致密砂巖氣藏可拓學(xué)評(píng)價(jià)研究—以渤海灣A 氣田為例

肖大坤，馬立民

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.中國(guó)石油冀東油田公司勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063004）

自20 世紀(jì)80 年代以來，油氣勘探思維和勘探空間由常規(guī)資源向非常規(guī)資源過渡。經(jīng)過長(zhǎng)期的研究積累，J.D.Walls[1]在1982 年SPE/DOE 低滲氣藏學(xué)術(shù)研討會(huì)上首次明確提出了“Tight gas”的概念。1985 年召開AAPG 非常規(guī)天然氣勘探和開發(fā)的學(xué)術(shù)會(huì)議，C.W.Spencer 和R.F.Mast 對(duì)會(huì)議文章進(jìn)行了編輯，出版了《Geology of Tight Gas Reservoirs》一書，從而在世界范圍內(nèi)掀起了對(duì)致密砂巖天然氣藏研究的熱潮[2-5]，致密砂巖氣藏的特征和勘探開發(fā)思路逐漸清晰。目前，各國(guó)權(quán)威機(jī)構(gòu)及大量學(xué)者都從不同角度提出了致密砂巖氣概念，闡述的核心為致密儲(chǔ)層的物性上限標(biāo)準(zhǔn)，但是，受地域、油氣藏特點(diǎn)、資源情況及勘探開發(fā)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面的限制，至今對(duì)致密儲(chǔ)層的物性標(biāo)準(zhǔn)未能形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)[2-11]。

從氣田開發(fā)的角度看，大部分致密砂巖氣藏位于中深層，表現(xiàn)為特低孔特低滲、束縛水飽和度高、儲(chǔ)量豐度低的特征，導(dǎo)致氣井初期產(chǎn)能低、遞減快，嚴(yán)重制約了氣藏儲(chǔ)量有效動(dòng)用與開發(fā)方案實(shí)施，開展致密氣藏綜合評(píng)價(jià)、明確氣藏內(nèi)的有利含氣儲(chǔ)集體，意義顯著。本次以渤海灣致密砂巖氣田A 氣田中生界下白堊統(tǒng)致密氣藏為例，充分發(fā)揮多尺度資料的優(yōu)勢(shì)，綜合地質(zhì)、地震、測(cè)井等多方面技術(shù)手段，首先需落實(shí)致密砂巖儲(chǔ)層成因機(jī)制，明確儲(chǔ)層致密化過程與油氣成藏的匹配關(guān)系，然后優(yōu)選物性解釋模型，提高致密砂巖儲(chǔ)層物性解釋精度，降低物性不確定性對(duì)儲(chǔ)量的影響，最后通過地震多屬性分析，預(yù)測(cè)氣藏內(nèi)含氣分布、篩選含氣目標(biāo)并通過定量評(píng)價(jià)落實(shí)有利性排序，優(yōu)選有利評(píng)價(jià)目標(biāo)。

1 致密砂巖氣藏地質(zhì)模式

1.1 致密儲(chǔ)層成因機(jī)制

A 氣田下白堊統(tǒng)巨厚砂巖儲(chǔ)層以辮狀河沉積為主，儲(chǔ)層致密化成因要素包括沉積及成巖兩方面[12]。根據(jù)主控因素，將致密成因機(jī)制劃分為塑性巖屑充填型、雜基充填型、強(qiáng)烈壓實(shí)型、自生礦物膠結(jié)型。

塑性巖屑充填型致密儲(chǔ)層，巖性以巖屑質(zhì)長(zhǎng)石砂巖、巖屑砂巖為主。由于沉積物中富含大量塑性或不穩(wěn)定碎屑，成巖過程中在上覆地層壓力作用下，塑性顆粒產(chǎn)生變形以假雜基形式充填于剛性顆粒之間，阻塞原生孔隙以及后期形成的次生孔隙，導(dǎo)致儲(chǔ)層的致密化（見圖1（a）），多形成于辮狀河側(cè)緣以及部分心灘沉積相帶。

