蘇里格地區上古生界辮狀河心灘定量表征影響因素探討

楊 博,王樹慧,王文勝,白玉奇,馬志欣,張 晨，高庚庚

(1.西北大學 大陸動力學國家重點實驗室/地質學系,陜西 西安 710069；2.中國石油長慶油田分公司 低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室/勘探開發研究院,陜西 西安 710018；3.延長油田股份有限公司 下寺灣采油廠，陜西 延安 716000)

儲層構型是不同層級儲集單元與隔夾層的形態、規模、方向及空間疊置關系[1-5]。儲層構型理論的提出為定量地表征儲層空間展布提供了思路,從層次結構角度對構成單元的形態、規模、方向及疊置關系進行研究,最終達到精細刻畫內部非均質性的目的[6- 7]。很多學者利用其作為主要技術手段,分別對不同類型的沉積體系開展了大量研究,并建立了對應的儲層構型模式及地質知識庫。在河流相儲層研究中,辮狀河因河道的持續改造和頻繁遷移,造成不同期次河道沖刷疊置,使得砂體內部結構復雜,給構型研究帶來一定困難[6-11]。因辮狀河儲層在各類油氣儲層中占有重要地位[12],尤其以心灘為辮狀河沉積的主要儲集砂體[4, 8, 11-13],近年來,其從定性研究逐步向定量表征發展,相關的研究成果大量涌現，且技術日趨成熟[14-21]。何宇航等通過水槽物理模擬實驗,研究了心灘壩的發育特征，并得到了心灘寬厚比等定量參數[22];孫天建以現代沉積和野外露頭模式為指導,結合經驗公式,在單井識別構型界面的基礎上,定量表征了心灘規模[23];陳彬濤等采用露頭實測、精細構型解釋的方法,對構型單元進行了系統識別,并測得了心灘構型單元的規模[4];牛博等基于密井網對地下辮狀河心灘進行了構型解剖,總結了心灘的構型沉積模式，并對規模進行了統計[8, 24-27]。心灘的定量化表征正呈現出多方法協同約束的態勢,其結果的準確性將直接影響對地下心灘砂體分布的預測。

地下儲層砂體展布的形態規模是客觀存在的,因此，對于相同地區定量表征的結果應不斷趨近并保持一致。從前人的研究成果不難看出,不同地區、不同類型的心灘發育規模差異明顯;但對同地區而言,不同學者對心灘解剖的規模也有所不同[7-8, 24]。因此,本文以蘇里格氣田不同密井網區為例,從構型解剖的規模差異著手,分析影響解剖結果的因素,并嘗試對各因素的影響程度進行探討,系統梳理定量表征地下構型單元的思路,以進一步提高定量表征的準確程度,客觀還原地下儲層的展布特征,明確心灘砂體的分布規律,為優化水平井設計和指導井位部署提供依據。

1 區域地質概況

蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地西北部,勘探面積約4×104km2,地質構造屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西部,整體表現為西傾的大型平緩斜坡,主要發育大型陸相致密砂巖氣藏[28-32,28-34]。其中，上古生界自下而上可分為石炭系本溪組,二疊系太原組、山西組、石盒子組和石千峰組,石盒子組又可自上而下進一步劃分出盒1至盒8含氣層段,山西組則可細分為山1和山2兩個含氣層段。其中，下石盒子組盒8段和山西組山1段是蘇里格氣田的主力含氣層位[27, 35]。

蘇里格氣田在不同區塊先后開辟多個密井網試驗區進行研究,為辮狀河儲層構型解剖提供了有利條件。各試驗區的概況如表1所示。各試驗區具有相同的地質背景,均位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡的西北部(見圖1),上古生界構造平緩,平均坡降為3～8 m/km[8]。前人研究成果表明,研究區盒8下段屬于辮狀河三角洲平原亞相中的辮狀河沉積,因處于三角洲沉積的陸上部分,沉積環境特征與上游河流相近似,包含辮狀河道、溢岸、泛濫平原亞相,心灘及辮狀水道是主要的沉積微相[7]；儲層巖性以中—粗粒巖屑石英砂巖和細—中粒巖屑砂巖為主,孔隙結構以巖屑溶孔、晶間孔等次生孔隙為主,平均孔隙度為9.6%,平均滲透率為0.71×10-3μm2,儲層致密且非均質性強[8]。

