鄂爾多斯盆地大牛地氣田二疊系山西組砂體疊置模式及油氣開發意義

雷 濤，莫松宇，李曉慧，姜 楠，3，朱朝彬，王 橋，瞿雪姣，3，王 佳，3

（1.中國石化華北油氣分公司勘探開發研究院，鄭州 450006；2.重慶科技學院石油與天然氣工程學院，重慶 401331；3.復雜油氣田勘探開發重慶市重點實驗室，重慶 401331）

0 引言

非常規油氣逐漸成為我國“穩油增氣”的戰略資源，是天然氣產量的重要增長點［1］。我國致密砂巖氣資源量為265×1012m3，其中鄂爾多斯盆地上古生界資源量高達13.32×1012m3，具有廣闊的勘探前景［1-3］。雖然在鄂爾多斯盆地發現了蘇里格氣田、神木氣田、大牛地氣田等“大面積連續分布”的致密砂巖氣田，在四川盆地也發現了“構造控制”型須家河致密氣藏，但目前我國致密砂巖氣探明率僅25%，儲量動用率低于50%，如何有效提升探明率和可動用儲量是致密砂巖氣現階段勘探開發面臨的關鍵問題［4］。鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖為典型河流相陸源碎屑快速沉積［5-7］，河道的頻繁遷移及改道作用致使砂巖儲層物性非均質性強［7-9］，導致高精度砂體精細表征和預測非常困難、優質儲層分布規律認識不清［10］，嚴重阻礙了該地區目前產量突破。為了解決上述問題，眾多學者相繼開展了沉積構型［11-13］、地震反演識別［14］、野外剖面剖析［15］、水槽實驗［16］等工作，有效豐富了陸相河道沉積模式和儲層展布規律研究理論，促進了致密砂巖氣勘探開發。然而鄂爾多斯盆地北緣山西組辮狀河沉積砂體疊置關系復雜，砂體展布規律仍然不明確，有待進一步從沉積學角度精細刻畫砂體空間展布規律，從而有效服務于優質儲層預測和指導開發生產。

綜合利用巖心、露頭、測井、分析化驗及生產資料，對鄂爾多斯盆地大牛地氣田大12井區二疊系山西組砂巖儲層構型特征和砂體疊置模式進行分析，并恢復沉積演化過程，以期為該區下一步油氣勘探開發提供理論依據和數據支撐。

1 區域地質背景

鄂爾多斯盆地上古生代時期是一個典型的內陸湖盆，整體表現為北部隆升、向南傾斜的構造格局，古氣候逐漸轉變為半干旱—干旱環境［17-19］。大牛地氣田構造上位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部，為西傾單斜構造，發育少量低幅度構造，斷層不發育（圖1a）。大12 井區位于大牛地氣田中部，勘探實踐表明該地區發育多套生儲蓋組合［20-21］，其中上二疊統山西組發育辮狀河相（山2-2 亞段）和辮狀河三角洲平原亞相（山1 段和山2-1 亞段），山2-2 亞段辮狀河河道和山1-1、山1-2、山1-3及山2-1亞段分流河道砂體是有利的儲層發育層段（圖1b），具有較大的開發潛力，也是目前大牛地氣田致密砂巖氣勘探開發的重點層位。大12 井區山西組分布穩定，沉積厚度為90～140 m，砂體累計厚度為50～80 m，砂體展布受到河道（南北向）流向、擺動頻繁和沉積微相的制約明顯，巖性以粗粒巖屑砂巖為主，石英體積分數為60%～80%。含礫粗砂巖孔隙度平均值為9.76%，滲透率平均值為0.55 mD；粗砂巖孔隙度平均值為8.06%，滲透率平均值為0.31 mD，是典型的低孔-低滲儲層。

圖1 鄂爾多斯盆地區域位置（a）及二疊系山西組巖性地層綜合柱狀圖（b）Fig.1 Regional location（a）and stratigraphic column of Permian Shanxi Formation（b）of Ordos Basin

2 沉積特征

通過野外露頭和15口取心井巖心觀察及測井相識別，綜合巖石的顏色、粒度、巖性、沉積構造及測井曲線特征，結合以往研究成果［22-23］，認為鄂爾多斯盆地大牛地氣田大12 井區山西組為典型的辮狀河相和辮狀河三角洲平原亞相沉積。其中，中下部（山1 段和山2-1 亞段）典型三角洲平原亞相，發育泛濫平原、分流河道和溢岸沉積3 個微相，頂部（山2-2 亞段）為辮狀河相，發育河道、心灘、河漫灘和河漫湖泊（表1）4 個微相。

