区分河型的河道砂体几何参数定量表征方法及其应用

袁 静， 周 涛， 王学军， 谢 君， 马立驰， 孙 超

(1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东青岛 266580； 2.中国石化胜利油田分公司，山东东营 257000； 3.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459)

河流类型的划分有诸多方案[1-4]，王随继等[5-6]在前人研究基础上提出根据河道形态及沉积物特征将河流划分为辫状河、曲流河、分汊河、网状河及顺直河5种河流类型(简称为“河型”)，这种河流分类方案既满足了水利工程修建、地质地貌探索，也满足了油气生产为目的河流储层沉积学研究的需要。广泛应用于水利工程研究领域的分汊河[7]在胜利油田滩海地区新近系已有发现[6]，因此将其与辫状河、曲流河等河型分别进行研究对油气勘探开发具有重要意义。古代河流深埋于地下，对其储集砂体的几何形态及连通关系认识往往基于野外露头[8-9]和岩心沉积微相[10-11]的研究，并利用三维地震[12]、测井[13]、经验公式[14-17]、定量表征模型[18]和地质软件建模[19-20]等技术对砂体进行刻画。一方面，这些方法多集中于单一河型的宏观性研究，难以同时满足区域勘探复合河道带砂体定量表征和开发区块单河道砂体定量表征的双重要求；另一方面，Leopold关系式[1]、Schumm公式[2]、Leeder关系式[14]、Lorenz公式[15]、Bridge[16]公式等河流砂体定量表征经验公式尽管在多个油田预测取得了良好的成果[21]，但主要集中于高弯度曲流河，对辫状河稍有涉及，尚未对分汊河，更未针对不同河型沉积特征细致刻画其砂体几何参数之间的定量关系展开研究；同时，建立经验公式所用的样本数据多源于现代河流沉积和野外露头的实地考察，典型性和样本数局限性较大。笔者针对在胜利油田滩海区带新近系识别出的辫状河、分汊河、曲流河3种不同河型，利用Google Earth卫星影像覆盖面广、解析度高、更新快捷、使用方便的优势，以前人建立曲流河地质知识库解析河流的方法为基础[22-23]，选取典型河段进行多点统计，构建现代河流河道砂体定量表征。在此基础上，结合前人经验公式厘定河流满岸宽度、宽深比等河流砂体几何参数，建立适合不同河型的河道砂体定量表征公式，并通过生产动态验证，形成可用于约束地震反演预测和刻画开发区块不同河型不同级次河道砂体连通规模的定量表征方法。

1 区域概况

胜利油田滩海地区位于济阳坳陷东北部的埕岛-桩西-长堤-孤东-垦东潜山披覆构造带，是济阳坳陷与渤中坳陷及郯庐断裂带之间的分界体系。其西部与沾化凹陷相接，东部与黄河口凹陷、莱州湾凹陷相邻，北部紧邻沙南凹陷、埕北凹陷以及渤中坳陷，主要有前古近系、古近系和新近系3套含油层系，其中新近系的探明储量占该区总储量的80%以上。垦东、孤东及埕北地区作为滩海地区南部、中部和北部的典型区块，前期研究已明确其馆陶组馆上段至明化镇组底部(新近系主力含油层段)发育3种沉积相类型：辫状河、分汊河和曲流河。其中以分汊河发育最为广泛，辫状河在馆上段沉积早期较为发育，曲流河在馆上段晚期较为发育。

2 研究方法

2.1 选定有代表性的河流

利用Google Earth软件广泛寻找不受人类活动影响或较少受人类活动影响的典型辫状河、分汊河和曲流河河段，最终选定勒拿河、黑龙江、湄公河、拉凯阿河、巴拉圭河、亚马逊河、尼罗河、刚果河和密西西比河9条著名大河。

