曲流河点坝储层构型表征与剩余油分布模式

2019-06-27高兴军周新茂

中国石油大学学报（自然科学版） 2019年3期

王珏, 高兴军, 周新茂

(中国石油勘探开发研究院,北京 100083)

河流砂体储层占中国东部中新生代陆相含油气盆地中已开发油田储量的40%以上[1],其中曲流河砂体储层是河流储层的主要类型之一。鉴于东部老油田已进入高含水开发阶段,挖潜难度日益增大,简单的沉积相刻画已经不能满足生产的需求,亟需对储层进行精细构型解剖,分析剩余油分布规律,寻找挖潜方向。而点坝砂体作为曲流河沉积中的主要储集体[2-4],其内部构型研究受到了国内外学者的重视[5-7],并取得丰硕的理论研究成果[8-11]。但对于相关油田的构型精细解剖还不完善,因此笔者以大港油田港东一区明化镇组曲流河沉积为研究对象,依据该油田岩心、测井等丰富的动静态资料,对曲流河储层构型表征进行研究。

1 研究区概况

研究区构造上位于黄骅坳陷中区北大港二级断裂构造带的东南部,是北大港油田的主要开发区之一(图1)。研究区面积约为32.1 km2,构造复杂,整体上是一个受断东主断层控制的穹窿状逆牵引背斜构造。以构造轴部的马棚口断层和一号断层所形成的横穿整个构造的地堑陷落为界,整个背斜分为南北两翼,构造差异较大。南翼构造简单,幅度小,地层倾角为1° ～3°,为较完整的向南倾没的单斜构造;北翼由于逆牵引作用构造复杂,地层倾角为5° ～7°,呈地堑地垒相间的构造格架。研究层位明化镇组明Ⅱ—Ⅳ砂层组为曲流河沉积,物源区为位于盆地北部的沧县隆起、燕山褶皱带以及南部的埕宁隆起带。该沉积时期沉降范围扩大,沧县、埕宁隆起的大部分被批覆,物源区后移,使得冲积平原扩展,以发育曲流河沉积为主[2]。

图1 港东油田构造位置Fig.1 Structural location of Gangdong oilfield

自1965年钻探,到目前经历了40余年的勘探开发,累积各类钻井总数为541口,采出程度为30%,综合含水率为95%,已进入到特高含水开发后期。要想继续稳产,认识剩余油的分布规律,则需要进行储层构型的精细解剖,挖掘老油田的开发潜力。

2 沉积相标志

2.1 岩性与岩矿特征

港东一区明化镇组整体上由泥岩和砂岩互层构成,泥岩颜色主要呈紫红、棕红、浅棕红及杂色,且见有大量的钙质结核和铁质结核;砂岩岩性主要为细粒岩屑长石砂岩、含泥细粒岩屑质长石砂岩,伴有泥质团块和泥砾,这些均反映了水上浅水氧化—弱氧化的沉积环境。岩石矿物成分主要由长石和石英组成。其中石英平均含量为42.12%,一般介于33%～50%;长石平均含量为46.32%,一般介于36%～50%,主要为正长石和斜长石;岩屑平均含量为11.56%,一般介于10%～13%,岩屑以酸性火成岩为主,反映其母岩为酸性岩浆岩。胶结物多为泥质和钙质,泥质含量略高于钙质,有极少量的白云质和黄铁矿,胶结类型多为孔隙型及接触-孔隙型。矿物成分成熟度中等,磨圆以次圆—次尖为主,表明物源相对较近,为河流相沉积。

2.2 粒度特征

粒度概率曲线主要以两段式和三段式为主,总体上悬浮总体含量占20%～30%,跳跃总体含量约占70%,滚动组分偶有发育。粒度中值一般为0.08～0.29 mm,分选系数一般为1.08～3.81,分选较好。反映了牵引流的搬运机制。

