郭 智 冀 光 姬鵬程 龐 強 馬 妍

1. 中國石油勘探開發(fā)研究院 2. 中國石油長慶油田公司第五采氣廠 3. 中國石油長慶油田公司第三采氣廠4. 中國石油長慶油田公司第十一采油廠

0 引言

明確有效砂體規(guī)模及分布頻率、搭建有效砂體結(jié)構(gòu)模型對于致密氣井網(wǎng)優(yōu)化調(diào)整及氣田高效開發(fā)具有重要意義[1-2]。蘇里格是我國致密砂巖氣田的典型代表，有效砂體呈透鏡狀，規(guī)模小[3-4]、連續(xù)性差，預測難度大。氣田于2020年發(fā)現(xiàn)，限于開發(fā)早期資料少、品質(zhì)差，且當時國內(nèi)缺乏開發(fā)致密氣的經(jīng)驗，造成前期的地質(zhì)認識與實際存在一定的偏差，認為有效砂體規(guī)模較大，1 km2發(fā)育15～20個有效單砂體。2006年以來，蘇里格氣田開展了9個密井網(wǎng)區(qū)的先導試驗，基于密井網(wǎng)試驗區(qū)的分析取得了一些重要的突破，然而試驗區(qū)最密井距約400 m，使得刻畫和表征寬度在400 m以下的有效砂體仍存在很大的挑戰(zhàn)。

一方面，氣田堅持“低成本開發(fā)”戰(zhàn)略，僅在部分試驗區(qū)做了三維地震資料解釋，兼之二維地震資料對于復雜地表、埋藏深、薄儲層的識別準確率較低，使得地震資料在氣田開發(fā)中優(yōu)選富集區(qū)尚可，應用在有效單砂體預測及井位部署上效果不甚理想。另一方面，氣田氣井產(chǎn)量較低，依靠多井低產(chǎn)的模式實現(xiàn)規(guī)模有效開發(fā)[5-7]。截至2021年11月底，氣田累計投產(chǎn)開發(fā)井1.7萬口以上。大量的開發(fā)井中蘊含著豐富的地質(zhì)及生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)，所表現(xiàn)出的統(tǒng)計學特征即能代表氣田的真實特征。以氣田開發(fā)時間較早、開發(fā)效果較好、資料較完備的中區(qū)為研究對象，綜合野外露頭、沉積物理模擬、測井資料分析等多種手段，結(jié)合相控約束理念和地質(zhì)統(tǒng)計學方法，按照由粗到細—先搭整體框架、再豐富層段細節(jié)的研究思路，在明確多層疊合后每平方千米發(fā)育有效砂體的規(guī)模及個數(shù)的基礎(chǔ)上，搭建了各層組有效砂體的結(jié)構(gòu)模型，為開發(fā)井網(wǎng)調(diào)整及氣田長期穩(wěn)產(chǎn)提供了較可靠的地質(zhì)依據(jù)。

1 有效砂體基本特征

晚二疊世在鄂爾多斯盆地淺水寬緩的構(gòu)造背景下，蘇里格地區(qū)整體為陸相河流相沉積，垂向上河道多期疊置，形成了上萬平方千米的大規(guī)模砂巖分布區(qū)[8]。氣田工區(qū)面積大，約4 104km2，可分為中區(qū)、西區(qū)、東區(qū)、南區(qū)等幾個開發(fā)大區(qū)，不同區(qū)塊地質(zhì)特征及開發(fā)效果差異大。優(yōu)選氣田地質(zhì)條件相對好、開發(fā)最早、開發(fā)效果最好的中區(qū)作為研究區(qū)。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育二疊系石盒子組8段上亞段、8段下亞段、山西組1段、2段等4套含氣砂組，共10個開發(fā)小層[9-10]。

1.1 有效砂體與基質(zhì)砂體呈 砂包砂”二元結(jié)構(gòu)

氣田砂體主要包括基質(zhì)砂體（干層）和有效砂體（含氣層）兩種類型?；|(zhì)砂體儲層物性較差，但連續(xù)性好，大規(guī)模連續(xù)分布。有效砂體是產(chǎn)能的主要貢獻者和儲量計算的主體，為普遍致密背景下相對高滲的甜點，孔隙度大于等于5%，滲透率大于等于0.1mD[11]，含氣飽和度大于等于45%。有效砂體規(guī)模小、連續(xù)性差[12-13]，多分布在心灘、河道充填等有利沉積微相，與分布廣泛的基質(zhì)砂巖呈“砂包砂”二元結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 不同井距下的儲層砂體連通圖

