辫状河致密砂岩气藏阻流带构型研究——以苏里格气田中二叠统盒8段致密砂岩气藏为例

刘群明 唐海发 吕志凯 王泽龙 付宁海 郭 智

中国石油勘探开发研究院

阻流带概念来源于试井及生产动态资料解释[1-3]，通常代表阻止流体流动的非渗透隔挡带，类似于储层沉积学分析中的隔夹层。隔夹层倾向于开发地质解释，而阻流带更突出于渗流动态响应。传统的地下阻流带或隔夹层构型研究主要是基于密井网直井资料，通过分析剩余油与隔夹层的空间组合关系来指导下一步剩余油的挖潜[4-6]。考虑到气藏流体流动性明显好于油藏，在油藏中起阻流作用的隔夹层在气藏中往往可以通过绕流而避开。因此，亟需开展针对致密气藏阻流带的构型研究。苏里格气田作为国内最大、最典型的致密砂岩气田，开发方式已从单纯直井开发进入直井与水平井联合开发阶段[7-8]。目前苏里格气田已完钻上千口水平井，丰富的水平井及密井网直井资料使得阻流带纵横向立体式分布研究成为可能，弥补了传统方法单纯依靠直井资料无法准确预测阻流带横向分布规律上的短板。作者以苏里格气田辫状河流相砂体为例，通过野外露头剖面和大量的水平井钻遇砂体构型解剖，结合直井密井网分析、气井生产动态分析，研究致密气阻流带存在的依据、构型级次、成因类型、构型模型及定量地质参数，阻流带构型研究成果可为苏里格气田提高储量动用程度、优化水平井压裂段数及水平井随钻地质导向等一系列水平井开发技术[9-11]提供技术支撑，为国内同类型气藏阻流带构型研究提供参考。

1 阻流带原型特征

苏里格气田主要含气层段为中二叠统下石盒子组8段（简称盒8段）及山西组1段（简称山1段）[12]，其中盒8段作为水平井开发主要目标层段[13]，发育多期叠置且连片分布的辫状河流相砂体，主力含气砂体即有效砂体沉积微相主要为心滩粗粒岩相沉积，野外露头剖面和水平井钻井及其生产动态特征均发现或证明盒8段心滩砂体存在阻流带。

1.1 成家庄辫状河露头剖面

山西省柳林县成家庄辫状河露头剖面出露层位为盒8段（图1），岩性以含砾中—粗砂岩为主，夹少量的泥岩或粉砂岩隔夹层，整体呈现“砂包泥”的沉积特征。层理类型以大型槽状交错层理为主，局部见板状交错层理。沉积微相类型主要为心滩、辫状水道、河道间、泛滥平原4种类型。

成家庄辫状河野外露头剖面分析（图1）结果表明：盒8段心滩单砂体厚度介于2～5 m，宽度介于300～400 m，长度介于400～600 m；复合砂体通过2～4个单砂体叠置后的厚度介于5～10 m，宽度介于500～800 m，长度介于700～1 200 m。露头显示，第Ⅰ期辫状河道由辫状水道和心滩沉积微相组成，其中心滩砂体内可见心滩加积体，加积体之间发育一套泥岩层，即阻流带，沉积成因为落淤层和坝上沟道，阻流带厚度约0.35 m，宽约320 m，长约500 m。气藏工程反映研究区直井平均实际泄气半径介于120～350 m，与野外露头砂体解剖尺度差距较大，表明复合砂体内部存在 “阻流带”，限制了直井的泄气范围，这与野外露头剖面心滩叠置砂体内部或砂体间存在泥岩或细粒沉积构成的阻流带一致。

1.2 钻井与生产动态证据

图1 山西省柳林县成家庄盒8段野外露头剖面图

心滩砂体作为苏里格气田水平井部署最基本地质目标，其有效砂体规模小，连通性差，直井密井网解剖发现气田70%以上的有效砂体呈孤立状分布，局部区域砂体可通过空间叠置形成复合有效砂体[14]。在控制一个复合有效砂体或单砂体的前提下，挑选生产时间2年以上、地质资料录取相对较为完整的418口水平井及其相邻直井统计其静动态参数（表1）。统计结果显示：气田完钻水平井水平段长度平均988 m，水平段砂岩钻遇率74.44%，有效砂岩钻遇率65.31%，常钻遇厚度不一、个数不等的致密砂岩或泥岩（图2）。动态参数统计结果显示：水平井平均单井日产气量为4.52×104m3，是相邻直井日产气量1.18×104m3的3.83倍，水平井单井平均动态储量为8 059×104m3，是相邻直井动态储量2 340×104m3的3.44倍，且水平井投产后对相邻直井生产干扰较少。不同井型生产特征差异大及水平井轨迹实钻情况均证实复合有效砂体内部存在阻流带。

