孤岛油田南区馆上段辫状河储层构型表征

国景星, 李钧, 王泽, 龚铎

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院, 青岛 266580)

河流相储层在中国陆相开发的各类储层中占比较大,约有42.6%的油气富集于河流相储层中[1-4]。相较于曲流河储层,辫状河储层临近物源、坡度较大,受水流、洪泛间歇性的影响,沉积物粒度较粗,砂地比较高,砂体连续性较好,是良好的油气储集砂体。但由于河道在平面上频繁迁移、变化多样,致使储层连通性差,非均质性强。

孤岛油田南区于1973年投入开发,经过多年勘探开发,综合含水率已高达约91.1%,油气采出程度约为22.6%,水驱采收率为26.7%。受断层和储层内部构型的影响,造成了孤岛油田南区油层水淹严重、注采矛盾突出等问题。储层砂体刻画不精细严重制约了油气田的高效开发,类似沉积相等偏于定性的研究已经不能满足油田生产实践需要。储层构型分析方法与传统沉积相分析法相比,分不同级次对构型单元进行识别和划分。对单砂体精细刻画,系统总结单砂体内部夹层的发育特征,对指导辫状河储层的剩余油挖潜具有重要意义[5-9]。

中外诸多学者对不同沉积类型的储层构型进行了大量卓有成效的研究,河流相储层构型的研究起步较早且日益成熟[10-17],但这些成果大多基于露头和现代沉积,针对地下辫状河内部结构的研究较少。现以孤岛油田南区西北部馆上段辫状河储层为例,依据测井资料识别不同级次构型单元,充分利用密井网条件,以构型要素分析法为指导,对复合砂体进行解剖,明确不同级次砂体内部构型特征。通过对密井网井区单砂体的数据进行分析,探索出适用于稀井网条件下辫状河储层构型定量表征方法。通过对诸多密井网井区心滩砂体进行实际解剖,利用栅状图展示不同类型心滩的形态及内部夹层展布差异,以期为不同类型心滩的判别和具有针对性的剩余油挖潜提供直接的地质依据。

1 研究区概况

新近系馆陶组疏松砂岩是孤岛油田主要目的层位,孤岛油田共发育正断层20余条,受孤北、孤南、孤西三条断层影响最大,划分为6个开发区块,如图1所示[18-19]。研究区位于孤岛油田南区的西北部,位于孤岛凸起西南侧,河道迁移频繁,砂体成因多变,连通关系复杂,含油面积可达19.1 km2,地质储量约为6.150×107t。研究区主要开发层系为馆上段3～6砂层组,细分为17个小层,主要发育河流相沉积,砂体厚度较大,物性好,整体表现为正韵律,非均质性强,油水界面不统一,主力油层零散分布,平均有效厚度小于5 m,油气埋藏深度介于-1 180～-1 350 m。

图1 研究区构造位置图(据文献[19]修改)Fig.1 Structural location map of research area(modified by ref.[19])

2 沉积微相特征

主要通过分析研究区内沉积学标志和测井相标志来确定沉积相类型,结合前人研究的成果[20-22],对取心井的岩石成分、沉积构造特征进行分析,总结不同类型沉积微相特征(表1),并以此作为依据对工区内非取心井进行沉积微相划分。研究区馆陶组5～6砂层组沉积时期构造活动较少,物源供给充分,水体分布广且流量变化频繁,整体呈“砂包泥”的沉积特征,为典型的辫状河沉积,主要发育心滩、河道充填及溢岸砂三种沉积微相。

表1 孤岛油田南区沉积微相及测井曲线特征

2.1 心滩微相

研究区心滩微相沉积厚度较大,介于3～8 m,岩性以粉砂岩为主,底部可见粗砾岩,局部可见砂质团块、泥质条带和灰质结核等,粒度中值介于0.02～0.065 mm,分选、磨圆中等,发育大型板状交错层理、平行层理、斜层理等。心滩微相以垂向加积为主,纵向上略显正粒序或整体呈均质,古生物化石较少,局部可见植物炭屑。在测井响应上,自然电位以箱型、箱型叠加、微漏斗形为主;感应电导率曲线以齿化箱型为主,顶底部突变式接触;微电极曲线幅度差明显。