雜基充填型致密儲(chǔ)層，巖性以雜砂巖為主，是由于碎屑顆粒之間雜基（多為泥質(zhì)雜基）含量較高，原生粒間孔隙發(fā)育較差。在后期成巖流體的改造下，儲(chǔ)集空間可能得到改善，但未遭受溶解帶出的部分雜基會(huì)在壓實(shí)作用的繼承性影響下，對(duì)已形成的次生粒間孔隙進(jìn)一步破壞，導(dǎo)致儲(chǔ)層的致密化（見圖1（b）），該類儲(chǔ)層多形成于辮狀河落淤沉積、洪泛沉積相帶。

壓實(shí)型致密儲(chǔ)層，巖性以長(zhǎng)石砂巖或長(zhǎng)石質(zhì)巖屑砂巖為主。成因機(jī)制可概括為，在不存在異常壓力的條件下，壓實(shí)作用在早成巖作用階段使碎屑顆粒最緊密堆積，減少原生孔隙，在后期壓溶作用影響下增強(qiáng)顆粒接觸程度，導(dǎo)致儲(chǔ)層致密化（見圖1（c）），多發(fā)育在辮狀河河道微相中。

自生礦物膠結(jié)型致密儲(chǔ)層，巖性以長(zhǎng)石砂巖或石英砂巖為主，碎屑顆粒一般分選較好，粒度適中，雜基含量較低。由于自生礦物大量晶出，顯著降低儲(chǔ)層物性，導(dǎo)致儲(chǔ)層的致密化（見圖1（d）），多出現(xiàn)在辮狀河河道微相中。

1.2 致密氣藏成藏模式

根據(jù)鏡質(zhì)體反射率、最高熱解峰溫、伊蒙混層比、石英次生加大級(jí)別、顆粒接觸關(guān)系和主要孔隙類型等指標(biāo)，對(duì)研究區(qū)下白堊統(tǒng)致密砂巖儲(chǔ)層成巖階段進(jìn)行標(biāo)定。結(jié)果顯示，最高熱解峰溫分布在463 ℃～518 ℃，鏡質(zhì)體反射率分布在1.55～1.76，伊蒙混層中蒙脫石的含量為10 %，石英呈三級(jí)加大級(jí)別，顆粒呈現(xiàn)線接觸-縫合接觸，因此綜合判斷，下白堊統(tǒng)儲(chǔ)層現(xiàn)今處于中成巖B 期。

圖1 A 氣田致密砂巖儲(chǔ)層典型薄片F(xiàn)ig.1 Typical tight sandstone images of gasfield A in thin sections

由于酸性、堿性成巖流體環(huán)境的交替變化，膠結(jié)作用與溶蝕作用的組合關(guān)系推動(dòng)了致密儲(chǔ)層成巖演化[13]。綜合巖石薄片中觀察到的成巖作用類型發(fā)現(xiàn)，石英顆粒以次生加大膠結(jié)為主，早期基本未見溶蝕，而且膠結(jié)強(qiáng)度持續(xù)增大，僅后期的硅質(zhì)膠結(jié)物遭受弱溶解。長(zhǎng)石、巖屑顆粒見強(qiáng)烈溶蝕，后期充填碳酸鹽膠結(jié)物。由此推斷，長(zhǎng)石及巖屑溶蝕作用要早于石英次生加大，石英次生加大早于碳酸鹽膠結(jié)。綜合烴源巖排烴史分析認(rèn)為，同生成巖階段的成巖環(huán)境為弱酸性，在機(jī)械壓實(shí)作用的基礎(chǔ)上，形成了早期碳酸鹽膠結(jié)和早期石英加大。中成巖作用階段由于處于烴源巖主要排烴階段，大量有機(jī)酸涌入儲(chǔ)層，進(jìn)行強(qiáng)烈改造，溶蝕了大量碳酸鹽膠結(jié)物和長(zhǎng)石巖屑顆粒，形成了次生溶蝕孔隙帶，石英次生加大過程繼續(xù)進(jìn)行。中成巖作用階段晚期，隨著有機(jī)酸產(chǎn)生減少，儲(chǔ)層成巖環(huán)境由酸性逐漸過渡到堿性，發(fā)育了大規(guī)模方解石膠結(jié)物和長(zhǎng)石加大邊，充填大量孔隙，并有含鐵碳酸鹽礦物的沉淀和黏土礦物等充填孔隙。綜合儲(chǔ)層成巖演化，埋藏史分析，采用儲(chǔ)層微觀組分回剝與含量計(jì)算方法[7]，近似恢復(fù)了研究區(qū)碎屑巖儲(chǔ)層物性演化過程（見圖2），認(rèn)為儲(chǔ)層物性在古近紀(jì)中后期達(dá)到致密化程度。