表1 水平井与直井静动态参数分析表

图2 钻遇阻流带典型水平井A精细构型解剖图

2 阻流带构型研究

2.1 构型级次

阻流带构型级次划分以心滩有效砂体为核心、Miall储层构型层次分析理论为指导[15]，同时兼顾不同级次“阻流带”构型解剖的需要，将苏里格气田大型辫状河阻流带按规模由大到小划分为3个构型级次（图3）：一级河道复合体间（砂带间）、二级心滩单砂体间、三级心滩单砂体内。不同级次阻流带对应不同的岩石地层单元并有其自身规模尺度，同时分隔开不同的储层沉积单元。一级阻流带对应岩石地层单元为小层级别，空间上分隔开不同物源的辫状河叠置带、过渡带砂岩复合体，阻流带规模厚度在十米级、宽度千米级、长度数十千米级。二级阻流带将不同期次不同河道内的心滩单砂体分隔开来，单砂体为其基本岩石地层研究单元，规模尺度同心滩砂体，厚度米级、宽度百米级，长度百米—千米级。三级阻流带对应的储层沉积单元为心滩内加积体，构型规模厚度在分米级，宽度几米—百米级，长度百米级。苏里格气田水平井水平段长度平均在1 000 m左右，钻遇阻流带级次从规模上分析主要为二级和三级阻流带。

图3 苏中X井阻流带构型级次划分图

2.1.1 二级阻流带

苏里格气田苏6区块直井密井网区目前井网井距已达到300～400 m，小于有效单砂体规模，便于开展有效储层及二级阻流带构型解剖，实钻井解剖发现二级阻流带有效单砂体间按沉积成因类型可进一步细分为河道间泥、泛滥平面泥、致密砂3种类型（图4）。河道间泥属于泥质阻流带，主要从侧向隔挡两个同期但形成于不同河道内的有效砂体，形成于河道间微相（图5），岩性以灰色泥岩或粉砂质泥岩为主。泛滥平面泥质阻流带形成于泛滥平原微相，岩性一般为深灰—灰黑色泥岩，相比河道间泥岩性更纯，主要起到纵向阻流的作用，纵向分隔开不同期次有效单砂体。致密砂属于物性阻流带，其孔隙度渗透率小于有效砂体物性下限，常与河道间泥伴生起到侧向阻流作用，主要形成于水动力相对较弱的辫状河河道微相中，岩性以粉砂岩、细砂岩和中砂岩等细粒岩为主，细粒岩因塑性矿物含量较高在压实成岩作用中相比粗粒岩更易被压实，导致原生孔隙不易得到保留。因此不利于后期酸性水流动溶蚀产生次生孔隙而致使砂岩致密[16]。

图4 密井网二级阻流带成因类型识别图

图5 二级阻流带成因类型模式图

2.1.2 三级阻流带

前人在辫状河心滩坝野外露头[17-18]和现代沉积[19]的研究成果较多，典型砂质辫状河Jamuna河[20]、Brahmaputra河[21]、永定河[22]等现代沉积以及云冈石窟辫状河野外露头剖面[23]均证实了心滩坝内部存在泥岩或粉砂质泥岩等细粒沉积，该细粒沉积构成了心滩单砂体内三级阻流带。按沉积成因类型可将三级阻流带类型进一步细分为落淤层及坝上沟道两种类型。落淤层的形成与辫状河周期性水动力条件有关，洪水期河流通过顺流加积作用沿水流方向快速沉积形成心滩加积体（图6），而在洪水泛滥末期即静水期由于水动力条件的减弱，大量悬浮颗粒在加积体顶部经垂向加积作用沉积下来形成落淤层。间洪期形成的落淤层在下一次洪泛期形成新一期加积体时，其迎水面部分容易遭受冲刷而减薄或消失，而背水面可以有效保存，导致落淤层常顺水流方向呈斜列式展布（图7），坝头处稍陡，坝尾则较平缓，垂直水流剖面落淤层保存完整呈近穹隆状。落淤层空间上分隔开不同洪水期形成的多个加积体，直到下一次洪泛期河道迁移心滩停止增生为止。坝上沟道形 成于间洪期落淤层沉积之后，心滩坝体表面常由于小规模流水冲刷形成沟道，沟道后期被悬浮细粒物质所充填形成阻流带。

图6 三级阻流带成因类型模式图

图7 三级阻流带形成示意图

2.2 构型参数

阻流带定量地质参数主要从野外露头实测及水平井实钻统计两方面来研究（表2）。野外露头实测定量地质参数主要包括阻流带空间几何形态及规模尺度，其中几何形态包含平面形态及剖面形态，规模尺度包含厚度、宽度、长度3个参数。水平井钻遇阻流带地质参数统计主要包括不同成因类型阻流带钻遇个数、钻遇频率及钻遇视厚度。由于水平井轨迹与实际阻流带层面间常常存在一定角度，水平井上显示厚度并非阻流带真实厚度，而是实钻水平井钻穿该地质体所用长度即视厚度，视厚度往往要比真实厚度大。

