苏里格地区上古生界辫状河心滩定量表征影响因素探讨

2019-11-19王树慧王文胜白玉奇马志欣高庚庚

西北大学学报（自然科学版） 2019年6期

杨博,王树慧,王文胜,白玉奇,马志欣,张晨，高庚庚

(1.西北大学大陆动力学国家重点实验室/地质学系,陕西西安 710069；2.中国石油长庆油田分公司低渗透油气田勘探开发国家工程实验室/勘探开发研究院,陕西西安 710018；3.延长油田股份有限公司下寺湾采油厂，陕西延安 716000)

储层构型是不同层级储集单元与隔夹层的形态、规模、方向及空间叠置关系[1-5]。储层构型理论的提出为定量地表征储层空间展布提供了思路,从层次结构角度对构成单元的形态、规模、方向及叠置关系进行研究,最终达到精细刻画内部非均质性的目的[6- 7]。很多学者利用其作为主要技术手段,分别对不同类型的沉积体系开展了大量研究,并建立了对应的储层构型模式及地质知识库。在河流相储层研究中,辫状河因河道的持续改造和频繁迁移,造成不同期次河道冲刷叠置,使得砂体内部结构复杂,给构型研究带来一定困难[6-11]。因辫状河储层在各类油气储层中占有重要地位[12],尤其以心滩为辫状河沉积的主要储集砂体[4, 8, 11-13],近年来,其从定性研究逐步向定量表征发展,相关的研究成果大量涌现，且技术日趋成熟[14-21]。何宇航等通过水槽物理模拟实验,研究了心滩坝的发育特征，并得到了心滩宽厚比等定量参数[22];孙天建以现代沉积和野外露头模式为指导,结合经验公式,在单井识别构型界面的基础上,定量表征了心滩规模[23];陈彬涛等采用露头实测、精细构型解释的方法,对构型单元进行了系统识别,并测得了心滩构型单元的规模[4];牛博等基于密井网对地下辫状河心滩进行了构型解剖,总结了心滩的构型沉积模式，并对规模进行了统计[8, 24-27]。心滩的定量化表征正呈现出多方法协同约束的态势,其结果的准确性将直接影响对地下心滩砂体分布的预测。

地下储层砂体展布的形态规模是客观存在的,因此，对于相同地区定量表征的结果应不断趋近并保持一致。从前人的研究成果不难看出,不同地区、不同类型的心滩发育规模差异明显;但对同地区而言,不同学者对心滩解剖的规模也有所不同[7-8, 24]。因此,本文以苏里格气田不同密井网区为例,从构型解剖的规模差异着手,分析影响解剖结果的因素,并尝试对各因素的影响程度进行探讨,系统梳理定量表征地下构型单元的思路,以进一步提高定量表征的准确程度,客观还原地下储层的展布特征,明确心滩砂体的分布规律,为优化水平井设计和指导井位部署提供依据。

1 区域地质概况

苏里格气田位于鄂尔多斯盆地西北部,勘探面积约4×104km2,地质构造属于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡西部,整体表现为西倾的大型平缓斜坡,主要发育大型陆相致密砂岩气藏[28-32,28-34]。其中，上古生界自下而上可分为石炭系本溪组,二叠系太原组、山西组、石盒子组和石千峰组,石盒子组又可自上而下进一步划分出盒1至盒8含气层段,山西组则可细分为山1和山2两个含气层段。其中，下石盒子组盒8段和山西组山1段是苏里格气田的主力含气层位[27, 35]。

苏里格气田在不同区块先后开辟多个密井网试验区进行研究,为辫状河储层构型解剖提供了有利条件。各试验区的概况如表1所示。各试验区具有相同的地质背景,均位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的西北部(见图1),上古生界构造平缓,平均坡降为3～8 m/km[8]。前人研究成果表明,研究区盒8下段属于辫状河三角洲平原亚相中的辫状河沉积,因处于三角洲沉积的陆上部分,沉积环境特征与上游河流相近似,包含辫状河道、溢岸、泛滥平原亚相,心滩及辫状水道是主要的沉积微相[7]；储层岩性以中—粗粒岩屑石英砂岩和细—中粒岩屑砂岩为主,孔隙结构以岩屑溶孔、晶间孔等次生孔隙为主,平均孔隙度为9.6%,平均渗透率为0.71×10-3μm2,储层致密且非均质性强[8]。

