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碎屑岩油气储层沉积学

《碎屑岩油气储层沉积学》

2006年4月22日

目录

一、引言1

二、几个相关概念2

三、储层沉积学的研究任务、目的及内容3

四、储层沉积学的研究思路与方法3

五、沉积相研究5

一、引言

随着全球油气勘探与开发的不断深入，以油气储层或油气藏为对象的精细描述与研究逐步深入，油气储层在地下的空间展布与其属性的特征则成为油气勘探与开发的研究重点。

然而，不同地质条件下油气储层的外部形体（构形）与其内部属性的分布规律则主要受其形成的环境和条件的制约，即不同沉积体系所形成的油气储层具有不同的展布规律和非均质性，这就需要从沉积学的角度来分析不同储层形成的地质作用和沉积环境；而成岩作用则对储层的内部具有明显的影响。

正可谓影响油气储层非均质的三大因素“构造演化的阶段性、沉积环境的多样性以及成岩作用的复杂性”决定着油气储层的综合特性，这一基本地学知识和理论为储层沉积学的形成奠定了坚实的基础。

沉积学是20世纪30年代由沃尔德（Wadell.1932）提出的一个术语，它主要是由沉积岩石学中沉积岩的形成作用中的基础理论部分扩大和发展起来的。

而储层沉积学又是以实用角度从沉积学中派生出来的一个分支，第十三届国际沉积学大会（ISA,1990）正式应用该术语并引入文献，表明沉积学（含古地理学）与油气勘探和开发的关系十分密切，其在阐明生、储、盖层的形成和分布规律等方面具有重要指导作用。

沉积学和储层沉积学的基本涵义及主要研究内容是：

1.沉积学是研究沉积物（岩）和沉积作用的科学。

包括研究未曾成岩和已经成岩的天然沉积物（岩），以及它们在自然环境中沉积作用的过程和机理（Reeding,1978）。

沉积学作为地质科学中的一个分科，它与流体力学和地层古生物学密切相关，与物理学、化学、海洋学、气象学、水文学和土壤学等也有重要联系。

由于有关学科的相互交叉和渗透，以及新技术和新方法的应用，通过对沉积物的研究（陆上和水下）和实验模拟，逐渐使沉积学成为一门独立的学科。

随着矿产资源，特别是燃料资源（煤炭、石油、天然气、核能等）勘探开发事业的巨大发展，使沉积学从以理论研究为主，逐渐成为一门具有较强应用基础性质的学科。

2.储层沉积学是研究油气储层沉积物（岩）和沉积作用的科学。

严格的讲，它主要是研究碎屑岩储层和碳酸盐岩储层的形成、演化、分布及其基本特征（成分、结构、构造等）的一门科学，是沉积理论与油气勘探开发实践密切结合的结果。

一般来讲，石油和天然气生成于沉积岩中，也主要储集在沉积岩中，从沉积岩石学、沉积学心以及岩相古地理学深化对各类油气储层形成的研究，可以为油气勘探开发提供更多科学依据，因此，储层沉积学的形成和发展有关重要的实际意义。

二、几个相关概念

沉积岩石学（SedimentaryPetrology）：

研究沉积岩（物）的物质成分、结构构造、分类及其形成作用，以及沉积环境和分布规律的一门科学。

沉积学（Sedimentology）：

研究沉积物、沉积过程、沉积岩和沉积环境的科学（G.M.Friedman&J.L.Sanders，1978）。

储层沉积学（Reservoirsedimentology）：

研究油气储层沉积物（岩）和沉积作用的科学。

它是应用各种资料研究和解释油气储集体所形成的沉积环境、作用及其形成机制，分析与确定储层的地质信息，提高油气勘探与开发的一门综合性科学。

即是综合利用地质、地震、测井、试井等资料和各种储层测试手段，以沉积学原理为指导，以油气储层为研究对象，以分析和预测油气储层不同层次的非均质特征为内容，以提高油田勘探与开发的效果为目的的综合性学科。

三者的关系是沉积学是由沉积岩石学中沉积岩的形成作用中的基础理论部分扩大和发展起来的，而储层沉积学又是以实用角度从沉积学中派生出来的一个分支，是沉积学理论与油气勘探开发实践密切结合的结果。

油藏描述（ReservoirDescription）:

