黄骅坳陷板桥地区湖相滩坝砂体内部隔(夹)层成因机制与分布样式
商晓飞1,2, 侯加根1,2, 刘钰铭1,2, 李永强1,2, 马克1,2, 杨逸臣1,2
1 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
2 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249

通讯作者简介 侯加根,男,1963年生,中国石油大学(北京)教授,博士生导师,主要从事储集层沉积学、油气藏地质、油气田开发地质学及三维建模研究。E-mail: houjg63@cup.edu.cn

第一作者简介 商晓飞,男,1986年生,中国石油大学(北京)博士研究生,主要从事储集层沉积学、油气田开发地质学研究。E-mail: shangxf17@163.com

摘要

黄骅坳陷板桥地区古近系沙河街组沙二段具有典型的湖泊滩坝沉积特点,其砂体内部主要发育泥质、钙质和致密粉砂质 3种类型的隔夹层。利用构型分析法,将滩坝砂体分为复合坝、单一坝和坝内增生体 3个构型要素,将内部隔(夹)层分为单一坝间隔层和单一坝内夹层 2个级别。单一坝间隔层具有 3种成因机制:( 1)基准面波动造成单一坝叠置区分布的细粒沉积;( 2)风暴作用形成的滞留泥砾沉积;( 3)坝后水动力低能区域形成的泥质沉积。单一坝内夹层则是波浪能量衰减形成的细粒沉积,岩性以粉砂质泥岩、泥质粉砂岩为主。通过分析夹层的井上识别特征,结合青海湖、岱海现代沉积的原型地质模式,对单一坝进行内部构型解剖。结果表明,夹层厚度为 0.1~1 m,靠近岸线近水平分布,向湖中心方向以低角度倾斜,倾角为 2°~5°。不同级次与成因的隔(夹)层在滩坝砂体中都有特定的发育部位,其分布规律和空间配置关系不仅可以反映不同隔(夹)层的沉积时间顺序,还可以依此来推测滩坝的沉积规模与展布形态。隔(夹)层会导致含油气性的差异,认识隔(夹)层分布规律是提高滩坝储集层油气采收率的关键。

关键词: 滩坝; 隔(夹)层; 成因机制; 分布样式; 古近系; 沙河街组; 板桥凹陷
中图分类号:P531 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2014)05-0581-16
Genetic mechanism and distribution patterns of inter(inner)-layers in lacustrine beach-bar sand bodies in Banqiao area, Huanghua Depression
Shang Xiaofei1,2, Hou Jiagen1,2, Liu Yuming1,2, Li Yongqiang1,2, Ma Ke1,2, Yang Yichen1,2
1 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
2 State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249;

About the corresponding author Hou Jiagen,born in 1963,is a professor of China University of Petroleum(Beijing). He is mainly engaged in researches on reservoir sedimentology,petroleum geology and geology of oil-gas field exploitation and geological modeling. E-mail:houjg63@cup.edu.cn.

About the first author Shang Xiaofei,born in 1986,is a Ph.D. candidate of China University of Petroleum(Beijing). He is mainly engaged in researches on reservoir sedimentology and geology of oil-gas field exploitation. E-mail:shangxf17@163.com.

Abstract

The Member 2 of Paleogene Shahejie Formation in Banqiao area of Huanghua Depression developed typical lacustrine beach-bar deposits with three kinds of inter(inner)-layer in sand bodies, i.e., muddy,calcareous and compact silty inter(inner)-layer. The beach-bar sand bodies can be divided into three architecture elements using the reservoir architecture analytical method:Compound bar,single bar,and the inner accretion of single bar. The inter(inner)-layers in the beach-bar reservoir can be subdivided into two hierarchies:Inter-layer between single bars and inner-layer in single bar. There are three genetic mechanisms of inter-layer between single bars:①Fine-grained sediments developed in a region superimposed by two-phase single bars sand bodies caused by base-level change;②Retention mud-gravels drawn by storm activities;③Mud deposit in a low wave energy behind bars. The fine-grained inner-layers in single bar are formed by the attenuation of wave energy,and mainly consists of silty mudstone and argillaceous siltstone. Further research is to dissect architecture inner single bar through well-log facies recognition and modern beach-bar prototype geological models in Qinghai Lake and Daihai Lake. It is found that the muddy inner-layers in single bar with thickness about 0.1~1 m are nearly horizontal close lakeshore and inclines in low angle towards the center of the lake,with 2°~5° dip angle. Each hierarchy and genetic inter(inner)-layer is found in a certain region in a single bar sand body. The relative position and distribution pattern of each inter(inner)-layer can not only reflects the order of deposition in a single bar,but also be used to predict the scale and morphology of beach-bar. The inter(inner)-layers can lead to the diversity of oil-bearing properties, therefore it is important to reveal the distribution of inter(inner)-layers in beach-bar reservoirs, which is the key to raise oil and gas recovery ratio.

