郭 智 冀 光 姬鹏程 庞 强 马 妍

1. 中国石油勘探开发研究院 2. 中国石油长庆油田公司第五采气厂 3. 中国石油长庆油田公司第三采气厂4. 中国石油长庆油田公司第十一采油厂

0 引言

明确有效砂体规模及分布频率、搭建有效砂体结构模型对于致密气井网优化调整及气田高效开发具有重要意义[1-2]。苏里格是我国致密砂岩气田的典型代表，有效砂体呈透镜状，规模小[3-4]、连续性差，预测难度大。气田于2020年发现，限于开发早期资料少、品质差，且当时国内缺乏开发致密气的经验，造成前期的地质认识与实际存在一定的偏差，认为有效砂体规模较大，1 km2发育15～20个有效单砂体。2006年以来，苏里格气田开展了9个密井网区的先导试验，基于密井网试验区的分析取得了一些重要的突破，然而试验区最密井距约400 m，使得刻画和表征宽度在400 m以下的有效砂体仍存在很大的挑战。

一方面，气田坚持“低成本开发”战略，仅在部分试验区做了三维地震资料解释，兼之二维地震资料对于复杂地表、埋藏深、薄储层的识别准确率较低，使得地震资料在气田开发中优选富集区尚可，应用在有效单砂体预测及井位部署上效果不甚理想。另一方面，气田气井产量较低，依靠多井低产的模式实现规模有效开发[5-7]。截至2021年11月底，气田累计投产开发井1.7万口以上。大量的开发井中蕴含着丰富的地质及生产动态数据，所表现出的统计学特征即能代表气田的真实特征。以气田开发时间较早、开发效果较好、资料较完备的中区为研究对象，综合野外露头、沉积物理模拟、测井资料分析等多种手段，结合相控约束理念和地质统计学方法，按照由粗到细—先搭整体框架、再丰富层段细节的研究思路，在明确多层叠合后每平方千米发育有效砂体的规模及个数的基础上，搭建了各层组有效砂体的结构模型，为开发井网调整及气田长期稳产提供了较可靠的地质依据。

1 有效砂体基本特征

晚二叠世在鄂尔多斯盆地浅水宽缓的构造背景下，苏里格地区整体为陆相河流相沉积，垂向上河道多期叠置，形成了上万平方千米的大规模砂岩分布区[8]。气田工区面积大，约4 104km2，可分为中区、西区、东区、南区等几个开发大区，不同区块地质特征及开发效果差异大。优选气田地质条件相对好、开发最早、开发效果最好的中区作为研究区。区内主要发育二叠系石盒子组8段上亚段、8段下亚段、山西组1段、2段等4套含气砂组，共10个开发小层[9-10]。

1.1 有效砂体与基质砂体呈 砂包砂”二元结构

气田砂体主要包括基质砂体（干层）和有效砂体（含气层）两种类型。基质砂体储层物性较差，但连续性好，大规模连续分布。有效砂体是产能的主要贡献者和储量计算的主体，为普遍致密背景下相对高渗的甜点，孔隙度大于等于5%，渗透率大于等于0.1mD[11]，含气饱和度大于等于45%。有效砂体规模小、连续性差[12-13]，多分布在心滩、河道充填等有利沉积微相，与分布广泛的基质砂岩呈“砂包砂”二元结构（图1）。

图1 不同井距下的储层砂体连通图

在开发早期1 600 m的较大井距下，有效砂体看似连通，在开发中后期800 m、400 m小井距下，钻井资料证实有效砂体是不连通的（图1）。786口水平井实钻剖面表明，气田有效砂体以孤立分布为主（占比82%），仅18%的有效砂体以垂向叠置、侧向搭接等形成相对较大规模。因此，研究有效单砂体的规模及频率是落实气田有效储层分布特征的重要基础。

