基于动静态信息融合的辫状河储层构型表征及地质建模技术

2022-02-18马志欣白玉奇李浮萍

天然气工业 2022年1期

马志欣吴正张吉白玉奇李浮萍付斌白慧

1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室 2.中国石油长庆油田公司勘探开发研究院 3.中国石油长庆油田公司

0 引言

合理井网是致密油气资源经济有效开发一项关键指标[1-3]。井网过密，会导致砂体被多口井覆盖，推高开发成本[4]。反之，井网过于稀疏，会造成部分单砂体井网无法控制，降低储量动用程度。苏里格气田主力产层石盒子组8下亚段（以下简称盒8下亚段）储层致密，砂体及有效砂体规模小[5-7]。开发先导试验表明苏里格气田单井产量低，递减快，稳产能力差[8-11]。因此，通过储层构型表征确定不同级别砂体规模，进而论证合理开发井网实现井位优化部署对气田经济有效开发及提高采收率具有十分重要的意义。

前人针对苏里格气田盒8下亚段储层构型开展过大量的研究[12-16]，取得了丰富的研究成果。但研究过程多局限于采用常规的地质解剖方法。而作为一种验证井间砂体连通关系最直接的手段，干扰试井资料应用较少，且仅仅是笼统地利用概率性统计来确定井网密度[1-2]，并未具体分析激动井与观察井之间存在的砂体连通关系，因此表征结果可靠程度有待商榷。笔者在储层构型分析基础上，充分利用干扰试井资料，挖掘有效信息，动静态信息相结合，通过砂体连通性分析，定量论证不同级别砂体规模，并以此指导建立三维地质模型，以期推动基于高精度地质模型的井位优化部署及水平井轨道设计，更好地实现井位动态跟踪和随钻地质导向。

1 研究区概况

苏里格气田位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡北部，上古生界自下而上发育了石炭系本溪组，二叠系太原组、山西组、石盒子组以及石千峰组，地层厚度约700 m。石盒子组自上而下分为盒1—盒8共8个段。盒8段沉积时期，鄂尔多斯盆地表现出内陆盆地特征，构造相对平缓，水体主要分布在盆地南部，盆地北缘阴山古陆构造抬升，分析化验资料表明盒8段储层碎屑组分与北部母岩区具有较高关联性。同时自北向南“不稳定重矿物含量逐渐降低，稳定重矿物含量逐渐升高”的基本特征表明苏里格气田盒8段主要来源于阴山古陆[17-18]。同时盆地东北部保德桥头剖面等野外露头砂岩层理类型及流水波痕所反映出来的古流向指向S—SW，进一步佐证了盆地中部物源主要为北部及东北部的阴山古陆[17-18]。整体上看，古水流方向主要由北东向向南西方向[3,5]。

盒8段进一步划分为盒8上、盒8下两个亚段。盒8下亚段是气田的主力产气层段，厚度60～80 m，为砂质辫状河沉积，岩性以中—细砂岩为主，夹砂质泥岩及粉砂岩[3,5]。由于构造相对平缓，北部物源供给充足，河道频繁摆动，砂体大面积展布[3,5-6,9]，向上河道多期叠置，按照旋回自上而下进一步划分为盒8下1-1、盒 8下1-2、盒 8下1-3、盒 8下2-1、盒 8下2-2、盒8下2-3共 6 个单层[16,19]。

为定量刻画砂体规模，优化井位部署，提高气藏采收率，2012年在苏里格气田中区开辟了SSF密井网试验区。经过2个轮次的加密，2016年试验区基本成型。试验区面积62 km2，完钻井68口，平均井排距350～600 m，是苏里格气田目前井网密度最大的井区。同时，为进一步确定砂体规模及井间砂体连通关系，陆续开展干扰试井试验、投产前地层静压测试（以下简称地层静压）等动态监测工作，积累了丰富的动静态资料。

