河流相儲層復(fù)合砂體構(gòu)型概念體系、表征方法及其在渤海油田開發(fā)中的應(yīng)用探索*

胡光義 范廷恩 梁 旭 宋來明 井涌泉 陳 飛 肖大坤

(1.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室 北京 100028； 2.中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

隨著經(jīng)濟發(fā)展對油氣資源需求的劇增，中國油氣行業(yè)面臨著保障國家能源安全的嚴峻考驗。受平臺壽命限制，海上油田開發(fā)周期一般僅20～30 a，在盡可能短的時間內(nèi)認清地下地質(zhì)情況至關(guān)重要，而構(gòu)型研究則是實現(xiàn)這一目的的有效手段[1-6]。目前露頭[7-8]和陸上密井網(wǎng)油田[1-4]點壩級次的構(gòu)型研究和應(yīng)用問題已解決。海上油田開發(fā)井距大，一般在350 m以上，超出了單個點壩，即河流相單砂體的范圍；借鑒陸上油田“井-震結(jié)合、以井為主”的思路開展精細儲層研究顯然不滿足要求，尋求適合海上油田開發(fā)的構(gòu)型尺度是面臨的熱點和難點[9-11]。與陸上油田相比，海上油田往往能夠采集到更高品質(zhì)的地震資料(主頻范圍約在20～40 Hz，理論可分辨10～20 m的地層)。因此，如何進一步將高品質(zhì)的地震資料應(yīng)用于海上構(gòu)型研究中，尤其是地震資料分辨率之下的沉積單元和沉積界面的穿時性和多解性的研究中，是筆者多年來致力探索的問題。

“十一五”以來，海上油田組織了多個國家重大專項以及總公司科技攻關(guān)項目，開展了大量包括現(xiàn)代沉積、野外露頭等在內(nèi)的基礎(chǔ)研究以及探地雷達、航拍圖像等新技術(shù)的應(yīng)用探索，創(chuàng)新研究思路和方法，首次提出了復(fù)合砂體構(gòu)型概念，形成了與之配套的適用于海上大井距油氣田高效開發(fā)的開發(fā)地質(zhì)研究方法及技術(shù)體系。本文將系統(tǒng)闡述復(fù)合砂體構(gòu)型的概念、類型、級次特征及其在海上油田開發(fā)中的應(yīng)用。

1 復(fù)合砂體構(gòu)型概念體系

1.1 砂體復(fù)合性普遍存在

經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，構(gòu)型研究方法日趨成熟[7-17]，但以往的構(gòu)型解剖基礎(chǔ)多為典型二維剖面，砂體三維空間以及地下展布規(guī)律果真如人們所推測的那樣嗎？已有研究[18-20]通過探槽與露頭測量結(jié)果構(gòu)建了一系列點壩厚度計算公式。對于滿岸寬度在100 m左右(筆者依據(jù)Google Earth及現(xiàn)場多次測量所得均值)的海拉爾河，按點壩厚度與河道寬度關(guān)系[21]推算，單點壩厚度(近似為滿岸深度)應(yīng)該在5 m左右，然而現(xiàn)代海拉爾河沉積考察表明可觀察到的點壩厚度多在1～2 m。針對典型點壩進行的探地雷達信號采集與處理結(jié)果(圖1)表明，解釋所得點壩厚度與之前觀察結(jié)果相似，與據(jù)Leeder公式等計算出的點壩厚度差別較大,原因可能是多期河道切割疊置的點壩復(fù)合體內(nèi)部的泥巖薄夾層壓實損失率遠大于砂巖，從而導(dǎo)致二維露頭剖面上表現(xiàn)出單期點壩的特征。

圖1 現(xiàn)代海拉爾河沉積探地雷達解釋剖面Fig .1 An interpretation section of ground-penetrating radar(GPR)in modern Hailar river

除了沉積末期(例如老年期河流)偶爾可發(fā)育單期相對完整的點壩砂體外，其他條件下單期砂體很難保存。井上見到的所謂單期砂體大多是由于多期砂體間泥巖壓損率較大，導(dǎo)致泥巖變薄而直至影響了電性響應(yīng)特征所致。

