地下花開油氣來——碎屑巖油氣儲層疊覆式沉積模式創建與應用

《中國國家地理》雜誌主編、著名地理學家單之薔先生曾把黃河三角洲的形態比喻為「一朵大大的西蘭花」，西蘭花的花瓣其實是三角洲在不同發育階段形成的一個個「朵葉體」，這些朵葉體被埋在地下千萬年後成為巖石，就會形成良好的儲層，儲層就是石油和天然氣的「家」。為了尋找和描述這些油氣儲層之花，長江大學的一個研究團隊花費了將近10年的時間 ，組建了兩支隊伍，一支專門探索地質規律，研究朵葉體的形成和演變機理；另一支專門建立地質模型，對儲層砂體進行定量的表徵。

圖1 根據中國科學院地理與資源研究所葉青超研究成果改繪的黃河三角洲發展過程示意圖被《中國國家地理》雜誌主編、著名地理學家單之薔先生成為「一朵大大的西蘭花。

2010 年初，張昌民和尹太舉教授在指導博士生的沉積學水槽實驗過程中，驚奇地發現在水流的衝積下，泥沙被一顆一顆堆積成一片片樹葉狀的砂體，隨著這些樹葉不斷長大，水流會突然發生側向擺動或者向前遷移，形成新的葉片，這些大小和形態各異的葉片疊置形成了一個新的沉積體—三角洲朵葉體，他們把這種三角洲命名為「疊覆三角洲」。

這是一種偶然的過程還是必然的規律？在自然界的河流三角洲上是否存在同樣的現象？如果這是必然的規律，他們的實驗很可能揭示了一種新的三角洲沉積機理，有可能會給尋找三角洲沉積儲層提供一個新的沉積模式。為了探索其中的奧妙，研究團隊藉助遙感衛星圖像和文獻對國內外的海洋和湖泊三角洲進行大量的調查，發現在阿查法拉亞三角洲、伯德金河三角洲、巴西河三角洲、多瑙河三角洲、瓦克斯湖三角洲、密西西比河三角洲、鄱陽湖、洞庭湖、烏倫古湖等發育的現代三角洲都顯示明顯的疊覆特徵。不僅如此，在現代和古代衝積扇、河流扇、巨型扇、海底扇等重力流沉積體系中，都發育有相似沉積現象。疊覆現象並非室內實驗曇花一現，而是碎屑巖沉積體系的普遍特徵，這表明在碎屑沉積體系中存在一種普遍沉積模式——疊覆式沉積模式。

圖2 由大型朵葉體疊覆構成的墨西哥灣現代三角洲沉積體系

「疊覆式三角洲沉積模式與傳統的三角洲沉積模式不同，此模式認為三角洲沉積以朵葉體為基本構成單元，不同朵葉體疊覆形成三角洲沉積體，打破了經典的三角洲前積模式，從更宏觀的層次概括碎屑沉積過程，豐富了碎屑巖儲層沉積模式的內容。」尹太舉教授以三角洲沉積的疊覆模式為例解釋說：「朵葉體是有層次的，低層次朵葉體就像一片片花瓣，高層次朵葉體好似一朵朵鮮花。朵葉體的排列是多姿多彩的，有些朵葉體呈離散式分布，有些朵葉體瓣瓣相疊構成一支完整的花朵；多個朵葉體可能分散排列，象一支支花朵零散地擺放，也可能緊密堆積構成朵朵相擁的花團」。研究團隊經過多年研究，發現疊覆式沉積體的沉積過程發育進積式和側積掃描式兩種單朵體成因模式；具有孤立式、側向拼接、同位疊覆、異位疊覆等四種方式，垂向上呈現出孤立分布、同位收縮疊覆、同位擴張疊覆、疊瓦狀前積疊覆、疊瓦狀退積疊覆、主體朵體與局部接觸疊覆、薄層複合朵體疊覆等七種疊覆方式；形成長條狀、朵狀、腎狀和不規則狀四種類型複合砂體。在新的沉積模式指導下，研究團隊先後在準噶爾盆地、渤海灣盆地、蘇北盆地、東海陸架盆地開展研究工作，與油田公司合作發現了一批大中型巖性油氣藏。

圖3 兩種碎屑巖儲層砂體疊覆式沉積模式

沉積砂體之花深埋在數千米的地下，其結構不象樹上的花瓣那麼一目了然。如何根據沉積模式對油氣儲層巖性、厚度和儲層物性進行預測，不僅影響著油氣開採過程中對井位和工藝的選擇，而且影響石油開採的投資效益。李少華和尹豔樹教授率領的另一隻隊伍就像一批雕刻大師，運用現代地質統計學、人工智慧和大數據技術對疊覆的碎屑巖儲集體進行精細的表徵。他們首創了基於B/S架構的多源、多層次、多類型儲層地質知識庫管理平臺，實現了多來源、多層次、多類型地質知識融合，實現了露頭庫、水槽實驗庫、現代沉積庫、訓練圖像庫、文獻庫等各類數據源的採集、校驗、存儲、管理和融合；形成了沉積物理模擬和數值模擬相結合、現代沉積與地下解剖相驗證的地質知識採集、校驗和融合方法；構建了國內類型最多、數據量最多的儲層建模分類地質知識庫，出版了國內第一部地質知識庫專著。為了精確刻畫儲層砂體和儲層物性的分布，首創了基於地貌的三維訓練圖像自動生成技術和圖像篩選方法，首創考慮地貌要素的多點地質統計學訓練圖像構建技術，解決了訓練圖像可靠性評價難題；研發了基於位置的多點地質統計學建模技術，實現了疊覆式朵體非平穩建模和複雜儲層模式再現，開發的算法和軟體平臺填補了商業化軟體的空白。

「碎屑巖儲層的疊覆式沉積模式的創建和應用，實現了碎屑巖儲層沉積學理論和技術在油氣勘探和開發、常規和非常規等方面的應用創新，實現了對疊覆式碎屑巖儲層的定量化表徵。成果既可應用於油氣勘探和評價，又能實現對高含水老油田的剩餘油挖潛」，項目負責人張昌民教授說：「研究成果先後在國內新疆、江蘇、江漢、中原、大港、渤海、大慶、青海、河南、東海等油田以及中石油一些海外區塊推廣應用，近3年為企業新增探明儲量1億多噸、新增原油產量130多萬噸、新增產值41億元、新增利潤16億元，取得了顯著的經濟效益和社會效益，榮獲中國石油與化學工業聯合會2020年科技進步一等獎。我們將不忘初心，繼續刻苦攻關，繼續精雕細刻碎屑巖沉積學之花，讓她在中國大地上開得更加鮮豔奪目，讓地下油氣滾滾而來，為維護國家能源安全，造福人民做出新的貢獻」。（光明日報全媒體記者夏靜）

來源： 光明網