2 干扰试井资料分析

在开展干扰试井前，共开展了地层静压测试21井次。测试结果表现出2个明显特征：①与原始地层压力（30.6 MPa）相比，加密井地层静压显著降低。21口井地层静压平均为22.6 MPa，16口井小于24 MPa，说明该区储层井间连通性很普遍，加密井均受到相邻早期投产井泄压影响；②各井地层静压下降幅度存在明显差异。SSF-7井地层静压为29.4 MPa，与原始地层压力相比下降幅度仅3.8%。而SSF-17井，降幅达50%。表明井间虽然普遍连通，但连通程度具有较强的不均衡性。其原因在于，辫状河自身沉积机制造成整个盒8下亚段储层砂体规模大、沉积物粒度粗，但受其内部沉积构型特征（如落淤层、滩道相间的沉积格局[14]）以及后期压实作用、成岩作用的影响，储层表现出“普遍连通、局部通而不畅乃至连而不通”的“泛连通体”特征[20-21]。

值得注意的是，因为天然气具有较强的可压缩性，同时，储层致密，压降信号在地下储层中传播速度十分缓慢，压力响应通常需要长时间才可以观察得到。SSF密井网区早期井大部分是2007年投产，至加密井开展投产前地层静压测试之时，这批井已经生产了7～8年时间；且投产前地层静压测试结果反映的是多口邻井采气的综合效应，储层内部压力传播方向无法准确判断。因此，必须要结合沉积地质、射孔情况开展进一步分析。

苏里格气田SSF密井网区干扰试井试验分2个轮次开展：第1轮2013年5—9月，第2轮2017年7月—2018年12月，累计开展井距（指东西向）干扰试验8口井，排距（指南北向）干扰试验13组，共21口井（图1），选择SSF-H井等4口井作为激动井，研究观察井的干扰响应。

图1 SSF密井网区干扰试井图

3 基于动静态信息融合的储层表征

3.1 基本思路及原则

本次研究的基本思路是：首先，利用射孔资料，结合干扰试井响应特征，进行干扰响应信息挖掘；其次，以测井资料为基础，开展储层构型单元识别；最后，在辫状河沉积模式指导下，以干扰响应为约束，对构型单元进行空间组合，定量表征砂体规模。

在分析过程中，充分结合区域地质特征及前人的相关研究成果，遵循以下基本原则：①心滩砂体平面呈纺锤形[3,7-10,22]，长轴方向与河道方向（主要古水流方向）基本一致，近南北向展布。②平面上辫状河“滩道相间、宽滩窄道”的沉积格局[14,16]，辫流水道可以分为3种充填—砂质充填、泥质充填、半砂质充填[23]。砂质充填、半砂质充填可以沟通相邻的两个心滩砂体，泥质充填则起到阻隔作用。③井间不存在干扰响应，若激动井与观察井有同层射孔，则认为在该层位激动井与观察井未钻遇同一单砂体。④井距（指东西向）范围内存在干扰响应，并不一定意味着激动井与观察井钻遇同一心滩砂体，有可能是两井间存在砂质充填辫流水道[23]，造成两井连通。⑤排距（指南北向）范围内存在干扰响应，则激动井与观察井相邻两口井钻遇同一心滩砂体概率较大。

3.2 干扰响应信息挖掘

试验井组中，不论是激动井，还是观察井，普遍存在多层射孔的情况，因此干扰响应是激动井与观测井之间多层系“泛连通”砂体对压力波动信号的综合反映，干扰响应与地层连通不具有明确的对应关系，这给利用干扰响应判断砂体连通情况带来较大的困难。因此，在运用干扰试井资料前，应结合地层划分、古流向、射孔，对干扰响应进行逐一分析，挖掘有效信息，将干扰响应信号落实到具体的层位上，为砂体连通性判断奠定基础。