以沉积学、构造地质学和石油地质学为理论指导，用地质、地震、测井及计算机手段，定性分析和定量描述油藏在三度空间特征的一种综合研究方法体系。

其目的是对油藏各种特征（三个要素圈闭、储层、流体）进行三维定量描述和预测。

储层表征（ReservoirCharacterization）:

定量地确定储层的性质、识别地质信息及空间变化的过程（L.W.Lake,1986）。

地质信息包括：

a.储层的物理特性—孔、渗、饱及电性的非均质性；b.储层的几何特征—三度空间上岩性的各向异性。

其目的是提供一个储层构型（Architecture）格架，即：

具有上述两大信息的储层地质模型。

储层沉积学是油藏描述和储层表征的核心内容或基础，它是以沉积特征研究为中心，以地质和地球物理资料的使用与解释为手段，应用各种方法技术进行综合分析研究，以解决储层的各向异性和非均质性为目的，最终建立储层的各种地质模型。

三、储层沉积学的研究任务、目的及内容

任务

目的

内容

学科基础

广义上

狭义上

研究油气储层的各向异性和非均质性，建立相应的沉积模式与各种地质模型

①预测有利储集相带

②提高采收率

③为储量计算服务

①确定储层分布范围与物性变化

②布置加密井

③确定外延井

①物理特性—非均质性

②几何特性—各向异性

①沉积学

②石油地质学

③油层物理学

④地球物理学

⑤数学地质

⑥计算机技术

四、储层沉积学的研究思路与方法

（一）研究方法

1.“将今论古”的类比法

应用现代沉积调查建立起来的沉积模式，进行类比和预测古代同类环境沉积的储层特征。

现已建立了各种环境的沉积模式，应用于石油勘探和油田开发中来认识古代储层，预测储层展布，比较有效的是估计砂体的连续性、层内非均质性等。

2.露头研究的推理法

当所研究的储层在附近有出露时，这是一种既直观又相对准确可靠的良好方法，相同沉积体系的露头研究对推理地下油气储层特征，尤其是宏观特征具有积极作用或理论指导意义。

3.沉积相的演化观与基准面变化

盆地构造演化引起沉积环境的变化，从而造成沉积相的展布发生变化，而这一变化又受基准面变化的制约。

在基准面旋回变化过程中，由于可容纳空间与沉积物供给通量比值（A/S）的变化，相同沉积体系域或相域中发生沉积物的体积分配作用和相分异作用，从而导致沉积物的保存程度、地层堆积样式、相序、相类型及岩石结构发生变化，造成沉积砂体的空间叠置形式的不同。

4.沉积作用—非均质性响应的关系

不同的沉积作用或方式可形成不同的沉积砂体，而不同沉积砂体的内部物性具有规律性的变化，尤其是表现出不同的非均质性特征。

5.经验公式与参数的应用

通过现代沉积调查与古代露头研究建立的定量地质知识库，来推断或估算地下同类储层的空间展布范围，是比较沉积学的深层次发展。

6.水动力条件分析—水槽实验

水槽实验自20世纪初用于研究水动力条件以来，解决了许多砂体形成的成因机理问题，该实验仍是沉积学中一个重要的基础试验手段。

7.沉积微相导向的等时性小层对比

利用沉积相和沉积层序的层次等级来控制油组、砂组与砂层（小层）的对比，实现分级控制、逐层对比，确保相控的等时性。

8.地震相与测井相分析

地震相不仅是层序地层学分析的基础，更是油区沉积相或沉积体系研究的基石，测井相的研究则是以测井特征分析为手段、以垂向模式序列为方法，以测井系列的地质响应为理论，二者的紧密结合，可以更有效地发挥储层沉积学的作用。

（二）储层沉积学研究的技术路线

五、沉积相研究

（一）与沉积相研究有关的几个概念

沉积环境（Sedimentaryordepositionalenvironment）：

按塞利（R.C.Selley,1997）的意见，沉积环境是“在物理上、化学上和生物上均有别于相邻地区的一块地球表面”，即沉积环境本质上是个地貌上的概念。

沉积相（Sedimentaryordepositionalfacies）：

当前国内外多数人的认识是把“相”理解为“古代环境的产物”（R.C.Shelldy,1976）,亦即专指“沉积环境的物质表现”。

所以“相”应是能表明沉积条件的岩性特征和古生物特征的规律综合。

沉积相模式（Sedimentaryfaciesmodel）是对沉积环境、沉积作用及其结果（沉积相）三者相互联系的揭示和描述，是对沉积相的成因解释和理论概括。

它可起到4个方面的作用：

a.在对比中起到标准的作用;