1.2 復(fù)合砂體構(gòu)型的概念

結(jié)合現(xiàn)代沉積認識，提出了復(fù)合砂體的概念，即復(fù)合砂體是指某一段地質(zhì)時間內(nèi)由若干具有空間成因聯(lián)系的亞單元組成的砂體組合；復(fù)合砂體具有級次性，每一級次復(fù)合砂體均是由次一級次的砂體及隔夾層共同組合而成。海上油田開發(fā)中的復(fù)合砂體多指厚度不高于地震分辨率、經(jīng)過針對性地震處理可識別的單砂體的復(fù)合體。以曲流河沉積為例，曲流河復(fù)合砂體為與曲流河水動力成因相聯(lián)系的、不同級次單砂體的組合體。低級次復(fù)合砂體由若干高級次復(fù)合砂體或單砂體構(gòu)成，具體包括復(fù)合河道帶、單河道帶以及復(fù)合點壩、點壩等各級次砂體。其中，復(fù)合點壩級砂體由水道在河谷內(nèi)遷移擺動形成一個或多個點壩復(fù)合而成，其內(nèi)部點壩不斷重復(fù)“沉積-遷移侵蝕-沉積”地質(zhì)過程，每一次水道擺動形成一個復(fù)合點壩砂體。與同一條河流相關(guān)的若干復(fù)合點壩砂體構(gòu)成了單河道級砂體；具有相同沉積環(huán)境的若干單河道級砂體構(gòu)成了復(fù)合河道帶級砂體。

復(fù)合砂體構(gòu)型則是單砂體及其組合在空間上的沉積樣式及疊置關(guān)系的總稱，既反映了亞單元內(nèi)部三維地質(zhì)體的特征，也強調(diào)亞單元之間的接觸關(guān)系，使得以相對概念研究某一尺度的地質(zhì)體成為可能。構(gòu)成復(fù)合砂體構(gòu)型的不同級次砂體以及復(fù)合砂體之間的接觸關(guān)系以界面的形式存在，反映了一個地質(zhì)體與另一個地質(zhì)體之間的分隔。

1.3 復(fù)合砂體構(gòu)型級次性特征及樣式

以曲流河復(fù)合砂體構(gòu)型為例，具體闡述其級次性特征、界面類型與特征及樣式。

1.3.1 復(fù)合砂體構(gòu)型級次性特征

通過對復(fù)合砂體的構(gòu)型分析，將其劃分為具有成因聯(lián)系的不同級別沉積單元，明確復(fù)合砂體幾何形態(tài)、疊置關(guān)系等基本特征及對應(yīng)的時間規(guī)模(表1)，其中1～8級界面在井間可以對比，8級以下界面在井間對比困難。各級次砂體嵌套特征明顯，即低級次構(gòu)型由高級次構(gòu)型套合而成，而高級次構(gòu)型組合即構(gòu)成各類低級次構(gòu)型。

表1 曲流河復(fù)合砂體構(gòu)型基本特征及對應(yīng)的時間規(guī)模Table 1 Basic characteristics of meandering river compound sandbody and corresponding time scale

注：①Mitchum,Van Wagoner,1991；②Miall,1996。

1.3.2 復(fù)合砂體構(gòu)型界面類型與特征

曲流河復(fù)合砂體各級次構(gòu)型單元之間由界面所限定，界面可分為復(fù)合河道帶級界面、單河道帶級界面、復(fù)合點壩級界面和單點壩級界面，具體特征如下。

