孤島油田南區館上段辮狀河儲層構型表征

國景星, 李鈞, 王澤, 龔鐸

(中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院, 青島 266580)

河流相儲層在中國陸相開發的各類儲層中占比較大,約有42.6%的油氣富集于河流相儲層中[1-4]。相較于曲流河儲層,辮狀河儲層臨近物源、坡度較大,受水流、洪泛間歇性的影響,沉積物粒度較粗,砂地比較高,砂體連續性較好,是良好的油氣儲集砂體。但由于河道在平面上頻繁遷移、變化多樣,致使儲層連通性差,非均質性強。

孤島油田南區于1973年投入開發,經過多年勘探開發,綜合含水率已高達約91.1%,油氣采出程度約為22.6%,水驅采收率為26.7%。受斷層和儲層內部構型的影響,造成了孤島油田南區油層水淹嚴重、注采矛盾突出等問題。儲層砂體刻畫不精細嚴重制約了油氣田的高效開發,類似沉積相等偏于定性的研究已經不能滿足油田生產實踐需要。儲層構型分析方法與傳統沉積相分析法相比,分不同級次對構型單元進行識別和劃分。對單砂體精細刻畫,系統總結單砂體內部夾層的發育特征,對指導辮狀河儲層的剩余油挖潛具有重要意義[5-9]。

中外諸多學者對不同沉積類型的儲層構型進行了大量卓有成效的研究,河流相儲層構型的研究起步較早且日益成熟[10-17],但這些成果大多基于露頭和現代沉積,針對地下辮狀河內部結構的研究較少?，F以孤島油田南區西北部館上段辮狀河儲層為例,依據測井資料識別不同級次構型單元,充分利用密井網條件,以構型要素分析法為指導,對復合砂體進行解剖,明確不同級次砂體內部構型特征。通過對密井網井區單砂體的數據進行分析,探索出適用于稀井網條件下辮狀河儲層構型定量表征方法。通過對諸多密井網井區心灘砂體進行實際解剖,利用柵狀圖展示不同類型心灘的形態及內部夾層展布差異,以期為不同類型心灘的判別和具有針對性的剩余油挖潛提供直接的地質依據。

1 研究區概況

新近系館陶組疏松砂巖是孤島油田主要目的層位,孤島油田共發育正斷層20余條,受孤北、孤南、孤西三條斷層影響最大,劃分為6個開發區塊,如圖1所示[18-19]。研究區位于孤島油田南區的西北部,位于孤島凸起西南側,河道遷移頻繁,砂體成因多變,連通關系復雜,含油面積可達19.1 km2,地質儲量約為6.150×107t。研究區主要開發層系為館上段3～6砂層組,細分為17個小層,主要發育河流相沉積,砂體厚度較大,物性好,整體表現為正韻律,非均質性強,油水界面不統一,主力油層零散分布,平均有效厚度小于5 m,油氣埋藏深度介于-1 180～-1 350 m。

圖1 研究區構造位置圖(據文獻[19]修改)Fig.1 Structural location map of research area(modified by ref.[19])

2 沉積微相特征

主要通過分析研究區內沉積學標志和測井相標志來確定沉積相類型,結合前人研究的成果[20-22],對取心井的巖石成分、沉積構造特征進行分析,總結不同類型沉積微相特征(表1),并以此作為依據對工區內非取心井進行沉積微相劃分。研究區館陶組5～6砂層組沉積時期構造活動較少,物源供給充分,水體分布廣且流量變化頻繁,整體呈“砂包泥”的沉積特征,為典型的辮狀河沉積,主要發育心灘、河道充填及溢岸砂三種沉積微相。

表1 孤島油田南區沉積微相及測井曲線特征

2.1 心灘微相

研究區心灘微相沉積厚度較大,介于3～8 m,巖性以粉砂巖為主,底部可見粗礫巖,局部可見砂質團塊、泥質條帶和灰質結核等,粒度中值介于0.02～0.065 mm,分選、磨圓中等,發育大型板狀交錯層理、平行層理、斜層理等。心灘微相以垂向加積為主,縱向上略顯正粒序或整體呈均質,古生物化石較少,局部可見植物炭屑。在測井響應上,自然電位以箱型、箱型疊加、微漏斗形為主;感應電導率曲線以齒化箱型為主,頂底部突變式接觸;微電極曲線幅度差明顯。