表1 各密井网试验区概况Tab.1 General situation of development in each infill well pattern

图1 各密井网试验区位置图Fig.1 Location map of each infill well pattern

2 心滩构型特征及规模

本文在前人研究的基础上,以各密井网区心滩构型解剖的定量结果为基础进行分析对比，而对构型单元的解剖过程不作阐述。

2.1 沉积演化模式

砂质辫状河的沉积物以底负载搬运为主,并随水流向下游方向搬运,该过程也是心滩的形成与演化过程。沉积数值模拟与现代沉积分析研究表明,心滩的发育演化主要表现为4种过程:①心滩形成并不断垂向顺流加积、向下游方向迁移的生长过程;②心滩受辫状水道的流向影响,侧向加积的迁移过程;③心滩尾部沉积物卸载,填充水道并与下游心滩相连,形成复合心滩的过程;④心滩稳定时,受顶部低洼处水流的冲刷,逐渐侵蚀,形成串沟,切割心滩的过程[11]。上述4种表现过程无时间次序,各过程同时存在,最终形成的规模形态与沉积底形、水动力条件及沉积速率有着密切的关系,实际形成的心滩，内部结构复杂,平面展布形态各异。因此，总结出对地下构型解剖具有指导意义的心滩沉积模式非常重要。陈薪凯等总结提出了适用于油气藏描述的4种辫状河心滩简易模式,即垂向加积模式、辫状—曲流转换模式、偏心半椭球模式、复杂构型模式,其中后两种模式为目前引用较多的沉积模式[36]。综合国内学者有关密井网解剖研究成果[25]可知，心滩顺水流方向上具有整体平缓前积、内部陡角前积的特点,垂直水流方向主要存在垂向与侧向加积模式;落淤层分布在不同期次增生体界面之间,连续性较好,主要发育于心滩尾部(见图2)。

图2 心滩沉积模式(据文献[24])Fig.2 Depositional model of channel bar

2.2 构型单元特征

在野外砂质辫状河露头中,垂向加积和顺流加积的心滩岩性以粗砂岩—中砂岩为主,由下至上依次发育槽状交错层理、下截型板状交错层理和平行层理,顶部的平行层理中，局部可见冲刷现象和砾石,粒序韵律特征不明显;侧向加积的心滩岩性主要表现为中砂岩,主要发育槽状交错层理、下切型板状交错层理,多发育有泥质夹层[22]。因此，在测井曲线上,自然伽马一般呈现箱形或者多个箱形组合的特征,钟形不明显。由于野外露头观测的局限性,很多学者意识到，在心滩不同位置上，其岩性、粒序与测井响应是有所差别的。随着心滩向下游或侧向的迁移,心滩尾部和侧翼表现出夹层发育、粒序韵律变化的特征,自然伽马形态锯齿化,呈现叠合钟形或漏斗形的特征[27, 37]。

心滩内部由多期增生体构成,各级增生体发育在高水位时期,当处于两期洪泛之间的较低水位时,心滩顶部会接近水面或高出,沉积形成落淤层。其主要见于各级增生体的分界处,岩性主要为泥质或粉砂质细粒沉积,厚度较薄；在心滩迎水流方向受到不断冲刷,难以保存,而尾部得以保留发育；自然伽马曲线返回高值，同时自然电位曲线也见轻微回返[25]。

2.3 心滩规模特征

为了直观地对各密井网区的心滩规模进行对比,现选取同一单层,将识别出的心滩宽度与长度作散点分布,其结果如图3所示。

图3 各密井网试验区心滩宽度与长度关系图Fig.3 Relationship between width and length of channel bar in each infill well pattern

从图3中可以看出,心滩的宽度与长度有着较好的正相关性,同时，各密井网区的心滩规模差异明显,其中苏A密井网区的心滩宽度集中于200～400 m,长度集中于400～800 m;苏B密井网区心滩宽度集中于400～600 m,长度集中于600～1 000 m;苏C密井网区心滩宽度集中于500～800 m,长度集中于800～1 500 m。

3 影响因素分析

针对上述不同密井网区心滩规模表现出的差异性，多角度对其差异合理性展开分析对比,并结合相关学者的研究成果,探讨影响心滩规模的因素。研究认为，其影响因素主要有地质因素、井网密度因素、平面组合及边界识别因素以及解剖面角度因素。

