川西新場地區須家河組二段砂體沉積充填特征及定量地質建模*

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的發展，致密砂巖氣藏勘探開發的規模在迅速擴大。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，是四川盆地發現的一個大型氣田。然而，經過20多年的開發，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，關鍵在于較準確刻畫普遍低孔、低滲背景下相對物性較好的部分，即優質儲層[7-9]。優質儲層的分布通常與優勢沉積相帶有關，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，是預測致密砂巖氣藏優質儲層的關鍵。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測[11-12]。然而，由于致密砂巖儲層非均質性強，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確的定量刻畫。本文綜合利用川西新場地區須二段巖心、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上，定性描述不同類型砂體的平面展布，并基于地質建模方法，分級次構建出不同砂體類型地質模型，為優質儲集體的空間預測和定量化表征提供基礎。

1 地質背景

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，內部分為6個構造單元，表現出“三隆兩凹一坡”的構造格局(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造形態和沉積充填演化[17]。

新場構造帶位于川西坳陷中段，自印支運動以來，經歷了燕山、喜山等多期構造運動[18]，目前呈近東西走向的長垣背斜(圖1)。新場地區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、較高滲的優質砂體，是新場須二段氣藏勘探開發面臨的關鍵課題。

圖1 研究區地理位置與區域構造特征(據文獻[5]，有修改)

新場地區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育，這說明不同時期新場地區的砂體充填情況有所變化。根據電測曲線反映出的地層疊加樣式，在層序界面識別基礎之上，將新場地區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

通過對關鍵井巖心、測井、地震等資料綜合分析，結合研究區地質背景，分析認為新場地區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發育三角洲平原亞相，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。

依據巖石學、巖石組合、相序結構、砂體發育位置等特征，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發育廣泛的砂體。

圖3 新場地區須二段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，在相序上呈現多期河道相互疊置。砂巖成分成熟度和結構成熟度均較低，砂巖中發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，且發育沉積層理縫，是研究區致密砂體氣藏的“甜點”區域。

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，其沉積構造與疊置河道相似，發育板狀交錯層理和槽狀交錯層理，但規模較小。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泥巖和少量粉砂巖，發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、包卷層理等沉積構造。

不同巖石相一般以一定組合形式出現在不同的砂體類型中。研究區疊置河道砂體最發育，每一期河道一般自下而上逐漸發育含碳屑、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，指示水動力由強變弱的過程(圖3)。另外，在同一等時地層格架中，不同地區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構成熟度，有較大差異，指示了河道砂體的搬運距離、水動力環境或許具有多樣性。

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，本次采用地震結構(Texture Modeling Reverse，TMR)反演屬性，從平面和三維空間上預測砂體沉積和演化特征。TMR屬性是通過建立地震數據與已有模式之間的方差矩陣，將具有相似形態的地震波形進行聚類，提取目標信息，具有更好的巖性響應效果[22-24]。通過研究區幾種經典地震屬性(如均方根振幅或相對阻抗屬性)的綜合對比發現，TMR屬性能夠更加清楚地刻畫砂體邊界。進一步統計TMR屬性在TX22和TX24砂組平均值與砂體厚度的相關系數分別為0.68和0.76，具有較好的相關關系。因此，本次主要選取TMR屬性進行沉積演化分析(圖4)。

根據大量TMR地震地層切片顯示，新場地區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域和沉積規模(如疊置河道的寬度等)也存在差異性(圖4)。

圖4 新場地區須二段地震TMR屬性地層切片

須二段初期沉積時期，新場西側顯示物源砂體進積，地層厚度表現為西邊厚、東邊薄。如TX27砂組，通過統計巖性錄井和測井解釋結果，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對新場地區的影響很強，砂體以疊置河道為主，主要出現在研究區西側，東部的疊置河道規模較小，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。如TX24砂組是新場地區最為富砂的砂組，新場地區地勢坡度較緩加上河道頻繁改道使得研究區砂體厚度大、連續性較好，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，研究區南部出現河口壩、分流間灣沉積。TX24砂組是新場須二的主力產層之一，如X2井、X851井等均是高產井，這些井揭示砂體均為高能河道優質儲層，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，供給水系源區從北西向北東發生改變[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，進一步轉變為分流間灣沉積，泥質含量高(圖5c)。TX22砂組也是新場須二段產氣的主要貢獻層段，如L150井為中產穩產井，該砂組產層段表現為中—高能河道優質儲層，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 砂體定量地質建模

根據砂體沉積充填演化和分布規律的定性認識，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測意義的砂體類型三維地質模型。由于新場須二段氣藏儲層非均質性強，簡單的砂泥巖模型難以控制儲、滲性質的變化，因此，基質儲層建模要以優質儲層為目標。而對致密砂巖氣藏來說，砂體類型是控制物性甜點發育的根本因素，巖石相分布及成巖作用均與砂體類型密切相關[26]。