2.2 河道充填微相

辫状河河道充填微相沉积厚度介于1～4.5 m,岩性主要以中-细砂岩为主,偶见灰质结核、砂质团块等,粒度中值介于0.01～0.04 mm,具有明显的正韵律特征,分选、磨圆中等-差,可见小型交错层理、平行层理等沉积构造。在测井响应上,自然电位以小型齿化箱形、钟形、宽指形为主,底部多呈突变式接触;微电极曲线幅度差较大。

2.3 溢岸砂

溢岸砂微相常发育于河道两侧,厚度相对较小,一般小于1 m,沉积物粒度相对较细,以粉砂质泥岩为主,粒度中值介于0.005～0.02 mm,常见波状层理。在测井响应上,自然电位曲线以低幅指形和齿形为主。

2.4 沉积微相展布特征

馆陶组(Ng)沉积初期,发育辫状河沉积,随着基准面不断下降,河道规模逐渐增加,到了Ng6的晚期,河道规模达到最大,河道面积可达全区70%以上,心滩发育较多。Ng62沉积时期,相较于其余小层砂岩较为发育,砂岩钻遇率为74.10%,砂岩厚度介于1.07～7.33 m,平均厚度2.84 m,厚砂体在全区均有分布,单个厚砂体多呈土豆状、条带状或不规则状,砂体宽度一般介于180～300 m。因此,本次研究中选择Ng62小层作为具有代表性的小层进行分析和描述,以砂层的砂岩厚度分布为重要依据,结合测井响应特征综合分析,对全区沉积微相进行识别。

Ng62砂体沉积时期,河道的分布面积较大,曲率较低,相类型以辫状河为主,砂岩面积占工区总面积55%,分布较为均匀(图2)。河道宽度一般介于130～180 m,最宽处可达450 m以上。河道面积占整个研究区的52%,总体上呈南北向展布;溢岸砂占全区面积的3%,分布于河道外侧;心滩发育较多,但规模不大,一般呈透镜状、新月状及不规则状,分布于河道内,总面积约占全区面积的12%;泛滥平原面积约占全区45%。

图2 孤岛南区馆陶组62小层沉积微相分布图Fig.2 Sedimentary microfacies distribution map of Ng62 in southern district of Gudao Oilfield

3 储层构型分析

Miall[7]于1985年提出构型要素分析法,奠定了储层构型级次划分的基础,指导了河流相储层的构型级次表征。构型要素分析法认为沉积体是由不同级次的构型要素所组成,通过分析沉积体内部构型要素及其组合方式可以重构沉积体的形态和内部结构,而构型解剖包括不同级次沉积界面刻画和界面所夹的构型要素分析两个方面。

3.1 储层构型级次的划分方案

本次研究基于Maill[7]与吴胜和等[23]在河流相构型研究中的划分方案,利用岩心资料、测井资料以及现代沉积的调研,综合考虑研究区内的实际地质特征,确定本次辫状河储层的构型分级方案。

将研究区分为6个级次(表2),在不同级次的构型中,0级、1级和2级界面利用测井资料难以识别,6级界面对层间非均质性具有重要的意义,但对于层内非均质性影响不大。考虑研究区取心井数不多,依据“层次划分、模式拟合、多维互动、规模约束”的构型分析思路,针对3级、4级和5级构型单元进行重点解剖。3级构型界面为心滩内部落淤层,反映了季节性的沉积事件引起的水位变化或内部砂质底形方向的变化,构型单元为单一增生体;4级构型界面为大型底形界面,是单砂体之间的界面,如心滩顶底界面、辫状河道的沉积间断面或冲刷面、心滩与辫状河道之间的接触面等,构型单元为单砂体,相对于沉积相来说对应于微相;5级构型界面为单一辫流带顶底面,表明单一河道从沉积开始到沉积结束的时间节点,以单一辫流带的底界面为代表,构型单元为单一辫状河道砂体,相对于沉积相来说对应于亚相。