苏里格气田气井多数存在有效砂体多层发育的情况，因此多层射孔及合采是非常普遍的。当相邻的两口井存在多层射孔的情况下，应当综合井距、隔夹层分布、射孔层位距离等因素综合进行考虑，一般存在以下情况：①激动井与观察井仅存在同层射孔情况的，若见干扰响应，优先判断存在同层连通；若未见干扰响应，则认为激动井与观察井钻遇不同的心滩砂体，且心滩之间存在泥质充填的辫流水道，同层不连通。②激动井与观察井仅存在邻层射孔（是指两口井的射孔层位是相邻层位）情况的，若存在干扰响应，优先判断存在邻层连通。若未见干扰响应，同时河道下切明显、砂体叠置程度高的，则认为较低层位与干扰井组中的另一口同一层位之间存在泥质辫流水道，阻碍了砂体连通。③激动井与观察井同时存在同层射孔及邻层射孔情况的，优先考虑同层连通性。④激动井与观察井存在多个同层射孔的，首先根据压降传播速率的大小判断是单一层连通，还是多层连通；其次，结合沉积模式，判断射孔层位是否属于同一个单砂体，若属于同一个单砂体则认为该层连通。

定义压降传播速率如下：

式中p1表示激动井开井时观察井井底压力，MPa；p2表示试验结束开井时观察井井底压力，MPa；L表示激动井与观察井之间的距离，m；t表示试验的时间，d。

按照上述标准，对4个干扰井组进行了分析判断（表1）。根据干扰响应信号的不同以及井组间射孔层位，可以将井间连通关系分为以下几种类型：①同层连通型；②同层不连通型；③邻层连通型；④邻层不连通型；⑤多层连通型。

表1 基于干扰试井储层连通综合分类表

3.3 基于干扰试井的储层构型表征及砂体规模分析

3.3.1 构型单元及测井识别

储层构型指不同级次储层构成单元的形态、规模、方向及其叠置关系[12,14]。复合砂体级次构型（6级构型）解剖相当于常规的小层沉积相研究，属于沉积相复合体，其成因是由于异旋回控制，垂向上具有多个旋回或者期次[24]，其边界是多个沉积相的包络线，不具有物理界面；而更加精细的单一河道构型（5级构型）、单砂体构型（4级构型）则是更为精细的沉积相研究，其成因是由于自旋回控制，垂向上只有1个旋回或者1个期次，各个沉积相具有明确的物理界面，研究的方法和目标更注重定量化分析[24]（图2）。

图2 储层构型单元测井特征图

储层参照马志欣等[14,24-26]的构型分级方案，并结合苏里格气田地质特征及生产需求，将辫状河分为辫状河道、河道间2种构型单元，辫状河道亚相分为心滩、辫流水道2种构型单元（4级构型单元）。

3.3.1.1 心滩

心滩是辫状河沉积的主要单元[14,16]，是多次洪水事件中砂体垂向叠加形成的。岩性以粗—中砂岩为主。平面呈纺锤状，剖面呈底平顶凸状。层理以槽状交错层理、板状交错层理为主。GR测井曲线呈高幅度箱形、齿化箱形、漏斗形等特征。

3.3.1.2 辫流水道

辫流水道是辫状河中常年流水的通道，岩性以细—粉砂、泥岩为主，小型槽状交错层理、平行层理发育。平面形态呈交织窄条带状，环绕在心滩周围，横剖面呈底凸顶平状。GR曲线呈中高幅度指形、钟形、齿化钟形，正韵律特征明显。辫流水道充填通常分为2类：砂质充填、泥质充填[27]。

3.3.2 构型单元空间组合模式及判识方法

模式拟合是储层构型表征中重要的方法论，构型单元的空间组合模式直接影响了储层构型表征结果。因此构建与研究区沉积特征类似的沉积模式是储层构型表征的首要任务。基于苏里格盒8段沉积特征，结合沉积露头、现代沉积、岩心及前人的相关研究成果等资料，建立了相应的构型模式（图3），作为构型表征的理论指导模式。

图3-a为5级构型单元空间组合模式，分为4种类型，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为河道—河道模式，Ⅳ为河道—河道间—河道模式[28]。图3-b为5级构型单元空间组合模式，其主要特征为心滩分布在河道内部，心滩与心滩之间被水道所分割，呈现“滩道相间、宽滩窄道”的基本特征[29]。

