古地貌恢復(fù)及其對(duì)三角洲前緣沉積砂體的控制作用——以鄂爾多斯盆地慶陽氣田二疊系山西組13亞段為例

李進(jìn)步，王繼平，王 龍，付 斌，夏 輝，李志瀟

(1.中國石油 長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程試驗(yàn)室，陜西 西安 710018；3. 中國石油 長慶油田分公司 采油十廠，陜西 西安 710018)

非常規(guī)油氣是目前全球開發(fā)的主要油氣資源之一。鄂爾多斯盆地具有“滿盆氣、半盆油”的地質(zhì)特征，天然氣資源量豐富，但以“低滲、致密”非常規(guī)天然氣為主。早期，鄂爾多斯盆地內(nèi)天然氣勘探開發(fā)主要以位于盆地中部和北部的蘇里格及神木等大型致密砂巖氣藏為主，其中蘇里格氣田具有“低滲、低壓、低豐度”的特征。近年來，隨著天然氣增儲(chǔ)上產(chǎn)壓力逐年增加，盆地西南部隴東地區(qū)上古生界逐漸成為天然氣勘探開發(fā)的新戰(zhàn)場。2003年在該區(qū)X井山西組1段(山1段)獲5.46×104m3/d的工業(yè)氣流，拉開了該區(qū)上古生界天然氣勘探的序幕[1-2]。截至2018年，慶陽氣田提交探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量318.86×108m3，標(biāo)志著盆地西南部上古生界氣田正式進(jìn)入開發(fā)階段(圖1)。經(jīng)過近7年的勘探評(píng)價(jià)認(rèn)識(shí)，初步明確慶陽氣田是一個(gè)埋藏深(>4 000 m)、儲(chǔ)層單一(山1段)、砂體厚度薄(平均厚度為5.7 m)、超低豐度(0.58×108m3/km2)的復(fù)雜氣藏[3-4]。

圖1 鄂爾多斯盆地慶陽氣田位置Fig.1 Location of Qingyang gas field,Ordos Basin

前人針對(duì)盆地西南部的沉積演化[5-9]及物源分析[10-12]已取得了一定的成果，然而慶陽氣田研究區(qū)(開發(fā)區(qū))內(nèi)山西組13亞段(山13亞段)儲(chǔ)集砂體分布規(guī)律的研究還較為薄弱，微古地貌對(duì)沉積砂體的控制作用的相關(guān)研究亟待開展。古地貌是制約盆地沉積充填演化的重要因素，通常按研究尺度可分為宏觀古地貌和微觀古地貌[13-15]，宏觀古地貌決定了盆地的隆坳格局，進(jìn)而控制著沉積體系的發(fā)育演化[15-17]，微古地貌影響著盆地內(nèi)局部的水動(dòng)力條件，控制著局部地區(qū)沉積物分散體系的展布規(guī)律[13,18]。在宏觀構(gòu)造古地貌基礎(chǔ)上，恢復(fù)研究區(qū)的微古地貌，刻畫微地貌單元的分布特征，對(duì)于揭示優(yōu)勢砂體的分布規(guī)律和展布范圍，進(jìn)而開展有效儲(chǔ)層預(yù)測、提高水平井實(shí)施效果而言至關(guān)重要。

研究區(qū)山1段頂界與下石盒子組8段(盒8段。石盒子組自下而上分為下石盒子組和上石盒子組，層段分為盒8段至盒1段。)底界在橫向上由于沉積相變，鉆測井上并非在全區(qū)表現(xiàn)為一穩(wěn)定的水進(jìn)或水退界面，因此常用的“印模法”進(jìn)行古地貌恢復(fù)在本區(qū)很難適用；而且山1段厚度較薄，平均厚度僅40 m，井震標(biāo)定后，橫向追蹤的界面也存在一定誤差，這意味著采用層序地層學(xué)方法，進(jìn)行“頂界面層拉平”恢復(fù)古地貌也難以開展。但是，研究區(qū)內(nèi)山西組與太原組分界面處的太原組頂部煤層，在全區(qū)普遍發(fā)育，橫向較為穩(wěn)定，在測井上表現(xiàn)為低伽馬和高聲波的特征，并且其地震反射界面TP10連續(xù)性好，易于橫向追蹤對(duì)比。因而，可以利用三維地震資料進(jìn)行山2段與太原組的界面(地震反射層為TP10)與山1段與山2段的界面(地震反射層為TP9)之間的殘余厚度計(jì)算，恢復(fù)山13期沉積前的古地貌。