b.在观察中起到提纲和指导作用；

c.在新区起到预测作用；

d.在水动力解释中起到基础作用。

（二）陆相沉积盆地碎屑岩储层常见（微）相

相

亚相

微相

冲积扇

扇根

主河道、侧缘河道

扇中

辫状河道、心滩坝、漫溢沉积

扇缘

席状砂

河流

曲流河

点坝、天然堤、决口扇、串沟、废弃河道

辫状河

心滩坝、天然堤、决口扇

网状河

河道、天然堤、决口扇

三角洲

三角洲平原

分流河道、分流河道间

三角洲前缘

河口坝、内、外前缘席状砂

前三角洲

（储层砂体一般不发育）

三角洲间滨岸

滩、坝

湖底扇

上扇

补给水道、水道间、主水道

中扇

（辫状）水道、水道间

下扇

薄层（低密度）浊积岩

（三）沉积相的分析方法

探讨地层形成的自然地理环境，恢复和再造沉积时期古地理面貌就是沉积相分析法。

相分析的原则就是众所周知的“现实主义”原则，也就是我们通常所说的“将今论古”。

根据该原则，沉积相分析方法有以下几种：

1）根据地表露头进行相分析；

2）根据钻井岩心进行相分析；

3）根据测井资料进行相分析；

4）根据地震资料进行相分析。

沉积相的鉴定标志

1.沉积岩的岩性标志，包括：

①岩石的颜色

②岩石的矿物成分和岩石类型

③岩石的结构（支撑性、粒度、分选性、磨圆度等）

④沉积岩层的构造（原生的层理和层面构造）

2.古生物、古生态标志

3.沉积地球化学标志

4.沉积岩层的产状标志：

地层厚度、岩体形态、接触关系及剖面结构、相律、相模式等

5.地球物理学标志：

测井相、地震相

沉积构造的研究

沉积构造是指沉积物沉积时，或沉积后，由于物理作用、化学作用及生物作用形成的各种构造。

在沉积物沉积过程中及沉积物固结成岩之前形成的构造即原生构造，它是鉴别和划分沉积相和沉积环境的重要标志，而最有意义的则是同生期形成的构造，如层理、波痕、侵蚀痕、生物遗迹、干裂、结核等。

层理的研究

层理是沉积物在沉积时期在层内形成的成层构造，它是由沉积物的成分、结构、颜色、颗粒形状及定向排列、层的厚度等沿垂向的变化而显示出来的。

组成层理的最小单位是细层（又称纹层），由成分、结构、厚度和产状上相同的许多细层组成层系，两个或两个以上的层系组成层系组。

按层系厚度把层理分为：

小型层理：

层系厚度<3cm

中型层理：

层系厚度=3~10cm

大型层理：

层系厚度=10~200cm

特大层理：

层系厚度>200cm

层面构造的研究

主要的层面构造有：

波痕、雨痕、干裂、流痕、泡沫痕及各种印模构造如重荷模、槽模、沟模等。

需要指出的是：

根据沉积物中的相标志对沉积环境作出判断时，应该是既有重点又要综合分析，而不能只根据个别标志作出判断。

这是因为：

一方面，一个在物理上、化学上和生物上区别于其他地区的独立环境，必然在沉积物的成分、结构构造和其它方面留下其特有的一系列烙印，而不仅仅是个别标志；另一方面，沉积岩中某些组构特征，并不具有环境专属性，例如潮坪中的透镜状、波状层理，在湖岸环境中也能出现。

