致密砂岩气藏开发阶段地层研究尺度

谭学群

(中国石化 石油勘探开发研究院, 北京 102206)

油气田进入开发阶段,建立高分辨率等时地层格架是实现精细油气藏描述的基础和关键[1-2]。地层划分对比技术是开发地质3大支柱技术之一,核心是以尽可能小的地层单元实现井间等时对比[3]。大庆油田开发至今,测井及岩心资料非常丰富(井距100～300 m),地层划分对比精度已到单砂层[4]。然而,不同条件下油气田开发策略不同,采用什么样的研究尺度更合理,是开发地质工作者首先需要回答的问题。本文以鄂尔多斯盆地东胜气田新召东区致密砂岩气藏为例,通过分析地质特征、开采现状和地震条件,提出了在开发阶段确定地层研究尺度需要考虑的因素。

在过去几十年中,中国在致密气勘探开发领域发展迅速,在鄂尔多斯盆地相继发现了多个大型气田[5]。东胜气田新召东区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡西北端与天环向斜结合部,面积为525 km2,主要含气层段是二叠系下石盒子组盒1段和山西组山2段,相当于苏里格气田的盒8段和山1段[6],属于源内致密岩性气藏。在沉积期,地势北高南低、西高东低,物源来自北部的阿拉善—阴山古陆,自下而上表现为海退沉积层序:目的层最下部的山2段1小层(简称山2-1小层)为曲流河沉积[7],砂泥二元结构明显;其上山2段2小层(简称山2-2小层)表现为曲流河向辫状河过渡特征;最上部的盒1段为辫状河沉积,心滩由均匀的中砂岩或粗砂岩组成,物性及含气性好,为有利储层[8]。目的层总厚度约120 m。

新召东区于2019年投入开发,目前处于开发初期阶段。截至2022年6月底,已完钻各类井147口,密井网区平均井距600 m。前期多采用直井或定向井多层合采,但气井产能低,效益差;后期改用水平井开采,开发效果得到明显改善。

现分层方案中小层级别的划分认识比较统一,盒1段划分为4个小层(即盒1-1、盒1-2、盒1-3、盒1-4),山2段划分为两个小层(即山2-1、山2-2),并且均认为盒1段的小层实质上就是单砂体,无须细分。而山2段两个小层如何细分,目前看法不一。

1 研究尺度的合理性

关于地层的研究尺度,有学者认为,地面调查可以进行到足够详细的程度,但在应用测井曲线和少量取心资料进行分析时,必须建立适用于地下对比的界面系列及其划分标准,界面划分过于详细则误差随之增加[9]。所以,在目前主要依靠测井资料的条件下,要掌握好地层研究尺度,研究的最小层级一般是单砂体[10]。

单砂体是由一次沉积事件形成的单一砂体。在河流—三角洲沉积环境下,除了孤立的单砂体,还广泛存在着由若干个单砂体叠置而成的复合砂体。为了识别和充分开采每一个单砂体中的油气,就应该区分出复合砂体中的各个单砂体。但是单砂体的规模一般比较小,只有在油气田开发密井网条件下,采用精细解剖的方法才有可能从复合砂体中识别出单砂体[11]。所以,研究尺度与井网密度有关,与开发阶段有关,随着开发进程和认识的逐步深入,需要对其做出相应的调整和完善。大庆油田之所以在20世纪60年代就实现了单砂体尺度的划分对比,与地质条件和开发阶段分不开,并不是在开发初期就以单砂体为研究单元,而是经历了从油层组、砂层组、小层到单砂体的发展过程[4]。因此,选择研究尺度既要考虑地质条件,也要考虑开发阶段。忽视地质条件和开发阶段,在先期研究基础上简单深化是不合理的,不仅会导致应用效果不佳,还会影响后续研究[12]。确定某一地区、某一阶段地层研究尺度的合理性,需要考查以下几个因素。

1.1 地震资料品质

研究尺度与研究内容、研究目标紧密相关。地层划分对比的目标是研究储层的空间展布,将钻井的垂向高分辨率与地震平面预测优势相结合,才能使研究的精度达到最佳。因此,目标研究尺度的选择要尽量考虑地震条件[13]。

从研究区上古生界三维地震资料品质来看,有效主频为20 Hz左右,频宽5～50 Hz,地震可识别的砂体厚度约为55 m,均大于各小层的平均地层厚度(表1),故识别和预测厚度更薄的单砂体面临挑战。所以,这种低品质的地震资料不支持过细的地层划分方案。