图3 不同级次构型单元空间组合模式图

马志欣等[14,16]提出了一套以“测井响应特征、落淤层发育位置以及垂向微相叠置模式”为标志的心滩砂体空间定位方法，能够有效提高辫状河储层构型表征精度，其主要原理如下：①测井响应特征法：心滩砂体的形成受垂向加积、顺流前积共同作用，故心滩迎水面与背水面沉积物粒度具有明显差异。迎水面粒度较粗，垂向变化小，自然伽马曲线（以下简称GR曲线）以箱型为主，而背水面则较细且有向上变粗的趋势，曲线形态以漏斗形为主（图4）。②落淤层发育位置法：受水动力条件影响，落淤层常常发育在心滩尾部。因此落淤层可以作为一种直接证据，确定心滩空间位置（图4）。③微相叠置特征法：心滩不同部位具有不同的微相叠置特征。心滩主体部位泛滥平原叠置在心滩上部，心滩边部辫流水道叠置在心滩上部。

图4 测井解释及落淤层判断砂体空间位置原理图

本次研究利用上述方法，结合干扰响应特征，进行储层构型表征及砂体规模分析。

3.3.3 储层构型表征及砂体规模分析

3.3.3.1 心滩构型及规模分析

如图5-a所示，在盒8下2-2单层，SSF-17井GR曲线呈箱型，单层内仅可见心滩微相，落淤层不发育，表明该井位于心滩迎水面部位。而SSF-P井发育2个落淤层，垂向上辫流水道叠置在心滩上，表明该井位于心滩背水面。同时以SSF-P为激动井、以SSF-17为观察井的干扰井组中，SSF-17井底压力由15.24 MPa 降至 14.52 MPa，表明两井连通。

综合分析认为SSF-P、SSF-17井钻遇同一个心滩，心滩长度大于543 m。

SSF-5井GR曲线呈箱型，说明钻遇心滩砂体迎水面。以SSF-P为激动井、以SSF-5井为观察井的干扰井组中，SSF-5井井底压力呈上升趋势，表明SSF-P、SSF-5两井不连通，故此推断两井中间存在泥质充填的辫流水道，阻断了两井连通。

SSF-H井GR曲线呈箱型，发育2个落淤层，亦可判断该井钻遇心滩砂体背流面部位，由此推断SSF-H、SSF-17井钻遇心滩不属于同一个心滩，两井中间存在辫流水道；以SSF-H井为激动井、以SSF-17井为观察井的干扰井组中，SSF-17井底压力上升，意味着在盒8下2-2单层，两井不连通，故推断两井中间的辫流水道为泥质充填，阻断了两井连通。

综上所述，SSF-P、SSF-17井钻遇同一个心滩，心滩长度大于543 m，该心滩平均厚度5.1 m，则长厚比大于106∶1。

3.3.3.2 河道构型及规模分析

如图5-b所示，在盒8下2-1单层，SSF-12与SSF-13井GR曲线均为箱型曲线，SSF-H井中部发育明显的落淤层，GR曲线回返明显，故判断SSF-12与SSF-13井均钻遇心滩砂体前部（迎流面），SSF-H井钻遇心滩尾部（背流面）。因古水流方向为近南北向，与3口井剖面近乎垂直，所以3口井钻遇心滩应分属于3个不同的心滩砂体。同时观察井SSF-12、SSF-13井井底压力出现明显的下降，说明三者在盒8下

图5 基于干扰响应的构型单元空间组合图

2-1单层互相连通。因此可以推测SSF-12井与SSF-H井、SSF-13井与SSF-H井之间分别存在一个砂质充填的辫流水道，沟通了3个心滩砂体。自西向东呈现出了：心滩（SSF-12）—砂质水道—心滩（SSF-H）—砂质水道—心滩（SSF-13）这种“滩道相间”沉积格局，且这3口井砂体厚度及砂体顶部高程没有明显差异，由此可以推断出，SSF-12、SSF-H、SSF-13井属于同一条辫状河河道。故河道宽度大于SSF-12、SSF-13井之间的距离，即河道宽度大于943 m。SSF-12、SSF-H、SSF-13井平均砂体厚度为6.5 m，则河道宽厚比大于145∶1。