2.2 河道充填微相

辮狀河河道充填微相沉積厚度介于1～4.5 m,巖性主要以中-細砂巖為主,偶見灰質結核、砂質團塊等,粒度中值介于0.01～0.04 mm,具有明顯的正韻律特征,分選、磨圓中等-差,可見小型交錯層理、平行層理等沉積構造。在測井響應上,自然電位以小型齒化箱形、鐘形、寬指形為主,底部多呈突變式接觸;微電極曲線幅度差較大。

2.3 溢岸砂

溢岸砂微相常發育于河道兩側,厚度相對較小,一般小于1 m,沉積物粒度相對較細,以粉砂質泥巖為主,粒度中值介于0.005～0.02 mm,常見波狀層理。在測井響應上,自然電位曲線以低幅指形和齒形為主。

2.4 沉積微相展布特征

館陶組(Ng)沉積初期,發育辮狀河沉積,隨著基準面不斷下降,河道規模逐漸增加,到了Ng6的晚期,河道規模達到最大,河道面積可達全區70%以上,心灘發育較多。Ng62沉積時期,相較于其余小層砂巖較為發育,砂巖鉆遇率為74.10%,砂巖厚度介于1.07～7.33 m,平均厚度2.84 m,厚砂體在全區均有分布,單個厚砂體多呈土豆狀、條帶狀或不規則狀,砂體寬度一般介于180～300 m。因此,本次研究中選擇Ng62小層作為具有代表性的小層進行分析和描述,以砂層的砂巖厚度分布為重要依據,結合測井響應特征綜合分析,對全區沉積微相進行識別。

Ng62砂體沉積時期,河道的分布面積較大,曲率較低,相類型以辮狀河為主,砂巖面積占工區總面積55%,分布較為均勻(圖2)。河道寬度一般介于130～180 m,最寬處可達450 m以上。河道面積占整個研究區的52%,總體上呈南北向展布;溢岸砂占全區面積的3%,分布于河道外側;心灘發育較多,但規模不大,一般呈透鏡狀、新月狀及不規則狀,分布于河道內,總面積約占全區面積的12%;泛濫平原面積約占全區45%。

圖2 孤島南區館陶組62小層沉積微相分布圖Fig.2 Sedimentary microfacies distribution map of Ng62 in southern district of Gudao Oilfield

3 儲層構型分析

Miall[7]于1985年提出構型要素分析法,奠定了儲層構型級次劃分的基礎,指導了河流相儲層的構型級次表征。構型要素分析法認為沉積體是由不同級次的構型要素所組成,通過分析沉積體內部構型要素及其組合方式可以重構沉積體的形態和內部結構,而構型解剖包括不同級次沉積界面刻畫和界面所夾的構型要素分析兩個方面。

3.1 儲層構型級次的劃分方案

本次研究基于Maill[7]與吳勝和等[23]在河流相構型研究中的劃分方案,利用巖心資料、測井資料以及現代沉積的調研,綜合考慮研究區內的實際地質特征,確定本次辮狀河儲層的構型分級方案。

將研究區分為6個級次(表2),在不同級次的構型中,0級、1級和2級界面利用測井資料難以識別,6級界面對層間非均質性具有重要的意義,但對于層內非均質性影響不大?？紤]研究區取心井數不多,依據“層次劃分、模式擬合、多維互動、規模約束”的構型分析思路,針對3級、4級和5級構型單元進行重點解剖。3級構型界面為心灘內部落淤層,反映了季節性的沉積事件引起的水位變化或內部砂質底形方向的變化,構型單元為單一增生體;4級構型界面為大型底形界面,是單砂體之間的界面,如心灘頂底界面、辮狀河道的沉積間斷面或沖刷面、心灘與辮狀河道之間的接觸面等,構型單元為單砂體,相對于沉積相來說對應于微相;5級構型界面為單一辮流帶頂底面,表明單一河道從沉積開始到沉積結束的時間節點,以單一辮流帶的底界面為代表,構型單元為單一辮狀河道砂體,相對于沉積相來說對應于亞相。

