辮狀河砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)解剖方法及其應(yīng)用
——以鄂爾多斯盆地蘇里格氣田為例

李柱正 李開(kāi)建 李 波 王家輝 鐘金銀 王海峰 姚武君

中國(guó)石油川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開(kāi)發(fā)研究院

0 引言

關(guān)于辮狀河沉積及辮狀河儲(chǔ)層構(gòu)型，前人已經(jīng)做了大量的研究工作[1-9]。Bridge等[1-2]基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立了單一辮流帶最小寬度和最大寬度與平均單河道滿岸深度的關(guān)系式；金振奎等[3]利用阜康、柳林和延安地區(qū)辮狀河露頭建立了山西柳林地區(qū)二疊系辮狀河單河道砂體厚度與寬度關(guān)系；季春輝等[4]利用千家店盆地硅化木公園露頭建立了小型斷陷盆地辮狀河河道砂體寬深比關(guān)系；Kelly[5]利用22個(gè)現(xiàn)代辮狀河（或水槽實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）和34個(gè)古代辮狀河露頭數(shù)據(jù)建立了砂質(zhì)辮狀河道單一心灘寬度和單河道滿岸深度、單一心灘長(zhǎng)度與其寬度之間的關(guān)系式；孫天建等[6-7]應(yīng)用Google Earth軟件測(cè)量了Jamuna River、Prudhoe River、雅魯藏布江等15個(gè)常年流水較深的現(xiàn)代砂質(zhì)辮狀河道的單一心灘寬度及其長(zhǎng)度、單河道寬度、單一溝道寬度及其長(zhǎng)度，建立了辮狀水道寬度與心灘寬度、心灘長(zhǎng)度與心灘寬度的關(guān)系式；何宇航等[8]、何維領(lǐng)等[9]利用辮狀河砂體物理模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了辮狀河心灘砂體長(zhǎng)度與寬度、寬度與厚度的關(guān)系式。目前，辮狀河儲(chǔ)層構(gòu)型研究主要以露頭和現(xiàn)代沉積為主，對(duì)地下辮狀河儲(chǔ)層構(gòu)型研究尚處于探索階段，尚未形成統(tǒng)一的研究思路和方法。因此，筆者以鄂爾多斯盆地蘇里格氣田北部加密區(qū)中二疊統(tǒng)石盒子組8段下亞段（以下簡(jiǎn)稱盒8下亞段）為例，開(kāi)展了砂礫質(zhì)辮狀河儲(chǔ)層構(gòu)型定量參數(shù)預(yù)測(cè)和儲(chǔ)層構(gòu)型表征方法的研究，定量確定辮狀河水道、心灘的規(guī)模、分布規(guī)律和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，研究了有效砂體分布規(guī)律，建立了有效砂體富集模式，形成了分層次定量識(shí)別和內(nèi)部結(jié)構(gòu)解剖的砂礫質(zhì)辮狀河儲(chǔ)層構(gòu)型研究方法，以期為該氣田水平井的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供地質(zhì)依據(jù)、為水平井的高效開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 氣藏地質(zhì)概況

蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地靖邊氣田西北側(cè)的蘇里格廟地區(qū)，橫跨陜北斜坡、伊盟隆起及天環(huán)坳陷3個(gè)構(gòu)造單元，勘探面積約36 000 km2，天然氣地質(zhì)資源量為3.8h1012m3，已累計(jì)探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量約6 000h108m3。該氣田北部盒8下亞段屬于辮狀河三角洲平原亞相辮狀河沉積[10]，儲(chǔ)層巖性以中—粗粒巖屑石英砂巖和細(xì)—中粒巖屑砂巖為主，孔隙類型以巖屑溶孔、晶間孔等次生孔隙為主，平均孔隙度為9.6%，平均滲透率為0.71 mD，屬于罕見(jiàn)的低滲、低壓、低豐度“三低”致密砂巖氣田。多期次辮狀河河道砂巖疊置，大面積連片分布[11-13]，但儲(chǔ)層物性差，以非有效砂體為主，有效砂巖薄而分散，多呈窄條帶狀、孤立狀局限分布[14-16]，連續(xù)性和連通性差，非均質(zhì)性強(qiáng)，很難識(shí)別，水平井有效砂體鉆遇低，開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)大。

