致密砂巖氣藏可拓學(xué)評價研究—以渤海灣A 氣田為例

肖大坤，馬立民

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.中國石油冀東油田公司勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063004）

自20 世紀(jì)80 年代以來，油氣勘探思維和勘探空間由常規(guī)資源向非常規(guī)資源過渡。經(jīng)過長期的研究積累，J.D.Walls[1]在1982 年SPE/DOE 低滲氣藏學(xué)術(shù)研討會上首次明確提出了“Tight gas”的概念。1985 年召開AAPG 非常規(guī)天然氣勘探和開發(fā)的學(xué)術(shù)會議，C.W.Spencer 和R.F.Mast 對會議文章進(jìn)行了編輯，出版了《Geology of Tight Gas Reservoirs》一書，從而在世界范圍內(nèi)掀起了對致密砂巖天然氣藏研究的熱潮[2-5]，致密砂巖氣藏的特征和勘探開發(fā)思路逐漸清晰。目前，各國權(quán)威機(jī)構(gòu)及大量學(xué)者都從不同角度提出了致密砂巖氣概念，闡述的核心為致密儲層的物性上限標(biāo)準(zhǔn)，但是，受地域、油氣藏特點、資源情況及勘探開發(fā)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面的限制，至今對致密儲層的物性標(biāo)準(zhǔn)未能形成統(tǒng)一認(rèn)識[2-11]。

從氣田開發(fā)的角度看，大部分致密砂巖氣藏位于中深層，表現(xiàn)為特低孔特低滲、束縛水飽和度高、儲量豐度低的特征，導(dǎo)致氣井初期產(chǎn)能低、遞減快，嚴(yán)重制約了氣藏儲量有效動用與開發(fā)方案實施，開展致密氣藏綜合評價、明確氣藏內(nèi)的有利含氣儲集體，意義顯著。本次以渤海灣致密砂巖氣田A 氣田中生界下白堊統(tǒng)致密氣藏為例，充分發(fā)揮多尺度資料的優(yōu)勢，綜合地質(zhì)、地震、測井等多方面技術(shù)手段，首先需落實致密砂巖儲層成因機(jī)制，明確儲層致密化過程與油氣成藏的匹配關(guān)系，然后優(yōu)選物性解釋模型，提高致密砂巖儲層物性解釋精度，降低物性不確定性對儲量的影響，最后通過地震多屬性分析，預(yù)測氣藏內(nèi)含氣分布、篩選含氣目標(biāo)并通過定量評價落實有利性排序，優(yōu)選有利評價目標(biāo)。

1 致密砂巖氣藏地質(zhì)模式

1.1 致密儲層成因機(jī)制

A 氣田下白堊統(tǒng)巨厚砂巖儲層以辮狀河沉積為主，儲層致密化成因要素包括沉積及成巖兩方面[12]。根據(jù)主控因素，將致密成因機(jī)制劃分為塑性巖屑充填型、雜基充填型、強(qiáng)烈壓實型、自生礦物膠結(jié)型。

塑性巖屑充填型致密儲層，巖性以巖屑質(zhì)長石砂巖、巖屑砂巖為主。由于沉積物中富含大量塑性或不穩(wěn)定碎屑，成巖過程中在上覆地層壓力作用下，塑性顆粒產(chǎn)生變形以假雜基形式充填于剛性顆粒之間，阻塞原生孔隙以及后期形成的次生孔隙，導(dǎo)致儲層的致密化（見圖1（a）），多形成于辮狀河側(cè)緣以及部分心灘沉積相帶。

雜基充填型致密儲層，巖性以雜砂巖為主，是由于碎屑顆粒之間雜基（多為泥質(zhì)雜基）含量較高，原生粒間孔隙發(fā)育較差。在后期成巖流體的改造下，儲集空間可能得到改善，但未遭受溶解帶出的部分雜基會在壓實作用的繼承性影響下，對已形成的次生粒間孔隙進(jìn)一步破壞，導(dǎo)致儲層的致密化（見圖1（b）），該類儲層多形成于辮狀河落淤沉積、洪泛沉積相帶。