為進(jìn)一步提高古地貌恢復(fù)結(jié)果的可靠性，在采用殘余厚度法恢復(fù)古地貌的基礎(chǔ)上，綜合分析古水系和古流向，闡明古地貌對(duì)沉積砂體的控制作用，并對(duì)有利甜點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測及生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，保障該氣田6×108m3天然氣產(chǎn)能的建設(shè)及開發(fā)。

1 地質(zhì)概況

慶陽氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡和天環(huán)坳陷二級(jí)構(gòu)造單元交匯處，氣田整體呈西傾單斜，構(gòu)造較為平緩。晚奧陶世—早二疊世太原期，受加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，該區(qū)為出露海平面的慶陽古陸，經(jīng)歷長達(dá)200 Ma的剝蝕，形成了復(fù)雜的喀斯特巖溶古地貌；自早二疊世太原期開始，慶陽古陸逐漸下沉，接受來自秦嶺造山帶物源，該區(qū)遭受填平補(bǔ)齊，發(fā)育碎屑巖沉積。研究區(qū)在山西期發(fā)育緩坡淺水河流三角洲沉積體系[7-9]，主要包括三角洲平原和三角洲前緣沉積，受水動(dòng)力搬運(yùn)和改造形成的山1段砂巖為該區(qū)山西組的主要儲(chǔ)層[19-23](圖2)。本研究選定慶陽氣田的三維地震區(qū)作為研究區(qū)，面積100 km2。研究區(qū)二疊系山西組自下而上分為山2段和山1段，其中山1段內(nèi)部自下而上又可細(xì)分為山13亞段、山12亞段和山11亞段3個(gè)亞段。目前研究區(qū)在評(píng)價(jià)開發(fā)中，發(fā)現(xiàn)山13亞段砂體變化快，厚層砂體常沿某一方向沉積，并未橫向遷移，以致沿優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層向外圍擴(kuò)邊時(shí)，往往難以鉆遇良好儲(chǔ)層。這與盆地北部蘇里格等氣田多期疊置三角洲體系分流河道砂體儲(chǔ)層存在較大差異[24-27]。因此，亟待對(duì)慶陽氣田的儲(chǔ)層砂體展布規(guī)律開展精細(xì)研究，本研究在探究該區(qū)古地貌特征基礎(chǔ)上，對(duì)河道遷移和砂體展布的控制機(jī)理進(jìn)行了探討，進(jìn)而揭示了優(yōu)勢砂帶的展布規(guī)律。

圖2 鄂爾多斯盆地慶陽氣田二疊系沉積模式(據(jù)文獻(xiàn)[19]修改)Fig.2 The Permian sedimentary model of Qingyang gas field,Ordos Basin (modified from reference[19])

2 古地貌恢復(fù)方法

沉積古地貌恢復(fù)是利用各種地質(zhì)和地球物理資料，通過古構(gòu)造、古水系、古流向和沉積相等內(nèi)容的綜合性研究，從而達(dá)到揭示沉積期古地貌形態(tài)的目的。目前常用的方法主要包括殘余厚度法、印模法、層序地層學(xué)法及沉積學(xué)綜合分析法等方法[28-33]。

殘余厚度法和印模法在鄂爾多斯盆地下古生界古地貌恢復(fù)中應(yīng)用較為廣泛。慶陽氣田研究區(qū)已完成三維地震采集，三維地震資料較鉆測井資料而言，在儲(chǔ)層橫向預(yù)測中具有明顯優(yōu)勢。本研究主要利用三維地震資料，在殘余厚度法恢復(fù)古地貌后，經(jīng)過去壓實(shí)校正，結(jié)合古流向，進(jìn)行沉積學(xué)綜合分析法恢復(fù)慶陽氣田山13期沉積前的古地貌。

2.1 殘余厚度法

慶陽氣田區(qū)域內(nèi)，太原組煤層沉積較為穩(wěn)定，古構(gòu)造平緩，水動(dòng)力弱，屬于淺水環(huán)境，為一套發(fā)育在二疊系不整合面風(fēng)化殼之上沉積充填序列，低洼處太原組沉積較厚，而高地處沉積較薄，呈“填平補(bǔ)齊”沉積特征。研究區(qū)山西組底界面位于太原組頂部煤層之上，該界面全區(qū)發(fā)育，分布穩(wěn)定，代表一等時(shí)界面，其在鉆井上易識(shí)別，地震合成記錄標(biāo)定波形特征清晰，在地震剖面上易追蹤對(duì)比；山2段頂界與山1段底界鉆井上表現(xiàn)為分流間灣或?yàn)I淺湖沉積與水下分流河道沉積的沉積相轉(zhuǎn)變界面，測井曲線呈現(xiàn)出明顯突變。山1段內(nèi)部的3個(gè)亞段的界面表現(xiàn)為湖(洪)泛泥巖的水進(jìn)界面或局部的砂泥巖轉(zhuǎn)換界面，結(jié)合穩(wěn)定構(gòu)造背景下地層橫向分布厚度較穩(wěn)定的特性，可以在研究區(qū)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?。研究區(qū)山西期不存在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的地層剝蝕，因此本研究恢復(fù)古地貌主要進(jìn)行地層厚度恢復(fù)。