通過有機(jī)流體包裹體分析發(fā)現(xiàn)，A 氣田下白堊統(tǒng)包裹體宿主礦物為石英斑晶，均一溫度主峰值集中在105 ℃～110 ℃及115 ℃～120 ℃范圍內(nèi)，平均值113 ℃及121 ℃，結(jié)合周邊區(qū)域地層埋藏時(shí)及相鄰區(qū)塊的油氣成藏特征判斷，下白堊統(tǒng)氣藏成藏期為上白堊統(tǒng)青山口組早-中期。結(jié)合致密儲(chǔ)層物性演化過程認(rèn)為，該地區(qū)氣藏成藏模式為“先成藏、后致密”模式，烴類充注及天然氣成藏時(shí)期儲(chǔ)層經(jīng)歷了早期成巖作用，物性有所降低，但是未達(dá)到致密程度，所以，天然氣充注過程能夠?qū)崿F(xiàn)正常氣水置換，不會(huì)存在氣水倒置分布關(guān)系。綜合A 氣田構(gòu)造發(fā)育特征，總結(jié)其致密氣藏成藏演化模式。

A 氣田下白堊統(tǒng)泉頭組沉積末期，區(qū)域地層進(jìn)入斷坳轉(zhuǎn)換階段。上白堊統(tǒng)青山口組末期，烴源巖開始大量排烴，含烴類的有機(jī)酸性流體沿?cái)嗔严到y(tǒng)及砂體進(jìn)入早期圈閉成藏，導(dǎo)致長(zhǎng)石、巖屑溶解，明顯改善下白堊統(tǒng)儲(chǔ)層物性。嫩江組-明水組末期，區(qū)域發(fā)生構(gòu)造抬升形成A 氣田鼻狀構(gòu)造，構(gòu)造頂部產(chǎn)生大量張性裂縫，破壞改造早期形成的氣藏，同時(shí)儲(chǔ)層在酸性流體環(huán)境持續(xù)性作用下，膠結(jié)作用加強(qiáng)，儲(chǔ)層物性持續(xù)變差。直到古近紀(jì)中后期，區(qū)域構(gòu)造環(huán)境趨于穩(wěn)定，鼻狀構(gòu)造頂部裂縫失去活動(dòng)性而閉合，同時(shí)成巖流體環(huán)境由弱酸性環(huán)境過渡為弱堿性環(huán)境，大量碳酸鹽膠結(jié)物產(chǎn)生，最終導(dǎo)致儲(chǔ)層致密化，氣藏類型也由常規(guī)氣藏轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅軞獠兀ㄒ妶D2）。根據(jù)上述模式判斷，研究區(qū)內(nèi)氣藏富集主控因素為構(gòu)造因素，其次為儲(chǔ)層分布及內(nèi)部物性差異。

圖2 A 氣田成藏過程綜合分析圖Fig.2 Comprehensive analysis of tight gas reservoir formation in gasfield A