表1 鄂爾多斯盆地大牛地氣田大12 井區二疊系山西組沉積相劃分類型及依據Table 1 Sedimentary facies classification type and basis of Permian Shanxi Formation in Da 12 well area of Daniudi gas field，Ordos Basin

2.1 辮狀河沉積

大12 井區山西組頂部（山2-2 亞段）砂巖屬于典型辮狀河沉積［18］，礫石分選差、磨圓度較差，具有明顯的“砂包泥”特征。河道沉積以較粗的礫巖為主，發育明顯的沖刷面（圖2a）和槽狀交錯層理構造（圖2b），偶見泥礫和滑塌角礫巖（圖2c），礫石具有定向排列，雜基含量較高，測井曲線通常呈大型鐘形。與河道相比，心灘巖石粒度穩定，以灰白色粗顆粒為主，沉積構造多為小型槽狀交錯層理和板狀交錯層理（圖2d），發育明顯的落淤層（圖2e），測井曲線為典型的箱形。由于辮狀河自身沉積過程的原因，河漫部分保存不完整［11］，研究區河漫沉積以粉砂巖為主，平行層理發育（圖2f），偶見沙紋層理構造，測井曲線呈小型指形和微齒線形，GR明顯高于河床沉積砂巖，巖石顏色以暗色為主。

圖2 鄂爾多斯盆地大牛地氣田大12 井區二疊系山西組巖心沉積構造特征Fig.2 Sedimentary structural characteristics of Permian Shanxi Formation in Da 12 well area of Daniudi gas field，Ordos Basin

2.2 辮狀河三角洲平原

相比辮狀河沉積，研究區山西組三角洲平原沉積更加發育。由于遠離沉積物源，巖石成熟度更高，能量更低，呈現出“泥包砂”的特征（表1）。分流河道沉積以含礫粗砂巖和粗砂巖為主，發育小型槽狀交錯層理（圖2g），河道沉積內部發育多個韻律沉積，單個韻律內粒度自下而上逐漸變粗，測井曲線以鐘形+箱形為主。溢岸沉積以細—粉砂巖為主，發育波紋層理（圖2h），伴有不同程度的炭質條帶（圖2i），測井曲線多呈小型指形。相比之下，泛濫平原為辮狀河三角洲平原中的低能沉積，發育大套的黑色泥巖，巖石中富含植物碎片（圖2j），煤層是泛濫平原的明顯標志，也是與辮狀河的主要差異之一。

3 儲層構型界面劃分與表征

3.1 構型單元劃分與識別

國內外學者針對砂質辮狀河儲層構型單元劃分方案和界面識別已經建立了較為系統、完整的方法（表2），本次研究結合以往成果將研究區山西組辮狀河道充填復合砂體定為六級構型單元，它是由若干個五級單一辮流帶構型單元組成，每個五級單一辮流帶包括河床（分流河道）和河漫（溢岸）2 個部分。辮狀河五級單一辮流帶的河床構型主要包含水道和心灘2 個四級構型單元，河漫構型整體作為一個四級構型單元，心灘由多個三級增生體構成；辮狀河三角洲平原五級單一辮流帶的分流河道構型同樣包含水道和心灘2 個四級構型單元，溢岸構型整體作為一個四級構型單元，分流河道心灘構型仍然包含多個三級增生體構型單元。

表2 不同級次構型單元沉積識別標準［24-25］Table 2 Sedimentary recognition characteristics of configuration units at different levels

以大12 井為例（圖3），山1 段至山2-1 亞段均為辮狀河三角洲平原沉積，發育多個五級辮流帶構型單元，厚度為6～8 m。大套的黑色頁巖沉積與上覆砂礫巖的界面通常為五級構型單元的界面，水道和心灘均以粗粒巖石為主，水道GR曲線以鐘形為主，水道中三級構型界面往往以上部礫巖沖刷面為界，其GR值為50～75 API；心灘則以箱形為主，GR值普遍低于水道，為30～50 API，同時發育多個三級增生體，增生體內發育泥質落淤層或炭質紋層帶（圖2i）；四級溢岸構型單元則以細粒沉積為主，發育煤層，GR值為120～200 API。山2-2 亞段則為辮狀河沉積，五級辮流帶內河道和心灘的疊置明顯，河道的頻繁改道使辮流帶往往呈心灘+心灘與水道+心灘2 種模式，頂部四級河漫的出現預示著該期辮流帶的沉積結束，大型的底部沖刷構造發育在四級河漫構型之上；四級心灘構型單元中發育穩定的增生體，單個增生體被落淤層分開為多個三級構型單元，單個心灘厚度為6～8 m，GR曲線呈現明顯的箱形，GR呈明顯的低值；四級河漫構型以泥質沉積為主，測井相為微齒線形或指形。