當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诘叵聜鞑r(shí)，遇較強(qiáng)波阻抗差異，可形成較強(qiáng)的地震反射界面。山2段底砂、泥巖(波阻抗1.1×107kg/m3·m/s)與太原組頂部煤層(波阻抗>4.5×107kg/m3·m/s)為一強(qiáng)波阻抗差異反射界面(TP10)，因而地震剖面上該界面呈現(xiàn)強(qiáng)反射特征(圖3)。山1段底砂巖為河流三角洲相碎屑巖沉積(波阻抗>1.2×107kg/m3·m/s)，其和上下泥巖(波阻抗<1.1×107kg/m3·m/s)，也具有較大波阻抗差，其也形成了較強(qiáng)反射特征界面(TP9)。

殘余厚度法恢復(fù)古地貌的基本原理是在侵蝕面之下確定一個(gè)等時(shí)界面將其底界拉平，拉平后其與上部界面之間的地層的厚度差大的地方代表相對(duì)地貌高地，反之則為相對(duì)洼地。在研究區(qū)表現(xiàn)為拉平TP10反射界面后的地震剖面中，時(shí)差較小區(qū)域，屬于古地形低洼區(qū)，是砂體的主要聚集單元，時(shí)差較大區(qū)域，屬于相對(duì)古地貌高地，河道微相砂體難以沉積，主要為河道間微相含粘土礦物的細(xì)粒沉積物(圖4)。

本研究利用三維地震資料開展殘余厚度法恢復(fù)古地貌，是通過拉平山13亞段底界面(對(duì)應(yīng)的地震反射層稱為TP9)之下的山西組與太原組分界面(對(duì)應(yīng)的地震反射層稱為TP10)這一等時(shí)界面，計(jì)算頂(TP9)與底界面(TP10)兩個(gè)界面的地震反射波雙程旅行時(shí)時(shí)差，經(jīng)過時(shí)深轉(zhuǎn)換恢復(fù)的厚度差界面形態(tài)，恢復(fù)該區(qū)山1段沉積期微古地貌格局(圖5)。

圖3 鄂爾多斯盆地慶陽氣田典型井人工合成記錄與地震剖面對(duì)比Fig.3 Comparison of synthetic seismogram of a typical well and seismic section in Qingyang gas field,Ordos Basin

圖4 鄂爾多斯盆地慶陽氣田山2期末古地貌在地震測線上的特征Fig.4 Characteristics of paleogeomorphology on seismic sections at the end of Shanxi 2 deposition in Qingyang gas field,Ordos Basin

圖5 鄂爾多斯盆地慶陽氣田X井區(qū)三維地震預(yù)測古地貌特征Fig.5 3D seismic prediction of paleogeomorphology of X well block in Qingyang gas field,Ordos Basin

2.2 去壓實(shí)校正

Errier和Quilbier[34]首次采用反演回剝技術(shù)研究壓實(shí)過程中的地層厚度變化，其基本原理是壓實(shí)前后地層骨架體積不變[公式(1)]?？紫抖入S著埋藏深度的變化，呈一定經(jīng)驗(yàn)公式遞減[35][公式(2)]。

式中：φ為某深度的孔隙度，%；h0為沉積前沉積物原始體積，m3；h為沉積后沉積物體積，m3；z為埋藏深度，m；x為相對(duì)埋深，m；a為常數(shù)，無量綱；c為常數(shù)，無量綱。

根據(jù)調(diào)研前人成果[36-37]，鄂爾多斯盆地泥巖的孔隙度隨埋藏深度變化的經(jīng)驗(yàn)公式為：

φ(z)=38.558e-0.0006z

(3)

砂巖孔隙度隨埋藏深度變化的經(jīng)驗(yàn)公式為：

φ(z)=27.268e-0.0005z

(4)

以太原組煤層為相對(duì)基準(zhǔn)面，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際獲得的孔隙度隨埋藏深度的變化關(guān)系[29-30](圖6),在保證骨架體積不變的情況下，開展去壓實(shí)校正，以更準(zhǔn)確恢復(fù)山1段沉積期古地貌。

去壓實(shí)前，慶2井山13亞段以泥質(zhì)沉積為主，慶6井發(fā)育指狀砂體，拉平太原組煤層，連井剖面顯示慶2井山13亞段底界面較鄰井略高，屬于古地貌相對(duì)高部位；慶6井山13亞段底界與鄰井底界相比起伏不大，近似相同，這難以解釋不發(fā)育砂巖的成因(圖7)。

