天然气地质学

鄂尔多斯盆地临兴地区分流河道砂体叠置样式精细刻画及致密气产能差异分析

  • 王波 ,
  • 齐宇 ,
  • 孙乐 ,
  • 李文兰
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  • 中海油研究总院,北京 100028

王波(1991-),男,湖北潜江人,工程师,主要从事沉积学、层序地层学及储层预测研究. E-mail:.

收稿日期: 2021-04-12

  修回日期: 2022-03-23

  网络出版日期: 2022-09-09

The detailed description of superposed patterns and productivity difference analysis of tight gas distributary channel sandbody of Linxing area in Ordos Basin

  • Bo WANG ,
  • Yu QI ,
  • Le SUN ,
  • Wenlan LI
Expand
  • CNOOC Research Institute Ltd. ,Beijing 100028,China

Received date: 2021-04-12

  Revised date: 2022-03-23

  Online published: 2022-09-09

Supported by

The Scientific Research Project of CNOOC

本文亮点

鄂尔多斯盆地临兴地区X区块石盒子组主要发育辫状河三角洲平原亚相沉积,分流河道微相致密储层蕴含着丰富的天然气资源,是目前研究区开发的热点。研究区分流河道砂体横向摆动快、沉积厚度薄、岩性及物性横向变化明显,因此,开展分流河道砂体精细刻画及产能差异分析是井位部署的重要依据。基于岩心、薄片、测井等多种资料,建立了分流河道内部不同叠置样式砂体识别图版,形成3种砂体叠置样式的分类体系:单期孤立型、多期叠置型以及多期互层型。并从地震正演入手,剖析了不同叠置样式砂体的地震响应特征,其中单期孤立型砂体平面规模较小,地震上表现为中低频—透镜状强反射特征;多期叠置型以及多期互层型砂体由于单期砂体横向迁移、垂向叠置,平面规模较大,前者地震相表现为高连续—中低频—强反射特征,后者地震相表现为中低连续—中高频—中弱反射特征;最后根据已钻井测井解释资料,综合对比了不同叠置样式砂体的累计气层厚度、孔隙度、渗透率、含气饱和度以及测试无阻流量等参数,发现单期孤立型砂体顶底发育厚层泥岩段,砂体封闭条件好且内部隔夹层不发育,含气饱和度高,测试后多具自然产能,产水量小,潜力巨大。

本文引用格式

王波 , 齐宇 , 孙乐 , 李文兰 . 鄂尔多斯盆地临兴地区分流河道砂体叠置样式精细刻画及致密气产能差异分析[J]. 天然气地球科学, 2022 , 33(9) : 1421 -1432 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2022.04.008

Highlights

It is totally known that the Shihezi Formation of Linxing X block in Ordos Basin mainly develops braided river delta plain subfacies. Distributary channel microfacies tight reservoir contains rich natural gas resources, which is the focus of development in the work area at present. The channel sands are complex in vertical superimposition, thin sedimentary thickness, and obvious lateral changes in lithology and physical properties. Therefore the detailed description of superposed patterns and productivity difference analysis of tight gas distributary channel sandbody are very important. Based on the core, thin section, well-logging and other data of distributary channel sand bodies of the Linxing X block in Ordos Basin, this paper summarizes channel types and superposed patterns of the distributary channels in the braided river delta plain.Three types of sand body classification systems are established, including single-phase isolated type, multiphase superimposed type and multiphase interbedded type. The seismic response characteristics of different sand body types are analyzed by seismic forward modeling method. The plane scale of single-phase isolated sand body is small, and the seismic facies are characterized by low-medium frequency high amplitude reflection. The plane scale of multiphase superimposed sand body is large, and the seismic facies are characterized by low-medium frequency, high continuity and high amplitude reflection. The seismic facies of multiphase interbedded sand bodies are characterized by low-medium continuous medium-high frequency and low-medium amplitude reflection. Finally, according to the well logging interpretation data, the parameters such as cumulative gas reservoir thickness, porosity, permeability, gas saturation and open flow are comprehensively compared. It is found that the single-phase isolated sand body has good hydrocarbon preservation conditions, i.e., good reservoir physical property, high gas saturation, high producing gas and low producing water, featuring enormous development potential.

