胡光义, 肖大坤, 范廷恩, 宋来明, 陈飞, 井涌泉, 高玉飞. (2019)河流相储层构型研究新理论、新方法——海上油田河流相复合砂体构型概念、内容及表征方法* [J]. 古地理学报, 21(1): 143-159
Hu Guang-Yi, Xiao Da-Kun, Fan Ting-En, Song Lai-Ming, Chen Fei, Jing Yong-Quan, Gao Yu-Fei. (2019)New theory and method of fluvial reservoir architecture study: Concepts, contents and characterization of offshore oilfield fluvial compound sand-body architecture[J]. Journal Of Palaeogeography, 21(1): 143-159.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2019.01.008
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河流相储层构型研究新理论、新方法——海上油田河流相复合砂体构型概念、内容及表征方法*
胡光义1,2, 肖大坤1,2, 范廷恩1,2, 宋来明1,2, 陈飞1,2, 井涌泉1,2, 高玉飞1,2
1 海洋石油高效开发国家重点实验室,北京 100028
2 中海油研究总院有限责任公司,北京 100028

第一作者简介 胡光义,男,1961年生,博士,现为中海油研究总院开发研究院院长,教授级高级工程师,主要从事油气田勘探开发地质研究与生产管理工作。E-mail: hugy@cnooc.com.cn。

收稿日期:2018-11-27
基金资助:国家重大科技专项(编号:2011ZX05024-001)资助
摘要

基于陆上油田密井网的河流相储层构型研究,经过数十年积累,理论基础及表征方法已比较成熟,然而,将其应用于海上油田稀疏井网条件时,依然面临较大的挑战。笔者团队经过多年探索,基于海上油田开发地质研究方法,形成了井震结合、以“复合砂体”为核心的海上河流相复合砂体构型理论与表征方法,其特点在于运用三维原型建模、地震构型相预测及地震驱动确定性建模等技术,重点表征影响海上油田开发的五、六、七级构型单元(复合河道带、单一河道带、复合点坝),针对开发阶段的小层细分对比及不连续渗流屏障刻画等方面具有明显的优势。目前,应用这套理论及方法开展精细地质建模和数值模拟依然存在挑战,需要进一步发挥地震资料作用并探索人工智能的地震解释新途径。

关键词: 河流相; 复合砂体; 储层构型; 海上油田; 复合点坝; 地震属性
中图分类号:P512.31 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2019)01-0143-17
New theory and method of fluvial reservoir architecture study: Concepts, contents and characterization of offshore oilfield fluvial compound sand-body architecture
Hu Guang-Yi1,2, Xiao Da-Kun1,2, Fan Ting-En1,2, Song Lai-Ming1,2, Chen Fei1,2, Jing Yong-Quan1,2, Gao Yu-Fei1,2
1 State Key Laboratory of Offshore Oil Exploitation,Beijing 100028,China
2 CNOOC Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100028,China

About the first author Hu Guang-Yi,born in 1961,Ph.D.,professional engineer,is the director of the CNOOC Institute Development Research Department. He is mainly engaged in oil and gas field exploration and development of geological research and production management. E-mail: hugy@cnooc.com.cn.

Fund:Financially supported by the National Science and Technology Major Project(No.2011ZX05024-001)
Abstract

The architecture theory and characterization method of fluvial reservoir,which were based on dense wells data of onshore oilfields,have become relatively mature after decades of research. Nevertheless,it is challenging to apply this theory and method to offshore oilfields,where only sparse wells drilled. Through years of exploration,our research team proposes a new architecture theory and characterization method for fluvial reservoir of offshore oilfield by combining well data with seismic data and taking compound sand-body as major research target.compared with previous study,this new approach employs technologies such as 3D prototype model reconstruction,seismic architecture facies prediction and seismic driving deterministic geological reservoir modeling to detailedly study the 5th,6th and 7th architecture units of fluvial reservoir(compound channel belt,single channel belt and compound point bar),which shows obvious advantages on substrata division and correlation and discontinuous permeation barriers prediction in development phase. At present,there are still challenges applying this theory and method to fine geological modeling and numerical simulation. It's important to make full use of seismic data and develop artificial intelligence ways to improve seismic interpretation.

Key words: fluvial facies; compound sand-body; reservoir architecture; offshore oilfield; compound point bar; seismic attributes

储层构型(reservoir architecture)是指储集层内部不同级次结构单元的空间组合关系(吴胜和等, 2012)。目前, 基于层次分析的储层构型研究成为了油田开发阶段地质研究的必备环节, 对提高碎屑岩含油气储层表征精度、挖潜高含水期剩余油发挥了重要作用(李阳, 2007; 于兴河和李胜利, 2009; 周银邦等, 2011a; 吴胜和等, 2012; 胡光义等, 2018a)。

相比于其他沉积类型, 河流相储层构型理论目前最为成熟, 方法技术最为完善。以野外露头及陆上密井网油田资料为基础的构型理论体系, 精细程度达到了单一点坝级次(束青林, 2005; 岳大力等, 2008; 周新茂等, 2010; 周银邦等, 2011b)。然而, 对于开发井距大(一般超过350 m)的海上油田来说, 稀疏的井网资料并不足以支撑单一点坝或单一砂体的研究尺度, 直接借鉴“ 以井为主、井震结合” 的密井网研究思路, 难以满足海上的精度需求(胡光义等, 2014; 刘超等, 2014; 陈飞等, 2015a; 汪巍等, 2016; 范廷恩等, 2018)。尽管井点资料不足, 但海上油田普遍有相对高品质的地震资料, 尤其是埋深1000~1500 m的中浅层河流相砂体, 地震主频20~40 Hz, 理论可分辨地层厚度达10~20 m, 是开展储集层非均质性研究的重要资料。