2 致密氣藏物性評(píng)價(jià)及分布預(yù)測(cè)

2.1 致密氣藏物性參數(shù)解釋

針對(duì)下白堊統(tǒng)儲(chǔ)層開展“四性關(guān)系”分析發(fā)現(xiàn)，致密砂巖儲(chǔ)層的物性-電性相關(guān)性不明顯，原因在于儲(chǔ)層致密化受多方面因素影響，各因素的作用強(qiáng)度不同，導(dǎo)致儲(chǔ)層的致密化程度不同，因而具有不同的測(cè)井響應(yīng)特征，所以，區(qū)分不同的致密類型對(duì)于構(gòu)建物性解釋模型、提高物性解釋精度具有重要意義。

基于上述分析，建立“致密系數(shù)（Tightness Index）”來表征砂巖致密類型。由于沉積作用和成巖作用是導(dǎo)致儲(chǔ)層致密的最主要因素，選擇粒度中值、泥質(zhì)含量、成巖綜合指數(shù)及成巖減孔率參與構(gòu)建致密系數(shù)。其中，粒度中值、泥質(zhì)含量可以反映沉積作用影響，成巖綜合指數(shù)及成巖減孔率反映成巖作用的影響。致密系數(shù)TI*構(gòu)建公式如下，TI*越趨近于0，表明沉積作用對(duì)儲(chǔ)層致密化影響越大，TI*越趨近于1，表明成巖作用對(duì)儲(chǔ)層致密化影響越大。

式中：TI、TI*-致密系數(shù)及其歸一化值；PR-成巖減孔率；Vsh-泥質(zhì)含量；DI-成巖綜合指數(shù)。

以巖石薄片、壓汞實(shí)驗(yàn)及物性分析資料為主，綜合成巖作用類型、孔喉結(jié)構(gòu)描述及物性響應(yīng)特征，統(tǒng)計(jì)樣品點(diǎn)致密系數(shù)分布特征，建立了三類儲(chǔ)層致密類型（見表1），實(shí)現(xiàn)沉積或成巖因素作用下儲(chǔ)層致密特征的定量描述。

以薄片分析結(jié)果為樣品來源，巖電分析，采用常規(guī)測(cè)井系列曲線對(duì)致密系數(shù)定量擬合，建立如下擬合關(guān)系，將點(diǎn)信息拓展為縱向連續(xù)性信息。

在不同致密類型約束下，致密儲(chǔ)層物性-電性相關(guān)特征十分明顯（見圖3），補(bǔ)償密度測(cè)井響應(yīng)值具有隨儲(chǔ)層孔隙度增大而減小的變化特征，可直接用于建立儲(chǔ)層物性解釋模型。由散點(diǎn)圖樣品數(shù)量分布可見，三類致密類型中，儲(chǔ)層以二類、三類為主，屬于一類致密的儲(chǔ)層最少，儲(chǔ)層致密化成因中成巖作用的影響起到了主要作用。

2.2 致密氣藏空間分布預(yù)測(cè)

采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地震多屬性擬合方法[14-16]開展致密氣藏的分布預(yù)測(cè)。選擇三孔隙度比值參數(shù)作為特征含氣指示參數(shù)[17]，通過地震屬性影響度排列以及產(chǎn)生誤差分析，優(yōu)選出反演瞬時(shí)相位、絕對(duì)振幅積分、反演平均頻率、反演振幅積分、反演振幅包絡(luò)以及振幅導(dǎo)數(shù)6 種含氣敏感地震屬性，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立優(yōu)屬性與特征參數(shù)之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，通過模型處理后的地震數(shù)據(jù)可直接用于含氣性檢測(cè)。將建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到整個(gè)地震數(shù)據(jù)體中，對(duì)三維空間內(nèi)的含氣特征曲線進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過剖面及平面切片分析，預(yù)測(cè)結(jié)果顯示有利含氣區(qū)帶呈現(xiàn)強(qiáng)反射特征。

