砂质辫状河储集层构型表征研究现状及展望

毛平

（中国石油 新疆油田分公司 勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000）

储集层构型（reservoir architecture），也称为储集层建筑结构，是指不同级次储集层构成单元的形态、规模、方向及其叠置关系。最早由Allen在1977年第一届国际河流沉积学会议提出河流相储层建筑结构（fluvial architecture）这一概念，Miall继承了Allen的思想，于1985年系统提出了基于层次的河流相储集层构型要素分析方法[1]。中国学者针对储集层构型的研究，大致可以分为以下3个阶段。第一阶段1985—1990年为起步阶段，初步明确了构型要素类型及对开发的影响等，典型代表如文献［2］对南襄盆地和柴达木盆地3个砂体的建筑结构要素分析时指出，建筑结构要素分析方法解剖油砂体是预测剩余油分布规律、老油田挖潜的一种新途径。第二阶段1990—2009年为探索攻关阶段，该阶段是在裘怿楠先生的倡导下，由中国石油出资开展了一系列针对现代沉积和古代露头的精细解剖，建立了不同沉积类型的沉积模式，典型代表如文献［3］针对山西大同辫状河露头开展了储集层地质模式及层系界面分析，文献［4］对永定河现代沉积模式的研究；同时期，基本明确了井下储集层构型预测的方法，如文献［5］针对双河油田核三段建立了6级界面划分方案和7种建筑结构要素，并总结了建立地下储集层建筑结构的方法和基本步骤；文献［6］以孤岛油田馆陶组为例，形成了一套系统的储集层内部构型分析方法。第三阶段为2010年至今，地下构型表征的思路方法日益成熟，文献［7］系统阐述了地下储集层构型表征的“层次分析、模式拟合、多维互动”的表征及建模思路；同期GPR（探地雷达）、GPS卫星照片、无人机技术大量应用到近地表现代沉积和露头研究，极大地推动了储集层构型模式及定量规模的研究；地下储集层研究中，利用高分辨率地震资料、小井距资料以及露头资料，对河流相、深水沉积体系以及冲积扇等多种沉积类型的构型表征进行了深入分析。总之，储集层构型研究经过几十年的发展，从早期大量针对现代沉积和露头开展研究已经逐渐深入地下储集层表征及应用，涵盖了河流相、三角洲相以及冲积扇、深水沉积等多种沉积类型[8-10]。

本文重点针对辫状河沉积砂体，根据地下构型解剖基本思路[7]，剖析国内外近30年来的代表性文献，综合现代沉积、露头、测井和地震等多种资料，系统总结砂质辫状河储集层构型的表征现状，可以为相关学者及油田工程师研究地下辫状河储集层构型表征及应用提供借鉴。

1 砂质辫状河构型模式

1.1 辫状河沉积特征及构型级次

辫状河的弯曲度通常小于1.5，在整个河床的宽度范围内发育多条冲积河道和心滩坝，辫状河道时分时合，被心滩坝隔开。前人对辫状河成因的正式研究始于20世纪50年代，以文献［11］的研究为标志，把河流作为一种可能的均衡状态，讨论了河流的分叉和心滩坝的形成。之后的学者综合考虑流量、流速、负载、搬运能力、堤岸植被、坡度等多个因素，完善了对辫状河成因的认识。辫状河多发育在气候干旱、植被不甚发育、地形坡降较大、地形地貌相对平坦的地带，这种地理背景决定了河流流速急，对河岸侵蚀快，沉积物供应充足，河水流量洪泛间歇性明显，辫状河道与心滩坝频繁迁移的特点[12]。

辫状河水流状态和速度多变，心滩坝两侧的水流强度及对称性存在较大的差异，且常表现为间歇性水流的特征。辫状河的沉积作用类型多样，主要包括垂向加积作用、顺流加积作用、侧向加积作用、漫积和填积作用[3]。