Key words: beach-bar; inter(inner)-layer; genetic mechanism; distribution pattern; Paleogene; Shahejie Formation; Banqiao sag
1 概述

滩坝砂体是波浪、湖流或风暴将湖泊周缘携来的砂质沉积物重新改造后在有利场所再沉积而成, 是湖泊相一种重要的沉积类型。研究表明, 滩坝砂体具有近油源、储集性能好、生储盖配置完善等有利于油气聚集的地质条件(田景春, 2001)。对内陆湖盆滩坝储集层的油气勘探和研究逐渐成为中国中、新生代湖泊沉积体系勘探的新领域(Christopher and Brian, 2005; 潘树新等, 2012; 王建民, 2013)。国内外学者曾对滩坝的沉积特征、沉积模式、分布规律和控制因素等方面进行了研究, 认为滩坝呈砂泥岩互层沉积(Gordon and Fraser, 1977; Clifton, 2003; 王永诗等, 2012), 其形态与规模受物源、水动力、古地貌以及基准面旋回等因素的控制(Zhang and Wang, 1995; Borer, 2003; 杨勇强等, 2011; 纪友亮等, 2013)。依据滩坝的主要成分, 分为砂质滩坝和生物碎屑滩坝(Charles and Campbell, 1971; Jiang et al., 1999); 按照古构造位置、物源供给以及水动力条件, 将滩坝划分成湖岸线拐弯处滩坝、水下古隆起处滩坝、三角洲侧缘滩坝和浅湖地区滩坝4种类型(朱筱敏等, 1994)。结合滩坝的控制因素, 建立了相应的沉积与分布模式, 如依据盆地结构及古地貌背景建立了开阔湖盆缓坡型、水下潜山台地型和潜山凸起周缘型3种沉积模式(邓宏文等, 2010)。

滩坝砂体在发育演化过程中受水动力变化及湖平面周期性升降的影响而频繁地迁移摆动(操应长等, 2009), 由于滩坝砂体横向变化大(朱筱敏等, 1994), 导致不同级别储集体和隔(夹)层的配置关系复杂。开发实践证明, 滩坝内部的隔夹层往往是制约其开发效果、控制其剩余油分布的关键。目前对滩坝砂体的认识多局限在其平面展布形态(罗红梅等, 2011), 缺乏对滩坝砂体及内部隔(夹)层空间分布规律的认识。随油气藏的不断深入开发, 滩坝储集层构型分析成为储集层精细化研究的新手段(曾祥平, 2010), 而隔(夹)层描述及三维空间展布分析是构型研究的重要内容和前沿课题。因此, 开展滩坝隔(夹)层描述及预测研究, 搞清不同级次隔(夹)层的空间展布、规模、形态及相互间叠置关系是滩坝储集层剩余油研究的重要技术手段之一, 也是油气勘探开发取得高效进展的关键。黄骅坳陷板桥油田古近系沙河街组二段(以下简称沙二段)广泛发育滩坝储集层(周丽清等, 1998; 宋璠等, 2012)。对研究区400余口井资料进行研究, 结合38口取心井观察, 发现坝砂内部常由多个旋回叠置组成, 旋回之间发育灰色、浅灰绿色或紫色的泥岩隔(夹)层。坝砂之间或内部的隔(夹)层作为渗流屏障对注水开发效果和剩余油的分布都具有明显的控制作用。作者拟利用板桥油田丰富的动、静态地质资料以及密井网条件, 结合青海湖、岱海现代沉积观察和相似露头剖析, 对滩坝砂体内部隔(夹)层样式进行表征, 深入分析不同级别隔(夹)层的成因、规模与展布, 以期建立滩坝内部隔(夹)层空间配置模式, 为滩坝储集层开发调整及剩余油挖潜提供重要的理论依据。

2 区域地质背景

板桥凹陷位于黄骅坳陷中北部, 西北以沧县隆起为界, 东南以北大港潜山构造带与歧口凹陷相隔, 为一内部被多条NE、NNE向断层复杂化的狭长形箕状断陷盆地, 板桥地区处于断裂构造的主体部位(图 1), 面积约220 km2。目的层沙二段相当于一个湖平面上升的三级层序, 依据旋回特征自下而上分为滨Ⅳ 、滨Ⅲ 和滨Ⅱ 油组, 进一步划分为11个小层、17个单砂层, 总体反映出正旋回特点。地层埋藏深度2300~3600 m, 厚度约350 m。

图1 研究区位置及沙二段构造单元划分Fig.1 Location of study area and tectonic units of the Member 2 of Shahejie Formation

沙二段沉积时期是板桥凹陷的断陷间歇期(侯宇光等, 2010), 构造活动趋于稳定, 湖水分布广且浅。据岩心、测井、地震等资料, 凹陷主要发育扇三角洲、辫状河三角洲、滩坝等沉积。平面分布上, 扇三角洲主要分布在沧县隆起南部断裂陡坡带一侧, 还有一部分来源于北东方向的燕山褶皱带; 近岸水下扇主要发育在小站地区附近, 面积较小; 辫状河三角洲发育于北大港潜山北部一带(刘群明等, 2012), 因其坡度较缓, 局部砂体可以顺着斜坡向前一直推进(侯宇光等, 2010)。充足的物源砂体在波浪的作用下不断地被改造、搬运、再沉积, 在缓坡带一侧的板中、板南地区, 形成了大面积的滩坝沉积, 是该时期分布最广的沉积类型。