表2 構型分級方案

3.2 單一辮流帶級次構型分析

在辮狀河沉積過程中,水動力季節性變化,河道頻繁遷移,縱向上多個單一辮流帶相互切疊,單一河道砂體疊置形成“泛連通體砂體”,橫向上多個單一辮流帶被溢岸砂體和泛濫平原所分隔?？紤]到研究區取心資料少,利用測井資料為主,在細分單層的前提下,從單井的構型單元識別出發,對目的層單層砂巖厚度進行統計,結合古水流方向綜合分析,大致確定同一沉積時期辮狀河道平面分布范圍。利用沉積條件相似的現代沉積所總結的經驗公式進行計算,得到各單層單一辮流帶寬度范圍,利用計算結果對單一辮流帶的表征進行一定的約束。在對比的過程中,根據河間沉積、河道頂部高程差異、測井曲線差異,對剖面內單一辮狀河道之間進行側向劃界;根據測井響應特征的差異,對河道在垂向上的切疊模式分析,進行辮狀河道的垂向分期;進而測量辮流帶及單一辮狀河道相關參數,對5級構型單元進行定量表征。

3.2.1 垂向劃分

辮狀河在沉積時期受到各種環境因素的控制,使得其內部構型單元在縱向上就表現出了多種接觸關系[24]。結合巖心、測井響應等特征,將研究區辮狀河道垂向切疊模式分為三大類,即孤立式、中等切疊式和強烈切疊式(圖3)[25-26]。不同河道或同一河道不同位置的水動力條件不同,對下伏地層的切疊程度不同,河道表現的切疊模式也就不同。

(1)孤立式。發育于河道支流,水動力相對較弱,多期河道砂體被較厚的泥巖隔層所分隔,縱向上相對孤立發育,無明顯向下切疊現象,泥巖隔層厚度介于1～5 m,導致河道砂體垂向上不連通,河道砂體厚度相對較薄,正韻律特征明顯,自然電位曲線呈單一的箱形或單一的鐘形。

(2)中等切疊式。河道水動力較強,對下伏地層的侵蝕作用相對較強,不同期次河道砂體相互接觸,砂體間切疊現象不明顯。如圖3所示,GDN10-02井中河道砂體表現為中等切疊式的特征,多期河道砂體整體厚度大,河道砂體間呈相切接觸,河道切疊處發育較薄的夾層,自然電位曲線具有明顯回返,兩期河道自然電位幅度不同,呈現階梯狀,表現為復合箱形、復合鐘形或鐘形箱形疊加,厚層砂體內部微電極曲線也存在著明顯回返。

(3)強烈切疊式。常見于主河道中,水動力條件強,后期河道對早期河道砂體具有較強的侵蝕作用,河道砂體之間相互切疊,后期河道砂體對早期河道砂體具有一定的改造作用,在切疊處不發育隔層或夾層。如圖3所示,GDN10-3井中兩期河道表現為強烈切疊式的特征,垂向上多期河道砂體疊置,整體厚度較大,自然電位呈中-高幅箱形或鐘形。河道切疊處自然電位曲線回返不明顯,識別難度相對較大,微電極曲線具有明顯的回返,整體呈單一箱形或鐘形箱形疊加。

3.2.2 側向劃界

依據密井網資料總結出河間沉積、河道砂體頂面層位高程差異可作為辮流帶側向劃分標志,如圖4所示。

(1)河間沉積。洪泛期水流攜帶沉積物從堤岸漫溢而出,在河道兩側或者分叉位置形成溢岸砂沉積和泛濫平原,粒度相對較細,厚度較薄,測井曲線常為齒狀或指形,河道間細粒沉積可視為河道的邊界。

(2)河道砂體頂面層位高程差異。由于沉積時間、古地貌、水動力等因素的影響,不同的河道頂面構造高度會有層位高差,可作為判斷不同河道砂體的判別標志之一。

(3)測井曲線形態差異。不同的河道水流速度不同,往往導致沉積砂體在厚度及測井曲線特征上會有所差異。河道砂體橫剖面呈頂平底凸特征,在密井網井間對比中,可以根據厚度變化判斷河道砂體的分布范圍,確定單一辮狀河道邊界。

