發(fā)具有重要意義。古代河流深埋于地下，對其儲集砂體的幾何形態(tài)及連通關(guān)系認(rèn)識往往基于野外露頭[8-9]和巖心沉積微相[10-11]的研究，并利用三維地震[12]、測井[13]、經(jīng)驗(yàn)公式[14-17]、定量表征模型[18]和地質(zhì)軟件建模[19-20]等技術(shù)對砂體進(jìn)行刻畫。一方面，這些方法多集中于單一河型的宏觀性研究，難以同時(shí)滿足區(qū)域勘探復(fù)合河道帶砂體定量表征和開發(fā)區(qū)塊單河道砂體定量表征的雙重要求；另一方面，Leopold關(guān)系式[1]、Schumm公式[2]、Leeder關(guān)系式[14]、Lorenz公式[15]、Bridge[16]公式等河流砂體定量表征經(jīng)驗(yàn)公式盡管在多個(gè)油田預(yù)測取得了良好的成果[21]，但主要集中于高彎度曲流河，對辮狀河稍有涉及，尚未對分汊河，更未針對不同河型沉積特征細(xì)致刻畫其砂體幾何參數(shù)之間的定量關(guān)系展開研究；同時(shí)，建立經(jīng)驗(yàn)公式所用的樣本數(shù)據(jù)多源于現(xiàn)代河流沉積和野外露頭的實(shí)地考察，典型性和樣本數(shù)局限性較大。筆者針對在勝利油田灘海區(qū)帶新近系識別出的辮狀河、分汊河、曲流河3種不同河型，利用Google Earth衛(wèi)星影像覆蓋面廣、解析度高、更新快捷、使用方便的優(yōu)勢，以前人建立曲流河地質(zhì)知識庫解析河流的方法為基礎(chǔ)[22-23]，選取典型河段進(jìn)行多點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，構(gòu)建現(xiàn)代河流河道砂體定量表征。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合前人經(jīng)驗(yàn)公式厘定河流滿岸寬度、寬深比等河流砂體幾何參數(shù)，建立適合不同河型的河道砂體定量表征公式，并通過生產(chǎn)動態(tài)驗(yàn)證，形成可用于約束地震反演預(yù)測和刻畫開發(fā)區(qū)塊不同河型不同級次河道砂體連通規(guī)模的定量表征方法。

1 區(qū)域概況

勝利油田灘海地區(qū)位于濟(jì)陽坳陷東北部的埕島-樁西-長堤-孤東-墾東潛山披覆構(gòu)造帶，是濟(jì)陽坳陷與渤中坳陷及郯廬斷裂帶之間的分界體系。其西部與沾化凹陷相接，東部與黃河口凹陷、萊州灣凹陷相鄰，北部緊鄰沙南凹陷、埕北凹陷以及渤中坳陷，主要有前古近系、古近系和新近系3套含油層系，其中新近系的探明儲量占該區(qū)總儲量的80%以上。墾東、孤東及埕北地區(qū)作為灘海地區(qū)南部、中部和北部的典型區(qū)塊，前期研究已明確其館陶組館上段至明化鎮(zhèn)組底部(新近系主力含油層段)發(fā)育3種沉積相類型：辮狀河、分汊河和曲流河。其中以分汊河發(fā)育最為廣泛，辮狀河在館上段沉積早期較為發(fā)育，曲流河在館上段晚期較為發(fā)育。

2 研究方法

2.1 選定有代表性的河流

利用Google Earth軟件廣泛尋找不受人類活動影響或較少受人類活動影響的典型辮狀河、分汊河和曲流河河段，最終選定勒拿河、黑龍江、湄公河、拉凱阿河、巴拉圭河、亞馬遜河、尼羅河、剛果河和密西西比河9條著名大河。

2.2 測量基礎(chǔ)參數(shù)和特征參數(shù)

