川西新場地區(qū)須家河組二段砂體沉積充填特征及定量地質(zhì)建模*

商曉飛 趙 磊 易 杰 李 蒙 劉君龍

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院 北京 100083; 2.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司 新疆烏魯木齊 830011)

隨著中國天然氣工業(yè)的發(fā)展，致密砂巖氣藏勘探開發(fā)的規(guī)模在迅速擴大。目前在四川、鄂爾多斯、渤海灣、東海等盆地均已在致密砂巖領(lǐng)域獲得天然氣探明儲量[1-4]。四川盆地須家河組致密砂巖氣藏天然氣資源豐富[5-6]，其中，位于川西坳陷中段的新場氣田在須家河組已累計提交天然氣探明儲量千億方，是四川盆地發(fā)現(xiàn)的一個大型氣田。然而，經(jīng)過20多年的開發(fā)，采收程度較低，探明儲量實際動用率不足10%。

對致密砂巖氣藏的勘探開發(fā)，關(guān)鍵在于較準(zhǔn)確刻畫普遍低孔、低滲背景下相對物性較好的部分，即優(yōu)質(zhì)儲層[7-9]。優(yōu)質(zhì)儲層的分布通常與優(yōu)勢沉積相帶有關(guān)，它既能反映原始沉積作用對物性的控制，又能影響后期的成巖作用[10]。因此，在廣泛砂體中表征不同砂體類型的空間分布，是預(yù)測致密砂巖氣藏優(yōu)質(zhì)儲層的關(guān)鍵。目前對砂體類型的研究多是基于井點巖心觀察、分析測試等定性描述其特征和成因，或基于地震進行橫向預(yù)測[11-12]。然而，由于致密砂巖儲層非均質(zhì)性強，僅采用單一手段難以對不同類型砂體的空間分布進行較準(zhǔn)確的定量刻畫。本文綜合利用川西新場地區(qū)須二段巖心、測井和地震資料分析，在明確砂體沉積類型及其沉積充填特征的基礎(chǔ)上，定性描述不同類型砂體的平面展布，并基于地質(zhì)建模方法，分級次構(gòu)建出不同砂體類型地質(zhì)模型，為優(yōu)質(zhì)儲集體的空間預(yù)測和定量化表征提供基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

川西坳陷位于四川盆地的西部，面積約五萬多平方公里，是晚三疊世以來形成的疊覆型盆地[13]。川西坳陷整體為北東向延伸，內(nèi)部分為6個構(gòu)造單元，表現(xiàn)出“三隆兩凹一坡”的構(gòu)造格局(圖1)。三疊系須家河組沉積時期，隨著揚子板塊向西俯沖，川西地區(qū)大幅度沉降[14-16]，沿龍門山前形成坳陷，龍門山造山帶和米倉山—大巴山的活動影響著該時期川西坳陷的次級構(gòu)造形態(tài)和沉積充填演化[17]。

新場構(gòu)造帶位于川西坳陷中段，自印支運動以來，經(jīng)歷了燕山、喜山等多期構(gòu)造運動[18]，目前呈近東西走向的長垣背斜(圖1)。新場地區(qū)須家河組縱向上分為5段，總體為三角洲—湖泊沉積體系，其中須二段和須四段沉積時期，辮狀河三角洲砂體廣泛發(fā)育[19-21]，是新場氣田的重要儲集層。須二段儲層整體較為致密，其孔隙度2.5%～4.5%，滲透率低于0.1×10-3μm2。因此，在儲層整體致密的背景下尋找局部較高孔、較高滲的優(yōu)質(zhì)砂體，是新場須二段氣藏勘探開發(fā)面臨的關(guān)鍵課題。

圖1 研究區(qū)地理位置與區(qū)域構(gòu)造特征(據(jù)文獻[5]，有修改)