1.2 多套含气层系叠合后含气面积较大

各层段有效砂体发育频率、钻遇率和累计厚度等是评价储层发育情况的重要地质参数[14]。其中，某层段有效砂体发育频率为该层段钻遇的有效砂体个数与全部有效砂体个数的比值，所有层段之和为100%；某层段有效砂体钻遇率为该层段钻遇有效砂体的井数与所有完钻井数的比值；某层段有效砂体平均厚度是该层段所有钻遇有效砂体的井的钻遇厚度的平均值，在该层段不钻遇有效砂体的井不参与统计。

根据研究区石6 780口直井的统计结果，石盒子组8段、山西组1段、2段等各含气层段有效砂体发育程度差异较大，有效砂体钻遇率各层段变化范围为26.6%～93.2%；有效砂体发育频率范围为12%～48%，各层段有效砂体厚度为2.36～8.73 m（表1）。各层段中，以石盒子组8段、山西组1段有效砂体最为发育[15]。

表1 苏1里格气田中区储层基本参数表

4个含气层段叠合后，单井累计钻遇有效砂体3～5个，单井累计钻遇有效厚度8～15 m，平均12.97 m。合层有效砂体钻遇率达到97.4%（表1），含气面积占区块面积的95%以上（图2）。储层地质及开发特征表现出“井井难高产、井井不落空”的特征[16]，这就提示我们可以用均质性的眼光看待强非均性的问题，在优选开发富集区的基础上，整体部署井位。

图2 苏里格中区XX区块有效砂体等厚图

1.3 有效砂体厚度与气井产能关系密切

分析表明，有效厚度差异对气井产能的影响远比孔隙度、含气饱和度等参数变化对气井产能影响大[17-18]。有效厚度与储量丰度的相关系数在0.9以上，与气井产能的相关系数在0.7以上（图3a、图3b），而含气饱和度、孔隙度与气井产能的相关系数小于0.1（图3c、图3d）。另一方面，各层段有效砂体孔隙度主要分布在6.15%～9.21%、含气饱和度分布在48.36%～56.37%，基本呈正态分布（表1），差别并不大。因此可用有效砂体厚度或储量丰度来表征地质条件的变化。

图3 气井产能与有效厚度、储量丰度、含气饱和度及孔隙度的关系图

2 有效砂体结构模型的构建

建立有效砂体结构模型，需要明确各层段有效砂体的规模、分布及组合关系。为了得到普遍规律，对地质条件作了一定的抽提和简化：一是淡化了储层的平面非均质性，即多层叠合后，认为1 km2内有效砂体发育会有所差异，但每1 km2内发育的有效砂体与其他任何1 km2的发育的有效砂体特征是一致的；二是将某一层段内的有效砂体视作具有统一的孔隙度、渗透率及含气饱和度等参数，用有效砂体厚度这一参数表征地质条件的变化，而不同层段的孔隙度、含气饱和度等参数是不同的；三是鉴于孤立型有效单砂体占气田有效砂体的80%以上，将储层的结构等效成有效单砂体在空间的堆叠。结合测井、地质、气藏工程等多学科资料，按照先搭整体框架、再丰富层段细节的研究思路，将有效砂体结构模型的构建过程分成4步：落实有效单砂体规模；评价多层叠合后1 km2内有效单砂体发育个数；明确垂向上不同层段有效单砂体规模；表现不同层段不同规模有效砂体的空间组合关系，建立储层结构模型。

2.1 有效单砂体平均规模

2.1.1 有效单砂体厚度

根据钻井资料可获得较准确的有效砂体厚度数据。研究区6 780口直井钻遇约2.5万个有效单砂体，厚度主要分布在1.5～5.0 m范围内，在此范围的有效砂体占有效砂体总数的86%，平均厚度3.2 m。分层段来看，4个砂组的有效单砂体平均厚度分别为2.32 m、3.43 m、3.20 m和2.96 m。

2.1.2 有效单砂体宽度及长度

结合多资料、多方法研究有效单砂体宽度与长度。

1）直井密井网解剖及水平井实钻剖面

根据直井密井网解剖，600 m井距下，连通的有效储层占比小于10%；500 m井距下，连通的有效储层占比为介于10%～20%；400 m井距下，连通的有效砂体占有效砂体总数的介于20%～30%，反映出有效砂体宽度总体应小于400 m。但由于密井网试验区最小井距为400 m，仅依靠直井井网很难识别300～400 m以下有效砂体，需要结合其他资料进行综合分析。