板桥油田滩坝储集层自1975年投入开发, 已有钻井418口, 取心井38口。近10年来, 该油田针对沙二段滩坝储集层布置钻井150余口, 取得了良好的开发效果。目前油田共有密井网区块10余处, 平均井距约150 m, 适合开展储集层内部精细构型解剖的研究。

3 滩坝沉积特征

根据滩坝砂体的岩性特点和不同沉积部位的差异性, 将滩坝分为滩砂和坝砂2个亚相(表 1), 其中滩砂亚相主要呈砂泥互层的沉积特征(图 2-A), 坝砂亚相是滩坝储集层中最重要的构成单元, 细分为坝中心和坝侧翼微相(图 2-B)。研究区滩坝沉积序列总体以发育向上沉积变粗的反韵律为主, 坝中心顶部常与泥岩突变接触, 底部多渐变为坝侧翼至滩砂沉积, 受基准面变化与周期性波浪作用的影响, 呈现多期的韵律变化。统计表明, 该区坝砂体内部夹层发育, 单期滩坝沉积砂地比为70.5%~83.5%, 平均为74.5%。

表1 黄骅坳陷板桥地区沙二段滩坝砂体亚相(微相)特征 Table 1 Beach-bar characteristics in different subfacies or microfacies of the Member 2 of Shahejie Formation in Banqiao area, Huanghua Depression

图2 青海湖现代滩坝砂体沉积亚(微)相划分Fig.2 Division of subfacies or microfacies of modern beach-bar sand bodies in Qinghai Lake

3.1 岩性特征

取心井观察表明, 本区滩坝储集层岩性以粉砂岩、细砂岩、中砂岩和含砾砂岩为主, 整体以深灰色泥岩与灰色砂岩呈不等厚互层为特征。坝砂沉积为主的区域砂岩含量平均90.2%, 主要为灰色、灰褐色的中— 细砂岩。粉砂岩、泥质粉砂岩等主要分布在滩砂亚相, 砂岩占整个序列的40%~60%。砂岩中石英含量一般在55%~70%之间, 长石含量一般为20%左右, 正长石与斜长石含量大致相当, 岩屑含量占5%, 总体具有较高的成分成熟度, 反映了波浪对物源的长期簸选和改造作用。多口取心井样品镜下观察发现, 砂岩中常见碳酸盐成分, 如皮壳很薄的鲕粒(图 3-A), 泥灰岩、粉砂质灰岩等成分组成的内碎屑以及石英颗粒外围的等厚方解石环边(图 3-B)。这些碳酸盐岩颗粒表明当时水体较为清澈且动荡, 反映了受河流注屑影响较小的滨浅湖沉积环境, 而三角洲环境难以形成该类沉积, 为该区沉积的滩坝砂体成因提供了一个有力的证据。

图3 黄骅坳陷板桥地区沙二段滩坝砂体中的碳酸盐成分Fig.3 Carbonate components in beach-bar sand bodies of the Member 2 of Shahejie Formation in Banqiao area, Huanghua Depression

3.2 粒度特征

对取心样品的粒度分析发现, 粒度分布主要表现为跳跃、悬浮两段式, 悬浮组分只占2%~8%, 反映了远离河口的滨浅湖沉积特点。跳跃组分含量约70%~90%, 与悬浮总体交切点为3.5Φ ~5.0Φ , 分选系数平均为2.15, 分选较好(图 4)。跳跃次总体的分段性, 说明滩坝受到波浪的长期来回冲刷改造。

图4 黄骅坳陷板桥地区bs25井滩坝沉积垂向序列Fig.4 Vertical sequence of beach-bar deposition from Well bs25 in Banqiao area, Huanghua Depression

3.3 沉积构造特征

岩心观察发现, 研究区沙二段发育多种波浪成因的沉积构造。冲洗交错层理、低角度小型交错层理(图 5-A)以及纹层倾向具有明显双向性的浪成波纹交错层理, 均代表多向水流的存在。斜层理(图 5-B)、平行层理(图 5-C、5-D)、波状层理(图 5-E、5-F)、波状交错层理等沉积构造, 表明波浪较强的冲刷能力。生物钻孔构造丰富, 其形态随沉积水动力能量的变化而有所差异, 较粗的坝砂沉积时水动力强, 多以垂直或倾斜为主, 细粒组分或泥质沉积时水动力相对较弱, 钻孔多为倾斜或水平型。另外, 顺层分布的植物炭屑以及浪成波痕、剥离线理和干涉波痕等层面构造也均指示出该区浅水环境下波浪、沿岸流的冲刷和改造作用。