新場地區(qū)須二段自下而上分為下、中、上3個亞段。下亞段地層西邊厚、東邊薄，上亞段則相反，東部更厚，中亞段整體砂體均很發(fā)育，這說明不同時期新場地區(qū)的砂體充填情況有所變化。根據(jù)電測曲線反映出的地層疊加樣式，在層序界面識別基礎(chǔ)之上，將新場地區(qū)須二段進一步劃分為10個砂組，自下而上記為TX210—TX21砂組(圖2)。

圖2 研究區(qū)地層展布特征(剖面位置見圖1)

2 砂體充填類型與沉積特征

通過對關(guān)鍵井巖心、測井、地震等資料綜合分析，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景，分析認為新場地區(qū)須二段主要為辮狀河三角洲前緣亞相沉積。在河湖過渡帶，地震剖面上可見微弱的疊瓦狀前積、斜交前積以及向坳陷中心發(fā)散等地震反射特征。在下亞段西部和上亞段東部的局部地區(qū)發(fā)育三角洲平原亞相，沉積厚度較小，在地震剖面上可見透鏡狀反射(反射波變化大)，振幅較強。

依據(jù)巖石學(xué)、巖石組合、相序結(jié)構(gòu)、砂體發(fā)育位置等特征，將須二段儲集層進一步分為疊置河道、河道邊緣、分流間灣、河口壩4種砂體沉積類型(圖3)，其中辮狀河三角洲平原/前緣的疊置河道是研究區(qū)發(fā)育廣泛的砂體。

圖3 新場地區(qū)須二段CH127井砂體沉積充填特征

1)疊置河道。

該砂體類型屬于三角洲平原或前緣亞相，主要由細—中粒砂巖組成，其次為粗砂巖，在相序上呈現(xiàn)多期河道相互疊置。砂巖成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度均較低，砂巖中發(fā)育大型板狀交錯層理、槽狀交錯層理和平行層理，砂體底部一般有明顯的沖刷面構(gòu)造，其上可見泥礫。在巖心中常見千層餅狀中粗砂巖，其石英含量較高，儲集層物性好，且發(fā)育沉積層理縫，是研究區(qū)致密砂體氣藏的“甜點”區(qū)域。

2)河道邊緣。

該砂體類型位于水上/水下分流河道帶的邊部，主要為灰色細粒沉積，其沉積構(gòu)造與疊置河道相似，發(fā)育板狀交錯層理和槽狀交錯層理，但規(guī)模較小。垂向上砂體較薄，具有明顯的正粒序。

3)分流間灣。

該砂體屬于三角洲前緣亞相，巖性主要為一套細粒懸浮成因的粉砂質(zhì)泥巖和少量粉砂巖，發(fā)育浪成沙紋層理和水平層理。

4)河口壩。

該砂體類型以灰色、深灰色中至厚層狀細粒沉積為主，單個砂層較厚且具有向上變粗變厚的反韻律特征。經(jīng)過波浪長期淘洗作用，砂體分選性和磨圓度均較好，可見滑塌變形、包卷層理等沉積構(gòu)造。

不同巖石相一般以一定組合形式出現(xiàn)在不同的砂體類型中。研究區(qū)疊置河道砂體最發(fā)育，每一期河道一般自下而上逐漸發(fā)育含碳屑、含煤中粗砂巖、(千層餅狀)平行層理中粗砂巖、斜層理或塊狀層理中粗砂巖、波狀層理中粗砂巖等巖相，指示水動力由強變?nèi)醯倪^程(圖3)。另外，在同一等時地層格架中，不同地區(qū)鉆井巖心所揭示的河道砂體巖性特征，尤其成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度，有較大差異，指示了河道砂體的搬運距離、水動力環(huán)境或許具有多樣性。

