基于源—汇系统的砂体分布预测与三维地质建模<br/>——以四川盆地川西坳陷新场构造带须二段为例

基于源—汇系统的砂体分布预测与三维地质建模
——以四川盆地川西坳陷新场构造带须二段为例

2022-02-18商晓飞刘君龙段太忠

天然气工业 2022年1期

商晓飞李蒙刘君龙段太忠

中国石化石油勘探开发研究院

0 引言

四川盆地天然气资源丰富，气藏类型众多，其中川西坳陷上三叠统须家河组（T3x）致密砂岩气藏是天然气勘探开发的重要目标[1-2]。川西坳陷中段须家河组已发现的天然气储量主要集中在近EW走向的孝泉—新场—合兴场—丰谷构造的新场构造带，纵向上主要分布在须家河组二段（以下简称须二段，T3x2），其次为须家河组四段（以下简称须四段，T3x4）。新场气田须二段气藏是典型的致密砂岩气藏，累计提交天然气探明储量已超过 1 600×108m3，然而由于储层非均质性极强，实际动用程度不到10%。针对该类气藏的储层表征与有效开发，关键在于寻找物性较好的优质储层（即“甜点”）。罗龙等[3]研究认为，砂体展布是控制储渗性质的根本因素，成岩作用及优质储层发育受控于原始沉积。因此，明确砂体沉积规律，建立精细的砂体三维定量地质模型，是准确刻画优质储层的重要基础和前提。

川西坳陷在须家河组沉积期为典型的前陆盆地。由于扬子板块向羌塘地块和昆仑地块的双向俯冲作用，导致龙门山北段、米仓山和大巴山山脉继承性隆升，形成了多物源供给的沉积格局[4]。川西坳陷新场构造带须二段沉积期为构造活动期，广泛发育大型河流—三角洲相沉积体系[5-7]。受多方向物源供给控制，砂泥岩沉积在空间上频繁互层，物性好的砂岩横向变化快[8]，给须二段的地层对比和储层预测带来困难。随着该区天然气勘探开发的不断深入，迫切需要对沉积体系的充填演化特征以及砂泥岩空间分布规律有更清晰的认识。

为此，笔者基于川西坳陷新场构造带须二段岩心、测井和地震资料分析，对该区须二段记录的沉积充填特征进行了解析；通过大量的地震属性与砂体厚度等岩性数据相关性分析，获取了基于地球物理预测的砂体分布特征，进而构建了源—汇系统模式；并以源—汇系统下砂体展布特征与迁移规律的认识为指导，构建砂泥岩三维地质模型，为砂体空间展布刻画以及后续的优质储层模拟、储渗性质的定量化表征奠定了基础。

1 地质概况

四川盆地川西坳陷位于扬子板块西北缘，西邻龙门山冲断带，向外过渡到松潘—甘孜褶皱带，北东与秦岭造山带相接，大致呈北东向延伸，面积约5×104km2，是一个典型的中新生代盆地[9-10]。新场构造带位于川西坳陷中段（图1），形成于印支运动早期，构造整体上表现为南翼陡、北翼缓的长垣背斜。新场构造带内部的次级构造、沉积充填与龙门山冲断带的活动密切相关[11]。

须家河组沉积初期，米仓山、大巴山古陆已形成，龙门山逆冲隆升，龙门山北段逐渐凸起，前陆盆地开始形成[12]。须二段沉积期，新场构造带EW向构造运动进一步加剧[13-14]，并发育一套以辫状河三角洲相为主的沉积体系，砂岩厚度大、平面分布广泛，是新场构造带的主要储集层[15]。新场构造带须二段埋深介于4 000 ～ 5 000 m，平均厚度为 600 m，该区西部地层厚度整体比东部大。岩心观察结果表明，新场构造带须二段以三角洲前缘亚相沉积为主，其中水下分流河道砂体是主要沉积类型。须二段沉积期，湖平面变化频繁，三角洲相砂体进、退积作用明显，多期河道砂体叠置形成复合河道，纵向上砂泥岩相互交织，平面上沉积充填范围广（图1）。

2 层序地层特征

针对新场构造带须家河组的地质特点，笔者以区域构造背景、地质特点为指导，搭建层序地层格架，制作地震合成记录，对地质层位和地震界面进行标定。分析结果发现，与陆相须家河组相比，其下伏海相地层（本文指中三叠统雷口坡组，T2l）的声波时差曲线向低值变化明显，波阻抗显著增大，地震剖面表现为强连续反射特征，以此为基础，对研究区所有过目的层段的钻井利用声波时差和密度曲线，进行了精细合成记录标定，为须二段层位标定奠定基础（图2）。