图5 黄骅坳陷板桥地区沙二段滩坝沉积构造Fig.5 Sedimentary structures of beach-bar sand bodies of the Member 2 of Shahejie Formation in Banqiao area, Huanghua Depression

4 滩坝隔(夹)层类型与级别
4.1 隔(夹)层类型及其特征

对隔(夹)层特征的描述首先以分辨率较高的取心井为基础, 通过岩心观察, 直观获取隔(夹)层的沉积特征和识别标志, 进而利用岩电标定对非取心井进行隔(夹)层识别(刘钰铭等, 2011)。滩坝沉积因受古地貌、水动力等因素的控制, 其内部可发育多个级别、多种类型的隔(夹)层。根据隔(夹)层的沉积特点、分布规律以及物性特征, 结合取心井观察, 将滩坝隔(夹)层分为3种类型, 即泥质隔(夹)层、钙质隔(夹)层和致密粉砂质隔(夹)层(图 6)。

图6 黄骅坳陷板桥地区滩坝砂体的隔(夹)层类型及其测井曲线特征Fig.6 Inter(inner)-layer types of beach-bar sand bodies and their logging characteristics in Banqiao area, Huanghua Depression

1)泥质隔(夹)层。泥质隔(夹)层是滩坝砂体内最常见、最重要的一类隔(夹)层, 其岩性主要为泥岩或粉砂质泥岩, 颜色常呈灰色、浅灰绿色及紫色。泥质隔(夹)层多是由于不同级别基准面旋回的波动造成湖平面变化以及在水动力低能区域形成的细粒泥质沉积物。该类隔(夹)层厚度变化较大(从几厘米到几十米), 在储集体之间及内部均有发育。

2)钙质隔(夹)层。钙质隔(夹)层常指成岩作用过程中形成的钙质胶结砂岩或砾岩。滩坝砂体的底部或顶部常与湖相泥岩接触, 其界面附近会被来自于泥岩的钙离子胶结, 形成致密条带, 成为渗流屏障(图 7-A)。另外, 由于湖水含盐度高, 出露水面近地表的松散沉积物与湖水相互接触, 毛细管作用将湖水输送到近地表蒸发(“ 蒸发泵” 作用), 使沉积物粒间水中的盐分及其他矿物质不断浓缩, 为钙质砂岩的形成提供了有利环境(图 7-B)。该类隔(夹)层分布范围较小且具有较强的随机性, 主要出现在滩坝砂体的顶、底部, 厚度通常小于1 m, 其导电性差、渗透率低、密度大, 在测井曲线上表现为相对高的电阻率、低自然伽马和相对低的声波时差, 微电极曲线呈尖峰状且比值通常超过邻层1倍以上。

图7 滩坝砂体中的成岩作用Fig.7 Digenesis in beach-bar sand bodies

3)致密粉砂质隔(夹)层。对各沉积亚(微)相砂岩物性统计显示(图 8), 滩坝储集层物性差异较大, 孔、渗性较差的砂体会对流体渗流造成一定的影响。该类隔(夹)层岩性主要为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和粉砂岩, 可分为沉积和成岩2种成因。沉积作用形成的致密粉砂质隔(夹)层主要发育在滩砂范围内, 平面上分布在低能区域的坝砂之间或坝砂向湖延伸的一侧。由于水体能量低, 砂体并未充分受到波浪的淘洗和筛选, 碎屑颗粒分选、磨圆较差, 虽具一定的孔隙度, 但整体物性较低。成岩作用形成的致密粉砂质隔(夹)层主要是由于压实、胶结、交代等成岩作用使局部滩坝储集层孔隙空间变小或孔喉堵塞而造成物性变差(图 7-C)。致密粉砂质隔(夹)层具有一定的泥质含量, 厚度受沉积的影响变化较大(0.5~5 m), 微电极曲线介于泥岩和钙质隔(夹)层之间且有一定的幅度差, 自然电位曲线幅度较低, 自然伽马值相对较高。

图8 黄骅地区板桥地区沙二段滩坝储集层物性统计Fig.8 Histogram of physical properties of beach-bar reservoir in the Member 2 of Shahejie Formation in Banqiao area, Huanghua Depression

4.2 隔(夹)层表征级别

综合400余口钻井资料和38口取心井, 揭示研究区成岩成因的隔(夹)层相对比较少见且分布稳定性差。滩坝储集层中沉积成因的隔(夹)层是沉积过程中波浪水动力条件变化导致沉积物岩性差异而形成的。隔(夹)层总与不同级别的构型界面相对应, 也具有级次性(孙天建等, 2014), 且不同级别的隔(夹)层其成因、分布和沉积特征有很大差异(表 2)。

表2 滩坝储集层隔(夹)层分级表及沉积特征 Table 2 Different orders of inter(inner)-layers in beach-bar reservoirs and their depositional characteristics