3 不同類型砂體展布

為了進一步研究沉積地層的巖性變化，本次采用地震結(jié)構(gòu)(Texture Modeling Reverse，TMR)反演屬性，從平面和三維空間上預(yù)測砂體沉積和演化特征。TMR屬性是通過建立地震數(shù)據(jù)與已有模式之間的方差矩陣，將具有相似形態(tài)的地震波形進行聚類，提取目標(biāo)信息，具有更好的巖性響應(yīng)效果[22-24]。通過研究區(qū)幾種經(jīng)典地震屬性(如均方根振幅或相對阻抗屬性)的綜合對比發(fā)現(xiàn)，TMR屬性能夠更加清楚地刻畫砂體邊界。進一步統(tǒng)計TMR屬性在TX22和TX24砂組平均值與砂體厚度的相關(guān)系數(shù)分別為0.68和0.76，具有較好的相關(guān)關(guān)系。因此，本次主要選取TMR屬性進行沉積演化分析(圖4)。

根據(jù)大量TMR地震地層切片顯示，新場地區(qū)須二段的砂體來自北西方向龍門山斷裂帶和北東方向大巴山—米倉山山脈的兩個物源的協(xié)同供給，不同時期來自兩個物源的河流—三角洲體系的進積、退積作用各不同[25]。受湖平面升降和物源供給量的影響，須二段不同砂組的砂體分布區(qū)域和沉積規(guī)模(如疊置河道的寬度等)也存在差異性(圖4)。

圖4 新場地區(qū)須二段地震TMR屬性地層切片

須二段初期沉積時期，新場西側(cè)顯示物源砂體進積，地層厚度表現(xiàn)為西邊厚、東邊薄。如TX27砂組，通過統(tǒng)計巖性錄井和測井解釋結(jié)果，新場西部的XIAOS1井疊置河道厚度為72 m；中南部CX565井和中北部X501井砂體厚度減小，為30～50 m；東部X601井、XC6井過渡為河道邊緣，砂厚均小于10 m。可見該砂組沉積時期的西北部物源區(qū)對新場地區(qū)的影響很強，砂體以疊置河道為主，主要出現(xiàn)在研究區(qū)西側(cè)，東部的疊置河道規(guī)模較小，主要為河道邊緣沉積(圖5a)。

須二段沉積中期，砂體沉積明顯表現(xiàn)出受西北方向龍門山與東北方向大巴山—米倉山雙向物源供應(yīng)。如TX24砂組是新場地區(qū)最為富砂的砂組，新場地區(qū)地勢坡度較緩加上河道頻繁改道使得研究區(qū)砂體厚度大、連續(xù)性較好，如西部XIAOS1井砂厚達到100 m；中部XINS1井的砂厚也為75 m；東部X601井的砂厚達到60 m左右(圖5b)。砂體沉積類型主要是疊置河道，由于湖岸線的后退，研究區(qū)南部出現(xiàn)河口壩、分流間灣沉積。TX24砂組是新場須二的主力產(chǎn)層之一，如X2井、X851井等均是高產(chǎn)井，這些井揭示砂體均為高能河道優(yōu)質(zhì)儲層，粒度以粗粒和中粗粒砂巖為特征，層理類型以千層餅/平行層理、槽狀交錯層理為主。

圖5 新場地區(qū)須二段重點砂組砂體類型分布及遷移特征

須二段沉積后期，新場地區(qū)東部的砂體范圍逐漸增大，而西部沉積的砂體明顯減少，供給水系源區(qū)從北西向北東發(fā)生改變[25]。如TX22砂組，東部X601井的疊置河道砂厚達到83 m，向西過渡為河道邊緣，砂厚只有不到10 m，進一步轉(zhuǎn)變?yōu)榉至鏖g灣沉積，泥質(zhì)含量高(圖5c)。TX22砂組也是新場須二段產(chǎn)氣的主要貢獻層段，如L150井為中產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)井，該砂組產(chǎn)層段表現(xiàn)為中—高能河道優(yōu)質(zhì)儲層，屬于大巴山—米倉山物源長距離搬運沉積，粒度多為中粒砂巖，層理類型以塊狀層理和斜層理為主。

