川西新场地区须家河组二段砂体沉积充填特征及定量地质建模*

商晓飞 赵 磊 易 杰 李 蒙 刘君龙

(1.中国石化石油勘探开发研究院 北京 100083; 2.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司 新疆乌鲁木齐 830011)

随着中国天然气工业的发展，致密砂岩气藏勘探开发的规模在迅速扩大。目前在四川、鄂尔多斯、渤海湾、东海等盆地均已在致密砂岩领域获得天然气探明储量[1-4]。四川盆地须家河组致密砂岩气藏天然气资源丰富[5-6]，其中，位于川西坳陷中段的新场气田在须家河组已累计提交天然气探明储量千亿方，是四川盆地发现的一个大型气田。然而，经过20多年的开发，采收程度较低，探明储量实际动用率不足10%。

对致密砂岩气藏的勘探开发，关键在于较准确刻画普遍低孔、低渗背景下相对物性较好的部分，即优质储层[7-9]。优质储层的分布通常与优势沉积相带有关，它既能反映原始沉积作用对物性的控制，又能影响后期的成岩作用[10]。因此，在广泛砂体中表征不同砂体类型的空间分布，是预测致密砂岩气藏优质储层的关键。目前对砂体类型的研究多是基于井点岩心观察、分析测试等定性描述其特征和成因，或基于地震进行横向预测[11-12]。然而，由于致密砂岩储层非均质性强，仅采用单一手段难以对不同类型砂体的空间分布进行较准确的定量刻画。本文综合利用川西新场地区须二段岩心、测井和地震资料分析，在明确砂体沉积类型及其沉积充填特征的基础上，定性描述不同类型砂体的平面展布，并基于地质建模方法，分级次构建出不同砂体类型地质模型，为优质储集体的空间预测和定量化表征提供基础。

1 地质背景

川西坳陷位于四川盆地的西部，面积约五万多平方公里，是晚三叠世以来形成的叠覆型盆地[13]。川西坳陷整体为北东向延伸，内部分为6个构造单元，表现出“三隆两凹一坡”的构造格局(图1)。三叠系须家河组沉积时期，随着扬子板块向西俯冲，川西地区大幅度沉降[14-16]，沿龙门山前形成坳陷，龙门山造山带和米仓山—大巴山的活动影响着该时期川西坳陷的次级构造形态和沉积充填演化[17]。

新场构造带位于川西坳陷中段，自印支运动以来，经历了燕山、喜山等多期构造运动[18]，目前呈近东西走向的长垣背斜(图1)。新场地区须家河组纵向上分为5段，总体为三角洲—湖泊沉积体系，其中须二段和须四段沉积时期，辫状河三角洲砂体广泛发育[19-21]，是新场气田的重要储集层。须二段储层整体较为致密，其孔隙度2.5%～4.5%，渗透率低于0.1×10-3μm2。因此，在储层整体致密的背景下寻找局部较高孔、较高渗的优质砂体，是新场须二段气藏勘探开发面临的关键课题。

图1 研究区地理位置与区域构造特征(据文献[5]，有修改)

新场地区须二段自下而上分为下、中、上3个亚段。下亚段地层西边厚、东边薄，上亚段则相反，东部更厚，中亚段整体砂体均很发育，这说明不同时期新场地区的砂体充填情况有所变化。根据电测曲线反映出的地层叠加样式，在层序界面识别基础之上，将新场地区须二段进一步划分为10个砂组，自下而上记为TX210—TX21砂组(图2)。

图2 研究区地层展布特征(剖面位置见图1)

2 砂体充填类型与沉积特征

通过对关键井岩心、测井、地震等资料综合分析，结合研究区地质背景，分析认为新场地区须二段主要为辫状河三角洲前缘亚相沉积。在河湖过渡带，地震剖面上可见微弱的叠瓦状前积、斜交前积以及向坳陷中心发散等地震反射特征。在下亚段西部和上亚段东部的局部地区发育三角洲平原亚相，沉积厚度较小，在地震剖面上可见透镜状反射(反射波变化大)，振幅较强。

依据岩石学、岩石组合、相序结构、砂体发育位置等特征，将须二段储集层进一步分为叠置河道、河道边缘、分流间湾、河口坝4种砂体沉积类型(图3)，其中辫状河三角洲平原/前缘的叠置河道是研究区发育广泛的砂体。

图3 新场地区须二段CH127井砂体沉积充填特征

1)叠置河道。

该砂体类型属于三角洲平原或前缘亚相，主要由细—中粒砂岩组成，其次为粗砂岩，在相序上呈现多期河道相互叠置。砂岩成分成熟度和结构成熟度均较低，砂岩中发育大型板状交错层理、槽状交错层理和平行层理，砂体底部一般有明显的冲刷面构造，其上可见泥砾。在岩心中常见千层饼状中粗砂岩，其石英含量较高，储集层物性好，且发育沉积层理缝，是研究区致密砂体气藏的“甜点”区域。

