致密砂岩气藏可拓学评价研究—以渤海湾A 气田为例

肖大坤，马立民

（1.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；2.中国石油冀东油田公司勘探开发研究院，河北唐山 063004）

自20 世纪80 年代以来，油气勘探思维和勘探空间由常规资源向非常规资源过渡。经过长期的研究积累，J.D.Walls[1]在1982 年SPE/DOE 低渗气藏学术研讨会上首次明确提出了“Tight gas”的概念。1985 年召开AAPG 非常规天然气勘探和开发的学术会议，C.W.Spencer 和R.F.Mast 对会议文章进行了编辑，出版了《Geology of Tight Gas Reservoirs》一书，从而在世界范围内掀起了对致密砂岩天然气藏研究的热潮[2-5]，致密砂岩气藏的特征和勘探开发思路逐渐清晰。目前，各国权威机构及大量学者都从不同角度提出了致密砂岩气概念，阐述的核心为致密储层的物性上限标准，但是，受地域、油气藏特点、资源情况及勘探开发技术标准等方面的限制，至今对致密储层的物性标准未能形成统一认识[2-11]。

从气田开发的角度看，大部分致密砂岩气藏位于中深层，表现为特低孔特低渗、束缚水饱和度高、储量丰度低的特征，导致气井初期产能低、递减快，严重制约了气藏储量有效动用与开发方案实施，开展致密气藏综合评价、明确气藏内的有利含气储集体，意义显著。本次以渤海湾致密砂岩气田A 气田中生界下白垩统致密气藏为例，充分发挥多尺度资料的优势，综合地质、地震、测井等多方面技术手段，首先需落实致密砂岩储层成因机制，明确储层致密化过程与油气成藏的匹配关系，然后优选物性解释模型，提高致密砂岩储层物性解释精度，降低物性不确定性对储量的影响，最后通过地震多属性分析，预测气藏内含气分布、筛选含气目标并通过定量评价落实有利性排序，优选有利评价目标。

1 致密砂岩气藏地质模式

1.1 致密储层成因机制

A 气田下白垩统巨厚砂岩储层以辫状河沉积为主，储层致密化成因要素包括沉积及成岩两方面[12]。根据主控因素，将致密成因机制划分为塑性岩屑充填型、杂基充填型、强烈压实型、自生矿物胶结型。

塑性岩屑充填型致密储层，岩性以岩屑质长石砂岩、岩屑砂岩为主。由于沉积物中富含大量塑性或不稳定碎屑，成岩过程中在上覆地层压力作用下，塑性颗粒产生变形以假杂基形式充填于刚性颗粒之间，阻塞原生孔隙以及后期形成的次生孔隙，导致储层的致密化（见图1（a）），多形成于辫状河侧缘以及部分心滩沉积相带。

杂基充填型致密储层，岩性以杂砂岩为主，是由于碎屑颗粒之间杂基（多为泥质杂基）含量较高，原生粒间孔隙发育较差。在后期成岩流体的改造下，储集空间可能得到改善，但未遭受溶解带出的部分杂基会在压实作用的继承性影响下，对已形成的次生粒间孔隙进一步破坏，导致储层的致密化（见图1（b）），该类储层多形成于辫状河落淤沉积、洪泛沉积相带。

压实型致密储层，岩性以长石砂岩或长石质岩屑砂岩为主。成因机制可概括为，在不存在异常压力的条件下，压实作用在早成岩作用阶段使碎屑颗粒最紧密堆积，减少原生孔隙，在后期压溶作用影响下增强颗粒接触程度，导致储层致密化（见图1（c）），多发育在辫状河河道微相中。

自生矿物胶结型致密储层，岩性以长石砂岩或石英砂岩为主，碎屑颗粒一般分选较好，粒度适中，杂基含量较低。由于自生矿物大量晶出，显著降低储层物性，导致储层的致密化（见图1（d）），多出现在辫状河河道微相中。