研究区水平井的水平段长1 000～1 200 m，钻遇有效砂体总长度400～900 m，一般钻遇1～2个有效砂体，根据水平段方位与有效砂体展布夹角以及水平井实钻轨迹可计算有效砂体长度为400～700 m。

2）气井泄气范围评价

气田采用多层射孔、多层合采方式进行开发，单层不进行计量。为评价有效单砂体的平面规模，选取生产时间长、基本达到拟稳态、只射孔1～2层的气井，利用动态泄气范围论证储层平面规模。分析表明，63%的气井泄气范围小于0.24 km2，24%的井在0.24～0.48 km2，仅13%的井大于0.48 km2，气井平均泄气范围0.20 km2，泄气半径主要分布在200～300 m。

3）长宽比和宽厚比参数拟合

根据前人研究成果调研[19-20]，鄂尔多斯盆地二叠系下石盒子组8段、山西组1段、2段心滩、河道充填宽厚比为50～120，长宽比为1.2～3.0。结合山西柳林等地野外露头观测和沉积物理模拟实验，拟合了研究区有效单砂体的宽厚比、长宽比公式，即

式中W为有效单砂体宽度，m；h为有效单砂体厚度，m；L为有效单砂体长度，m

根据式（1）、式（2），有效砂体宽度、长度随有效砂体厚度的增加而增大，但增幅会越来越慢，表现为宽厚比、长宽比的数值随着厚度的增加越来越小。有效砂体厚度从1 m增加到10 m，宽厚比由218降至50，长宽比由2.44降至1.34。气田河流相储层主要包括曲流河和辫状河两种类型（图4）。曲流河沉积水动力弱，边滩为主体有利相带，横向迁移频繁，以侧向加积为主，砂体厚度薄，宽度大，宽厚比、长宽比大。作为对比，辫状河沉积水动力强，坡降大，心滩为主体有利相带，以垂向加积为主，砂体厚度大，宽厚比、长宽比小。宽厚比、长宽比随有效砂体厚度增加而降低，表现出从山西组向石盒子组8段，由曲流河沉积向辫状河转化的趋势。

图4 曲流河边滩与辫状河心滩沉积位置及横剖面图

当有效单砂体厚度为2～5 m时，代入公式（1），得到宽厚比范围78～140；代入公式（2），得到长宽比范围1.60～2.04。本研究得到的宽厚比、长宽比等数据总体在前人研究的数据范围之内，同时数据范围更窄，在现场的应用效果更好。根据长宽比与宽厚比拟合公式，得到有效单砂体在各宽度和长度区间的分布频率，有效单砂体宽度主要分布在100～500 m，平均320 m；长度主要分布在300～700 m，平均580 m（图5）；有效单砂体平均面积为0.186 km2，与泄气范围评价结果基本吻合。

图5 有效单砂体宽度、长度分布直方图

2.2 1 km2发育的有效砂体个数

根据有效单砂体的储量和1 km2内有效砂体总储量，可计算出1 km2发育有效单砂体的个数，即有效砂体的发育频率，计算公式为：

式中G表示有效单砂体储量，108m3；A表示有效单砂体平均面积，km2；h表示有效单砂体平均厚度，m；q表示气层平均孔隙度；Sg表示原始含气饱和度；Tsc表示地面标准温度，K；pi表示气藏原始地层压力，MPa；psc表示地面标准压力，MPa；Ti表示平均气层温度，K；Zi表示原始气体偏差系数；N表示1 km2发育有效单砂体个数；Gt表示1 km2储量（数值上等同储量丰度），108m3。