3.1 地质因素

心滩砂体在辫状河中发育,而辫状河在形成的过程中,会受到来自构造运动、沉积环境等多种因素的影响,这些都对最终形成的心滩规模起到了决定性的作用。而心滩砂体一旦形成,其规模形态即是客观存在的,不会随研究方法的不同而发生变化,因此，地质因素从根本上直接控制了心滩的规模。

1)构造运动因素。构造的抬升将直接引起地形坡度的变化,同时也是河型转化的控制因素。上游的近源辫状河水动力强,河道冲刷下切作用明显,形成的心滩规模较小且不稳定,长宽比较高;对于远源辫状河,当地势呈现变缓趋势时,水动力变弱,携带的大量沉积物卸载,常形成相对稳定且规模较大的心滩。李海明等利用现代辫状河沉积的卫星照片，定量分析对比了近源与远源两种类型辫状河的沉积特征。从其研究成果中可知，上游心滩的规模远小于下游心滩[38](见图4，5)。

图4 近源辫状河心滩宽度与长度的关系(据文献[37])Fig.4 Relationship between width and length of near source braided river channel bar

图5 远源辫状河心滩宽度与长度的关系(据文献[37])Fig.5 Relationship between width and length of far source braided river channel bar

2)沉积环境因素。沉积环境的影响主要体现在气候条件的周期性变化,直接影响着河流水量的大小;当河流水量增大时,尤其在洪水期,上游携带的大量沉积物在心滩形成部位进一步堆积并向下游生长推进。由此引发的沉积事件也对心滩的规模起到决定性作用。张善义等将河流分为幼年期、青年期、壮年期、衰老期4个时期来对心滩规模的变化进行研究,受河水能量影响,不同时期形成心滩的宽度、厚度及长度规模及相关性不同[39]。其研究成果表明,在青年期与壮年初期,河水能量大,是心滩生长的主要时期,垂向厚度迅速增加,长宽比大,宽厚比小;在壮年末期及衰老期时,心滩垂向生长速率变慢,主要以宽度增加为主,长宽比小,宽厚比大(见图6)。

图6 心滩坝沉积厚度、宽度及垂向沉积速率关系示意图(据文献[38])Fig.6 Relationship between the thickness, width and vertical deposition rate of the channel bar

虽然目前采用“将今论古”的思路,通过野外露头、现代河流沉积等手段对心滩规模进行了测量分析,并用于限定具有类似条件下的心滩规模,但受限于测量对象的不同,规模范围变化较大,难以实现针对研究区规模的客观反映。因此，应基于不同地区不同时期的野外露头、现代河流对比,同时辅以变沉积条件的水槽实验、沉积模拟等手段对影响程度进行定量化研究,才可以通过还原研究区的沉积环境,对形成的心滩规模进行有效限定,提高精度。

3.2 井网密度因素

苏A与苏B两个密井网区相邻,同时期沉积环境一致,在地质因素的影响下,真实形成的心滩规模差异不应过大,但从前文对心滩规模的统计中可以看出,苏A与苏B密井网区心滩规模差异明显。苏C密井网区位于东北部,更靠近北部物源区,属于相对上游段,从心滩生长角度看,其形成的心滩长宽比应较高且规模小,但实际解剖的结果显示,该密井网区的心滩规模反而远大于苏A与苏B密井网区。这两种差异的合理性存在一定问题,因此要进一步考虑各密井网区井控程度的影响。

采用心滩统计的方法,对识别出心滩的单井与邻井的井距和排距进行散点分析,其结果如图7所示。由图7可以看出，其分布特征与心滩规模特征有着较好的一致性。苏A井网密度最大,井距与排距最小,其解剖的心滩规模也最小。而苏B与苏C的井距与排距较大,其解剖结果也偏大。赵翰卿等以大庆萨北地区为例，分析了不同密度井网对各类河道砂体的控制程度,在500 m×500 m的井网密度下,平均控制程度只有42.8%,随着井网密度的增大,控制程度变大[40]。刘可可等模拟了不同井网密度下对河道砂体的控制程度后得知，随着井网密度的增大,识别出河道的个数增多且规模变小。因此，井网密度在客观上直接影响了心滩解剖的规模[41-42]。