表1 研究区各小层平均厚度统计

1.2 沉积相类型

通过密井网解剖,阐述沉积相类型在确定研究尺度中的作用。图1中红框为东胜气田新召东区密井网区,面积为27.6 km2,平均井距600 m。

红框为密井网区图1 研究区地层对比十字骨架剖面

前已述及,山2-1小层为曲流河沉积。典型情况下,底部是一个连续的正韵律砂体(点坝),向上过渡为泥岩,砂泥厚度相近。上部泥岩中偶有砂体出现,但岩性较细,厚度较薄,物性较差,为非气层,属于漫溢沉积或河道间沉积。图2为新召东密井网区各井点山2-1小层单井伽马曲线,显示仅底部砂体发育,上部砂体不发育。由北向南,底部砂体中的泥岩隔夹层逐渐增多,由一个连续的单砂体演变成2～3个单砂体,之间泥岩较薄,很可能是单一河道砂体内部的点坝侧积体间歇地质界面,泥岩应视为单元内部夹层[14]。所以,针对典型的曲流河沉积地层,没有必要细分。

密井网区位置如图1所示;深度为等比例TVD垂深显示图2 密井网区各井山2-1小层伽马曲线

而山2-2小层属于曲流河向辫状河过渡沉积,砂岩厚度变化大,与古地貌有关。图3为新召东密井网区各井点山2-2小层伽马曲线,表明西南角砂体不发育,属于河道间沉积;其他大部分位置复合砂体发育,厚度较大,平均25 m,是砂体多期叠置的结果,更符合辫状河沉积特征,即砂体厚且平面分布范围广,适合水平井开采。而鄂尔多斯盆地水平井开采的地质条件是:至少具备一套横向稳定发育的厚气层,有效厚度应大于6 m[15],单砂层厚度应大于8 m[16]。这种条件在该地区只有辫状河砂体才能满足。所以,现有水平井开采层位指示了辫状河沉积相类型,隐含了单砂体划分的必要性。为了准确设计水平段轨迹,研究要达到单砂体级别的预测精度(图4),首先地层要划分要至单砂体。

密井网区位置如图1所示;深度为等比例TVD垂深显示图3 密井网区各井山2-2小层伽马曲线

图片来源:中石化华北油气分公司,2021年图4 辫状河砂体叠置样式及水平井井轨迹示意图

从研究区统计结果(表2)来看,水平井最多的层位是盒1-1小层(14口),其次是盒1-2小层(12口),较少的是山2-2小层(5口),山2-1小层、盒1-3小层、盒1-4小层目前无水平井开采。如前所述,盒1段中小层相当于单砂层,因此盒1段地层研究的尺度与开采特征是匹配的。山2-1小层为曲流河沉积,点坝砂体呈鞋带状、串珠状,平面分布不稳定,无水平井开采,故山2-1小层级别的划分方案与地质条件、开采特征亦是匹配的,无须细分。而山2-2小层更类似辫状河沉积,心滩砂体厚度大,平面连续,小层中有5口水平井开采,故应进一步划分至单砂体。需要说明的是,山2-2小层水平井数少于盒1-1、盒1-2,与开发初期阶段不同层系开发总体部署有关。

表2 研究区各小层水平井井数

这不代表井型决定了地层研究尺度,而是水平井开采的地质条件要求有稳定规模砂体,需要更加精细的砂泥岩识别和预测,需要更加精细的地质分层。所以井型只是一种表象、一种佐证,实际上是由沉积相类型这一内在的地质条件决定的。

1.3 砂体可分性

前已介绍,东胜气田新召东区致密砂岩气藏2019年才投入开发,现阶段井网较稀,井距较大,单砂体研究难度较大。在这种情况下,提出了砂体可分性的概念,以解决进入开发阶段更细的研究尺度与井网密度不相适应的矛盾。

砂体可分性是指小层内从测井曲线上可以识别的单砂体个数,单砂体间有明显的泥岩隔层。如果小层内只有一个单砂体或一个连续的复合砂体,砂体可分性为1。砂体可分性具有特殊性和普遍性。所谓特殊性是指不同位置砂体的发育程度不同,单井砂体可分性有所不同;所谓普遍性是指最终确定的某个小层砂体可分性,取决于多数井(>50%)砂体可分性的统计值。

