基于源—匯系統的砂體分布預測與三維地質建模
——以四川盆地川西坳陷新場構造帶須二段為例

商曉飛 李 蒙 劉君龍 段太忠

中國石化石油勘探開發研究院

0 引言

四川盆地天然氣資源豐富，氣藏類型眾多，其中川西坳陷上三疊統須家河組（T3x）致密砂巖氣藏是天然氣勘探開發的重要目標[1-2]。川西坳陷中段須家河組已發現的天然氣儲量主要集中在近EW走向的孝泉—新場—合興場—豐谷構造的新場構造帶，縱向上主要分布在須家河組二段（以下簡稱須二段，T3x2），其次為須家河組四段（以下簡稱須四段，T3x4）。新場氣田須二段氣藏是典型的致密砂巖氣藏，累計提交天然氣探明儲量已超過 1 600×108m3，然而由于儲層非均質性極強，實際動用程度不到10%。針對該類氣藏的儲層表征與有效開發，關鍵在于尋找物性較好的優質儲層（即“甜點”）。羅龍等[3]研究認為，砂體展布是控制儲滲性質的根本因素，成巖作用及優質儲層發育受控于原始沉積。因此，明確砂體沉積規律，建立精細的砂體三維定量地質模型，是準確刻畫優質儲層的重要基礎和前提。

川西坳陷在須家河組沉積期為典型的前陸盆地。由于揚子板塊向羌塘地塊和昆侖地塊的雙向俯沖作用，導致龍門山北段、米倉山和大巴山山脈繼承性隆升，形成了多物源供給的沉積格局[4]。川西坳陷新場構造帶須二段沉積期為構造活動期，廣泛發育大型河流—三角洲相沉積體系[5-7]。受多方向物源供給控制，砂泥巖沉積在空間上頻繁互層，物性好的砂巖橫向變化快[8]，給須二段的地層對比和儲層預測帶來困難。隨著該區天然氣勘探開發的不斷深入，迫切需要對沉積體系的充填演化特征以及砂泥巖空間分布規律有更清晰的認識。

為此，筆者基于川西坳陷新場構造帶須二段巖心、測井和地震資料分析，對該區須二段記錄的沉積充填特征進行了解析；通過大量的地震屬性與砂體厚度等巖性數據相關性分析，獲取了基于地球物理預測的砂體分布特征，進而構建了源—匯系統模式；并以源—匯系統下砂體展布特征與遷移規律的認識為指導，構建砂泥巖三維地質模型，為砂體空間展布刻畫以及后續的優質儲層模擬、儲滲性質的定量化表征奠定了基礎。

1 地質概況

四川盆地川西坳陷位于揚子板塊西北緣，西鄰龍門山沖斷帶，向外過渡到松潘—甘孜褶皺帶，北東與秦嶺造山帶相接，大致呈北東向延伸，面積約5×104km2，是一個典型的中新生代盆地[9-10]。新場構造帶位于川西坳陷中段（圖1），形成于印支運動早期，構造整體上表現為南翼陡、北翼緩的長垣背斜。新場構造帶內部的次級構造、沉積充填與龍門山沖斷帶的活動密切相關[11]。

須家河組沉積初期，米倉山、大巴山古陸已形成，龍門山逆沖隆升，龍門山北段逐漸凸起，前陸盆地開始形成[12]。須二段沉積期，新場構造帶EW向構造運動進一步加劇[13-14]，并發育一套以辮狀河三角洲相為主的沉積體系，砂巖厚度大、平面分布廣泛，是新場構造帶的主要儲集層[15]。新場構造帶須二段埋深介于4 000 ～ 5 000 m，平均厚度為 600 m，該區西部地層厚度整體比東部大。巖心觀察結果表明，新場構造帶須二段以三角洲前緣亞相沉積為主，其中水下分流河道砂體是主要沉積類型。須二段沉積期，湖平面變化頻繁，三角洲相砂體進、退積作用明顯，多期河道砂體疊置形成復合河道，縱向上砂泥巖相互交織，平面上沉積充填范圍廣（圖1）。

