致密氣有效砂體結構模型的構建方法及其應用

郭 智 冀 光 姬鵬程 龐 強 馬 妍

1. 中國石油勘探開發研究院 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

明確有效砂體規模及分布頻率、搭建有效砂體結構模型對于致密氣井網優化調整及氣田高效開發具有重要意義[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，規模小[3-4]、連續性差，預測難度大。氣田于2020年發現，限于開發早期資料少、品質差，且當時國內缺乏開發致密氣的經驗，造成前期的地質認識與實際存在一定的偏差，認為有效砂體規模較大，1 km2發育15～20個有效單砂體。2006年以來，蘇里格氣田開展了9個密井網區的先導試驗，基于密井網試驗區的分析取得了一些重要的突破，然而試驗區最密井距約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。

一方面，氣田堅持“低成本開發”戰略，僅在部分試驗區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中優選富集區尚可，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，氣田氣井產量較低，依靠多井低產的模式實現規模有效開發[5-7]。截至2021年11月底，氣田累計投產開發井1.7萬口以上。大量的開發井中蘊含著豐富的地質及生產動態數據，所表現出的統計學特征即能代表氣田的真實特征。以氣田開發時間較早、開發效果較好、資料較完備的中區為研究對象，綜合野外露頭、沉積物理模擬、測井資料分析等多種手段，結合相控約束理念和地質統計學方法，按照由粗到細—先搭整體框架、再豐富層段細節的研究思路，在明確多層疊合后每平方千米發育有效砂體的規模及個數的基礎上，搭建了各層組有效砂體的結構模型，為開發井網調整及氣田長期穩產提供了較可靠的地質依據。

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造背景下，蘇里格地區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模砂巖分布區[8]。氣田工區面積大，約4 104km2，可分為中區、西區、東區、南區等幾個開發大區，不同區塊地質特征及開發效果差異大。優選氣田地質條件相對好、開發最早、開發效果最好的中區作為研究區。區內主要發育二疊系石盒子組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個開發小層[9-10]。

1.1 有效砂體與基質砂體呈 砂包砂”二元結構

氣田砂體主要包括基質砂體（干層）和有效砂體（含氣層）兩種類型?；|砂體儲層物性較差，但連續性好，大規模連續分布。有效砂體是產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%。有效砂體規模小、連續性差[12-13]，多分布在心灘、河道充填等有利沉積微相，與分布廣泛的基質砂巖呈“砂包砂”二元結構（圖1）。

圖1 不同井距下的儲層砂體連通圖

在開發早期1 600 m的較大井距下，有效砂體看似連通，在開發中后期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、側向搭接等形成相對較大規模。因此，研究有效單砂體的規模及頻率是落實氣田有效儲層分布特征的重要基礎。

1.2 多套含氣層系疊合后含氣面積較大

各層段有效砂體發育頻率、鉆遇率和累計厚度等是評價儲層發育情況的重要地質參數[14]。其中，某層段有效砂體發育頻率為該層段鉆遇的有效砂體個數與全部有效砂體個數的比值，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與所有完鉆井數的比值；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計。

根據研究區石6 780口直井的統計結果，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段有效砂體最為發育[15]。

表1 蘇1里格氣田中區儲層基本參數表

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），含氣面積占區塊面積的95%以上（圖2）。儲層地質及開發特征表現出“井井難高產、井井不落空”的特征[16]，這就提示我們可以用均質性的眼光看待強非均性的問題，在優選開發富集區的基礎上，整體部署井位。

圖2 蘇里格中區XX區塊有效砂體等厚圖

1.3 有效砂體厚度與氣井產能關系密切

分析表明，有效厚度差異對氣井產能的影響遠比孔隙度、含氣飽和度等參數變化對氣井產能影響大[17-18]。有效厚度與儲量豐度的相關系數在0.9以上，與氣井產能的相關系數在0.7以上（圖3a、圖3b），而含氣飽和度、孔隙度與氣井產能的相關系數小于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條件的變化。

圖3 氣井產能與有效厚度、儲量豐度、含氣飽和度及孔隙度的關系圖

2 有效砂體結構模型的構建

建立有效砂體結構模型，需要明確各層段有效砂體的規模、分布及組合關系。為了得到普遍規律，對地質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性，即多層疊合后，認為1 km2內有效砂體發育會有所差異，但每1 km2內發育的有效砂體與其他任何1 km2的發育的有效砂體特征是一致的；二是將某一層段內的有效砂體視作具有統一的孔隙度、滲透率及含氣飽和度等參數，用有效砂體厚度這一參數表征地質條件的變化，而不同層段的孔隙度、含氣飽和度等參數是不同的；三是鑒于孤立型有效單砂體占氣田有效砂體的80%以上，將儲層的結構等效成有效單砂體在空間的堆疊。結合測井、地質、氣藏工程等多學科資料，按照先搭整體框架、再豐富層段細節的研究思路，將有效砂體結構模型的構建過程分成4步：落實有效單砂體規模；評價多層疊合后1 km2內有效單砂體發育個數；明確垂向上不同層段有效單砂體規模；表現不同層段不同規模有效砂體的空間組合關系，建立儲層結構模型。

2.1 有效單砂體平均規模

2.1.1 有效單砂體厚度

根據鉆井資料可獲得較準確的有效砂體厚度數據。研究區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，在此范圍的有效砂體占有效砂體總數的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）直井密井網解剖及水平井實鉆剖面