本次研究砂體類型模型是在砂泥巖模型基礎上建立的，目的是避免兩個模型的砂體出現“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各砂組層段內的TMR屬性，利用地震屬性計算變差函數參數，獲取各個砂組的沉積主次方向和變程數據。分析對比各砂組地震屬性值與砂組總砂厚的關系，各砂組按照地震屬性與總砂厚的相關關系，將TMR地震屬性值轉換為砂體厚度值，得到各個砂組的基于地球物理預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據對砂巖的空間分布進行協同約束，在構建砂巖三維模型時，使其既能體現出砂泥巖分布的規律性，同時也能保證井數據的一致性。

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，其協同約束的相關度仍需要根據區域地質背景以及鉆井實際獲取的砂泥巖沉積充填演化規律進行校正(圖6)。不同砂組地震對砂厚的響應程度不同，如TX22砂組的TMR屬性與總砂厚相關關系最好，相關性為0.83，則地震砂厚趨勢協同約束的相關度可設為0.83。

圖6 新場地區須二段各砂組地震屬性砂厚趨勢及變差函數

根據測井解釋的砂泥巖性結論，將砂泥巖性數據離散進已經搭建好的地層網格系統中，作為建模的條件數據，分砂組采用序貫指示的方法進行建模。在模擬過程中，調用相應砂組的變差函數參數作為地質統計學的計算輸入數據，調用相應砂組的地震砂厚趨勢作為協同數據參與計算，最終構建砂泥巖展布地質模型(圖7a)。

4.2 基于多點地質統計學的砂體類型模型建立

多點統計地質建模方法應用“訓練圖像”代替兩點統計建模方法里的變差函數，來表征地質變量的空間結構和變化，可以克服傳統兩點統計地質建模方法不能較好再現地質體空間幾何形態的不足[27]；同時，多點統計地質建模方法采用基于象元的序貫模擬過程，而非基于目標的隨機模擬方法的迭代試錯的模擬過程，容易條件化井數據和其他地質信息，提高計算效率[28]。就新場地區須二氣藏而言，多點地質統計學方法模型優點是以訓練圖像代替變差函數，模型既完全符合單井砂體類型的解釋數據，不同類型砂體之間分布能夠體現出整體的沉積特點和演化規律。因此，為了更合理地建立砂體類型模型，本次采用多點地質統計學方法進行模擬。

由于新場地區須二段三角洲平原—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性，采用傳統的多點地質統計算法(如Snesim算法[29])會造成模擬出的砂體類型在空間的接觸關系不合理并且模擬目標不連續。為了解決訓練圖像平穩性、儲層形態再現、多尺度地質體再現、計算效率提升等問題，本次應用基于圖型矢量距方法(PVDsim)進行模擬。PVDsim算法在訓練圖型和數據事件矢量距離計算的基礎上，采用二次匹配方式通過矢量距離對數據事件與訓練圖型的相似度進行度量，最終確定與數據事件相似度最大的訓練圖型[30]，新算法顯著降低了訓練圖型選取的不確定性，所建模型更符合地質認識。根據鉆井砂體類型解釋數據，以各砂組平面砂體類型展布作為該砂組模擬時的訓練圖像(圖5)，采用基于PVDsim算法的多點地質統計方法，分砂組模擬砂體類型在三維空間的定量分布(圖7b)，結果顯示該模型既符合單井砂體解釋，井間符合訓練圖像表達的不同砂體沉積之間的空間結構，縱向上保持了沉積連續型。

圖7 新場地區須二段砂體類型分布模型

5 模型驗證與應用意義

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域，平面上近疊置河道中心部位物性更好，中粗砂巖發育(圖8a)。向疊置河道外側應該是河道邊緣砂體，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系的合理性。本次砂體類型建模流程中，用沉積規律進行約束，通過多級相控和多點地質統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，模型中所體現的砂體類型分布符合沉積規律，即在砂巖相中，基本呈現出疊置河道—河道邊緣—分流間灣的連續分布(圖7c)，且砂體類型的變化過程也充分體現了其粒度、巖性、物性的變化特征。

川西坳陷須二段儲層含氣普遍，前期勘探開發實踐表明，孔、滲性良好儲層(優質砂體)的廣泛發育是油氣穩產、形成具有較高經濟開采價值氣藏的基礎。新場地區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，儲層質量最好，是須二段油氣勘探開發的主要目標。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東部，砂質純，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的研究目標。下亞段三角洲以北西短軸物源供給為主，成分和結構成熟度相對低，儲層質量差，尋找物性相對優質的疊置河道砂體是該亞段油氣開發的研究目標。

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模型。基于該模型可以較為準確刻畫不同砂體類型的空間分布，定量化分析不同層段內的相對優質砂體(如疊置河道)的分布，為后期井位部署、優化開發方案可提供模型依據。

6 結論

1)須二段沉積時期，新場地區主要發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域和沉積規模具有差異性。須二段沉積早期，疊置河道主要發育在新場地區西部，砂體厚度超60 m，東部河道規模小；須二段沉積中期，疊置河道砂體規模最大，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，新場地區東部的疊置河道規模更大，西部以泥質沉積為主。

3)對致密砂巖儲層的相建模要以優質巖相為目標，通過地震砂體預測約束，序貫指示方法建立砂泥巖相模型，應用多級相建模思路，以不同類型砂體展布為訓練圖像，采用多點地質統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律，具有更合理的各類砂體之間的接觸關系，并為優質儲層定量刻畫及預測提供模型基礎。