復(fù)合河道帶級界面是指沉積河谷內(nèi)多期單一曲流河道彼此復(fù)合疊置時，各單河道之間形成的影響滲流的復(fù)合砂體構(gòu)型界面(表2)，是低級次界面，包括河道溢岸界面(Ⅰ-CO)、河道廢棄界面(Ⅰ-CA)、河道疊置界面(Ⅰ-CC)等不同類型。河道溢岸界面(Ⅰ-CO)兩側(cè)接觸的沉積單元分別為河道間沉積(決口扇、天然堤等)與河道主體沉積，界面對流體滲流的阻礙是由兩側(cè)沉積儲層的物性差異導(dǎo)致的，因此會造成不同期次的砂體之間連而不通的現(xiàn)象。河道廢棄界面(Ⅰ-CA)兩側(cè)接觸的沉積單元分別為廢棄河道細粒沉積與河道主體沉積，由于廢棄河道沉積物一般泥質(zhì)含量高，滲透性極差，因此，由廢棄河道形成的復(fù)合砂體構(gòu)型界面基本會完全分隔不同期次的單河道砂體。河道疊置界面(Ⅰ-CC)兩側(cè)的沉積單元均為河道主體沉積，部分界面由河道溢岸沉積形成，界面兩側(cè)除局部發(fā)育少量的披覆泥質(zhì)沉積外，基本為“砂砂對接”且物性彼此相近，因此這種界面對流體滲流的阻礙作用不明顯。

表2 曲流河復(fù)合砂體構(gòu)型界面分級

Table 2 Hierarchies of architectural bounding surfaces in meandering river compound sandbody

單河道帶級界面是指歷史活動曲流帶的擺動范圍內(nèi)，單一曲流河道沉積活動時期在河道內(nèi)部形成的復(fù)合點壩體之間的各種影響流體滲流的復(fù)合砂體構(gòu)型界面(表2)，是高于復(fù)合河道帶級次的界面，包括河道廢棄(Ⅱ-CA)、點壩疊置(Ⅱ-PP)等類型。河道廢棄(Ⅱ-CA)是重要的界面類型，與復(fù)合河道級界面中的河道廢棄界面(Ⅰ-CA)沉積成因一致，甚至可能是同一廢棄河道的不同段構(gòu)成的，在單河道邊部的廢棄部分構(gòu)成復(fù)合河道帶級次的界面，在單河道內(nèi)部的廢棄部分構(gòu)成單河道帶級界面，但單河道帶級的廢棄界面由于廢棄河道底部不同點壩砂體的疊置連通而可能無法完全阻擋流體滲流。點壩疊置(Ⅱ-PP)界面兩側(cè)接觸的沉積單元均為點壩復(fù)合形成的砂質(zhì)沉積，界面的局部可能存在披覆泥質(zhì)沉積，但基本為“砂砂對接”且儲層物性相近，因此這種界面對流體滲流阻礙作用不顯著。

復(fù)合點壩級界面是指歷史單一曲流活動河道歷史擺動范圍內(nèi)，點壩復(fù)合體內(nèi)部發(fā)育的復(fù)合砂體構(gòu)型界面，即各單點壩之間的接觸界面(表2)。一般來說，單點壩的結(jié)束均以形成廢棄河道為標志。河道廢棄型界面(Ⅲ-CA)是最重要的復(fù)合點壩級界面，界面規(guī)模一般很小，且兩側(cè)均為點壩砂體，砂體普遍疊置，因此，復(fù)合點壩級的河道廢棄界面一般對流體滲流的阻礙作用也不明顯。

單點壩級界面為單一點壩內(nèi)部發(fā)育的復(fù)合砂體構(gòu)型界面(表2)。作為曲流河活動形成的最小沉積單元，單點壩內(nèi)主要的復(fù)合砂體構(gòu)型界面為側(cè)積層，或側(cè)積泥型(Ⅳ-LL)。側(cè)積層多以細粒沉積為主，滲透性差，能夠?qū)α黧w橫向的滲流產(chǎn)生阻擋。但由于側(cè)積層基本只發(fā)育在點壩的中上部，構(gòu)成點壩的“半連通”結(jié)構(gòu)，在側(cè)積層發(fā)育的部位容易造成流體滲流不暢而形成剩余油富集。

1.3.3 復(fù)合砂體構(gòu)型樣式

砂體的構(gòu)型樣式受控于可容納空間(A)與沉積物供給(S)的變化，A/S決定了可容納空間內(nèi)砂體的保存程度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不同A/S值對砂體的空間結(jié)構(gòu)和配置接觸關(guān)系產(chǎn)生有規(guī)律變化。當A/S值逐漸增大時，砂體構(gòu)型樣式呈現(xiàn)出下切孤立型、堆疊型、側(cè)疊型、孤立型變化的規(guī)律演化特征，且砂體接觸關(guān)系逐漸由加積向孤立式轉(zhuǎn)變(圖2)。