然而, 地震资料受分辨率限制, 如何充分发挥优势, 根本上需要解决的是砂体的“ 复合性” 问题, 即在地震可分辨域内解剖时间单元、实现储集层细分。这样的“ 井震结合、以震为主” 的特色构型研究方法, 对于海上油田十分必要。

在前人研究基础上, 笔者团队经历了“ 十一五” 、“ 十二五” 近10年的研究总结, 从海上油田开发生产实践经验出发, 开展了大量现代沉积、野外露头观测, 运用探地雷达等新技术, 形成了适用于海上大井距开发尺度的“ 河流相复合砂体构型理论及表征方法” 。该文将结合海上油田具体应用实例, 针对这一套新理论、新方法进行详细阐述。

1 储层构型研究现状
1.1 储层构型的概念

1977年, Allen(1977)针对河流相沉积砂体的内部组合特征, 首次提出了河流建筑结构(fluvial architecture)这一名词。后经过发展, Miall(1985)综合前人的研究, 正式提出了河流相储层构型的定义, 包括界面等级、岩相划分、构型单元等一系列概念。

20世纪90年代初, reservoir architecture的概念引入国内, 译为“ 储层建筑结构” 或“ 储层构型” , 指不同级次储集单元与隔夹层的形态、规模、方向及其空间叠置关系(吴胜和等, 2008, 2012), 构型的研究主要针对各级构型要素及构型界面开展精细表征。区别于传统沉积相研究的“ 优势相” 思维, 储层构型研究采用层次分析的方法, 突出等时沉积物理界面和沉积单元的刻画, 对于描述地下储集层中影响流体流动的渗流屏障、预测剩余油分布、老油田明确调整挖潜方向具有更好的指示意义。

1.2 河流相储层构型理论发展历程

采用“ 过程拟合” 或“ 层次结构” 的思维认识河流相储集层, 可以追溯到19世纪末。早期的地质地貌学家通过观察大量现代河流, 采用过程推演来解释河流发育过程中的各种沉积现象, 这样的研究方法对河流沉积学发展产生了影响。

Allen在1963至1983年间相继发表多篇论文(1963, 1965, 1967, 1974a, 1974b, 1977, 1979, 1983), 初步阐释了与储层构型有关的结构级次、单元划分及岩相类型等概念, 奠定了早期构型研究的基础。

随着20世纪60年代北海大型河流相油气储集层发现, 进一步推动了河流相储层构型研究的热潮(Mike, 1995)。多位学者在Allen构型研究的基础上进一步细化, 代表性的学术成果有: Cavaroc和Ferm(1968)建立三角洲平原砂体的层次结构及几何空间展布模式; Campbell(1976)利用二维交叉剖面技术, 论证了侏罗系辫状河沉积的侧向迁移机理; Brookfield(1977)针对风成砂建立风成底形分级系统, 提出臂形韵律层、沙丘、空气动力波痕和冲击波痕4个级别的“ 风成底形单元” ; Horne等(1978)针对阿巴拉契亚山脉中的含煤层系露头建立构型剖面; Cant和Walker(1978)针对加拿大萨斯喀彻温省南部的辫状河河流体系, 建立了基于垂向剖面的二维几何结构模型; Allen(1983)针对英国威尔士泥盆系砂岩建立河流相的3类沉积界面, 等等。

Miall(1977, 1978)在Allen提出的层次划分基础上, 对河流构型体系进一步进行了总结和细分, 第一级至第六级次分别为: 河流— 三角洲体系、三角洲分流河道、分流河道内的某段、河道砂坝、砂坝侧翼、砂坝表面前积波纹。

Miall(1985)在第三届国际沉积学大会上正式提出储层构型的定义: 储集层及其内部构成单元几何形态、尺寸、方向及其相互关系。研究方法为河流相储集层构型要素分析法, 研究内容包括界面级次、岩相类型、结构单元等。这标志着河流储层构型理论正式诞生。

国内储层构型研究起步于20世纪90年代, 主要源于对密井网油气田地下储集层的精细研究, 代表性学术成果: 赵翰卿等(1995, 2000)应用大庆油田密井网资料, 解剖了河流相、三角洲相砂体几何形态和内部结构, 总结了储集层非均质性研究的新思路; 何文祥等(2005)基于Miall层次分析法, 对孤岛油田馆陶组点坝砂体开展构型分析, 识别了单一河道(4级界面)、点坝侧积体(3级界面)并建立栅状模型; 隋新光(2006)利用水平井表征了大庆喇萨杏密井网油田的点坝砂体构型特征; 岳大力等(2008)通过层次约束、模式拟合, 针对孤岛油田馆陶组曲流河砂体, 依次恢复了复合河道、单河道、点坝及侧积体等各构型单元并建立地质模型; 马世忠等(2008)通过构建野外露头及现代沉积观测知识库, 总结了大庆长垣葡Ⅰ 组内多种河型砂体(曲流型、顺直型、水下分流河道)的构型特征。