0 引言

鄂尔多斯盆地是我国重要的大型含油气盆地,上古生界致密砂岩气广泛分布,中石油和中石化先后发现了苏里格、大牛地、神木、榆林、乌审旗、米脂等上古生界大型致密砂岩气藏1-2。中海油在鄂尔多斯盆地东北缘拥有神府和临兴2个致密气区块,面积达5 802.5 km2,将成为中海油陆上新的天然气生产基地和经济增长点。其中临兴地区X区块位于鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带,气藏主要受分流河道砂岩储层分布控制。近几年,随着“多层叠覆型致密砂岩气区”和“微相控储、物性控藏”地质认识的提出3,开展致密气分流河道砂体精细刻画与预测愈发重要。研究区致密气分流河道内部砂体横向摆动快,非均质性非常强,且单个河道砂体发育规模较小,储层表征预测难度较大。
目前我国鄂尔多斯盆地大多数致密气田已进入成熟的开发阶段,随着开发程度的提高,如何充分地融合品质较好的地震数据与大量已钻井信息,明确河道内部砂体的叠置样式及平面分布,进行高产砂体的精细表征是亟需解决的问题。前人4对于开发阶段密集井网油气田河道砂体叠置样式的研究已经较为成熟,但目前对研究区分流河道砂体纵向叠置、横向展布以及产能差异等特征的研究成果相对较少。
本文针对上述问题,对不同叠置样式砂体在地震可分辨的尺度上进行了分类,形成了3种砂体叠置样式的分类体系,并从已钻井出发进行了大量的正演模拟分析,综合对比原始地震相研究了每一类叠置样式砂体的地震响应特征,建立了分流河道内部不同叠置样式砂体识别图版。同时统计了不同叠置样式砂体的产能特征,并探讨了产能差异影响因素,最终明确了高产砂体的纵向叠置及横向展布范围,有效指导了研究区高产井位的部署。

1 区域地质概况

临兴X区块位于鄂尔多斯盆地东北部,横跨伊陕斜坡和晋西挠褶带(图1),总体上构造平缓,为一向西倾斜的单斜构造5,三维地震全覆盖,面积为195.2 km2。大量钻井揭示研究区发育新生代、中生代及古生代地层,侏罗系与白垩系由于构造抬升而被全部剥蚀6。晚古生代沉积的山西组、太原组以及本溪组煤系地层为研究区的主力烃源岩7。上古生界二叠系石盒子组沉积时期,随着兴蒙海槽的逐渐关闭,引起强烈的南北差异升降,加剧了早二叠世晚期北隆、南倾的构造格局;由于海水继续向东南退去,古气候向干旱—半干旱转变,发育陆相辫状河三角洲沉积体系8-10。根据沉积旋回及沉积特征的变化,将石盒子组自下而上划分为8个段(图1),其中下石盒子组盒6段、盒7段以及上石盒子组盒1段、盒2段、盒3段、盒4段,均有高产井揭示,为研究区重要的储气层段。
图1 临兴地区X区块地理位置(a)及中二叠统综合柱状图(b)

Fig.1 Location map (a) and Middle Permian stratigraphy (b) of Linxing X block

2 砂体叠置样式及地震响应

2.1 砂体叠置样式分类

关于分流河道内部砂体叠置样式类型的研究目前已形成了诸多认识11-13,胡光义等14-15在高分辨率层序地层格架控制下,将渤海中南部地区明化镇组河道砂体划分为垂叠型、侧叠型和孤立型3种叠置类型;杨希濮等16在研究尼日尔三角洲盆地阿格巴达组河道砂体的过程中,识别出了3种典型叠置样式,包括单期型砂体、两期型砂体以及三期型砂体。本文充分借鉴前人研究成果,并参考层序地层学中河道分类的方法后认为:当基准面位于下降期,河道水体能量较强,沉积物负载量大,A/S值逐渐减小,河道砂体会发生相互间的叠置切割,呈现冲刷—切割形态;当基准面位于上升期,表现为高的A/S值,可容纳空间较大,不同时期沉积的河道砂体相互独立,形成孤立的河道砂体。同时结合河道砂体发育期次、纵向叠置样式、平面几何形态,建立了大量的正演模型总结了不同叠置样式砂体的地震响应特征。基于上述原因,本文将鄂尔多斯盆地临兴X区块石盒子组分流河道砂体划分为3种典型叠置样式(图2)。
图2 不同叠置样式分流河道砂体分类