参考Miall(1985, 1991)级次划分体系, 重点对储集层意义上的构型单元进行分析(3~5级构型要素), 并结合滩坝现代沉积, 将滩坝砂体分为复合坝、单一坝和坝内增生体3个构型要素, 对应3个级别构型界面和隔(夹)层(图 9)。复合滩坝砂体, 即是小层或单砂层沉积时间单元限定的构型要素, 其间发育5级构型界面, 对应5级岩性隔层。该界面为大型砂席边界, 通常以顶部平坦、底部充填为标志。精细地层对比和沉积微相研究表明, 受波浪作用和古构造的控制, 滩砂呈席状分布, 砂体较薄, 平均约2~4 m; 坝砂沉积厚, 一般在8 m以上, 多为条带状平行湖盆边缘展布, 是滩坝构型解剖和隔(夹)层描述的主体。每个复合坝砂体都是由1个或多个单一坝组成, 单一坝之间即是4级构型界面。该界面为低角度面, 其表面平直且通常披覆1层泥岩或泥砾, 形成泥质或致密粉砂质隔层(4级隔层)。单一坝砂体内部, 受超短期旋回的控制, 又可进一步细分出1个或多个增生体(韵律层), 增生体之间发育不稳定的薄层泥岩或粉砂岩, 构成3级界面(对应3级夹层)。该界面代表水动力的间歇性减弱事件, 其上下岩相组合变化不大。

图9 滩坝砂体中隔(夹)层级别划分Fig.9 Division of different orders of inter(inner)-layers in beach-bar sand bodies

5 滩坝隔(夹)层表征

作者对青海湖和岱海现代滩坝沉积进行研究, 为进一步分析和解释古代滩坝储集层中隔(夹)层的成因与分布提供可靠依据。青海湖和岱海均属于断陷湖盆, 是现代内陆微咸水湖泊(安芷生等, 2006; 孙千里等, 2006), 与研究区在湖泊沉积特征上具有一定的相似性和可比性。该2处湖泊沉积类型多样, 现象丰富, 有多处原有发育的湖泊滩坝砂体露出水面, 是研究现代滩坝沉积的理想场所。遵循构型分析的思路, 首先描述单砂体(单一坝)间隔层, 然后分析单一坝内部夹层, 形成不同级次、不同成因的隔(夹)层空间分布样式。

5.1 单一坝间隔层

5.1.1 隔层成因

复合坝砂体在电测曲线上通常反映出多个砂体在垂向上连续叠加形成数十米厚、齿状幅度有明显差异的沉积特点(图 10)。复合坝中的厚砂层为许多单一坝砂体相互叠置而成, 2期单一坝砂体之间的界面处即发育单砂体(单一坝)间隔层。根据滩坝沉积特点, 结合现代沉积与岩心观察, 认为单一坝间隔层有3种成因(表 2)。

图10 bs18井单一坝隔(夹)层测井特征Fig.10 Logging characters of inter(inner)-layers in single bars of Well bs18

1)古基准面的升降变化与旋回级别是控制形成单一坝间隔层的重要因素。基准面波动主要表现在湖平面的升降, 造成不同波浪能量带频繁变化, 使坝砂沉积多表现出侧向或垂向相互叠置的空间分布模式。湖平面上升或下降均会形成相应的坝砂沉积(Hoy and Ridgway, 2003; 邓宏文等, 2008), 相邻2期单一坝砂体间发育的细粒沉积, 即为复合坝中单砂体之间的隔层(图 10)。

2)岩心观察发现, 局部地区发育反映砂质滩坝风暴作用的沉积构造, 如风暴不规则“ 侵蚀面” 上部滞留的泥砾沉积(图 11-A)、砂质或泥质充填构造(图 11-B)以及风暴作用特有的丘状交错层理(图 11-C)等。风暴事件引起的振荡水流和无定向底流具有较强的剪切能力(冯兴雷等, 2011), 可以强烈侵蚀湖底, 将正常浪基面附近或以下的泥质沉积物搅起、打碎并带到邻近的、向岸方向发育的滩坝处沉积下来, 形成泥质条带(图 11-B), 成为单一坝之间的泥质隔层。短暂的风暴过后, 恢复到正常滩坝沉积环境, 泥砾常沿沉积层理面和冲刷面分布(Cooper et al., 2013), 因其沉积速度快、分选作用差, 致使泥质含量高、渗透率低, 成为致密粉砂质隔层。

图11 黄骅坳陷板桥地区沙二段风暴滩坝沉积构造特征Fig.11 Sedimentary structural features of tempestite-beach-bar sand bodies in the Member 2 of Shahejie Formation in Banqiao area, Huanghua Depression

3)坝的沉积会形成地形上的局部凸起, 并对波浪起到一定的阻挡作用, 造成坝后波浪和湖流作用弱, 形成水动力低能环境, 沉积物以细粒泥岩或泥质粉砂岩为主, 成为泥质或致密粉砂质隔层(图 12-A); 当坝砂出露水面或与湖平面持平时, 坝后则会出现小范围被坝砂保护的封闭静水区域(类似潟湖湾沉积)(图 12-B), 在这里悬浮物质逐渐沉积形成泥质隔层。