辫状河内主要发育河床和泛滥平原亚相，堤岸亚相不甚发育。河床亚相发育心滩坝和辫状河道这两类最重要的沉积体。心滩坝是辫状河的主要沉积单元，由多次沉积事件携带的碎屑物沉积而成，在多次洪泛事件不断向下游移动的过程中，发生顺流加积和垂向加积，其面向河流上游方向的心滩坝界面一般较陡，沉积物较粗，常遭受侵蚀，而向下游方向较平缓，主要发生沉积作用，一般形成均质韵律或反韵律。心滩坝沉积砂体在洪泛事件末期，由于洪水能量的衰减，在其顶部可加积细粒的悬浮物质，岩性细，多为粉砂质泥岩或泥质沉积，被称为落淤层。辫状河道是另一类重要的沉积单元，与心滩坝不同的是其一般具有典型的正韵律特征。按照心滩坝的形态、大小及其与水流方向、河岸之间的关系，心滩坝通常可分为4种类型：纵向砂坝、横向砂坝、斜列砂坝以及曲流砂坝，不同心滩坝的沉积作用和沉积构造不同。

在辫状河河流类型分类方面，文献［13］划分出的16种河流类型中，把辫状河分为砾质辫状河和砂质辫状河。砂质辫状河又分为深的终年砂质辫状河（South Saskachewan型）、浅的终年砂质辫状河（Platte型）、高能砂质辫状河以及漫流末端辫状河（Bjou Creek型），并总结了不同类型辫状河的沉积构型模式。文献［3］提出结构-成因分类，按照粒度和离物源的远近，将辫状河细分为远源砾质辫状河、近源砾质辫状河、远源砂质辫状河和近源砂质辫状河。

砂质辫状河储集层构型可划分为5个级次：五级构型为沉积亚相规模，包括辫流带、溢岸及泛滥平原；四级构型为沉积微相规模，包括心滩坝、辫状河道、溢岸（由于辫状河堤岸不甚发育，在此用溢岸一并代称漫溢沉积的砂体）及泛滥平原；三级构型为心滩坝和辫状河道内部结构规模，心滩坝包括垂积体、落淤层和坝后泥岩，辫状河道包括砂质充填河道和泥质充填河道；二级构型为砂体内部层系组规模；一级构型为砂体内部单个层系规模（表1）。

表1 砂质辫状河储集层构型单元层次划分

1.2 辫流带级次研究现状

前人对辫流带级次的研究成果主要表现在宽厚比、砂体组合关系以及古水深预测3个方面。辫流带砂体的组合形态与宽厚比相关，可以分为稳定型（条带状）和游荡型（宽席状或窄席状）。稳定型辫流带较窄，宽厚比通常小于15；游荡型辫流带的宽厚比通常大于15，当宽厚比大于100时可以称为席状。

（1）河流宽厚比 前人通过露头和现代沉积资料对辫状河砂体的宽厚比进行了大量的研究，如文献［14］和文献［15］对巴基斯坦古近系的Siwalik组（西瓦利克组）露头进行研究，统计出露砂体的厚度和宽度。特别地，文献［16］对前人研究河流相的宽厚比的成果进行总结，其中就辫状河的宽厚比进行了详细的统计，其厚度为1～1 200 m，大部分小于60 m，一般为5～60 m；宽度为0.1～1 300.0 km，大部分小于10.0 km，一般分布在0.5～10.0 km；宽厚比为15～15 000，大部分小于1 000，一般为50～1 000.

前人通过现代沉积资料也进行了砂体宽厚比的研究。文献［17］统计了世界范围内多条不同类型河道的宽厚比，分河型制作了河道砂体厚度与宽度的图版，其中包含辫状河砂体的样本点。文献［18］以阜康、柳林和延安地区辫状河露头为例，建立了单河道砂体宽度和厚度的定量关系。

（2）辫流带砂体组合形态 前人对辫流带砂体形态的研究涵盖了组合样式和影响因素等多方面，比较重要的结论如下。①根据辫状河侧向加积和垂向加积方式的不同，定义了辫流带砂体的3类几何形态，即单河道（single channels）、宽席状河道（broad chan⁃nel-fill complexes）和堆叠式河道（stacked channel complexes）[1]。其中，宽席状砂体由辫状河道的迁移或改道形成，堆叠式砂体由辫状河道的垂向加积而成。文献［3］在研究中国山西省大同市晋华宫煤矿附近的辫状河砂体露头时，进一步总结辫流带砂体叠置方式为4类，即多边式、单边式、多层式和孤立式。②辫流带砂体的叠置模式和形态受可容纳空间增加速率与沉积物供应速率比值（A/S）的影响，如文献［19］认为，在发育辫状河的A/S范围内，随着A/S的增大，辫流带砂体叠置关系由毯状（Blanket sandstone）演变为带状（Belt sandstone）。文献［20］在研究美国犹他州上侏罗统莫里森组（Morrison组）辫状河沉积露头时，进一步细化了不同A/S条件下砂体发育模式，发现低A/S值条件下，发育连续的多个侧向迁移沉积的复合辫流带砂体，随着A/S的升高，渐变为以垂向加积为主的辫流带砂体。综合前人的观点，结合山西省大同市晋华宫煤矿附近出露的一系列辫状河露头（晋华宫剖面、铁路桥、大佛和吴官屯剖面），总结了单一辫流带形态组合模式和砂体模式（图1）.

