辫状河砂岩储层内部结构解剖方法及其应用——以鄂尔多斯盆地苏里格气田为例

李柱正 李开建 李 波 王家辉 钟金银 王海峰 姚武君

中国石油川庆钻探工程公司地质勘探开发研究院

0 引言

关于辫状河沉积及辫状河储层构型，前人已经做了大量的研究工作[1-9]。Bridge等[1-2]基于大量实测数据建立了单一辫流带最小宽度和最大宽度与平均单河道满岸深度的关系式；金振奎等[3]利用阜康、柳林和延安地区辫状河露头建立了山西柳林地区二叠系辫状河单河道砂体厚度与宽度关系；季春辉等[4]利用千家店盆地硅化木公园露头建立了小型断陷盆地辫状河河道砂体宽深比关系；Kelly[5]利用22个现代辫状河（或水槽实验数据）和34个古代辫状河露头数据建立了砂质辫状河道单一心滩宽度和单河道满岸深度、单一心滩长度与其宽度之间的关系式；孙天建等[6-7]应用Google Earth软件测量了Jamuna River、Prudhoe River、雅鲁藏布江等15个常年流水较深的现代砂质辫状河道的单一心滩宽度及其长度、单河道宽度、单一沟道宽度及其长度，建立了辫状水道宽度与心滩宽度、心滩长度与心滩宽度的关系式；何宇航等[8]、何维领等[9]利用辫状河砂体物理模拟实验数据建立了辫状河心滩砂体长度与宽度、宽度与厚度的关系式。目前，辫状河储层构型研究主要以露头和现代沉积为主，对地下辫状河储层构型研究尚处于探索阶段，尚未形成统一的研究思路和方法。因此，笔者以鄂尔多斯盆地苏里格气田北部加密区中二叠统石盒子组8段下亚段（以下简称盒8下亚段）为例，开展了砂砾质辫状河储层构型定量参数预测和储层构型表征方法的研究，定量确定辫状河水道、心滩的规模、分布规律和内部结构，研究了有效砂体分布规律，建立了有效砂体富集模式，形成了分层次定量识别和内部结构解剖的砂砾质辫状河储层构型研究方法，以期为该气田水平井的优化设计提供地质依据、为水平井的高效开发提供技术支撑。

1 气藏地质概况

苏里格气田位于鄂尔多斯盆地靖边气田西北侧的苏里格庙地区，横跨陕北斜坡、伊盟隆起及天环坳陷3个构造单元，勘探面积约36 000 km2，天然气地质资源量为3.8h1012m3，已累计探明天然气地质储量约6 000h108m3。该气田北部盒8下亚段属于辫状河三角洲平原亚相辫状河沉积[10]，储层岩性以中—粗粒岩屑石英砂岩和细—中粒岩屑砂岩为主，孔隙类型以岩屑溶孔、晶间孔等次生孔隙为主，平均孔隙度为9.6%，平均渗透率为0.71 mD，属于罕见的低渗、低压、低丰度“三低”致密砂岩气田。多期次辫状河河道砂岩叠置，大面积连片分布[11-13]，但储层物性差，以非有效砂体为主，有效砂岩薄而分散，多呈窄条带状、孤立状局限分布[14-16]，连续性和连通性差，非均质性强，很难识别，水平井有效砂体钻遇低，开发风险大。

2 辫状河构型要素

辫状河形成于地形坡度较大、水流较急的地区，发育河道、溢岸、泛滥平原等亚相。河道是辫状河体系中砂、砾岩沉积的主要相带，其内发育心滩以及心滩之间的辫状水道两种主要的构型要素。

现代沉积表明，坡降不同，辫状河内部结构差异较大。其中高坡降、窄的辫状河易形成辫状水道和单一心滩的简单组合（图1-a），易识别；低坡降、宽的辫状河易形成辫状水道和心滩的复杂组合（图1-b），较难识别。为了便于研究，根据辫状河内辫状水道和心滩规模，又将辫状水道分为主水道、辅助水道和水沟（或水槽）3种类型，心滩分为复合心滩、单个心滩2种类型（图1-b）。

图1 辫状河构型要素照片

3 储层内部结构

研究区盒8下亚段发育辫状河三角洲平原亚相，以低坡降、宽的辫状河段沉积为主，辫状河内部结构复杂，辫状水道有主水道、辅助水道和水沟（或水槽），心滩有复合心滩和单个心滩。该区辫状河厚层砂岩储层内部结构复杂，笔者分层次、由大到小逐一解剖[17-18]，精细刻画出砂体内部结构。

3.1 单一辫状河道

单一辫状河道规模识别主要采用的方法有现代沉积、野外露头、三维地震解释，三维地震相解释、经验公式、井间对比等方法。Bridge等[1-2]基于大量实测数据建立了单一辫状河道砂体宽度与平均满岸深度关系：