图12 青海湖和岱海坝后泥质现代沉积Fig.12 Modern back-bank muddy sediments in Qinghai Lake and Daihai Lake

5.1.2 隔层展布

单砂体间隔层发育于2期单一坝砂体叠置区域, 其分布与单一坝的边界密切相关, 因此, 识别与划分单一坝砂体是预测该类隔层展布的关键。若相近2口井均钻遇坝砂沉积, 为了判断是否属于同一坝砂体, 总结出6种单一坝识别与划分标志, 即坝间沉积泥岩、坝间沉积滩砂、相邻坝相对高程差异、测井曲线形态差异、坝内夹层不匹配以及生产动态资料差异(图 13)。以b886井区为例, 采用这些识别标志进行单一坝砂体识别与划分, 并在平面上结合滩坝砂体几何形态特征(长宽比、长轴方向等), 将该井区滨Ⅳ -3-2单砂层划分为3个单一坝, 发育2个单一坝之间的叠置区域, 而砂体叠置区域就是单一坝间隔层的发育部位(图 13)。

图13 b886井区滨Ⅳ -3-2单砂层单一坝识别与划分Fig.13 Identification and division of single bars from the Bin Ⅳ -3-2 single sand layer in Well b886 area

在基准面变化的拐点附近, 湖平面会出现相对短暂的稳定期, 使基准面在高点或低点附近比较容易发育滩坝砂体(Charvin et al., 2011), 相邻单一坝砂体呈现出相应的侧向迁移的趋势。基准面上升过程中, 当湖平面上升速率明显减慢接近高点时, 波浪开始冲刷湖岸并沉积滩坝砂体, 此时单一坝是逐渐向岸方向退积的, 单一坝间隔层主要分布在单一坝向岸方向一侧; 湖平面由高点缓慢下降时, 单一坝砂体则逐渐向湖泊方向进积, 单一坝间隔层主要分布于单一坝向湖中心方向一侧(图13)。同样, 在基准面低点附近, 在靠近湖盆内部也会发育相应的滩坝砂体, 其沉积过程、砂体空间叠置关系以及单一坝间隔层的展布与前述相反。

5.1.3 隔层规模

在单一坝精细划分的基础上, 统计了研究区沙二段由396个井点控制的228个单一坝砂体的定量规模参数, 其平均长度836 m, 平均宽度409 m, 平均长宽比2, 平均宽厚比60.5。钻井揭示, 单一坝间隔层厚度一般在1~15 m之间, 平面展布范围受古基准面的影响而变化较大(基准面变化缓慢, 坝砂的迁移速率及幅度就会减小, 单一坝间隔层范围则较大), 但不会超过单一坝规模, 一般50~400 m。隔层在一定范围内较为稳定, 且泥质含量较高, 渗流屏障的遮挡能力较强。

5.2 单一坝内夹层

5.2.1 夹层成因

过去认为滩坝是一种相对较均质的储集层, 内部夹层不发育(李秀华等, 2001)。通过岩心观察发现, 研究区单一坝砂体内部同样发育泥质或灰质的夹层, 其中泥质夹层最为常见, 是滩坝砂体内部最主要的夹层类型。

在单一坝沉积过程中, 受超短期基准面旋回控制, 单一坝内部由一个或多个韵律层垂向或侧向加积而成。吴胜和(2010)将陆相储集层构型级次与要素进行了对比与分析, 将这些单砂体内部的韵律层称之为增生体。当湖平面短暂上升过程中, 波浪能量相对衰减, 由于水体加深、可容空间增大, 细粒的泥质沉积物在增生体之上沉积, 形成单一坝砂体内部夹层。另一方面, 基准面相对稳定的情况下, 波浪受风的影响是不稳定的(李安夏等, 2010), 波浪间歇期水动力很弱, 在之前波浪作用期沉积的增生体的顶部和边部垂向加积形成近平行或倾斜的细粒沉积物, 成为单一坝内夹层。

5.2.2 构型解剖

单一坝内夹层与单一坝内部增生体之间的界面相伴生。首先在单井上识别单一坝内夹层, 并通过现代沉积、露头等研究建立合适的地质模式(吴胜和等, 2008, 2012), 然后在剖面上进行井间夹层组合, 最终得到三维构型模型。因此, 进行单一坝内部构型解剖, 实质就是对多期增生体之间的界面(即夹层)进行分析, 以揭示单一坝内部夹层的三维空间展布。

取心资料研究发现, 单一坝内部夹层在自然伽马、自然电位以及电阻率等曲线上均有不同程度的反应, 如自然伽马相对增大、自然电位向泥岩基线回返、电阻率相对降低、井径扩径明显等(图 10)。岩电标定揭示微梯度曲线对本区夹层反应敏感, 夹层的区域, 微梯度曲线明显回返且与微电位曲线幅度差很小或为零(小于3 Ω · m)。统计表明, 微梯度曲线回返程度与夹层厚度具有良好正相关关系。依据曲线特征、动态资料等, 在单井上进行单一坝内部夹层识别。