图1 A/S值变化反映的砂体叠置关系（据文献［20］，有修改）

（3）古水深预测 古水深预测是研究构型定量规模的重要基础。文献［21］研究了河流相沉积中交错层理系平均厚度h2与辫状河古水深D的关系，得出了两者间的定量关系。沙丘高度h1与微观交错层理系平均厚度h2的经验公式为

辫状河古水深D与沙丘高度h1的经验公式为

文献［22］建立了辫状河的沉积模型，研究交错层组长度与厚度比和形成该交错层组层理的波长与高度比相当。

1.3 心滩坝级次研究现状

心滩坝级次的研究集中在心滩坝和辫状河道的组合关系，以及心滩坝和辫状河道的沉积特征方面。

（1）心滩坝和辫状河道的组合关系 关于心滩坝和辫状河道的侧向拼接关系，学者普遍认为两者之间存在清晰的界面，平面形态表现为“宽坝窄河道”的特征，剖面上辫状河道和心滩坝之间存在明显的层理差异，且常存在河道对心滩坝的侵蚀。文献［23］利用GPR对现代辫状河沉积进行研究，发现辫状河道和心滩坝之间界面清晰，厚度近似，心滩坝存在侧向迁移的现象，并提到了心滩坝的边缘存在河道侵蚀的现象（图2a）。在沉积露头上也可观察到辫状河道和心滩坝之间的接触现象，如山西省大同市晋华宫煤矿附近的辫状河砂体露头，可观察辫状河道槽状形态清晰，心滩坝和辫状河道界面明确，岩相差异显著（图2b）。

图2 现代沉积和露头反映的辫状河道和心滩坝组合关系及界面

（2）心滩坝的发育演化及垂向岩相特征 针对心滩坝的发育特征，文献［24］指出，辫流带中辫状河道的几何形态、水流状况和沉积物运移的相互影响和时空变化，对心滩坝和辫状河道的沉积特征都有深刻的影响，会导致心滩坝的生长、侵蚀与运移，以及辫状河道的形成、变化和充填，并依此建立了简单的生长模型。文献［25］总结了心滩坝顺流加积、洪水期增高加长，平水期加宽的生长过程；文献［26］对拓宽河道心滩坝的形成演变进行模拟，心滩坝的加积与洪水期主流线的快速变迁关系密切，心滩坝在洪水期生根、中水期细化、枯水期暴露，垂向加积明显，分布不稳且形状、大小各异；拓宽段冲淤交替，后一阶段整条辫流带以淤积为主，叠积明显。文献［27］定义一个基于物理的形态模型来再现辫状河心滩坝的形成及其动力学特征，并分析了影响心滩坝形成的敏感因素，如天然堤的侵蚀、初始植被以及流量等。

针对辫状河内部心滩坝砂体垂向岩相序列特征的研究也取得了许多成果。比较有代表性的如文献［28］利用GPR探测数据、取心数据、探槽信息和水深探测数据，建立了现代沉积的大型心滩坝模型，分析了心滩坝上不同沉积相的分布和特征；文献［29］对长江枝江段凤凰滩进行现代沉积考察，针对不同位置识别了16种岩相类型，组合为10类，划分出5种构型要素，分析了不同构型要素的沉积特征。文献［3］对山西大同中侏罗统辫状河露头剖面进行了研究，分析了辫状河道和心滩坝的沉积物特征及岩相组成。

