致密砂巖氣藏開發(fā)階段地層研究尺度

譚學(xué)群

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院, 北京 102206)

油氣田進(jìn)入開發(fā)階段,建立高分辨率等時(shí)地層格架是實(shí)現(xiàn)精細(xì)油氣藏描述的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[1-2]。地層劃分對比技術(shù)是開發(fā)地質(zhì)3大支柱技術(shù)之一,核心是以盡可能小的地層單元實(shí)現(xiàn)井間等時(shí)對比[3]。大慶油田開發(fā)至今,測井及巖心資料非常豐富(井距100～300 m),地層劃分對比精度已到單砂層[4]。然而,不同條件下油氣田開發(fā)策略不同,采用什么樣的研究尺度更合理,是開發(fā)地質(zhì)工作者首先需要回答的問題。本文以鄂爾多斯盆地東勝氣田新召東區(qū)致密砂巖氣藏為例,通過分析地質(zhì)特征、開采現(xiàn)狀和地震條件,提出了在開發(fā)階段確定地層研究尺度需要考慮的因素。

在過去幾十年中,中國在致密氣勘探開發(fā)領(lǐng)域發(fā)展迅速,在鄂爾多斯盆地相繼發(fā)現(xiàn)了多個大型氣田[5]。東勝氣田新召東區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西北端與天環(huán)向斜結(jié)合部,面積為525 km2,主要含氣層段是二疊系下石盒子組盒1段和山西組山2段,相當(dāng)于蘇里格氣田的盒8段和山1段[6],屬于源內(nèi)致密巖性氣藏。在沉積期,地勢北高南低、西高東低,物源來自北部的阿拉善—陰山古陸,自下而上表現(xiàn)為海退沉積層序:目的層最下部的山2段1小層(簡稱山2-1小層)為曲流河沉積[7],砂泥二元結(jié)構(gòu)明顯;其上山2段2小層(簡稱山2-2小層)表現(xiàn)為曲流河向辮狀河過渡特征;最上部的盒1段為辮狀河沉積,心灘由均勻的中砂巖或粗砂巖組成,物性及含氣性好,為有利儲層[8]。目的層總厚度約120 m。

新召東區(qū)于2019年投入開發(fā),目前處于開發(fā)初期階段。截至2022年6月底,已完鉆各類井147口,密井網(wǎng)區(qū)平均井距600 m。前期多采用直井或定向井多層合采,但氣井產(chǎn)能低,效益差;后期改用水平井開采,開發(fā)效果得到明顯改善。

現(xiàn)分層方案中小層級別的劃分認(rèn)識比較統(tǒng)一,盒1段劃分為4個小層(即盒1-1、盒1-2、盒1-3、盒1-4),山2段劃分為兩個小層(即山2-1、山2-2),并且均認(rèn)為盒1段的小層實(shí)質(zhì)上就是單砂體,無須細(xì)分。而山2段兩個小層如何細(xì)分,目前看法不一。

1 研究尺度的合理性

關(guān)于地層的研究尺度,有學(xué)者認(rèn)為,地面調(diào)查可以進(jìn)行到足夠詳細(xì)的程度,但在應(yīng)用測井曲線和少量取心資料進(jìn)行分析時(shí),必須建立適用于地下對比的界面系列及其劃分標(biāo)準(zhǔn),界面劃分過于詳細(xì)則誤差隨之增加[9]。所以,在目前主要依靠測井資料的條件下,要掌握好地層研究尺度,研究的最小層級一般是單砂體[10]。

單砂體是由一次沉積事件形成的單一砂體。在河流—三角洲沉積環(huán)境下,除了孤立的單砂體,還廣泛存在著由若干個單砂體疊置而成的復(fù)合砂體。為了識別和充分開采每一個單砂體中的油氣,就應(yīng)該區(qū)分出復(fù)合砂體中的各個單砂體。但是單砂體的規(guī)模一般比較小,只有在油氣田開發(fā)密井網(wǎng)條件下,采用精細(xì)解剖的方法才有可能從復(fù)合砂體中識別出單砂體[11]。所以,研究尺度與井網(wǎng)密度有關(guān),與開發(fā)階段有關(guān),隨著開發(fā)進(jìn)程和認(rèn)識的逐步深入,需要對其做出相應(yīng)的調(diào)整和完善。大慶油田之所以在20世紀(jì)60年代就實(shí)現(xiàn)了單砂體尺度的劃分對比,與地質(zhì)條件和開發(fā)階段分不開,并不是在開發(fā)初期就以單砂體為研究單元,而是經(jīng)歷了從油層組、砂層組、小層到單砂體的發(fā)展過程[4]。因此,選擇研究尺度既要考慮地質(zhì)條件,也要考慮開發(fā)階段。忽視地質(zhì)條件和開發(fā)階段,在先期研究基礎(chǔ)上簡單深化是不合理的,不僅會導(dǎo)致應(yīng)用效果不佳,還會影響后續(xù)研究[12]。確定某一地區(qū)、某一階段地層研究尺度的合理性,需要考查以下幾個因素。