2)河道边缘。

该砂体类型位于水上/水下分流河道带的边部，主要为灰色细粒沉积，其沉积构造与叠置河道相似，发育板状交错层理和槽状交错层理，但规模较小。垂向上砂体较薄，具有明显的正粒序。

3)分流间湾。

该砂体属于三角洲前缘亚相，岩性主要为一套细粒悬浮成因的粉砂质泥岩和少量粉砂岩，发育浪成沙纹层理和水平层理。

4)河口坝。

该砂体类型以灰色、深灰色中至厚层状细粒沉积为主，单个砂层较厚且具有向上变粗变厚的反韵律特征。经过波浪长期淘洗作用，砂体分选性和磨圆度均较好，可见滑塌变形、包卷层理等沉积构造。

不同岩石相一般以一定组合形式出现在不同的砂体类型中。研究区叠置河道砂体最发育，每一期河道一般自下而上逐渐发育含碳屑、含煤中粗砂岩、(千层饼状)平行层理中粗砂岩、斜层理或块状层理中粗砂岩、波状层理中粗砂岩等岩相，指示水动力由强变弱的过程(图3)。另外，在同一等时地层格架中，不同地区钻井岩心所揭示的河道砂体岩性特征，尤其成分成熟度和结构成熟度，有较大差异，指示了河道砂体的搬运距离、水动力环境或许具有多样性。

3 不同类型砂体展布

为了进一步研究沉积地层的岩性变化，本次采用地震结构(Texture Modeling Reverse，TMR)反演属性，从平面和三维空间上预测砂体沉积和演化特征。TMR属性是通过建立地震数据与已有模式之间的方差矩阵，将具有相似形态的地震波形进行聚类，提取目标信息，具有更好的岩性响应效果[22-24]。通过研究区几种经典地震属性(如均方根振幅或相对阻抗属性)的综合对比发现，TMR属性能够更加清楚地刻画砂体边界。进一步统计TMR属性在TX22和TX24砂组平均值与砂体厚度的相关系数分别为0.68和0.76，具有较好的相关关系。因此，本次主要选取TMR属性进行沉积演化分析(图4)。

根据大量TMR地震地层切片显示，新场地区须二段的砂体来自北西方向龙门山断裂带和北东方向大巴山—米仓山山脉的两个物源的协同供给，不同时期来自两个物源的河流—三角洲体系的进积、退积作用各不同[25]。受湖平面升降和物源供给量的影响，须二段不同砂组的砂体分布区域和沉积规模(如叠置河道的宽度等)也存在差异性(图4)。

图4 新场地区须二段地震TMR属性地层切片

须二段初期沉积时期，新场西侧显示物源砂体进积，地层厚度表现为西边厚、东边薄。如TX27砂组，通过统计岩性录井和测井解释结果，新场西部的XIAOS1井叠置河道厚度为72 m；中南部CX565井和中北部X501井砂体厚度减小，为30～50 m；东部X601井、XC6井过渡为河道边缘，砂厚均小于10 m。可见该砂组沉积时期的西北部物源区对新场地区的影响很强，砂体以叠置河道为主，主要出现在研究区西侧，东部的叠置河道规模较小，主要为河道边缘沉积(图5a)。

须二段沉积中期，砂体沉积明显表现出受西北方向龙门山与东北方向大巴山—米仓山双向物源供应。如TX24砂组是新场地区最为富砂的砂组，新场地区地势坡度较缓加上河道频繁改道使得研究区砂体厚度大、连续性较好，如西部XIAOS1井砂厚达到100 m；中部XINS1井的砂厚也为75 m；东部X601井的砂厚达到60 m左右(图5b)。砂体沉积类型主要是叠置河道，由于湖岸线的后退，研究区南部出现河口坝、分流间湾沉积。TX24砂组是新场须二的主力产层之一，如X2井、X851井等均是高产井，这些井揭示砂体均为高能河道优质储层，粒度以粗粒和中粗粒砂岩为特征，层理类型以千层饼/平行层理、槽状交错层理为主。

图5 新场地区须二段重点砂组砂体类型分布及迁移特征

须二段沉积后期，新场地区东部的砂体范围逐渐增大，而西部沉积的砂体明显减少，供给水系源区从北西向北东发生改变[25]。如TX22砂组，东部X601井的叠置河道砂厚达到83 m，向西过渡为河道边缘，砂厚只有不到10 m，进一步转变为分流间湾沉积，泥质含量高(图5c)。TX22砂组也是新场须二段产气的主要贡献层段，如L150井为中产稳产井，该砂组产层段表现为中—高能河道优质储层，属于大巴山—米仓山物源长距离搬运沉积，粒度多为中粒砂岩，层理类型以块状层理和斜层理为主。