圖2 曲流河復(fù)合砂體構(gòu)型樣式與A/S值的關(guān)系Fig .2 Relationship between architecture pattern of meandering river compound sandbody and A/S changes

砂組/油組界面附近可容納空間較低，河流下切形成侵蝕河谷，河道相對平直，以大規(guī)模沖刷充填為特征；伴隨湖平面的上升，大量沉積物在河谷內(nèi)發(fā)生沉積，其內(nèi)部河道砂體疊置類型主要為切割型、堆疊型，砂體內(nèi)部發(fā)育多種類型的沖刷界面；湖平面逐漸上升達到最高時，河道彎曲度逐漸增大，河道之間彼此孤立，河道間隔(夾)層發(fā)育，河道橫向發(fā)育范圍受早期下切谷的限制，河道砂體接觸關(guān)系由堆疊型逐漸向側(cè)疊型轉(zhuǎn)變；湖平面逐漸開始下降，可容納空間達到最大，受沉積物供應(yīng)不足、河流作用變?nèi)醯挠绊?，河道?cè)向遷移能力減弱，形成的河道規(guī)模小，砂體呈窄小的條帶狀孤立分散于泛濫平原中，以孤立型為主，砂體側(cè)向連通性變差。

依據(jù)砂體的沉積結(jié)構(gòu)、空間形態(tài)和增生樣式，將渤海中南部地區(qū)明化鎮(zhèn)組河流相復(fù)合砂體劃分為堆疊型、側(cè)疊型、孤立型等3種構(gòu)型和堆疊型、緊密接觸側(cè)疊型、疏散接觸側(cè)疊型、離散接觸側(cè)疊型、下切侵蝕河道孤立型、決口扇孤立型、孤立河道等7類樣式[22-24]。需要指出的是，每類構(gòu)型樣式本質(zhì)上均為不同級次砂體 “復(fù)合”的表現(xiàn)形式。以堆疊型為例，該型由多個河道砂體堆疊接觸而成，河道砂體或切割其他河道砂體，或充填河道間負地形，最終表現(xiàn)為若干單河道的復(fù)合體。即使是突變接觸的孤立型構(gòu)型樣式，其仍由若干個點壩復(fù)合體構(gòu)成。因此，復(fù)合河道帶為復(fù)合砂體構(gòu)型的主要研究對象。

2 復(fù)合砂體構(gòu)型表征方法

復(fù)合砂體構(gòu)型由多個亞單元沉積體組成，各亞單元沉積體之間發(fā)育界面。依據(jù)地震構(gòu)型相特征可識別各亞單元疊加方式和形態(tài)以及亞單元內(nèi)部地質(zhì)體特征[2]；依據(jù)地震反射特征，結(jié)合井點資料，逐級解剖復(fù)合砂體構(gòu)型界面。因此，綜合復(fù)合砂體構(gòu)型與界面特征，可實現(xiàn)復(fù)合砂體構(gòu)型的精細表征。

2.1 復(fù)合砂體構(gòu)型表征原則

復(fù)合砂體構(gòu)型表征中強調(diào)地震資料的“軸變定界、樣式定型、井點定面”復(fù)合砂體劃分對比原則，具體表現(xiàn)為：根據(jù)地震響應(yīng)(蠕變、相變、波形拉伸等)特征，判斷砂體內(nèi)部界面發(fā)育與否以及數(shù)量，推斷儲量單元內(nèi)部砂體個數(shù)，即所謂“軸變定界”；結(jié)合構(gòu)型樣式，確定井間砂體垂向及側(cè)向展布特征，即“樣式定型”；依據(jù)井點電性特征，確定砂體空間合理位置，尤其是井點處的界面，即“井點定面”。