2.3 岩石相类型

研究区发育块状构造含砾中粗砂岩相、平行层理中粗砂岩相、槽状交错层理砂岩相、斜层理砂泥岩相、波状层理粉砂岩相及生物扰动泥岩相6种岩相类型。

(1)块状构造含砾中粗砂岩相。以灰色含砾中粗砂岩为主,内部不显示层理,主要发育于点坝底部(图2(a)),与上部岩石相多呈突变接触。在研究区常见砾石呈叠瓦状定向排列,未见古生物化石和植物碎屑。这类岩相反映了牵引流的水动力机制。当水流以接近最大流速侵蚀凹岸和河床时,随着流速的降低,所携带的粗颗粒最先沉积于冲刷面上,构成底部滞留沉积[4]。侵蚀作用越强,这类岩相沉积的厚度越厚。由于该岩相形成于强水动力环境下,古生物化石和植物碎屑均难以留存。

(2)平行层理中粗砂岩相。以灰色粗碎屑物质为主,主要发育于点坝底部,与下部块状构造含砾中粗砂岩多呈突变接触。这类岩相反映了高流态的水动力环境,水流开始偏向凸岸变浅,流速有所降低但仍很大,使得跳跃组分中的粗组分沉积,并产生平底底形[4],形成平行层理。

(3)槽状交错层理砂岩相。这类岩相大量发育于点坝的下部和中部(图2(b)),与下部岩石相多呈突变接触,与上部岩石相多呈渐变接触。砂岩粒度从中砂到细砂不等,交错层理的规模从大型到小型不等,未见古生物化石。这类岩石相形成于单向流水动力环境下。由于水流进一步偏向凸岸变浅,流速降低,致使跳跃组分中的中细组分依次沉积,并产生沙丘相的沙丘底形,随着沙丘的移动形成槽状交错层理[4]。由下至上,流速逐渐降低,槽状交错层理的规模也逐渐变小。

(4)斜层理砂泥岩相。这类岩相主要由灰色细砂岩、粉砂岩及深灰色粉砂质泥岩交互发育构成,多发育于点坝中部或普遍发育于点坝之中(图2(c)),与下部岩石相多呈渐变接触。由下向上粉砂质的比例逐渐增加,内部发育低—高角度的交错层理。这类岩相形成于点坝侧积过程,水流变化较大的环境中。其中砂岩代表中—高能水动力环境下的沉积,粉砂岩或泥岩代表低能水动力环境下的沉积,形成侧积泥岩夹层。

(5)波状层理粉砂岩相。这类岩相多发育于点坝上部,与下部岩石相多呈渐变接触。这类岩相形成于低水动力环境下,水流已较浅,流速较低,跳跃负载中的细组分开始沉积,产生波纹或平底底形(图2(d)),形成小型波状层理或水平纹层[4]。

(6)生物扰动泥岩相。这类岩相多发育于河漫滩和废弃河道上部,厚度变化较大,泥岩多呈紫红、棕红等氧化色。这类岩相形成于静止的水环境下,悬浮的泥质发生淤积,而内部偶有发育的砂岩夹层是短期风暴的产物。

图2 曲流河沉积典型沉积构造岩心照片Fig.2 Core photos of typical sedimentary structure of meandering river

3 曲流河储层构型分析

3.1 野外露头指导模式

对曲流河点坝内部构型沉积模式的研究一直备受业界的关注,前人基于古代露头和现代沉积对其进行了不同程度的探索,并取得诸多认识。在此方面,薛培华[12]通过对河北省拒马河现代沉积的研究,提出了曲流河点坝“侧积体、侧积层、侧积面”三要素及“点坝侧积体沉积迭式”的概念,由此认识到点坝砂体是一种半连通式的储集体;尹燕义等[6]通过对饮马河大榆树林点坝的解剖,将侧积体划分为涨冲落淤、涨淤落冲和涨淤落淤3种主要类型;马世忠等[4]通过对曲流点坝形成过程、洪水事件的水动力条件及冲淤机制分析,结合大庆长垣曲流点坝垂向层序、岩石类型等,建立了单一侧积体横向与垂向沉积模式和点坝侧积体沉积迭式,建立了点坝三维构型;并且通过对鄂尔多斯盆地白芨沟地区曲流河古代露头的研究发现,曲流河内部呈“侧积”构型模式,侧积体在剖面呈上缓中陡下缓的凹面,平面呈新月形(图3)。同时国外学者也对此开展过一系列的研究,其中有代表性的是对加拿大阿尔伯塔地区McMurray地层曲流河沉积的精细解剖[13],提出了顺流加积的侧积模式。