壓實型致密儲層，巖性以長石砂巖或長石質(zhì)巖屑砂巖為主。成因機(jī)制可概括為，在不存在異常壓力的條件下，壓實作用在早成巖作用階段使碎屑顆粒最緊密堆積，減少原生孔隙，在后期壓溶作用影響下增強(qiáng)顆粒接觸程度，導(dǎo)致儲層致密化（見圖1（c）），多發(fā)育在辮狀河河道微相中。

自生礦物膠結(jié)型致密儲層，巖性以長石砂巖或石英砂巖為主，碎屑顆粒一般分選較好，粒度適中，雜基含量較低。由于自生礦物大量晶出，顯著降低儲層物性，導(dǎo)致儲層的致密化（見圖1（d）），多出現(xiàn)在辮狀河河道微相中。

1.2 致密氣藏成藏模式

根據(jù)鏡質(zhì)體反射率、最高熱解峰溫、伊蒙混層比、石英次生加大級別、顆粒接觸關(guān)系和主要孔隙類型等指標(biāo)，對研究區(qū)下白堊統(tǒng)致密砂巖儲層成巖階段進(jìn)行標(biāo)定。結(jié)果顯示，最高熱解峰溫分布在463 ℃～518 ℃，鏡質(zhì)體反射率分布在1.55～1.76，伊蒙混層中蒙脫石的含量為10 %，石英呈三級加大級別，顆粒呈現(xiàn)線接觸-縫合接觸，因此綜合判斷，下白堊統(tǒng)儲層現(xiàn)今處于中成巖B 期。

圖1 A 氣田致密砂巖儲層典型薄片F(xiàn)ig.1 Typical tight sandstone images of gasfield A in thin sections

由于酸性、堿性成巖流體環(huán)境的交替變化，膠結(jié)作用與溶蝕作用的組合關(guān)系推動了致密儲層成巖演化[13]。綜合巖石薄片中觀察到的成巖作用類型發(fā)現(xiàn)，石英顆粒以次生加大膠結(jié)為主，早期基本未見溶蝕，而且膠結(jié)強(qiáng)度持續(xù)增大，僅后期的硅質(zhì)膠結(jié)物遭受弱溶解。長石、巖屑顆粒見強(qiáng)烈溶蝕，后期充填碳酸鹽膠結(jié)物。由此推斷，長石及巖屑溶蝕作用要早于石英次生加大，石英次生加大早于碳酸鹽膠結(jié)。綜合烴源巖排烴史分析認(rèn)為，同生成巖階段的成巖環(huán)境為弱酸性，在機(jī)械壓實作用的基礎(chǔ)上，形成了早期碳酸鹽膠結(jié)和早期石英加大。中成巖作用階段由于處于烴源巖主要排烴階段，大量有機(jī)酸涌入儲層，進(jìn)行強(qiáng)烈改造，溶蝕了大量碳酸鹽膠結(jié)物和長石巖屑顆粒，形成了次生溶蝕孔隙帶，石英次生加大過程繼續(xù)進(jìn)行。中成巖作用階段晚期，隨著有機(jī)酸產(chǎn)生減少，儲層成巖環(huán)境由酸性逐漸過渡到堿性，發(fā)育了大規(guī)模方解石膠結(jié)物和長石加大邊，充填大量孔隙，并有含鐵碳酸鹽礦物的沉淀和黏土礦物等充填孔隙。綜合儲層成巖演化，埋藏史分析，采用儲層微觀組分回剝與含量計算方法[7]，近似恢復(fù)了研究區(qū)碎屑巖儲層物性演化過程（見圖2），認(rèn)為儲層物性在古近紀(jì)中后期達(dá)到致密化程度。

通過有機(jī)流體包裹體分析發(fā)現(xiàn)，A 氣田下白堊統(tǒng)包裹體宿主礦物為石英斑晶，均一溫度主峰值集中在105 ℃～110 ℃及115 ℃～120 ℃范圍內(nèi)，平均值113 ℃及121 ℃，結(jié)合周邊區(qū)域地層埋藏時及相鄰區(qū)塊的油氣成藏特征判斷，下白堊統(tǒng)氣藏成藏期為上白堊統(tǒng)青山口組早-中期。結(jié)合致密儲層物性演化過程認(rèn)為，該地區(qū)氣藏成藏模式為“先成藏、后致密”模式，烴類充注及天然氣成藏時期儲層經(jīng)歷了早期成巖作用，物性有所降低，但是未達(dá)到致密程度，所以，天然氣充注過程能夠?qū)崿F(xiàn)正常氣水置換，不會存在氣水倒置分布關(guān)系。綜合A 氣田構(gòu)造發(fā)育特征，總結(jié)其致密氣藏成藏演化模式。