在開發(fā)早期1 600 m的較大井距下，有效砂體看似連通，在開發(fā)中后期800 m、400 m小井距下，鉆井資料證實有效砂體是不連通的（圖1）。786口水平井實鉆剖面表明，氣田有效砂體以孤立分布為主（占比82%），僅18%的有效砂體以垂向疊置、側(cè)向搭接等形成相對較大規(guī)模。因此，研究有效單砂體的規(guī)模及頻率是落實氣田有效儲層分布特征的重要基礎(chǔ)。

1.2 多套含氣層系疊合后含氣面積較大

各層段有效砂體發(fā)育頻率、鉆遇率和累計厚度等是評價儲層發(fā)育情況的重要地質(zhì)參數(shù)[14]。其中，某層段有效砂體發(fā)育頻率為該層段鉆遇的有效砂體個數(shù)與全部有效砂體個數(shù)的比值，所有層段之和為100%；某層段有效砂體鉆遇率為該層段鉆遇有效砂體的井數(shù)與所有完鉆井數(shù)的比值；某層段有效砂體平均厚度是該層段所有鉆遇有效砂體的井的鉆遇厚度的平均值，在該層段不鉆遇有效砂體的井不參與統(tǒng)計。

根據(jù)研究區(qū)石6 780口直井的統(tǒng)計結(jié)果，石盒子組8段、山西組1段、2段等各含氣層段有效砂體發(fā)育程度差異較大，有效砂體鉆遇率各層段變化范圍為26.6%～93.2%；有效砂體發(fā)育頻率范圍為12%～48%，各層段有效砂體厚度為2.36～8.73 m（表1）。各層段中，以石盒子組8段、山西組1段有效砂體最為發(fā)育[15]。

表1 蘇1里格氣田中區(qū)儲層基本參數(shù)表

4個含氣層段疊合后，單井累計鉆遇有效砂體3～5個，單井累計鉆遇有效厚度8～15 m，平均12.97 m。合層有效砂體鉆遇率達到97.4%（表1），含氣面積占區(qū)塊面積的95%以上（圖2）。儲層地質(zhì)及開發(fā)特征表現(xiàn)出“井井難高產(chǎn)、井井不落空”的特征[16]，這就提示我們可以用均質(zhì)性的眼光看待強非均性的問題，在優(yōu)選開發(fā)富集區(qū)的基礎(chǔ)上，整體部署井位。

圖2 蘇里格中區(qū)XX區(qū)塊有效砂體等厚圖

1.3 有效砂體厚度與氣井產(chǎn)能關(guān)系密切

分析表明，有效厚度差異對氣井產(chǎn)能的影響遠比孔隙度、含氣飽和度等參數(shù)變化對氣井產(chǎn)能影響大[17-18]。有效厚度與儲量豐度的相關(guān)系數(shù)在0.9以上，與氣井產(chǎn)能的相關(guān)系數(shù)在0.7以上（圖3a、圖3b），而含氣飽和度、孔隙度與氣井產(chǎn)能的相關(guān)系數(shù)小于0.1（圖3c、圖3d）。另一方面，各層段有效砂體孔隙度主要分布在6.15%～9.21%、含氣飽和度分布在48.36%～56.37%，基本呈正態(tài)分布（表1），差別并不大。因此可用有效砂體厚度或儲量豐度來表征地質(zhì)條件的變化。