通过国内外学者的长期研究, 河流沉积学领域逐渐形成若干专业分支并在其中一些研究领域不断发展和完善(Leopold and Wolman, 1957; Schumm, 1963; Cavaroc and Ferm, 1968; Smith, 1970, 1971; 赵翰卿等, 1995, 2000; 贾爱林等, 2000), 如描述性河流地形学、定量河流古地形地貌学、沉积搬运速率与河流砂体建筑结构的关系、河床底形及古水流研究、古水动力学等。

1.3 海上油田开发生产中的应用及存在问题

与陆上油田常用的规则井网、整体开发的方式相比, 海上油田开发受平台规模(井槽数量一般少于40个)及寿命(20~30 a)限制, 一般采用大井距、不规则井网、少井高产的高效开发方式。这要求必须在相对较短的时间内、充分利用有限资料尽可能认清地下地质情况。因此, 以海上稀疏井点资料条件, 如果用传统的储层构型研究方法来开展海上储集层研究, 将给油田高效开发和提高采收率带来一系列问题。

现代河流沉积显示(图1), 单一曲流带或辫流带(六级构型)横向规模300~500 m(王海峰等, 2017; 肖大坤等, 2018), 单一点坝砂体及内部侧积体(七级以下)平面延展规模一般小于150 m, 而海上油田开发井距多大于350 m, 井控程度基本满足六级构型单元, 但难以达到七级以下的研究需求, 也就难以满足海上水驱开发方式下的井网完善研究需求。

图1 内蒙古海拉尔河单一曲流带(a)与北京潮白河复合点坝(b)探地雷达研究Fig.1 GPR study on single meander belt of Hailar River in Inner Mongolia(a)and compound point bar of Chaobai River in Beijing(b)

除了井点资料之外, 地震资料在海上油田的开发过程中, 对于认知地下储集层起到关键作用。海上地震采集受地表因素影响较小, 地震资料品质普遍好于陆上, 可以极大地弥补井点资料不足的缺陷。因此, 海上油田含油气储集层精细表征的关键在于如何做好“ 井、震” 结合、最大程度发挥地震分辨率优势, 把海上油田经济开发尺度与地震可分辨尺度有机结合在一起。

对于河流相砂体来说, 由于六级以下构型界面尺度普遍小于地震资料分辨率, 井震结合、以震为主的构型研究将存在如下2个难题: 一是厘定地震资料最小分辨尺度对应的储层构型单元级别, 二是解决在地震资料分辨率之内开展砂体单元细分及界面解释的穿时问题(胡光义等, 2018a, 2018b)。因此, 笔者认为, 基于这样的资料基础及研究手段, 直接以“ 单一” 构型单元(如单点坝、单河道)为表征目标, 将难以应对上述2个问题, 在研究过程中容易导致严重的多解性, 而对“ 复合” 构型单元如复合河道、复合点坝开展表征, 不仅更符合构型界面划分的级次对应性, 也有利于降低表征的多解性及不确定性。

2 “ 复合砂体构型” 的提出

河流相砂体的“ 复合性” 是自然界普遍存在的规律(胡光义等, 2018a), 相对于单一构型单元, 研究“ 复合性” 符合理论条件, 而且更具备实际意义。

例如, 曲流河沉积过程中, 单个完整的点坝体基本只会发育在在沉积末期, 之前形成的点坝在水动力不断迁移改造下, 往往遭受不同程度的破坏。因此, 经历埋藏成岩后的点坝, 多以残缺体的形式与其他构型残缺单元镶嵌在一起, 残缺体的空间几何形态往往十分复杂(肖大坤等, 2018)。

通过现代沉积、野外露头的观测推导建立点坝沉积厚度的经验公式(Fish, 1944, 1947; Leopold and Wolman, 1960), 依据单点坝厚度与河道宽度的关系计算点坝的厚度一般为5 m左右。然而, 对海拉尔、潮白河现代沉积点坝进行探地雷达观测结果(图2)表明, 单一点坝的厚度仅为1~2 m, 并且很少孤立出现, 而是常常多个点坝彼此切叠、拼接成一个大型的点坝复合体, 厚度可达5 m以上。其他各级次的构型单元也呈现同样的规律, 受其启发, 笔者开始着手砂体“ 复合性” 的研究。

图2 北京潮白河复合点坝探地雷达剖面响应特征Fig.2 GPR section interpretation in compound point bar of Chaobai River in Beijing

2011年, 中国石油地质专业委员会召开油气藏开发地质学组年会, 笔者做了“ 渤海明下段储层叠合样式及其地震响应特征” 主题报告, 经与参会学者讨论, 确定了“ 复合砂体构型” 命名, 自此复合砂体构型的概念逐渐浮出水面。

2012年, 第五次中国沉积学大会, 笔者做了“ 渤海海域S油田新近系明化镇组河流相复合砂体叠置样式分析” 主题发言, 进一步对复合砂体叠合样式、成因分类法以及基于A/S比的形成机制做了详细的阐述和解剖。

2014年至2016年, 在第三、第四届中国油气藏开发地质大会上, 笔者分别做了题为“ 从储层构型到构型相” 和“ 海上油藏地质学进展和动态— — 现代河流探地雷达点坝构型解剖” 的主题报告, 对河流相复合砂体构型的尺度、分类、成因机制、生产应用以及表征方法进行系统阐述。至此, “ 复合砂体构型” 的概念、理论和实践等一系列成果基本成型, 逐渐引起了业界和学界的广泛关注。