以下白堊統(tǒng)主力氣組DI 為例，過A10 井的地震多屬性響應(yīng)剖面顯示（見圖4），有利氣層主要受構(gòu)造影響，富集于構(gòu)造高部位。主力氣層地震多屬性擬合數(shù)據(jù)體沿層切片顯示（見圖5），A 氣田鼻狀構(gòu)造頂部存在明顯含氣異常強(qiáng)反應(yīng)帶，與構(gòu)造等值線疊合后發(fā)現(xiàn)強(qiáng)反應(yīng)帶與構(gòu)造趨勢(shì)吻合度較高，表明了研究區(qū)致密氣藏分布的主控因素為構(gòu)造特征，氣藏主要分布在A氣田鼻狀構(gòu)造高部位，預(yù)測(cè)結(jié)果同樣印證了前面建立的致密氣藏成藏模式?；诤瑲夥秶A(yù)測(cè)及面積圈定結(jié)果，共確定了A 氣田下白堊統(tǒng)主力氣層的19 個(gè)有利評(píng)價(jià)目標(biāo)。

表1 儲(chǔ)層致密類型定量特征Tab.1 Quantitative characteristics for different sandstone reservoir tightening types

圖3 不同致密類型儲(chǔ)層的物性-電性相關(guān)特征Fig.3 Relationships between physical and electrical property for different tight sandstone

圖4 A10 井地震多屬性融合響應(yīng)剖面Fig.4 Seismic multiple attributes integration profile for well A10

圖5 主力氣層（DI）地震多屬性融合響應(yīng)切片與含氣范圍Fig.5 Slice of seismic multiple attributes integration and gas-bearing area for the main gas layer（DI）

3 致密氣藏定量綜合評(píng)價(jià)

3.1 可拓學(xué)方法概述

可拓學(xué)是由以蔡文教授為首的我國(guó)人工智能科學(xué)家自主創(chuàng)立的一門新興橫斷學(xué)科，是將人工思維抽象出來用形式化數(shù)學(xué)工具進(jìn)行定性或定量描述的學(xué)科，物元分析、可拓邏輯及可拓集合理論是其重要的理論組成部分[18-21]。由于可拓學(xué)理論中物元的三元素一體化分析、可拓集合中以實(shí)數(shù)域?yàn)橹涤?、關(guān)聯(lián)函數(shù)及關(guān)聯(lián)度的設(shè)置等性質(zhì)，可拓綜合評(píng)價(jià)過程中不僅能夠體現(xiàn)待評(píng)對(duì)象的從屬關(guān)系，還能對(duì)這種從屬關(guān)系以定量化的手段進(jìn)行描述。

3.2 基于可拓學(xué)的有利目標(biāo)定量評(píng)價(jià)

常用的專家經(jīng)驗(yàn)排序方法一般采用“先打分、后排序”的思路，由于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在評(píng)價(jià)過程中難以起到約束作用，有利目標(biāo)的優(yōu)選一般僅取決于打分序列，因此，不同的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)很可能導(dǎo)致完全不同的優(yōu)選結(jié)果[22]。與之相比，可拓學(xué)方法采用“先定標(biāo)準(zhǔn)、后打分”的思路，首先通過定義經(jīng)典域，建立不同等級(jí)的定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，然后以評(píng)價(jià)目標(biāo)的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)為基礎(chǔ)，通過計(jì)算與不同等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)度，最后以關(guān)聯(lián)度的強(qiáng)弱判斷評(píng)價(jià)目標(biāo)所處的級(jí)別，該過程有利于限制人為主觀因素影響、降低評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性，因此，本次采用可拓學(xué)方法對(duì)A 氣田下白堊統(tǒng)主力氣層的19 個(gè)待評(píng)物元目標(biāo)進(jìn)行了定量綜合評(píng)價(jià)。