A 氣田下白堊統(tǒng)泉頭組沉積末期，區(qū)域地層進(jìn)入斷坳轉(zhuǎn)換階段。上白堊統(tǒng)青山口組末期，烴源巖開始大量排烴，含烴類的有機(jī)酸性流體沿斷裂系統(tǒng)及砂體進(jìn)入早期圈閉成藏，導(dǎo)致長石、巖屑溶解，明顯改善下白堊統(tǒng)儲層物性。嫩江組-明水組末期，區(qū)域發(fā)生構(gòu)造抬升形成A 氣田鼻狀構(gòu)造，構(gòu)造頂部產(chǎn)生大量張性裂縫，破壞改造早期形成的氣藏，同時儲層在酸性流體環(huán)境持續(xù)性作用下，膠結(jié)作用加強(qiáng)，儲層物性持續(xù)變差。直到古近紀(jì)中后期，區(qū)域構(gòu)造環(huán)境趨于穩(wěn)定，鼻狀構(gòu)造頂部裂縫失去活動性而閉合，同時成巖流體環(huán)境由弱酸性環(huán)境過渡為弱堿性環(huán)境，大量碳酸鹽膠結(jié)物產(chǎn)生，最終導(dǎo)致儲層致密化，氣藏類型也由常規(guī)氣藏轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅軞獠兀ㄒ妶D2）。根據(jù)上述模式判斷，研究區(qū)內(nèi)氣藏富集主控因素為構(gòu)造因素，其次為儲層分布及內(nèi)部物性差異。

圖2 A 氣田成藏過程綜合分析圖Fig.2 Comprehensive analysis of tight gas reservoir formation in gasfield A

2 致密氣藏物性評價及分布預(yù)測

2.1 致密氣藏物性參數(shù)解釋

針對下白堊統(tǒng)儲層開展“四性關(guān)系”分析發(fā)現(xiàn)，致密砂巖儲層的物性-電性相關(guān)性不明顯，原因在于儲層致密化受多方面因素影響，各因素的作用強(qiáng)度不同，導(dǎo)致儲層的致密化程度不同，因而具有不同的測井響應(yīng)特征，所以，區(qū)分不同的致密類型對于構(gòu)建物性解釋模型、提高物性解釋精度具有重要意義。

基于上述分析，建立“致密系數(shù)（Tightness Index）”來表征砂巖致密類型。由于沉積作用和成巖作用是導(dǎo)致儲層致密的最主要因素，選擇粒度中值、泥質(zhì)含量、成巖綜合指數(shù)及成巖減孔率參與構(gòu)建致密系數(shù)。其中，粒度中值、泥質(zhì)含量可以反映沉積作用影響，成巖綜合指數(shù)及成巖減孔率反映成巖作用的影響。致密系數(shù)TI*構(gòu)建公式如下，TI*越趨近于0，表明沉積作用對儲層致密化影響越大，TI*越趨近于1，表明成巖作用對儲層致密化影響越大。

式中：TI、TI*-致密系數(shù)及其歸一化值；PR-成巖減孔率；Vsh-泥質(zhì)含量；DI-成巖綜合指數(shù)。

以巖石薄片、壓汞實驗及物性分析資料為主，綜合成巖作用類型、孔喉結(jié)構(gòu)描述及物性響應(yīng)特征，統(tǒng)計樣品點致密系數(shù)分布特征，建立了三類儲層致密類型（見表1），實現(xiàn)沉積或成巖因素作用下儲層致密特征的定量描述。

以薄片分析結(jié)果為樣品來源，巖電分析，采用常規(guī)測井系列曲線對致密系數(shù)定量擬合，建立如下擬合關(guān)系，將點信息拓展為縱向連續(xù)性信息。