经过前后近10年的发展, 依托“ 十一五” 、“ 十二五” 国家科技重大专项开展的一系列专项攻关, 笔者团队结合海上油田开发地质经验, 逐渐形成了以“ 复合” 为核心的河流相储层构型研究新思路, 总结了一套具有海上油田特色的开发地质研究新理论、新方法— — 海上河流相复合砂体构型理论及其表征方法。

3 海上油田河流相复合砂体构型理论与表征方法
3.1 理论要点

3.1.1 复合砂体构型的定义

复合砂体是指一套具备成因联系的不同级次、不同微相、多期单砂体的组合体(胡光义, 2016; 胡光义等, 2018b)。海上油田开发中的复合砂体, 往往是低于地震资料分辨率、但通过地震解释性处理可以进行识别的砂岩复合体。

复合砂体构型, 是指复合砂体内各级次单砂体及其组合在空间上的沉积样式和叠置关系的总称(胡光义等, 2018a, 2018b), 包括构型界面、构型单元、构型样式等要素。复合砂体构型研究需注意以下3点。

1)级次性。河流相复合砂体内包含多个级次的成因单元, 自高级次向低级次依次包括复合河道带(或复合曲流带)、单一河道带(或单一曲流带)、复合点坝体、单一点坝体等各级次的砂体。各级次之间的成因耦合关系为: 在单一河谷内自发育到消亡的整个过程中, 由于水道迁移摆动而形成的全部砂体的总和构成复合河道带级砂体; 与河谷多级阶地的形成演化过程相匹配, 单一河道带砂体为在单级阶地底形上阶段性活动发育形成的条带状砂体; 在单一河道带内部, 每一次水道的摆动都会形成点坝, 点坝体不断重复着“ 沉积、被侵蚀、再沉积” 的过程, 最终少量末期发育的点坝完整地保存下来, 而大多数点坝以残存体的形式彼此复合形成复合点坝体。

2)穿时性。一套复合砂体内包含多个单期砂体, 砂体间的等时界面标志往往并不清晰。原因是:一方面在原始沉积过程中, 不同期次河道迁移、彼此切叠复合; 另一方面当沉积砂体经历埋藏成岩改造后, 由于砂体内的泥质部分比砂质部分压实损失率大, 改造后的砂体形态与原始沉积的状态存在较大的差异。因此, 尽管复合砂体的顶底包络面能构成连续、稳定的岩性突变界面, 可产生稳定的地震反射, 但本身并不具备等时性。复合砂体内部的各期次成因单元之间形成的等时界面也会受到同样的影响, 因此, 所形成的地震反射同相轴多是穿时的(图3), 这对于利用地震资料开展构型研究尤其需要注意。

图3 复合砂体地震正演模型(35 Hz雷克子波)及层位穿时性特征
a— 复合砂体(黄色)原型剖面及内部不同期次的等时界面(红色虚线); b— 复合砂体地震正演剖面及等时界面解释结果(红色虚线)Fig.3 Compound sand-body seismic forward model(35 Hz Ricker wavelet)and diachronism of horizon

3)隐蔽性。相比于地震资料分辨率, 复合砂体及其内部各级构型单元的空间尺度是影响地震预测效果的关键。以渤海新近系明化镇组河流相含油气砂体为例(表1), 复合砂体埋藏深度小于1500 m, 平均厚度约5 m, 复合砂体内六级以下构型单元厚度普遍小于3 m。然而, 地震资料主频约40~50 Hz、理论分辨厚度最小仅10 m, 因此, 复合砂体内部各级构型单元都“ 隐蔽” 在地震数据的可分辨最小尺度以内(张显文等, 2018), 如何在地震数据识别域内有效挖掘复合砂体构型信息是关键。

表1 渤海新近系典型油田地震资料分辨率与砂厚数据 Table1 Bohai Bay typical oilfield seismic data resolution and sand thickness

3.1.2 复合砂体构型级次特征

基于复合砂体构型理论, 综合成因联系、砂体几何形态、叠置关系特征及其持续时间、厚度规模特征, 建立了级次划分方案, 共包括10个级别(表2)(胡光义等, 2018a)。

表2 曲流河复合砂体构型基本特征及对应的时间规模 Table2 Basic characteristics of meandering river compound sand-body and corresponding time scale

与前人对河流相砂体的构型级次划分与认识相比(吴胜和等, 2013), 该方案主要的差异在于对7级构型单元的界定和划分。

前人将7级构型单元定义为单一曲流带或单一辫流带沉积体, 指在同一级河谷阶地上短时期河道迁移摆动形成发育的河流沉积, 是自旋回沉积的最大尺度构型界面, 对应Miall(1988)划分的5级构型界面。单一曲流带或辫流带纵向上与点坝沉积厚度相当, 平面上展布范围常常占河谷宽度的1/3至2/3, 从地表特征看, 分布范围内水动力强、地形高差小、植被一般比较茂盛。然而, 基于上述考虑划分的7级构型单元, 而且当河流沉积经历埋藏成岩后, 河谷边界、地形高程差异及植被情况等标识特征均会被改造破坏难以恢复, 因此, 这样划分7级构型单元往往具备理论意义, 难以进行实际应用。

本次将7级构型单元定义为复合点坝, 指由于多期河道彼此切割叠置形成的点坝复合体, 其中, 各期河道可能属于不同的单一曲流带或辫流带沉积, 因此, 这样定义的复合点坝具备一定的穿时性特征。复合点坝厚度与单一点坝厚度相当, 平面展布规模可达几千米。复合点坝内部由多个单一点坝的残留体组合而成, 侧向边界多为以细粒沉积为主的废弃河道沉积或泛滥平原沉积, 多形成条带状的岩性突变边界, 这样的侧向边界经埋藏成岩后, 可构成潜在的油藏阻渗条带。尽管利用井点资料难以对该级次及其以下级次的构型单元进行对比, 但可以发挥地震资料的横向分辨率优势进行识别。