利用上述方法对4个井组逐一进行分析，识别出4个心滩砂体（井组号：1、6、10、17）（表2），由于这4个井组与古水流方向近平行，故每个井组间的激动井与观察井之间的井距可以视为心滩长度，平均视心滩长度650.3 m。由于心滩砂体不可能在井外马上尖灭，故该值可作为心滩砂体长度的下限值。识别出3个河道（井组号：2～3、8～9、11～12），这3个井组与古水流方向近垂直，故每个井组间的激动井与观察井之间的井距可以视为河道宽度，平均视河道宽度1 010.0 m，该值可以作为河道宽度的下限值。

3.4 砂体连通模式

结合构型分析结果与干扰试井定量分析结果，建立了4种不同砂体的连通模式：a.单砂体内部连通；b.井间砂质辫流水道连通；c.河道下切连通；d.不同层河道下切+砂质水道造成连通。

3.4.1 单砂体内部连通

这种连通方式是表现为两口井钻遇同一个心滩砂体（图6-a），干扰压降信号在井间速率最快，这种连通模式多出现在近平行古水流方向（表2）。如在以SSF-H为激动井的5口干扰井中（1～5号），1号为近平行古水流方向的单砂体内部连通模式，干扰压降信号自激动井SSF-H向观察井SSF-16的传递速率最快，为0.003 6 MPa/(km·d)，而其他类型的连通模式（2～5号）传递速率则相对较低。以同一口井为激动井的干扰井组中普遍存在类似现象。

表2 干扰试井响应定量分析及砂体规模表

3.4.2 井间砂质辫流水道连通

这种连通方式表现为两口井钻遇两个心滩砂体（图6-c），但由于心滩砂体之间存在砂质充填的辫流水道，导致两个砂体存在一定程度的连通性，这种连通模式多出现在近垂直古水流方向（表2）。如在以SSF-P为激动井的7口干扰井中（10～16号），SSF-2、SSF-6井（11、12号）为井间砂质辫流水道连通模式，在SSF-2、SSF-6井可以观测到来自激动井SSF-P井的干扰压降信号，但传播速率相对单砂体内部连通模式较低。井间砂质辫流水道连通模式下干扰压降传递速率反映了井间砂质充填的程度，SSF-2井传播速率比SSF-6井要高，故推断SSF-P与SSF-6井间的辫流水道砂质含量要高于SSF-P与SSF-2井间的砂质含量。

图6 砂体连通模式图

3.4.3 河道下切连通

这种连通方式表现为后一期沉积河道对前一期河道形成下切，造成垂向上两个相邻的层相互连通。河道下切连通又分两种情况：一种是两口井分别在两期河道钻遇两个心滩，两个心滩直接下切连通（图6-b）；另一种是，在同1口井两期河道钻遇两个心滩，前一期河道的心滩与另外1口井之间通过井间砂质辫流水道连通（图6-d）。这类连通模式的压降传递速率比前两种相对要小（表2）。

从表2可以看出，在干扰的井组中，砂体连通以单砂体内部连通、井间砂质辫流水道连通两种模式为主，约占总数的83.3%，河道下切连通模式所占比例很小。

3.5 水平井实例验证

2015年在SSF密井网区北部顺古流向方向部署2口水平井，目的层均为盒8下2-1单层。综合测井、录井等资料，在SSF-B-H1水平段识别出2个心滩（图7），岩性以灰白色中—粗砂岩为主，GR值介于25～60 API，全烃平均值9.2%。心滩1号长度约870 m，心滩2号长度约176 m。两个心滩中间存在1个长度约63 m的辫流水道，岩性以砂质泥岩为主，GR值介于60～150 API，全烃平均值0.4%。在SSF-C-H1水平段识别出1个心滩，心滩长度约787 m，其岩性、GR值、全烃值与SSF-B-H1钻遇心滩相近。心滩之后存在1个砂质辫流水道，岩性以细砂岩—砂质泥岩为主，GR值介于50～130 API，全烃平均值3.3%。利用水平井解剖所得到的心滩规模以及心滩与辫流水道分布特征与构型表征结果具有较好的一致性。