Fig.2 Different stacking styles in distributary channel sand body

(1)单期孤立型。钻井钻遇单期砂体中部,砂岩厚度介于5~15 m之间,测井相表现为高幅箱形,砂体沉积时水动力条件强,砂体规模适中,多呈“孤立式”分布于分流间湾微相之间,顶底发育厚层泥岩段,岩心上可见典型的河道底部滞留沉积,大量粒间孔得以保存,孔渗条件好,气层发育。
(2)多期叠置型。钻井钻遇多期砂体中部,砂岩厚度多大于15 m,研究区单段砂体厚度可超过30 m,测井相表现为箱形或多期箱形的叠加,砂体沉积时在侧向上和垂向上彼此叠置和切割,呈多层切叠复合砂体形态,砂体规模大,岩心上同样可见典型的河道底部滞留沉积,孔渗条件好,气层发育。
(3)多期互层型。钻井钻遇多期砂体中部或边部,单期砂体之间沉积厚层泥岩段,泥岩夹层厚度多大于5 m,测井相表现为多个钟形叠加,水动力条件时强时弱交替变化,孔渗条件一般,气层较为发育。

2.2 地震响应及平面展布特征

纵向上砂体叠置样式的分析主要依靠钻井资料,要精细刻画每一种叠置样式砂体平面分布特征,则必须要求有足够密的井网作为支撑条件17-19,但多数成熟油田开发后期密井网条件下接近100 m的井距,仍无法厘清所有砂体平面展布规模20-21,而研究区目前开发井网密度大于600 m,远大于单期河道砂体横向宽度,因此,亟需建立一套井震结合的方法针对性刻画研究区不同叠置样式的砂体平面展布特征。
目前研究区三维地震资料主频范围为30~40 Hz,理论可分辨地层20~30 m,根据前文总结出的砂体叠置样式结合研究区砂泥岩速度、密度等参数建立正演模型(图3),模型各项正演参数见表1,模型厚度参数见表2。从正演模型(图3)中可以看出,由于累计砂岩厚度均小于研究区地震资料的调谐厚度,其地震响应特征为小于地震分辨率的复合波。其中:①纯泥岩段由于没有岩性界面,表现为空白反射特征;②单期孤立型砂体沉积砂岩厚度大,粒度粗,与泥岩波阻抗差大,表现为强振幅的特征;③多期叠置型砂体砂岩沉积厚度最大,地震振幅最强,波形均匀拉伸,频率变低;④多期互层型砂体沉积多套砂岩,砂岩之间发育厚层泥岩段,地震振幅明显变弱,波形被拉伸程度最强。
图3 不同叠置样式砂体正演模型及地震响应特征

Fig.3 Forward modeling with different superimposed pattern and seismic response characteristics

表1 正演模型参数

Table 1 Forward model parameters

主频/Hz 砂岩速度/(m/s) 砂岩密度/(g/cm3 泥岩速度/(m/s) 泥岩密度/(g/cm3 调谐厚度/m
35 4 400 2.5 3 800 2.6 27.5
表2 正演模型砂泥岩厚度

Table 2 Sand-mudstone thickness used in forward modeling

纯泥岩 单期孤立型 多期叠置型 多期互层型
砂岩1厚度/m 10 5 5
泥岩1厚度/m 1 6
砂岩2厚度/m 12 6
泥岩2厚度/m 1 5
砂岩3厚度/m 8 5
累计砂厚/m 10 25 16

注:—表示无数据

基于简单正演模型可以总结出不同叠置样式砂体的地震响应特征,但在实际的工作中弄清其平面展布范围才是井位调整加密的重点,找准研究区砂体厚度的敏感地震属性是关键。针对研究区3种砂体类型分别建立楔形正演模型(图4),并提取不同砂体厚度处的最大振幅值,发现不同叠置样式砂体的厚度与正演模型最大振幅值具有一定正相关的关系[图5(a)],同时研究区大量钻井已揭示的砂体厚度与实际地震最大振幅值正相关关系同样明显[图5(b)],因此可通过提取最大振幅敏感属性来刻画不同叠置样式砂体平面展布特征。
图4 不同叠置样式砂体楔形正演模型