1.2 致密气藏成藏模式

根据镜质体反射率、最高热解峰温、伊蒙混层比、石英次生加大级别、颗粒接触关系和主要孔隙类型等指标，对研究区下白垩统致密砂岩储层成岩阶段进行标定。结果显示，最高热解峰温分布在463 ℃～518 ℃，镜质体反射率分布在1.55～1.76，伊蒙混层中蒙脱石的含量为10 %，石英呈三级加大级别，颗粒呈现线接触-缝合接触，因此综合判断，下白垩统储层现今处于中成岩B 期。

图1 A 气田致密砂岩储层典型薄片Fig.1 Typical tight sandstone images of gasfield A in thin sections

由于酸性、碱性成岩流体环境的交替变化，胶结作用与溶蚀作用的组合关系推动了致密储层成岩演化[13]。综合岩石薄片中观察到的成岩作用类型发现，石英颗粒以次生加大胶结为主，早期基本未见溶蚀，而且胶结强度持续增大，仅后期的硅质胶结物遭受弱溶解。长石、岩屑颗粒见强烈溶蚀，后期充填碳酸盐胶结物。由此推断，长石及岩屑溶蚀作用要早于石英次生加大，石英次生加大早于碳酸盐胶结。综合烃源岩排烃史分析认为，同生成岩阶段的成岩环境为弱酸性，在机械压实作用的基础上，形成了早期碳酸盐胶结和早期石英加大。中成岩作用阶段由于处于烃源岩主要排烃阶段，大量有机酸涌入储层，进行强烈改造，溶蚀了大量碳酸盐胶结物和长石岩屑颗粒，形成了次生溶蚀孔隙带，石英次生加大过程继续进行。中成岩作用阶段晚期，随着有机酸产生减少，储层成岩环境由酸性逐渐过渡到碱性，发育了大规模方解石胶结物和长石加大边，充填大量孔隙，并有含铁碳酸盐矿物的沉淀和黏土矿物等充填孔隙。综合储层成岩演化，埋藏史分析，采用储层微观组分回剥与含量计算方法[7]，近似恢复了研究区碎屑岩储层物性演化过程（见图2），认为储层物性在古近纪中后期达到致密化程度。

通过有机流体包裹体分析发现，A 气田下白垩统包裹体宿主矿物为石英斑晶，均一温度主峰值集中在105 ℃～110 ℃及115 ℃～120 ℃范围内，平均值113 ℃及121 ℃，结合周边区域地层埋藏时及相邻区块的油气成藏特征判断，下白垩统气藏成藏期为上白垩统青山口组早-中期。结合致密储层物性演化过程认为，该地区气藏成藏模式为“先成藏、后致密”模式，烃类充注及天然气成藏时期储层经历了早期成岩作用，物性有所降低，但是未达到致密程度，所以，天然气充注过程能够实现正常气水置换，不会存在气水倒置分布关系。综合A 气田构造发育特征，总结其致密气藏成藏演化模式。

A 气田下白垩统泉头组沉积末期，区域地层进入断坳转换阶段。上白垩统青山口组末期，烃源岩开始大量排烃，含烃类的有机酸性流体沿断裂系统及砂体进入早期圈闭成藏，导致长石、岩屑溶解，明显改善下白垩统储层物性。嫩江组-明水组末期，区域发生构造抬升形成A 气田鼻状构造，构造顶部产生大量张性裂缝，破坏改造早期形成的气藏，同时储层在酸性流体环境持续性作用下，胶结作用加强，储层物性持续变差。直到古近纪中后期，区域构造环境趋于稳定，鼻状构造顶部裂缝失去活动性而闭合，同时成岩流体环境由弱酸性环境过渡为弱碱性环境，大量碳酸盐胶结物产生，最终导致储层致密化，气藏类型也由常规气藏转变为致密气藏（见图2）。根据上述模式判断，研究区内气藏富集主控因素为构造因素，其次为储层分布及内部物性差异。

图2 A 气田成藏过程综合分析图Fig.2 Comprehensive analysis of tight gas reservoir formation in gasfield A