4 砂體定量地質(zhì)建模

根據(jù)砂體沉積充填演化和分布規(guī)律的定性認識，為了進一步定量化井間砂體的分布，建立符合實際并具有預(yù)測意義的砂體類型三維地質(zhì)模型。由于新場須二段氣藏儲層非均質(zhì)性強，簡單的砂泥巖模型難以控制儲、滲性質(zhì)的變化，因此，基質(zhì)儲層建模要以優(yōu)質(zhì)儲層為目標(biāo)。而對致密砂巖氣藏來說，砂體類型是控制物性甜點發(fā)育的根本因素，巖石相分布及成巖作用均與砂體類型密切相關(guān)[26]。

本次研究砂體類型模型是在砂泥巖模型基礎(chǔ)上建立的，目的是避免兩個模型的砂體出現(xiàn)“沖突”。因此，總的模擬思路是先建立砂巖模型作為一級相，在砂巖相模型基礎(chǔ)上，采用多級相控，將不同類型砂體作為二級相進行模擬。

4.1 基于地震砂厚趨勢約束的砂泥巖模型建立

分別提取須二段TX21—TX210各砂組層段內(nèi)的TMR屬性，利用地震屬性計算變差函數(shù)參數(shù)，獲取各個砂組的沉積主次方向和變程數(shù)據(jù)。分析對比各砂組地震屬性值與砂組總砂厚的關(guān)系，各砂組按照地震屬性與總砂厚的相關(guān)關(guān)系，將TMR地震屬性值轉(zhuǎn)換為砂體厚度值，得到各個砂組的基于地球物理預(yù)測的砂體厚度趨勢分布。砂厚趨勢體能夠在三維空間上反映砂體沉積量的變化，用其作為建模的輔助數(shù)據(jù)對砂巖的空間分布進行協(xié)同約束，在構(gòu)建砂巖三維模型時，使其既能體現(xiàn)出砂泥巖分布的規(guī)律性，同時也能保證井?dāng)?shù)據(jù)的一致性。

該砂厚趨勢體并非真實的砂體厚度分布，而是地震屬性響應(yīng)出的砂體沉積趨勢。由于不同砂組的砂泥巖充填沉積特征不同，其協(xié)同約束的相關(guān)度仍需要根據(jù)區(qū)域地質(zhì)背景以及鉆井實際獲取的砂泥巖沉積充填演化規(guī)律進行校正(圖6)。不同砂組地震對砂厚的響應(yīng)程度不同，如TX22砂組的TMR屬性與總砂厚相關(guān)關(guān)系最好，相關(guān)性為0.83，則地震砂厚趨勢協(xié)同約束的相關(guān)度可設(shè)為0.83。

圖6 新場地區(qū)須二段各砂組地震屬性砂厚趨勢及變差函數(shù)

根據(jù)測井解釋的砂泥巖性結(jié)論，將砂泥巖性數(shù)據(jù)離散進已經(jīng)搭建好的地層網(wǎng)格系統(tǒng)中，作為建模的條件數(shù)據(jù)，分砂組采用序貫指示的方法進行建模。在模擬過程中，調(diào)用相應(yīng)砂組的變差函數(shù)參數(shù)作為地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的計算輸入數(shù)據(jù)，調(diào)用相應(yīng)砂組的地震砂厚趨勢作為協(xié)同數(shù)據(jù)參與計算，最終構(gòu)建砂泥巖展布地質(zhì)模型(圖7a)。

4.2 基于多點地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的砂體類型模型建立

多點統(tǒng)計地質(zhì)建模方法應(yīng)用“訓(xùn)練圖像”代替兩點統(tǒng)計建模方法里的變差函數(shù)，來表征地質(zhì)變量的空間結(jié)構(gòu)和變化，可以克服傳統(tǒng)兩點統(tǒng)計地質(zhì)建模方法不能較好再現(xiàn)地質(zhì)體空間幾何形態(tài)的不足[27]；同時，多點統(tǒng)計地質(zhì)建模方法采用基于象元的序貫?zāi)M過程，而非基于目標(biāo)的隨機模擬方法的迭代試錯的模擬過程，容易條件化井?dāng)?shù)據(jù)和其他地質(zhì)信息，提高計算效率[28]。就新場地區(qū)須二氣藏而言，多點地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法模型優(yōu)點是以訓(xùn)練圖像代替變差函數(shù)，模型既完全符合單井砂體類型的解釋數(shù)據(jù)，不同類型砂體之間分布能夠體現(xiàn)出整體的沉積特點和演化規(guī)律。因此，為了更合理地建立砂體類型模型，本次采用多點地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法進行模擬。