表2 构型分级方案

3.2 单一辫流带级次构型分析

在辫状河沉积过程中,水动力季节性变化,河道频繁迁移,纵向上多个单一辫流带相互切叠,单一河道砂体叠置形成“泛连通体砂体”,横向上多个单一辫流带被溢岸砂体和泛滥平原所分隔。考虑到研究区取心资料少,利用测井资料为主,在细分单层的前提下,从单井的构型单元识别出发,对目的层单层砂岩厚度进行统计,结合古水流方向综合分析,大致确定同一沉积时期辫状河道平面分布范围。利用沉积条件相似的现代沉积所总结的经验公式进行计算,得到各单层单一辫流带宽度范围,利用计算结果对单一辫流带的表征进行一定的约束。在对比的过程中,根据河间沉积、河道顶部高程差异、测井曲线差异,对剖面内单一辫状河道之间进行侧向划界;根据测井响应特征的差异,对河道在垂向上的切叠模式分析,进行辫状河道的垂向分期;进而测量辫流带及单一辫状河道相关参数,对5级构型单元进行定量表征。

3.2.1 垂向划分

辫状河在沉积时期受到各种环境因素的控制,使得其内部构型单元在纵向上就表现出了多种接触关系[24]。结合岩心、测井响应等特征,将研究区辫状河道垂向切叠模式分为三大类,即孤立式、中等切叠式和强烈切叠式(图3)[25-26]。不同河道或同一河道不同位置的水动力条件不同,对下伏地层的切叠程度不同,河道表现的切叠模式也就不同。

(1)孤立式。发育于河道支流,水动力相对较弱,多期河道砂体被较厚的泥岩隔层所分隔,纵向上相对孤立发育,无明显向下切叠现象,泥岩隔层厚度介于1～5 m,导致河道砂体垂向上不连通,河道砂体厚度相对较薄,正韵律特征明显,自然电位曲线呈单一的箱形或单一的钟形。

(2)中等切叠式。河道水动力较强,对下伏地层的侵蚀作用相对较强,不同期次河道砂体相互接触,砂体间切叠现象不明显。如图3所示,GDN10-02井中河道砂体表现为中等切叠式的特征,多期河道砂体整体厚度大,河道砂体间呈相切接触,河道切叠处发育较薄的夹层,自然电位曲线具有明显回返,两期河道自然电位幅度不同,呈现阶梯状,表现为复合箱形、复合钟形或钟形箱形叠加,厚层砂体内部微电极曲线也存在着明显回返。

(3)强烈切叠式。常见于主河道中,水动力条件强,后期河道对早期河道砂体具有较强的侵蚀作用,河道砂体之间相互切叠,后期河道砂体对早期河道砂体具有一定的改造作用,在切叠处不发育隔层或夹层。如图3所示,GDN10-3井中两期河道表现为强烈切叠式的特征,垂向上多期河道砂体叠置,整体厚度较大,自然电位呈中-高幅箱形或钟形。河道切叠处自然电位曲线回返不明显,识别难度相对较大,微电极曲线具有明显的回返,整体呈单一箱形或钟形箱形叠加。

3.2.2 侧向划界

依据密井网资料总结出河间沉积、河道砂体顶面层位高程差异可作为辫流带侧向划分标志,如图4所示。

(1)河间沉积。洪泛期水流携带沉积物从堤岸漫溢而出,在河道两侧或者分叉位置形成溢岸砂沉积和泛滥平原,粒度相对较细,厚度较薄,测井曲线常为齿状或指形,河道间细粒沉积可视为河道的边界。

(2)河道砂体顶面层位高程差异。由于沉积时间、古地貌、水动力等因素的影响,不同的河道顶面构造高度会有层位高差,可作为判断不同河道砂体的判别标志之一。

(3)测井曲线形态差异。不同的河道水流速度不同,往往导致沉积砂体在厚度及测井曲线特征上会有所差异。河道砂体横剖面呈顶平底凸特征,在密井网井间对比中,可以根据厚度变化判断河道砂体的分布范围,确定单一辫状河道边界。