2.2 復(fù)合砂體構(gòu)型表征方法

以渤海Q油田明化鎮(zhèn)組下段為例，應(yīng)用“軸變定界、樣式定型、井點定面”原則，對海上油田地層格架建立方法進行探索。

Q油田位于渤海中部海域，是一個在前古近系古潛山背景上發(fā)育起來的被斷層復(fù)雜化的大型低幅度披覆構(gòu)造，南北兩組北東東向基底斷層構(gòu)成了構(gòu)造的南北邊界，并在構(gòu)造主體發(fā)育淺層次級斷層。明化鎮(zhèn)組下段構(gòu)成了該油田的主力含油層段，埋深小于1 500 m，儲層為正韻律和復(fù)合韻律河道沉積砂體。下面以R1單元為例介紹油組及其內(nèi)部復(fù)合砂體構(gòu)型精細解剖方法。

1) 復(fù)合河道帶內(nèi)的單一河道帶劃分。

渤海Q油田R1單元為一套開發(fā)單元，傳統(tǒng)觀點認為該單元為單期河道沉積，砂體遍布工區(qū)，井間連通性非常好,但實際生產(chǎn)中動靜態(tài)矛盾非常突出，注水受效情況復(fù)雜?；趶?fù)合砂體構(gòu)型理論，采用三步法進行河道帶劃分，具體做法為：①通過多屬性融合確定河道的走向以及劃分區(qū)帶(圖3a)；②通過井震剖面確定不同河道的疊置關(guān)系；③通過井點構(gòu)型樣式修正河道劃分結(jié)果。最終將R1單元單河道劃分為3期單河道帶(圖3b)。

2) 單河道帶內(nèi)的復(fù)合點壩劃分。

在單河道展布規(guī)律的約束下，對河道內(nèi)部復(fù)合點壩砂體的構(gòu)成及分布進行了細分。以第2期河道帶(工區(qū)北部河道帶)為例，A7-A5-B3-B4井剖面(圖4)顯示復(fù)合點壩邊界處(A7、B3、B4井疊置區(qū))砂體厚度減小，曲率異常體屬性響應(yīng)明顯，據(jù)此在該期河道內(nèi)可劃分出5個復(fù)合點壩(圖5)。

圖3 渤海Q油田R1單元單一河道帶劃分Fig .3 Identification of single channel belt of Unit R1 in Q oilfield,Bohai sea

圖4 渤海Q油田R1單元單一河道帶內(nèi)復(fù)合點壩剖面特征Fig .4 Profile of compound point-bar of Unit R1 in Q oilfield，Bohai sea

圖5 渤海Q油田R1單元第2期河道帶內(nèi)復(fù)合點壩平面特征Fig .5 Plane characteristics of compound point-bar of R1 in Q oilfield,Bohai sea

以此類推，在第1期河道帶內(nèi)劃分出5個復(fù)合點壩，在第3期河道帶內(nèi)劃分出5個復(fù)合點壩。

3) 復(fù)合點壩內(nèi)的單一點壩劃分。

曲流河河道側(cè)向遷移頻繁，沉積物側(cè)向加積形成點壩砂體，在沉積演化過程中多個點壩的相互作用往往形成復(fù)合點壩。復(fù)合點壩內(nèi)多個單點壩相互疊置，同樣會產(chǎn)生復(fù)合砂體構(gòu)型界面，對應(yīng)也會產(chǎn)生一定的地震響應(yīng)，但限于地震資料品質(zhì)，僅部分點壩疊置區(qū)域，如A19-A23井區(qū)可以識別(圖6、7)。

由此可見，基于復(fù)合砂體構(gòu)型概念，以曲率異常體屬性精細分析為手段，完成了渤海Q油田R1單元砂體構(gòu)型的逐級解剖。

圖6 渤海Q油田R1單元復(fù)合點壩內(nèi)剖面特征Fig .6 Profile of inner compound point-bar of Unit R1 in Q oilfield,Bohai sea

圖7 渤海Q油田R1單元復(fù)合點壩內(nèi)平面特征Fig .7 Plane characteristic of inner compound point-bar of Unit R1 in Q oilfield,Bohai sea

3 在渤海油田開發(fā)中的應(yīng)用探索

渤海Q油田處于開發(fā)中后期，油水關(guān)系極其復(fù)雜，井間儲層展布及預(yù)測、連通性分析對地質(zhì)研究提出了更高要求，因此基于復(fù)合砂體構(gòu)型理論開展了相關(guān)研究工作。

