成因與演化信息約束的辮狀河儲(chǔ)層地質(zhì)建模
——以委內(nèi)瑞拉奧里諾科重油帶M 區(qū)塊為例

陳仕臻 林承焰 任麗華 張憲國(guó) 黃文松

（①中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島266580；②山東省油藏地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266580；③中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100083）

0 引言

辮狀河砂體分布廣泛，是一種重要的碎屑巖儲(chǔ)層類型。眾多學(xué)者針對(duì)辮狀河開(kāi)展研究，如：分析現(xiàn)代沉積和野外露頭，建立研究區(qū)辮狀河特征資料庫(kù)［1-4］；總結(jié)辮狀河發(fā)育模式，刻畫辮狀河平面和剖面形態(tài)［5-7］；利用水槽模擬和數(shù)值模擬方法探討辮狀河水動(dòng)力條件變化及響應(yīng)特征［8-9］；研究?jī)?chǔ)層隔夾層成因及分布，落實(shí)其對(duì)滲流和油氣開(kāi)采的影響［10-11］。

以上述研究作為基礎(chǔ)，李海燕等［11］運(yùn)用平面相控方法建立辮狀河三維地質(zhì)模型，分析儲(chǔ)集層內(nèi)部的非滲透層發(fā)育規(guī)律，預(yù)測(cè)夾層的分布。但是，由于辮狀河為游蕩性河流，河道遷移、擺動(dòng)頻繁，儲(chǔ)層內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜［12-13］。因此，在縱向上僅有一套地層單元的平面相并不能完全反映一段時(shí)期內(nèi)各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的沉積特征。傳統(tǒng)的平面相控建模方法缺乏來(lái)自成因與演化方面的約束信息，難以滿足開(kāi)發(fā)階段油藏地質(zhì)模型的預(yù)測(cè)精度要求。

本文以委內(nèi)瑞拉奧里諾科重油帶M 區(qū)塊為例，針對(duì)辮狀河儲(chǔ)層具有非均質(zhì)性強(qiáng)、沉積變化快的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究辮狀河儲(chǔ)層成因與演化過(guò)程，并將這些沉積信息作為建模的約束條件，以期降低建模過(guò)程中的不確定性。

1 研究區(qū)概況

奧里諾科重油帶位于東委內(nèi)瑞拉盆地南緣、奧里諾科河以北，為一向北傾斜的區(qū)域性單斜構(gòu)造，是全球地質(zhì)儲(chǔ)量最大、開(kāi)發(fā)程度低的重油富集區(qū)［14-15］。

奧里諾科重油帶自東向西共劃分為Carabobo、Ayacucho、Junin和Boyaca等四個(gè)油區(qū)。M 區(qū)塊位于Carabobo油區(qū)西部，面積達(dá)115km2（圖1）。主要含油層為下中新統(tǒng)Oficina組（圖2），發(fā)育辮狀河三角洲沉積體系。其中主力儲(chǔ)層Morichal段為順南西—北東向分布的砂質(zhì)辮狀河沉積，由多期河道擺動(dòng)、疊加而成，砂體在橫向上呈連片狀分布，在縱向上疊置。儲(chǔ)層物性好，屬于高孔、特高滲類型，平均孔隙度為30.2%，平均滲透率為5000mD。區(qū)塊內(nèi)發(fā)育少量規(guī)模較小的正斷層，對(duì)油藏基本無(wú)影響。

圖1 M 區(qū)塊位置

圖2 Morichal段沉積特征（據(jù)Q-2-0井）

M 區(qū)塊共有水平井372 口，采用叢式平行布井，水平段呈東西方向，平均長(zhǎng)度為1000m，水平井平面間隔為300～600m。全區(qū)直井僅27口。區(qū)內(nèi)地震資料品質(zhì)較高，儲(chǔ)層段地震頻率為15～120Hz，主頻為60Hz左右。眾多鉆井及高品質(zhì)地震資料為研究提供了良好的資料基礎(chǔ)。

