砂体叠置关系及其对油水分布的影响——以南泥湾油田南212井区长4+52为例

李平,袁海,樊平天,相金元,呼园平,赵灵生,吴珍珍,郭艳琴,王琦

(1.延长油田股份有限公司 南泥湾采油厂,陕西 延安 716000;2.中国石油集团西部钻探工程有限公司 工程技术处，新疆 乌鲁木齐 830011;3.长江大学 资源与环境学院/湖北省油气地球化学与环境重点实验室,武汉 430100;4.西安石油大学 地球科学与工程学院/陕西省油气成藏地质学重点实验室,陕西 西安 710065)5.中国石油长城钻探工程有限公司 苏里格气田分公司 ,辽宁 盘锦 124010)

中国大多数油田在进入开发中、后期时,都会经历高含水阶段,该阶段最典型的特征是油田地层中含水率快速上升而导致剩余油分布分散,剩余油分布规律预测难度增大[1]。研究表明,注水开发时,油田高含水及水淹特征通常直接受砂体叠置关系控制,因此,砂体叠置关系的深入研究对探寻剩余油分布规律具有重要意义[2-6]。

对于砂体叠置样式的分类,众多学者做了有益的工作,Donselaar等对西班牙埃布罗盆地中新世韦斯卡河流扇的砂体叠置样式进行了划分,并探讨了不同砂体类型的连通性[7];田景春等将鄂尔多斯盆地高桥地区上古生界储层砂体共划分出3种类型,包括冲刷切割型、冲刷接触型和连续过渡接触型[8];胡光义等在研究渤海中南部的砂体展布特征时,将明化镇组河道砂体同样划分为3种类型,包括垂叠、侧叠和孤立型砂体[9];杨希濮等根据砂体叠置期次将尼日尔三角洲盆地阿格巴达组河道砂体划分为单期型、两期型和三期型砂体3种叠置类型[10];王波等结合上述两种分类方案,将鄂尔多斯盆地临兴地区石盒子组4段河道砂体类型划分为单期孤立型、多期叠置型和多期互层型砂体等3种类型[11]。由以上分析可知,前人研究的砂体叠置类型划分方案及命名各不相同[12-16],更值得注意的是,同一分类方案下的不同砂体叠置类型的油气产能或勘探潜力也具有明显差异。例如,王波等研究认为,单期孤立型砂体顶、底发育的泥岩段较厚,其封闭条件好且内部隔夹层不发育,含气饱和度高,产水量小,通常具有自然产能,油气勘探潜力巨大[11]。由此可见,砂体叠置样式的详细研究对寻找低渗透背景下,产能高、潜力大的砂岩分布区具有重要指导意义。

南泥湾油田长4+5油藏埋深相对较浅,孔隙度、渗透率均较低,为典型的低渗、特低渗油藏,其地层压力和单井产量均相对较低。勘探实践表明,研究区长4+5油层组砂体叠置关系复杂,砂岩储层纵、横向非均质性较强,油水分布规律不明确,油田开发难度较大。基于此,本研究以南泥湾油田南212井区长4+5油层组为研究对象,通过野外露头及岩心观察、测井解释、分析化验测试以及试油试采资料分析等方法,结合研究区已有的研究成果,明确研究区长4+5油层组的沉积微相类型及特征,详细刻画砂体的纵、横向叠置关系,并探讨不同砂体叠置类型对油水分布的影响,从而为寻找低渗透砂岩地层中的高产能砂岩分布区提供有利依据。

1 研究区概况

南泥湾油田南212井区构造上位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部,区内构造与伊陕斜坡构造大背景相一致,表现为坡度较小、坡降较缓、局部鼻隆构造发育的西倾单斜构造。研究区延长组为一套形成于中—晚三叠世的河湖相岩石地层,是盆地内的主力含油气层位之一[3]。研究区长4+5油层组是延长组内重要的含油气层段,但储集层具有典型的低渗、特低渗特征。该油层组沉积时期,伴随着盆地内一次短暂的湖侵事件,从而导致盆地内许多三角洲沉积环境演变为平原及沼泽环境。已有沉积相研究成果表明,该时期,南泥湾油田仍处于三角洲平原亚相带[3]。由于长4+5油层组中部发育“细脖子段”K5区域标志层,因此根据该标志层可将其划分为长4+51和长4+52两个油层亚组, 主要发育黑色泥、 页岩, 其测井响应特征表现为高AC、 高GR、 高SP、 低RT、 低DEN及尖刀状扩径等“三高、 两低、 一扩径”的典型特征。 本研究的目的层位为长4+52油层亚组,并根据沉积旋回及岩性差异可将其划分为长4+52-1和长4+52-2两个小层。