表2 阻流带定量地质参数统计表

辫状河阻流带野外露头构型分析及实测结果显示：泛滥平面泥因后期河道频繁改道切割而常导致局部缺失，平面呈不规则片状，剖面厚薄不一呈层状，厚度介于0.5～3.0 m，宽度介于500～1 000 m，长度介于800～2 000 m；河道间泥平面呈条带状，剖面顶凸底平透镜状，厚度介于1.0～3.0 m，宽度介于100～200 m，长度介于100～300 m；致密砂主要形成于低能辫状河道微相中，平面条带状，剖面顶平底凸透镜状，规模常因后期高能心滩砂体切割而变小，厚度介于2.0～5.0 m，宽度介于50～100 m，长度介于100～200 m；落淤层为洪水期末快速沉积在心滩表面的细粒沉积，平面形态同心滩呈椭圆或菱形，顺水流方向剖面呈斜列薄板状，倾角介于2°～10°，厚度介于0.2～0.4 m，宽度介于200～400 m，长度介于400～600 m；坝上沟道平面形态窄条带状，剖面呈顶平底凸小型透镜状，厚度介于0.3～0.5 m，宽度介于2～4 m，长度介于100～300 m。

通过对400多口水平井实钻阻流带精细构型解剖及地质参数统计发现，平均1 000 m水平井段长度下，钻遇各类型阻流带个数5～7个，单个阻流带视厚度介于10～200 m。分类型统计阻流带结果显示：泛滥平原泥钻遇频率为82%，单井钻遇泛滥平原泥阻流带0～2个，钻遇视厚度介于20～200 m，与实钻轨迹调整有关；河道间泥钻遇频率为65%，单井钻遇河道间泥0～2个，钻遇视厚度介于30～200 m；致密砂钻遇频率为100%，单井钻遇个数2～4个，单个视厚度介于10～100 m；三级阻流带落淤层与坝上沟道因水平井钻遇特征区别不明显，且都发育在加积体之间共同构成阻流带，故在气田区研究过程不再作区分，三级阻流带水平井钻遇频率为100%，单井钻遇个数2～5个，钻遇视厚度介于10～20 m。

2.3 构型组合

考虑到目前苏里格气田直井密井网间距不足以刻画心滩单砂体内三级阻流带横向分布，需开展水平井与相邻直井联合构型解剖来研究不同级次阻流带构型组合样式。解剖过程的重点在于有效单砂体的识别与划分，有效单砂体的纵向划分主要通过自然伽马曲线回返识别出泥质或钙质隔夹层等单砂体边界后来划分，横向划分主要是在露头心滩有效单砂体规模约束下，采用“高程差异、厚度差异、水平井实钻结果”等单砂体识别标志方法来完成。单砂体间泥岩和致密砂岩构成二级阻流带，有效单砂体内充分利用好水平井实钻泥岩及储层测井解释结论精细刻画三级阻流带的横向展布。

按照水平井钻遇有效砂体及阻流带叠置样式不同，可以将分析的上百口实钻水平井地质剖面划分为孤立型、侧向叠置型、堆积垂叠型和切割垂叠型4种构型模型（图8），其中后3种构成复合有效砂体，并且钻遇复合有效砂体水平井气井高产的比例较高。孤立型有效砂体表现为空间分散不连通；侧向叠置型表现为新一期心滩有效单砂体侧向切割早期有效砂体，主要形成于河道的横向摆动；堆积垂叠型表现为有效砂体纵向叠置，中间被二级阻流带分割，阻流带常形成于为低能辫状河道微相中；切割垂叠型主要表现为多期有效砂体的垂向切割叠置，纵向无二级阻流带分割，三级阻流带也相对其他三种模式发育较弱，常形成于低可容纳空间河流体系内。

2.4 模型验证

水平井B为研究区钻遇各级次阻流带典型井（图9）。目标层为盒8下1小层下部有效砂体，靶点控制直井A、C井钻遇目标有效砂体厚度分别为8.5 m、6.2 m，测井微相均呈现高幅箱形，有效砂体横向可对比性较好，两井处于同一条高能辫状河河道带中，静态资料预测井间河道砂体多期叠置横向连片成复合有效砂体。生产动态资料反映两井之间无干扰，且气藏工程计算两井的泄气半径为310 m，考虑目前两井相距1 520 m，认为复合有效砂体内部存在多类型阻流带阻止了有效单砂体间的连通，设计通过井间部署水平井钻穿阻流带沟通有效砂体来提高两井间的储量动用程度，直井井间有效单砂体对比预测水平井钻遇有效砂体及阻流带叠置类型为侧向叠置型。