图2 新场构造带地震合成记录图

须二段底界面为岩性、岩相转换面，界面之下以须家河组一段（以下简称须一段，T3x1）顶部的灰黑色页岩为主要特征，界面之上则是须二段砂岩，该沉积不整合面的广泛发育标志四川盆地由晚三叠世早期的海陆过度沉积转换为陆相沉积，为T6地震反射界面。须二段顶界面是一个岩性由粗转细的相转换面，标记为T51地震反射界面，界面之上以须家河组三段（以下简称须三段，T3x3）滨浅湖相沉积为主，界面之下则是须二段河流—三角洲相沉积。

通过测井曲线样式所反映出的岩性突变特征，须二段内部可识别出两个界面，记为SQB1和SQB2（图1）。岩心观察结果发现，SQB1界面之下泥岩呈灰色、灰绿色甚至略带紫色，之上泥岩为深灰色，代表湖平面快速上升的初始湖泛面。SQB2处自然电位及电阻率曲线平直，泥岩厚度介于5～25 m，全区分布较为稳定。该泥岩之上多为1套厚层砂岩，是湖平面快速上升后开始下降的转换面。通过层序界面分析，可厘清须二段沉积期湖平面变化（上升—下降）的完整基准面旋回，并由此将须二段分为3个亚段（图1）。下亚段为湖泊水位上升时形成的沉积，岩性以深灰色厚层泥岩为主，夹薄层粉砂岩和细砂岩沉积，地层厚度自西向东逐渐减薄，平均厚度约为150 m，其内部可细分为4个砂组（T3x210—T3x27）。中亚段沉积初期以泥质沉积为主，中后期开始水退，此时砂体进积，物源供应充足，三角洲相沉积条件好，砂体连续叠置，地层厚度自西向东变化不大，平均厚度约为220 m，整体含砂率高，是新场气田须二段气藏的主要产层之一，其内部细分为3个砂组（T3x26—T3x24）。上亚段主要表现为加积式沉积，从砂泥岩薄互层向上过渡到厚层砂岩充填为特征，且砂体沉积较为广泛，地层厚度自西向东逐渐加厚，平均厚度约为180 m，也是新场气田须二段的主要产层，其内部也细分为3个砂组（T3x23—T3x21）。

3 砂体地球物理预测

对于河流—三角洲相储集体，因其沉积时具有平面迁移和纵向进积—退积的变化，采用地质统计规律进行储层预测存在较大的不确定性[16-17]，但地震资料能够从三维空间刻画储集体的形态[18-19]，是目前分析储层展布特征的最重要手段之一。

3.1 地震属性优选

研究区三维地震资料满覆盖面积为561.365 km2，采用串联预测反褶积、道集谱白化等处理技术，目的层信噪比较高，频带介于12～50 Hz，频带较宽，须二段峰值频率27 Hz（图3-a），成像波组连续稳定，在须家河组层间信息丰富。由于新场构造带须家河组埋深大且岩性变化大，反射振幅总体较弱且变化剧烈（图3-b），仍需要结合钻井资料对砂体展布进行预测。

图3 新场构造带须二段地震频谱与振幅图

在碎屑岩地层中，当较纯的砂岩与泥岩充填相互变化时，其地震振幅值会有较大响应[21-22]，为了进一步明确沉积地层的砂泥岩变化规律，着重分析了振幅类属性与砂体的关系。以须二上亚段为例，该段地层东部砂体更厚、范围较大。通过振幅类属性（以上亚段顶、底层面时窗限定）与总砂体厚度的散点交汇统计发现，在振幅类属性与总砂体厚度有较好相关性的基础上，可清晰区辨出两类相关性趋势（图4-a）。按不同相关趋势，对研究区单井进行区分。结果发现，位于研究区东部的井多钻遇主河道沉积相带，其在上亚段的总砂体厚度较大，砂泥岩互层数少，平均单砂体厚度大，这部分井的总砂体厚度与振幅属性的相关性基本都呈现第一类趋势。位于研究区西部的井在上亚段的总砂体厚度较小，砂泥岩互层数多，平均单砂体厚度小，砂体厚度与振幅属性的相关性基本呈第二类趋势（图4-b）。总体而言，在总砂体厚度相近的井当中，砂泥岩互层数少的井基本呈现第一类趋势，而砂泥岩互层数多的井为第二类趋势。因此，在利用地震属性进行砂体预测的过程中，需要考虑砂泥岩互层数对地震属性的影响，提高砂体预测准确性。