圖3 氣井產(chǎn)能與有效厚度、儲量豐度、含氣飽和度及孔隙度的關(guān)系圖

2 有效砂體結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建

建立有效砂體結(jié)構(gòu)模型，需要明確各層段有效砂體的規(guī)模、分布及組合關(guān)系。為了得到普遍規(guī)律，對地質(zhì)條件作了一定的抽提和簡化：一是淡化了儲層的平面非均質(zhì)性，即多層疊合后，認為1 km2內(nèi)有效砂體發(fā)育會有所差異，但每1 km2內(nèi)發(fā)育的有效砂體與其他任何1 km2的發(fā)育的有效砂體特征是一致的；二是將某一層段內(nèi)的有效砂體視作具有統(tǒng)一的孔隙度、滲透率及含氣飽和度等參數(shù)，用有效砂體厚度這一參數(shù)表征地質(zhì)條件的變化，而不同層段的孔隙度、含氣飽和度等參數(shù)是不同的；三是鑒于孤立型有效單砂體占氣田有效砂體的80%以上，將儲層的結(jié)構(gòu)等效成有效單砂體在空間的堆疊。結(jié)合測井、地質(zhì)、氣藏工程等多學科資料，按照先搭整體框架、再豐富層段細節(jié)的研究思路，將有效砂體結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建過程分成4步：落實有效單砂體規(guī)模；評價多層疊合后1 km2內(nèi)有效單砂體發(fā)育個數(shù)；明確垂向上不同層段有效單砂體規(guī)模；表現(xiàn)不同層段不同規(guī)模有效砂體的空間組合關(guān)系，建立儲層結(jié)構(gòu)模型。

2.1 有效單砂體平均規(guī)模

2.1.1 有效單砂體厚度

根據(jù)鉆井資料可獲得較準確的有效砂體厚度數(shù)據(jù)。研究區(qū)6 780口直井鉆遇約2.5萬個有效單砂體，厚度主要分布在1.5～5.0 m范圍內(nèi)，在此范圍的有效砂體占有效砂體總數(shù)的86%，平均厚度3.2 m。分層段來看，4個砂組的有效單砂體平均厚度分別為2.32 m、3.43 m、3.20 m和2.96 m。

2.1.2 有效單砂體寬度及長度

結(jié)合多資料、多方法研究有效單砂體寬度與長度。

1）直井密井網(wǎng)解剖及水平井實鉆剖面

根據(jù)直井密井網(wǎng)解剖，600 m井距下，連通的有效儲層占比小于10%；500 m井距下，連通的有效儲層占比為介于10%～20%；400 m井距下，連通的有效砂體占有效砂體總數(shù)的介于20%～30%，反映出有效砂體寬度總體應小于400 m。但由于密井網(wǎng)試驗區(qū)最小井距為400 m，僅依靠直井井網(wǎng)很難識別300～400 m以下有效砂體，需要結(jié)合其他資料進行綜合分析。

研究區(qū)水平井的水平段長1 000～1 200 m，鉆遇有效砂體總長度400～900 m，一般鉆遇1～2個有效砂體，根據(jù)水平段方位與有效砂體展布夾角以及水平井實鉆軌跡可計算有效砂體長度為400～700 m。

2）氣井泄氣范圍評價

氣田采用多層射孔、多層合采方式進行開發(fā)，單層不進行計量。為評價有效單砂體的平面規(guī)模，選取生產(chǎn)時間長、基本達到擬穩(wěn)態(tài)、只射孔1～2層的氣井，利用動態(tài)泄氣范圍論證儲層平面規(guī)模。分析表明，63%的氣井泄氣范圍小于0.24 km2，24%的井在0.24～0.48 km2，僅13%的井大于0.48 km2，氣井平均泄氣范圍0.20 km2，泄氣半徑主要分布在200～300 m。

3）長寬比和寬厚比參數(shù)擬合

根據(jù)前人研究成果調(diào)研[19-20]，鄂爾多斯盆地二疊系下石盒子組8段、山西組1段、2段心灘、河道充填寬厚比為50～120，長寬比為1.2～3.0。結(jié)合山西柳林等地野外露頭觀測和沉積物理模擬實驗，擬合了研究區(qū)有效單砂體的寬厚比、長寬比公式，即