2.2 测量基础参数和特征参数

根据将今论古的现实主义原理，通过Google Earth在选定的9条大河中共选取与胜利油田滩海地区新近系地下河流各河型在发育位置(远离山区、靠近山区)、坡降(0.5%～2.5%)、曲率等方面接近的166个现代典型河段(其中典型曲流河段74个、典型辫状河段20个、典型分汊河段68个)，保证所选择的Google Earth地表河流与胜利油区地下河型的相似性。利用Google Earth软件截取上述各河段图像，依次对河道分岔参数、河道弧长、河道直径、河道宽度、河道带宽度、曲率、坡降(包括最大坡降以及平均坡降)等基础参数进行测量；分河型测得相应河道砂体特征参数，其中辫状河包括心滩数量、最大心滩长度、最大心滩宽度、最小心滩长度、最小心滩宽度，分汊河包括河道砂坝数量、河道砂坝长度、河道砂坝宽度，曲流河包括点坝长度、点坝宽度(图1中，基础参数：最大河道弧长ACB，河道长度ADB，河道宽度EF，复合河道带宽度GH，单一河道带宽度G0H0，单位均为km；特征参数：红色虚线段为不同时期各规模点坝长度，红色实线段为相应时期点坝宽度)。累积测得基础数据和特征参数数据2 033个，建立的各河型河道(带)及其砂体特征参数数据库可用于表征胜利油田滩海地区新近系各河型的几何参数特征。

图1 各河型特征参数测量实例

2.3 拟合定量表征关系式

利用上述Google Earth测量数据对不同河型各几何参数之间的相关关系进行两两拟合，建立14项定量表达式，从中优选并总结出相关性显著的各河型河道几何参数的相关关系定量表达式9项，其中6项为各河型河道带宽度与其他几何参数之间的定量关系，包括用于各类型河流各级次河道(带)几何规模的描述与预测的各河型河道宽度与河道带宽度(图2)、分汊河和曲流河单一河道带宽度与复合河道带宽度(图3)、曲流河点坝宽度与单一河道带宽度(图4)。另外3项是关于各河型河道砂体(辫状河心滩、分汊河河道砂坝、曲流河点坝)宽度与长度之间的定量关系(图5)，用于刻画和预测地下不同类型河流河道砂体的几何参数，为储层描述、预测与地质建模、油藏数值模拟提供基础参数。

从图2可以看出，从辫状河、分汊河到曲流河，3种河型河道宽度与单一河道带关系定量关系指数依次增大，暗示着这3种河型在河道形态上具有连续演变的关系。分汊河和曲流河的单一河道宽度与复合河道带宽度之间的相关关系较为接近(图3)，反映两种河型相关性密切，且曲流河单一河道越宽，点坝越宽(图4)。

图2 河道带宽度与单一河道带关系定量表征

图4 曲流河单一河道带宽度与点坝宽度关系定量表征

各河型的河道砂体长度与宽度均呈指数关系，且相关性显著(图5)。辫状河为多河道，河流能量高，心滩频繁发育但不稳定，因此单个心滩规模小，且宽/长比值在3种河型中也最小，砂体叠置样式以切叠为主，连通性好。曲流河为单河道，侧蚀和下蚀作用较强，点砂坝稳定发育，满岸充填时单一河道带砂体宽度即点砂坝宽度，点砂坝的宽/长比值在3种河型中最大。分汊河为单双(多)河道交替，河流能量低于辫状河而高于曲流河，有利于运载较大量的沉积物。在接近单河道的双河道段由于流速降低，大量沉积物卸载形成类似心滩的河道砂坝。同时由于分汊河河道砂坝相比于辫状河的心滩发育过程更为稳定，因此其规模在3种河型中相对最大，但宽/长比值介于其他两种河型之间。由此可见，分汊河虽为过渡河型，并非所有河型特征介于辫状河和曲流河之间，有其特殊的河型发育特征，尤其是反映到地下砂体精细描述中，因此研究分汊河意义重大。河道宽度和曲率共同决定河道砂体发育规模，从辫状河、分汊河到曲流河，河道砂体宽/长比值依次增大，应与其河道弯曲度依次增大有关。

图5 各河型河道砂体长度与宽度相关关系定量表征

3 河流及河道砂体几何参数定量表征

基于上述工作，构建了基于Google Earth软件实际测量的不同类型河流河道及其砂体几何参数的定量表征关系式。

3.1 辫状河河道(带)宽度

(1)

式中，Wwb为辫状河河道带宽度，km；W1为辫状河河道宽度，km。

3.2 分汊河河道(带)宽度

(2)

(3)

式中，Wdf为分汊河单一河道带宽度，km；W2为分汊河河道宽度，km；Wrf为分汊河复合河道带宽度，km，相当于砂体宽度发育规模Wf。

3.3 曲流河河道(带)宽度

(4)

(5)

Wwm=0.574 4Wdm+0.133，R2=0.891 5.