2 辮狀河構(gòu)型要素

辮狀河形成于地形坡度較大、水流較急的地區(qū)，發(fā)育河道、溢岸、泛濫平原等亞相。河道是辮狀河體系中砂、礫巖沉積的主要相帶，其內(nèi)發(fā)育心灘以及心灘之間的辮狀水道兩種主要的構(gòu)型要素。

現(xiàn)代沉積表明，坡降不同，辮狀河內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異較大。其中高坡降、窄的辮狀河易形成辮狀水道和單一心灘的簡(jiǎn)單組合（圖1-a），易識(shí)別；低坡降、寬的辮狀河易形成辮狀水道和心灘的復(fù)雜組合（圖1-b），較難識(shí)別。為了便于研究，根據(jù)辮狀河內(nèi)辮狀水道和心灘規(guī)模，又將辮狀水道分為主水道、輔助水道和水溝（或水槽）3種類型，心灘分為復(fù)合心灘、單個(gè)心灘2種類型（圖1-b）。

圖1 辮狀河構(gòu)型要素照片

3 儲(chǔ)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)

研究區(qū)盒8下亞段發(fā)育辮狀河三角洲平原亞相，以低坡降、寬的辮狀河段沉積為主，辮狀河內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，辮狀水道有主水道、輔助水道和水溝（或水槽），心灘有復(fù)合心灘和單個(gè)心灘。該區(qū)辮狀河厚層砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，筆者分層次、由大到小逐一解剖[17-18]，精細(xì)刻畫(huà)出砂體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3.1 單一辮狀河道

單一辮狀河道規(guī)模識(shí)別主要采用的方法有現(xiàn)代沉積、野外露頭、三維地震解釋，三維地震相解釋、經(jīng)驗(yàn)公式、井間對(duì)比等方法。Bridge等[1-2]基于大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立了單一辮狀河道砂體寬度與平均滿岸深度關(guān)系：

式中WCbmin表示單一辮狀河道最小寬度，m；WCbmax表示單一辮狀河道最大寬度，m；h表示平均單水道滿岸深度，m。

由于辮狀河道寬度受多因素影響，應(yīng)用公式（1）和（2）計(jì)算僅能確定單一辮狀河道寬度控制范圍，不能精確定辮狀河道規(guī)模。因此，筆者在單一辮狀河道組合模式（表1、圖2-a）基礎(chǔ)上，建立了4種單一辮狀河道識(shí)別模式：河道頂部高程差異模式、河道砂體規(guī)模差異模式、測(cè)井曲線差異模式和不連續(xù)相變模式（表1、圖2-b）。

在垂直辮狀河道水流方向上，建立多條連井剖面。以估算的單一辮狀河道寬度為參考，以4種單一辮狀河道識(shí)別模式為指導(dǎo)，在每一條多井對(duì)比剖面上確定單一辮狀河道位置，再根據(jù)辮狀河沉積模式，進(jìn)行單一辮狀河道界面組合，確定單層內(nèi)單一辮狀河道分布。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，研究區(qū)單一辮狀河道寬度介于600～3 500 m，平均寬度為2 500 m。

3.2 復(fù)合心灘

3.2.1 公式法估算主河道和復(fù)合心灘

筆者應(yīng)用Google Earth軟件對(duì)我國(guó)西藏拉薩河、新疆開(kāi)都河、東北松花江、西南金沙江和甘肅涇水以及非洲、俄羅斯、阿根廷等常年流水的現(xiàn)代砂質(zhì)辮狀河道段的單一辮狀河道、復(fù)合心灘的寬度與長(zhǎng)度、主水道寬度進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)塔里木盆地庫(kù)車(chē)坳陷、新疆阜康天山北麓的三疊系和侏羅系、山西柳林地區(qū)的二疊系、陜西延安地區(qū)的三疊系和侏羅系等辮狀河沉積露頭進(jìn)行了測(cè)量。根據(jù)65個(gè)樣品點(diǎn)，建立了單一辮狀河道寬度與主水道寬度、復(fù)合心灘長(zhǎng)度和寬度之間關(guān)系式，其相關(guān)系數(shù)均超過(guò)95%。