M 區(qū)塊目前處于泡沫油冷采階段，仍有大量可動(dòng)剩余油。Morichal段砂體雖然物性整體較好，但是局部發(fā)育的泥質(zhì)夾層導(dǎo)致儲(chǔ)層內(nèi)部非均質(zhì)性變強(qiáng)，制約了后續(xù)的開(kāi)發(fā)方案實(shí)施。因此，開(kāi)展儲(chǔ)層成因和演化過(guò)程分析，構(gòu)建反映地下實(shí)際情況的三維地質(zhì)模型，可更好地指導(dǎo)剩余油開(kāi)采。

2 主要成因單元識(shí)別

Oficina組發(fā)育辮狀河三角洲平原和前緣亞相，其中Morichal段下部為主要儲(chǔ)層，發(fā)育大套連片分布的砂質(zhì)辮狀河沉積，具有“滿盆皆砂”和“砂包泥”的特點(diǎn)，沉積期次多，疊置關(guān)系和砂體連通樣式復(fù)雜。為了研究砂體發(fā)育期次，刻畫砂體的疊置樣式，首先從靜態(tài)角度開(kāi)展巖相分析，根據(jù)巖心、測(cè)井、地震響應(yīng)等特征，識(shí)別、確定主要成因單元特征。

2.1 巖相分析

Morichal段下部可劃分出O11、O12s、O12i和O13等四個(gè)含油層。根據(jù)區(qū)內(nèi)Q-2-0井、W-1-0井2口井巖心（圖3）的顏色、粒度、沉積構(gòu)造、含油性等特征［15］，可劃分出10種巖相類型（表1）。

2.2 主要成因單元特征

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)背景和研究區(qū)實(shí)際資料，從靜態(tài)角度分析辮狀河儲(chǔ)層的巖心、測(cè)井、地震響應(yīng)等特征，識(shí)別出4種主要成因單元類型（表2）。

2.2.1 復(fù)合心灘壩

復(fù)合心灘壩是砂質(zhì)辮狀河中最主要的成因單元，也是儲(chǔ)層物性最好的部分。心灘壩往往巖性較粗，以中細(xì)砂巖為主，厚度大，垂向上一般以復(fù)合切割、疊置的方式出現(xiàn)，最大疊加厚度可達(dá)30m。主要發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理、塊狀層理、平行層理等沉積構(gòu)造，巖相組合以St、Smm、Smf為主。由于后期心灘壩往往對(duì)前期沉積進(jìn)行改造，復(fù)合而成的心灘壩一般韻律不明顯。

圖3 取心井巖心照片（左為自然光，右為紫外線）

表1 Morichal段下部巖相類型

表2 Morichal段下部辮狀河成因單元響應(yīng)特征

心灘壩自然伽馬曲線形態(tài)為典型箱形，部分井表現(xiàn)為微齒化箱形或鐘形，頂?shù)壮尸F(xiàn)突變接觸。密度為低值，電阻率為高值。含油飽和度高。

心灘壩為串珠狀強(qiáng)振幅的地震反射特征，頻率高，連續(xù)性較好，地震反射外形多為丘狀或板狀。

2.2.2 辮狀河道

辮狀河道沉積單元在剖面上一般與復(fù)合心灘壩交錯(cuò)、疊置，沉積物粒度較復(fù)合心灘壩更細(xì)，以細(xì)砂巖和粉砂巖為主。巖相組合以St、Smm、Smc、Smf、Smvf為主。河道底部偶爾存在滯留泥礫，反映出河道內(nèi)部復(fù)雜的沖刷、充填作用。發(fā)育有槽狀交錯(cuò)層理等指示高能水動(dòng)力環(huán)境成因的沉積構(gòu)造，代表靠近物源區(qū)、沉積物供應(yīng)充足、水流能量強(qiáng)的沉積環(huán)境。

自然伽馬曲線表現(xiàn)為正粒序的鐘形和箱形，中子和密度為低值，電阻率呈中到高值。具有較高的含油飽和度。

地震剖面上可見(jiàn)頂平底凸的下切侵蝕特點(diǎn)，內(nèi)部反射雜亂，說(shuō)明其以沖刷、充填成因?yàn)橹鳌?/p>

2.2.3 廢棄河道

廢棄河道是水動(dòng)力較弱時(shí)期，沉積于原辮狀水道負(fù)向地形中的偏泥質(zhì)沉積單元，往往發(fā)育于兩期小規(guī)模辮狀沉積的間歇期。按照河道的廢棄程度，可分為半廢棄和完全廢棄兩種狀態(tài)。前者沉積過(guò)程中受新的水流擾動(dòng)，可夾雜部分細(xì)粒砂質(zhì)碎屑沉積物，后者水流平緩，一般存在于辮狀河道帶的邊部。巖相組合包括Slw、Ml、Mh等。