式中WCbmin表示单一辫状河道最小宽度，m；WCbmax表示单一辫状河道最大宽度，m；h表示平均单水道满岸深度，m。

由于辫状河道宽度受多因素影响，应用公式（1）和（2）计算仅能确定单一辫状河道宽度控制范围，不能精确定辫状河道规模。因此，笔者在单一辫状河道组合模式（表1、图2-a）基础上，建立了4种单一辫状河道识别模式：河道顶部高程差异模式、河道砂体规模差异模式、测井曲线差异模式和不连续相变模式（表1、图2-b）。

在垂直辫状河道水流方向上，建立多条连井剖面。以估算的单一辫状河道宽度为参考，以4种单一辫状河道识别模式为指导，在每一条多井对比剖面上确定单一辫状河道位置，再根据辫状河沉积模式，进行单一辫状河道界面组合，确定单层内单一辫状河道分布。统计结果表明，研究区单一辫状河道宽度介于600～3 500 m，平均宽度为2 500 m。

3.2 复合心滩

3.2.1 公式法估算主河道和复合心滩

笔者应用Google Earth软件对我国西藏拉萨河、新疆开都河、东北松花江、西南金沙江和甘肃泾水以及非洲、俄罗斯、阿根廷等常年流水的现代砂质辫状河道段的单一辫状河道、复合心滩的宽度与长度、主水道宽度进行了测量，并对塔里木盆地库车坳陷、新疆阜康天山北麓的三叠系和侏罗系、山西柳林地区的二叠系、陕西延安地区的三叠系和侏罗系等辫状河沉积露头进行了测量。根据65个样品点，建立了单一辫状河道宽度与主水道宽度、复合心滩长度和宽度之间关系式，其相关系数均超过95%。

式中W表示主水道宽度，m；WC表示单一辫状河道宽度，m；LX表示复合心滩长度，m；WX表示复合心滩宽度，m。

利用式（3）～（6）计算研究区盒8下亚段单一辫状河道宽度介于600～4 000 m，主水道宽度介于130～950 m，复合心滩长度介于1 200～7 500 m，宽度介于450～2 500 m，长宽比介于2.70～2.98。

3.2.2 水平井判别复合心滩

表1 单一辫状河道组合模式及模式识别特征表

研究区辫状河落淤层垂厚介于0.2～0.6 m[11-13]，水平井轨迹与地层倾角约3°～5°，水平段钻遇落淤层厚度介于7～35 m。通过水平井砂体内部解剖（图3），结果表明：研究区在钻水平段长为150～280 m时，将钻遇10～20 m长的高伽马泥岩段，该高伽马泥岩段是水平井钻遇辫状河砂体内部泥岩夹层（主要为心滩内落淤层），而不是废弃辫状水道（辫状水道规模更大）。该区水平井水平段长度一般介于1 000～1 200 m，水平井剖面解析结果表明，研究区盒8下亚段辫状河发育区复合心滩规模大于1 000 m。

图2 单一辫状河道模式图

图3 研究区水平井剖面图

3.2.3 相对深度法判别复合心滩

心滩位置常用测井相解释成果和砂体等厚图分布特征来确定，但识别精度低，误差大。由于心滩底平顶凸，砂体厚度一般比水道厚度大，顶面相对深度比水道砂体浅（图4-a）。因此，笔者建立了砂体顶面相对深度识别心滩位置的方法。利用单层顶构造与砂体顶面构造的深度差计算砂体顶面相对深度（图4-b）。

综合单井构型要素解释结果、砂体顶面相对深度和砂体厚度，以辫状水道与复合心滩定量估算结果为约束，并结合辫状河水动力规律，确定复合心滩和辫状水道的几何形态，绘制复合心滩和主水道平面分布图（图4-c）。结果表明，研究区复合心滩长度介于1 500～2 500 m，平均长度为2 250 m，宽度介于800～1 400 m，平均宽度为1 140 m。

3.3 单个心滩

由于低坡降辫状河内水体能量比高坡降辫状河的水体能量弱，且辅助水道的水体能量比主水道弱，所以整体上辅助水道的水体能量一般较弱，辅助水道对单个心滩形态、大小控制作用较弱，单个心滩的大小和形态差异较大，其规模很难定量估算。因此单个心滩的识别主要利用井资料丰富的小井距的加密区进行研究。通过加密区实钻井建立多条多井剖面解剖复合心滩，确定辅助水道、单个心滩的位置和几何形态（图5）。结果表明，研究区单个心滩长度介于1 000～1 750 m，平均长度为1 320 m，宽度介于300～1 050 m，平均宽度为680 m。

图4 复合心滩解释原理与实例图

3.4 心滩内部结构

图5 加密区辫状河精细解剖图

心滩是多期洪泛时期多次垂向加积形成的，而两期洪泛沉积间的枯水期细粒沉积，顺层发育落淤层[19-21]。心滩内部解剖重点识别心滩内部落淤层的分布以及落淤层和增生体间的组合关系。由于落淤层是枯水期的细粒沉积，以泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩为主，电测曲线表现为高伽马、高尖峰状微电极等特征，易于识别，所以首先利用单井电测曲线对加密区内单井的落淤层进行解释，再建立多井连井剖面对心滩内部结构进行解剖。研究区心滩内部解剖结果（图6）表明：该区心滩内一般发育3～4个增生体，落淤层在心滩内顺层发育，但在长轴方向（顺水流方向）上，迎水面落淤层稍陡，背水面较平缓（图6-a），在短轴方向（垂向水流方向）上两翼端倾斜（图6-b）。在受辫状水道改道或水槽（水沟）破坏后，落淤层被破坏，连续性变差。