式中W表示主水道寬度，m；WC表示單一辮狀河道寬度，m；LX表示復(fù)合心灘長(zhǎng)度，m；WX表示復(fù)合心灘寬度，m。

利用式（3）～（6）計(jì)算研究區(qū)盒8下亞段單一辮狀河道寬度介于600～4 000 m，主水道寬度介于130～950 m，復(fù)合心灘長(zhǎng)度介于1 200～7 500 m，寬度介于450～2 500 m，長(zhǎng)寬比介于2.70～2.98。

3.2.2 水平井判別復(fù)合心灘

表1 單一辮狀河道組合模式及模式識(shí)別特征表

研究區(qū)辮狀河落淤層垂厚介于0.2～0.6 m[11-13]，水平井軌跡與地層傾角約3°～5°，水平段鉆遇落淤層厚度介于7～35 m。通過(guò)水平井砂體內(nèi)部解剖（圖3），結(jié)果表明：研究區(qū)在鉆水平段長(zhǎng)為150～280 m時(shí)，將鉆遇10～20 m長(zhǎng)的高伽馬泥巖段，該高伽馬泥巖段是水平井鉆遇辮狀河砂體內(nèi)部泥巖夾層（主要為心灘內(nèi)落淤層），而不是廢棄辮狀水道（辮狀水道規(guī)模更大）。該區(qū)水平井水平段長(zhǎng)度一般介于1 000～1 200 m，水平井剖面解析結(jié)果表明，研究區(qū)盒8下亞段辮狀河發(fā)育區(qū)復(fù)合心灘規(guī)模大于1 000 m。

圖2 單一辮狀河道模式圖

圖3 研究區(qū)水平井剖面圖

3.2.3 相對(duì)深度法判別復(fù)合心灘

心灘位置常用測(cè)井相解釋成果和砂體等厚圖分布特征來(lái)確定，但識(shí)別精度低，誤差大。由于心灘底平頂凸，砂體厚度一般比水道厚度大，頂面相對(duì)深度比水道砂體淺（圖4-a）。因此，筆者建立了砂體頂面相對(duì)深度識(shí)別心灘位置的方法。利用單層頂構(gòu)造與砂體頂面構(gòu)造的深度差計(jì)算砂體頂面相對(duì)深度（圖4-b）。

綜合單井構(gòu)型要素解釋結(jié)果、砂體頂面相對(duì)深度和砂體厚度，以辮狀水道與復(fù)合心灘定量估算結(jié)果為約束，并結(jié)合辮狀河水動(dòng)力規(guī)律，確定復(fù)合心灘和辮狀水道的幾何形態(tài)，繪制復(fù)合心灘和主水道平面分布圖（圖4-c）。結(jié)果表明，研究區(qū)復(fù)合心灘長(zhǎng)度介于1 500～2 500 m，平均長(zhǎng)度為2 250 m，寬度介于800～1 400 m，平均寬度為1 140 m。

3.3 單個(gè)心灘

由于低坡降辮狀河內(nèi)水體能量比高坡降辮狀河的水體能量弱，且輔助水道的水體能量比主水道弱，所以整體上輔助水道的水體能量一般較弱，輔助水道對(duì)單個(gè)心灘形態(tài)、大小控制作用較弱，單個(gè)心灘的大小和形態(tài)差異較大，其規(guī)模很難定量估算。因此單個(gè)心灘的識(shí)別主要利用井資料豐富的小井距的加密區(qū)進(jìn)行研究。通過(guò)加密區(qū)實(shí)鉆井建立多條多井剖面解剖復(fù)合心灘，確定輔助水道、單個(gè)心灘的位置和幾何形態(tài)（圖5）。結(jié)果表明，研究區(qū)單個(gè)心灘長(zhǎng)度介于1 000～1 750 m，平均長(zhǎng)度為1 320 m，寬度介于300～1 050 m，平均寬度為680 m。

