扇三角洲沉积高分辨率层序对比及其对油藏开发的指导意义:以柳北油田Ⅳ2砂组为例
刘丽1, 2,张廷山1,赵晓明1, 2,吴胜和3,岳文珍4,齐立新4
(1. 西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川 成都,610500;
2. 西南石油大学 地球科学与技术学院,四川 成都,610500;
3. 中国石油大学 地球科学学院,北京,102249;
4. 中国石油冀东油田勘探开发研究院,河北 唐山,063004)
摘要:以柳北油田Ⅳ2砂组为例,应用高分辨率层序地层学原理,以分级控制、模式指导、相控约束为对比方法,重建研究区扇三角洲高分辨率层序地层格架,并指出其对油田开发的指导意义。研究结果表明:中期旋回是受强烈构造活动产生的异旋回,其基准面的变化使得不同期次的沉积地层中微量元素、放射性等存在明显差异,造成Ⅳ2砂组顶界面上下自然伽马存在具有等时意义的拐点;短期旋回是自旋回或受自旋回干扰的异旋回,其基准面的变化造成不同期次间存在明显前积现象,前积角度为2°~5°,且层序地层自下而上倾角逐渐减小;超短期旋回是自旋回,其基准面的变化造成砂体叠置方式呈独立型、叠加型和切叠型,受水动力条件的控制,扇三角洲砂体往往以叠加型和切叠型2种叠置模式为主;短期旋回(小层)规模的注采关系不完善,导致剩余油分布。
关键词:扇三角洲;柳北油田;层序格架;沉积旋回
中图分类号:P624 文献标志码:A 文章编号:1672-7207(2014)07-2278-11
High-resolution sequence stratigraphy for fan delta and its implacations in oil reservoir development: A case study of Ⅳ2 group in Liubei Oilfield
LIU Li1, 2, ZHANG Tingshan1, ZHAO Xiaoming1, 2, WU Shenghe3, YUE Wenzhen4, QI Lixin4
(1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University,
Chengdu 610500, China;
2. School of Geoscience and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;
3. College of Geosciences, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;
4. Exploration and Development Research Institution of PetroChina Jidong Oilfield, Tangshan 063004, China)
Abstract: The principle of the high resolution sequence stratigraphy was applied to rebuild high resolution sequence stratigraphy frameworks of target zone by the methods of “classification controlling”, “model guiding” and “facies restricted”, and the important references for oil field development were pointed out. The results show that the medium-term cycles are allogenetic cycles by strong structural activities, and the change of datum level makes microelement and radioactivity difference in different periods sedimentary formations so that it exists GR inflection point with age equivalence up and down the top of Ⅳ2 sand group. The short-term cycles are autocycles or allogenetic cycles disturbed by autocycles, and the change of datum level makes forest with 2°-5° dip angle among different periods, and the dip angle of sequence stratigraphic decreases from bottom to top. The ultra short-term cycles are autocycles, and the change of datum level makes three kinds of superimposed sand, i.e. isolated pattern, overlying pattern and inclosed pattern. The short-term cycles with perfect injection-production relationship in appearance are faulty in actuality, which leads to the distribution of the remaining oil.