Fig.4 Wedge forward models of different superimposed pattern

图5 不同叠置样式砂体厚度与最大振幅关系

Fig.5 Relationship between sand body thickness and maximum amplitude of different superimposed pattern

综合上述分析,本文研究从已钻井出发,针对实际研究区内气层主要富集的单期孤立型、多期叠置型以及多期互层型3类叠置样式砂体,通过提取敏感地震属性精细刻画了其平面展布特征(图6),并对各类砂体的多项地质参数进行了总结分析(表3),认识如下:
图6 不同叠置样式砂体地震响应及平面展布特征

Fig.6 Seismic response and plane distribution characteristics of different superimposed pattern

表3 不同叠置样式砂体地质参数统计

Table 3 Statistics of geological parameters of different superimposed pattern

砂体类型 宽度/km 长度/km 面积/km2
单期孤立型(样本数34) 0.32~0.54 1.33~3.28 0.52~1.79
多期叠置型(样本数61) 0.55~1.52 2.21~5.26 2.05~6.10
多期互层型(样本数26) 0.61~1.49 1.54~4.33 1.58~5.23
(1)单期孤立型砂体。以X-62井台为例,X-62-2D井和X-62-5D井2口定向井在盒1段分别钻遇一套单期孤立型砂体,顶底沉积厚层泥岩段,横切砂体长轴方向地震相表现为中低频—高连续—透镜状强反射特征,横向规模较小,介于0.32~0.54 km之间,高可容纳空间使得单期砂体相互孤立,保留有原始沉积形态,平面上呈长条形或纺锤形,砂体长度多介于1.33~3.28 km之间,砂体面积相对较小,多小于2.0 km2
(2)多期叠置型砂体。以X-58井台为例,直井X-58井和定向井X-58-4D井在盒4段钻遇了同一套多期叠置型砂体,横切砂体长轴方向地震相表现为高连续—中低频—强反射特征,强水动力以及相对低可容纳空间使得单期砂体之间相互冲刷—切割,多期砂体横向叠置连片,横向规模大,介于0.55~1.52 km之间,长宽比相对较低,砂体长度介于2.21~6.10 km之间,砂体面积最大可达6.10 km2
(3)多期互层型砂体。以X-157井台为例,直井X-157井和定向井X-157-4D井在盒4段钻遇同一套多期互层型砂体,横切砂体长轴方向地震相表现为中低连续—中高频—中弱反射,砂体沉积时期水动力变化快,砂泥岩频繁互层,多期砂体界面反射波之间的调谐作用使得地震相连续性明显变差,振幅变弱,砂体宽度变化快,介于0.61~1.49 km之间,平面上呈不规则形态。
根据上述认识,基于Petrel地质平台三维地质体雕刻技术,同时结合各砂体内部地震波形连续性、振幅强度、平面规模、几何形态等多种因素,可以清晰地识别出研究区重点含气层段各类砂体的平面展布特征(图7),其中盒6段砂体规模相对较小,以发育单期孤立型砂体为主,研究区东北部发育多套多期叠置型砂体;盒4段砂体规模相对较大,以发育多期叠置型砂体为主,单期孤立型砂体局部发育;盒3段砂体规模最小,物源供给最弱,单期孤立型砂体以及多期互层型砂体广泛发育,多期叠置型砂体相对欠发育;盒2段砂体规模最大,水动力条件最强,砂体之间叠置切割明显,多期叠置型砂体广泛发育。
图7 临兴X区块石盒子组不同层段砂体平面雕刻图

Fig.7 Plane depiction of sand bodies in different members of Shihezi Formation in Linxing X block