图3 鄂尔多斯盆地白芨沟地区曲流河侧积泥岩夹层产状及规模Fig.3 Dip and scale of lateral accretion muddy intercalation in Ordos Basin

3.2 曲流河储层构型解剖

3.2.1 曲流河砂体构型级次划分

Miall[14]提出了河流相储层的6级划分方案,笔者参考Miall的河流相构型级次划分原则,将研究区曲流河沉积的构型界面划分为以下6个级次:1级界面为交错层系界面,该面无明显侵蚀作用;2级界面为交错层系组界面,反映了水流条件或方向的变化,但无明显时间间断;3级界面为成因体内部的冲刷面或沉积间断面,主要表现为河道内部小型洪水期形成的填充体底部小型冲刷面[4]和大洪水事件中的次洪峰沉积或不同水动力阶段沉积形成的界面[4],如侧积体内部不同加积体的界面,若为泥质沉积层,则与4级界面相似,只是规模较小;4级界面为成因体的顶底界面,是大洪水期形成的明显底部冲刷面,对于曲流河主要表现为规模为几到几十厘米的侧积泥岩或点坝与河道的接触界面;5级界面为单期河道充填复合体的大型砂席或砂体界面,以河道充填复合体底部滞留沉积及冲刷面为代表;6级界面为单层界面,是一套连续性较好,分布广泛的非渗透界面,以泛滥平原泥岩为代表,内部由若干同时期沉积的单期河道构成。本次研究对曲流河各级次界面进行了精细划分,重点揭示点坝内部4级构型界面。

3.2.2 单井构型界面识别

(1)夹层成因分类。曲流河储层沉积中发育的夹层主要分为两种:①大洪水期间能量的波动,使得悬浮物质沉积,形成河道内部或侧积体内部规模小、厚度薄、连续性差的夹层,但由于能量波动变化幅度小,不会造成剥蚀充填的现象,所以保存较为完整;②在一期洪水事件中,曲流河的蚀凹增凸作用形成在凸岸堆积的侧积体,在后落洪期,由于河水降至低处,细粒沉积物从悬浮状态沉积于始、中落洪期的砂质沉积之上,形成批覆于侧积体上的侧积泥岩夹层[4],由于后期的洪水的冲刷作用,先期沉积在点坝侧积体下部的泥质披覆往往受到不同程度的破坏,仅保留上部泥质沉积,形成点坝特有的“半连通体”模式。其中第一种夹层在测井曲线上表现为明显的回返,本次研究重点讨论第二种夹层,即侧积泥岩夹层的单井识别方法。

(2)侧积泥岩夹层单井识别。侧积泥岩夹层发育在曲流河沉积点坝内不同侧积体的界面处,属于Miall分级方案中的4级界面。侧积泥岩夹层通常发育泥岩或粉砂质泥岩等细粒沉积,厚度较薄,约为0.2～1 m。在研究过程中,笔者通过取心井进行岩电标定(图4),侧积泥岩夹层表现为自然电位曲线向泥岩基线偏移,自然伽马曲线呈现高值,电阻率曲线有明显回返,微电位、微梯度曲线有明显回返,且幅度差变小,回返程度与夹层厚度呈正相关,回返程度通常为1/3～2/3。据此电性曲线特征,可以对非取心井点坝内部的侧积泥岩夹层进行识别。

3.2.3 曲流河储层三维构型表征

参照前人的研究方法[15-18],首先绘制单砂层砂体等厚图,可以反映砂体空间分布的几何形态、展布特征及物源方向等,由于点坝砂体是复合河道内部厚度最大的,因此在砂体等厚图中可以通过识别透镜状砂体,勾绘出点坝的轮廓;其次将各井的测井曲线标注在平面图上,根据测井相与岩相、沉积相的对应关系,综合物源、水系的分布、河道的走向等,确定相带展布关系;最后用单井相及多方向连井剖面约束、校正平面相。在井控程度高的区域可以绘制砂体顶部至层界面之间的细粒沉积厚度图,由于废弃河道顶部细粒沉积厚度较大,可以通过识别新月形的厚度带判定废弃河道可能的分布位置,即点坝的边界。