4 砂体定量地质建模

根据砂体沉积充填演化和分布规律的定性认识，为了进一步定量化井间砂体的分布，建立符合实际并具有预测意义的砂体类型三维地质模型。由于新场须二段气藏储层非均质性强，简单的砂泥岩模型难以控制储、渗性质的变化，因此，基质储层建模要以优质储层为目标。而对致密砂岩气藏来说，砂体类型是控制物性甜点发育的根本因素，岩石相分布及成岩作用均与砂体类型密切相关[26]。

本次研究砂体类型模型是在砂泥岩模型基础上建立的，目的是避免两个模型的砂体出现“冲突”。因此，总的模拟思路是先建立砂岩模型作为一级相，在砂岩相模型基础上，采用多级相控，将不同类型砂体作为二级相进行模拟。

4.1 基于地震砂厚趋势约束的砂泥岩模型建立

分别提取须二段TX21—TX210各砂组层段内的TMR属性，利用地震属性计算变差函数参数，获取各个砂组的沉积主次方向和变程数据。分析对比各砂组地震属性值与砂组总砂厚的关系，各砂组按照地震属性与总砂厚的相关关系，将TMR地震属性值转换为砂体厚度值，得到各个砂组的基于地球物理预测的砂体厚度趋势分布。砂厚趋势体能够在三维空间上反映砂体沉积量的变化，用其作为建模的辅助数据对砂岩的空间分布进行协同约束，在构建砂岩三维模型时，使其既能体现出砂泥岩分布的规律性，同时也能保证井数据的一致性。

该砂厚趋势体并非真实的砂体厚度分布，而是地震属性响应出的砂体沉积趋势。由于不同砂组的砂泥岩充填沉积特征不同，其协同约束的相关度仍需要根据区域地质背景以及钻井实际获取的砂泥岩沉积充填演化规律进行校正(图6)。不同砂组地震对砂厚的响应程度不同，如TX22砂组的TMR属性与总砂厚相关关系最好，相关性为0.83，则地震砂厚趋势协同约束的相关度可设为0.83。

图6 新场地区须二段各砂组地震属性砂厚趋势及变差函数

根据测井解释的砂泥岩性结论，将砂泥岩性数据离散进已经搭建好的地层网格系统中，作为建模的条件数据，分砂组采用序贯指示的方法进行建模。在模拟过程中，调用相应砂组的变差函数参数作为地质统计学的计算输入数据，调用相应砂组的地震砂厚趋势作为协同数据参与计算，最终构建砂泥岩展布地质模型(图7a)。

4.2 基于多点地质统计学的砂体类型模型建立

多点统计地质建模方法应用“训练图像”代替两点统计建模方法里的变差函数，来表征地质变量的空间结构和变化，可以克服传统两点统计地质建模方法不能较好再现地质体空间几何形态的不足[27]；同时，多点统计地质建模方法采用基于象元的序贯模拟过程，而非基于目标的随机模拟方法的迭代试错的模拟过程，容易条件化井数据和其他地质信息，提高计算效率[28]。就新场地区须二气藏而言，多点地质统计学方法模型优点是以训练图像代替变差函数，模型既完全符合单井砂体类型的解释数据，不同类型砂体之间分布能够体现出整体的沉积特点和演化规律。因此，为了更合理地建立砂体类型模型，本次采用多点地质统计学方法进行模拟。

由于新场地区须二段三角洲平原—三角洲前缘沉积背景下各别砂组(如TX22砂组)砂体类型的序列变化具有不平稳性，采用传统的多点地质统计算法(如Snesim算法[29])会造成模拟出的砂体类型在空间的接触关系不合理并且模拟目标不连续。为了解决训练图像平稳性、储层形态再现、多尺度地质体再现、计算效率提升等问题，本次应用基于图型矢量距方法(PVDsim)进行模拟。PVDsim算法在训练图型和数据事件矢量距离计算的基础上，采用二次匹配方式通过矢量距离对数据事件与训练图型的相似度进行度量，最终确定与数据事件相似度最大的训练图型[30]，新算法显著降低了训练图型选取的不确定性，所建模型更符合地质认识。根据钻井砂体类型解释数据，以各砂组平面砂体类型展布作为该砂组模拟时的训练图像(图5)，采用基于PVDsim算法的多点地质统计方法，分砂组模拟砂体类型在三维空间的定量分布(图7b)，结果显示该模型既符合单井砂体解释，井间符合训练图像表达的不同砂体沉积之间的空间结构，纵向上保持了沉积连续型。