图4 新场构造带须二段上亚段振幅属性与砂厚的相关趋势分析图

波阻抗属性具有更好的岩性响应，其正负值能够在一定程度上反映砂泥岩的变化，然而层间平均波阻抗值与总砂体厚度的相关关系并不理想，须二上亚段与中亚段的波阻抗与总砂体厚度相关性分别仅为0.38和0.32。考虑到不同沉积区域的砂泥岩沉积充填样式存在较大差异，而地层充填结构是造成地震属性出现变化的一种重要因素，为了避免砂泥岩互层数对地震属性的影响，进一步提取亚段范围内的相对波阻抗的正值之和属性，将该属性再与总砂体厚度进行相关性分析，其相关关系得到明显提高，须二上亚段和中亚段的波阻抗正值之和与总砂体厚度的相关性分别达到0.86和0.82（图5）。因此，笔者选取相对波阻抗的正值之和属性分析须二段不同沉积时期的砂岩展布。

图5 新场构造带须二段波阻抗正值之和属性与砂体厚度关系图

3.2 沉积充填演化特征

根据优选的地震属性，结合岩心观察和钻井数据，进一步分析新场构造带须二段的沉积充填特征，总结沉积演化规律，明确该区沉积物源供给、水系方向、砂体展布形态和规模，为构建研究区源—汇系统提供指导。

新场构造带须二段沉积早期，陆相湖盆开始发育，但物源供砂能力较弱（图6-a），该期虽有砂体发育，但总体较薄，粒度向上逐渐变细。钻井揭示岩性以深灰色泥岩为主，夹有薄层粉砂岩和细砂岩，在纵向上呈现为大段泥岩。在须二下亚段后期，地震数据显示新场构造带西部的地层中砂岩比例整体有所增加（图6-b），反映湖平面下降，沉积物供给速率大于可容纳空间增加速率，主要为浅灰色中粒、细粒砂岩，正反韵律特征均很明显。须二中亚段沉积初期，地震响应的砂岩比例和砂体规模开始下降和减小，湖盆水体开始逐渐变深（图6-c）。须二中亚段沉积中后期，地震显示新场构造带周边物源供砂能力增强（图6-d），砂体大面积进积，三角洲相沉积条件好，砂体规模大且易连续堆积，砂地比较高。须二中亚段沉积末期，湖平面快速抬升，形成1套分布广泛的厚层泥岩（即SQB2层序界面），其低速度低密度特征形成的强振幅反射特征较为明显（图6-e）。整个须二中亚段厚度自西向东变化不大，整体砂岩比例率高，岩性以中、粗砂岩为主，尤其T3x2

图6 新场构造带须二段波阻抗正值之和地震属性图

4砂组的粗砂岩含量在整个须二段占比最高，是新场气田须二段气藏的主要产层之一。须二上亚段沉积初期仍以泥质沉积为主（图6-f），湖平面相对稳定，测井曲线表现为加积式，可见多套薄层泥岩和薄层砂岩互层沉积。须二上亚段沉积中后期，地震显示新场构造带东部的砂岩比例迅速增加（图6-g），岩性主要为浅灰色中砂岩，夹少量粗砂岩。岩性组合和厚度比表明，须二上亚段的沉积是从砂泥岩薄互层向上过渡到厚层砂岩充填为特征，且砂岩沉积较为广泛。须二段沉积末期，新场构造带西部泥岩沉积增多，物源输导体系进一步向北东方向迁移，砂体主要分布在新场构造带的东部（图6-h）。

早期研究成果认为，晚三叠世龙门山冲断带逆冲推覆作用开始活跃，龙门山地区形成造山带雏形[23]。在须四段沉积期（距今约215 Ma），龙门山因强烈隆升出露海面构成岛链，并开始大量供源[10]。川西坳陷须二段砂体仍被认为是主要来自北东方向的米仓山—大巴山山脉的物源。笔者地震沉积分析结果显示，在须二段沉积早期，川西坳陷新场构造带西部出现大规模河流—三角洲相沉积体系充填。砂岩的岩石成分主要为长石砂岩、岩屑砂岩，岩屑中可见来自晚古生代的灰质沉积组分，粒度由西向东变细，厚度减薄。说明龙门山冲断带在须二段沉积期（距今约223 Ma）的逆冲推覆和隆升作用已初具规模，龙门山在须二段沉积期已出露水面遭受剥蚀，且具有一定的供源能力。因此，川西坳陷须二段存在北东和北西两个方向的物源水系供给。