粒序层理可以在浊流、风暴流、三角洲、决口扇等的沉积物中出现，如果只抓个别标志，就会出现错误。

粒度分析资料在沉积环境判断上的应用

主要方法：

（1）格拉斯特（Glaister）、维希尔（Visher）概率粒度累积图

（2）弗里德曼（Freidman）粒度参数离散图

（3）帕塞加（R.Passega）CM图

（4）萨胡（Sahu）等的环境判别公式

其中最常用的是

（1）、（3）两种

相层序（剖面结构）分析

相层序又称动态相模式，它是在成因上有联系的沉积相在纵向（或剖面）上的组合。

相层序是在相标志研究和相分析基础上建立起来的，是分析岩相古地理变迁、生储盖形成和分布的理论依据。

根据环境变迁，相层序划分为向上变厚变粗（通称反旋回）和向上变薄变细（通称正旋回）两类：

1）向上变细

河流相、潮坪相、河口湾相、浊积岩

2）向上变粗

无障壁海岸相、湖泊相、三角洲相、海滩相、浅滩相等

在剖面结构的中应当注意：

任何模式都是经过概括和精炼的，而实际中的剖面则是千变万化的。

对于实际研究中的剖面，可以通过观察和总结，然后和典型模式相比较进行解释，但不能生搬硬套，而要具体情况具体分析。

测井相分析

测井相分析是依据不同的测井资料进行沉积相的识别与研究，它是地下储层沉积相识别的基础手段之一，也是进行小层（油藏）对比的最基本、最直接的依据。

基本原理：

从一组能反映地层特征的测井响应中，提取测井曲线特征，包括幅度大小、形态、接触关系及组合特征，结合其它测井解释结论将地层剖面划分为有限个测井相，并用岩心资料加以验证，从而建立用测井资料描述地层沉积相的模式。

目前沉积相分析最常用的测井曲线是自然电位和自然伽玛，有时也配合电阻率（一般用微电极）曲线。

测井相研究步骤

第一步：

选择关键井

关键井应具备具备以下条件：

•取心资料和齐全的分析化验资料；

•测井条件良好；

•裸眼测井资料齐全；

•地层测试、生产测井资料丰富

第二步：

建立测井相图版

对关键井，首先在岩心观察与描述的基础上，结合分析化验及测井资料进行单井相分析，划分亚相、微相、编制单井相分析综合柱状图。

在此基础上对各微相测井曲线的特征进行比较，找出它们之间的关系，编制微相—测井曲线图版。

第三步：

建立单井测相和对比剖面

以测井相模板为基础，结合其它地质研究，建立单井测井相，开展地层对比研究，尤其是主干剖面的沉积微相对比分析，建立对比剖面，为编制沉积（微）相打下基础。

地震相分析

沉积环境传统上是通过研究岩心或露头研究的，但在广大的无岩心或露头的地区，利用地震剖面上的反射特征来识别沉积相，预测有利相带在国内外已经取得了良好的效果。

地震相就是不同沉积体系的各级界面、岩性及几何特征在地震剖面上的综合表现（于兴河，2002）。

地震相分析就是“根据地震资料解释其环境背景和岩相”（Vail,1977）。

地震相分析的基础是地震相标志。

地震相标志是准层序组内部那些对地震剖面的面貌有重要影响，并且具有重要沉积相意义的地震反射特征。

地震相标志有三种基本类型，即地震反射结构、地震反射构造和地震相的单元外形，它们均可从三个层次上进行定性描述。

地震反射结构是指地震剖面各组成部分（即同相轴）的物理地震学特征，包括其振幅、视频率、连续性三个基本要素。

常见地震反射结构有四种：

1.杂乱反射结构（高振幅低连续性结构）：

冲积扇、陡崖浊积扇、海底扇等扇体。

2.无反射结构（极低振幅结构）：

深湖相泥岩、滨海相砂岩、陆棚相灰岩等

3.三高反射结构：

浊积砂发育的深水相或薄煤层稳定发育的滨湖沼泽相的典型特征。

4.向上增强的反射结构：

三角洲、海退进积海岸或陆棚沉积等。

地震反射构造是指地震剖面中的各组成部分（即同相轴）在空间上的排列与组合方式，是岩层叠加型式的直接体现，反映沉积作用的性质和沉积补偿状况等。

常见的地震反射构造有八种类型。

编制沉积微相平面图

1.编制微相平面图的一般程序

一般分三个阶段:

（1）单井（岩心及测井）划相；

（2）小层砂体沉积微相剖面对比分析；

（3）结合沉积环境和相模式编制小层砂体沉积微相平面分布图。

2.小层砂体沉积微相剖面图的编制

以取心井为核心，选取能控制区块的若干骨干剖面（一般至少要形成控制网格），将骨干剖面上各单井划相资料按沉积层序进行对比，形成连井沉积微相剖面图。

3.沉积微相平面图的编制

在所有骨干连井剖面沉积微相对比图的基础上，把各砂体的微相标在井位图上，并勾绘小层砂体的沉积微相平面图。