表1 各密井網試驗區概況Tab.1 General situation of development in each infill well pattern

圖1 各密井網試驗區位置圖Fig.1 Location map of each infill well pattern

2 心灘構型特征及規模

本文在前人研究的基礎上,以各密井網區心灘構型解剖的定量結果為基礎進行分析對比，而對構型單元的解剖過程不作闡述。

2.1 沉積演化模式

砂質辮狀河的沉積物以底負載搬運為主,并隨水流向下游方向搬運,該過程也是心灘的形成與演化過程。沉積數值模擬與現代沉積分析研究表明,心灘的發育演化主要表現為4種過程:①心灘形成并不斷垂向順流加積、向下游方向遷移的生長過程;②心灘受辮狀水道的流向影響,側向加積的遷移過程;③心灘尾部沉積物卸載,填充水道并與下游心灘相連,形成復合心灘的過程;④心灘穩定時,受頂部低洼處水流的沖刷,逐漸侵蝕,形成串溝,切割心灘的過程[11]。上述4種表現過程無時間次序,各過程同時存在,最終形成的規模形態與沉積底形、水動力條件及沉積速率有著密切的關系,實際形成的心灘，內部結構復雜,平面展布形態各異。因此，總結出對地下構型解剖具有指導意義的心灘沉積模式非常重要。陳薪凱等總結提出了適用于油氣藏描述的4種辮狀河心灘簡易模式,即垂向加積模式、辮狀—曲流轉換模式、偏心半橢球模式、復雜構型模式,其中后兩種模式為目前引用較多的沉積模式[36]。綜合國內學者有關密井網解剖研究成果[25]可知，心灘順水流方向上具有整體平緩前積、內部陡角前積的特點,垂直水流方向主要存在垂向與側向加積模式;落淤層分布在不同期次增生體界面之間,連續性較好,主要發育于心灘尾部(見圖2)。

圖2 心灘沉積模式(據文獻[24])Fig.2 Depositional model of channel bar

2.2 構型單元特征

在野外砂質辮狀河露頭中,垂向加積和順流加積的心灘巖性以粗砂巖—中砂巖為主,由下至上依次發育槽狀交錯層理、下截型板狀交錯層理和平行層理,頂部的平行層理中，局部可見沖刷現象和礫石,粒序韻律特征不明顯;側向加積的心灘巖性主要表現為中砂巖,主要發育槽狀交錯層理、下切型板狀交錯層理,多發育有泥質夾層[22]。因此，在測井曲線上,自然伽馬一般呈現箱形或者多個箱形組合的特征,鐘形不明顯。由于野外露頭觀測的局限性,很多學者意識到，在心灘不同位置上，其巖性、粒序與測井響應是有所差別的。隨著心灘向下游或側向的遷移,心灘尾部和側翼表現出夾層發育、粒序韻律變化的特征,自然伽馬形態鋸齒化,呈現疊合鐘形或漏斗形的特征[27, 37]。

心灘內部由多期增生體構成,各級增生體發育在高水位時期,當處于兩期洪泛之間的較低水位時,心灘頂部會接近水面或高出,沉積形成落淤層。其主要見于各級增生體的分界處,巖性主要為泥質或粉砂質細粒沉積,厚度較薄；在心灘迎水流方向受到不斷沖刷,難以保存,而尾部得以保留發育；自然伽馬曲線返回高值，同時自然電位曲線也見輕微回返[25]。