由于新場地區(qū)須二段三角洲平原—三角洲前緣沉積背景下各別砂組(如TX22砂組)砂體類型的序列變化具有不平穩(wěn)性，采用傳統(tǒng)的多點地質(zhì)統(tǒng)計算法(如Snesim算法[29])會造成模擬出的砂體類型在空間的接觸關(guān)系不合理并且模擬目標(biāo)不連續(xù)。為了解決訓(xùn)練圖像平穩(wěn)性、儲層形態(tài)再現(xiàn)、多尺度地質(zhì)體再現(xiàn)、計算效率提升等問題，本次應(yīng)用基于圖型矢量距方法(PVDsim)進行模擬。PVDsim算法在訓(xùn)練圖型和數(shù)據(jù)事件矢量距離計算的基礎(chǔ)上，采用二次匹配方式通過矢量距離對數(shù)據(jù)事件與訓(xùn)練圖型的相似度進行度量，最終確定與數(shù)據(jù)事件相似度最大的訓(xùn)練圖型[30]，新算法顯著降低了訓(xùn)練圖型選取的不確定性，所建模型更符合地質(zhì)認識。根據(jù)鉆井砂體類型解釋數(shù)據(jù)，以各砂組平面砂體類型展布作為該砂組模擬時的訓(xùn)練圖像(圖5)，采用基于PVDsim算法的多點地質(zhì)統(tǒng)計方法，分砂組模擬砂體類型在三維空間的定量分布(圖7b)，結(jié)果顯示該模型既符合單井砂體解釋，井間符合訓(xùn)練圖像表達的不同砂體沉積之間的空間結(jié)構(gòu)，縱向上保持了沉積連續(xù)型。

圖7 新場地區(qū)須二段砂體類型分布模型

5 模型驗證與應(yīng)用意義

建立的砂體類型模型需要對其在三維空間的分布狀態(tài)進行檢驗。其合理性檢驗重在評價各個類型砂體的分布是否符合沉積規(guī)律。由于本次建模過程中，砂泥巖相作為一級相首先被建立，砂體類型為二級相，即疊置河道、河道邊緣和河口壩均在砂巖相中進行模擬。因此，各個類型砂體的分布均要在砂巖相中，分流間灣因含有更多的泥質(zhì)成分，在砂巖和泥巖相中均會進行部分模擬。

不同類型砂體在沉積上需遵守沉積規(guī)律，如在三角洲前緣沉積中，疊置河道往往沉積于水動力較強的區(qū)域，平面上近疊置河道中心部位物性更好，中粗砂巖發(fā)育(圖8a)。向疊置河道外側(cè)應(yīng)該是河道邊緣砂體，這部分砂體中，細砂巖逐漸占比增多。在砂體類型模型的基礎(chǔ)上，可以再次通過相控約束，進一步建立不同粒度砂巖的三維分布模型，能夠更精確表征和預(yù)測不同巖性的空間分布(圖8b)。通過后期新鉆的X10-2井在不同砂體類型和不同粒度巖性模型中顯示，射孔層段揭示了中、粗砂巖較好的巖石相，進一步統(tǒng)計孔隙度介于3%～4%和4%～5%的儲層厚度，模型吻合率在80%以上。