图7 各密井网区井距与排距关系图Fig.7 Relationship between the well spacing and row spacing in each infill well pattern

图8 不同井距对心滩宽度的影响程度Fig.8 Influence degree of different well spacing on the width of the channel bar

为了探讨井距与排距对心滩规模的影响程度,假设心滩宽度实际为200～800 m,以100 m为间隔进行抽稀,做井距与最大影响程度的趋势线(见图8);同理，假设心滩长度实际为800～2 000 m,以200 m为间隔进行抽稀,做排距与最大影响程度的趋势线(见图9)。从图8，9中可以看出,随着井、排距的增加,心滩规模变小,其影响程度变大;当井、排距分别超过心滩的宽度与长度时,其影响程度呈线性增加;当井、排距小于心滩规模时,影响程度在一定范围内呈波动变化趋势。以井网500 m×600 m,实际心滩600 m×1 400 m为例,宽度的最大影响程度为150%,长度的最大影响程度为71%。因此，井网密度对解剖规模的影响是客观存在的,影响程度视实际心滩规模有所不同。

图9 不同排距对心滩长度的影响程度Fig.9 Influence degree of different row spacing on the length of the channel bar

虽然井控程度越高,解剖的结果也越真实(每一次加密都可以提高认识精度),但是，在考虑经济性的前提下，井网也不可能无限加密[17]。因此,当现有井网密度无法对心滩规模起到控制的情况下,仅通过相对的密井网解剖获得心滩规模的方法是存在不确定性的,应主要结合实际生产用于验证。

3.3 平面组合及边界识别因素

苏B与苏C密井网区的平均井网密度相近,且苏C密井网区的井网更为均一,但从解剖规模的结果看,苏C密井网区的心滩规模整体大于苏B。目前，在野外露头观察的基础上,根据岩电响应特征,识别单井钻遇的心滩,特别是对心滩不同位置的识别都较为准确[14,20,25,29]。因此，造成这种结果的原因主要是由心滩平面组合及边界识别差异引起。

在平面组合中,当心滩实际宽度超过一个井距时,若组合如图10b所示,则会造成解剖结果偏小;当心滩实际宽度小于一个井距时,若组合如图10a所示,又会造成解剖结果偏大。因此可知，平面组合的合理性直接影响着解剖结果。只有不局限于少数邻井,对心滩发育及展布具有宏观概念的平面组合才能有效降低其影响程度。

边界的识别同样对解剖规模有着不可忽视的影响。如图11所示,同样的解剖因为边界位置的不同,会出现类似A，A′甚至更多的解剖结果,在对实际心滩规模未知的情况下,无法判断哪一种解剖结果更接近实际。井距越大，其影响程度也越大。

a 判断为同一心滩b判断为不同心滩图10 心滩平面组合方式Fig.10 Plane combination mode of channel bar

图11 边界不同的心滩规模Fig.11 The scale of channel bar on different boundaries

以往对边界的识别往往是通过经验法(如刘博等认为，井与井之间心滩沉积的长度与宽度一般最大为井间距离的1/3[43]),这使得不同学者解剖得到的结果千差万别。而通过落於层的倾角,结合增生体厚度,对准确识别边界是有重要意义的(见图12)。牛博等根据心滩内部落於层发育的特征,对落於层进行识别并测得了其倾角[23, 25, 44]。何宇航等通过水槽实验,也测得了落於层的倾角[22]。因此可知，通过加强对落於层的研究,可以有效提高心滩的解剖精度。

图12 落淤层估算心滩宽度示意图(据文献[6，24]修改)Fig.12 Schematic diagram of the estimated width of the channel bar in silt layer

3.4 解剖面角度因素

在利用密井网剖面对心滩规模进行测量时,剖面的角度与实际心滩长短轴方向的一致性会对解剖规模产生影响。

如图13所示,若测量剖面为A到B,实际心滩长轴展布方向为A到C,测量结果明显偏小,且实际规模越大,夹角α越大,其影响程度越大。因此，在井网一定的条件下,沉积时期古流向的研究则显得尤为重要，其决定了心滩的发育方位。解剖过程中,要将平面和剖面进行结合,注意其整体性;对于角度偏差较大的剖面,可对测量结果进行校正。