4 砂泥岩三维地质建模

由于新场构造带构造复杂，主要物源在不同层序阶段的供应能力存在差异，须二段砂体沉积横向变化大，为了更好地开发气田，需要从三维空间中深化对该区沉积充填演化和砂体分布规律的认识，指导建立更符合实际并具有预测意义的砂岩地质模型。

4.1 源—汇系统

“源—汇系统”一词早期主要应用在地貌学等研究领域，随着定量沉积学的发展，从造山带到深海的源—汇系统成为地球科学的重要研究内容。“源—汇系统”指从剥蚀区形成的物源搬运到沉积区或汇水盆地中最终沉积下来的过程[24]。源—汇系统的研究对于定量描述沉积盆地的地层记录并构建盆地沉积格局具有重要作用。源—汇系统包含了物源区、沉积区和搬运区，其分析方法主要是针对上述要素进行剖析和重建，如剥蚀区地貌恢复、碎屑矿物分析、沉积体积回填、古水动力学研究等等[25-26]。随着源—汇系统研究的发展，高精度测试技术、高分辨率地球物理预测和三维定量地质建模技术都是源—汇系统分析的重要手段。

结合“源—汇系统”研究思路，很多盆地可能接受来自不同物源区的沉积物供给，并进而划分出主要的轴向源—汇系统和次要的轴向源—汇系统。在新场构造带，北西方向靠近龙门山冲断带，物源搬运距离近，称为短轴物源，北东方向物源来自米仓山和大巴山山脉，搬运距离远，称为长轴物源。随着湖平面升降和物源供给程度的变化，河流—三角洲相沉积充填过程会有强弱差异，且在平面展布上会发生迁移。

新场构造带须二段沉积早期，随着龙门山冲断带逆冲隆升[27-28]，新场构造带来自北西方向的三角洲相砂体进积更为明显，而北东方向三角洲相进积作用较弱（图7-a）。须二中亚段沉积期，北西和北东方向同时具有较强的供源能力，北西方向三角洲相以加积作用为主，来自北东方向的三角洲相砂体也强烈进积（图7-b）。因须二中亚段沉积末期湖平面迅速抬升，北东和北西方向供源能力极大地减弱，全区三角洲相均迅速退积。须二上亚段沉积期，龙门山冲断带构造抬升作用趋于平缓，北西方向供源能力仍较弱，而北东方向三角洲相再次强烈进积（图7-c）。平面上，须二段砂体呈条带分布，不同时期河道侧向迁移频繁。须二中亚段因存在北西和北东方向2个物源，砂体最发育，其中T3x24砂组沉积期河道规模最大。须二下亚段以短轴物源供给为主，砂体主要位于构造带西部，其中T3x27砂组砂体展布范围最广。须二上亚段转为长轴物源供给，东侧砂体更发育，其中T3x22砂组的砂体沉积最强。沉积特征方面，须二中亚段中、粗砂岩占比最高，以发育千层饼/平行层理、块状层理为特征，须二上亚段以中砂岩为主，基本不发育千层饼，多发育块状层理和斜层理，须二下亚段基本为细砂岩。粒度和沉积构造的垂向变化反映了须二中亚段（尤其是T3x24砂组）沉积期三角洲相进积能力最强。

图7 新场构造带须二段源—汇系统模式图

4.2 基于源—汇认识的变差函数拟合

地质建模基于地质统计学理论，通常地质统计分析都是使用硬数据直接建立实验变差函数[30-34]，笔者本次研究对象为砂泥岩，是与沉积物源方向关系密切的沉积体，其延展方向与河流—三角洲相进积方向一致。须二段内部沉积砂体纵向上多期河道叠置，平面上由西向东迁移、河道呈条带分布且规模不一。须二下亚段三角洲相砂体主要位于西部，以龙门山短轴物源供给为主，砂体厚度表现为西边厚、东边薄，主变程方向介于130°～165°，次变程方向介于40°～75°；须二中亚段砂体发育，T3x26和T3x25砂组仍以北西方向物源供给为主，但主变程方向变介于150°～175°，次变程方向介于60°～85°，主、次变程均较大。另外，T3x24砂组沉积期河道规模最大，整个区域钻井揭示的砂体厚度基本超过60 m，因其北西和北东方向2个物源方向的砂体供给均很充足，暂不设置变差函数参与建模；须二上亚段主要为北东方向的长轴物源供给，东部砂体更发育，西部砂体较中、下亚段明显变少，主变程方向介于40°～65°，次变程方向介于130°～155°，如T3x22砂组的河流源头进一步向东方向改道，呈北东—西南方向展布，因其物源搬运距离更远，变差函数的主变程增大，且砂体演化成为以单一河道沉积为主，次变程减小，主、次变程之比大于须二下亚段砂体（表1）。