2 致密气藏物性评价及分布预测

2.1 致密气藏物性参数解释

针对下白垩统储层开展“四性关系”分析发现，致密砂岩储层的物性-电性相关性不明显，原因在于储层致密化受多方面因素影响，各因素的作用强度不同，导致储层的致密化程度不同，因而具有不同的测井响应特征，所以，区分不同的致密类型对于构建物性解释模型、提高物性解释精度具有重要意义。

基于上述分析，建立“致密系数（Tightness Index）”来表征砂岩致密类型。由于沉积作用和成岩作用是导致储层致密的最主要因素，选择粒度中值、泥质含量、成岩综合指数及成岩减孔率参与构建致密系数。其中，粒度中值、泥质含量可以反映沉积作用影响，成岩综合指数及成岩减孔率反映成岩作用的影响。致密系数TI*构建公式如下，TI*越趋近于0，表明沉积作用对储层致密化影响越大，TI*越趋近于1，表明成岩作用对储层致密化影响越大。

式中：TI、TI*-致密系数及其归一化值；PR-成岩减孔率；Vsh-泥质含量；DI-成岩综合指数。

以岩石薄片、压汞实验及物性分析资料为主，综合成岩作用类型、孔喉结构描述及物性响应特征，统计样品点致密系数分布特征，建立了三类储层致密类型（见表1），实现沉积或成岩因素作用下储层致密特征的定量描述。

以薄片分析结果为样品来源，岩电分析，采用常规测井系列曲线对致密系数定量拟合，建立如下拟合关系，将点信息拓展为纵向连续性信息。

在不同致密类型约束下，致密储层物性-电性相关特征十分明显（见图3），补偿密度测井响应值具有随储层孔隙度增大而减小的变化特征，可直接用于建立储层物性解释模型。由散点图样品数量分布可见，三类致密类型中，储层以二类、三类为主，属于一类致密的储层最少，储层致密化成因中成岩作用的影响起到了主要作用。

2.2 致密气藏空间分布预测

采用基于神经网络的地震多属性拟合方法[14-16]开展致密气藏的分布预测。选择三孔隙度比值参数作为特征含气指示参数[17]，通过地震属性影响度排列以及产生误差分析，优选出反演瞬时相位、绝对振幅积分、反演平均频率、反演振幅积分、反演振幅包络以及振幅导数6 种含气敏感地震属性，通过神经网络算法建立优属性与特征参数之间的神经网络预测模型，通过模型处理后的地震数据可直接用于含气性检测。将建立的神经网络应用到整个地震数据体中，对三维空间内的含气特征曲线进行预测，通过剖面及平面切片分析，预测结果显示有利含气区带呈现强反射特征。

以下白垩统主力气组DI 为例，过A10 井的地震多属性响应剖面显示（见图4），有利气层主要受构造影响，富集于构造高部位。主力气层地震多属性拟合数据体沿层切片显示（见图5），A 气田鼻状构造顶部存在明显含气异常强反应带，与构造等值线叠合后发现强反应带与构造趋势吻合度较高，表明了研究区致密气藏分布的主控因素为构造特征，气藏主要分布在A气田鼻状构造高部位，预测结果同样印证了前面建立的致密气藏成藏模式。基于含气范围预测及面积圈定结果，共确定了A 气田下白垩统主力气层的19 个有利评价目标。

表1 储层致密类型定量特征Tab.1 Quantitative characteristics for different sandstone reservoir tightening types

图3 不同致密类型储层的物性-电性相关特征Fig.3 Relationships between physical and electrical property for different tight sandstone

图4 A10 井地震多属性融合响应剖面Fig.4 Seismic multiple attributes integration profile for well A10

图5 主力气层（DI）地震多属性融合响应切片与含气范围Fig.5 Slice of seismic multiple attributes integration and gas-bearing area for the main gas layer（DI）