1.1 地震資料品質(zhì)

研究尺度與研究內(nèi)容、研究目標(biāo)緊密相關(guān)。地層劃分對比的目標(biāo)是研究儲層的空間展布,將鉆井的垂向高分辨率與地震平面預(yù)測優(yōu)勢相結(jié)合,才能使研究的精度達(dá)到最佳。因此,目標(biāo)研究尺度的選擇要盡量考慮地震條件[13]。

從研究區(qū)上古生界三維地震資料品質(zhì)來看,有效主頻為20 Hz左右,頻寬5～50 Hz,地震可識別的砂體厚度約為55 m,均大于各小層的平均地層厚度(表1),故識別和預(yù)測厚度更薄的單砂體面臨挑戰(zhàn)。所以,這種低品質(zhì)的地震資料不支持過細(xì)的地層劃分方案。

表1 研究區(qū)各小層平均厚度統(tǒng)計(jì)

1.2 沉積相類型

通過密井網(wǎng)解剖,闡述沉積相類型在確定研究尺度中的作用。圖1中紅框?yàn)闁|勝氣田新召東區(qū)密井網(wǎng)區(qū),面積為27.6 km2,平均井距600 m。

紅框?yàn)槊芫W(wǎng)區(qū)圖1 研究區(qū)地層對比十字骨架剖面

前已述及,山2-1小層為曲流河沉積。典型情況下,底部是一個連續(xù)的正韻律砂體(點(diǎn)壩),向上過渡為泥巖,砂泥厚度相近。上部泥巖中偶有砂體出現(xiàn),但巖性較細(xì),厚度較薄,物性較差,為非氣層,屬于漫溢沉積或河道間沉積。圖2為新召東密井網(wǎng)區(qū)各井點(diǎn)山2-1小層單井伽馬曲線,顯示僅底部砂體發(fā)育,上部砂體不發(fā)育。由北向南,底部砂體中的泥巖隔夾層逐漸增多,由一個連續(xù)的單砂體演變成2～3個單砂體,之間泥巖較薄,很可能是單一河道砂體內(nèi)部的點(diǎn)壩側(cè)積體間歇地質(zhì)界面,泥巖應(yīng)視為單元內(nèi)部夾層[14]。所以,針對典型的曲流河沉積地層,沒有必要細(xì)分。

密井網(wǎng)區(qū)位置如圖1所示;深度為等比例TVD垂深顯示圖2 密井網(wǎng)區(qū)各井山2-1小層伽馬曲線

而山2-2小層屬于曲流河向辮狀河過渡沉積,砂巖厚度變化大,與古地貌有關(guān)。圖3為新召東密井網(wǎng)區(qū)各井點(diǎn)山2-2小層伽馬曲線,表明西南角砂體不發(fā)育,屬于河道間沉積;其他大部分位置復(fù)合砂體發(fā)育,厚度較大,平均25 m,是砂體多期疊置的結(jié)果,更符合辮狀河沉積特征,即砂體厚且平面分布范圍廣,適合水平井開采。而鄂爾多斯盆地水平井開采的地質(zhì)條件是:至少具備一套橫向穩(wěn)定發(fā)育的厚氣層,有效厚度應(yīng)大于6 m[15],單砂層厚度應(yīng)大于8 m[16]。這種條件在該地區(qū)只有辮狀河砂體才能滿足。所以,現(xiàn)有水平井開采層位指示了辮狀河沉積相類型,隱含了單砂體劃分的必要性。為了準(zhǔn)確設(shè)計(jì)水平段軌跡,研究要達(dá)到單砂體級別的預(yù)測精度(圖4),首先地層要劃分要至單砂體。