圖3 鄂爾多斯盆地大牛地氣田大12 井二疊系山西組沉積組合垂向序列Fig.3 Vertical sequence of sedimentary of Permian Shanxi Formation of well Da 12 in Daniudi gas field，Ordos Basin

3.2 儲層構型

3.2.1 砂體單井厚度的確定

針對15 口取心井、86 口開發井，按照沉積構造、巖性旋回及測井相規律，劃分出不同級次構型單元，對所有辮狀河和辮狀河三角洲平原分流河道中238 個心灘和432 個增生體進行厚度表征（圖4）。結果表明：辮狀河心灘厚度主要為6.0～12.0 m，占總數的75.8%，增生體厚度主要為3.0～5.0 m；三角洲平原分流河道微相中心灘厚度與辮狀河相當，主要為6.0～11.0 m，占總數的75%，增生體厚度主要為3.0～6.0 m。

圖4 鄂爾多斯盆地大牛地氣田大12 井區二疊系山西組不同沉積微相心灘和增生體厚度規律統計Fig.4 Statistics of thickness of mid-channel bar and accretion bodies of Permian Shanxi Formation in Da 12 well area of Daniudi gas field，Ordos Basin

3.2.2 不同級次構型單元規模表征

在河流相儲層構型的研究過程中，井間砂體展布規律和平面展布特征研究需要選取能夠代表研究區河流類型的儲層構型單元表征參數，建立單砂體長度、寬度和厚度的關系，最終達到砂體空間展布規律研究的目的，這也是陸相儲層構型的關鍵［11］。在以往針對辮狀河和辮狀河三角洲平原砂體構型研究提出的經驗公式基礎［26-28］上，采用“將今論古”方法在Google Earth 軟件上對西藏拉薩河、雅魯藏布江、新西蘭拉凱阿河，以及研究區北部府谷天生橋山西組實測剖面測取辮狀河砂體參數，并對其進行輔助判別和修正，建立了適合大12 井區河道砂體構型表征標準（表3）。在單井單河道滿岸深度、單一增生體厚度的基礎上，根據上述經驗公式分別確定單一辮流帶、單砂體的側向規模。計算和統計發現大12 井區山西組辮狀河五級單一辮流帶長度為425～3 516 m，平均值為1 631 m；三角洲平原分流河道五級單一辮流帶長度為1 890～3 678 m，平均值為2 267 m。

3.2.3 河道邊界、心灘位置和增生體規模的確定

（1）河道邊界識別。河道的展布受物源方向、古地貌、古環境的綜合制約，如何清楚地劃分古河道的邊界和心灘位置是儲層砂體構型的關鍵［29-31］。河道側向邊界的確定主要是通過砂體之間的橫向對比，同一河道在順物源方向時常會發生砂體規模的差異，但在垂直物源方向則具有一定的相似性。因此，當出現砂體頂面高程差異、砂體規模差異、河道砂體韻律變化以及河道間泥4 種情況時，往往是不同河道之間造成的砂體疊置效應（圖5）。大牛地氣田河道邊界以砂體規模差異和河道間泥最為典型，橫向沉積微相突變是多期河道頻繁改道的綜合表現。

圖5 鄂爾多斯盆地大牛地氣田大12 井區二疊系山西組河道砂體側向邊界劃分標志Fig.5 Division mark of channel sand body lateral boundary of Permian Shanxi Formation in Da 12 well area of Daniudi gas field，Ordos Basin

（2）心灘規模和內部構型。在確定河道邊界后，當單河道滿岸深度（與心灘厚度相當）或心灘厚度確定時，可以通過表1 中計算公式進行心灘長寬規模的表征。計算結果顯示：大12 井區山2-2 亞段辮狀河沉積心灘寬度為97～864 m，平均為342 m，心灘長度為415～3 438 m，平均為1 401 m；山1 段—山2-1亞段心灘寬度為121～1 190 m，平均為478 m，心灘長度為509～3 250 m，平均為1 514 m。每個心灘的規模通過構型表征的約束，為后期砂體疊置模式和平面展布奠定了基礎。