首先，根據(jù)致密氣藏基礎(chǔ)地質(zhì)研究及勘探經(jīng)驗(yàn)，確定影響致密氣藏綜合評(píng)價(jià)的地質(zhì)因素與影響方式，選擇合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立評(píng)價(jià)體系。

綜合A 氣田氣藏特征，考慮研究過程中所采用的技術(shù)手段，選擇圈閉條件、儲(chǔ)層條件、氣藏預(yù)測(cè)三方面作為評(píng)價(jià)一級(jí)指標(biāo)，選擇蓋層厚度、構(gòu)造幅度、圈閉面積、斷層泥比率作為圈閉條件的二級(jí)指標(biāo)，選擇砂地比、滲透率、凈毛比、致密系數(shù)作為儲(chǔ)層條件的二級(jí)指標(biāo)，選擇地震特征屬性、構(gòu)造-屬性吻合度、井資料驗(yàn)證情況作為氣藏預(yù)測(cè)的二級(jí)指標(biāo)?；谏鲜鲋旅軞獠卦u(píng)級(jí)分析，將致密氣藏綜合評(píng)價(jià)等級(jí)按有利性劃分為五級(jí)，即很好、較好、一般、較差、很差分別對(duì)應(yīng)一、二、三、四、五類（見表2）。

然后，針對(duì)評(píng)價(jià)體系分別建立圈閉條件、儲(chǔ)層條件及氣藏預(yù)測(cè)三方面不同等級(jí)的經(jīng)典域及節(jié)域，為待評(píng)物元目標(biāo)賦值（見表3）。

最后，通過關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算待評(píng)物元與不同評(píng)價(jià)等級(jí)之間的關(guān)聯(lián)度，根據(jù)關(guān)聯(lián)度值計(jì)算級(jí)別變量特征值（見表4），確定待評(píng)物元的評(píng)價(jià)等級(jí)。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，待評(píng)的物元目標(biāo)均未達(dá)到一類等級(jí)，評(píng)為二類或三類的有利目標(biāo)（1、2、3、5、7、8、11、13、16）多位于下白堊統(tǒng)I 氣組，最優(yōu)目標(biāo)級(jí)別特征變量特征值1.87～2.05。

表2 A 氣田致密氣藏定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Quantitative standard for tight gas reservoir evaluation in gasfield A

表3 待評(píng)物元目標(biāo)賦值表Tab.3 Value confirmation for objectives under evaluation

表3 待評(píng)物元目標(biāo)賦值表（續(xù)表）Tab.3 Value confirmation for objectives under evaluation

4 結(jié)論

（1）渤海灣A 氣田下白堊統(tǒng)致密砂巖儲(chǔ)層致密化成因機(jī)制包括塑性巖屑充填型、雜基充填型、強(qiáng)烈壓實(shí)型、自生礦物膠結(jié)型四種。A 氣田致密氣藏成藏屬于“先成藏，后致密”模式，氣藏分布受控于構(gòu)造特征，主要富集在鼻狀構(gòu)造高部位。

表4 待評(píng)物元可拓關(guān)聯(lián)度及等級(jí)判斷Tab.4 Extension relativity and rank of objectives under evaluation

（2）基于致密儲(chǔ)層成因類型構(gòu)建的以“致密系數(shù)（TI）”為核心的致密砂巖儲(chǔ)層物性綜合評(píng)價(jià)方法，可有效提高致密儲(chǔ)層物性解釋精度。基于特征含氣參數(shù)重構(gòu)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地震多屬性擬合方法對(duì)致密氣層的縱向和平面分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與成藏模式相吻合。

（3）可拓評(píng)價(jià)方法由于其將關(guān)聯(lián)度分析手段引入，可更準(zhǔn)確地劃分評(píng)價(jià)等級(jí)，降低人為因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。利用可拓學(xué)原理進(jìn)行致密氣藏綜合評(píng)價(jià)，判斷A 氣田致密砂巖氣有利目標(biāo)主要分布在下白堊統(tǒng)I 氣組。