式中W為有效單砂體寬度，m；h為有效單砂體厚度，m；L為有效單砂體長度，m

根據(jù)式（1）、式（2），有效砂體寬度、長度隨有效砂體厚度的增加而增大，但增幅會越來越慢，表現(xiàn)為寬厚比、長寬比的數(shù)值隨著厚度的增加越來越小。有效砂體厚度從1 m增加到10 m，寬厚比由218降至50，長寬比由2.44降至1.34。氣田河流相儲層主要包括曲流河和辮狀河兩種類型（圖4）。曲流河沉積水動力弱，邊灘為主體有利相帶，橫向遷移頻繁，以側(cè)向加積為主，砂體厚度薄，寬度大，寬厚比、長寬比大。作為對比，辮狀河沉積水動力強，坡降大，心灘為主體有利相帶，以垂向加積為主，砂體厚度大，寬厚比、長寬比小。寬厚比、長寬比隨有效砂體厚度增加而降低，表現(xiàn)出從山西組向石盒子組8段，由曲流河沉積向辮狀河轉(zhuǎn)化的趨勢。

圖4 曲流河邊灘與辮狀河心灘沉積位置及橫剖面圖

當有效單砂體厚度為2～5 m時，代入公式（1），得到寬厚比范圍78～140；代入公式（2），得到長寬比范圍1.60～2.04。本研究得到的寬厚比、長寬比等數(shù)據(jù)總體在前人研究的數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)，同時數(shù)據(jù)范圍更窄，在現(xiàn)場的應用效果更好。根據(jù)長寬比與寬厚比擬合公式，得到有效單砂體在各寬度和長度區(qū)間的分布頻率，有效單砂體寬度主要分布在100～500 m，平均320 m；長度主要分布在300～700 m，平均580 m（圖5）；有效單砂體平均面積為0.186 km2，與泄氣范圍評價結(jié)果基本吻合。

圖5 有效單砂體寬度、長度分布直方圖

2.2 1 km2發(fā)育的有效砂體個數(shù)

根據(jù)有效單砂體的儲量和1 km2內(nèi)有效砂體總儲量，可計算出1 km2發(fā)育有效單砂體的個數(shù)，即有效砂體的發(fā)育頻率，計算公式為：

式中G表示有效單砂體儲量，108m3；A表示有效單砂體平均面積，km2；h表示有效單砂體平均厚度，m；q表示氣層平均孔隙度；Sg表示原始含氣飽和度；Tsc表示地面標準溫度，K；pi表示氣藏原始地層壓力，MPa；psc表示地面標準壓力，MPa；Ti表示平均氣層溫度，K；Zi表示原始氣體偏差系數(shù)；N表示1 km2發(fā)育有效單砂體個數(shù)；Gt表示1 km2儲量（數(shù)值上等同儲量豐度），108m3。

利用公式（3），根據(jù)容積法計算單個有效砂體的儲量。有效單砂體平均含氣面積為0.186 km2，平均厚度為3.2 m，平均孔隙度為7.5%，平均含氣飽和度為53.5%，地面標準溫度為293.15，地面標準壓力為0.1 MPa。原始氣體偏差系數(shù)Zi為0.927，氣層中部埋深3 300 m，壓力系數(shù)0.87，計算氣藏原始地層壓力為28.8 MPa。地溫梯度3 K/hm，計算平均氣層溫度為389.15 K。將上述參數(shù)代入公式（3），可計算單個有效砂體的平均儲量為0.055 9 108m3。

儲量豐度定義為單位面積儲層內(nèi)蘊含的儲量。研究區(qū)儲量豐度分布在（1.0～2.0）×108m3/km2，平均1.46 108m3/km2，即1 km2地層內(nèi)蘊含的儲量為1.46 108m3。根據(jù)公式（4），求得1 km2發(fā)育有效砂體25～30個，平均26個。作為對比，前人認為氣田有效單砂體規(guī)模為500 m 700 m，1 km2發(fā)育有效砂體15～20個，平均18個。相比于前人認識，本研究認為有效單砂體的規(guī)模更小，平均有效單砂體規(guī)模為320 m 580 m，1 km2內(nèi)有效砂體數(shù)目更多，有效砂體更加分散。造成有效砂體數(shù)目增多、有效單砂體規(guī)模減小的原因是本次研究利用了更多的數(shù)據(jù)點，更充分地結(jié)合了地質(zhì)靜態(tài)與生產(chǎn)動態(tài)資料，識別出了井間原來難以識別的大量的小的有效單砂體。

根據(jù)鉆井數(shù)據(jù)統(tǒng)計，石盒子組8段上亞段、下亞段、山西組1段、2段等各層段有效砂體發(fā)育頻率分別為12%、49%、26%、13%（表1），按 1 km2發(fā)育26個有效單砂體計算，各層段每1 km2發(fā)育有效砂體分別為3、13、7和3個。