2 層序地層特征

針對新場構造帶須家河組的地質特點，筆者以區域構造背景、地質特點為指導，搭建層序地層格架，制作地震合成記錄，對地質層位和地震界面進行標定。分析結果發現，與陸相須家河組相比，其下伏海相地層（本文指中三疊統雷口坡組，T2l）的聲波時差曲線向低值變化明顯，波阻抗顯著增大，地震剖面表現為強連續反射特征，以此為基礎，對研究區所有過目的層段的鉆井利用聲波時差和密度曲線，進行了精細合成記錄標定，為須二段層位標定奠定基礎（圖2）。

圖2 新場構造帶地震合成記錄圖

須二段底界面為巖性、巖相轉換面，界面之下以須家河組一段（以下簡稱須一段，T3x1）頂部的灰黑色頁巖為主要特征，界面之上則是須二段砂巖，該沉積不整合面的廣泛發育標志四川盆地由晚三疊世早期的海陸過度沉積轉換為陸相沉積，為T6地震反射界面。須二段頂界面是一個巖性由粗轉細的相轉換面，標記為T51地震反射界面，界面之上以須家河組三段（以下簡稱須三段，T3x3）濱淺湖相沉積為主，界面之下則是須二段河流—三角洲相沉積。

通過測井曲線樣式所反映出的巖性突變特征，須二段內部可識別出兩個界面，記為SQB1和SQB2（圖1）。巖心觀察結果發現，SQB1界面之下泥巖呈灰色、灰綠色甚至略帶紫色，之上泥巖為深灰色，代表湖平面快速上升的初始湖泛面。SQB2處自然電位及電阻率曲線平直，泥巖厚度介于5～25 m，全區分布較為穩定。該泥巖之上多為1套厚層砂巖，是湖平面快速上升后開始下降的轉換面。通過層序界面分析，可厘清須二段沉積期湖平面變化（上升—下降）的完整基準面旋回，并由此將須二段分為3個亞段（圖1）。下亞段為湖泊水位上升時形成的沉積，巖性以深灰色厚層泥巖為主，夾薄層粉砂巖和細砂巖沉積，地層厚度自西向東逐漸減薄，平均厚度約為150 m，其內部可細分為4個砂組（T3x210—T3x27）。中亞段沉積初期以泥質沉積為主，中后期開始水退，此時砂體進積，物源供應充足，三角洲相沉積條件好，砂體連續疊置，地層厚度自西向東變化不大，平均厚度約為220 m，整體含砂率高，是新場氣田須二段氣藏的主要產層之一，其內部細分為3個砂組（T3x26—T3x24）。上亞段主要表現為加積式沉積，從砂泥巖薄互層向上過渡到厚層砂巖充填為特征，且砂體沉積較為廣泛，地層厚度自西向東逐漸加厚，平均厚度約為180 m，也是新場氣田須二段的主要產層，其內部也細分為3個砂組（T3x23—T3x21）。

3 砂體地球物理預測

對于河流—三角洲相儲集體，因其沉積時具有平面遷移和縱向進積—退積的變化，采用地質統計規律進行儲層預測存在較大的不確定性[16-17]，但地震資料能夠從三維空間刻畫儲集體的形態[18-19]，是目前分析儲層展布特征的最重要手段之一。

3.1 地震屬性優選

研究區三維地震資料滿覆蓋面積為561.365 km2，采用串聯預測反褶積、道集譜白化等處理技術，目的層信噪比較高，頻帶介于12～50 Hz，頻帶較寬，須二段峰值頻率27 Hz（圖3-a），成像波組連續穩定，在須家河組層間信息豐富。由于新場構造帶須家河組埋深大且巖性變化大，反射振幅總體較弱且變化劇烈（圖3-b），仍需要結合鉆井資料對砂體展布進行預測。