2.3 心灘規模特征

為了直觀地對各密井網區的心灘規模進行對比,現選取同一單層,將識別出的心灘寬度與長度作散點分布,其結果如圖3所示。

圖3 各密井網試驗區心灘寬度與長度關系圖Fig.3 Relationship between width and length of channel bar in each infill well pattern

從圖3中可以看出,心灘的寬度與長度有著較好的正相關性,同時，各密井網區的心灘規模差異明顯,其中蘇A密井網區的心灘寬度集中于200～400 m,長度集中于400～800 m;蘇B密井網區心灘寬度集中于400～600 m,長度集中于600～1 000 m;蘇C密井網區心灘寬度集中于500～800 m,長度集中于800～1 500 m。

3 影響因素分析

針對上述不同密井網區心灘規模表現出的差異性，多角度對其差異合理性展開分析對比,并結合相關學者的研究成果,探討影響心灘規模的因素。研究認為，其影響因素主要有地質因素、井網密度因素、平面組合及邊界識別因素以及解剖面角度因素。

3.1 地質因素

心灘砂體在辮狀河中發育,而辮狀河在形成的過程中,會受到來自構造運動、沉積環境等多種因素的影響,這些都對最終形成的心灘規模起到了決定性的作用。而心灘砂體一旦形成,其規模形態即是客觀存在的,不會隨研究方法的不同而發生變化,因此，地質因素從根本上直接控制了心灘的規模。

1)構造運動因素。構造的抬升將直接引起地形坡度的變化,同時也是河型轉化的控制因素。上游的近源辮狀河水動力強,河道沖刷下切作用明顯,形成的心灘規模較小且不穩定,長寬比較高;對于遠源辮狀河,當地勢呈現變緩趨勢時,水動力變弱,攜帶的大量沉積物卸載,常形成相對穩定且規模較大的心灘。李海明等利用現代辮狀河沉積的衛星照片，定量分析對比了近源與遠源兩種類型辮狀河的沉積特征。從其研究成果中可知，上游心灘的規模遠小于下游心灘[38](見圖4，5)。

圖4 近源辮狀河心灘寬度與長度的關系(據文獻[37])Fig.4 Relationship between width and length of near source braided river channel bar

圖5 遠源辮狀河心灘寬度與長度的關系(據文獻[37])Fig.5 Relationship between width and length of far source braided river channel bar

2)沉積環境因素。沉積環境的影響主要體現在氣候條件的周期性變化,直接影響著河流水量的大小;當河流水量增大時,尤其在洪水期,上游攜帶的大量沉積物在心灘形成部位進一步堆積并向下游生長推進。由此引發的沉積事件也對心灘的規模起到決定性作用。張善義等將河流分為幼年期、青年期、壯年期、衰老期4個時期來對心灘規模的變化進行研究,受河水能量影響,不同時期形成心灘的寬度、厚度及長度規模及相關性不同[39]。其研究成果表明,在青年期與壯年初期,河水能量大,是心灘生長的主要時期,垂向厚度迅速增加,長寬比大,寬厚比小;在壯年末期及衰老期時,心灘垂向生長速率變慢,主要以寬度增加為主,長寬比小,寬厚比大(見圖6)。

圖6 心灘壩沉積厚度、寬度及垂向沉積速率關系示意圖(據文獻[38])Fig.6 Relationship between the thickness, width and vertical deposition rate of the channel bar

雖然目前采用“將今論古”的思路,通過野外露頭、現代河流沉積等手段對心灘規模進行了測量分析,并用于限定具有類似條件下的心灘規模,但受限于測量對象的不同,規模范圍變化較大,難以實現針對研究區規模的客觀反映。因此，應基于不同地區不同時期的野外露頭、現代河流對比,同時輔以變沉積條件的水槽實驗、沉積模擬等手段對影響程度進行定量化研究,才可以通過還原研究區的沉積環境,對形成的心灘規模進行有效限定,提高精度。