根據直井密井網解剖，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。但由于密井網試驗區最小井距為400 m，僅依靠直井井網很難識別300～400 m以下有效砂體，需要結合其他資料進行綜合分析。

研究區水平井的水平段長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，單層不進行計量。為評價有效單砂體的平面規模，選取生產時間長、基本達到擬穩態、只射孔1～2層的氣井，利用動態泄氣范圍論證儲層平面規模。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擬合

根據前人研究成果調研[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，表現為寬厚比、長寬比的數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，表現出從山西組向石盒子組8段，由曲流河沉積向辮狀河轉化的趨勢。

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、長寬比等數據總體在前人研究的數據范圍之內，同時數據范圍更窄，在現場的應用效果更好。根據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發育的有效砂體個數

根據有效單砂體的儲量和1 km2內有效砂體總儲量，可計算出1 km2發育有效單砂體的個數，即有效砂體的發育頻率，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；N表示1 km2發育有效單砂體個數；Gt表示1 km2儲量（數值上等同儲量豐度），108m3。

利用公式（3），根據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Zi為0.927，氣層中部埋深3 300 m，壓力系數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蘊含的儲量。研究區儲量豐度分布在（1.0～2.0）×108m3/km2，平均1.46 108m3/km2，即1 km2地層內蘊含的儲量為1.46 108m3。根據公式（4），求得1 km2發育有效砂體25～30個，平均26個。作為對比，前人認為氣田有效單砂體規模為500 m 700 m，1 km2發育有效砂體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模更小，平均有效單砂體規模為320 m 580 m，1 km2內有效砂體數目更多，有效砂體更加分散。造成有效砂體數目增多、有效單砂體規模減小的原因是本次研究利用了更多的數據點，更充分地結合了地質靜態與生產動態資料，識別出了井間原來難以識別的大量的小的有效單砂體。

根據鉆井數據統計，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育頻率分別為12%、49%、26%、13%（表1），按 1 km2發育26個有效單砂體計算，各層段每1 km2發育有效砂體分別為3、13、7和3個。

2.3 各層段有效單砂體規模

根據研究區4個含氣層段的統計結果，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內儲量分別為 0.143 108m3、0.822 108m3、0.369 108m3及 0.126 108m3。根據公式（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）。計算結果表明，石盒子組8段下亞段、山西組1段不僅有效砂體發育頻率相對高，而且單個有效單砂體的儲量規模也較大。

表2 各層段有效單砂體平均儲量及規模表

表3 各層段不同規模有效砂體參數擬合表

在獲得各層段單砂體儲量的基礎上[21]，再結合各層段有效砂體厚度、孔隙度、飽和度等地質參數（表1），根據公式（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 不同層段不同規模有效單砂體的空間組合關系

根據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1 km2發育的有效單砂體個數分別為7、8、5、3、2及1個。

垂向上結合各層段1 km2內有效砂體發育個數、平均寬度，平面上結合不同寬度規模區間內1 km2有效砂體發育個數，以保證各數據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內不同規模區間的有效砂體發育數（表3）。例如石盒子組8段上亞段1 km2內發育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區間內。

再結合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構模型（圖7）。該模型不是簡單的概念模型，是研究區開發到現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與生產動態數據，能夠較準確反映儲層地質特征，可為氣田開發中后期井網優化、開發對策的調整提供可靠的地質依據。

圖6 各層有效砂體厚度及有效砂體鉆遇率分布圖

圖7 有效砂體規模及空間結構模圖

3 不同井網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，井網移動4次就可以實現對儲層的掃描全覆蓋，對應表4位置0、1、2、3，分別統計在4種位置下井網對不同規模有效砂體的控制程度。根據前面分析，1 km2平均發育7個小于200 m的有效砂體。在400 m井網下，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%?？偟膩砜?，在400 m井距下，1 km2內平均鉆遇了14.25個有效砂體，占有效砂體總數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井網對不同規模有效單砂體的控制程度表

3.2 井網對儲量的控制程度

明確不同井網對儲量的控制程度是開展致密氣井網優化的重要基礎[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。統計不同規模區間內有效儲層的長、寬、厚，可得到小于200 m、≥200～300 m、≥300～400 m、≥400～500 m、≥500～600 m以及≥600m等不同規模區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）。根據各規模區間有效砂體發育個數，可得到1 km2發育有效砂體總體積為16.32 106m3。再結合400 m井網對不同規模有效砂體的控制程度，可計算出該井網鉆遇的不同規模的有效砂體的體積，即12.41 106m3/km2，即400 m井網對儲量的控制程度為76%（表5）。

表5 400 m井網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 井距對應井網密度分別為 2、3、4、8口/km2，在井距300～600 m范圍內，隨著井距減小、井網密度增大，井網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?。▓D8）。這是因為，規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 結論

1）蘇里格氣田有效砂體規模小、連續性差。充分利用開發中的海量數據，結合測井、地質、氣藏工程等多學科資料，按照先搭整體框架、再豐富層段細節的研究思路，提出建立有效砂體結構模型的4步法：落實有效單砂體規模；評價1 km2內有效單砂體發育個數；明確垂向上不同層段有效單砂體規模；表征不同層段不同規模有效砂體的空間組合關系。

2）在儲量豐度約1.5 108m3/km2條件下，1 km2地層平均發育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、側向搭接形成相對較大規模。

3）基于有效砂體結構模型，明確了不同井網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。