2 沉积相特征

2.1 沉积相识别标志

2.1.1 粒度分布

研究区长4+52油层亚组的砂岩粒径整体为0.07～0.36 mm,大粒径分布于0.24～0.88 mm,主要发育中粒砂岩和细粒砂岩〔见图1(a)〕。砂岩粒度累积概率曲线为跳跃总体和悬浮总体组成的两段式结构,其中以跳跃总体为主导〔见图1(b)〕,反映了牵引流沉积特征,水动力较强且比较稳定,不易于悬浮组分的沉积,体现了水流强度较大的河道沉积环境特征。

2.1.2 沉积结构及构造

研究区长4+52砂岩中,80%的样品分选中等,仅20%的样品分选好〔见图1(c)〕,90%的样品磨圆为次棱状,仅10%样品为次棱—次圆状〔见图1(d)〕。整体来看,研究区长4+52砂岩的结构成熟度为较低—中等,是一种分流河道内相对低能环境的体现。不同粒度的砂岩发育的层理构造具有差别,中、细砂岩常发育反映强水动力环境的板状〔见图2(a)〕、槽状交错层理〔见图2(b)〕和平行层理〔见图2(c)〕,是一种分流河道内高能沉积环境的体现。粉砂岩多发育沙纹交错层理〔见图2(d)〕,也是分流河道的典型构造。粉砂质泥岩、泥岩多发育水平层理〔见图2(e)〕,属于区内低能沉积环境“分流间湾”沉积的体现。

图1 研究区长4+52粒度分布及沉积结构、构造特征

2.1.3 古生物化石标志

沉积环境的不同会导致沉积生物种类的差异,研究区长4+52油层亚组中深灰色粉砂质泥岩或泥岩中常见植物茎秆化石和虫孔构造〔见图2(f)〕,反映沉积时期的气候条件适宜生物生存,所处环境应属于三角洲浅水环境。

(a)板状交错层理,Y261,563.38 m;(b)槽状交错层理,N212, 700.49 m;(c)平行层理,N212, 693.60 m;(d)沙纹交错层理, N212,692.54 m;(e)水平层理, N212, 690.0 m;(f)垂直虫孔构造,N212,694.92 m图2 南212井区长4+52岩心

2.1.4 测井相标志

测井曲线的幅度、形态及光滑程度(尤其是自然伽马和自然电位曲线)差异可以有效反映沉积环境的差别。研究区长4+52油层亚组自然伽马和自然电位曲线主要表现为钟形、箱形以〔见图3(a)〕及低平指状和锯齿状〔见图3(b)〕。其中,钟形、箱形曲线段主要为较厚层的细砂岩或中砂岩段,反映分流河道的特点,而锯齿状、低平指状曲线段主要为泥岩或粉砂质泥岩特征,反映河道间沉积环境特征。

(a)箱型测井曲线特征(X820) (b)锯齿、低平指状测井曲线特征(N447)图3 沉积微相测井响应特征

2.2 沉积微相类型

基于该地区沉积背景研究[17],通过对研究区长4+52砂体的岩石粒度分布、沉积结构、构造变化、古生物化石特征以及测井曲线响应差异等分析,认为区内长4+52主要为三角洲平原环境,且包括分流河道和河道间两种微相环境。两种微相具体特征如下。

1)分流河道微相。分流河道是三角洲平原中最为典型的沉积,砂体聚集呈正韵律,岩石类型以中、细砂岩为主。水动力条件较强,发育多种类型的层理构造,包括槽状、沙纹交错层理以及平行层理等,基底通常具有冲刷面,且伴有泥砾出现。GR、SP主要表现为钟形、箱形特点。

2)河道间微相。河道间是指位于两条河道或多条河道之间的泥岩或粉砂质泥岩发育的地区,虽然其层理类型较单一(水平层理为主),但动物遗迹构造、植物化石较丰富(垂直虫孔、植物茎秆、叶片化石),GR、SP多表现为低平指状和锯齿状形态(见图4)。