总结起来，无论是坝头（迎水面）、坝中、坝后（背水面）还是坝侧，受心滩坝的生长发育影响，底部均是大型槽状交错层理砂岩或者砾岩，中—上部发育板状层理或低角度楔状交错层理砂岩或者砾岩。坝头常常受水流侵蚀，整体表现为反韵律特征，顶部发育粒度较粗的小型交错层理（图3a）；坝侧靠近非主河道的生长侧，底部发育大型槽状交错层理，中部主要发育低角度的交错层理，表现为往顶部层系规模逐渐变小，主要是受坝侧倾斜角度和侧向加积生长的影响（图3b）；坝中局部偶尔发育受前一期心滩坝背水面静止湖泊泥岩沉积，整体仍为底部大型槽状交错层理，中—上部发育受心滩坝生长而表现出来的向上游和向下游加积的低角度交错层理（图3c）；坝侧靠近主河道的侵蚀侧，受辫状河道常年冲刷的影响主要发育大型槽状交错层理（图3d）；坝后背水面中—上部发育顺流生长加积的板状交错层理（图3e）。

图3 典型心滩坝不同部位岩性序列（据文献［28］,有修改）

前人对辫状河道充填类型及特征也进行了深入细致研究，认为辫状河道岩相类型多样，可以包括各种组合，比较重要的认识是辫状河道不只有砂质充填的，也有泥质充填的，而且通常不是纯粹的泥岩沉积。如文献［30］通过研究辫状河砂体露头,明确了泥质充填河道的存在；文献［31］建立的辫状河沉积模式中，也提出了辫流带内废弃河道的存在；文献［32］研究鄂尔多斯盆地的苏格里气田时，通过岩心观察，认为废弃河道以粉砂岩和砂质泥岩为主，并建立了含废弃河道的辫状河沉积模式。

在辫状河沉积构型单元（如心滩坝、辫状河道、溢岸等）的定量规模关系方面，前人也有研究。如文献［33］根据露头数据对辫状河沉积中的不同构型单元的宽厚比进行了统计；文献［34］通过卫星照片建立了心滩坝规模的定量预测模型。

1.4 成因单元内部夹层构型模式

前人对辫状河砂体内部泥质夹层的研究，集中在成因类型和展布特征两个方面。最有代表性的认识是把砂质辫状河内部的细粒沉积分为3类共5种，分别为废弃河道成因的泥质楔、残存泥质充填河道，静水环境成因的坝间泥岩以及泛滥平原沉积和溢岸沉积。下面按其发育部位从辫状河道内夹层、心滩坝内夹层两个方面对其展布特征的研究现状进行论述。

（1）辫状河道内夹层 文献［35］通过露头研究后认为，砂质河道内的夹层主要是辫状河道废弃—再复活后的残存物质，厚度、宽度均较小，最大宽度为河道深泓宽度，最大延伸长度可达辫状河道的整个流程[37]。

（2）心滩坝内夹层 文献［4］对永定河不同河段进行了研究，把心滩坝内部发育的薄夹层分为3种类型，即河道滞留层、落淤层和泥质纹层，文献［28］建立了心滩坝内部泥质夹层的展布样式，认为夹层在心滩坝背水面局部相对静水环境下分布，厚度约为0.5 m，长度和宽度约为40.0 m，甚为局限；文献［35］通过现代沉积和露头，研究了砂质辫状河沉积中细粒沉积的空间展布，就坝间泥岩的存在以及成因进行了说明，认为坝间泥岩主要发育在顶部形态倾角较大的心滩坝的背水面，为局部静水环境下沉积的细粒物质，其形成受心滩坝的“保护”作用影响，分布范围受“坝后（背水面）空间”的限制，厚度受局部水深的控制，一般相当于主流线的二分之一或者三分之二；文献［36］以山西省大同市晋华宫煤矿附近的辫状河露头为基础，通过沉积作用探讨了落淤层的3种展布模式，近水平式、穹隆式和斜列式（图4）。

具有重要意义的研究成果可以总结为以下几点：①砂质辫状河内部的细粒沉积可分为3类共5种（包含辫流带至心滩坝内部3个级次）；②落淤层为非渗透性遮挡层且分布范围较大，对流体运移影响最大，最具现实意义；③落淤层展布模式包括近水平式、穹隆式和斜列式，展布范围不定。