3.2 井網密度因素

蘇A與蘇B兩個密井網區相鄰,同時期沉積環境一致,在地質因素的影響下,真實形成的心灘規模差異不應過大,但從前文對心灘規模的統計中可以看出,蘇A與蘇B密井網區心灘規模差異明顯。蘇C密井網區位于東北部,更靠近北部物源區,屬于相對上游段,從心灘生長角度看,其形成的心灘長寬比應較高且規模小,但實際解剖的結果顯示,該密井網區的心灘規模反而遠大于蘇A與蘇B密井網區。這兩種差異的合理性存在一定問題,因此要進一步考慮各密井網區井控程度的影響。

采用心灘統計的方法,對識別出心灘的單井與鄰井的井距和排距進行散點分析,其結果如圖7所示。由圖7可以看出，其分布特征與心灘規模特征有著較好的一致性。蘇A井網密度最大,井距與排距最小,其解剖的心灘規模也最小。而蘇B與蘇C的井距與排距較大,其解剖結果也偏大。趙翰卿等以大慶薩北地區為例，分析了不同密度井網對各類河道砂體的控制程度,在500 m×500 m的井網密度下,平均控制程度只有42.8%,隨著井網密度的增大,控制程度變大[40]。劉可可等模擬了不同井網密度下對河道砂體的控制程度后得知，隨著井網密度的增大,識別出河道的個數增多且規模變小。因此，井網密度在客觀上直接影響了心灘解剖的規模[41-42]。

圖7 各密井網區井距與排距關系圖Fig.7 Relationship between the well spacing and row spacing in each infill well pattern

圖8 不同井距對心灘寬度的影響程度Fig.8 Influence degree of different well spacing on the width of the channel bar

為了探討井距與排距對心灘規模的影響程度,假設心灘寬度實際為200～800 m,以100 m為間隔進行抽稀,做井距與最大影響程度的趨勢線(見圖8);同理，假設心灘長度實際為800～2 000 m,以200 m為間隔進行抽稀,做排距與最大影響程度的趨勢線(見圖9)。從圖8，9中可以看出,隨著井、排距的增加,心灘規模變小,其影響程度變大;當井、排距分別超過心灘的寬度與長度時,其影響程度呈線性增加;當井、排距小于心灘規模時,影響程度在一定范圍內呈波動變化趨勢。以井網500 m×600 m,實際心灘600 m×1 400 m為例,寬度的最大影響程度為150%,長度的最大影響程度為71%。因此，井網密度對解剖規模的影響是客觀存在的,影響程度視實際心灘規模有所不同。

圖9 不同排距對心灘長度的影響程度Fig.9 Influence degree of different row spacing on the length of the channel bar

雖然井控程度越高,解剖的結果也越真實(每一次加密都可以提高認識精度),但是，在考慮經濟性的前提下，井網也不可能無限加密[17]。因此,當現有井網密度無法對心灘規模起到控制的情況下,僅通過相對的密井網解剖獲得心灘規模的方法是存在不確定性的,應主要結合實際生產用于驗證。

3.3 平面組合及邊界識別因素

蘇B與蘇C密井網區的平均井網密度相近,且蘇C密井網區的井網更為均一,但從解剖規模的結果看,蘇C密井網區的心灘規模整體大于蘇B。目前，在野外露頭觀察的基礎上,根據巖電響應特征,識別單井鉆遇的心灘,特別是對心灘不同位置的識別都較為準確[14,20,25,29]。因此，造成這種結果的原因主要是由心灘平面組合及邊界識別差異引起。

在平面組合中,當心灘實際寬度超過一個井距時,若組合如圖10b所示,則會造成解剖結果偏小;當心灘實際寬度小于一個井距時,若組合如圖10a所示,又會造成解剖結果偏大。因此可知，平面組合的合理性直接影響著解剖結果。只有不局限于少數鄰井,對心灘發育及展布具有宏觀概念的平面組合才能有效降低其影響程度。