3.1.3 复合砂体构型样式

复合砂体的构型样式包括孤立型、侧叠型、堆叠型3种主要样式(陈飞等, 2015a, 2015b), 在河流沉积演化过程中, 受控于可容空间(A)及沉积物供给速率(S)的相对变化, 又会呈现出紧密接触侧叠型、疏散接触侧叠型、离散接触侧叠型、下切侵蚀河道孤立型、决口扇孤立型、孤立河道等7种过渡类型的构型样式, 各类样式的形成及演化规律如下(图4)。

图4 河流相复合砂体构型要素控制因素分析图Fig.4 Diagram illustrating controlling factors on fluvial compound sand-body architecture

A/S< 1的情况出现在河谷早期, 由于河流水动力作用强, 不断拓宽河谷的横向边界形成多级沉积阶地。由于河道侧向迁移摆动频繁, 短期沉积间歇形成的泥质沉积难以稳定发育, 不同期次的河道砂体彼此切割叠置在一起, 形成堆叠型砂体。

A/S> 1的情况出现在河谷发育的晚期, 在这一阶段, 河谷地形基本趋于准平原化, 河流水动力作用弱, 对早期底形的下切侵蚀作用减弱, 转而通过逐渐增加河道弯曲程度来延长水流路径长度, 导致各期河道迁移摆动的范围基本被限制在局限的范围内, 形成一个个孤立型砂体。当河道再次具备一定的下切侵蚀能力时, 可以发育少量的下切侵蚀型的孤立砂体, 进入河谷发育晚期至末期阶段, 河流呈现高弯度、大宽/深比的特征, 河道规模进一步变小, 并伴随决口扇的发育, 形成孤立河道及决口扇型孤立砂体。

A/S≈ 1的情况一般出现在河谷发育的中期阶段。在该阶段, 河流保持较强的水动力特征。与此同时, 受河谷内阶地地貌特征的影响, 河道彼此之间呈现侧向叠置或侧向接触的构型样式, 形成侧叠型砂体。当湖平面较低、位于同级阶地地形上, 多发育高程差小、侧向切叠严重的紧密接触型复合砂体, 砂体内连通性较好, 随着湖平面逐渐上升, 可容空间进一步增大, 不同级次阶地地形上发育的砂体之间, 呈现疏散接触至离散接触型样式特征, 所形成的复合砂体内连通性变差。

3.2 表征方法

河流相复合砂体构型表征核心在于低于地震资料分辨率的构型界面表征, 具体方法为通过井震联合, 建立不同类型的复合砂体构型样式与地震信息之间的关联, 包括原型建模技术、地震预测技术和综合表征技术。

3.2.1 基于探地雷达的三维原型建模技术

原型建模是构建沉积模式的重要手段(贾爱林等, 2000; 张春生, 2003; 李少华和张昌民, 2004; 吴胜和和李宇鹏, 2007; 贾爱林和程立华, 2010; 王俊辉和姜在兴, 2013), 常规原型建模方法以搭建二维对比剖面为主, 开展建模的基础资料主要包括野外露头、现代沉积物探测、水槽实验数据及密井网资料。基于地质雷达资料, 可以发挥多方位覆盖的优势, 建立三维原型模型。

技术步骤包括: 首先, 综合地质探槽、垂直钻孔及露头剖面资料, 开展构型标志分析(颜色、产状及岩性组合等), 总结建立构型界面与雷达剖面的标定关系; 然后, 通过卫星图像或无人机航拍图像分析、河床地形测量等, 描述废弃河道之间的切割关系、点坝之间的组合关系, 为探地雷达三维解释提供指导; 最后, 分析雷达剖面的同相轴振幅、频率、连续性特征, 总结雷达反射结构及外部形态, 结合探槽标定结果, 砂体结构界面三维闭合, 恢复结构单元纵向沉积演化过程, 并利用现今河道形态验证解释结果, 建立砂体结构三维原型地质模型(图5)。

图5 内蒙古海拉尔曲流河现代沉积基于探地雷达的三维原型模型Fig.5 3D prototype architecture model built based on GPR of modern Hailar meandering river deposits in Inner Mongolia

3.2.2 基于地质信息约束的“ 地震构型相” 研究

地震平面属性技术是体现地震资料横向优势的重要地震预测技术。针对河流相复合砂体厚度低于地震纵向分辨能力的情况, 利用平面地震属性开展复合砂体构型研究的难点在于将三维构型的空间信息体现在二维平面上, 并且对不同的构型样式呈现出差异化的预测结果。

将每一种构型样式及其对应的地震属性响应概括为“ 地震构型相” (胡光义等, 2017), 通过正演模拟、井震联合, 总结建立各类地震构型相的正演响应图版(图6), 筛选组建各类复合砂体构型样式的敏感地震属性集合(范廷恩等, 2018; 井涌泉等, 2018; 张显文等, 2018)。这样, 针对不同的构型样式, 可通过地震多属性分析实现高精度的概念模式预测。

图6 复合砂体不同类型地震构型相图Fig.6 Types of seismic architecture facies for compound sand-body