Key words: fan delta; Liubei Oilfield; sequence stratigraphic framework; sedimentary cycles
扇三角洲沉积是当今世界油气勘探开发的重点[1-3],然而其地层对比难度远比河流相、深水浊积相等沉积类型的对比难度大[4-6]。原因是该沉积类型具有地形坡降大、沉积面积小,近物源、粒粗和成熟度低等特点[7-9],造成砂体横向变化快,地层对比难度大,油藏注水开发效果差,剩余油分布往往认识不清,从而严重降低油藏的采收率,柳北油田Ⅳ2砂组扇三角洲油藏就是一例。为此,本文采用高分辨率层序地层对比方法,针对柳北油田Es33油藏主力含油层段Ⅳ2砂组存在的问题:① 缺少标志层控制,造成中期旋回界面位置难以确定;② 地层发育模式不清楚,使得短期旋回横向对比无理论依据;③ 单砂体空间叠置模式认识不足,造成超短期旋回对应关系不明确;开展Ⅳ2砂组的中期旋回、短期旋回和超短期旋回划分与对比,构建高分辨率层序地层格架,这不仅对该油田提高采收率具有重要的指导意义,而且对扇三角储层精细地层对比研究也具有一定的借鉴意义。
1 研究区概况
1.1 构造概况
柳北油田Es33油藏是一个以扇三角洲沉积为主体的中-高渗油藏。自1991年钻探柳13x1井试获工业油流以来,已成功钻探156口。
研究区构造位于南堡凹陷东北部,西邻拾场次洼,南接柳中油田,东北界为柏各庄大断层(见图1)。柳赞构造形成于沙三段(Es3)早期,定型于明化镇期,其中沙河街组整体上为一同沉积背斜,向盆地边缘演变为沿柏各庄断层下降盘分布的裙边断鼻构造带。背斜长轴近南北向,东侧翼部地层较缓,西侧翼部地层较陡。整体表现为一个位于柏各庄断层下降盘陡岸带的由若干沉积体叠置、差异压实后的沉积背斜或断鼻,研究区即为其中的一个断鼻构造[10]。
1.2 地层沉积概况
沙河街组沙三段(Es3)为一套扇三角洲砂泥岩沉积,厚度为600~2 000 m。从下至上细分为三粗两细5个岩性段,即Es35,Es34,Es33,Es32和Es31,其中Es34和Es32为细粒岩性段。下部以砂岩和砂砾岩为主,夹灰褐色、绿色、灰绿色和灰色泥岩;中部以深灰色、灰黑色泥岩和油页岩为主,夹薄层砂岩;上部为一套粗碎屑砂岩、含砾砂岩与深灰色泥岩层段。其中,目的层段Es33受同沉积断层柏各庄断层活动及古斜坡地形的影响, 形成了近源快速堆积沉积、分选差、成熟度低的典型扇三角洲沉积[11]。
图1 柳北油田构造位置图(据冀东油田勘探开发研究院, 2011)
Fig. 1 Location map of Liubei oil field (Exploration and Development Research Institution of PetroChina Jidong Oilfield, 2011)
2 高分辨率层序地层格架的建立
受自旋回和异旋回作用的控制,陆相湖盆内部扇三角洲沉积单元分布复杂[12],地层对比难度大。为此应用高分辨率层序地层学原理和方法,分中期旋回、短期旋回和超短期旋回3个层次,建立Ⅳ2砂组高分辨率层序地层格架。
2.1 中期旋回识别
中期旋回是一套相当于砂组级别的沉积序列,是受强烈构造活动产生的异旋回,由于其内部的短期旋回纵向叠加呈现出旋回性(正旋回或反旋回),因此,若无标志层控制,则对比中易出现砂组级别整体串层现象。因此,识别出具有等时意义的标志层,对于控制中期级别的旋回对比有重要意义。
由于扇三角洲沉积具较强的下切作用,因此,某些中期旋回界面缺乏具一定厚度且分布稳定的湖泛泥岩作为标志层,为此,寻找到具有等时意义的沉积层作为对比标志相当重要。柳北地区所在的南堡凹陷在古近系沙河街组经历了强烈的地质构造作用,东南侧和北侧的西南庄、柏各庄大断层受断块差异升降活动影响,展布方向自西向东由北西向逐渐转为东西向,早第三纪中晚期这两大同沉积断层活动强烈,在中生代隆起的基础上,形成高柳构造带同沉积背斜构造,向盆地边缘演变为沿柏各庄断层下降盘发育的鼻状构造群,研究区即为断鼻构造之一[13-16]。在这一演化过程中,必然伴随不同强度的异旋回作用,造成不同时期沉积条件(如物源区供应物成分类型)存在差异,从而可能形成具有等时意义的富含特殊矿物的沉积层。