图7 水平井构型单元规模图

4 三维地质建模应用

4.1 建模方法及流程

河流沉积背景下的致密砂岩储层非均质性极强，不仅体现在岩相的变化上，而且在沉积相序关系及微幅构造方面都比较突出，大大增加了三维地质建模的难度。经过多种建模方法的对比，前人探索形成了“确定+随机”的分级建模思路，并在此指导下，利用储层构型表征成果，采用“基于目标+多点地质统计学”的方法建立了储层构型模型，为四级构型单元定量表征提供了便捷实现的途径。但实际应用过程中，受直定向井资料局限以及基于目标方法中要素分布按比例嵌套的随机性影响，构造和构型模型的精度无法满足井位优化部署的需求。因此重新梳理了建模思路和方法，对影响模型精度的因素和过程进行精简优化，沿用前人的研究思路，仍采用“确定+随机”的分级建模思路（图8）：首先利用储层构型表征成果，确定性对五级构型单元进行刻画。在河道相模型约束下，利用直井、水平井资料，辅以4级构型单元表征规模参数（表3）为依据调整变差函数，采用序贯指示模拟的随机方法建立岩相模型。需要指出的是，为消除水平井资料统计时砂岩概率偏高的误区，变差函数调试过程中，砂岩概率与垂向变程通过直井资料获取，主次方向变程通过直井与水平井资料共同获取，最终建立的岩相模型精度得到明显提高，对以水平井规模开发为主且井网复杂的工区建模具有重要意义。

图8 基于构型表征结果的三维地质建模流程图

表3 基于构型表征的砂体规模参数表

4.2 模型验证

利用工区新完钻的3口直定向井对模型精度验证分析。将新井置于模型，实钻厚度与预测厚度基本吻合，主要误差体现在小层构造面的整体抬升或下降，层面误差范围0～4 m，平均误差1.8 m。为消除构造因素对储层预测的影响，利用3口新井分层数据对模型更新，然后采用单元网格匹配的方法（n=397）将测井解释与岩相模型预测的砂体进行对比。3口井符合率分别为达91.3%、76.8%、78.6%，平均符合率82.3%，表明该模型精度较高。

4.3 井位部署与水平井设计

利用三维地质模型对储层及各属性参数的开展空间预测，优化井位部署。首先利用建立的NTG（有效厚度）模型，分单层输出厚度平面图，然后将单层叠加求和，形成主力层位的有效厚度平面图。基于有效厚度平面分布及井网控制程度优选甜点区进行井位部署，同时考虑纵向厚度，优化井型。如图9所示，在盒8下有效厚度平面分布图中，所在区域叠加厚度约15 m，在现有井网条件下，南侧具有部署直定向井和水平井的空间，随后将模型过井切片，厚度较为集中，适合水平井开发，优化部署2口水平井；同时利用模型，对水平井轨道进行设计优化[30]。沿水平段方向进行切片，同时参考多个属性剖面，在砂岩概率剖面上沿高概率（大于70%）、在含气饱和度剖面上沿高值（大于60%）进行靶点设计优化，充分考虑储层的空间叠置关系，确保实钻效果。

图9 甜点区水平井部署图

4.4 井位动态跟踪与随钻地质导向

在模型中，将部署直井完钻剖面与模型预测结果进行对比，若预测精度较高，可直接利用模型进行随钻指导，降低井位实施风险；在水平井随钻地质导向过程中，实时更新数据，依据邻井及局部岩性变化标志，预测目的层位置，指导精准入靶。入靶后对构造模型进行修正，根据模型预判实钻过程中储层变化、泥岩夹层、含气饱和度低值区等情况，及时调整轨迹，有效保障水平井实施效果[31-32]。同时通过模型预测的水平段穿越有效厚度位置，为优化射孔提供地质依据。