根據(jù)將今論古的現(xiàn)實(shí)主義原理，通過Google Earth在選定的9條大河中共選取與勝利油田灘海地區(qū)新近系地下河流各河型在發(fā)育位置(遠(yuǎn)離山區(qū)、靠近山區(qū))、坡降(0.5%～2.5%)、曲率等方面接近的166個(gè)現(xiàn)代典型河段(其中典型曲流河段74個(gè)、典型辮狀河段20個(gè)、典型分汊河段68個(gè))，保證所選擇的Google Earth地表河流與勝利油區(qū)地下河型的相似性。利用Google Earth軟件截取上述各河段圖像，依次對河道分岔參數(shù)、河道弧長、河道直徑、河道寬度、河道帶寬度、曲率、坡降(包括最大坡降以及平均坡降)等基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行測量；分河型測得相應(yīng)河道砂體特征參數(shù)，其中辮狀河包括心灘數(shù)量、最大心灘長度、最大心灘寬度、最小心灘長度、最小心灘寬度，分汊河包括河道砂壩數(shù)量、河道砂壩長度、河道砂壩寬度，曲流河包括點(diǎn)壩長度、點(diǎn)壩寬度(圖1中，基礎(chǔ)參數(shù)：最大河道弧長ACB，河道長度ADB，河道寬度EF，復(fù)合河道帶寬度GH，單一河道帶寬度G0H0，單位均為km；特征參數(shù)：紅色虛線段為不同時(shí)期各規(guī)模點(diǎn)壩長度，紅色實(shí)線段為相應(yīng)時(shí)期點(diǎn)壩寬度)。累積測得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和特征參數(shù)數(shù)據(jù)2 033個(gè)，建立的各河型河道(帶)及其砂體特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫可用于表征勝利油田灘海地區(qū)新近系各河型的幾何參數(shù)特征。

圖1 各河型特征參數(shù)測量實(shí)例

2.3 擬合定量表征關(guān)系式

利用上述Google Earth測量數(shù)據(jù)對不同河型各幾何參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行兩兩擬合，建立14項(xiàng)定量表達(dá)式，從中優(yōu)選并總結(jié)出相關(guān)性顯著的各河型河道幾何參數(shù)的相關(guān)關(guān)系定量表達(dá)式9項(xiàng)，其中6項(xiàng)為各河型河道帶寬度與其他幾何參數(shù)之間的定量關(guān)系，包括用于各類型河流各級次河道(帶)幾何規(guī)模的描述與預(yù)測的各河型河道寬度與河道帶寬度(圖2)、分汊河和曲流河單一河道帶寬度與復(fù)合河道帶寬度(圖3)、曲流河點(diǎn)壩寬度與單一河道帶寬度(圖4)。另外3項(xiàng)是關(guān)于各河型河道砂體(辮狀河心灘、分汊河河道砂壩、曲流河點(diǎn)壩)寬度與長度之間的定量關(guān)系(圖5)，用于刻畫和預(yù)測地下不同類型河流河道砂體的幾何參數(shù)，為儲層描述、預(yù)測與地質(zhì)建模、油藏?cái)?shù)值模擬提供基礎(chǔ)參數(shù)。

從圖2可以看出，從辮狀河、分汊河到曲流河，3種河型河道寬度與單一河道帶關(guān)系定量關(guān)系指數(shù)依次增大，暗示著這3種河型在河道形態(tài)上具有連續(xù)演變的關(guān)系。分汊河和曲流河的單一河道寬度與復(fù)合河道帶寬度之間的相關(guān)關(guān)系較為接近(圖3)，反映兩種河型相關(guān)性密切，且曲流河單一河道越寬，點(diǎn)壩越寬(圖4)。

圖2 河道帶寬度與單一河道帶關(guān)系定量表征

圖4 曲流河單一河道帶寬度與點(diǎn)壩寬度關(guān)系定量表征

各河型的河道砂體長度與寬度均呈指數(shù)關(guān)系，且相關(guān)性顯著(圖5)。辮狀河為多河道，河流能量高，心灘頻繁發(fā)育但不穩(wěn)定，因此單個(gè)心灘規(guī)模小，且寬/長比值在3種河型中也最小，砂體疊置樣式以切疊為主，連通性好。曲流河為單河道，側(cè)蝕和下蝕作用較強(qiáng)，點(diǎn)砂壩穩(wěn)定發(fā)育，滿岸充填時(shí)單一河道帶砂體寬度即點(diǎn)砂壩寬度，點(diǎn)砂壩的寬/長比值在3種河型中最大。分汊河為單雙(多)河道交替，河流能量低于辮狀河而高于曲流河，有利于運(yùn)載較大量的沉積物。在接近單河道的雙河道段由于流速降低，大量沉積物卸載形成類似心灘的河道砂壩。同時(shí)由于分汊河河道砂壩相比于辮狀河的心灘發(fā)育過程更為穩(wěn)定，因此其規(guī)模在3種河型中相對最大，但寬/長比值介于其他兩種河型之間。由此可見，分汊河雖為過渡河型，并非所有河型特征介于辮狀河和曲流河之間，有其特殊的河型發(fā)育特征，尤其是反映到地下砂體精細(xì)描述中，因此研究分汊河意義重大。河道寬度和曲率共同決定河道砂體發(fā)育規(guī)模，從辮狀河、分汊河到曲流河，河道砂體寬/長比值依次增大，應(yīng)與其河道彎曲度依次增大有關(guān)。