國內外學者等通過對辮狀河現代沉積的測量,認為單一辮流帶寬度、單河道滿岸深度、單一辮狀河道寬度等參數間具有線性關系,總結出相關參數之間的經驗公式(表3)。研究區單河道滿岸深度介于3～7.3 m,由經驗公式計算,得到單一辮流帶寬度應介于150～390 m。在經驗公式和砂巖厚度的聯合約束下,對研究區辮流帶進行測量,寬度介于136～374 m,平均寬度為212.5 m,研究區邊部和中部均有泛濫泥巖分布,導致辮流帶寬度變化范圍較大,河道砂體呈“串珠狀”有規律交錯分布。

表3 辮狀河河道儲層構型參數地質知識庫

3.3 心灘級次構型分析

心灘由多次沉積事件形成,在逐漸向下游推移的過程中,發生多種沉積作用,根據水流方向可將心灘劃分為4個部分:灘頭、灘尾、灘翼和灘主體。

在同一小層內,心灘相較于其他單砂體厚度較大,利用砂巖厚度進行心灘分布范圍的預測,在剖面上心灘呈“頂凸底平”和“頂凸底凸”兩種特征,只利用砂巖厚度不能將心灘和河道充填砂體準確的區分,識別精度低,誤差大。辮狀河道砂巖厚度與同期心灘砂巖厚度相同或略小。在沉降穩定、構造較少的地區,心灘沉積砂巖頂部高程高于辮狀河道砂巖,利用單層頂部構造深度(H1)與砂體頂面構造深度(H2)計算砂體頂面相對深度(H),進行心灘和河道的區分(圖5)。

圖5 砂頂相對深度法識別心灘Fig.5 Identifying channel bar by relative depth of sand body

采用砂體頂面相對深度法,得到心灘和河道的分布范圍,結合測井資料進行單井分析,對小層內的單砂體進行識別。判斷相鄰井是否屬于同一心灘是劃分單個心灘的關鍵,利用測井響應特征、相對高程差、剖面形態、落淤層的產狀、經驗公式約束的方法來確定兩個心灘是否屬于同一心灘。

(1)測井響應特征。心灘形成的主要沉積作用有垂向加積、順流加積和側向加積,灘頭所受到的水動力強,灘尾受到的水動力弱,導致灘頭粒度比灘尾粒度粗。沉積物順水流方向不斷向前推移,灘頭韻律性不明顯,曲線以箱型為主,灘尾粒度自下而上逐漸變粗,測井曲線呈漏斗形,根據粒度特征可以判斷單井所處于心灘的大致位置。例如對相鄰的兩口井,若判斷在古水流上游的井位于灘頭,下游的井位于灘尾,則認為兩口井為同一心灘,反之則認為兩口井為兩個不同的心灘;若兩口井都位于灘頭,井距較小時,則認為是兩口井屬于同一心灘,反之則認為兩口井為兩個不同的心灘。

(2)相對高程差。研究區沉降穩定,構造較少,以“頂凸底平”的心灘為主,心灘底部到標準層的相對高程差具有穩定性,可以作為識別單一心灘的依據。

(3)剖面形態。依照前人對現代辮狀河沉積的研究,地下儲層的單個心灘表現為中心較厚四周變薄,由于沉積底面地層的起伏不同,心灘的剖面形態具有“頂凸底平”和“頂凸底凸”兩種特征。劃定兩個砂體是否同一心灘的時候,可作為判斷依據,如果鄰井的心灘砂體在劃分研究過程中,厚度出現“厚-薄-厚”的情況,可以推測其不屬于同一心灘。

(4)落淤層的產狀。心灘內部由多期增生體構成,兩期洪泛之間的較低水位時,沉積細粒的懸浮物質在心灘頂部形成落淤層,自然電位曲線回返程度相對不明顯,自然伽馬曲線存在回返,微電極曲線有明顯的回返。根據兩口井中的心灘落淤層發育情況,則可以說明兩口井是否屬于不同的心灘沉積。灘頭落淤層被沖刷剝蝕;灘主體所受水流沖刷作用較弱,落淤層完整的保存,落淤層產狀近似水平;灘尾受水流沖刷作用弱,落淤層保存較好;兩側灘翼受不同程度水流沖刷,灘翼坡度較小,水流易越過邊界沖刷灘翼,落淤層受水流沖刷剝蝕,灘翼坡度較大,底部落淤層受到水流沖刷剝蝕,中上部落淤層保存較完整。