圖3 新場構造帶須二段地震頻譜與振幅圖

在碎屑巖地層中，當較純的砂巖與泥巖充填相互變化時，其地震振幅值會有較大響應[21-22]，為了進一步明確沉積地層的砂泥巖變化規律，著重分析了振幅類屬性與砂體的關系。以須二上亞段為例，該段地層東部砂體更厚、范圍較大。通過振幅類屬性（以上亞段頂、底層面時窗限定）與總砂體厚度的散點交匯統計發現，在振幅類屬性與總砂體厚度有較好相關性的基礎上，可清晰區辨出兩類相關性趨勢（圖4-a）。按不同相關趨勢，對研究區單井進行區分。結果發現，位于研究區東部的井多鉆遇主河道沉積相帶，其在上亞段的總砂體厚度較大，砂泥巖互層數少，平均單砂體厚度大，這部分井的總砂體厚度與振幅屬性的相關性基本都呈現第一類趨勢。位于研究區西部的井在上亞段的總砂體厚度較小，砂泥巖互層數多，平均單砂體厚度小，砂體厚度與振幅屬性的相關性基本呈第二類趨勢（圖4-b）。總體而言，在總砂體厚度相近的井當中，砂泥巖互層數少的井基本呈現第一類趨勢，而砂泥巖互層數多的井為第二類趨勢。因此，在利用地震屬性進行砂體預測的過程中，需要考慮砂泥巖互層數對地震屬性的影響，提高砂體預測準確性。

圖4 新場構造帶須二段上亞段振幅屬性與砂厚的相關趨勢分析圖

波阻抗屬性具有更好的巖性響應，其正負值能夠在一定程度上反映砂泥巖的變化，然而層間平均波阻抗值與總砂體厚度的相關關系并不理想，須二上亞段與中亞段的波阻抗與總砂體厚度相關性分別僅為0.38和0.32。考慮到不同沉積區域的砂泥巖沉積充填樣式存在較大差異，而地層充填結構是造成地震屬性出現變化的一種重要因素，為了避免砂泥巖互層數對地震屬性的影響，進一步提取亞段范圍內的相對波阻抗的正值之和屬性，將該屬性再與總砂體厚度進行相關性分析，其相關關系得到明顯提高，須二上亞段和中亞段的波阻抗正值之和與總砂體厚度的相關性分別達到0.86和0.82（圖5）。因此，筆者選取相對波阻抗的正值之和屬性分析須二段不同沉積時期的砂巖展布。

圖5 新場構造帶須二段波阻抗正值之和屬性與砂體厚度關系圖

3.2 沉積充填演化特征

根據優選的地震屬性，結合巖心觀察和鉆井數據，進一步分析新場構造帶須二段的沉積充填特征，總結沉積演化規律，明確該區沉積物源供給、水系方向、砂體展布形態和規模，為構建研究區源—匯系統提供指導。

新場構造帶須二段沉積早期，陸相湖盆開始發育，但物源供砂能力較弱（圖6-a），該期雖有砂體發育，但總體較薄，粒度向上逐漸變細。鉆井揭示巖性以深灰色泥巖為主，夾有薄層粉砂巖和細砂巖，在縱向上呈現為大段泥巖。在須二下亞段后期，地震數據顯示新場構造帶西部的地層中砂巖比例整體有所增加（圖6-b），反映湖平面下降，沉積物供給速率大于可容納空間增加速率，主要為淺灰色中粒、細粒砂巖，正反韻律特征均很明顯。須二中亞段沉積初期，地震響應的砂巖比例和砂體規模開始下降和減小，湖盆水體開始逐漸變深（圖6-c）。須二中亞段沉積中后期，地震顯示新場構造帶周邊物源供砂能力增強（圖6-d），砂體大面積進積，三角洲相沉積條件好，砂體規模大且易連續堆積，砂地比較高。須二中亞段沉積末期，湖平面快速抬升，形成1套分布廣泛的厚層泥巖（即SQB2層序界面），其低速度低密度特征形成的強振幅反射特征較為明顯（圖6-e）。整個須二中亞段厚度自西向東變化不大，整體砂巖比例率高，巖性以中、粗砂巖為主，尤其T3x2