(6)

式中，Wdm为曲流单一河河道带宽度，km；W3为曲流河河道宽度，km；Wrm为曲流河复合河道带宽度，km，相当于砂体宽度发育规模Wf；Wwm为点坝宽度，km。

3.4 各河型河道砂体长度与宽度

(7)

式中，Wcb为辫状河心滩长度，km；Wf1为辫状河心滩宽度，km。

(8)

式中，Wcf为分汊河河道砂坝长度，km；Wf2为分汊河河道砂坝宽度，km。

(9)

式中，Wcm为曲流河点坝长度，km；Wf3为曲流河点坝宽度，km。

分析上述定量表征公式可以看出：相比于前人经验公式[1,2,15-16,18]，本文中的系列公式不仅能分河型表征河道带宽度与河道宽度的关系，并进一步表征分汊河与曲流河的单一河道与复合河道带之间的关系，适应不同尺度的研究和应用需求；还能表征各河型河道砂体的几何参数关系，对精细刻画砂体规模，预测砂体分布和油气储量规模具有指导意义。

4 不同类型河流连通砂体几何规模定量表征方法

在构建各河型河道(带)及其砂体几何参数的定量表征关系基础上，选取适宜的前人经验公式，形成了从计算不同河型河道宽度、连通砂体宽度、连通砂体长度、砂体宽度发育规模(复合河道带宽度)到砂体长度发育规模(复合河道带长度)的连通砂体几何规模定量表征方法(图6)。

图6 不同河型连通砂体规模定量表征方法流程

河道宽度借用前人公式包括Davies公式[17]和Leeder公式[14]。Davies公式适用于计算低弯度辫状河河道宽度。Leeder关系式适用于河道曲率大于1.7的高弯度河流，认为满岸深度等于正旋回砂体厚度。根据前期研究，胜利滩海地区新近系分汊河弯曲度多大于1.7，因此本文中使用Leeder关系式计算分汊河与曲流河单河道宽度。连续沉积的河道砂体(包括心滩、河道砂坝、点坝)没有明显的隔夹层，在区域勘探层次可认为是连通砂体。辫状河为多河道河流，统一用式(1)和(7)计算连通砂体宽度和长度，而分汊河与曲流河复合河道带的连通砂体长度借用分形思想计算，因此这两种河型的复合河道带连通砂体长度用式(8)、(9)计算。

5 定量表征验证

以滩海地区南部垦东12块Ngs61小层分汊河为例验证上述定量表征方法的可靠性。

通过统计油水注采关系资料可知，KD12-X22井于2010年4月开始注水，注水层位Ngs61；KD12-X32、KD12-X49井2010年6月含水迅速上升(图7(a)、(b))。结合连井剖面构型分析，推断KD12-X22与KD12-X32、KD12-X49砂体互相连通(图7(c)、(d))。使用本文中所建定量表征方法进行对比验证。

首先，利用Leeder[14]关系式计算河道宽度：

(10)

式中，W为河道宽度,m；Wh为河道深度,m。然后，利用Lorenz[15]公式计算单一河道带宽度：

Wd=7.44W1.01.

(11)

同时使用式(2)计算分汊河单一河道带宽度和式(3)计算分汊河复合河道带宽度。

两种方法计算结果见表1。其中砂体最小实际连通距离并非开发井之间的直线距离，而应为垂直河道走向、平行河道带方向的距离，如图7(c)连接X22、X32、X49井间的直线段表示开发井之间的直线距离，过X49井做垂直辅助线AA′，并连接代表垂直于河道走向、平行河道带方向的线段BA′，此时BA′即为砂体实际连通距离(图7(c))。

图7 分汊河河道砂体特征参数定量表征

表1 油水注采关系解释分汊河连通砂体规模

对比表1中数据可知，利用Lorenz公式只能计算单一河道带宽度，所得数据远小于实际砂体最小连通距离310 m，无法解释该区砂体连通现象。应用本文中公式计算得到的复合河道带宽度大于实际井间距离，与生产动态吻合，表明本文中方法可定量表征地下河流河道相关单一河道和复合河道几何参数。

6 各河型连通砂体规模刻画

应用定量表征公式计算并统计滩海区带新近系从南向北3个典型区块各河型连通砂体厚度、宽度(单一河道砂体)、长度以及砂体宽度发育规模(复合河道带宽度和长度)，并根据计算流程作出各河型连通砂体几何参数频率分布图(图8)，分别从以上几个方面刻画并预测不同类型河流连通砂体规模。