该井实际完钻水平段长度1 050 m，钻遇砂岩长度为884.8 m，砂岩钻遇率84.3%，有效砂岩长度为869.9 m，有效储层钻遇率为82.8%，储层钻遇率较高，实钻阻流带构型模型为侧向叠置型，与预测结果吻合。钻井、测井资料显示，该井水平段纵向可划分出两期有效砂体，从入靶点开始先后在第2期有效砂体内累计钻穿600.1 m有效砂体和2个三级阻流带，阻流带视厚度分别为15.5 m和12.6 m，然后往下调整井轨迹在钻穿46.3 m泛滥平原泥，进入下部第1期有效砂体，横向钻穿206.5 m下部有效砂体及一个厚度为14.3 m三级阻流带，之后又钻遇到53.5 m河道间泥和14.9 m河道致密砂，继续向下调整井轨迹在钻穿63.3 m有效砂岩后钻遇23 m泛滥平原泥，认为底部已钻出复合有效砂体进而实施完钻。完钻后采用裸眼封隔五段压裂，试气无阻流量为46.1×104m3/d，并于2016年7月投产，截止到2017年底已累计产气5 564×104m3，目前日产气量为9.2×104m3，为典型高产Ⅰ类水平井。

图8 辫状河有效砂体及阻流带叠置样式图

图9 水平井B钻遇阻流带模型精细构型解剖图

3 阻流带构型研究成果应用

水平井开发技术作为苏里格气田稳产及提高采收率技术系列中一项关键技术，已经实现了规模化及常规化应用，阻流带构型研究成果应用在气田开发尤其是水平井开发方面主要体现在3个方面：

1）水平井钻穿阻流带提高储量动用程度。阻流带是造成直井层内及平面储量动用不完善的主要原因，水平井可以通过轨迹及多段压裂来打穿不同级次及类型阻流带来提高层内、层间及平面储量动用程度。在水平井部署有效砂岩富集区内，应用地质建模与数值模拟一体化技术对比了直井和水平井两种不同开发方式下的区内储量动用程度，结果表明，水平井因能打穿各类型阻流带而较直井开发提高储量动用程度13.02%。

2）基于阻流带定量地质参数优化水平井压裂段数。阻流带定量地质参数统计结果给水平井压裂段数优化提供了地质依据，定量地质参数显示平均1 000 m水平段下单井钻遇阻流带5～7个，顺轨迹方向不等间距的分隔开6～8个气层段，每个气层段构成一个独立的渗流单元，所以从地质角度建议1 000 m水平段合理压裂段数6～8段，压裂间隔介于120～170 m，目前苏里格气田参考该依据优化水平井压裂段间距介于100～200 m。

3）分阻流带类型指导水平井随钻轨迹调整。通过水平井随钻GR、岩屑录井、钻井工程等多种资料实时判别钻遇阻流带类型，并针对泛滥平原泥、河道间泥、落淤层泥分别提出反方向调整、大角度调整及继续钻进3种随钻轨迹调整建议，如若钻遇泛滥平原泥质阻流带，说明水平井已经钻穿复合有效砂体，需要反方向调整轨迹重新入靶。

4 结论

1）苏里格气田辫状河复合砂体内存在泥岩或细粒沉积阻流带，阻流带的存在是导致直井与水平井动态特征差异较大、直井平均泄气半径与实测有效砂体长度不吻合的主要原因。水平井日产气量与动态储量是相邻直井的3～4倍，直井平均泄气半径介于150～350 m，露头实测有效砂体长度介于400～1 200 m。

2）大型辫状河阻流带按规模可划分为3个构型级次：一级河道复合体间、二级心滩单砂体间、三级心滩单砂体内。苏里格气田水平井主要钻遇二级和三级阻流带。二级阻流带按沉积成因可进一步细分为河道间泥、泛滥平面泥、致密砂3种成因类型；三级阻流带可分为落淤层及坝上沟道2种成因类型。

3）有效砂体及阻流带叠置样式可划分为孤立型、侧向叠置型、堆积垂叠型和切割垂叠型4种构型模型，各类型阻流带的几何形态、规模尺度、水平井钻遇视厚度等多项定量地质参数变化较大。1 000 m水平井段钻遇各类型阻流带5～7个，其中钻遇二级阻流带视厚度介于20～200 m，三级阻流带视厚度介于10～20 m。

4）应用水平井通过横向钻穿及纵向压裂不同级次及类型阻流带可提高层内、平面及层间储量动用程度13.02%；考虑到水平井钻遇阻流带个数，推荐1 000 m水平段合理压裂段数6～8段，并建议通过水平井随钻GR、岩屑录井等资料识别钻遇阻流带类型，分类型指导水平井随钻轨迹调整。