自然伽馬曲線表現(xiàn)為低幅度微齒化，聲波、中子、密度呈高值，電阻率呈低值。含油飽和度低。廢棄河道可通過(guò)水平井進(jìn)行識(shí)別，其寬度不超過(guò)辮狀河道的最大寬度，在儲(chǔ)層中作為夾層存在。由于這類泥質(zhì)夾層對(duì)水平井冷采產(chǎn)量影響很大，鉆井過(guò)程中需要盡量予以規(guī)避。但是，若水平井位于這類夾層的下部，會(huì)對(duì)原始的重力泄油路徑產(chǎn)生遮擋，夾層上部在開(kāi)采后期富集剩余油，可作為后續(xù)局部挖潛的潛力區(qū)。

地震剖面上亦可見(jiàn)頂平底凸的特點(diǎn)，但是其內(nèi)部反射振幅值較弱，代表水動(dòng)力相對(duì)較弱的河道充填特點(diǎn)。

2.2.4 殘余洪泛泥巖

洪泛泥巖沉積代表洪水泛濫后，水動(dòng)力能量微弱且相對(duì)安靜的沉積環(huán)境，但經(jīng)常受到后期沉積的改造，保存并不完整。厚度大、分布范圍穩(wěn)定的部分作為區(qū)域隔層存在，厚度小、分布局限的部分可作為局部井組的隔層，稱之為殘余洪泛泥巖沉積。巖性以泥巖為主，夾薄層細(xì)粒粉砂巖條帶，可見(jiàn)鈣質(zhì)結(jié)核。巖相組合包括Swf、Ml、Mh等。發(fā)育水平層理、沙紋層理，為洪水季節(jié)河床泛濫漫溢沉積所形成。

自然伽馬曲線表現(xiàn)為微齒化、低幅度，頂?shù)淄ǔ闈u變接觸。中子、聲波、密度值較高，電阻率曲線為低幅平直狀。含油飽和度低。

地震響應(yīng)特征表現(xiàn)為中強(qiáng)振幅，連續(xù)性較好，呈現(xiàn)平行、亞平行的反射結(jié)構(gòu)。

3 成因與演化信息約束的儲(chǔ)層地質(zhì)建模

3.1 沉積模式建立

沉積模式中蘊(yùn)含的地質(zhì)信息需要能夠反映地下儲(chǔ)層的實(shí)際特征，體現(xiàn)沉積單元的組成及其空間分布情況。建立沉積模式是開(kāi)展地質(zhì)建模的前提條件。

鉆井和地震資料揭示，研究區(qū)辮狀河儲(chǔ)層基本以大套厚層砂質(zhì)沉積為主，分布范圍極廣，內(nèi)部夾雜著少量泥巖沉積物（圖4）。砂質(zhì)沉積部分主要由復(fù)合心灘壩和辮狀河道沉積構(gòu)成，二者在橫向上表現(xiàn)為拼接狀錯(cuò)落疊置。廢棄河道分布則較為局限，僅在個(gè)別井鉆遇。殘余洪泛泥巖沉積形成于區(qū)域基準(zhǔn)面快速上升階段，覆蓋于上述辮狀河沉積單元之上。據(jù)此，可建立如圖5所示的沉積模式。

3.2 成因演化分析及信息提取

3.2.1 成因演化分析

現(xiàn)有的儲(chǔ)層都是經(jīng)由多期沉積一步步塑造而成的，能夠保留下來(lái)的只有沉積后的最終狀態(tài)［16-18］。因此，在分析和建立沉積模式時(shí)，需要考慮沉積成因單元發(fā)育、演化過(guò)程，而這個(gè)演化過(guò)程一般并不直觀，需要根據(jù)沉積規(guī)律和約束條件加以恢復(fù)。