图4 南212井区长4+52沉积微相柱状图

3 砂体叠置与油水分布关系

3.1 砂体叠置类型及特征

虽然已有的研究关于不同地区、不同层位砂体叠置类型的命名具有差异,但某些砂体的叠置类型在成因机理上具有相似性。总体来讲,砂体叠置样式主要受河道迁移、水动力、沉积物供给速率等因素影响,但不同地区、不同叠置类型的砂体,影响其形成的各种沉积特征参数也具有差别[18-20]。借鉴已有研究成果,本研究通过单井、连井剖面砂体刻画,详细剖析砂体形态及砂体厚度变化特征,将南212井区长4+52砂体的叠置关系划分为两大类:垂向叠置和横向接触。其中,垂向叠置类型可细分为块状砂体(massive sand body,简称MS)、分段互层砂体(segmented interbedded sand body,简称SIS)、薄互层砂体(thin interbedded sand body,简称TIS)和薄层砂体(thin sand body,简称TS)4类,横向接触关系可细分为垂向叠置、切割叠置、水平搭接和孤立砂体4类。不同砂体叠置类型具体特征如下。

3.1.1 砂体垂向叠置类型及特征

1)MS。此类型砂体单层砂厚一般大于5 m,夹层厚度几乎为0,单层砂厚远大于夹层厚度。砂体整装且整体厚度大,有效砂体连续性好,测井曲线上,GR曲线表现为相对平滑的厚箱型〔见图5(a)〕。

2)SIS。和MS相比,SIS单层砂厚一般3～5 m,单层砂厚一般大于夹层厚度。砂体发育具有分段特征,有效砂体连续性整体较好,砂体总叠合厚度大。由于此类砂体是河道多次改道且单期次河道沉积稳定时间较长作用的结果[17],所以测井曲线上,GR曲线通常表现为中等厚度的箱型、钟型分段分布〔见图5(b)〕。

3)TIS。 此类砂体单层砂厚比MS、 SIS单层砂更小, 通常1～3 m, 单层砂厚通常略小于夹层厚度。 尽管TIS砂体也呈分段发育且单砂体内有效砂体发育连续, 但其总体厚度相对较小。 此特征是分流河道发生多次改道且单期河道沉积时间较短所致, 因此, 在测井曲线上, GR曲线一般为薄钟型, 局部表现为明显回返的齿状特征〔见图5(c)〕。

4)TS。此类砂体单层砂厚通常小于1 m,单层砂厚远小于夹层厚度。砂体具有分段多、层薄且物性差的特点,很少发育有效砂体,GR曲线一般表现为薄层齿状特征〔见图5(d)〕。

(a)块状砂体,单层砂厚>5 m(X821-3);(b)分段互层砂体,单层砂厚介于3～5 m(X415-1);(c)薄互层砂体,单层砂厚1～3 m(X821-1);(d)薄层砂体,单层砂厚<1 m(X136)图5 砂体垂向叠置类型

统计研究区不同纵向叠置类型砂体的平均单井总砂厚发现, 块状砂体在长4+52-1和长4+52-2两个小层的平均单井总砂厚最高,分别为6.82 m和6.79 m;薄互层砂体(两个小层分别为5.02 m和4.63 m)和分段互层砂体(两个小层分别为4.80 m和4.54 m)次之;而薄层砂体的平均单井总砂厚在两个小层均最小,分别为1.40 m和1.30 m(见图6)。由此可见,研究区长4+52油层亚组中,块状砂体最为发育,分段互层砂体和薄互层砂体次之,而薄层砂体发育最差。

图6 不同叠置关系的砂体平均单井总砂厚分布特征

3.1.2 砂体横向接触类型及特征

表1、图7展示了研究区不同横向接触关系砂体的叠置样式、测井响应特征及砂体连通性。各类型砂体特征具体如下。

1)孤立砂体(isolated sand body,简称IS)常见于河道边缘,具有厚度小、横向延伸短且连通性差的特点;其一般呈孤立的透镜状,反映河道迁移次数和沉积物供给均较少。

2)垂向叠置砂体(vertical superposition sand body,简称VSS)是相邻两期或多期河道在垂向上相互叠置的结果,其具有纵向连通性好,但横向上延伸较短、连通性相对较差的特点,反映河道迁移次数少,但沉积物供给量充足且水动力强。

3)水平搭接砂体(horizontal overlapping sand body,简称HOS)在纵向上没有切叠关系且砂体厚度变化不大,但其横向延伸距离较远,连通性较好,反映河道迁移和水动力均相对较弱。

4)切割叠置砂体(cutting superposition sand body, 简称CSS)是多期河道在纵向和横向上同时相互切割叠置的结果, 砂体内无明显夹层。 由于此类砂体不仅在纵向上厚度较大, 而且在横向上延伸较远,因此其垂向和横向的连通性均较好, 反映河道不仅侧向迁移频繁, 而且其水动力强、 沉积物供给充足。 与其他3类横向接触类型砂体相比, 这类砂体也是区内形成优质储层最有潜力的类型。