通过对研究区各单砂层的平面构型刻画,得出平面上曲流带砂体呈现两大类展布形态,一类是窄条带状的砂体组合(图5(a)),砂体发育较差,平面上连续性较差,砂体间发育大面积河漫滩泥质沉积,如单砂层Nm3-6-1,研究区范围内发育5条近北-南流向的曲流河,第2条曲流砂体内部发育16个点坝砂体,点坝形态呈长条带状,点坝之间发育末期河道沉积,废弃河道较少发育;第二类是宽条带状的砂体组合(图5(b)),砂体非常发育,连片分布,如单砂层Nm3-8-3,研究区范围内发育4条近北-南流向的曲流河,左侧宽条带曲流河由14个点坝组合而成,点坝面积不一,最大面积为1.24 km2,最小面积为0.12 km2,河道截弯取直频繁,发育4段废弃河道,与末期河道呈C型组合,点坝之间发育末期河道及废弃河道。

图4 G225井NmIV-4-2单砂层点坝内部侧积泥岩识别Fig.4 Identification of lateral accretion mudstone in point bar of well G225

选择重点区域采用连井井间对比的方法对曲流河储层尤其是点坝内部构型进行了确定性解剖。首先通过测井相分析、砂体厚度差异等方法,识别出点坝和废弃河道。并以河道及点坝顶部泥质沉积为标志层,采用层顶拉平的方法沿顺水流和垂直水流的方向建立连井剖面;其次根据废弃河道与点坝的配置关系以及地层倾角测井、对子井、水平井等资料对侧积泥岩夹层倾角的统计[3],对侧积泥岩夹层和侧积体进行组合对比,进而得到井间配置关系。在无井控制的区域,参考邻井的侧积体规模及侧积泥岩夹层产状,最终实现对曲流河储层整体内部构型的刻画。所选取区域的点坝侧积方式为侧向加积,侧积体之间发育呈斜插的泥质楔子状的侧积泥岩夹层,方向指向河道迁移的一侧,每个侧积体的规模有所差异,受控于水动力的强弱变化。沿顺水流方向,侧积泥岩夹层在剖面上呈水平状展布(图6(a));而沿垂直水流方向,在井上和井间共识别出10期侧积泥岩夹层,发育在点坝的中上部,形成“半连通体”(图6(b))。

图6 曲流河储层构型及沉积相连井剖面Fig.6 Cross section of reservoir architecture and sedimentary facies of meandering river

3.2.4 曲流河储层构型沉积模式

利用井网密度高、测录井资料丰富的优势,对研究区曲流河砂体构型进行了精细解剖,并结合前人从古代露头及现代沉积研究中所得出的结论,总结出了适用于研究区的曲流河构型沉积模式,进而对现有曲流河沉积模式进行补充和完善。整体上研究区曲流河点坝内呈剖面楔状、平面新月状、由下至上物性变差的侧积砂体,之间由叠瓦状斜列的侧积泥岩夹层阻挡,致使上点坝不连通,而整个复合河道内部在平面上受废弃河道的遮挡或半遮挡,呈现弱连通—不连通。

(1)研究区发育的点坝内部多表现为涨冲落淤正韵律侧积体垂向模式(图7)。随着水动力的减缓,侧积体内部结构由下至上渐变,表现为底部冲刷面—平行层理中粗砂岩—槽状交错层理砂岩—斜杂岩性层理砂泥岩薄互层—波状层理粉砂岩—水平纹层泥或块状泥—侧积面。当水动力骤减时,内部结构有不同程度的缺失,表现为砂泥突变。