(5)經驗公式約束。定量研究心灘長寬厚之間的數量關系,更準確地確定心灘的展布范圍,進而劃定心灘邊界。不同學者在現代沉積和野外露頭的模式指導下,總結出心灘、河道及相關參數之間的經驗公式(表4),可作為輔助手段,劃定心灘側向邊界。

表4 辮狀河心灘儲層構型參數地質知識庫

根據上述識別方法,對心灘進行識別和劃分,結合現代沉積中心灘的發育模式和平面形態,考慮辮狀河水動力規律,對平面上心灘發育位置進行合理的調整,準確劃分出單一心灘(圖6)。從單井出發,平剖互動,提高心灘構型表征的準確度,為心灘及其內部構型的定量表征奠定了基礎。

圖6 孤島南區西北部館62小層砂頂相對深度圖Fig.6 Relative equal depth map of Ng62 sand head in southern district of Gudao Oilfield

對研究區心灘的長度、寬度、厚度及長寬比等參數進行統計,研究區心灘長度介于184.4～564 m,平均長度為344.3 m;寬度介于54.4～196.5 m,平均寬度為98.1 m;厚度介于2～7.9 m,平均厚度為4.2 m;長寬比介于3～3.5,平均長寬比為3.2,研究區距離物源近,具有較大的長寬比,下游心灘的長寬比略小;寬厚比介于10.3～54.6,平均寬厚比為24.4。通過分析各參數間的相關性,提出了適用于研究區單砂體定量表征的經驗公式,提高了稀井區心灘識別準確性。其中心灘長度(Lp)與心灘寬度(Wp)之間具有較高的相關性,心灘長度(Lp)、寬度(Wp)與單一辮流帶寬度(Wb)之間的相關性較高,表達式為

(1)

Lp=1.820 8Wb-32.109,R2=0.954 7

(2)

Wp=0.521 9Wb-9.770 9,R2=0.877

(3)

由于辮狀河道頻繁遷移擺動,心灘在河道中發育的位置有所不同導致心灘長度、寬度與單一辮流河道寬度之間的相關性不明顯。

3.4 心灘內部級次構型分析

心灘兩側辮狀水道控制著心灘的形成和演化,不同的水流條件下的沉積作用不同,導致形成心灘形態樣式不同,不同類型心灘內部的構型特征也截然不同,按照心灘的形態、大小及其與水流方向、河岸之間的關系,將心灘分為3種類型:縱向砂壩、橫向砂壩、斜列砂壩[35-38]。不同心灘內部落淤層的展布范圍、形態有所不同,從心灘受控的沉積作用入手,以識別的單一心灘為約束,對心灘內部落淤層單井識別,選取研究區內密井網井區典型的心灘進行實例解剖,對不同類型心灘內部落淤層特征及展布規律進行分析。

(1)縱向砂壩。以GDN10-2井區為例(圖7),對縱向砂壩內落淤層展布特征進行驗證。心灘所處辮流帶相對較窄,兩側水流為高能對稱水流,易形成縱向砂壩。形成縱向砂壩的沉積作用以順流加積與垂向加積為主,在地形開闊或構造起伏的部位,水流速度相對減緩,沉積物開始卸載、堆積并向前推移,形成縱向砂壩,形態呈透鏡狀,心灘的長軸方向與河道延伸方向近似平行。灘頭兩側均受到沖刷作用,遭受持續的侵蝕,背水面則不斷接受沉積,增生體順流逐漸向下推移,宏觀上表現為心灘向下游方向遷移。灘頭落淤層部分遭受侵蝕,灘主體和灘尾的落淤層得到完整的保存,逐漸形成了灘頭陡和灘尾緩的形態特征;兩側高能對稱水流對兩側灘翼沖刷侵蝕程度相當,兩側落淤層傾角基本一致。在垂直于古水流方向剖面上,心灘以垂向加積作用為主,心灘發育逐漸穩定,自下而上,落淤層的分布范圍逐漸增大,后期形成的落淤層對前期形成的落淤層起一定的保護作用。

