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(kuò)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(jì)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(shí)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(diǎn)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(jìn)行橫向預(yù)測[11-12]。然而，由于致密砂巖儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，僅采用單一手段難以對不同類型砂體的空間分布進(jìn)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(yáng)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(yùn)動以來，經(jīng)歷了燕山、喜山等多期構(gòu)造運(yùn)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(xiàn)[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(jìn)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(rèn)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(qiáng)。

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(jìn)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(xì)—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(diǎn)”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(xì)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(xì)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(xì)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(qiáng)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(yùn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)一步統(tǒng)計(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)積，地層厚度表現(xiàn)為西邊厚、東邊薄。如TX27砂組，通過統(tǒng)計(jì)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?？梢娫撋敖M沉積時期的西北部物源區(qū)對新場地區(qū)的影響很強(qiáng)，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(dá)到100 m；中部XINS1井的砂厚也為75 m；東部X601井的砂厚達(dá)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(diǎn)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(dá)到83 m，向西過渡為河道邊緣，砂厚只有不到10 m，進(jìn)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(xiàn)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(yùn)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(rèn)識，為了進(jìn)一步定量化井間砂體的分布，建立符合實(shí)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(qiáng)，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(diǎn)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(jìn)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(jì)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(jìn)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(shí)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(shí)際獲取的砂泥巖沉積充填演化規(guī)律進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jì)學(xué)的計(jì)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(jì)算，最終構(gòu)建砂泥巖展布地質(zhì)模型(圖7a)。

4.2 基于多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的砂體類型模型建立

多點(diǎn)統(tǒng)計(jì)地質(zhì)建模方法應(yīng)用“訓(xùn)練圖像”代替兩點(diǎn)統(tǒng)計(jì)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(diǎn)統(tǒng)計(jì)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(diǎn)統(tǒng)計(jì)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(jī)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(jì)算效率[28]。就新場地區(qū)須二氣藏而言，多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法模型優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)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(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)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(jì)算效率提升等問題，本次應(yīng)用基于圖型矢量距方法(PVDsim)進(jìn)行模擬。PVDsim算法在訓(xùn)練圖型和數(shù)據(jù)事件矢量距離計(jì)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(jìn)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(rèn)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(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)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(dá)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(yàn)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(jìn)行檢驗(yàn)。其合理性檢驗(yàn)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(xì)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(jìn)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(jìn)一步統(tǒng)計(jì)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(jī)性較強(qiáng)，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(jìn)行約束，通過多級相控和多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)的方法達(dá)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(jìn)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(shí)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(jì)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(xì)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(jìn)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??；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(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)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)。