为此,在研究区寻找到了特征明显、全区分布稳定且具等时意义的标志层,即自然伽马曲线拐点标志层。如图2所示:拐点之上自然伽马值明显变低,基线值为75 API左右,拐点之下则显著变大,基线值为85 API左右,拐点所在界面上下自然伽马曲线值变化幅度大,明显清晰易识别,且在研究区范围内分布稳定。
产生上述现象的原因必然与岩石的矿物成分类型有关,为此,选取了LBJ1-10井22个砂岩样品,开展了全岩矿物分析(见表1),结果表明:在界面上下钾长石的质量分数变化较大,其中界面之上钾长石的质量分数低,为8%~10%,平均值为9%;而界面之下钾长石质量分数高,为10%~19%,平均值为15%。可见:造成自然伽马线产生拐点的原因在于上下两套沉积层的钾长石质量分数不同。
从成因上分析,研究区受早第三纪中晚期西南庄、柏各庄大断层强烈活动的影响,可容空间和沉积物源的供应条件发生重大的变化,中期旋回层次的湖侵抑制了高伽马物源供应,使得不同期次的沉积地层中微量元素、放射性等存在明显差异,因此,该自然伽马拐点界面具有等时意义,且可作为Ⅳ2砂组所对应的中期旋回的顶界面。
2.2 短期旋回对比模式建立
根据沉积物供给速率和可容纳空间增长速率的关系,扇三角洲分为退积型、加积型和进积型3种类型[17]。其中进积型扇三角洲是形成于湖水水体逐渐变浅,物源供应充分,盆地可容空间增长速率小于沉积物供给速率,处于过补偿性沉积状态的地区。焦养泉等[18]认为南堡凹陷在Es33处于湖退期,且物源充足,进积型扇三角洲极为发育。而短期旋回是自旋回或受自旋回干扰的异旋回[12],其基准面的变化造成进积型扇三角洲不同期次间存在前积现象。为此,在依据湖泛泥岩位置划分出7个短期旋回的基础上,对研究区顺物源方向井距较小的井进行重点对比,结果表明7个短期旋回呈现出前积的沉积特点,且计算其前积倾角为2°~5°。如图3所示。LC13-14井和L13-14井井距为95.8 m,小层间湖泛泥岩分界线清晰,2口井的自然伽马曲线、电阻率曲线和自然电位测井曲线具较好相似性,划分结果可靠性高。在此基础上,将Ⅳ2砂组顶自然伽马标志层界面拉平,可见Ⅳ22,Ⅳ25和Ⅳ26短期旋回顶与Ⅳ2砂组顶并非平行,而是呈现出一定的角度,为典型的前积沉积模式。应用井距和深度参数,计算出Ⅳ22,Ⅳ25和Ⅳ26短期旋回的前积倾角分别为2°,3°和5°,前积角度从下至上逐渐减小。可见,精细地层对比中,研究区中期旋回内的5个短期旋回,为前积倾角逐渐减小直至为0°的“斜对”而非“平对”的沉积模式。
图2 LB3-9-13井—LBJ1-10井顺物源方向中期旋回地层对比剖面图
Fig. 2 Stratigraphic profile for medium-term cycles in same direction of provenance (LB3-9-13—LBJ1-10)
表1 LBJ1-10井全岩矿物含量
Table 1 Component of XRD analysis (LBJ1-10)
在前积对比模式的指导下,对研究区进行了重新地层对比。如图4所示,短期旋回表现为由湖盆边缘向湖心逐渐变厚,垂向上,总体表现为粒度向上变粗的反旋回。
2.3 超短期旋回叠置类型分析
超短期旋回与单层级别对应,主要受自旋回作用控制[12]。在扇三角洲沉积背景下,由于扇体的不断摆动以及辫状水道和舌状坝的冲刷改道作用,不同时期的单层砂岩相互叠置,形成厚层砂岩沉积。因此,合理正确的进行单层劈分,有利于开发中后期的注水开发对应关系的落实以及探测剩余油的分布。综合砂岩体之间泥岩残留情况、测井曲线回返及邻井地层特征等,识别出研究区砂体主要有独立型、叠加型和切叠型3种叠置类型。受水动力条件的控制,扇三角洲砂体往往以叠加型和切叠型2种叠置模式为主。
图3 LC13-14井—L13-14井顺物源方向短期旋回地层对比剖面图