2.3 各層段有效單砂體規(guī)模

根據(jù)研究區(qū)4個含氣層段的統(tǒng)計結(jié)果，石盒子組8段上亞段、下亞段、山西組1段、2段等各層段儲量占比分別為10%、56%、25%和9%（表2），按照平均儲量豐度1.46 108m3/km2計算，則各層段1 km2內(nèi)儲量分別為 0.143 108m3、0.822 108m3、0.369 108m3及 0.126 108m3。根據(jù)公式（4），可計算出各層段有效單砂體儲量分別為0.0475 108m3、0.063 3 108m3、0.052 7 108m3及 0.042 0 108m3（表3）。計算結(jié)果表明，石盒子組8段下亞段、山西組1段不僅有效砂體發(fā)育頻率相對高，而且單個有效單砂體的儲量規(guī)模也較大。

表2 各層段有效單砂體平均儲量及規(guī)模表

表3 各層段不同規(guī)模有效砂體參數(shù)擬合表

在獲得各層段單砂體儲量的基礎(chǔ)上[21]，再結(jié)合各層段有效砂體厚度、孔隙度、飽和度等地質(zhì)參數(shù)（表1），根據(jù)公式（3）反算，可得到石盒子組8段上、下亞段、山西組1段、2段有效單砂體面積分別為0.169、0.199、0.177、0.147 km2。將有效單砂體近似看成平行四邊形，則面積為長度與寬度之積，結(jié)合公式（2）和公式（5），可得到各層段有效單砂體平均寬度分別為293、333、303、272 m（表2）。面積計算公式為：

式中A表示砂體面積，m2；W表示砂體寬度，m；L表示砂體長度，m。

2.4 不同層段不同規(guī)模有效單砂體的空間組合關(guān)系

根據(jù)有效單砂體寬度分布頻率直方圖（圖5），寬度范圍在＜200 m、≥200～300 m、≥300～400 m、≥400～500 m、≥500～600 m以及≥600 m的有效單砂體分布頻率分別為27%、30%、19%、12%、8%及4%，得到各寬度范圍內(nèi)1 km2發(fā)育的有效單砂體個數(shù)分別為7、8、5、3、2及1個。

垂向上結(jié)合各層段1 km2內(nèi)有效砂體發(fā)育個數(shù)、平均寬度，平面上結(jié)合不同寬度規(guī)模區(qū)間內(nèi)1 km2有效砂體發(fā)育個數(shù)，以保證各數(shù)據(jù)之間匹配性和契合性為前提，求解系列方程組，得到各砂組1 km2內(nèi)不同規(guī)模區(qū)間的有效砂體發(fā)育數(shù)（表3）。例如石盒子組8段上亞段1 km2內(nèi)發(fā)育3個有效砂體，其中1個有效單砂體寬度小于200 m，另外2個有效單砂體寬度范圍在200～300 m區(qū)間內(nèi)。

再結(jié)合10個小層的有效砂體厚度及有效砂體鉆遇率（圖6），可建立精確到小層級別的有效砂體的空間結(jié)構(gòu)模型（圖7）。該模型不是簡單的概念模型，是研究區(qū)開發(fā)到現(xiàn)階段所有認識的綜合，在搭建的過程中充分利用了海量的地質(zhì)與生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)，能夠較準確反映儲層地質(zhì)特征，可為氣田開發(fā)中后期井網(wǎng)優(yōu)化、開發(fā)對策的調(diào)整提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