表1 不同砂体横向接触类型特征Tab.1 Characteristics of sand bodies with different transverse contact relationship

图7 砂体横向接触类型与油水分布关系

3.2 不同砂体叠置类型含油性分析

3.2.1 垂向叠置类型砂体的含油性分析

由于不同垂向叠置类型的砂体形成的沉积环境和砂体物性具有明显差别,这也造成了砂体内含油程度的差异。通过油、水测井解释以及物性测试结果统计分析,发现研究区长4+52MS砂体的物性好、厚度大、含油性好,水层和干层几乎不发育〔见图8(a)〕,试油资料也显示,平均单井日产油1.67 t,最高日产油可达到3.33 t;SIS砂体内部非均质性较强,含油性次之,主要发育油层和差油层,水层和干层占比相对增加,油水同层和含油水层相比其在块状砂体的占比减少〔见图8(b)〕,平均单井日产油1.27 t,最高日产油可达到2.69 t;TIS砂体的物性较差,含油性也较差,主要为差油层、部分油水同层和干层,油层数量逐渐减少〔见图8(c)〕,平均单井日产油1.29 t,最高日产油可达到2.24 t;TS砂体的厚度薄,物性差,含油性最差,一般为差油层或干层〔见图8(d)〕,试油基本无工业产量。

统计不同含油性情况下4种纵向叠置类型的砂体分布发现, 油层在两个小层中均主要分布于MS、 SIS和TIS砂体中, TS砂体中不发育油层〔见图8(e)〕; 油水同层在长4+52-1中的4类砂体均有分布, MS砂体中最高, 但在长4+52-2小层中主要分布于MS、 SIS和TIS砂体, TS砂体中不发育〔见图8(f)〕; 含油水层在长4+52-1小层中主要分布于MS和SIS砂体中,其次为TIS砂体,在长4+52-2小层中主要分布于SIS和TIS砂体中,MS和TS砂体中均不发育〔见图8(g)〕;差油层在两个小层的4类砂体中均有分布,但最主要为TS和SIS砂体〔见图8(h)〕;水层在长4+52-1小层主要分布于TS砂体,但在长4+52-2小层主要分布于MS砂体〔见图8(i)〕;干层在两个小层中均主要发育在TIS和TS砂体〔见图8(j)〕。

3.2.2 砂体横向接触类型与油水分布关系

南212地区长4+52有明显油气显示,但油水分异程度较低,大多为油水同层和含油水层,纯油层相对较少。其中,长4+52-1的砂体横向接触类型主要有VSS、CSS、HOS,还有少量IS;该小层油层较为发育,单油层厚度1～10 m,油层的连通性好,且水层较少出现。长4+52-2砂体的发育规模小于长4+52-1,其横向叠置关系主要为IS与HOS;该小层的单油层厚度在0.5～7.5 m,油层的连通性好,且水层同样较少出现(见图7)。

(a)块状砂体;(b)分段互层砂体;(c)薄互层砂体;(d)薄层砂体;(e)油层;(f)油水同层;(g)含油水层;(h)差油层;(i)水层;(j)干层图8 砂体垂向叠置类型与含油性关系

从砂体横向接触类型与油水分布关系可以看出,研究区长4+52-1的石油主要富集在VSS、CSS和部分HOS砂体内,其中CSS砂体含油性最好,主要为油层和油水同层。CSS砂体是多期河道侧向叠加,使得砂体在垂向、横向上具有很好的连通性,有利于石油富集。研究区长4+52-2小层在部分IS与HOS砂体内有石油显示但分布较少,仅见少量油水同层、含油水层以及水层。IS砂体具有垂向、横向连通性均差的特点,而HOS砂体虽然在横向具一定连通性,但纵向连通性很差,因而其含油性也相对较差(见图7)。

4 结论

1)南212井区长4+52为三角洲平原亚相沉积,主要发育分流河道与河道间微相。两个小层砂体垂向叠置类型均主要为薄互层砂体,其次为分段互层和薄层砂体,块状砂体最少。砂体横向接触关系中,长4+52-1主要发育垂向叠置、切割叠置及水平搭接砂体,长4+52-2主要发育水平搭接和孤立砂体。

2)垂向叠置类型中,研究区发育较少的块状砂体含油性最好,而在区内发育较多的分段互层砂体和薄互层砂体含油性次之,薄层砂体含油性最差。横向叠置关系中,切割叠置砂体含油性最好,垂向叠置次之,而水平搭接和孤立砂体整体含油性差。