利用公式（3），根据容积法计算单个有效砂体的储量。有效单砂体平均含气面积为0.186 km2，平均厚度为3.2 m，平均孔隙度为7.5%，平均含气饱和度为53.5%，地面标准温度为293.15，地面标准压力为0.1 MPa。原始气体偏差系数Zi为0.927，气层中部埋深3 300 m，压力系数0.87，计算气藏原始地层压力为28.8 MPa。地温梯度3 K/hm，计算平均气层温度为389.15 K。将上述参数代入公式（3），可计算单个有效砂体的平均储量为0.055 9 108m3。

储量丰度定义为单位面积储层内蕴含的储量。研究区储量丰度分布在（1.0～2.0）×108m3/km2，平均1.46 108m3/km2，即1 km2地层内蕴含的储量为1.46 108m3。根据公式（4），求得1 km2发育有效砂体25～30个，平均26个。作为对比，前人认为气田有效单砂体规模为500 m 700 m，1 km2发育有效砂体15～20个，平均18个。相比于前人认识，本研究认为有效单砂体的规模更小，平均有效单砂体规模为320 m 580 m，1 km2内有效砂体数目更多，有效砂体更加分散。造成有效砂体数目增多、有效单砂体规模减小的原因是本次研究利用了更多的数据点，更充分地结合了地质静态与生产动态资料，识别出了井间原来难以识别的大量的小的有效单砂体。

根据钻井数据统计，石盒子组8段上亚段、下亚段、山西组1段、2段等各层段有效砂体发育频率分别为12%、49%、26%、13%（表1），按 1 km2发育26个有效单砂体计算，各层段每1 km2发育有效砂体分别为3、13、7和3个。

2.3 各层段有效单砂体规模

根据研究区4个含气层段的统计结果，石盒子组8段上亚段、下亚段、山西组1段、2段等各层段储量占比分别为10%、56%、25%和9%（表2），按照平均储量丰度1.46 108m3/km2计算，则各层段1 km2内储量分别为 0.143 108m3、0.822 108m3、0.369 108m3及 0.126 108m3。根据公式（4），可计算出各层段有效单砂体储量分别为0.0475 108m3、0.063 3 108m3、0.052 7 108m3及 0.042 0 108m3（表3）。计算结果表明，石盒子组8段下亚段、山西组1段不仅有效砂体发育频率相对高，而且单个有效单砂体的储量规模也较大。

表2 各层段有效单砂体平均储量及规模表

表3 各层段不同规模有效砂体参数拟合表

在获得各层段单砂体储量的基础上[21]，再结合各层段有效砂体厚度、孔隙度、饱和度等地质参数（表1），根据公式（3）反算，可得到石盒子组8段上、下亚段、山西组1段、2段有效单砂体面积分别为0.169、0.199、0.177、0.147 km2。将有效单砂体近似看成平行四边形，则面积为长度与宽度之积，结合公式（2）和公式（5），可得到各层段有效单砂体平均宽度分别为293、333、303、272 m（表2）。面积计算公式为：

式中A表示砂体面积，m2；W表示砂体宽度，m；L表示砂体长度，m。

2.4 不同层段不同规模有效单砂体的空间组合关系

根据有效单砂体宽度分布频率直方图（图5），宽度范围在＜200 m、≥200～300 m、≥300～400 m、≥400～500 m、≥500～600 m以及≥600 m的有效单砂体分布频率分别为27%、30%、19%、12%、8%及4%，得到各宽度范围内1 km2发育的有效单砂体个数分别为7、8、5、3、2及1个。

垂向上结合各层段1 km2内有效砂体发育个数、平均宽度，平面上结合不同宽度规模区间内1 km2有效砂体发育个数，以保证各数据之间匹配性和契合性为前提，求解系列方程组，得到各砂组1 km2内不同规模区间的有效砂体发育数（表3）。例如石盒子组8段上亚段1 km2内发育3个有效砂体，其中1个有效单砂体宽度小于200 m，另外2个有效单砂体宽度范围在200～300 m区间内。

再结合10个小层的有效砂体厚度及有效砂体钻遇率（图6），可建立精确到小层级别的有效砂体的空间结构模型（图7）。该模型不是简单的概念模型，是研究区开发到现阶段所有认识的综合，在搭建的过程中充分利用了海量的地质与生产动态数据，能够较准确反映储层地质特征，可为气田开发中后期井网优化、开发对策的调整提供可靠的地质依据。