由图8可知，在连通砂体厚度方面，尽管呈现辫状河>曲流河>分汊河的特征，但3种河型差异较小，平均值在5.36～7.44 m(图8(a))。

各河型连通砂体宽度平均值亦呈辫状河>曲流河>分汊河的特征；其中辫状河的平均连通砂体宽度为3.3 km，明显大于分汊河与曲流河(图8(b))。各河型连通砂体长度则呈辫状河>分汊河>曲流河的特征；辫状河平均连通砂体长度为13.67 km，远高于分汊河的1.03 km以及曲流河的0.81 km(图8(c))。3种河型的连通砂体宽度和长度离散程度亦是辫状河远远大于其他两种河型，反映了辫状河高能量但又不稳定的沉积学特征。

图8 各河型连通砂体特征频率分布

各河型复合河道带宽度呈辫状河>曲流河>分汊河的特征(图8(d))，但各河型差别不大，平均值分别为3.30、2.57和1.47 km，且离散程度以分汊河为最小。按照本文中定量表征方法，继续利用复合河道带宽度计算得到各河型复合河道带长度，用以刻画没有明显隔层的河道砂体的最大发育规模。

至此，在划分河型的基础上，利用本文中建立的定量表征方法对地下河流河道砂体的几何参数及发育规模进行了不同级次地刻画，总结出不同河型河道砂体几何参数的相互关系，以满足砂体预测、储层建模和油藏数值模拟等不同勘探开发阶段、不同精度的沉积地质基础参数需求。

7 应 用

7.1 约束地震反演预测连通砂体规模

将上述各河型连通砂体规模参数应用于约束地震属性切片技术预测砂体，在埕北地区Ngs3埕北27曲流河的勘探中取得了良好的效果。

首先对相距400 m的埕北27井和埕北27A-5井的馆上段3砂组(Ngs3)的油砂体(图9(a)),根据其测井响应特征和油水关系进行连通性分析，结果表明其由一个连通砂体和两个不连通砂体共3个单砂体组成。利用本文中方法计算得到上述3个单砂体的连通规模和所属曲流河复合河道带宽度(表2)，可理解为该区域最小和最大连通河道砂体宽度，以此约束地震反演(图9(b)、(c))。预测结果表明，埕北27曲流河地震解释河道带宽度约2.2～3.8 km，与应用本文中公式计算得到的复合河道带宽度2.08～3.45 km相吻合；同时，此计算结果也很好地解释了3个砂体的连通性特征。

表2 埕北27井区砂体规模

统计地震预测的复合点坝规模与使用本文中方法基于主要探井Ngs3砂组连通砂体厚度,计算得到的点坝复合体的长度和宽度，并就其相关性进行了对比(图10)。

从图10中可以看出，埕北27曲流河地震预测的点坝复合体(连通砂体)宽度、长度与使用上述公式计算所得结果相关性显著，再次证明本文中建立定量表征方法可解释地下河流河道砂体连通性，约束预测不同级次河道带规模。

图10 埕北27大河河道展布点坝复合体规模公式计算与地震解释相关性

7.2 预测开发区块河道带宽度

在明确河流类型、进行储层构型剖面分析，划分出单期河道的基础上，运用本文中定量表征技术计算垦东12和埕北22开发区块新近系主力砂体河道及河道带宽度，并与前人经验公式所得结果进行对比(表3)。

表3 垦东12块与埕北22区块部分主力小层河道及河道带宽度预测对比

由表3数据对比分析可知，不同河流类型“Lorenz河道带宽度”相差不大，明化镇组与馆陶组馆上段所得结果极为相近；而利用本文中定量表征技术计算的“单一河道带宽度”和“复合河道带宽度”在不同层段(不同河流类型)数值差异较大，各河型呈现出不同的特征。原因在于Lorenz公式只能不分河型计算单一河道带宽度，而利用本文中建立的定量表征方法可以应对不同河型、不同研究尺度的要求。

笔者在编制开发区块主力小层(砂体)河道砂体平面分布图时，参考上述单一和复合河道带宽度带计算结果刻画其连通性，在储量挖潜和开发井网的完善、调整中发挥了地质指导作用，取得了显著的经济效益。

8 结束语

在测得各河型几何参数的基础上，建立各河型河道(带)及其砂体特征参数数据库，构建了3种不同河型河道(带)宽度定量关系式和各河型河道砂体宽度与长度之间的定量关系式,形成了不同河型河道宽度、连通砂体宽度、长度、砂体宽度发育规模到砂体长度发育规模的连通砂体几何规模定量表征方法。该方法不仅能体现不同河型河道砂体沉积特征的差异性，而且能精确刻画不同河型与尺度要求的砂体规模，预测砂体分布和油气储量规模。