合适的和先验的原型地质模式是井间构型界面预测的前提(侯加根等, 2008)。对青海湖、岱海典型砂质滩坝现代沉积和美国大盐湖滩坝露头的研究(李国斌, 2009)发现, 在单一坝的中心部位及靠近湖盆方向, 单一坝内夹层发育, 并且向湖盆方向倾斜展布, 倾角通常比较低缓; 在单一坝向岸线一侧, 坝内夹层多呈近水平方向分布(图 14, 图15)。

图14 青海湖单一坝沉积原型地质模型及坝内夹层Fig.14 Geological model of single bar deposition and its inter-layers in Qinghai Lake

图15 滩坝露头解剖Fig.15 Dissection of beach-bar outcrops

基于该模式, 对bn5-4井组滨Ⅳ -3-2单砂层单一坝体(图 12, 单一坝Ⅰ )进行内部构型解剖。该单一坝控制井数为10口, 共钻遇夹层19个。通过多条垂直湖岸线(即垂直单一坝长轴)方向建立的连井剖面, 对控制该单一坝所有井的夹层进行对比、组合, 得到井间界面的最佳匹配关系(图 16)。

图16 黄骅坳陷板桥地区沙二段单一坝内部构型解剖Fig.16 Architecture anatomy of single bars in the Member 2 of Shahejie Formation in Banqiao area, Huanghua Depression

采用序贯指示模拟对坝内夹层进行三维地质建模。序贯指示模拟结果具有较强的随机性, 而单一坝及坝内夹层具有确切的空间展布形态, 因此, 通过人机交互的方法对模拟结果进行再处理, 使夹层三维地质模型既与井点吻合, 井间又符合地质模式的认识。解剖结果证实, 该单一坝发育3套内部夹层, 自下而上记为夹层Ⅰ 、夹层Ⅱ 和夹层Ⅲ , 相应地将该单一坝分为4期增生体, 每期增生体厚度相当, 其中, 第1期增生体规模最小, 发育在单一坝的中心部位, 向上增生体规模依次加大并完全覆盖前期增生体, 至迎湖浪面的bG5井、b887井附近只可钻遇到第3和第4期增生体。增生体的厚度向岸(东南)方向明显减薄, 呈现坝砂向湖盆中心(西北)方向迁移的趋势(图 17)。

图17 单一坝构型三维模型Fig.17 3D architecture model of a single bar

5.2.3 夹层定量规模

以取心井为基础, 结合动、静态资料, 对10个典型单一坝砂体(96口井控制)进行内部构型解剖, 并对其内部夹层的定量参数(如夹层的产状)进行统计。单一坝内部夹层厚度约0.3~1 m, 夹层密度平均18.6%, 岩性主要为粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩。夹层倾向主要有NNW75° 和NNW40° , 并以NNW75° 为主。通过单一坝底部构造拉平的方法可以计算不同部位夹层的倾角, 即同一夹层相对单一坝底面的高度差(图 16, △ h)与井距的比值就是该角度的正切值。计算结果发现, 单一坝靠近岸线的一侧, 夹层基本水平, 倾角1° 左右, 不超过2° ; 大部分区域, 尤其是单一坝中心部位的迎波浪作用方向, 夹层倾角稍大, 为2° ~5° , 平均约为3.18° 。

随增生体叠置, 坝逐渐生长变大, 内部夹层的展布范围也越来越大, 最外层的夹层沿坝长轴方向约500~800 m, 垂直岸线方向展宽200~300 m。统计表明, 单一坝内夹层发育的个数与单一坝厚度具有一定的正相关性, 这与基准面升降的持续时间有关。由于夹层(尤其是坝后和坝顶部位)易被后期增生体沉积过程中波浪或沿岸流作用所冲刷、破坏而难以保存(Storms et al., 2002), 导致单一坝内部夹层在局部地区连续型和稳定性较差, 渗流屏障遮挡能力变弱。

6 讨论
6.1 隔(夹)层空间组合模式

根据构型解剖结果, 建立滩坝砂体隔(夹)层分布样式(因沉积成因的泥质隔(夹)层是最常见也是稳定性相对较好的隔(夹)层, 因而分布模式主要是针对该类隔(夹)层而言的), 探讨各级次和成因类型隔(夹)层之间的空间组合关系以及沉积时间顺序, 为理解滩坝砂体隔(夹)层的几何形态、分布规律提供一个概念性的地质模型(图 18)。依据该模型, 可以不再依靠统计滩坝砂体的参数(如长宽比、宽厚比等), 而仅通过隔(夹)层的定量信息, 即可推断滩坝储集体的沉积规模。

图18 单一坝沉积演化及不同级别隔(夹)层空间配置关系Fig.18 Evolution model for single bars and spatial configuration among different orders of inter(inner)-layers