圖6 各層有效砂體厚度及有效砂體鉆遇率分布圖

圖7 有效砂體規(guī)模及空間結(jié)構(gòu)模圖

3 不同井網(wǎng)對于有效砂體和儲量的控制程度分析

用不同井距對有效砂體進行切割掃描，相當于用布虛擬井的方式評價井網(wǎng)對有效砂體及儲量的控制程度。兼顧科學性和實用性，選取100 m為移動步長（圖7）。

3.1 井網(wǎng)對有效砂體的控制程度

以400 m井距為例，在步長為100 m條件下，井網(wǎng)移動4次就可以實現(xiàn)對儲層的掃描全覆蓋，對應表4位置0、1、2、3，分別統(tǒng)計在4種位置下井網(wǎng)對不同規(guī)模有效砂體的控制程度。根據(jù)前面分析，1 km2平均發(fā)育7個小于200 m的有效砂體。在400 m井網(wǎng)下，通過4次掃描平均控制住了1.25個（表4），則對于小于200 m有效砂體的控制程度為1.25/7=18%。同理可得400 m井距對≥200～300 m、≥300～400 m及≥400 m有效砂體的控制程度分別為44%、80%、100%。總的來看，在400 m井距下，1 km2內(nèi)平均鉆遇了14.25個有效砂體，占有效砂體總數(shù)26個的57%，即400 m井距對有效砂體的控制程度為57%。

表4 400 m井網(wǎng)對不同規(guī)模有效單砂體的控制程度表

3.2 井網(wǎng)對儲量的控制程度

明確不同井網(wǎng)對儲量的控制程度是開展致密氣井網(wǎng)優(yōu)化的重要基礎(chǔ)[22-23]。在一定的有效砂體厚度下，鑒于有效砂體物性及含氣性相差不大，在分析不同井網(wǎng)對儲量的控制程度時，可用各有效砂體的體積比近似代替儲量比。統(tǒng)計不同規(guī)模區(qū)間內(nèi)有效儲層的長、寬、厚，可得到小于200 m、≥200～300 m、≥300～400 m、≥400～500 m、≥500～600 m以及≥600m等不同規(guī)模區(qū)間有效單砂體的體積分別為0.21、0.44、0.72、1.04、1.40、1.79 106m3（表5）。根據(jù)各規(guī)模區(qū)間有效砂體發(fā)育個數(shù)，可得到1 km2發(fā)育有效砂體總體積為16.32 106m3。再結(jié)合400 m井網(wǎng)對不同規(guī)模有效砂體的控制程度，可計算出該井網(wǎng)鉆遇的不同規(guī)模的有效砂體的體積，即12.41 106m3/km2，即400 m井網(wǎng)對儲量的控制程度為76%（表5）。

表5 400 m井網(wǎng)對儲量的控制程度計算表

用同樣方法，可計算出600 m、500 m、400 m、300 m等不同井網(wǎng)對有效砂體的控制程度分別為38%、47%、57%及69%，對儲量的控制程度分別53%、66%、76% 及 84%。600 m、500 m、400 m、300 m 井距對應井網(wǎng)密度分別為 2、3、4、8口/km2，在井距300～600 m范圍內(nèi)，隨著井距減小、井網(wǎng)密度增大，井網(wǎng)對有效砂體控制程度的增幅不斷增大，對儲量控制程度的增幅越來越小（圖8）。這是因為，規(guī)模較小的有效砂體的分布頻率較大，然而它們對儲量的貢獻程度有限。

4 結(jié)論

1）蘇里格氣田有效砂體規(guī)模小、連續(xù)性差。充分利用開發(fā)中的海量數(shù)據(jù)，結(jié)合測井、地質(zhì)、氣藏工程等多學科資料，按照先搭整體框架、再豐富層段細節(jié)的研究思路，提出建立有效砂體結(jié)構(gòu)模型的4步法：落實有效單砂體規(guī)模；評價1 km2內(nèi)有效單砂體發(fā)育個數(shù)；明確垂向上不同層段有效單砂體規(guī)模；表征不同層段不同規(guī)模有效砂體的空間組合關(guān)系。

2）在儲量豐度約1.5 108m3/km2條件下，1 km2地層平均發(fā)育25～30個有效單砂體，平均厚2～5 m，寬200～500 m，長300～700 m。氣田82%的有效砂體為單層孤立型，18%通過垂向疊置、側(cè)向搭接形成相對較大規(guī)模。

3）基于有效砂體結(jié)構(gòu)模型，明確了不同井網(wǎng)對于有效砂體和儲量的控制程度。在井距600 m、500 m、400 m、300 m下可分別控制38%、47%、57%、69%的有效砂體及53%、66%、76%、84%的儲量。隨著井密度的增加，井網(wǎng)對有效砂體控制程度的增幅變大，對儲量控制程度的增幅減小。