圖5 各河型河道砂體長度與寬度相關(guān)關(guān)系定量表征

3 河流及河道砂體幾何參數(shù)定量表征

基于上述工作，構(gòu)建了基于Google Earth軟件實(shí)際測量的不同類型河流河道及其砂體幾何參數(shù)的定量表征關(guān)系式。

3.1 辮狀河河道(帶)寬度

(1)

式中，Wwb為辮狀河河道帶寬度，km；W1為辮狀河河道寬度，km。

3.2 分汊河河道(帶)寬度

(2)

(3)

式中，Wdf為分汊河單一河道帶寬度，km；W2為分汊河河道寬度，km；Wrf為分汊河復(fù)合河道帶寬度，km，相當(dāng)于砂體寬度發(fā)育規(guī)模Wf。

3.3 曲流河河道(帶)寬度

(4)

(5)

Wwm=0.574 4Wdm+0.133，R2=0.891 5.

(6)

式中，Wdm為曲流單一河河道帶寬度，km；W3為曲流河河道寬度，km；Wrm為曲流河復(fù)合河道帶寬度，km，相當(dāng)于砂體寬度發(fā)育規(guī)模Wf；Wwm為點(diǎn)壩寬度，km。

3.4 各河型河道砂體長度與寬度

(7)

式中，Wcb為辮狀河心灘長度，km；Wf1為辮狀河心灘寬度，km。

(8)

式中，Wcf為分汊河河道砂壩長度，km；Wf2為分汊河河道砂壩寬度，km。

(9)

式中，Wcm為曲流河點(diǎn)壩長度，km；Wf3為曲流河點(diǎn)壩寬度，km。

分析上述定量表征公式可以看出：相比于前人經(jīng)驗(yàn)公式[1,2,15-16,18]，本文中的系列公式不僅能分河型表征河道帶寬度與河道寬度的關(guān)系，并進(jìn)一步表征分汊河與曲流河的單一河道與復(fù)合河道帶之間的關(guān)系，適應(yīng)不同尺度的研究和應(yīng)用需求；還能表征各河型河道砂體的幾何參數(shù)關(guān)系，對精細(xì)刻畫砂體規(guī)模，預(yù)測砂體分布和油氣儲量規(guī)模具有指導(dǎo)意義。

4 不同類型河流連通砂體幾何規(guī)模定量表征方法

在構(gòu)建各河型河道(帶)及其砂體幾何參數(shù)的定量表征關(guān)系基礎(chǔ)上，選取適宜的前人經(jīng)驗(yàn)公式，形成了從計(jì)算不同河型河道寬度、連通砂體寬度、連通砂體長度、砂體寬度發(fā)育規(guī)模(復(fù)合河道帶寬度)到砂體長度發(fā)育規(guī)模(復(fù)合河道帶長度)的連通砂體幾何規(guī)模定量表征方法(圖6)。

圖6 不同河型連通砂體規(guī)模定量表征方法流程

河道寬度借用前人公式包括Davies公式[17]和Leeder公式[14]。Davies公式適用于計(jì)算低彎度辮狀河河道寬度。Leeder關(guān)系式適用于河道曲率大于1.7的高彎度河流，認(rèn)為滿岸深度等于正旋回砂體厚度。根據(jù)前期研究，勝利灘海地區(qū)新近系分汊河彎曲度多大于1.7，因此本文中使用Leeder關(guān)系式計(jì)算分汊河與曲流河單河道寬度。連續(xù)沉積的河道砂體(包括心灘、河道砂壩、點(diǎn)壩)沒有明顯的隔夾層，在區(qū)域勘探層次可認(rèn)為是連通砂體。辮狀河為多河道河流，統(tǒng)一用式(1)和(7)計(jì)算連通砂體寬度和長度，而分汊河與曲流河復(fù)合河道帶的連通砂體長度借用分形思想計(jì)算，因此這兩種河型的復(fù)合河道帶連通砂體長度用式(8)、(9)計(jì)算。