国内外学者等通过对辫状河现代沉积的测量,认为单一辫流带宽度、单河道满岸深度、单一辫状河道宽度等参数间具有线性关系,总结出相关参数之间的经验公式(表3)。研究区单河道满岸深度介于3～7.3 m,由经验公式计算,得到单一辫流带宽度应介于150～390 m。在经验公式和砂岩厚度的联合约束下,对研究区辫流带进行测量,宽度介于136～374 m,平均宽度为212.5 m,研究区边部和中部均有泛滥泥岩分布,导致辫流带宽度变化范围较大,河道砂体呈“串珠状”有规律交错分布。

表3 辫状河河道储层构型参数地质知识库

3.3 心滩级次构型分析

心滩由多次沉积事件形成,在逐渐向下游推移的过程中,发生多种沉积作用,根据水流方向可将心滩划分为4个部分:滩头、滩尾、滩翼和滩主体。

在同一小层内,心滩相较于其他单砂体厚度较大,利用砂岩厚度进行心滩分布范围的预测,在剖面上心滩呈“顶凸底平”和“顶凸底凸”两种特征,只利用砂岩厚度不能将心滩和河道充填砂体准确的区分,识别精度低,误差大。辫状河道砂岩厚度与同期心滩砂岩厚度相同或略小。在沉降稳定、构造较少的地区,心滩沉积砂岩顶部高程高于辫状河道砂岩,利用单层顶部构造深度(H1)与砂体顶面构造深度(H2)计算砂体顶面相对深度(H),进行心滩和河道的区分(图5)。

图5 砂顶相对深度法识别心滩Fig.5 Identifying channel bar by relative depth of sand body

采用砂体顶面相对深度法,得到心滩和河道的分布范围,结合测井资料进行单井分析,对小层内的单砂体进行识别。判断相邻井是否属于同一心滩是划分单个心滩的关键,利用测井响应特征、相对高程差、剖面形态、落淤层的产状、经验公式约束的方法来确定两个心滩是否属于同一心滩。

(1)测井响应特征。心滩形成的主要沉积作用有垂向加积、顺流加积和侧向加积,滩头所受到的水动力强,滩尾受到的水动力弱,导致滩头粒度比滩尾粒度粗。沉积物顺水流方向不断向前推移,滩头韵律性不明显,曲线以箱型为主,滩尾粒度自下而上逐渐变粗,测井曲线呈漏斗形,根据粒度特征可以判断单井所处于心滩的大致位置。例如对相邻的两口井,若判断在古水流上游的井位于滩头,下游的井位于滩尾,则认为两口井为同一心滩,反之则认为两口井为两个不同的心滩;若两口井都位于滩头,井距较小时,则认为是两口井属于同一心滩,反之则认为两口井为两个不同的心滩。

(2)相对高程差。研究区沉降稳定,构造较少,以“顶凸底平”的心滩为主,心滩底部到标准层的相对高程差具有稳定性,可以作为识别单一心滩的依据。

(3)剖面形态。依照前人对现代辫状河沉积的研究,地下储层的单个心滩表现为中心较厚四周变薄,由于沉积底面地层的起伏不同,心滩的剖面形态具有“顶凸底平”和“顶凸底凸”两种特征。划定两个砂体是否同一心滩的时候,可作为判断依据,如果邻井的心滩砂体在划分研究过程中,厚度出现“厚-薄-厚”的情况,可以推测其不属于同一心滩。

(4)落淤层的产状。心滩内部由多期增生体构成,两期洪泛之间的较低水位时,沉积细粒的悬浮物质在心滩顶部形成落淤层,自然电位曲线回返程度相对不明显,自然伽马曲线存在回返,微电极曲线有明显的回返。根据两口井中的心滩落淤层发育情况,则可以说明两口井是否属于不同的心滩沉积。滩头落淤层被冲刷剥蚀;滩主体所受水流冲刷作用较弱,落淤层完整的保存,落淤层产状近似水平;滩尾受水流冲刷作用弱,落淤层保存较好;两侧滩翼受不同程度水流冲刷,滩翼坡度较小,水流易越过边界冲刷滩翼,落淤层受水流冲刷剥蚀,滩翼坡度较大,底部落淤层受到水流冲刷剥蚀,中上部落淤层保存较完整。