正演模拟显示, 孤立型砂体的地震构型相特征为小于分辨率的单层薄层响应特征, 砂体顶底反射彼此干涉导致厚度的预测大于实际砂体厚度, 在地震多属性蛛网图上表现为平均振幅高、能量类及频率类属性中等、弧长属性低的特征。

侧叠型砂体的地震构型相特征可以概念化为双层薄层响应特征, 两期砂体的综合响应呈现单一峰谷特征, 多属性蛛网图显示出均方根振幅及振幅变化率高、能量类属性中等、频率类属性较低。

堆叠型砂体虽然整体厚度接近、甚至大于地震资料分辨率, 但是由于内部泥质夹层发育, 导致地震反射同相轴的复波特征明显, 蛛网图中表现为振幅类属性(均方根振幅、平均振幅、振幅变化率等)中高响应、频率类及能量类属性偏低。

3.2.3 地震驱动确定性地质建模技术

地质模型是复合砂体构型研究的成果最终体现。利用上述地震构型相分析方法可以实现对复合砂体各类构型样式的平面表征, 进一步采用地震数据驱动的确定性方法, 可进行“ 一步法” 建模。

地震驱动确定性建模方法原理在于, 地震信息的变化是一个空间变化关系的数据载体, 这个关系可以是相关、振幅谱等地震本身的信息, 它反映了地质体在空间上的变化。在已知地震数据的前提下, 可以通过分析它的空间变化特征, 从而反推出地质储集层的空间变化规律。通过将反映井点构型样式的测井特征重构曲线与地震井旁道数据进行标定, 定量分析二者的关系, 构建地层空变转换函数, 利用地震数据空间的变化反映构型相的变化, 从而将地震数据直接转化为复合砂体构型分布的地质模型(李绪宣等, 2011)。

与传统地质统计学建模方法相比, “ 一步法” 建模突破了依赖井点硬数据信息以及基于变差函数空间随机插值的不确定性, 将复合砂体构型与地震属性建立起了一一对应关系。通过这样“ 移花接木” 的方法, 构型表征不再受制于地震“ 带宽” 的约束, 直接“ 反演” 出地质模型, 并赋予地震属性以沉积学意义, 更有利于表征砂体内的非均质性。

3.3 理论技术应用优势

复合砂体构型理论及表征方法应用具有明显的阶段性, 主要应用于海上油田开发中后期调整阶段或陆上油田开发中前期及油藏评价阶段, 对于指导井距大、井控程度低或井网不规则开发区块进行纵向层系细分、平面加密及优化注采方案具有优势。

3.3.1 经济尺度下的最小开发单元细分

海上油田开发以储量单元为基础, 储量单元纵向划分一般介于小层至砂层组范围, 横向上多以断块边界或砂体尖灭为界。然而, 为了在海上平台开发寿命内实现高效开发(陈伟等, 2013), 往往在开发初期采用合层开发的方式, 纵向最小开发单元多为砂层组甚至油层组, 内部往往包括多个单层。当油田步入中后期阶段, 一般采用层系细分、井网加密或单层水平井开发的方式来挖潜剩余油, 因此, 需要针对砂层组级最小开发单元开展纵向及横向的细分。

根据河流相复合砂体构型级次与含油气地层单元的对应关系, 完成最小开发单元的纵向细分目标, 本质上在于将叠置的多期复合河道沉积细分为单一河道带, 也就是在5级界面的基础上进一步划分6级界面。结合现代河流沉积揭示的6级构型界面与河谷阶地之间的对应关系, 利用海上已开发油田的井点资料开展6级构型界面划分, 应基于以古河流阶地恢复为核心的复合砂体等高程对比研究(图7), 并通过地震属性切片进行辅助验证。

图7 渤海Q油田基于阶地恢复的复合砂体等高程对比Fig.7 Compound sand-body isoelevation correlation based on terrace recovery of Bohai Bay Oilfield Q

海上油田开发中后期挖潜剩余油、提高采收率主要通过完善开发井网来提高井控程度, 进而提高储量动用程度。最小开发单元的横向细分需基于动静态一致的、用以划分独立注采井组的构型单元, 因此, 有效检测井间侧向渗流屏障是横向划分的核心。根据复合砂体构型理论, 结合潮白河现代沉积揭示的点坝构型特征可以得出, 单一点坝以废弃河道沉积为边界, 多个单点坝组合而成的点坝复合体也基本以连续发育的废弃河道沉积为主要的分隔界线, 由于废弃河道的阻渗作用, 导致不同的点坝复合体在平面上会形成一个个相对独立的开发单元, 识别这些独立的单元才能针对性地完善注采井网、改善注采效果。

3.3.2 油藏内不连续渗流屏障预测

根据“ 地震构型相” 方法, 针对以废弃河道为主要侧向阻渗界线的复合点坝, 由于界线规模尺度、构型单元叠置样式存在差异, 可利用不同类型敏感地震属性开展界线检测, 厘定复合点坝包络形态及内部结构。

以渤海Q油田典型开发单元为例(图8), 通过地震正演定量模拟分析认为, 振幅属性和频率属性组合应用有助于识别复合点坝边界以及内部夹层发育情况。复合点坝内多期点坝切叠的砂体部位(厚度大于8 m, 夹层小于3 m)表现为强振幅、中低频特征, 复合点坝内切叠不严重的砂体部位(厚度5~8 m, 夹层小于3 m)表现为中强振幅、中高频特征, 复合点坝砂体边部(中厚, 5~8 m, 夹层大于3 m)表现为中强振幅、中低频特征, 复合点坝间废弃河道沉积部位(厚度小于3 m, 夹层大于3 m)表现为弱振幅、中低频特征。