5 定量表征驗(yàn)證

以灘海地區(qū)南部墾東12塊Ngs61小層分汊河為例驗(yàn)證上述定量表征方法的可靠性。

通過統(tǒng)計(jì)油水注采關(guān)系資料可知，KD12-X22井于2010年4月開始注水，注水層位Ngs61；KD12-X32、KD12-X49井2010年6月含水迅速上升(圖7(a)、(b))。結(jié)合連井剖面構(gòu)型分析，推斷KD12-X22與KD12-X32、KD12-X49砂體互相連通(圖7(c)、(d))。使用本文中所建定量表征方法進(jìn)行對比驗(yàn)證。

首先，利用Leeder[14]關(guān)系式計(jì)算河道寬度：

(10)

式中，W為河道寬度,m；Wh為河道深度,m。然后，利用Lorenz[15]公式計(jì)算單一河道帶寬度：

Wd=7.44W1.01.

(11)

同時(shí)使用式(2)計(jì)算分汊河單一河道帶寬度和式(3)計(jì)算分汊河復(fù)合河道帶寬度。

兩種方法計(jì)算結(jié)果見表1。其中砂體最小實(shí)際連通距離并非開發(fā)井之間的直線距離，而應(yīng)為垂直河道走向、平行河道帶方向的距離，如圖7(c)連接X22、X32、X49井間的直線段表示開發(fā)井之間的直線距離，過X49井做垂直輔助線AA′，并連接代表垂直于河道走向、平行河道帶方向的線段BA′，此時(shí)BA′即為砂體實(shí)際連通距離(圖7(c))。

圖7 分汊河河道砂體特征參數(shù)定量表征

表1 油水注采關(guān)系解釋分汊河連通砂體規(guī)模

對比表1中數(shù)據(jù)可知，利用Lorenz公式只能計(jì)算單一河道帶寬度，所得數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于實(shí)際砂體最小連通距離310 m，無法解釋該區(qū)砂體連通現(xiàn)象。應(yīng)用本文中公式計(jì)算得到的復(fù)合河道帶寬度大于實(shí)際井間距離，與生產(chǎn)動態(tài)吻合，表明本文中方法可定量表征地下河流河道相關(guān)單一河道和復(fù)合河道幾何參數(shù)。

6 各河型連通砂體規(guī)模刻畫

應(yīng)用定量表征公式計(jì)算并統(tǒng)計(jì)灘海區(qū)帶新近系從南向北3個(gè)典型區(qū)塊各河型連通砂體厚度、寬度(單一河道砂體)、長度以及砂體寬度發(fā)育規(guī)模(復(fù)合河道帶寬度和長度)，并根據(jù)計(jì)算流程作出各河型連通砂體幾何參數(shù)頻率分布圖(圖8)，分別從以上幾個(gè)方面刻畫并預(yù)測不同類型河流連通砂體規(guī)模。

由圖8可知，在連通砂體厚度方面，盡管呈現(xiàn)辮狀河>曲流河>分汊河的特征，但3種河型差異較小，平均值在5.36～7.44 m(圖8(a))。

各河型連通砂體寬度平均值亦呈辮狀河>曲流河>分汊河的特征；其中辮狀河的平均連通砂體寬度為3.3 km，明顯大于分汊河與曲流河(圖8(b))。各河型連通砂體長度則呈辮狀河>分汊河>曲流河的特征；辮狀河平均連通砂體長度為13.67 km，遠(yuǎn)高于分汊河的1.03 km以及曲流河的0.81 km(圖8(c))。3種河型的連通砂體寬度和長度離散程度亦是辮狀河遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩種河型，反映了辮狀河高能量但又不穩(wěn)定的沉積學(xué)特征。

圖8 各河型連通砂體特征頻率分布

各河型復(fù)合河道帶寬度呈辮狀河>曲流河>分汊河的特征(圖8(d))，但各河型差別不大，平均值分別為3.30、2.57和1.47 km，且離散程度以分汊河為最小。按照本文中定量表征方法，繼續(xù)利用復(fù)合河道帶寬度計(jì)算得到各河型復(fù)合河道帶長度，用以刻畫沒有明顯隔層的河道砂體的最大發(fā)育規(guī)模。

至此，在劃分河型的基礎(chǔ)上，利用本文中建立的定量表征方法對地下河流河道砂體的幾何參數(shù)及發(fā)育規(guī)模進(jìn)行了不同級次地刻畫，總結(jié)出不同河型河道砂體幾何參數(shù)的相互關(guān)系，以滿足砂體預(yù)測、儲層建模和油藏?cái)?shù)值模擬等不同勘探開發(fā)階段、不同精度的沉積地質(zhì)基礎(chǔ)參數(shù)需求。