(5)经验公式约束。定量研究心滩长宽厚之间的数量关系,更准确地确定心滩的展布范围,进而划定心滩边界。不同学者在现代沉积和野外露头的模式指导下,总结出心滩、河道及相关参数之间的经验公式(表4),可作为辅助手段,划定心滩侧向边界。

表4 辫状河心滩储层构型参数地质知识库

根据上述识别方法,对心滩进行识别和划分,结合现代沉积中心滩的发育模式和平面形态,考虑辫状河水动力规律,对平面上心滩发育位置进行合理的调整,准确划分出单一心滩(图6)。从单井出发,平剖互动,提高心滩构型表征的准确度,为心滩及其内部构型的定量表征奠定了基础。

图6 孤岛南区西北部馆62小层砂顶相对深度图Fig.6 Relative equal depth map of Ng62 sand head in southern district of Gudao Oilfield

对研究区心滩的长度、宽度、厚度及长宽比等参数进行统计,研究区心滩长度介于184.4～564 m,平均长度为344.3 m;宽度介于54.4～196.5 m,平均宽度为98.1 m;厚度介于2～7.9 m,平均厚度为4.2 m;长宽比介于3～3.5,平均长宽比为3.2,研究区距离物源近,具有较大的长宽比,下游心滩的长宽比略小;宽厚比介于10.3～54.6,平均宽厚比为24.4。通过分析各参数间的相关性,提出了适用于研究区单砂体定量表征的经验公式,提高了稀井区心滩识别准确性。其中心滩长度(Lp)与心滩宽度(Wp)之间具有较高的相关性,心滩长度(Lp)、宽度(Wp)与单一辫流带宽度(Wb)之间的相关性较高,表达式为

(1)

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

(2)

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

(3)

由于辫状河道频繁迁移摆动,心滩在河道中发育的位置有所不同导致心滩长度、宽度与单一辫流河道宽度之间的相关性不明显。

3.4 心滩内部级次构型分析

心滩两侧辫状水道控制着心滩的形成和演化,不同的水流条件下的沉积作用不同,导致形成心滩形态样式不同,不同类型心滩内部的构型特征也截然不同,按照心滩的形态、大小及其与水流方向、河岸之间的关系,将心滩分为3种类型:纵向砂坝、横向砂坝、斜列砂坝[35-38]。不同心滩内部落淤层的展布范围、形态有所不同,从心滩受控的沉积作用入手,以识别的单一心滩为约束,对心滩内部落淤层单井识别,选取研究区内密井网井区典型的心滩进行实例解剖,对不同类型心滩内部落淤层特征及展布规律进行分析。

(1)纵向砂坝。以GDN10-2井区为例(图7),对纵向砂坝内落淤层展布特征进行验证。心滩所处辫流带相对较窄,两侧水流为高能对称水流,易形成纵向砂坝。形成纵向砂坝的沉积作用以顺流加积与垂向加积为主,在地形开阔或构造起伏的部位,水流速度相对减缓,沉积物开始卸载、堆积并向前推移,形成纵向砂坝,形态呈透镜状,心滩的长轴方向与河道延伸方向近似平行。滩头两侧均受到冲刷作用,遭受持续的侵蚀,背水面则不断接受沉积,增生体顺流逐渐向下推移,宏观上表现为心滩向下游方向迁移。滩头落淤层部分遭受侵蚀,滩主体和滩尾的落淤层得到完整的保存,逐渐形成了滩头陡和滩尾缓的形态特征;两侧高能对称水流对两侧滩翼冲刷侵蚀程度相当,两侧落淤层倾角基本一致。在垂直于古水流方向剖面上,心滩以垂向加积作用为主,心滩发育逐渐稳定,自下而上,落淤层的分布范围逐渐增大,后期形成的落淤层对前期形成的落淤层起一定的保护作用。