圖6 新場構造帶須二段波阻抗正值之和地震屬性圖

4砂組的粗砂巖含量在整個須二段占比最高，是新場氣田須二段氣藏的主要產層之一。須二上亞段沉積初期仍以泥質沉積為主（圖6-f），湖平面相對穩定，測井曲線表現為加積式，可見多套薄層泥巖和薄層砂巖互層沉積。須二上亞段沉積中后期，地震顯示新場構造帶東部的砂巖比例迅速增加（圖6-g），巖性主要為淺灰色中砂巖，夾少量粗砂巖。巖性組合和厚度比表明，須二上亞段的沉積是從砂泥巖薄互層向上過渡到厚層砂巖充填為特征，且砂巖沉積較為廣泛。須二段沉積末期，新場構造帶西部泥巖沉積增多，物源輸導體系進一步向北東方向遷移，砂體主要分布在新場構造帶的東部（圖6-h）。

早期研究成果認為，晚三疊世龍門山沖斷帶逆沖推覆作用開始活躍，龍門山地區形成造山帶雛形[23]。在須四段沉積期（距今約215 Ma），龍門山因強烈隆升出露海面構成島鏈，并開始大量供源[10]。川西坳陷須二段砂體仍被認為是主要來自北東方向的米倉山—大巴山山脈的物源。筆者地震沉積分析結果顯示，在須二段沉積早期，川西坳陷新場構造帶西部出現大規模河流—三角洲相沉積體系充填。砂巖的巖石成分主要為長石砂巖、巖屑砂巖，巖屑中可見來自晚古生代的灰質沉積組分，粒度由西向東變細，厚度減薄。說明龍門山沖斷帶在須二段沉積期（距今約223 Ma）的逆沖推覆和隆升作用已初具規模，龍門山在須二段沉積期已出露水面遭受剝蝕，且具有一定的供源能力。因此，川西坳陷須二段存在北東和北西兩個方向的物源水系供給。

4 砂泥巖三維地質建模

由于新場構造帶構造復雜，主要物源在不同層序階段的供應能力存在差異，須二段砂體沉積橫向變化大，為了更好地開發氣田，需要從三維空間中深化對該區沉積充填演化和砂體分布規律的認識，指導建立更符合實際并具有預測意義的砂巖地質模型。

4.1 源—匯系統

“源—匯系統”一詞早期主要應用在地貌學等研究領域，隨著定量沉積學的發展，從造山帶到深海的源—匯系統成為地球科學的重要研究內容。“源—匯系統”指從剝蝕區形成的物源搬運到沉積區或匯水盆地中最終沉積下來的過程[24]。源—匯系統的研究對于定量描述沉積盆地的地層記錄并構建盆地沉積格局具有重要作用。源—匯系統包含了物源區、沉積區和搬運區，其分析方法主要是針對上述要素進行剖析和重建，如剝蝕區地貌恢復、碎屑礦物分析、沉積體積回填、古水動力學研究等等[25-26]。隨著源—匯系統研究的發展，高精度測試技術、高分辨率地球物理預測和三維定量地質建模技術都是源—匯系統分析的重要手段。

結合“源—匯系統”研究思路，很多盆地可能接受來自不同物源區的沉積物供給，并進而劃分出主要的軸向源—匯系統和次要的軸向源—匯系統。在新場構造帶，北西方向靠近龍門山沖斷帶，物源搬運距離近，稱為短軸物源，北東方向物源來自米倉山和大巴山山脈，搬運距離遠，稱為長軸物源。隨著湖平面升降和物源供給程度的變化，河流—三角洲相沉積充填過程會有強弱差異，且在平面展布上會發生遷移。

新場構造帶須二段沉積早期，隨著龍門山沖斷帶逆沖隆升[27-28]，新場構造帶來自北西方向的三角洲相砂體進積更為明顯，而北東方向三角洲相進積作用較弱（圖7-a）。須二中亞段沉積期，北西和北東方向同時具有較強的供源能力，北西方向三角洲相以加積作用為主，來自北東方向的三角洲相砂體也強烈進積（圖7-b）。因須二中亞段沉積末期湖平面迅速抬升，北東和北西方向供源能力極大地減弱，全區三角洲相均迅速退積。須二上亞段沉積期，龍門山沖斷帶構造抬升作用趨于平緩，北西方向供源能力仍較弱，而北東方向三角洲相再次強烈進積（圖7-c）。平面上，須二段砂體呈條帶分布，不同時期河道側向遷移頻繁。須二中亞段因存在北西和北東方向2個物源，砂體最發育，其中T3x24砂組沉積期河道規模最大。須二下亞段以短軸物源供給為主，砂體主要位于構造帶西部，其中T3x27砂組砂體展布范圍最廣。須二上亞段轉為長軸物源供給，東側砂體更發育，其中T3x22砂組的砂體沉積最強。沉積特征方面，須二中亞段中、粗砂巖占比最高，以發育千層餅/平行層理、塊狀層理為特征，須二上亞段以中砂巖為主，基本不發育千層餅，多發育塊狀層理和斜層理，須二下亞段基本為細砂巖。粒度和沉積構造的垂向變化反映了須二中亞段（尤其是T3x24砂組）沉積期三角洲相進積能力最強。