圖4 復(fù)合心灘解釋原理與實(shí)例圖

3.4 心灘內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5 加密區(qū)辮狀河精細(xì)解剖圖

心灘是多期洪泛時(shí)期多次垂向加積形成的，而兩期洪泛沉積間的枯水期細(xì)粒沉積，順層發(fā)育落淤層[19-21]。心灘內(nèi)部解剖重點(diǎn)識(shí)別心灘內(nèi)部落淤層的分布以及落淤層和增生體間的組合關(guān)系。由于落淤層是枯水期的細(xì)粒沉積，以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，電測(cè)曲線表現(xiàn)為高伽馬、高尖峰狀微電極等特征，易于識(shí)別，所以首先利用單井電測(cè)曲線對(duì)加密區(qū)內(nèi)單井的落淤層進(jìn)行解釋，再建立多井連井剖面對(duì)心灘內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行解剖。研究區(qū)心灘內(nèi)部解剖結(jié)果（圖6）表明：該區(qū)心灘內(nèi)一般發(fā)育3～4個(gè)增生體，落淤層在心灘內(nèi)順層發(fā)育，但在長(zhǎng)軸方向（順?biāo)鞣较颍┥希媛溆賹由远?，背水面較平緩（圖6-a），在短軸方向（垂向水流方向）上兩翼端傾斜（圖6-b）。在受辮狀水道改道或水槽（水溝）破壞后，落淤層被破壞，連續(xù)性變差。

圖6 研究區(qū)心灘內(nèi)部結(jié)構(gòu)解剖多井剖面圖

4 有效砂體分布規(guī)律

4.1 有效砂體規(guī)模

研究區(qū)盒8下亞段某層為厚層砂巖，根據(jù)沉積旋回和巖性組合，細(xì)分為3個(gè)單層。各單層內(nèi)單砂體以成片分布為主，局部呈條帶狀分布。單井鉆遇單砂體厚度一般介于2.0～12.5 m，平均值介于3.4～5.1 m，單砂體鉆遇率介于61.3%～91.9%；有效單砂體厚度一般介于2.0～8.1 m，平均值介于2.2～4.3 m，有效砂體鉆遇率介于11.3%～62.9%，有效砂體鉆遇率較低（表2）。

對(duì)研究區(qū)盒8下亞段各單層內(nèi)有效砂體厚度、長(zhǎng)度和寬度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各層有效砂體長(zhǎng)度主要介于700～1 500 m，平均值為1 050 m，寬度主要介于500～900 m，平均值為570 m。

4.2 有效砂體平面分布規(guī)律

表2 研究區(qū)各層單砂體及有效砂體統(tǒng)計(jì)表

在辮狀河儲(chǔ)層構(gòu)型研究基礎(chǔ)上，對(duì)各單層的單一辮狀河道內(nèi)心灘和辮狀水道有效砂體鉆遇率（表3）分析結(jié)果表明：研究區(qū)H8x1-1層西部辮狀河道內(nèi)心灘含氣性較好，未鉆井的心灘也有較好含氣性；H8x1-2層多條辮狀河道內(nèi)的心灘含氣性均較好，未鉆井的心灘也有較好的含氣性；H8x1-3層的辮狀河道由3條單一辮狀河道復(fù)合而成，辮狀水道和心灘的含氣性均較好，該單層整體含氣，僅局部為非有效砂體。根據(jù)郭智等[14]、 費(fèi)世祥等[15]、 衡勇[16]及筆者研究成果，蘇里格氣田北部盒8下亞段有效砂體較分散，主要分布在心灘內(nèi)，平面上以“孤島狀”分布為主。