圖7 GDN10-2井區縱向砂壩柵狀圖Fig.7 GDN10-2 well area longitudinal sand bar fence diagram

(2)橫向砂壩。以GDX3-1井區為例(圖8),對橫向砂壩內落淤層展布特征進行驗證。橫向砂壩發育在河道變寬或加深的弱水流區域,兩側水流為低能對稱水流,形態呈透鏡狀居多,心灘的長軸方向與河道延伸方向不一致,以順流加積和垂向加積作用為主。灘頭和灘尾落淤層的產狀與縱向砂壩相似,落淤層近水平對稱分布,多期落淤層之間近似平行,落淤層分布范圍從灘頭至灘尾逐漸增大;橫向砂壩中央高度與壩緣高度差較小,灘主體落淤層和兩側灘翼落淤層的傾角較平緩。

圖8 GDX3-1井區橫向砂壩柵狀圖Fig.8 GDN3-1 well area transverse sand bar fence diagram

(3)斜列砂壩。以GDN7-5井區為例(圖9),對斜列砂壩內落淤層展布特征進行驗證。斜列砂壩兩側水流為不對稱水流,受側向加積作用的影響,主水道一側與次水道一側沖刷作用不同,增生體在向前推移堆積的同時,逐漸側向遷移形成斜列砂壩。心灘向次河道一側推移,形態呈月牙狀,長軸方向與主水流方向不平行,靠近主河道一側厚度較大,靠近次河道一側心灘的延伸遠、厚度薄。與其他類型心灘相同,都發生順流加積作用,灘頭剝蝕,灘尾接受沉積,灘頭落淤層傾角大于灘尾;兩翼受到不對稱水流沖刷,主河道被侵蝕,落淤層傾角大,次河道一側落淤層得到較好的保存,落淤層傾角較小,表現為落淤層傾斜分布,多期落淤層傾斜方向一致。

圖9 GDN7-5井區斜列砂壩柵狀圖Fig.9 GDN7-5 well area inclined sand bar fence diagram

對心灘厚度變化、發育位置和內部落淤層展布特征進行分析,對研究區Ng62小層37個心灘類型進行判別(圖10),其中縱向砂壩15個,橫向砂壩7個,斜列砂壩15個。縱向砂壩在研究區中部和東北部分布較多,發育于河道中部或相對較窄的河道內;橫向砂壩發育數量較少,分布較為分散,多發育于河道加寬處;斜列砂壩多發育于河道兩側,在研究區內廣泛分布。

4 結論

(1)孤島油田南區館上段5～6砂層組屬于辮狀河沉積,主要發育心灘、河道充填及溢岸砂3種沉積微相。采用構型要素分析法建立了本次辮狀河儲層的構型分級方案,將研究區劃分為6個構型級次,針對單一辮流帶級次、心灘及其內部級次進行構型解剖。

(2)利用河間沉積、河道頂部高程差異、測井曲線差異,對剖面內單一辮狀河道之間進行側向劃界;根據河道砂體在垂向上的切疊模式差異,對辮狀河道進行垂向分期;在經驗公式的約束下,統計辮流帶及單一辮狀河道的相關參數,對5級構型單元進行定量表征。研究區平均單河道滿岸深度介于3～7.3 m,單一辮流帶寬度應介于136～374 m,平均寬度為212.5 m。

(3)利用砂頂相對深度法識別心灘發育位置,通過單井解釋對小層內的單砂體進行識別。在心灘對比過程中,利用測井響應特征、相對高程差、剖面形態、落淤層的產狀、經驗公式約束的方法來確定兩個心灘是否屬于同一心灘。通過測量心灘長度介于184.4～564 m,平均長度為344.3 m;寬度介于54.4～196.5 m,平均寬度為98.1 m;厚度介于2～7.9 m,平均厚度為4.2 m;長寬比介于3～3.5,平均長寬比為3.2;寬厚比介于10.3～54.6,平均寬厚比為24.4。通過對單一辮流帶和心灘等相關數據的分析,提出了適用于稀井網條件下的單砂體預測經驗公式。

(4)按照心灘的形態、大小及其與水流方向、河岸之間的關系,將心灘分為三種類型:縱向砂壩、橫向砂壩、斜列砂壩。分析不同類型心灘特點,根據心灘厚度變化、發育位置和內部落淤層展布特征識別不同心灘類型。對全區37個心灘的類型進行判別,其中縱向砂壩15個,橫向砂壩7個,斜列砂壩15個。