3 致密气藏定量综合评价

3.1 可拓学方法概述

可拓学是由以蔡文教授为首的我国人工智能科学家自主创立的一门新兴横断学科，是将人工思维抽象出来用形式化数学工具进行定性或定量描述的学科，物元分析、可拓逻辑及可拓集合理论是其重要的理论组成部分[18-21]。由于可拓学理论中物元的三元素一体化分析、可拓集合中以实数域为值域、关联函数及关联度的设置等性质，可拓综合评价过程中不仅能够体现待评对象的从属关系，还能对这种从属关系以定量化的手段进行描述。

3.2 基于可拓学的有利目标定量评价

常用的专家经验排序方法一般采用“先打分、后排序”的思路，由于评价标准在评价过程中难以起到约束作用，有利目标的优选一般仅取决于打分序列，因此，不同的认识和经验很可能导致完全不同的优选结果[22]。与之相比，可拓学方法采用“先定标准、后打分”的思路，首先通过定义经典域，建立不同等级的定量评价标准，然后以评价目标的各项指标参数为基础，通过计算与不同等级标准的关联度，最后以关联度的强弱判断评价目标所处的级别，该过程有利于限制人为主观因素影响、降低评价结果的不确定性，因此，本次采用可拓学方法对A 气田下白垩统主力气层的19 个待评物元目标进行了定量综合评价。

首先，根据致密气藏基础地质研究及勘探经验，确定影响致密气藏综合评价的地质因素与影响方式，选择合适的评价指标，建立评价体系。

综合A 气田气藏特征，考虑研究过程中所采用的技术手段，选择圈闭条件、储层条件、气藏预测三方面作为评价一级指标，选择盖层厚度、构造幅度、圈闭面积、断层泥比率作为圈闭条件的二级指标，选择砂地比、渗透率、净毛比、致密系数作为储层条件的二级指标，选择地震特征属性、构造-属性吻合度、井资料验证情况作为气藏预测的二级指标。基于上述致密气藏评级分析，将致密气藏综合评价等级按有利性划分为五级，即很好、较好、一般、较差、很差分别对应一、二、三、四、五类（见表2）。

然后，针对评价体系分别建立圈闭条件、储层条件及气藏预测三方面不同等级的经典域及节域，为待评物元目标赋值（见表3）。

最后，通过关联函数计算待评物元与不同评价等级之间的关联度，根据关联度值计算级别变量特征值（见表4），确定待评物元的评价等级。评价结果显示，根据评价标准体系，待评的物元目标均未达到一类等级，评为二类或三类的有利目标（1、2、3、5、7、8、11、13、16）多位于下白垩统I 气组，最优目标级别特征变量特征值1.87～2.05。

表2 A 气田致密气藏定量评价标准Tab.2 Quantitative standard for tight gas reservoir evaluation in gasfield A

表3 待评物元目标赋值表Tab.3 Value confirmation for objectives under evaluation

表3 待评物元目标赋值表（续表）Tab.3 Value confirmation for objectives under evaluation

4 结论

（1）渤海湾A 气田下白垩统致密砂岩储层致密化成因机制包括塑性岩屑充填型、杂基充填型、强烈压实型、自生矿物胶结型四种。A 气田致密气藏成藏属于“先成藏，后致密”模式，气藏分布受控于构造特征，主要富集在鼻状构造高部位。

表4 待评物元可拓关联度及等级判断Tab.4 Extension relativity and rank of objectives under evaluation

（2）基于致密储层成因类型构建的以“致密系数（TI）”为核心的致密砂岩储层物性综合评价方法，可有效提高致密储层物性解释精度。基于特征含气参数重构和基于神经网络的地震多属性拟合方法对致密气层的纵向和平面分布进行预测，预测结果与成藏模式相吻合。

（3）可拓评价方法由于其将关联度分析手段引入，可更准确地划分评价等级，降低人为因素对评价结果的影响。利用可拓学原理进行致密气藏综合评价，判断A 气田致密砂岩气有利目标主要分布在下白垩统I 气组。