图4 落淤层展布模式（据文献［36］）

2 地下构型解剖方法研究现状

在地下储集层构型表征方面，中国学者提出了“层次分析、模式拟合、多维互动”的地下储集层构型表征思路[7,37]，表征方法包括了单井构型要素解释、井震结合的井间构型预测等多个方面。针对辫状河砂体较为发育的松辽盆地青山口组、姚家组和嫩江祖，渤海湾盆地馆陶组、明化镇组，准噶尔盆地齐古组以及鄂尔多斯盆地延长组等，进行了大量的实践研究。不同级次构型单元的识别主要是岩心、测井和地震等资料，岩心是第一手资料，通过岩心标定测井，测井标定地震的方法识别不同构型单元的特征。

2.1 辫流带及心滩坝级次表征

前人对辫状河辫流带级次及心滩坝级次的表征研究相对较少，在平面展布范围研究方面，近年来已逐渐由根据厚度分布进行展布预测转变为通过定量规模约束预测展布。文献［38］根据单砂体的叠置关系、河间沉积等标志进行单一辫流带垂向和平面的展布研究；文献［39］利用岩心、测录井、野外露头和现代卫星照片等资料，在标志层拉平基础上，通过去压实效应邻井单期河道标定法和连续取心验证法，建立了复合辫状河道期次划分方法和复合河道沉积演化过程；文献［40］通过现代沉积建立了辫流带宽度与心滩坝规模的关系公式，定量预测了心滩坝的展布规模。同时，学者也开展了利用地震沉积学研究辫状河沉积微相及心滩坝展布的研究工作。文献［41］利用分频处理解释技术和三维可视化技术,建立了港东地区单河道砂体的地震追踪技术；文献［42］对大港滩海地区的地震资料进行相位转换和地层切片处理，利用切片上的振幅特征对研究区心滩砂体平面分布进行解释，通过不同深度的地层切片特征研究心滩坝演化过程；文献［43］通过井震标定，结合正演模型，精细识别松辽盆地长岭断陷登娄库组辫状河沉积砂体的5种典型地震相特征，显著提高井间沉积构型表征的精度（表2）。

表2 心滩坝级次不同构型单元的沉积、测井和地震识别特征

2.2 泥质隔夹层的构型表征

目前对辫状河储集层内部夹层分布特征的研究手段已从讨论夹层的钻遇率、类型、密度等[44]统计手段转换为精细描述夹层在实际工区的展布特征。研究方法主要包括以下几个方面：①利用随机模拟的手段模拟夹层在空间的展布特征，如文献［45］研究准噶尔盆地风城油田辫状河储集层内部夹层类型、形成机理和分布模式，利用岩心刻度测井进行单井夹层识别，应用多点统计学方法建立夹层训练图像，进行井间夹层分布预测，结果表明，夹层整体上大小不一、分布零散，呈薄厚不等的透镜状分布；②利用确定性的夹层展布模式对地下工区进行拟合，目前应用于地下的夹层展布模式主要为孤立、不连续的近水平式分布夹层，如文献［46］以大庆油田萨中开发区（平均井距50～60 m）为例，对落淤层的产状和平面几何参数进行统计分析，建立了落淤层的地质知识库。

总体来说，在砂质辫状河储集层地下构型表征方面，研究思路及方法已经相对较为完善，主要的问题还是由于砂质辫状河储集层构型定性、定量模式的不清晰，以及研究区内构型模式认知不明确而导致预测结果的不确定,特别需要说明的是针对不同类别夹层对生产影响程度的对比研究相对较少。

3 不同级次构型单元剩余油分布规律

前人对剩余油分布控制因素以及分布规律进行过大量的研究工作，目前认识已经较为一致，剩余油分布的控制因素主要包括2个方面：地质因素及开发因素，剩余油主要分布在水驱不到的“边角地带”。因此认清这种边角地带的形成及分布，就抓住了描述剩余油分布规律的关键。储集层内部构型表征技术正是讨论不同级次渗流屏障的关键技术，本文主要针对不同级次渗流屏障对剩余油分布的影响。