圖8 須二段砂體類型與粒度巖性模型剖面

傳統(tǒng)方法建立的離散相模型其分布隨機性較強，很難保證各類型砂體之間接觸關(guān)系的合理性。本次砂體類型建模流程中，用沉積規(guī)律進行約束，通過多級相控和多點地質(zhì)統(tǒng)計的方法達到控制砂體類型分布的目的。通過提取模型中各個砂組的每一類型砂體的模型厚度分布圖，可進一步分析不同砂體類型沉積厚度和沉積范圍。通過平面和剖面分析，模型中所體現(xiàn)的砂體類型分布符合沉積規(guī)律，即在砂巖相中，基本呈現(xiàn)出疊置河道—河道邊緣—分流間灣的連續(xù)分布(圖7c)，且砂體類型的變化過程也充分體現(xiàn)了其粒度、巖性、物性的變化特征。

川西坳陷須二段儲層含氣普遍，前期勘探開發(fā)實踐表明，孔、滲性良好儲層(優(yōu)質(zhì)砂體)的廣泛發(fā)育是油氣穩(wěn)產(chǎn)、形成具有較高經(jīng)濟開采價值氣藏的基礎(chǔ)。新場地區(qū)須二段不同期次三角洲或同一期次不同物源方向三角洲沉積規(guī)模、能量、巖性及儲層物性的差異性，是造成不同沉積儲集體油氣產(chǎn)能差異的重要因素[31]。中亞段三角洲來自北西、北東兩個物源，水上/水下分流河道砂體分布廣、厚度大，疊置河道的粗粒砂巖占比相對較高，儲層質(zhì)量最好，是須二段油氣勘探開發(fā)的主要目標(biāo)。上亞段三角洲砂體來自北東長軸物源，主要分布在新場地區(qū)東部，砂質(zhì)純，物性較好，精細刻畫北東方向上的疊置河道砂體分布是上亞段油氣開發(fā)的研究目標(biāo)。下亞段三角洲以北西短軸物源供給為主，成分和結(jié)構(gòu)成熟度相對低，儲層質(zhì)量差，尋找物性相對優(yōu)質(zhì)的疊置河道砂體是該亞段油氣開發(fā)的研究目標(biāo)。

本文基于砂體類型充填特征的定性分析，建立了定量化的砂體類型空間展布地質(zhì)模型?；谠撃Ｐ涂梢暂^為準(zhǔn)確刻畫不同砂體類型的空間分布，定量化分析不同層段內(nèi)的相對優(yōu)質(zhì)砂體(如疊置河道)的分布，為后期井位部署、優(yōu)化開發(fā)方案可提供模型依據(jù)。

6 結(jié)論

1)須二段沉積時期，新場地區(qū)主要發(fā)育一套以辮狀河三角洲為主的中—粗粒沉積體，砂巖厚度大、平面分布廣泛，進一步分出疊置河道、河道邊緣、分流間灣和河口壩4種砂體沉積類型，并以三角洲水上/水下疊置河道沉積為主。

2)TMR屬性可較好反映并識別新場地區(qū)須二段砂泥巖沉積，其地層切片顯示新場須二段不同砂組砂體分布區(qū)域和沉積規(guī)模具有差異性。須二段沉積早期，疊置河道主要發(fā)育在新場地區(qū)西部，砂體厚度超60 m，東部河道規(guī)模小；須二段沉積中期，疊置河道砂體規(guī)模最大，砂體厚度普遍在50 m以上；須二段沉積后期，物源從北西向北東遷移，新場地區(qū)東部的疊置河道規(guī)模更大，西部以泥質(zhì)沉積為主。

3)對致密砂巖儲層的相建模要以優(yōu)質(zhì)巖相為目標(biāo)，通過地震砂體預(yù)測約束，序貫指示方法建立砂泥巖相模型，應(yīng)用多級相建模思路，以不同類型砂體展布為訓(xùn)練圖像，采用多點地質(zhì)統(tǒng)計方法建立砂體類型定量分布模型。建立的砂體類型模型在空間中遵守沉積規(guī)律，具有更合理的各類砂體之間的接觸關(guān)系，并為優(yōu)質(zhì)儲層定量刻畫及預(yù)測提供模型基礎(chǔ)。