受控于基準(zhǔn)面位置的相對(duì)升降，研究區(qū)辮狀河儲(chǔ)層段共發(fā)育四套砂質(zhì)碎屑沉積（對(duì)應(yīng)于O11、O12s、O12i、O13層）和四期洪泛平原泥巖沉積（圖6）。由于后期砂質(zhì)碎屑沉積往往對(duì)前期上覆的洪泛泥巖進(jìn)行侵蝕改造，造成保存下來(lái)的殘余洪泛泥巖分布不均勻，局部存在上、下小層間的砂巖連通現(xiàn)象，增加了儲(chǔ)層內(nèi)部流體滲流的復(fù)雜程度。因此，在地質(zhì)建模過(guò)程中必須考慮這種差異侵蝕過(guò)程導(dǎo)致的儲(chǔ)層成因單元演化特征。

圖4 O11層儲(chǔ)層沉積特征

圖5 研究區(qū)砂質(zhì)辮狀河沉積模式

所有直井和水平井井點(diǎn)成因單元經(jīng)模型網(wǎng)格粗化后的統(tǒng)計(jì)（圖6）揭示：四個(gè)層的含砂比例基本在95%左右，其中O11層儲(chǔ)層內(nèi)部非滲透層較少，砂質(zhì)成因單元占比最高；四個(gè)層都在地層邊界部位出現(xiàn)較高比例的洪泛泥巖沉積，最大比例達(dá)到了50%；砂、泥巖性單元的分布明顯受到基準(zhǔn)面升降的控制。

3.2.2 信息提取與轉(zhuǎn)化

地震沉積學(xué)主要是利用地震資料開(kāi)展巖性和地貌研究［19-22］。由于地震資料具有較高的橫向分辨率，能夠彌補(bǔ)僅使用井資料預(yù)測(cè)時(shí)所導(dǎo)致的井間信息不足，可顯著提高儲(chǔ)層的刻畫精度。本文提取地震地層等時(shí)切片（圖7），分析成因單元沉積演化過(guò)程，將切片所反映的演化信息轉(zhuǎn)化為地質(zhì)建模過(guò)程中可以使用的三維趨勢(shì)概率數(shù)據(jù)體，對(duì)成因單元空間分布的模擬起到約束和控制作用。

圖6 砂質(zhì)辮狀河成因演化期次分析

實(shí)際操作過(guò)程中，切片的數(shù)量主要依據(jù)各層的地層厚度和模型網(wǎng)格精度綜合確定，如本研究中將O11、O12s、O12i層各劃分出10 個(gè)切片，O13 層劃分出5個(gè)切片。研究中需要提取各個(gè)切片上的地震振幅信息并賦予沉積學(xué)意義（圖8）。經(jīng)過(guò)90°相位轉(zhuǎn)換之后，地層切片的振幅采樣值與測(cè)井解釋砂、泥巖有了較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用于控制砂、泥巖沉積單元在空間中的疊置及分布關(guān)系。建模結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度很大程度上受所調(diào)相位角度（將原始相位旋轉(zhuǎn)至90°）大小的影響，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反復(fù)嘗試，以尋找最優(yōu)值。

3.3 儲(chǔ)層地質(zhì)建模

圖8 地層切片的沉積學(xué)解釋

研究區(qū)物源來(lái)自于西南方向，地質(zhì)模型中網(wǎng)格延伸方向與之保持一致，本文以油層為模擬單元建立地層模型。為了涵蓋工區(qū)范圍且同時(shí)滿足砂體刻畫的非均質(zhì)性要求，在模型網(wǎng)格數(shù)量與網(wǎng)格精細(xì)尺度之間保持最佳平衡，決定采用25m×25m×0.8m的精度構(gòu)建模型網(wǎng)格。采用水平井和直井揭示的成因單元作為網(wǎng)格粗化的原始數(shù)據(jù)，得到各成因單元模擬時(shí)需要的變差函數(shù)。O11層的相關(guān)變差函數(shù)參數(shù)擬合結(jié)果如表3所示。

