蘇南區(qū)塊三維地質(zhì)模型建立與應(yīng)用

武彥，賈永輝，毛瑞好，梁常寶，馬逍，齊聰偉

中國石油長慶油田蘇里格南作業(yè)分公司（陜西 西安 710018）

三維地質(zhì)建模是在各種原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)模型建立地質(zhì)特征的數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)地質(zhì)體的幾何形態(tài)、地質(zhì)體間的關(guān)系和物性等計(jì)算機(jī)模擬，最后形成復(fù)雜整體三維模型的過程[1]。目前針對(duì)地質(zhì)建模的技術(shù)已進(jìn)行了很多研究[2-3]，對(duì)蘇里格氣田，很多人也嘗試進(jìn)行了儲(chǔ)層精細(xì)刻畫和地質(zhì)建模[4-6]。自蘇里格南項(xiàng)目啟動(dòng)以來，已完成上千平方公里地震采集、處理與解釋，并鉆探、壓裂和生產(chǎn)幾百口井，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行富有成果的解釋和分析。本文將詳細(xì)介紹如何將這些理解整合到三維模型中，形成系統(tǒng)化的地質(zhì)認(rèn)識(shí)。

1 地質(zhì)綜合分析

1.1 重新審查地質(zhì)分層

由下至上識(shí)別標(biāo)志層，馬家溝頂部、本溪頂部、太原頂部和石千峰頂部分層較為可靠，山2頂部、山1下頂部、山 1 頂部、盒 8下頂部，盒 8 頂部和盒 7 頂部分層相對(duì)不確定性較高。此次重新統(tǒng)一更新分層主要針對(duì)這些不確定的標(biāo)志層進(jìn)行。山1頂?shù)母轮饕罁?jù)沉積構(gòu)造的繼承性及下覆的可追蹤最大湖泛面，盒8 頂分層主要依據(jù)電阻率差別及巖性差別。

1.2 測井沉積相解釋更新

根據(jù)17 口井巖心描述，分析對(duì)應(yīng)的測井響應(yīng)（曲線形狀和曲線值）以及錄井巖屑描述（巖石粒度，巖性等），在沉積概念模型基礎(chǔ)上建立了測井沉積相模式，并據(jù)此將測井沉積相解釋外推到所有未取心井，從而覆蓋整個(gè)區(qū)塊。

1.3 沉積相圖手繪及數(shù)字化

將測井沉積相、連井剖面、基于水平井和露頭對(duì)比的河道尺寸分析、成像測井以及沉積概念模型等多數(shù)據(jù)綜合分析并運(yùn)用到沉積相圖手繪過程中，同時(shí)進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量控制（圖1）。由于當(dāng)時(shí)對(duì)地震數(shù)據(jù)可用性的不確定，此沉積相圖沒有參考地震數(shù)據(jù)，但考慮將地震數(shù)據(jù)作為將來模型更新的輸入數(shù)據(jù)。完成了12 幅沉積相圖的手繪，并將其在Petrel和ArcGIS中完成數(shù)字化。

圖1 多參數(shù)整合的沉積相圖手繪及數(shù)字化流程

1.4 巖石物理截止值確定

根據(jù)毛管壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果、核磁測井結(jié)果、巖心分析數(shù)以及產(chǎn)氣剖面測試結(jié)果等各種信息綜合分析確定了巖石物理截止值。首先，通過毛細(xì)管壓力測試，可以在含水飽和度與滲透率之間建立合理的關(guān)系。當(dāng)滲透率＞ 0.01 ×10-3μm2時(shí)，含水飽和度顯著降低。從巖心測量數(shù)據(jù)來看，對(duì)應(yīng)于滲透率為0.01×10-3μm2的最小孔隙度為4%。其次，根據(jù)核磁測井?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)于滲透率為0.01×10-3μm2的孔隙度為4%。將核磁測井含水飽和度＞70%的值篩選出來后，發(fā)現(xiàn)核磁測井孔隙度在4%以上的大多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)磁測井含水飽和度＜70%，排除泥質(zhì)含量＞25%的數(shù)據(jù)點(diǎn)。由此將泥質(zhì)含量截止值定義為25%。