(2)研究区内废弃河道泥岩充填类型包括泥岩完全充填和泥岩不完全充填2种类型[19-20]。前者常发育于突弃型废弃河道。一旦废弃,废弃河道与主流河道呈隔绝状态,只接受洪漫水流携带的悬浮泥质及粉砂质沉积,使废弃河道在平面上形成环状岩性非渗透遮挡条带,点坝在平面上形成独立不连通的坨状储集体(图8(a))。后者常发育于渐弃型废弃河道。废弃河道内部水体与主流河道水体一直呈连通状态,主流河道的小部分水体流经废弃河道,形成河道沉积物;由于主流河道水体底部的中粗粒物质难以运移到废弃河道中,废弃河道沉积粒度比周围点坝沉积粒度细,在平面上形成物性弱渗透性—非渗透性遮挡条带,点坝在平面上形成条带状弱连通—不连通储集体(图8(b))。

图7 点坝砂体模式(据文献[19]，有修改)Fig.7 Vertical secession of point bar(After citation[19]， modified)

图8 不同废弃河道泥岩充填类型下的曲流河砂体厚度等值线Fig.8 Isopach maps of two scenarios for spatial distribution of meandering river sandstone bodies

(3)研究区内点坝侧积模式分为侧向加积和顺流加积2种类型[17]。侧向加积主要为点坝随着河流弯曲度的增加而形成的,侧积体平行于古水流方向,砂体厚度在河道最大弧度处最厚,向两侧逐渐减薄,主体砂体的组成部分为点坝及废弃河道(图9(a));顺流加积形成于河道加积的过程受到遮蔽物阻碍的沉积环境中。河道由于受到遮蔽物的遮挡(如相邻点坝、废弃河道、牛轭湖等),顺下游方向平行迁移。形成的侧积体平行于末期河道两翼,并垂直于古水流方向,砂体厚度向远离河道轴部的方向逐渐增厚,并向河道翼部两侧逐渐减薄。主体砂体的组成部分为点坝、废弃河道及凹岸沉积。(图9(b))。

图9 不同侧积模式下的点坝砂体厚度等值线图及点坝轴方向的剖面示意图Fig.9 Isopach maps of two accretion models for spatial distribution of meandering river sandbodies

3.3 曲流河地质知识库建立

3.3.1 侧积泥岩夹层倾角和规模的确定

侧积泥岩夹层与砂体顶面呈一定角度相交,一般上部较缓,多尖灭于上覆河漫滩处;下部较陡,为点坝内部控制剩余油分布的主要渗流屏障。其倾角多受控于活动河道的河床底形,而河流的宽深比是反映河床底形的重要参数。首先借助地层倾角测井的解释结果初步判断侧积泥岩倾角介于3°～8°,平均约为5.2°;其次选取点坝内部距离较近的对子井,在单井识别出侧积泥岩的前提下,根据井上侧积泥岩砂岩顶面拉平后的高程差h,两井之间的直线距离得出视倾角α,以及平面上两井连线方向与侧积泥岩真倾向之间的夹角β,经过坐标转换计算出侧积泥岩夹层倾角约为3.2°,再根据侧积泥岩倾角θ及2个侧积泥岩之间的厚度H反推出侧积体的宽度约为82 m(图10);此外对研究区内一水平井井区点坝内部侧积泥岩夹层产状及侧积体规模进行了定量计算,结果显示侧积泥岩夹层倾角介于4.13°～8.2°,侧积体宽度平均值约为70 m(算法见文献[3])。

图10 对子井求取侧积泥岩夹层倾角及规模Fig.10 Dip and scale calculation of lateral accretion muddy intercalation by pair wells

同时对研究区50余个点坝进行统计,将点坝的砂体平均厚度作为河流满岸深度,统计结果介于2.8～12.8 m,平均值为7.86 m,随后运用Leeder[21]经验公式中河流满岸深度、河流满岸宽度、单一侧积体宽度及侧积泥岩夹层倾角之间的关系为

lgW=1.54lgh+0.83,

(1)

W2=2W/3,

(2)

tanθ=h/W2.