表3 O11層變差函數(shù)參數(shù)擬合表

選取序貫指示算法開(kāi)展模擬，該算法適用于復(fù)雜的強(qiáng)各向異性儲(chǔ)層，且參數(shù)調(diào)整較為靈活，能夠有效利用三維趨勢(shì)概率體進(jìn)行輔助控制。以前述成因單元的演化信息提取、轉(zhuǎn)化得到的趨勢(shì)概率體對(duì)模型模擬過(guò)程予以約束，可以建立成因單元地質(zhì)模型。模擬時(shí)將復(fù)合心灘壩、辮狀河道定義為富砂沉積單元，洪泛平原定義為富泥單元。將砂、泥巖發(fā)育概率體作為輔助變量趨勢(shì)，對(duì)富砂單元和富泥單元的空間分布分別進(jìn)行約束，有效調(diào)整各個(gè)成因單元在平面和垂向上的展布趨勢(shì)，由此得到最終地質(zhì)模型（圖9）。

圖9 成因演化信息約束的地質(zhì)建模結(jié)果

與常規(guī)僅采用平面沉積相的約束建模不同，本文建模中采用的多切片數(shù)據(jù)包含更多的縱向儲(chǔ)層演化信息，而平面沉積相只是一段時(shí)間內(nèi)地層單元的平均信息，僅代表整體優(yōu)勢(shì)相，忽略了儲(chǔ)層內(nèi)部的細(xì)微變化。此外，與采用反演波阻抗數(shù)據(jù)體約束的方法相比，本文使用的多切片轉(zhuǎn)化信息約束建模更加快速、簡(jiǎn)捷。

本文方法不需要反演數(shù)據(jù)體時(shí)深轉(zhuǎn)化，而是采用時(shí)間域和深度域頂、底層位對(duì)齊、層內(nèi)均勻內(nèi)插的方式，得到時(shí)間域地震地層切片同深度域地質(zhì)模型切片的精細(xì)對(duì)應(yīng)關(guān)系，直接將時(shí)間地層切片信息經(jīng)組合、轉(zhuǎn)化后生成深度域的三維趨勢(shì)概率數(shù)據(jù)體，供后續(xù)約束地質(zhì)建模時(shí)使用。

約束后的模擬結(jié)果很好地體現(xiàn)了辮狀河沉積儲(chǔ)層的細(xì)節(jié)，砂體成因單元間的相互配置關(guān)系得以揭示。對(duì)比圖9a、圖9c的模擬結(jié)果與圖5代表的沉積模式，洪泛泥巖始終位于沉積邊界，且多表現(xiàn)為殘余沉積，儲(chǔ)層在空間上的發(fā)育模式很好地得到了還原。將經(jīng)過(guò)成因演化信息約束的辮狀河地質(zhì)模型應(yīng)用于研究區(qū)新建平臺(tái)鉆井預(yù)測(cè)，水平井油層鉆遇率由原來(lái)的92%提高至95%以上。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

Morichal段下部發(fā)育大套連片分布的砂質(zhì)辮狀河儲(chǔ)層，辮狀河具有河道游蕩性強(qiáng)、沉積演化迅速的特點(diǎn)。為此，本文運(yùn)用成因與演化信息約束建立地質(zhì)模型。

（1）首先，根據(jù)巖心觀察劃分出10種巖相類型，綜合測(cè)井、地震響應(yīng)特征，識(shí)別出復(fù)合心灘壩、辮狀河道、廢棄河道、殘余洪泛泥巖等四種成因單元。

（2）分析研究區(qū)的沉積模式，從井和地震資料提取成因與演化信息，對(duì)辮狀河儲(chǔ)層三維地質(zhì)模型進(jìn)行約束，提高地質(zhì)模型的合理性。

（3）本文所提方法在實(shí)際應(yīng)用中具有快速、直觀的優(yōu)點(diǎn)，可在研究初期就得到用于約束模型的三維數(shù)據(jù)體，但是也存在一定的適用條件。為保證處理后的數(shù)據(jù)能有效約束目的層砂體分布，要求相位調(diào)整后的地震數(shù)據(jù)體與測(cè)井解釋巖性具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，相位轉(zhuǎn)化角取值大小對(duì)最終模擬結(jié)果影響較大，調(diào)整過(guò)程需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反復(fù)嘗試，以期尋找到最優(yōu)值。