Fig. 3 Stratigraphic profile for short-term cycles in same direction of provenance (LC13—14-L13-14)
图4 LB3-9-11井—LB1-23井顺物源方向短期旋回地层对比剖面图
Fig. 4 Stratigraphic profile for short-term cycles in same direction of provenance (LB3-9-11—LB1-23)
2.3.1 独立型
某一时期沉积的2套或多套砂体之间有一定厚度的泥岩相隔,纵向层序保持完整。如图5中L15-18井和L9-14井Ⅳ25-1,Ⅳ25-2和Ⅳ25-3单层内的舌状坝沉积,在单层间发育一定厚度的泥岩,在自然伽马、自然电位和电阻率曲线上都有明显回返,因此,可以将砂底作为2个单层的界面。由于河口坝砂体的下切程度相对较弱,因此,独立型砂体叠置关系主要出现在垂向为舌状坝砂体叠加的超短期旋回地层中。
2.3.2 叠加型
上下相互叠置单元的砂体之间有少量的泥岩沉积,沉积在2套砂体之间泥岩,有部分被后期沉积的砂体下切侵蚀。如图6中L13-17井Ⅳ25-1,Ⅳ25-2和Ⅳ25-3单层内的辫状水道和河口坝沉积,自然伽马、自然电位和电阻率曲线上都有一定的回返,因此,将Ⅳ24-2的砂底作为2个单层的界面。叠加型砂体下切能力是介于独立型和切叠型叠置模式之间,因此,该种叠置类型一般出现在辫状水道和舌状坝相互叠加的垂向沉积中。
图5 L9-14井—L15-18井Ⅳ25-1-Ⅳ25-3超短期旋回地层对比剖面图
Fig. 5 Stratigraphic profile for ultra short-term cycles (L9-14—L15-18)
图6 L9-14井—L13-17井Ⅳ25-1-Ⅳ25-3超短期旋回地层对比剖面图
Fig. 6 Stratigraphic profile for ultra short-term cycles (L9-14—L13-17)
2.3.3 切叠型
上下相互叠置单元的砂体之间几乎没有泥岩沉积,由于后期砂体的强烈向下侵蚀作用,后期砂体沉积直接覆盖在前期砂体沉积之上。如图7中L13-15井Ⅳ25-1,Ⅳ25-2和Ⅳ25-3单层内的辫状河道沉积,在自然伽马、自然电位和电阻率曲线上有微小回返或几乎无回返,结合邻井砂体变化情况综合分析,划分出2个单层的界面。辫状水道沉积具有较强的下切能力,因此,具有该类砂体的超短期旋回在垂向上主要形成切叠型砂体叠置模式。
3 对油田开发的指导意义
根据开发方案设计的井位注采对应关系,局部地区出现效果不理想或不见效。精细层序地层对比后发现,短期旋回(小层)规模“看似完善”的注采关系,实际上并不完善,从而导致剩余油分布。这种“不完善性”体现在以下2个方面。
(1) 在短期旋回内部,注水井和采油井隶属于不同超短期旋回的单砂体,造成注采关系不对应。如图8(a)所示,注水井LB1-13-14井对Ⅳ26小层注水,而L15-15井为该小层采油井,看似注采对应关系完善。但短期旋回划分为Ⅳ26-1,Ⅳ26-2和Ⅳ26-3 3个超短期旋回后,LB1-13-14井注水的单层为Ⅳ26-1和Ⅳ26-3砂体的舌状坝沉积,而L15-15井采油的单层为Ⅳ26-2砂体的辫状水道沉积,注采关系并不对应(图8、图9)。同时,动态资料也表明:L15-15井的Ⅳ26-2单层产液量为0,注水不受效(图10)。因此,预测在Ⅳ26-2和Ⅳ26-3单层砂体的高部位存在有大量剩余油(见图9、图8(b)和图8(c))。此外,于2008年10月至今钻探的新井LBJ1-24井、LB1-19井和LB1-21井,均在预测层段钻遇大量剩余油,这证实了地层对比结果的可靠性和剩余油预测的准确性。