砂质滩坝储集层内部, 一个理想的单一坝可以描述成各种成因的细粒泥质沉积与砂质碎屑沉积的组合。在单一坝沉积过程中, 每一种隔(夹)层都有其特定的发育部位。增生体之间的夹层发育在单一坝内部, 表现为沿3级构型界面向湖盆中心方向倾斜展布的细粒泥质沉积。坝后泥岩类似于沉积相变, 形成于单一坝砂体沉积的后期, 主要沉积在坝砂向岸线方向的一侧。风暴作用形成的滞留泥砾主要发育在单一坝砂体的顶部。单一坝间隔层是单一坝沉积之后的覆盖型隔层, 受基准面变化的影响, 主要分布在单一坝的叠置区域。每一种隔(夹)层的相对位置, 同样反映了它们的沉积时间顺序, 例如, 在一个特定单一坝沉积中, 单一坝内夹层绝不会形成在坝后泥岩沉积之后。

值得一提的是, 滩坝砂体隔(夹)层分布样式是一个理想化的地质模型, 并不能与所有的现代滩坝沉积或露头完全对应。所建立的理想化滩坝隔(夹)层分布样式需要根据地下储集层的实际情况加以修正, 使其与滩坝储集层内部结构相吻合。

6.2 隔(夹)层对剩余油分布的控制

油田开发后期, 受沉积、构造以及注水性质、压力等多种因素的影响, 剩余油分布复杂, 对其规律认识不清制约着油田的高效开发。隔(夹)层是控制油层复杂水淹形式的主要地质因素(赵伦等, 2014)。下面重点从这一角度讨论滩坝内部隔(夹)层对剩余油分布的控制作用, 指导该类储集层的有效开发。

1)单一坝间隔层对剩余油的控制。同一沉积时间单元内, 单一坝侧向迁移, 导致砂体叠置且连通性差。由于单一坝间隔层的侧向遮挡作用, 可形成单一坝剩余油富集区。如bS76井滨Ⅳ -2-2单砂层为2期单一坝的侧向拼接, 期间发育较为明显的单一坝间隔层, 隔层上部单一坝砂体生产初期含水率仅为53%, 大大低于同层位邻井b876-2井(钻遇隔层下部的单一坝)含水率(92%), 说明受该隔层遮挡, 其上部单一坝砂体剩余油相对富集(图 19-A)。

图19 滩坝隔(夹)层对剩余油分布的控制Fig.19 Profiles showing distribution of remaining oil controlled by inter(inner)-layers in beach-bar reservoirs

2)单一坝内夹层对剩余油的控制。稳定性较好的单一坝内夹层平行砂体内部的3级界面, 可将单一坝分隔成相对独立的流体系统, 导致不同增生体的水驱程度有所差异, 影响剩余油的分布。如滨Ⅳ -3-2单砂层中, 注水井b21-16井和采油井b14-19井在同一个单一坝砂体, 该单一坝内部发育2套夹层, 并将其分为3期增生体。b21-16井只钻遇增生体B和增生体C, 均有注水; b14-19井在同一增生体内钻井均显示强水淹, 而底部的增生体A因单一坝内夹层阻挡注入水的波及, 形成剩余油富集区(图 19-B)。

综上分析, 在滩坝储集层开发过程中, 为避开隔(夹)层的渗流遮挡作用, 提高采收率, 注采井应在同一单一坝砂体中, 且射孔位置应尽可能选择在同一增生体内。

7 结论

1)滩坝砂体隔(夹)层主要有泥质隔(夹)层、钙质隔(夹)层和致密粉砂质隔(夹)层3种类型。依据构型解剖思路, 隔(夹)层可分为单一坝间隔层和单一坝内夹层2类。单一坝间隔层在成因上分为基准面波动造成单一坝间叠置区域分布的细粒沉积、风暴作用形成的滞留泥砾沉积以及坝后水动力低能区域形成的泥质沉积3种; 单一坝内夹层主要是波浪能量衰减形成的细粒沉积。

2)单一坝间隔层发育于2期单一坝砂体叠置区域, 在平面上识别单一坝砂体, 揭示单一坝间隔层随古基准面的变化而分布部位不同。单一坝内部夹层分布较不稳定, 通过单一坝内部构型界面分析, 获取了单一坝内部夹层的展布特征及定量规模参数, 揭示夹层在靠近岸线近水平展布, 向湖方向以低角度倾斜。

3)滩坝储集层内部各级别和成因的隔(夹)层都有特定的发育部位, 其空间组合样式不仅可以反映不同隔(夹)层的沉积时间顺序, 还可以以此来推测单一坝砂体的沉积规模和空间形态。不同级别隔(夹)层对滩坝储集层剩余油的分布具有控制作用。

致谢 感谢中石油勘探院西北分院与大港油田勘探开发研究院给予的部分现代沉积考察照片, 为本文的研究论证提供了充分的资料。感谢延安大学吴小斌副教授以及中海油勘探开发研究院孙福亭和郭晓提供的一些思路与方法。感谢两位评审专家中肯的修改意见。

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