邊界的識別同樣對解剖規模有著不可忽視的影響。如圖11所示,同樣的解剖因為邊界位置的不同,會出現類似A，A′甚至更多的解剖結果,在對實際心灘規模未知的情況下,無法判斷哪一種解剖結果更接近實際。井距越大，其影響程度也越大。

a 判斷為同一心灘b判斷為不同心灘圖10 心灘平面組合方式Fig.10 Plane combination mode of channel bar

圖11 邊界不同的心灘規模Fig.11 The scale of channel bar on different boundaries

以往對邊界的識別往往是通過經驗法(如劉博等認為，井與井之間心灘沉積的長度與寬度一般最大為井間距離的1/3[43]),這使得不同學者解剖得到的結果千差萬別。而通過落於層的傾角,結合增生體厚度,對準確識別邊界是有重要意義的(見圖12)。牛博等根據心灘內部落於層發育的特征,對落於層進行識別并測得了其傾角[23, 25, 44]。何宇航等通過水槽實驗,也測得了落於層的傾角[22]。因此可知，通過加強對落於層的研究,可以有效提高心灘的解剖精度。

圖12 落淤層估算心灘寬度示意圖(據文獻[6，24]修改)Fig.12 Schematic diagram of the estimated width of the channel bar in silt layer

3.4 解剖面角度因素

在利用密井網剖面對心灘規模進行測量時,剖面的角度與實際心灘長短軸方向的一致性會對解剖規模產生影響。

如圖13所示,若測量剖面為A到B,實際心灘長軸展布方向為A到C,測量結果明顯偏小,且實際規模越大,夾角α越大,其影響程度越大。因此，在井網一定的條件下,沉積時期古流向的研究則顯得尤為重要，其決定了心灘的發育方位。解剖過程中,要將平面和剖面進行結合,注意其整體性;對于角度偏差較大的剖面,可對測量結果進行校正。

圖13 心灘測量誤差示意圖Fig.13 Schematic diagram of measurement error of channel bar

4 定量表征的思路探討

雖然心灘規模定量表征的精確度受多種因素的共同影響,但通過提高各表征環節的精度,可以有效降低誤差,逐步逼近實際心灘規模。

1)結合野外露頭、巖心及分析化驗資料,以沉積環境、古地貌、古流向及水動力等為主要研究方向,結合沉積數值模擬,演化還原相應時期研究區的地質背景,用以確定形成的心灘模式特征及規模。此項研究對心灘的解剖尤為重要,可作為平面組合及模式擬合的重要依據。

2)要對相同背景下且未受人類活動影響的現代河流沉積及野外露頭開展樣本測量,以定量化研究為主,得到統計數據,并進行相關性分析。同時，進一步限定鉆遇心灘單井的平面組合方式及規模。

3)定量表征心灘時,對落於層的研究同等重要。單井資料中，砂體厚度及構型界面的識別可靠性較高,應以此為主要突破,利用厚度,尤其是落於層,對邊界進行精確定位,提高解剖結果的確定性及準確性。

4)在井網密度不足以控制實際心灘規模的條件下,通過相對密井網資料解剖的沙灘規模具有多解性,且準確程度偏低(可重點用于對規模的驗證)，要輔以干擾試驗及水平井鉆遇資料,對解剖規模進行修正。

5 認識與結論

1)影響辮狀河心灘定量表征的因素主要有地質因素、井網密度因素、平面組合及邊界識別因素、解剖面角度因素。其中，地質因素起決定性作用,解剖面角度因素影響最低。

2)通過密井網資料對心灘規模進行解剖,若井網密度對實際心灘規模控制不足,其解剖結果具有多解性。表征重點應以還原心灘形成時期的地質背景為方向,定量分析環境因素變化時對心灘規模的影響;同時，充分運用野外露頭及現代河流沉積分析等手段,限定心灘規模;加強對落於層的研究,對邊界進行精準識別。

3)心灘演化的過程復雜,同時期單一心灘與復合心灘共存。因復合心灘的規模更大,更易被井網控制,應加大對復合心灘的研究,以期指導實際生產。