3 不同叠置样式砂体产能差异分析

3.1 产能特征

鄂尔多斯盆地临兴X区块目前已经进入了成熟的开发阶段,井网密度接近1.39口/ km2,已经试气的井数占比超过60%,因此大部分砂体的产能情况已被揭示。
根据已钻井的试气结果,同时结合不同叠置样式砂体的分类情况,本文统计分析了研究区内气层主要富集的单期孤立型、多期叠置型以及多期互层型3类典型砂体的产能特征,其中共统计单期孤立型砂体30套,测试无阻流量介于(0.7~50.2)×104 m3/d之间,平均值为12.4×104 m3/d,射孔不压裂获得高产的井占比71%;多期叠置型砂体共计50套,测试无阻流量介于(0.4~50.3)×104 m3/d之间,平均值为4.6×104 m3/d,射孔不压裂获得高产的井仅占比8%;多期互层型砂体共计13套,测试无阻流量介于(0.4~5.5)×104 m3/d之间,平均值为1.6×104 m3/d,射孔不压裂获得高产的井仅占比6%。统计数据表明,单期孤立型砂体测试无阻流量最高,且多数砂体不需要压裂即可获得高产,潜力巨大;多期叠置型砂体次之,而多期互层型砂体潜力最小。

3.2 产能差异分析

为了厘清不同叠置样式砂体产能差异的主要影响因素,本文统计分析了不同叠置样式砂体的气层厚度、孔隙度、渗透率、含气饱和度以及产水量等重要参数,由于研究区砂岩普遍较为致密,若一套砂体内部发育多个气层,实际生产过程中每个气层均会被射孔或压裂,为了增强不同叠置样式砂体各统计参数之间的可对比性,其中气层厚度为该套砂体内部气层的累计厚度,孔隙度、渗透率、含气饱和度数据为所有气层段加权平均后所得,产水量为实际试气后的日产水量(表4)。
表4 不同叠置样式砂体地层特征系数及测试产能统计

Table 4 Statistical table of geological parameters and test capacity of different superimposed pattern sand body

砂体类型 气层厚度/m 孔隙度/% 渗透率/(10-3 μm2 含气饱和度/% 无阻流量/(104 m3/d) 产水量/(m3/d)
单期孤立型 5.6 ~ 11.8 7.6 ( 30 ) 10.4 ~ 15.1 12.5 ( 30 ) 0.8 ~ 6.6 2.7 ( 30 ) 56.5 ~ 68.2 59.8 ( 30 ) 0.7 ~ 50.2 12.4 ( 30 ) 0 ~ 5.4 0.8 ( 30 )
多期叠置型 3.9 ~ 17.0 9.8 ( 50 ) 9.9 ~ 15.2 11.9 ( 50 ) 0.5 ~ 5.2 1.5 ( 50 ) 50.1 ~ 62.9 55.3 ( 50 ) 0.4 ~ 50.3 4.6 ( 50 ) 0 ~ 56.8 5.6 ( 50 )
多期互层型 2.7 ~ 9.3 6.6 ( 13 ) 9.3 ~ 13.9 11.7 ( 13 ) 0.6 ~ 3.1 1.4 ( 13 ) 50.9 ~ 58.7 54.7 ( 13 ) 0.4 ~ 5.5 1.6 ( 13 ) 0 ~ 13.1 3.6 ( 13 )

注: 5.6 ~ 11.8 7.6 ( 30 )= ( )

3.2.1 气层厚度

从不同叠置样式砂体累计气层厚度分布区间来看,多期叠置型砂体累计气层厚度最大,多分布在6~15 m之间,砂体内部非均质性强,发育多套气层,气层与气层之间致密隔夹层发育;单期孤立型砂体累计气层厚度多分布于3~12 m之间,砂体内部非均质性弱,单套厚气层发育;多期互层型砂体累计气层厚度多分布于3~9 m之间,气层与气层之间泥岩夹层发育。从气砂比分布区间来看,单期孤立型砂体气砂比要明显高于多期叠置型和多期互层型2类砂体(表4图8)。
图8 不同叠置样式砂体气层厚度(a)及气砂比(b)分布区间柱状图

Fig. 8 The gas reservoir thickness(a) and gas sand ratio(b) of different superimposed pattern sand body

3.2.2 物性条件

统计数据表明,单期孤立型砂体气层孔隙度加权平均值分布范围介于10.4%~15.1%之间,平均值为12.5%,气层渗透率加权平均值分布范围介于(0.8~6.6)×10-3 μm2之间,平均值为2.7×10-3 μm2,孔渗条件明显好于多期叠置型和多期互层型砂体,多期互层型砂体孔渗条件最差(表4)。同时通过不同叠置样式砂体物性与米无阻流量之间的散点关系可知,相同物性条件下,单期孤立型砂体的米无阻流量最高,产气能力最大(图9)。
图9 不同叠置样式砂体物性与米无阻流量散点关系图