表1 新场构造带须二段各砂组砂岩变差函数参数表

平面上各砂组主、次变程均为球状模型，垂向上的变差函数以钻井解释的砂体厚度数据计算获取，仍然使用球状模型。在拟合变差函数时，水平方向和垂直方向的块金效应为0.005。使用的变差函数参数形式为：

式中γ(h)表示变差函数，反映区域变量（模拟的砂岩或泥岩）其空间变异程度随距离的变化特征，无量纲；h表示参与计算的两点间相对距离（滞后距），m；C表示γ(h)在h大于变程的值，反映变量在空间中总变异性的大小，无量纲；a表示变程，反映区域变量在空间上具有相关性的范围，m。

4.3 砂泥岩三维模型

笔者建模过程中，将地下沉积体作为整体考虑，分砂岩和泥岩两种岩相类型。用测井解释砂体数据作为硬数据，优选地震属性作为辅助数据，使用同位协同克里金算法进行序贯指示建模。具体模拟过程为：①将测井解释的岩性数据（硬数据）采用“占优法”按设定的网格进行粗化，将优选的波阻抗地震属性体（辅助数据）归一化后采用平均法按设定网格进行粗化；②对比粗化前后砂泥岩所占的百分比，检验数据粗化结果是否较好保留了原始数据特征；③将第一步模拟网格中没有硬数据的空间网格随机地建立一个路径；④按网格在随机路径中的次序来进行协同克里金计算，搜索网格周围的硬数据与辅助数据，结合变差函数参数，求解克里金方程，得到该网格的计算结果并将其作为计算下一个网格的硬数据，直到整个随机路径全部计算完毕；⑤重复步骤③和步骤④，建立多个模拟实现；⑥对比模拟实现砂岩所占百分比数据，对模拟实现进行筛选，将筛选出来最具有代表性的结果进行均值化处理并归属到砂泥岩的代表数据，得到的模拟结果如图8所示。储层砂岩建模的结果是对取心、测井、地震以及生产数据上表现出来的岩性进行综合表征，定量反映砂泥岩空间分布（图9）。

图9 新场构造带须二段砂岩分布图

5 模型验证与应用效果

在致密砂岩气藏储层建模中，砂泥岩模型是第一级次或最高级次，砂岩中综合粒度、沉积构造、储集物性等方面的差异又可进一步细分出有利岩相和非有利岩相[35]。在可靠的砂岩模型基础上，进一步对不同储层质量的砂体进行更精细模拟，刻画出的优质储层分布才更准确。

利用建立的砂泥岩模型进一步对砂岩进行多级相控，构建出有利岩相的空间分布模型，进而以岩相控制建立储集物性参数模型，实现储层质量及含气性的定量化表征与预测。从建立的储层模型中分别提取T3x22和T3x24砂组的有效储层厚度和平均孔隙度（砂岩孔隙度大于3%为有效储层）以及优质储层厚度和平均孔隙度（砂岩孔隙度大于4%为优质储层），与新钻井X10-2井（井位见图9）实际钻遇的情况进行比对（表2）。模型中X10-2井T3x22砂组的有效储层厚度为32.00 m，平均孔隙度为4.50%，优质储层厚度为20.00 m，平均孔隙度为4.90%，而实际钻井在T3x22砂组揭示的有效储层厚度为39.69 m，平均孔隙度为4.74%，优质储层厚度为35.29 m，平均孔隙度为4.88%。通过与后期新钻井揭示的实际地质数据对比，所建立的地质模型吻合情况较好，验证了该模型具有较高的可靠性，并显示出较好的储层预测性。

表2 新场构造带X10-2井须二段砂泥岩模型与实钻地层参数对比表

由于湖平面的升降变化和龙门山冲断带逆冲构造活动的强烈程度差异，不同时期来自2个物源的河流—三角洲相体系的进积、退积作用各不同，导致须二段不同砂组的砂体分布特征（如砂体分布区域、砂体沉积规模等）也存在差异性。笔者基于砂体预测和源—汇系统分析，建立内涵地质认识的砂体空间展布地质模型。在后续开发部署工作中，可以有效利用砂泥岩模型所反映出的砂体在三维空间的沉积演化特征，在砂岩中进一步刻画优质储层的分布。