图8 渤海Q油田典型单元均方根振幅属性(a)及复合点坝解释结果(b)Fig.8 Compound point bar characterization in typical unit of Bohai Bay Oilfield Q

提取均方根振幅属性显示(图8-a), 由于古河流迁移改道形成的复合点坝包络外形呈大型斑块状特征。复合点坝的边界处(如A5、B5、B12井附近), 井点钻遇砂岩厚度普遍小于3 m且呈现“ 泥包砂” 或砂泥互层特征, 地震属性表现出明显的弱振幅、中低频特征, 复合点坝内部由于单点坝残存体组合复杂, 表现出极强的不均一特征, 相对完整的单点坝残存体具有似半月状外形特征(图8-b)。

4 新理论、新方法在海上油田开发中的应用
4.1 关键构型级次

对于河流相复合砂体, 影响海上油田开发生产的主要是五、六、七构型级次, 也是复合砂体构型研究的难点和重点。

从沉积动力学的角度分析这几个级次构型单元的成因, 在河流沉积体系演化过程中, 不同级次的构型单元的成因受控因素存在差异, 但整体表现为一定的演化规律: 高级次构型单元主要受异旋回因素(基准面变化、构造升降等)影响, 低级次构型单元则主要受自旋回因素影响, 前者影响的结果主要体现为不同级次构型单元的纵向叠加, 后者影响的结果则体现在不同构型单元之间在横向上彼此拼接组合(肖大坤等, 2018)。这2类因素作用发生转换的时期基本为五级、六级界面形成的阶段, 因此, 对应的构型单元基本为2种作用共同影响的结果, 成因最复杂、结构最多样。

基于这样的沉积演化规律, 解剖构型单元之间不同的空间组合关系, 需要采用不同的表征方法。在油田开发区块规模(几千米至十几千米)的研究范围内, 对于六级界面以上的高级次构型单元, 构型解剖着力解决纵向沉积期次划分和单元细分问题, 主要依靠井点资料, 同时辅助地震资料。对于六级界面之下的低级次构型单元, 构型解剖则主要通过描述侧向分布的渗流屏障来刻画单元之间的横向组合关系, 主要依靠地震资料, 同时辅助井点资料。也就是说, 随着表征级次和精度的递进, 资料应用和研究方法也发生着改变。

4.2 构型表征及“ 等效建模” 方法

目前, 低于地震资料分辨率的范围内开展复合砂体不同级次的构型单元描述, 依然存在精度有限和多解性问题, 然而, 复合砂体地质模型、数值模拟均需基于确定性的表征结果。针对河流相复合砂体五、六、七级构型的表征面临的建模、数模挑战, 开展等效表征是应对挑战的主要途径。

等效表征包括2层含义, 一为如何利用确定的模型属性近似反映模糊的地质概念; 二为如何以相对大尺度的网格等效表征小尺度地质信息(霍春亮等, 2016)。海拉尔曲流河复合点坝内的各单点坝横向尺度多在百米左右(表3), 末期废弃河道的宽度最大仅为十余米, 复合点坝之间以废弃河道沉积作为渗流屏障, 相比之下, 开展地质建模的横向网格多为50~100 m, 考虑数值模拟效率及收敛性问题, 一般难以通过进一步细化网格来表征更小尺度的构型单元。

表3 内蒙古海拉尔河点坝及侧积体产状及规模 Table3 Occurrence and parameters of point bar and lateral accretion body of Hailar River in Inner Mongolia

本质上来说, 上述2层含义均涉及到表征精度与粗化程度之间的平衡: (1)油藏数值模拟效率与地质建模网格尺度关系密切, 当油田进入开发中后期时, 精细建模后常常需要开展模型粗化而丧失部分储集层的非均质性信息, 所以, 利用大网格不可能详尽地表征小尺度地质信息; (2)用近似的具体手段表征相对模糊的地质特征, 受资料基础详实程度影响, 加之基础地质研究不够精细, 只能构建概念模式而无法量化。这就要求, 如何利用简单、便捷的网格系统等效地表征出小尺度且无法定量描述的概念模式, 是等效表征的关键技术环节。

基于这样的考虑, 为了探索等效表征方法, 笔者认为, 在油田开发中后期阶段, “ 等效模型” 意味着在预测开发指标、剩余油分布方面具有同等效果的地质模型。等效表征应遵循如下基本的技术步骤: 首先, 通过构建精细的、尽可能体现全部阻渗屏障地质要素的原型机理模型; 然后, 优选合适的等效建模方法及参数, 构建相对粗化的地质模型; 最后, 以数值模拟为主要的实验手段, 对粗、细2个模型同时开展数值模拟, 如果其在预测开发指标及剩余油分布方面具有同等效果, 则说明粗模型具有等效的效果, 而在这个过程中尝试并采用的方法手段即为等效表征方法。