7 應(yīng) 用

7.1 約束地震反演預(yù)測連通砂體規(guī)模

將上述各河型連通砂體規(guī)模參數(shù)應(yīng)用于約束地震屬性切片技術(shù)預(yù)測砂體，在埕北地區(qū)Ngs3埕北27曲流河的勘探中取得了良好的效果。

首先對相距400 m的埕北27井和埕北27A-5井的館上段3砂組(Ngs3)的油砂體(圖9(a)),根據(jù)其測井響應(yīng)特征和油水關(guān)系進(jìn)行連通性分析，結(jié)果表明其由一個(gè)連通砂體和兩個(gè)不連通砂體共3個(gè)單砂體組成。利用本文中方法計(jì)算得到上述3個(gè)單砂體的連通規(guī)模和所屬曲流河復(fù)合河道帶寬度(表2)，可理解為該區(qū)域最小和最大連通河道砂體寬度，以此約束地震反演(圖9(b)、(c))。預(yù)測結(jié)果表明，埕北27曲流河地震解釋河道帶寬度約2.2～3.8 km，與應(yīng)用本文中公式計(jì)算得到的復(fù)合河道帶寬度2.08～3.45 km相吻合；同時(shí)，此計(jì)算結(jié)果也很好地解釋了3個(gè)砂體的連通性特征。

表2 埕北27井區(qū)砂體規(guī)模

統(tǒng)計(jì)地震預(yù)測的復(fù)合點(diǎn)壩規(guī)模與使用本文中方法基于主要探井Ngs3砂組連通砂體厚度,計(jì)算得到的點(diǎn)壩復(fù)合體的長度和寬度，并就其相關(guān)性進(jìn)行了對比(圖10)。

從圖10中可以看出，埕北27曲流河地震預(yù)測的點(diǎn)壩復(fù)合體(連通砂體)寬度、長度與使用上述公式計(jì)算所得結(jié)果相關(guān)性顯著，再次證明本文中建立定量表征方法可解釋地下河流河道砂體連通性，約束預(yù)測不同級次河道帶規(guī)模。

圖10 埕北27大河河道展布點(diǎn)壩復(fù)合體規(guī)模公式計(jì)算與地震解釋相關(guān)性

7.2 預(yù)測開發(fā)區(qū)塊河道帶寬度

在明確河流類型、進(jìn)行儲層構(gòu)型剖面分析，劃分出單期河道的基礎(chǔ)上，運(yùn)用本文中定量表征技術(shù)計(jì)算墾東12和埕北22開發(fā)區(qū)塊新近系主力砂體河道及河道帶寬度，并與前人經(jīng)驗(yàn)公式所得結(jié)果進(jìn)行對比(表3)。

表3 墾東12塊與埕北22區(qū)塊部分主力小層河道及河道帶寬度預(yù)測對比

由表3數(shù)據(jù)對比分析可知，不同河流類型“Lorenz河道帶寬度”相差不大，明化鎮(zhèn)組與館陶組館上段所得結(jié)果極為相近；而利用本文中定量表征技術(shù)計(jì)算的“單一河道帶寬度”和“復(fù)合河道帶寬度”在不同層段(不同河流類型)數(shù)值差異較大，各河型呈現(xiàn)出不同的特征。原因在于Lorenz公式只能不分河型計(jì)算單一河道帶寬度，而利用本文中建立的定量表征方法可以應(yīng)對不同河型、不同研究尺度的要求。

筆者在編制開發(fā)區(qū)塊主力小層(砂體)河道砂體平面分布圖時(shí)，參考上述單一和復(fù)合河道帶寬度帶計(jì)算結(jié)果刻畫其連通性，在儲量挖潛和開發(fā)井網(wǎng)的完善、調(diào)整中發(fā)揮了地質(zhì)指導(dǎo)作用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

8 結(jié)束語

在測得各河型幾何參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立各河型河道(帶)及其砂體特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了3種不同河型河道(帶)寬度定量關(guān)系式和各河型河道砂體寬度與長度之間的定量關(guān)系式,形成了不同河型河道寬度、連通砂體寬度、長度、砂體寬度發(fā)育規(guī)模到砂體長度發(fā)育規(guī)模的連通砂體幾何規(guī)模定量表征方法。該方法不僅能體現(xiàn)不同河型河道砂體沉積特征的差異性，而且能精確刻畫不同河型與尺度要求的砂體規(guī)模，預(yù)測砂體分布和油氣儲量規(guī)模。