针对单河道级次对剩余油分布的影响，前人将剩余油分布模式归纳为13种类型，分别为：井网未控制型剩余油、注采不完善型剩余油、厚油层顶部滞留型剩余油、河道拼接带或河道边部不规则处剩余油、井间微型正向构造内剩余油、断层遮挡性剩余油、层间干扰型剩余油、呈片分布差油层型剩余油、低渗透层遮挡或主体砂边缘上倾尖灭形成剩余油、滞留区型剩余油、切叠性厚油层的上部河道单元及不同河道砂体连通时处于较高层位的河道砂中滞留性剩余油、泥岩夹层遮挡形成局部滞留剩余油和水洗区分散相剩余油。其中大部分的研究属于单河道级次剩余油分布的研究。总体来说，油藏砂体内部的剩余油分布受夹层参数（形态、范围、分布频率）与射孔位置、砂体韵律性、开发方式等多因素不同组合关系的影响。组合关系不同，对剩余油分布的影响也不同。由于射孔和展布范围不同，剩余油主要分布在夹层水平展布、且被注水井钻遇及钻遇井只在夹层以上射孔的井区；在夹层渗透性较差、平面分布范围广及射孔不对应等条件下，夹层对剩余油分布影响较大，剩余油分布于靠近夹层底部；如夹层位于注采井之间，对剩余油分布的影响往往大于位于注入井或生产井附近。

相比曲流河，辫状河储集层砂体的韵律性更为多样化，对剩余油的影响较大。通常表现为“偏心夹层控油”及“中心夹层控油”2种夹层分割控油模式，正韵律砂层发育下部或上、下部夹层，剩余油饱和度均明显增大；反韵律砂岩无论何部位发育夹层，剩余油饱和度均大于未发育夹层的反韵律砂体。文献［47］针对辫状河心滩坝内部平行展布的夹层，分析了不同韵律条件下单一平行夹层对剩余油分布的控制作用，夹层位于注水和采油井之间对剩余油的控制作用最小，对于注水井钻遇夹层的情况，注水井仅在夹层以上部位射孔注水时夹层对剩余油的分布影响最大（图5）。文献［48］讨论了不同程度夹层对剩余油的控制作用，认为薄夹层主要控制层内剩余油的分布，薄夹层位置高、数量多、面积大，注水井未发育均有利于层内剩余油富集。文献［49］认为含水期剩余油分布模式为受近水平的泥质落淤层控制的“垂向遮挡控油模式”。文献［50］根据不同类型心滩坝和落淤层展布样式，分析心滩坝内部剩余油主要呈“分段式”富集在落淤层下方垂积体的顶部和水驱较弱的边部。

图5 不同韵律条件下不同位置的平行夹层对水驱油及剩余油分布的控制作用（据文献［47］）

4 总结与展望

总之，半个世纪以来，国内外学者对砂质辫状河储集层构型的研究主要体现在以下几个方面：①辫流带级次垂向上隔夹层分布不甚稳定，多期辫流带垂向叠置常形成连片分布的席状砂体；②心滩坝主要由多个侧向或者顺流加积生长的垂积体叠加而成，垂积体之间发育连续分布的界面，界面上发育的夹层不连续分布，辫状河道存在2种充填方式，砂质充填和泥质充填，心滩坝和辫状河道的侧向界面一般较为清晰，一般存在辫状河道对心滩坝的切割作用；③前人统计了辫流带级次的宽厚比，建立了相关的定量数据库，发现辫状河的水深与层理的规模存在较好的相关关系，并总结了两者之间的定量关系，建立了辫流带宽度、心滩坝宽度、心滩坝长度以及河道宽度的定量关系数据库，建立了心滩坝内部落淤层的定量地质知识库；④已形成了一套较为完善的构型表征方法流程，并建立了不同级次构型单元对剩余油的控制模式，取得了较好的应用效果。

展望未来，从构型模式的角度出发，要加强对河流类型的探讨、对河床演变、河型转换以及沉积过程的研究。进一步深化辫状河道砂质和泥质充填的形成机理，细化心滩坝类型，加强对不同类型心滩坝内部夹层发育模式的研究。

从构型应用的角度出发，首先需要加强现代沉积以及露头与地下储集层的类比研究方法，充分借鉴数学（如地质统计学）、地理（如Google图像）以及探地雷达技术等不同学科的优势，通过古地理重建技术，实现现代沉积与地下储量定量或半定量的类比方法；其次，加强构型表征与油藏工程和实验技术等学科融合，在构型单砂体表征的基础上，从渗流机理的角度出发，突出不同级次构型单元之间的界面对剩余油或者生产效果的定量影响研究。