图6 各层有效砂体厚度及有效砂体钻遇率分布图

图7 有效砂体规模及空间结构模图

3 不同井网对于有效砂体和储量的控制程度分析

用不同井距对有效砂体进行切割扫描，相当于用布虚拟井的方式评价井网对有效砂体及储量的控制程度。兼顾科学性和实用性，选取100 m为移动步长（图7）。

3.1 井网对有效砂体的控制程度

以400 m井距为例，在步长为100 m条件下，井网移动4次就可以实现对储层的扫描全覆盖，对应表4位置0、1、2、3，分别统计在4种位置下井网对不同规模有效砂体的控制程度。根据前面分析，1 km2平均发育7个小于200 m的有效砂体。在400 m井网下，通过4次扫描平均控制住了1.25个（表4），则对于小于200 m有效砂体的控制程度为1.25/7=18%。同理可得400 m井距对≥200～300 m、≥300～400 m及≥400 m有效砂体的控制程度分别为44%、80%、100%。总的来看，在400 m井距下，1 km2内平均钻遇了14.25个有效砂体，占有效砂体总数26个的57%，即400 m井距对有效砂体的控制程度为57%。

表4 400 m井网对不同规模有效单砂体的控制程度表

3.2 井网对储量的控制程度

明确不同井网对储量的控制程度是开展致密气井网优化的重要基础[22-23]。在一定的有效砂体厚度下，鉴于有效砂体物性及含气性相差不大，在分析不同井网对储量的控制程度时，可用各有效砂体的体积比近似代替储量比。统计不同规模区间内有效储层的长、宽、厚，可得到小于200 m、≥200～300 m、≥300～400 m、≥400～500 m、≥500～600 m以及≥600m等不同规模区间有效单砂体的体积分别为0.21、0.44、0.72、1.04、1.40、1.79 106m3（表5）。根据各规模区间有效砂体发育个数，可得到1 km2发育有效砂体总体积为16.32 106m3。再结合400 m井网对不同规模有效砂体的控制程度，可计算出该井网钻遇的不同规模的有效砂体的体积，即12.41 106m3/km2，即400 m井网对储量的控制程度为76%（表5）。

表5 400 m井网对储量的控制程度计算表

用同样方法，可计算出600 m、500 m、400 m、300 m等不同井网对有效砂体的控制程度分别为38%、47%、57%及69%，对储量的控制程度分别53%、66%、76% 及 84%。600 m、500 m、400 m、300 m 井距对应井网密度分别为 2、3、4、8口/km2，在井距300～600 m范围内，随着井距减小、井网密度增大，井网对有效砂体控制程度的增幅不断增大，对储量控制程度的增幅越来越小（图8）。这是因为，规模较小的有效砂体的分布频率较大，然而它们对储量的贡献程度有限。

4 结论

1）苏里格气田有效砂体规模小、连续性差。充分利用开发中的海量数据，结合测井、地质、气藏工程等多学科资料，按照先搭整体框架、再丰富层段细节的研究思路，提出建立有效砂体结构模型的4步法：落实有效单砂体规模；评价1 km2内有效单砂体发育个数；明确垂向上不同层段有效单砂体规模；表征不同层段不同规模有效砂体的空间组合关系。

2）在储量丰度约1.5 108m3/km2条件下，1 km2地层平均发育25～30个有效单砂体，平均厚2～5 m，宽200～500 m，长300～700 m。气田82%的有效砂体为单层孤立型，18%通过垂向叠置、侧向搭接形成相对较大规模。

3）基于有效砂体结构模型，明确了不同井网对于有效砂体和储量的控制程度。在井距600 m、500 m、400 m、300 m下可分别控制38%、47%、57%、69%的有效砂体及53%、66%、76%、84%的储量。随着井密度的增加，井网对有效砂体控制程度的增幅变大，对储量控制程度的增幅减小。