图7 新场地区须二段砂体类型分布模型

5 模型验证与应用意义

建立的砂体类型模型需要对其在三维空间的分布状态进行检验。其合理性检验重在评价各个类型砂体的分布是否符合沉积规律。由于本次建模过程中，砂泥岩相作为一级相首先被建立，砂体类型为二级相，即叠置河道、河道边缘和河口坝均在砂岩相中进行模拟。因此，各个类型砂体的分布均要在砂岩相中，分流间湾因含有更多的泥质成分，在砂岩和泥岩相中均会进行部分模拟。

不同类型砂体在沉积上需遵守沉积规律，如在三角洲前缘沉积中，叠置河道往往沉积于水动力较强的区域，平面上近叠置河道中心部位物性更好，中粗砂岩发育(图8a)。向叠置河道外侧应该是河道边缘砂体，这部分砂体中，细砂岩逐渐占比增多。在砂体类型模型的基础上，可以再次通过相控约束，进一步建立不同粒度砂岩的三维分布模型，能够更精确表征和预测不同岩性的空间分布(图8b)。通过后期新钻的X10-2井在不同砂体类型和不同粒度岩性模型中显示，射孔层段揭示了中、粗砂岩较好的岩石相，进一步统计孔隙度介于3%～4%和4%～5%的储层厚度，模型吻合率在80%以上。

图8 须二段砂体类型与粒度岩性模型剖面

传统方法建立的离散相模型其分布随机性较强，很难保证各类型砂体之间接触关系的合理性。本次砂体类型建模流程中，用沉积规律进行约束，通过多级相控和多点地质统计的方法达到控制砂体类型分布的目的。通过提取模型中各个砂组的每一类型砂体的模型厚度分布图，可进一步分析不同砂体类型沉积厚度和沉积范围。通过平面和剖面分析，模型中所体现的砂体类型分布符合沉积规律，即在砂岩相中，基本呈现出叠置河道—河道边缘—分流间湾的连续分布(图7c)，且砂体类型的变化过程也充分体现了其粒度、岩性、物性的变化特征。

川西坳陷须二段储层含气普遍，前期勘探开发实践表明，孔、渗性良好储层(优质砂体)的广泛发育是油气稳产、形成具有较高经济开采价值气藏的基础。新场地区须二段不同期次三角洲或同一期次不同物源方向三角洲沉积规模、能量、岩性及储层物性的差异性，是造成不同沉积储集体油气产能差异的重要因素[31]。中亚段三角洲来自北西、北东两个物源，水上/水下分流河道砂体分布广、厚度大，叠置河道的粗粒砂岩占比相对较高，储层质量最好，是须二段油气勘探开发的主要目标。上亚段三角洲砂体来自北东长轴物源，主要分布在新场地区东部，砂质纯，物性较好，精细刻画北东方向上的叠置河道砂体分布是上亚段油气开发的研究目标。下亚段三角洲以北西短轴物源供给为主，成分和结构成熟度相对低，储层质量差，寻找物性相对优质的叠置河道砂体是该亚段油气开发的研究目标。

本文基于砂体类型充填特征的定性分析，建立了定量化的砂体类型空间展布地质模型。基于该模型可以较为准确刻画不同砂体类型的空间分布，定量化分析不同层段内的相对优质砂体(如叠置河道)的分布，为后期井位部署、优化开发方案可提供模型依据。

6 结论

1)须二段沉积时期，新场地区主要发育一套以辫状河三角洲为主的中—粗粒沉积体，砂岩厚度大、平面分布广泛，进一步分出叠置河道、河道边缘、分流间湾和河口坝4种砂体沉积类型，并以三角洲水上/水下叠置河道沉积为主。

2)TMR属性可较好反映并识别新场地区须二段砂泥岩沉积，其地层切片显示新场须二段不同砂组砂体分布区域和沉积规模具有差异性。须二段沉积早期，叠置河道主要发育在新场地区西部，砂体厚度超60 m，东部河道规模小；须二段沉积中期，叠置河道砂体规模最大，砂体厚度普遍在50 m以上；须二段沉积后期，物源从北西向北东迁移，新场地区东部的叠置河道规模更大，西部以泥质沉积为主。

3)对致密砂岩储层的相建模要以优质岩相为目标，通过地震砂体预测约束，序贯指示方法建立砂泥岩相模型，应用多级相建模思路，以不同类型砂体展布为训练图像，采用多点地质统计方法建立砂体类型定量分布模型。建立的砂体类型模型在空间中遵守沉积规律，具有更合理的各类砂体之间的接触关系，并为优质储层定量刻画及预测提供模型基础。