(2) 在短期旋回内部,注水井和采油井虽隶属于同一超短期旋回,但其单砂体间存在泥质渗流屏障,造成注采不对应。如图11(a)所示,Ⅳ22小层砂体平面连片分布,注水井L15-16井和采油井LB2-17-18井注采关系对应。但进行超短期旋回单层劈分后,根据等高程的劈分原则,将其划分为Ⅳ22-1和Ⅳ22-2 2个单层。由图11(c)可见:注水井L15-16井和采油井LB2-17-18井虽然均钻遇了Ⅳ22-2单层辫状河道砂体,但2口井之间存在泥岩渗流屏障隔挡,因此,两井并未形成良好的注采对应关系。同时,LB2-17-18井Ⅳ22-2单层产液量为0,注水不受效(图13)。而如图11(a)所示,注水井L15-16井和采油井LB2-17-18井均未钻遇Ⅳ22-1单层,故两井间的砂体均未被注水和采油所波及,预测该位置有大量剩余油(见图11(b)和图12)。此外,2008年10月在预测部位钻探的新井LB1-12井于Ⅳ22-1单层钻遇大量剩余油,这证实了地层对比结果和剩余油富集预测的准确性。
图7 L15-18井—L13-15井Ⅳ25-1-Ⅳ25-3超短期旋回地层对比剖面图
Fig. 7 Stratigraphic profile for ultra short-term cycles (L15-18—L13-15)
图8 LB1-13-14井组超短期旋回注采对应关系及剩余油分布位置图
Fig. 8 Relationship between injection-production and distribution of residual oil for ultra short-term cycles (LB1-13-14 well group)
图9 LB1-13-14井—L15-15井地层对比及剩余油分布位置剖面图
Fig. 9 Stratigraphic profile and distribution of residual oil (LB1-13-14—L15-15)
图10 L15-15井产液剖面图
Fig. 10 Liquid production profile of L15-15
图11 L15-16井组超短期旋回注采对应关系及剩余油分布位置图
Fig. 11 Relationship of injection-production and distribution of residual oil (L15-16 group)
图12 L15-16井组超短期旋回注采对应关系及剩余油分布位置图
Fig. 12 Stratigraphic profile and distribution of residual oil (L15-16—LB2-17-18)
图13 LB2-17-18井产液剖面图
Fig. 13 Liquid production profile of LB2-17-18
4 结论
(1) 受强烈构造运动异旋回作用的影响,柳北油田中期旋回沉积地层微量元素和放射性存在明显差异,造成Ⅳ2砂组顶界面上下自然伽马存在具有等时意义的拐点;受气候变化、辫状水道-舌状坝侧向摆动等异旋回和自旋回作用的影响,不同期次短期旋回间存在明显前积现象,前积角度为2°~5°,且层序地层自下而上倾角逐渐减小;同一短期旋回内部,不同超短期旋回间砂体叠置方式呈独立型、叠加型和切叠型,受水动力条件的控制,扇三角洲砂体往往以叠加型和切叠型2种叠置模式为主。
(2) 短期旋回(小层)规模的注采关系并不完善,从而导致剩余油的分布。这种“不完善性”体现在以下2个方面:一是在短期旋回内部,注水井和采油井隶属于不同超短期旋回的单砂体,造成注采关系不对应;二是在短期旋回内部,注水井和采油井虽隶属于同一超短期旋回,但其单砂体间存在泥质渗流屏障,造成注采不对应。
致谢
感谢中国石油大学(北京)杨延强、史长林和曲晶晶等同学的帮助和无私指导,在此一并表示感谢!
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(编辑 何运斌)
收稿日期:2013-07-27;修回日期:2013-09-24
基金项目:四川省教育厅自然科学科研重点项目(13ZA0177)
通信作者:赵晓明(1982-),男,山东安丘人,博士,讲师,从事开发地质学领域的教学及科研工作;电话:13908218616;E-mail: zhxim98@163.com