圖6 鄂爾多斯盆地慶陽氣田砂、泥巖孔隙度隨埋深變化統(tǒng)計(jì)(據(jù)文獻(xiàn)[36-37]修改)Fig.6 Statistics of sandstone and mudstone porosity variation with burial depth in Qingyang gas field,Ordos Basin (modified from references [36-37])

去壓實(shí)校正后地層對(duì)比圖顯示，慶2井位于山2期末的相對(duì)高部位，較慶3井高出近40 m，說明慶1井河道與慶3井河道，受中部慶2井局部高地的隔離，應(yīng)屬于各自獨(dú)立的分支河道；慶6井也位于相對(duì)高部位，其較慶5井高約20 m，僅發(fā)育薄層席狀砂；慶3井、慶4井和慶5井處于河谷階地中，河流相砂體發(fā)育(圖8)。

2.3 沉積學(xué)綜合分析

根據(jù)各鉆井去壓實(shí)校正后的地層厚度數(shù)據(jù)，結(jié)合地球物理法在橫向上預(yù)測的古地貌特征趨勢，繪制出慶陽氣田三維區(qū)的沉積古地貌圖，其表現(xiàn)出古地貌對(duì)古水流及主水道方向的控制作用(圖9a)。從圖上不難看出，雖然慶陽氣田山1段沉積期主體位于三角洲前緣部位，水下分流河道以多級(jí)分叉為主，但水下分支河道沉積砂體厚度較薄，河道寬度小，難以形成適合天然氣開發(fā)的大規(guī)模富集區(qū)，本研究的三維區(qū)，古地貌對(duì)多期疊置砂體的聚集起到了關(guān)鍵作用，古水流方向以南西-北東向?yàn)橹?13°～40°)，西南部發(fā)育3～4支次級(jí)河道，河流在工區(qū)中部匯聚；工區(qū)南部，各分支河道較窄，寬度約1～2 km，中部河道匯聚處河道較寬，可達(dá)4～5 km，形成疊合砂帶，厚度最大可達(dá)18 m(圖9b)。

3 古地貌成果應(yīng)用

根據(jù)古地貌預(yù)測的砂體分布，2021年在砂體疊合區(qū)實(shí)施水平井兩口(圖9，圖10；表1)，較前期慶陽氣田水平井砂巖的鉆遇率74%提升了20%。實(shí)施效果證明，古地貌低洼處對(duì)砂體聚集起到了重要的控制作用，形成的疊置砂體分布穩(wěn)定，是天然氣富集的有利場所。利用三維地震和井資料的有效結(jié)合，通過去壓實(shí)校正，可以降低砂體預(yù)測的誤差性，提高砂體儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)篩選的可靠性。

圖9 鄂爾多斯盆地慶陽氣田三維區(qū)山1期相對(duì)古地貌(a)與山13亞段砂厚(m)平面(b)對(duì)比Fig.9 Correlation of relative paleogeomorphology during Shan 1 deposition period (a) and sandstone isopach of Shan 13 sub-member (b) in the 3D seismic acreage of Qingyang gas field,Ordos Basin

圖10 2021年鄂爾多斯盆地慶陽氣田三維區(qū)完鉆水平井剖面Fig.10 Profiles of horizontal wells in the 3D seismic acreage of Qingyang gas field,Ordos Basin,2021a.慶AH井 b. 慶BH井

表1 鄂爾多斯盆地慶陽氣田完鉆水平井參數(shù)Table 1 Parameters of horizontal wells in Qingyang gas field,Ordos Basin

4 結(jié)論

1) 去壓實(shí)校正影響著微古地貌單元的精細(xì)劃分，研究區(qū)校正后的微古地貌高地阻隔了分流河道的交匯，通常發(fā)育分流間灣泥質(zhì)沉積，而地貌洼地處往往為河谷階地，多發(fā)育水下分流河道沉積。

2) 在慶陽氣田山1期緩坡淺水三角洲的沉積背景下，受古地貌影響，山13期古流向以南西-北東向?yàn)橹?，南?～4支分支河道向北匯聚在工區(qū)中北部，古地貌相對(duì)洼地區(qū)為山13亞段砂體相對(duì)富集區(qū)。

3) 應(yīng)用古地貌結(jié)合古流向分析揭示的砂體分布規(guī)律指導(dǎo)井位部署，使得直井鉆遇砂巖平均厚度提高0.6 m，水平井砂巖鉆遇率提高了20%，取得了較好的鉆探效果，該研究對(duì)類似氣藏的井位部署具有指導(dǎo)意義。