图6 研究区心滩内部结构解剖多井剖面图

4 有效砂体分布规律

4.1 有效砂体规模

研究区盒8下亚段某层为厚层砂岩，根据沉积旋回和岩性组合，细分为3个单层。各单层内单砂体以成片分布为主，局部呈条带状分布。单井钻遇单砂体厚度一般介于2.0～12.5 m，平均值介于3.4～5.1 m，单砂体钻遇率介于61.3%～91.9%；有效单砂体厚度一般介于2.0～8.1 m，平均值介于2.2～4.3 m，有效砂体钻遇率介于11.3%～62.9%，有效砂体钻遇率较低（表2）。

对研究区盒8下亚段各单层内有效砂体厚度、长度和宽度进行统计，各层有效砂体长度主要介于700～1 500 m，平均值为1 050 m，宽度主要介于500～900 m，平均值为570 m。

4.2 有效砂体平面分布规律

表2 研究区各层单砂体及有效砂体统计表

在辫状河储层构型研究基础上，对各单层的单一辫状河道内心滩和辫状水道有效砂体钻遇率（表3）分析结果表明：研究区H8x1-1层西部辫状河道内心滩含气性较好，未钻井的心滩也有较好含气性；H8x1-2层多条辫状河道内的心滩含气性均较好，未钻井的心滩也有较好的含气性；H8x1-3层的辫状河道由3条单一辫状河道复合而成，辫状水道和心滩的含气性均较好，该单层整体含气，仅局部为非有效砂体。根据郭智等[14]、 费世祥等[15]、 衡勇[16]及笔者研究成果，苏里格气田北部盒8下亚段有效砂体较分散，主要分布在心滩内，平面上以“孤岛状”分布为主。

4.3 有效砂体剖面分布规律

研究区内有效砂体多呈小薄层分散分布，纵向上多个单层含气，纵向叠置分布，分布样式主要有孤立型、纵向叠置型和侧向搭接型。

根据过S36-3-17井—S36-3-18井—S36-2-19井—S36-J1井—S36-2-21井—S36-J2井—S36-J20井的有效砂体剖面图（图7）分析表明，盒8下亚段有效砂体主要位于辫状河心滩内，顺地层分布，呈“透镜状”或多个不同级别的有效砂体叠合连片分布。

4.4 有效砂体在构型剖面内分布规律

为了研究有效砂体在储层构型要素内的分布规律，笔者优选加密区的心滩进行精细解剖。根据心滩内部结构，建立心滩迎水面剖面（图8-a）、心滩中部剖面（图8-b）、心滩背水面剖面（图8-c）和心滩长轴方向剖面（图8-d）。

根据心滩内部结构与有效砂体叠合分布研究结果，研究区心滩含气性好，心滩基本控制了有效砂体分布。在心滩迎水面，水动力强，落淤层和较细颗粒的沉积物难以沉积，岩性较粗，泥质含量低，储层物性较好，心滩迎水面砂体含气性好，整体含气（图8-a）；在心滩中部，水动力中等，单砂体含气性中等，以有效砂体为主，成片分布，非有效砂体局部分布（图8-b）；在心滩背水面，水动力相对较弱，落淤层和较细颗粒的沉积物沉积，岩性相对较细，泥质含量较高，储层物性较差，单砂体含气性相对较差，仅在单砂体的中下部可能发育有效砂体，或均为非有效砂体（图8-c）。

表3 研究区各构型要素砂体钻遇率统计表

图7 苏里格气田部分井有效砂体连井剖面图

图8 心滩内部有效砂体分布剖面图

5 结论

1）根据研究区辫状河三角洲平原内辫状河沉积特点，建立了从单一河道、单一微相、复合心滩、单个心滩和心滩内部结构解剖的多层次辫状河厚层砂岩储层内部结构解剖方法。

2）通过构型解剖，定量确定研究区单一辫状河道宽度介于600～3 500 m，平均值为2 500 m；复合心滩长度介于1 500～2 500 m，平均值为2 250 m，宽度介于800～1 400 m，平均值为1 140 m；单个心滩长度介于1 000～1 750 m，平均值为1 320 m，宽度介于300～1 050 m，平均值为680 m。心滩内一般发育3～4个增生体，落淤层在心滩内顺层发育，但受辫状水道改道或水槽（水沟）破坏、改造后，落淤层遭到破坏，连续性变差。在长轴方向上，迎水面落淤层稍陡，背水面较平缓。

3）研究区有效砂体主要受心滩分布控制，有效砂体在纵向上呈“透镜状”分布，平面上呈“孤岛状”分布。

4）研究区心滩内迎水面单砂体含气性好，中部含气性中等，背水面含气性最差，仅在单砂体的中下部可能有有效砂体，从而建立了该区有效砂体富集模式。