4.3 应用实例

以渤海渤中地区A油田已开发单元为例, 在河流相大型复合点坝边界检测基础上, 利用曲率体属性进一步剖析了复合点坝内部砂体结构。

曲率属性是利用地层的弯曲程度进行构造解释和储集层分析的新方法, 由于对各种复杂断层、裂缝、河道及构造弯曲的刻画能力比相干属性更优越, 近年来得到广泛关注(Satinder and Kurt, 2007; 刘金连和张建宁, 2010; 孔选林等, 2011)。曲率属性具有明确的地质含义, 当地层为水平层和斜平层时, 曲率为零, 相应的矢量互相平行; 当地层为背斜或隆起时, 这些矢量是发散的, 定义曲率为正; 当地层为向斜时, 矢量是收敛的, 定义曲率为负。利用曲率体及相干体属性组合, 并结合振幅变化率或梯度属性可进一步提高不连续阻渗条带的识别精度, 用于检测复合点坝内部规模更小的不连续废弃河道沉积。

如图9所示, 目标砂体整体沉积形态呈南北向长轴展布特征, 整体为复合河道沉积体, 内部发育2~3个大型复合点坝, 复合点坝体内小型废弃河道表现出弱振幅响应(图9-a)以及不连续条带状曲率属性(图9-b)响应特征。基于不连续阻渗条带建立地质模型, 采用流线场精确描述井间连通情况和注水井注水方向(图9-c), 流线密度代表井间连通性及水驱效果。可以看出, 不连续阻渗条带控制了流线的分布, 条带相对不发育的区域, 流线密集, 水驱效果较好; 反之, 条带发育区域, 流线稀疏或者无流线, 会成为剩余油富集的有利区。

图9 渤中A油田典型单元点坝复合特征
a— 均方根振幅属性; b— 曲率属性; c— 复合砂体渗流屏障影响下的渗流流线分布Fig.9 Compound point bar characterization in typical unit of Bozhong Oilfield A

5 问题与展望
5.1 地震新资料、新方法的应用

复合砂体构型的提出与研究方法与地震资料的应用密不可分, 如何充分发挥地震资料的作用, 探索新地震资料及新技术方法的应用, 是进一步完善复合砂体构型研究的主要方面。

与地面地震资料相比, 井间地震资料由于能量传播距离短、接近探测目标以及可避开低速带, 因而具有很高的频率和信噪比, 呈现高精度、高分辨率的优势。井间地震解释技术主要被应用于油气田开发中的油藏精细研究和油气动态监测等方面, 可作为表征复合砂体、尤其是薄砂岩储集层内部结构的新方法。

以渤海莱北地区古近系储集层为例, 井间地震资料主频达280 Hz, 频宽400 Hz, 分辨率达到4 m(图10), 为井间薄砂岩储集层构型表征提供了良好的资料基础。

图10 渤海莱北地区井间地震剖面与地面地震的对比Fig.10 Comparison between cross-well seismic and surface seismic section in Bohai Bay Laibei Area

5.2 理论层面的局限性

尽管理论体系已经相对完善, 但笔者认为, 这一套基于河流相、浅水三角洲相储集层形成的复合砂体构型理论, 依然存在局限性。一方面, 通过现代沉积观察难以获得五、六、七级构型界面的直接证据, 一旦河谷趋于准平原化、沉积砂体埋藏成岩, 阶地地貌也随之消失, 因此, 采用“ 阶地” 地形模式来解释复合河道带、单河道带及复合点坝等级次的沉积成因联系, 仍需要开展大量沉积实验模拟研究。另一方面, 辫状河、曲流河均为河流相沉积演化过程中必然经历的河型, 然而, 该理论以A/S为作为控制因素, 在一定程度上模糊化了辫状河与曲流河的区分界限, 更有利于阐释河谷内不同阶段下的砂体结构样式, 但不同河型复合砂体内隔夹层发育规律并不同, 连通程度存在差异, 因此, 需要在理论层面进一步予以深化和完善。

5.3 构型单元细分对地质建模、数值模拟带来挑战

复合砂体构型理论及表征方法主要用于解决以大井距、稀井网为特点的海上油气田开发问题, 综合运用多学科技术手段解决已开发油田的动静态矛盾, 这是应用的主要目的。

然而, 当复合砂体构型细分至低级序的单元(七级以下)时, 现有的地质模型框架及网格体系很难实现有效的表征。首先, 低级序构型界面在空间上往往是局部发育且彼此交错穿插在一起, 而基于纵向网格劈分的构造模型框架, 并不能充分表达这样复杂的等时性。再者, 低级序构型单元厚度一般小于2 m, 平面展布多在百米左右, 而已开发油田中后期的常用网格体系多为25 m× 25 m× 1 m, 1个构型单元仅对应几个网格, 容易导致构型边界的表征将产生明显的“ 齿化” 特征。第三, 构型界面两侧的储集层物性往往差异较大, 对于数值模拟收敛性也是较大的挑战。

5.4 地震解释的人工智能化探索

目前, 针对复合砂体开展地震解释主要采用人机交互的方式, 但以“ 云计算” 为核心的大数据分析方法, 使地震资料的自动化、智能化解释逐渐成为可能。

“ 地震构型相” 作为每一种复合砂体构型样式及其地震属性响应的总和, 其实反映了复合砂体的厚度、物性、韵律及构型特征等一系列的内部特征, 其中任何一项特征的改变都会导致“ 地震构型相” 的差异。因此, 如果将复合砂体的构型样式进行系统详尽的分类, 通过制作反映典型构型样式的敏感地震属性集, 便可视为利用地震资料识别复合砂体构型特征的“ 指纹图谱” 。针对一套复合砂体, 通过提取其各种敏感地震属性“ 指纹” , 然后与标准的“ 指纹图谱” 知识库进行相似性智能比对, 便可确定复合砂体内部的构型特征。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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