圖7 新場構造帶須二段源—匯系統模式圖

4.2 基于源—匯認識的變差函數擬合

地質建模基于地質統計學理論，通常地質統計分析都是使用硬數據直接建立實驗變差函數[30-34]，筆者本次研究對象為砂泥巖，是與沉積物源方向關系密切的沉積體，其延展方向與河流—三角洲相進積方向一致。須二段內部沉積砂體縱向上多期河道疊置，平面上由西向東遷移、河道呈條帶分布且規模不一。須二下亞段三角洲相砂體主要位于西部，以龍門山短軸物源供給為主，砂體厚度表現為西邊厚、東邊薄，主變程方向介于130°～165°，次變程方向介于40°～75°；須二中亞段砂體發育，T3x26和T3x25砂組仍以北西方向物源供給為主，但主變程方向變介于150°～175°，次變程方向介于60°～85°，主、次變程均較大。另外，T3x24砂組沉積期河道規模最大，整個區域鉆井揭示的砂體厚度基本超過60 m，因其北西和北東方向2個物源方向的砂體供給均很充足，暫不設置變差函數參與建模；須二上亞段主要為北東方向的長軸物源供給，東部砂體更發育，西部砂體較中、下亞段明顯變少，主變程方向介于40°～65°，次變程方向介于130°～155°，如T3x22砂組的河流源頭進一步向東方向改道，呈北東—西南方向展布，因其物源搬運距離更遠，變差函數的主變程增大，且砂體演化成為以單一河道沉積為主，次變程減小，主、次變程之比大于須二下亞段砂體（表1）。

表1 新場構造帶須二段各砂組砂巖變差函數參數表

平面上各砂組主、次變程均為球狀模型，垂向上的變差函數以鉆井解釋的砂體厚度數據計算獲取，仍然使用球狀模型。在擬合變差函數時，水平方向和垂直方向的塊金效應為0.005。使用的變差函數參數形式為：

式中γ(h)表示變差函數，反映區域變量（模擬的砂巖或泥巖）其空間變異程度隨距離的變化特征，無量綱；h表示參與計算的兩點間相對距離（滯后距），m；C表示γ(h)在h大于變程的值，反映變量在空間中總變異性的大小，無量綱；a表示變程，反映區域變量在空間上具有相關性的范圍，m。

4.3 砂泥巖三維模型

筆者建模過程中，將地下沉積體作為整體考慮，分砂巖和泥巖兩種巖相類型。用測井解釋砂體數據作為硬數據，優選地震屬性作為輔助數據，使用同位協同克里金算法進行序貫指示建模。具體模擬過程為：①將測井解釋的巖性數據（硬數據）采用“占優法”按設定的網格進行粗化，將優選的波阻抗地震屬性體（輔助數據）歸一化后采用平均法按設定網格進行粗化；②對比粗化前后砂泥巖所占的百分比，檢驗數據粗化結果是否較好保留了原始數據特征；③將第一步模擬網格中沒有硬數據的空間網格隨機地建立一個路徑；④按網格在隨機路徑中的次序來進行協同克里金計算，搜索網格周圍的硬數據與輔助數據，結合變差函數參數，求解克里金方程，得到該網格的計算結果并將其作為計算下一個網格的硬數據，直到整個隨機路徑全部計算完畢；⑤重復步驟③和步驟④，建立多個模擬實現；⑥對比模擬實現砂巖所占百分比數據，對模擬實現進行篩選，將篩選出來最具有代表性的結果進行均值化處理并歸屬到砂泥巖的代表數據，得到的模擬結果如圖8所示。儲層砂巖建模的結果是對取心、測井、地震以及生產數據上表現出來的巖性進行綜合表征，定量反映砂泥巖空間分布（圖9）。