(3)

式中,W为满岸河道宽度,m;h为满岸河道深度,m;W2为侧积体平面最大宽度,m;θ为侧积泥岩夹角,(°)。

推算其平均河流满岸宽度为162 m,单一侧积体水平宽度为108 m,侧积夹角介于3.2°～7.2°,与地层倾角测井、对子井、水平井等资料所得的结果近似。

3.3.2 曲流河砂体规模尺度库的建立

砂体规模尺度库是定量描述砂体规模的参数库,是进行砂体预测的重要依据。利用井网密集的优势,对50余个点坝25余条废弃河道范围进行了精细刻画,统计了包括砂体长度、宽度、厚度、长宽比、宽厚比等在内的数据信息,建立了研究区曲流河砂体规模尺度库。

曲流河点坝规模尺度库统计结果显示,点坝长度分布在200～800 m,平均为400 m(图11(a));宽度分布在200～900 m,平均为450 m(图11(b));厚度分布在2.8～12.8 m,平均为7.86 m(图11(c));长度与宽度之间相关性较差,长宽比分布在0.44～1.38,平均为0.88;宽度与厚度之间相关性不好,宽厚比分布在31.97～140.32,平均为61.31;长度与厚度之间相关性不好,长厚比分布在22.5～115.3,平均为52.6。废弃河道规模尺度库统计结果显示,废弃河道宽度分布在40～100 m,平均为60 m(图11(d));厚度分布在0.5～4 m,平均为2.5 m(图11(e));宽度与厚度之间存在一定的相关性(图11(f)),宽厚比分布在17.3～76.8,平均为27。

4 曲流河砂体构型对剩余油的影响

为了研究点坝内部剩余油分布,在断块内钻取了一口密闭取芯井G2-56-2井。电测曲线特征显示该井Nm3-2-2具有典型点坝特征,从岩心观察得出,18.5 m厚砂体层内发育5个泥岩、粉砂岩或细砂岩混杂的侧积层,厚度为7～26 cm。对厚砂体油层顶部钻取的39块岩样进行剩余油饱和度测试,结果平均剩余油饱和度为37.2%。层内自下而上仍呈现水驱油效率变低,剩余油饱和度变高的趋势,油层上部剩余油富集。39块岩样中未水洗共8块,占比20.5%,弱水洗7块,占比17.9%,中水洗12块,占比30.8%,强水洗12块,占比30.8%;未水洗层主要位于油层顶部及侧积层上部(图12)。

图11 曲流河砂体规模尺度库数据统计Fig.11 Statistics of meandering river sandbodies scale

图12 密闭取芯井剩余油分布Fig.12 Distribution of remaining oil in coring well

同时以港东油田曲流河构型研究成果为基础,设计了15个机制模型,利用油藏数值模拟手段研究点坝内部剩余油分布规律。模型基本参数为长600 m、宽500 m、高6 m,采用行列式注水方式,3口注水井、3口采油井,排距为510 m,井距为250 m,侧积体砂体的渗透率为1 000×10-3μm2,侧积体孔隙度为30%。从模拟结果看出,无论侧积层倾角、侧积层间距、侧积层遮挡程度、侧积层渗透性、注入速度还是水驱油方向,都会因侧积层的存在对油水运移产生影响。点坝内部死油区占比范围在13.2%～35.05%,平均为24%(表1)。

表1 不同点坝模型水驱波及体积系数及死油区规模统计

点坝内部剩余油分布还与点坝形成的侧积模式相关。其中平面上呈现宽条带状的砂体组合主要受到顺流加积的控制,主体砂体由点坝、废弃河道及凹岸沉积组成。凹岸沉积以细粒物质为主,多形成于顺流加积过程中,水流在河道弯曲处受到阻碍,水流方向急速改变,使得1/3水流分流形成反向涡流,对遮挡物进行冲蚀。并在河道向下游移动的过程中,在点坝背面形成凹岸沉积。Brian[22]做过一个数值模拟试验,试验结果显示凹岸沉积会有效提升点坝内部连通性。而在研究区内,宽条带状砂体组合下的点坝,整体采出程度较高,采出程度一般为35%～50%。平面上呈窄条带状的砂体组合主要受侧向加积的控制,主体砂体由点坝及废弃河道组成,连通性受废弃河道的影响较大,容易形成废弃河道边部剩余油富集区。