在不同致密類型約束下，致密儲層物性-電性相關(guān)特征十分明顯（見圖3），補(bǔ)償密度測井響應(yīng)值具有隨儲層孔隙度增大而減小的變化特征，可直接用于建立儲層物性解釋模型。由散點圖樣品數(shù)量分布可見，三類致密類型中，儲層以二類、三類為主，屬于一類致密的儲層最少，儲層致密化成因中成巖作用的影響起到了主要作用。

2.2 致密氣藏空間分布預(yù)測

采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地震多屬性擬合方法[14-16]開展致密氣藏的分布預(yù)測。選擇三孔隙度比值參數(shù)作為特征含氣指示參數(shù)[17]，通過地震屬性影響度排列以及產(chǎn)生誤差分析，優(yōu)選出反演瞬時相位、絕對振幅積分、反演平均頻率、反演振幅積分、反演振幅包絡(luò)以及振幅導(dǎo)數(shù)6 種含氣敏感地震屬性，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立優(yōu)屬性與特征參數(shù)之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，通過模型處理后的地震數(shù)據(jù)可直接用于含氣性檢測。將建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到整個地震數(shù)據(jù)體中，對三維空間內(nèi)的含氣特征曲線進(jìn)行預(yù)測，通過剖面及平面切片分析，預(yù)測結(jié)果顯示有利含氣區(qū)帶呈現(xiàn)強(qiáng)反射特征。

以下白堊統(tǒng)主力氣組DI 為例，過A10 井的地震多屬性響應(yīng)剖面顯示（見圖4），有利氣層主要受構(gòu)造影響，富集于構(gòu)造高部位。主力氣層地震多屬性擬合數(shù)據(jù)體沿層切片顯示（見圖5），A 氣田鼻狀構(gòu)造頂部存在明顯含氣異常強(qiáng)反應(yīng)帶，與構(gòu)造等值線疊合后發(fā)現(xiàn)強(qiáng)反應(yīng)帶與構(gòu)造趨勢吻合度較高，表明了研究區(qū)致密氣藏分布的主控因素為構(gòu)造特征，氣藏主要分布在A氣田鼻狀構(gòu)造高部位，預(yù)測結(jié)果同樣印證了前面建立的致密氣藏成藏模式。基于含氣范圍預(yù)測及面積圈定結(jié)果，共確定了A 氣田下白堊統(tǒng)主力氣層的19 個有利評價目標(biāo)。

表1 儲層致密類型定量特征Tab.1 Quantitative characteristics for different sandstone reservoir tightening types

圖3 不同致密類型儲層的物性-電性相關(guān)特征Fig.3 Relationships between physical and electrical property for different tight sandstone

圖4 A10 井地震多屬性融合響應(yīng)剖面Fig.4 Seismic multiple attributes integration profile for well A10

圖5 主力氣層（DI）地震多屬性融合響應(yīng)切片與含氣范圍Fig.5 Slice of seismic multiple attributes integration and gas-bearing area for the main gas layer（DI）

3 致密氣藏定量綜合評價

3.1 可拓學(xué)方法概述

可拓學(xué)是由以蔡文教授為首的我國人工智能科學(xué)家自主創(chuàng)立的一門新興橫斷學(xué)科，是將人工思維抽象出來用形式化數(shù)學(xué)工具進(jìn)行定性或定量描述的學(xué)科，物元分析、可拓邏輯及可拓集合理論是其重要的理論組成部分[18-21]。由于可拓學(xué)理論中物元的三元素一體化分析、可拓集合中以實數(shù)域為值域、關(guān)聯(lián)函數(shù)及關(guān)聯(lián)度的設(shè)置等性質(zhì)，可拓綜合評價過程中不僅能夠體現(xiàn)待評對象的從屬關(guān)系，還能對這種從屬關(guān)系以定量化的手段進(jìn)行描述。