圖9 新場構造帶須二段砂巖分布圖

5 模型驗證與應用效果

在致密砂巖氣藏儲層建模中，砂泥巖模型是第一級次或最高級次，砂巖中綜合粒度、沉積構造、儲集物性等方面的差異又可進一步細分出有利巖相和非有利巖相[35]。在可靠的砂巖模型基礎上，進一步對不同儲層質量的砂體進行更精細模擬，刻畫出的優質儲層分布才更準確。

利用建立的砂泥巖模型進一步對砂巖進行多級相控，構建出有利巖相的空間分布模型，進而以巖相控制建立儲集物性參數模型，實現儲層質量及含氣性的定量化表征與預測。從建立的儲層模型中分別提取T3x22和T3x24砂組的有效儲層厚度和平均孔隙度（砂巖孔隙度大于3%為有效儲層）以及優質儲層厚度和平均孔隙度（砂巖孔隙度大于4%為優質儲層），與新鉆井X10-2井（井位見圖9）實際鉆遇的情況進行比對（表2）。模型中X10-2井T3x22砂組的有效儲層厚度為32.00 m，平均孔隙度為4.50%，優質儲層厚度為20.00 m，平均孔隙度為4.90%，而實際鉆井在T3x22砂組揭示的有效儲層厚度為39.69 m，平均孔隙度為4.74%，優質儲層厚度為35.29 m，平均孔隙度為4.88%。通過與后期新鉆井揭示的實際地質數據對比，所建立的地質模型吻合情況較好，驗證了該模型具有較高的可靠性，并顯示出較好的儲層預測性。

表2 新場構造帶X10-2井須二段砂泥巖模型與實鉆地層參數對比表

由于湖平面的升降變化和龍門山沖斷帶逆沖構造活動的強烈程度差異，不同時期來自2個物源的河流—三角洲相體系的進積、退積作用各不同，導致須二段不同砂組的砂體分布特征（如砂體分布區域、砂體沉積規模等）也存在差異性。筆者基于砂體預測和源—匯系統分析，建立內涵地質認識的砂體空間展布地質模型。在后續開發部署工作中，可以有效利用砂泥巖模型所反映出的砂體在三維空間的沉積演化特征，在砂巖中進一步刻畫優質儲層的分布。

6 結論

1）對于砂泥沉積充填頻繁變化的碎屑巖儲層，定量化砂泥巖的三維空間展布不但可以為評價儲層質量提供幫助，也是進行數值模擬的重要輸入參數。在空間上定量化描述砂泥巖需要對鉆井、測井、地震進行綜合分析對比，提取適合于巖性的數據集模擬砂巖的空間分布規律。

2）振幅類地震屬性能夠反映巖性的平面分布特征，受砂泥巖互層數的影響，地震屬性與砂體厚度呈現兩類相關性趨勢，利用波阻抗正值之和屬性能夠更好地反映砂泥巖的分布。地震屬性揭示了新場構造帶須二段河流—三角洲相具有強弱差異的充填沉積過程。

3）須二段砂體呈條帶分布，自下而上整體呈現出河道自西向東遷移的沉積充填特征。須二下亞段北西方向三角洲相進積作用明顯，砂體主要位于西部，砂體粒度較細；須二中亞段沉積時的水體能量最強，存在北東和北西方向2個物源供給，全區砂體發育，中粗砂巖占比高；須二上亞段北東方向三角洲相進積作用強烈，東部砂體更發育。

4）綜合運用測井、地震數據，利用序貫指示建模方法，基于源—匯系統沉積模式擬合變差函數，并以優選的地震屬性為協同約束數據，建立了砂泥巖相空間分布模型，該模型可定量描述砂泥巖在三維空間的分布，實鉆井驗證模型具有可靠性，為進一步進行優質砂巖巖相模擬、儲層屬性參數的定量化表征提供了數據支持。