图7 GDN10-2井区纵向砂坝栅状图Fig.7 GDN10-2 well area longitudinal sand bar fence diagram

(2)横向砂坝。以GDX3-1井区为例(图8),对横向砂坝内落淤层展布特征进行验证。横向砂坝发育在河道变宽或加深的弱水流区域,两侧水流为低能对称水流,形态呈透镜状居多,心滩的长轴方向与河道延伸方向不一致,以顺流加积和垂向加积作用为主。滩头和滩尾落淤层的产状与纵向砂坝相似,落淤层近水平对称分布,多期落淤层之间近似平行,落淤层分布范围从滩头至滩尾逐渐增大;横向砂坝中央高度与坝缘高度差较小,滩主体落淤层和两侧滩翼落淤层的倾角较平缓。

图8 GDX3-1井区横向砂坝栅状图Fig.8 GDN3-1 well area transverse sand bar fence diagram

(3)斜列砂坝。以GDN7-5井区为例(图9),对斜列砂坝内落淤层展布特征进行验证。斜列砂坝两侧水流为不对称水流,受侧向加积作用的影响,主水道一侧与次水道一侧冲刷作用不同,增生体在向前推移堆积的同时,逐渐侧向迁移形成斜列砂坝。心滩向次河道一侧推移,形态呈月牙状,长轴方向与主水流方向不平行,靠近主河道一侧厚度较大,靠近次河道一侧心滩的延伸远、厚度薄。与其他类型心滩相同,都发生顺流加积作用,滩头剥蚀,滩尾接受沉积,滩头落淤层倾角大于滩尾;两翼受到不对称水流冲刷,主河道被侵蚀,落淤层倾角大,次河道一侧落淤层得到较好的保存,落淤层倾角较小,表现为落淤层倾斜分布,多期落淤层倾斜方向一致。

图9 GDN7-5井区斜列砂坝栅状图Fig.9 GDN7-5 well area inclined sand bar fence diagram

对心滩厚度变化、发育位置和内部落淤层展布特征进行分析,对研究区Ng62小层37个心滩类型进行判别(图10),其中纵向砂坝15个,横向砂坝7个,斜列砂坝15个。纵向砂坝在研究区中部和东北部分布较多,发育于河道中部或相对较窄的河道内;横向砂坝发育数量较少,分布较为分散,多发育于河道加宽处;斜列砂坝多发育于河道两侧,在研究区内广泛分布。

4 结论

(1)孤岛油田南区馆上段5～6砂层组属于辫状河沉积,主要发育心滩、河道充填及溢岸砂3种沉积微相。采用构型要素分析法建立了本次辫状河储层的构型分级方案,将研究区划分为6个构型级次,针对单一辫流带级次、心滩及其内部级次进行构型解剖。

(2)利用河间沉积、河道顶部高程差异、测井曲线差异,对剖面内单一辫状河道之间进行侧向划界;根据河道砂体在垂向上的切叠模式差异,对辫状河道进行垂向分期;在经验公式的约束下,统计辫流带及单一辫状河道的相关参数,对5级构型单元进行定量表征。研究区平均单河道满岸深度介于3～7.3 m,单一辫流带宽度应介于136～374 m,平均宽度为212.5 m。

(3)利用砂顶相对深度法识别心滩发育位置,通过单井解释对小层内的单砂体进行识别。在心滩对比过程中,利用测井响应特征、相对高程差、剖面形态、落淤层的产状、经验公式约束的方法来确定两个心滩是否属于同一心滩。通过测量心滩长度介于184.4～564 m,平均长度为344.3 m;宽度介于54.4～196.5 m,平均宽度为98.1 m;厚度介于2～7.9 m,平均厚度为4.2 m;长宽比介于3～3.5,平均长宽比为3.2;宽厚比介于10.3～54.6,平均宽厚比为24.4。通过对单一辫流带和心滩等相关数据的分析,提出了适用于稀井网条件下的单砂体预测经验公式。

(4)按照心滩的形态、大小及其与水流方向、河岸之间的关系,将心滩分为三种类型:纵向砂坝、横向砂坝、斜列砂坝。分析不同类型心滩特点,根据心滩厚度变化、发育位置和内部落淤层展布特征识别不同心滩类型。对全区37个心滩的类型进行判别,其中纵向砂坝15个,横向砂坝7个,斜列砂坝15个。