3.2 基于可拓學(xué)的有利目標(biāo)定量評價

常用的專家經(jīng)驗排序方法一般采用“先打分、后排序”的思路，由于評價標(biāo)準(zhǔn)在評價過程中難以起到約束作用，有利目標(biāo)的優(yōu)選一般僅取決于打分序列，因此，不同的認(rèn)識和經(jīng)驗很可能導(dǎo)致完全不同的優(yōu)選結(jié)果[22]。與之相比，可拓學(xué)方法采用“先定標(biāo)準(zhǔn)、后打分”的思路，首先通過定義經(jīng)典域，建立不同等級的定量評價標(biāo)準(zhǔn)，然后以評價目標(biāo)的各項指標(biāo)參數(shù)為基礎(chǔ)，通過計算與不同等級標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)度，最后以關(guān)聯(lián)度的強(qiáng)弱判斷評價目標(biāo)所處的級別，該過程有利于限制人為主觀因素影響、降低評價結(jié)果的不確定性，因此，本次采用可拓學(xué)方法對A 氣田下白堊統(tǒng)主力氣層的19 個待評物元目標(biāo)進(jìn)行了定量綜合評價。

首先，根據(jù)致密氣藏基礎(chǔ)地質(zhì)研究及勘探經(jīng)驗，確定影響致密氣藏綜合評價的地質(zhì)因素與影響方式，選擇合適的評價指標(biāo)，建立評價體系。

綜合A 氣田氣藏特征，考慮研究過程中所采用的技術(shù)手段，選擇圈閉條件、儲層條件、氣藏預(yù)測三方面作為評價一級指標(biāo)，選擇蓋層厚度、構(gòu)造幅度、圈閉面積、斷層泥比率作為圈閉條件的二級指標(biāo)，選擇砂地比、滲透率、凈毛比、致密系數(shù)作為儲層條件的二級指標(biāo)，選擇地震特征屬性、構(gòu)造-屬性吻合度、井資料驗證情況作為氣藏預(yù)測的二級指標(biāo)。基于上述致密氣藏評級分析，將致密氣藏綜合評價等級按有利性劃分為五級，即很好、較好、一般、較差、很差分別對應(yīng)一、二、三、四、五類（見表2）。

然后，針對評價體系分別建立圈閉條件、儲層條件及氣藏預(yù)測三方面不同等級的經(jīng)典域及節(jié)域，為待評物元目標(biāo)賦值（見表3）。

最后，通過關(guān)聯(lián)函數(shù)計算待評物元與不同評價等級之間的關(guān)聯(lián)度，根據(jù)關(guān)聯(lián)度值計算級別變量特征值（見表4），確定待評物元的評價等級。評價結(jié)果顯示，根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)體系，待評的物元目標(biāo)均未達(dá)到一類等級，評為二類或三類的有利目標(biāo)（1、2、3、5、7、8、11、13、16）多位于下白堊統(tǒng)I 氣組，最優(yōu)目標(biāo)級別特征變量特征值1.87～2.05。

表2 A 氣田致密氣藏定量評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Quantitative standard for tight gas reservoir evaluation in gasfield A

表3 待評物元目標(biāo)賦值表Tab.3 Value confirmation for objectives under evaluation

表3 待評物元目標(biāo)賦值表（續(xù)表）Tab.3 Value confirmation for objectives under evaluation

4 結(jié)論

（1）渤海灣A 氣田下白堊統(tǒng)致密砂巖儲層致密化成因機(jī)制包括塑性巖屑充填型、雜基充填型、強(qiáng)烈壓實型、自生礦物膠結(jié)型四種。A 氣田致密氣藏成藏屬于“先成藏，后致密”模式，氣藏分布受控于構(gòu)造特征，主要富集在鼻狀構(gòu)造高部位。

表4 待評物元可拓關(guān)聯(lián)度及等級判斷Tab.4 Extension relativity and rank of objectives under evaluation

（2）基于致密儲層成因類型構(gòu)建的以“致密系數(shù)（TI）”為核心的致密砂巖儲層物性綜合評價方法，可有效提高致密儲層物性解釋精度。基于特征含氣參數(shù)重構(gòu)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地震多屬性擬合方法對致密氣層的縱向和平面分布進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與成藏模式相吻合。

（3）可拓評價方法由于其將關(guān)聯(lián)度分析手段引入，可更準(zhǔn)確地劃分評價等級，降低人為因素對評價結(jié)果的影響。利用可拓學(xué)原理進(jìn)行致密氣藏綜合評價，判斷A 氣田致密砂巖氣有利目標(biāo)主要分布在下白堊統(tǒng)I 氣組。