密井網(wǎng)區(qū)位置如圖1所示;深度為等比例TVD垂深顯示圖3 密井網(wǎng)區(qū)各井山2-2小層伽馬曲線

圖片來源:中石化華北油氣分公司,2021年圖4 辮狀河砂體疊置樣式及水平井井軌跡示意圖

從研究區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)來看,水平井最多的層位是盒1-1小層(14口),其次是盒1-2小層(12口),較少的是山2-2小層(5口),山2-1小層、盒1-3小層、盒1-4小層目前無水平井開采。如前所述,盒1段中小層相當(dāng)于單砂層,因此盒1段地層研究的尺度與開采特征是匹配的。山2-1小層為曲流河沉積,點(diǎn)壩砂體呈鞋帶狀、串珠狀,平面分布不穩(wěn)定,無水平井開采,故山2-1小層級別的劃分方案與地質(zhì)條件、開采特征亦是匹配的,無須細(xì)分。而山2-2小層更類似辮狀河沉積,心灘砂體厚度大,平面連續(xù),小層中有5口水平井開采,故應(yīng)進(jìn)一步劃分至單砂體。需要說明的是,山2-2小層水平井?dāng)?shù)少于盒1-1、盒1-2,與開發(fā)初期階段不同層系開發(fā)總體部署有關(guān)。

表2 研究區(qū)各小層水平井井?dāng)?shù)

這不代表井型決定了地層研究尺度,而是水平井開采的地質(zhì)條件要求有穩(wěn)定規(guī)模砂體,需要更加精細(xì)的砂泥巖識別和預(yù)測,需要更加精細(xì)的地質(zhì)分層。所以井型只是一種表象、一種佐證,實(shí)際上是由沉積相類型這一內(nèi)在的地質(zhì)條件決定的。

1.3 砂體可分性

前已介紹,東勝氣田新召東區(qū)致密砂巖氣藏2019年才投入開發(fā),現(xiàn)階段井網(wǎng)較稀,井距較大,單砂體研究難度較大。在這種情況下,提出了砂體可分性的概念,以解決進(jìn)入開發(fā)階段更細(xì)的研究尺度與井網(wǎng)密度不相適應(yīng)的矛盾。

砂體可分性是指小層內(nèi)從測井曲線上可以識別的單砂體個數(shù),單砂體間有明顯的泥巖隔層。如果小層內(nèi)只有一個單砂體或一個連續(xù)的復(fù)合砂體,砂體可分性為1。砂體可分性具有特殊性和普遍性。所謂特殊性是指不同位置砂體的發(fā)育程度不同,單井砂體可分性有所不同;所謂普遍性是指最終確定的某個小層砂體可分性,取決于多數(shù)井(>50%)砂體可分性的統(tǒng)計(jì)值。

目前測井劃分單砂體存在的主要問題是劃分過細(xì),過于強(qiáng)調(diào)沉積間歇面的作用,沒有考慮隔夾層是否穩(wěn)定發(fā)育,沒有區(qū)分隔夾層是單元間的還是單元內(nèi)的[14]。如圖5中A2井山2-2小層紅框所示,如果不考慮隔夾層發(fā)育的穩(wěn)定性,認(rèn)為發(fā)育4個單砂體。經(jīng)與鄰井對比后認(rèn)為,砂巖中的夾層平面上不連續(xù),因此可歸為2個單砂體。圖5中A1井～A6井山2-2小層中砂體可分性分別為2、2、1、1、4、4。

井位如圖1所示,展示了目的層劃分方案(單元頂面)圖5 研究區(qū)一條連井剖面

將多數(shù)井(>50%)小層內(nèi)砂體的可分性,作為細(xì)分方案的重要依據(jù)。統(tǒng)計(jì)了圖1中連井剖面所含的70口標(biāo)準(zhǔn)井,各小層砂體可分性及井?dāng)?shù)占比見表3。其中山2-2小層74.3%(近3/4)的井砂體可分性為2,小層可細(xì)分。山2-1小層中68.5%的井砂體可分性為1,無須細(xì)分。盒1段盒1-4小層中85.7%的井無砂體發(fā)育,盒1段其他各小層中80%以上的井砂體可分性都為1,驗(yàn)證了盒1段中砂體普遍發(fā)育的各小層已劃分至單砂體的判斷,亦無須細(xì)分。