以往研究表明，心灘的位置和內部增生體的規模具有一定的規律性，心灘內部構型的解剖需要進行心灘增生體（落淤層）構型界面的識別及其傾角和規模的確定，而心灘發育的位置則需要結合測井曲線形態、落淤層發育位置和沉積微相來綜合判別［11］。落淤層（參見圖2e）是增生體之間的分割線，心灘內單一增生體的厚度可以直接獲取，按照經驗公式Wbi=15.954×hbi1.3723［24］，可以得出所有心灘內單一增生體的寬度，大12 井區心灘增生體寬度為174～280 m。與此同時，心灘兩翼的落淤層傾角可以通過心灘內增生體的高程差和水平距離進行計算，迎水面（頭部）稍陡而背水面（尾部）相對平緩，大12 井區迎水面傾角為1.6°～2.9°，背水面傾角為0.8°～2.2°（圖6）。通過上述步驟，心灘的規模和內部形態可以很好地實現約束和表征。

圖6 鄂爾多斯盆地大牛地氣田大12 井區二疊系山西組心灘內部構型與位置確定Fig.6 Internal configuration and location determination of mid-channel bar of Permian Shanxi Formation in Da 12 well area of Daniudi gas field，Ordos Basin

（3）心灘位置的確定。心灘一般具有頭部稍陡、尾部平緩、頂部近似水平的特征，且常與河道側接，落淤層主要分布于心灘尾部，沉積過程中前積特征明顯［11］。對于一口單井鉆遇心灘的位置判別需要結合單井測井曲線、落淤層發育情況和微相的疊置模式進行綜合判定：①由于心灘迎水面水動力強，背水面水動力弱，造成了單一增生體沉積物粒度前粗后細，順流加積作用會造成后期沉積的增生體不斷向下游推移，因此心灘迎水面垂向粒度變化不大，GR曲線以箱形為主，而背水面則有向上變粗的趨勢，GR曲線形態以漏斗形為主，據此可以判斷單井所處在心灘的大致位置（圖6a）；②心灘頭部能量強，以大型箱形GR曲線為特征，巖性穩定，厚度較大；心灘尾部能量弱，故尾部的落淤層相對更發育，此時GR曲線具有明顯的回返特征［32］，因此單井鉆遇明顯落淤層，則可判斷該井位于心灘尾部（圖6b）；③心灘翼部上面疊置辮流水道，心灘主體部位上部往往疊置泛濫平原，根據這一沉積規律，可判斷單井位于心灘的大致位置，如D25 井下部為箱形GR曲線的心灘砂體，而上部為鐘形GR曲線的辮狀河道沉積，由此可判斷該井位于心灘沉積的邊部（圖6c）。

4 砂體疊置模式與空間展布規律

不同古地貌特征和沉積微相下，河道的頻繁遷移均會形成不同類型的砂體疊置方式。大12 井區山西組自下而上呈現出多種砂體疊置組合（圖7），主要包括以下5 種類型：①孤立式，包括不同位和同位2 種類型，不同位通常是同期次河道在不同位置上的砂體堆疊，儲層巖性和物性類似，但連通性較差，主要發育在山1-2 亞段三角洲平原分流河道中；不同期、同位的孤立河道疊置在一起，兩砂體絕對地孤立，主要發育在東部地區的山1-1 亞段。②側接式，不同期砂體橫向相接，具有一定的弱連通性，主要分布在D21 和D22 井區的山1-2-1 小層。③側拼式，主要以不同期次不同位置的河道砂體疊置在一起，砂體邊緣相互交接，砂體連通性較好（優于側接式），廣泛發育于三角洲平原分流河道和D22 和D86 井區的山2-2-2 小層。④疊加式，不同期次河道砂體在同一位置的縱向上疊加，并且對早期沉積的砂體有所侵蝕，縱向上連通性較好，測井曲線多呈不完整的箱形垂向疊置模式，廣泛發育于山2-2亞段辮狀河沉積砂體中。⑤復合式，相鄰砂體在縱向和橫向上相互切割、疊加，橫向和縱向連通性均較好，此種接觸方式一般反映高可容納空間、持續充沛物源供給下泛連通的砂體沉積環境，主要出現在山2-2 亞段辮狀河砂體和山1-3 亞段三角洲平原分流河道中。

圖7 鄂爾多斯盆地大牛地氣田大12 井區二疊系山西組不同疊置樣式砂體特征Fig.7 Characteristics of sand bodies with different superimposed patters of Permian Shanxi Formation in Da 12 well area of Daniudi gas field，Ordos Basin