目前测井划分单砂体存在的主要问题是划分过细,过于强调沉积间歇面的作用,没有考虑隔夹层是否稳定发育,没有区分隔夹层是单元间的还是单元内的[14]。如图5中A2井山2-2小层红框所示,如果不考虑隔夹层发育的稳定性,认为发育4个单砂体。经与邻井对比后认为,砂岩中的夹层平面上不连续,因此可归为2个单砂体。图5中A1井～A6井山2-2小层中砂体可分性分别为2、2、1、1、4、4。

井位如图1所示,展示了目的层划分方案(单元顶面)图5 研究区一条连井剖面

将多数井(>50%)小层内砂体的可分性,作为细分方案的重要依据。统计了图1中连井剖面所含的70口标准井,各小层砂体可分性及井数占比见表3。其中山2-2小层74.3%(近3/4)的井砂体可分性为2,小层可细分。山2-1小层中68.5%的井砂体可分性为1,无须细分。盒1段盒1-4小层中85.7%的井无砂体发育,盒1段其他各小层中80%以上的井砂体可分性都为1,验证了盒1段中砂体普遍发育的各小层已划分至单砂体的判断,亦无须细分。

2 细分方案

从上述分析可知:①研究区地震资料品质不支持过细的划分方案;②从沉积相类型来看,山2-1小层属于曲流河砂体,砂泥二元结构明显,没有细分的必要,而山2-2小层属于曲流河向辫状河过渡砂体,砂体整体发育,需要细分;③从砂体可分性来看,盒1段目前的分层方案是合适的(已细分至单砂体),而山2-2小层多数井可进一步划分为两个单砂体。经过综合考虑,最终确定:盒1段的4个小层和山2-1小层保持不变,山2-2小层需要细分为两个单砂体(表4)。简言之,此次研究成果是将山2-2小层又细分为山2-2-1砂体和山2-2-2砂体,分层线如图5中的蓝线所示。目的层由研究前的6个单元变为现在的7个单元(表4)。

表4 研究前后地层划分方案对比及现方案研究尺度

3 讨论

这里讨论的地层单元是指时间单元,不同于流动单元。流动单元是定量研究某一时间单元内岩石物性的差异[17],实质上是以渗流特征为主导的储层非均质单元。流动单元与时间单元虽有一定联系,但严格意义上讲分属两个维度。

实际上,三维地震资料的分辨率在多数情况下很难识别单砂体,但这并不意味着低品质的三维地震资料在单砂体预测中不能发挥作用。考查地震资料品质的目的,更多是了解地震分辨率与多大尺度的地层相匹配,并在这样的尺度下进行约束。在低品质条件下,采用深度域地质统计学反演方法无疑是一种比较现实的选择[18]。该方法从井点出发,井点遵从测井曲线分层方案,井间由地层格架(取决于地震层位解释精度及速度场)及变差函数共同约束。该方法更依赖测井资料[19]。

有人认为,与油藏开发不同,气藏开发仅采用衰竭式,不涉及注水补充能量等问题,对砂体连通性要求不高,因此过细的地层划分对比意义不大。这种观点忽视了目前这类气藏只有水平井开采才有效益的事实,也就忽视了水平井开采的两个重要环节:一是水平井井轨迹设计需要搞清单砂体分布的几何形态和叠置样式[20],以保持钻头在含气砂体内穿行;二是压裂方案设计需要搞清钻遇砂体上下储层质量及其所含流体性质。如果上下砂体中含水饱和度较高,则要控制压裂规模,防止压串;如果上下砂体中含气饱和度较高,则要加大压裂规模,最大限度地提高储量动用程度,使效益最大化。这些都是在细分地层单元的基础上进行的。

4 结论

以鄂尔多斯盆地杭锦旗地区东胜气田新召东区河流相储层为例,讨论了气藏开发中研究尺度问题,得出如下结论:

1)气田进入开发阶段,对目的层进行更精细的划分对比是必要的,尤其是主产层,但前提是合理,要与地质条件、开采特征及资料条件相匹配。

2)地层研究尺度需要考虑工区地震资料品质、沉积相类型和砂体可分性等三方面因素。地震资料品质考查的是地震能够分辨的单砂体厚度,沉积相类型研究的是砂体发育程度及平面连续性,砂体可分性揭示的是测井可识别的单砂体个数。

3)此次研究仅对山2-2小层进行了细分,进一步划分为两个单砂体;对盒1段4个小层(已分至单砂体)及山2-1小层(曲流河沉积)没有细分。目的层划分为7个研究单元,与目前的开发阶段是匹配的。