4.3 有效砂體剖面分布規(guī)律

研究區(qū)內(nèi)有效砂體多呈小薄層分散分布，縱向上多個(gè)單層含氣，縱向疊置分布，分布樣式主要有孤立型、縱向疊置型和側(cè)向搭接型。

根據(jù)過(guò)S36-3-17井—S36-3-18井—S36-2-19井—S36-J1井—S36-2-21井—S36-J2井—S36-J20井的有效砂體剖面圖（圖7）分析表明，盒8下亞段有效砂體主要位于辮狀河心灘內(nèi)，順地層分布，呈“透鏡狀”或多個(gè)不同級(jí)別的有效砂體疊合連片分布。

4.4 有效砂體在構(gòu)型剖面內(nèi)分布規(guī)律

為了研究有效砂體在儲(chǔ)層構(gòu)型要素內(nèi)的分布規(guī)律，筆者優(yōu)選加密區(qū)的心灘進(jìn)行精細(xì)解剖。根據(jù)心灘內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建立心灘迎水面剖面（圖8-a）、心灘中部剖面（圖8-b）、心灘背水面剖面（圖8-c）和心灘長(zhǎng)軸方向剖面（圖8-d）。

根據(jù)心灘內(nèi)部結(jié)構(gòu)與有效砂體疊合分布研究結(jié)果，研究區(qū)心灘含氣性好，心灘基本控制了有效砂體分布。在心灘迎水面，水動(dòng)力強(qiáng)，落淤層和較細(xì)顆粒的沉積物難以沉積，巖性較粗，泥質(zhì)含量低，儲(chǔ)層物性較好，心灘迎水面砂體含氣性好，整體含氣（圖8-a）；在心灘中部，水動(dòng)力中等，單砂體含氣性中等，以有效砂體為主，成片分布，非有效砂體局部分布（圖8-b）；在心灘背水面，水動(dòng)力相對(duì)較弱，落淤層和較細(xì)顆粒的沉積物沉積，巖性相對(duì)較細(xì)，泥質(zhì)含量較高，儲(chǔ)層物性較差，單砂體含氣性相對(duì)較差，僅在單砂體的中下部可能發(fā)育有效砂體，或均為非有效砂體（圖8-c）。

表3 研究區(qū)各構(gòu)型要素砂體鉆遇率統(tǒng)計(jì)表

圖7 蘇里格氣田部分井有效砂體連井剖面圖

圖8 心灘內(nèi)部有效砂體分布剖面圖

5 結(jié)論

1）根據(jù)研究區(qū)辮狀河三角洲平原內(nèi)辮狀河沉積特點(diǎn)，建立了從單一河道、單一微相、復(fù)合心灘、單個(gè)心灘和心灘內(nèi)部結(jié)構(gòu)解剖的多層次辮狀河厚層砂巖儲(chǔ)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)解剖方法。

2）通過(guò)構(gòu)型解剖，定量確定研究區(qū)單一辮狀河道寬度介于600～3 500 m，平均值為2 500 m；復(fù)合心灘長(zhǎng)度介于1 500～2 500 m，平均值為2 250 m，寬度介于800～1 400 m，平均值為1 140 m；單個(gè)心灘長(zhǎng)度介于1 000～1 750 m，平均值為1 320 m，寬度介于300～1 050 m，平均值為680 m。心灘內(nèi)一般發(fā)育3～4個(gè)增生體，落淤層在心灘內(nèi)順層發(fā)育，但受辮狀水道改道或水槽（水溝）破壞、改造后，落淤層遭到破壞，連續(xù)性變差。在長(zhǎng)軸方向上，迎水面落淤層稍陡，背水面較平緩。

3）研究區(qū)有效砂體主要受心灘分布控制，有效砂體在縱向上呈“透鏡狀”分布，平面上呈“孤島狀”分布。

4）研究區(qū)心灘內(nèi)迎水面單砂體含氣性好，中部含氣性中等，背水面含氣性最差，僅在單砂體的中下部可能有有效砂體，從而建立了該區(qū)有效砂體富集模式。