3.1 剩余油富集區(qū)預(yù)測

儲層內(nèi)復(fù)合砂體構(gòu)型疊置區(qū)域?qū)α黧w運移具有明顯的阻隔作用，一般為剩余油富集區(qū)。如圖8所示，R1單元新鉆過路井G2H與G20H井相距160 m，構(gòu)造上相差3 m左右，但含油情況差別很大，G2H井上鉆遇5.1 m強水淹層，G20H井則存在4.4 m的純油層。復(fù)合砂體解剖結(jié)果顯示(圖8)，G2H井位于第1期和第3期單河道疊加的部位。井間對比結(jié)果表明(圖9)，G2H井與B14井位于第3期河道帶上的同一點壩上，砂體連通性強，因此B14井注入水能夠?qū)2H見效從而造成強水淹；G20H井位于河道帶疊加部位的另一側(cè)，由于河道帶疊加形成的復(fù)合砂體構(gòu)型界面的遮擋作用，造成B14井的注入水很難見效，因此在疊置區(qū)域南側(cè)形成了剩余油。隨后鉆遇的過路井驗證了此項認識，G20井南側(cè)250 m范圍內(nèi)的G17H、G18H井先后鉆遇了9.2 m和12.8 m厚的油層。

圖8 渤海Q油田R1單元復(fù)合砂體解剖Fig .8 Anatomy map of Unit R1 in Q oilfield,Bohai sea

圖9 渤海Q油田R1單元復(fù)合砂體連井對比Fig .9 Correlation profile of Unit R1 in Q oilfield,Bohai sea

3.2 注采連通性分析

以A17注采井組為例(圖10、11)，示蹤劑測試顯示注入井與產(chǎn)出井有較好的連通對應(yīng)關(guān)系,其中注入水在西南方向推進速度較其他方向快，最塊達43.8 m/d，東北方向(沿A14、A13、A22)次之，而西北方向A15井和東南方向A21井未見示蹤劑。復(fù)合砂體構(gòu)型解剖結(jié)果表明，A17井鉆遇疊置的兩期點壩，下側(cè)點壩厚度大、物性好、連通性好，故示蹤劑優(yōu)先突破，A16井迅速見效；A17井上部位于點壩邊緣，砂體薄，物性較下部差，連通性稍差，故示蹤劑見劑速度較A16井慢，注水量相對少，A13、A14井受效次之；A21井位于河道帶外側(cè)溢岸沉積，儲層薄、物性差、不連通，A17井注水不受效；A15井與A17井之間發(fā)育廢棄河道，因此A15井未見示蹤劑。

圖10 渤海Q油田R1單元A17井組連通性綜合分析圖Fig .10 A comprehensive analysis of the A17 well group in Unit R1 in Q oilfield,Bohai sea

圖11 渤海Q油田R1單元A17井組連通性綜合分析Fig .11 A comprehensive analysis of the A17 well group in Unit R1 in Q oilfield,Bohai sea

4 結(jié)論

1) 提出了復(fù)合砂體的概念，即復(fù)合砂體是某一段地質(zhì)時間內(nèi)，若干具有空間成因聯(lián)系的亞單元組成的砂體組合。在傳統(tǒng)曲流河點壩、河道之間增加了復(fù)合點壩這一級次，并突出強調(diào)了各級次沉積單元均以復(fù)合為特征的(如復(fù)合點壩、復(fù)合河道帶等)科學(xué)論斷，從而解決了海上油田構(gòu)型研究的有效尺度和精度的理論基礎(chǔ)問題。

2) 形成了“以震為主，井震結(jié)合”的海上油田特色的構(gòu)型研究思路，在渤海Q油田剩余油挖潛和開發(fā)井位部署上進行了初步應(yīng)用探索，其有效性得到了過路井及水平生產(chǎn)井驗證。這表明，在現(xiàn)有資料條件沒有明顯改變情況下，復(fù)合砂體構(gòu)型理論可在一定程度上解決生產(chǎn)中面臨的各種矛盾，從而支撐海上油田的高效開發(fā)需求。

3) 需要指出的是，復(fù)合砂體構(gòu)型概念體系是結(jié)合海上油田開發(fā)實踐提出的，仍需在生產(chǎn)實踐中不斷豐富和完善。

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