在上述砂體疊置模式研究的基礎上，建立了大12 井區山西組砂體縱向演化規律（圖8）。山西組下部8 個小層以三角洲平原亞相沉積為主，水下分流河道砂體相對穩定，河道中砂體以拼接式砂體疊置為主，尤其在山1-2-2、山1-3-1、山1-3-2 小層中不同期次不同位置的砂體疊置在一起，砂體連片性較好；山2-2-1 和山2-2-2 小層以辮狀河砂體為主，心灘和河道2 種微相相互拼接，多以復合式疊置，顯示了更加充沛的物源供給，且單一辮流帶內連通性最好。整體上，大12 井區山西組下部三角洲平原砂體橫向穩定性較好，因此儲層鉆遇率高；頂部辮狀河砂體縱向疊置明顯，縱向連通性更好，但橫向連通性僅限制于單個辮流帶內部。此外，大12井區河道的砂體疊置模式除了受沉積微相的制約外，古地貌也是決定該地區東西部河道差異的關鍵，西部河道整體更加發育，連片性和連通性均更好，東部河道則以孤立式或側接式疊置模式為主（圖8）。

5 油氣開發意義

大牛地氣田山西組河道頻繁改道導致砂體錯綜復雜，目前地震精度下難以實現精確預測評價，致使儲層精細表征和預測成為該地區致密砂巖氣勘探開發過程中的難點。然而，從油氣開發角度來講，砂體疊置模式會制約油氣開發過程中砂體鉆遇率和油氣的疏導能力，從而間接影響油氣生產量。因此在一定井網密度下，從沉積角度進行儲層構型和砂體疊置模式研究具有較強的生產指導意義［11］。研究表明，大12 井區山西組不同小層、不同沉積微相的砂體分布規模（東部和西部差異）和疊置模式與儲層厚度、砂地比、單井產能具有一定的關系（圖9）。大12 井區西部河道更加發育，東部河道相對孤立，西部砂體復合程度更高?？v向上山2-2 亞段辮狀河心灘比山1 段和山2-1 亞段分流河道心灘砂體更加發育，河道切割更深，泥質沉積不易保留，砂地比更高（圖9a），單一辮流帶內縱向和橫向連續性均較好；平面上大12 井區西部河道砂體呈復合式和側拼式，砂體連通性更好，單井儲層更厚，儲層鉆遇率也更高（圖9b），尤其是D11 井區、D39 井區山1-3-1和山2-1-2 小層的分流河道砂體復合程度高，儲層連片性好，水平井產能平均值大于1 000 m3/d，產能效果好（圖9c）。同時，D11 井區、D12 井區山2-2-2小層的心灘砂體以心灘和河道連片側拼式分布，儲層鉆遇率高，水平井產能平均值大于2 000 m3/d，產能效果好（圖9d）。整體來看，大12 井區山西組山2-2亞段高能辮流帶區域以及下部三角洲平原沉積中西部河道發育區域的砂體多為復合式、側拼式疊置樣式，砂體連通性良好，優質儲層鉆遇率高，是下一步油氣勘探開發的有利區帶。

圖9 鄂爾多斯盆地大牛地氣田大12 井區二疊系山西組不同小層砂體疊置模式與儲層厚度、砂地比及產能變化關系Fig.9 Relationships of sand body superimposed patters in different sub-layers with reservoir thickness，sand-formaiton ratio and productivity change of Permian Shanxi Formation in Da 12 well area of Daniudi gas field，Ordos Basin

6 結論

（1）鄂爾多斯盆地大牛地氣田大12 井區山西組下部4 個亞段（山1-1、山1-2、山1-3、山2-1）為辮狀河三角洲平原亞相，頂部1 個亞段（山2-2）過渡為辮狀河沉積；單個辮流帶內不同級次（四級和三級）構型界面明顯，可以按照巖性旋回、測井曲線、沉積構造精確劃分。

（2）研究區山西組沉積發育六級復合辮流帶和五級單一辮流帶，單一辮流帶包括河床（分流河道）和河漫2 種四級構型單元，河道內單個心灘沉積包含有三級增生體和落淤層；辮狀河三角洲平原中五級單一辮流帶發育四級泛濫平原沉積，辮狀河中四級河漫沉積欠發育，辮狀河心灘中落淤層不發育。

（3）縱向上，研究區山西組下部三角洲平原沉積河道連片性高，砂體連通性好，山2-2 亞段辮狀河河道切割更深，泥質沉積少，砂體疊置復合程度更高，但僅限于單一辮流帶內；平面上，山西組西部河道發育規模更大，砂體以復合式和側拼式為主，東部河道疊置程度低，砂體以孤立式和側接式為主。因此，西部三角洲平原復合式砂體區域和山2-2 亞段高能辮流帶區域是大12 井區山西組油氣勘探開發的有利區帶。