2 細(xì)分方案

從上述分析可知:①研究區(qū)地震資料品質(zhì)不支持過細(xì)的劃分方案;②從沉積相類型來看,山2-1小層屬于曲流河砂體,砂泥二元結(jié)構(gòu)明顯,沒有細(xì)分的必要,而山2-2小層屬于曲流河向辮狀河過渡砂體,砂體整體發(fā)育,需要細(xì)分;③從砂體可分性來看,盒1段目前的分層方案是合適的(已細(xì)分至單砂體),而山2-2小層多數(shù)井可進(jìn)一步劃分為兩個單砂體。經(jīng)過綜合考慮,最終確定:盒1段的4個小層和山2-1小層保持不變,山2-2小層需要細(xì)分為兩個單砂體(表4)。簡言之,此次研究成果是將山2-2小層又細(xì)分為山2-2-1砂體和山2-2-2砂體,分層線如圖5中的藍(lán)線所示。目的層由研究前的6個單元變?yōu)楝F(xiàn)在的7個單元(表4)。

表4 研究前后地層劃分方案對比及現(xiàn)方案研究尺度

3 討論

這里討論的地層單元是指時(shí)間單元,不同于流動單元。流動單元是定量研究某一時(shí)間單元內(nèi)巖石物性的差異[17],實(shí)質(zhì)上是以滲流特征為主導(dǎo)的儲層非均質(zhì)單元。流動單元與時(shí)間單元雖有一定聯(lián)系,但嚴(yán)格意義上講分屬兩個維度。

實(shí)際上,三維地震資料的分辨率在多數(shù)情況下很難識別單砂體,但這并不意味著低品質(zhì)的三維地震資料在單砂體預(yù)測中不能發(fā)揮作用?？疾榈卣鹳Y料品質(zhì)的目的,更多是了解地震分辨率與多大尺度的地層相匹配,并在這樣的尺度下進(jìn)行約束。在低品質(zhì)條件下,采用深度域地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)反演方法無疑是一種比較現(xiàn)實(shí)的選擇[18]。該方法從井點(diǎn)出發(fā),井點(diǎn)遵從測井曲線分層方案,井間由地層格架(取決于地震層位解釋精度及速度場)及變差函數(shù)共同約束。該方法更依賴測井資料[19]。

有人認(rèn)為,與油藏開發(fā)不同,氣藏開發(fā)僅采用衰竭式,不涉及注水補(bǔ)充能量等問題,對砂體連通性要求不高,因此過細(xì)的地層劃分對比意義不大。這種觀點(diǎn)忽視了目前這類氣藏只有水平井開采才有效益的事實(shí),也就忽視了水平井開采的兩個重要環(huán)節(jié):一是水平井井軌跡設(shè)計(jì)需要搞清單砂體分布的幾何形態(tài)和疊置樣式[20],以保持鉆頭在含氣砂體內(nèi)穿行;二是壓裂方案設(shè)計(jì)需要搞清鉆遇砂體上下儲層質(zhì)量及其所含流體性質(zhì)。如果上下砂體中含水飽和度較高,則要控制壓裂規(guī)模,防止壓串;如果上下砂體中含氣飽和度較高,則要加大壓裂規(guī)模,最大限度地提高儲量動用程度,使效益最大化。這些都是在細(xì)分地層單元的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

4 結(jié)論

以鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)東勝氣田新召東區(qū)河流相儲層為例,討論了氣藏開發(fā)中研究尺度問題,得出如下結(jié)論:

1)氣田進(jìn)入開發(fā)階段,對目的層進(jìn)行更精細(xì)的劃分對比是必要的,尤其是主產(chǎn)層,但前提是合理,要與地質(zhì)條件、開采特征及資料條件相匹配。

2)地層研究尺度需要考慮工區(qū)地震資料品質(zhì)、沉積相類型和砂體可分性等三方面因素。地震資料品質(zhì)考查的是地震能夠分辨的單砂體厚度,沉積相類型研究的是砂體發(fā)育程度及平面連續(xù)性,砂體可分性揭示的是測井可識別的單砂體個數(shù)。

3)此次研究僅對山2-2小層進(jìn)行了細(xì)分,進(jìn)一步劃分為兩個單砂體;對盒1段4個小層(已分至單砂體)及山2-1小層(曲流河沉積)沒有細(xì)分。目的層劃分為7個研究單元,與目前的開發(fā)階段是匹配的。