米无阻流量=测试无阻流量/气层累计厚度

Fig.9 Scatter diagram of physical properties and open flow per meter of different superimposed pattern sand body

3.2.3 含气饱和度

单期孤立型砂体气层含气饱和度加权平均值分布范围介于56.5%~68.2%之间,平均值为59.8%,含气饱和度值同样高于多期叠置型和多期互层型砂体(表4)。同样通过不同叠置样式砂体含气饱和度与物性参数之间的散点关系可知,相同物性条件下,单期孤立型砂体含气饱和度更高,气层充注更加彻底(图10)。
图10 不同叠置样式砂体物性与含气饱和度散点关系图

Fig.10 Scatter diagram of physical properties and gas saturation of different superimposed pattern sand body

3.2.4 日产水量

致密气井产水是导致低产的重要原因之一,统计数据表明,单期孤立型砂体由于含气饱和度高,试气后日产水量最低,平均日产水量仅有0.8 m3,且近88%的井不产水。多期叠置型砂体试气后平均日产水量为5.6 m3,最大日产水量达56.8 m3,近74%的井试气后出水。多期互层型砂体试气后平均日产水量3.6 m3,近92%的井试气后出水(表4图11)。
图11 不同叠置样式砂体测试产水井占比饼状图

Fig.11 Proportion of water producing wells of different superimposed pattern sand body

综上所述,单期孤立型砂体沉积时水动力条件强,物性条件好,多呈“孤立式”分布于分流间湾微相之间,顶底发育厚层泥岩段,气层保存条件好,且砂体内部隔夹层不发育,成藏过程中气体更易充注,含气饱和度高,测试不产水或产水量低,试气后多具自然产能,2021年初在研究区西北部部署的X1-54-5H水平井(图12),目的就是揭示盒1段一套纺锤形单期孤立型砂体,实钻结果显示该井水平段气层钻遇率为100%,射孔无阻流量高达120×104 m3/d,为研究区首口无阻流量破百万立方米井,彰显了该类砂体的巨大潜力。多期叠置型与多期互层型砂体规模大,但砂体内部隔夹层发育,非均质性强,含气饱和度较低,压裂试气后同样可获高产,但具有一定的产水风险,实际生产过程中应做好及时的排液采气措施。该项成果认识在研究区调整井部署方案、单河道砂体的井网部署、井型井轨迹设计以及压裂选层中起到了关键性作用,砂体预测符合率及钻井成功率显著提高。
图12 X1-54-5H井单期孤立型砂体钻探实例

Fig. 12 Drilling example of single-phase thick-bed sand body of Well X1-54-5H

4 结论

(1)参考层序地层学中河道分类的方法,结合河道砂体发育期次、纵向叠置样式,将鄂尔多斯盆地临兴X区块致密气分流河道砂体简化为3种叠置样式,分别为单期孤立型、多期叠置型以及多期互层型。
(2)以不同叠置样式砂体的正演模型为指导,挑选与砂体厚度相关性高的敏感属性进行不同叠置样式砂体平面展布预测,其中单期孤立型砂体横向规模较小,高可容纳空间使得单期砂体相互孤立,平面上呈长条形或纺锤形;多期叠置型砂体由于强水动力以及相对低可容纳空间使得单期砂体之间相互冲刷—切割,平面规模大;多期互层型砂体沉积时期水动力变化快,砂泥岩频繁互层,砂体横向宽度变化快,平面上呈不规则形态。
(3)综合对比不同叠置样式砂体气层厚度、物性、含气饱和度、试气无阻流量、日产水量等参数发现,单期孤立型砂体沉积时水动力条件强,物性条件好,顶底发育厚层泥岩段,气层保存条件好,且砂体内部隔夹层不发育,成藏过程中砂体更易充注,含气饱和度高,测试不产水或产水量低,试气后多具自然产能,是研究区潜力最大的砂体类型。
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