2 地質(zhì)建模

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

通過完整數(shù)據(jù)質(zhì)量審查和準(zhǔn)備工作，得到一個(gè)數(shù)據(jù)完整準(zhǔn)確的工區(qū)用于建模。包括交叉檢查井坐標(biāo)和補(bǔ)心海拔數(shù)據(jù)在內(nèi)的井信息數(shù)據(jù)；交叉檢查測井曲線缺失和測井?dāng)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性；為了減小建模工區(qū)的大小，從而提高工區(qū)運(yùn)行速度，清除了所有測井無效空值；生成了地質(zhì)分層和地震層位的差異厚度圖，仔細(xì)檢查以確保兩者之間沒有差異（可接受范圍±1 m），由此完成質(zhì)量控制。

2.2 網(wǎng)格建立

2.2.1 網(wǎng)格尺寸試驗(yàn)

對(duì)于橫向網(wǎng)格尺寸，河道寬度應(yīng)覆蓋4 個(gè)網(wǎng)格。根據(jù)對(duì)水平井的分析，河道寬度為400 ～600 m，因此橫向網(wǎng)格尺寸應(yīng)該在100～200 m 之間。此外，為了更好地表征儲(chǔ)層非均質(zhì)性，將橫向網(wǎng)格尺寸確定為100 m。區(qū)塊內(nèi)兩井最近間距為114 m，但沉積砂體完全不同，100 m 的橫向網(wǎng)格尺寸可以確保這兩個(gè)井位于不同網(wǎng)格中，不會(huì)丟失儲(chǔ)層非均質(zhì)性。

對(duì)于垂向網(wǎng)格尺寸，通過各相的河道厚度直方圖分析認(rèn)識(shí)到，1.5 m 到2 m 垂向網(wǎng)格大小足以表征幾乎最薄的河道砂體。此外，1.5 m 到2 m 也可以表征最薄的2 m壓裂間隔。

計(jì)算時(shí)間也是要考慮的主要方面。作為比較，建立了3 種網(wǎng)格100 m×100 m×1.5 m，100 m×100 m×2 m 和200 m×200 m×2 m，并進(jìn)行基于對(duì)象的沉積相建模，計(jì)算時(shí)間分別為3 h，2 h和20 min。

關(guān)于模型是否遵守井?dāng)?shù)據(jù)約束、目標(biāo)相比例約束以及孔隙度比例約束，結(jié)果顯示3 種網(wǎng)格均遵守了井?dāng)?shù)據(jù)約束、目標(biāo)相比例約束以及孔隙度比例約束。

考慮到各方面的限制和約束，最終確定網(wǎng)格大小為100 m×100 m×2 m，網(wǎng)格總數(shù)超過1 900 萬，方向?yàn)楸?南向。

2.2.2 網(wǎng)格質(zhì)控

網(wǎng)格質(zhì)量控制由兩部分組成。一部分是通過生成地震輸入與模型輸出之間的差異圖來控制井震標(biāo)定。另一部分是網(wǎng)格檢查（正交性，無網(wǎng)格外翻，厚度分散性等），生成X 方向網(wǎng)格尺寸圖/Y 方向網(wǎng)格尺寸圖、網(wǎng)格外翻分布圖、網(wǎng)格角度圖、網(wǎng)格體積圖、網(wǎng)格厚度圖等進(jìn)行檢查，質(zhì)控并檢查是否存在未定義的值。

2.3 沉積相建模

2.3.1 沉積相建模流程

首先，將測井沉積相重新分類，保留辮狀河相、低彎度曲流河相、曲流河相、三角洲分支河道相，將廢棄河道相和天然堤相合并，沼澤平原等非儲(chǔ)層相和沖擊平原相合并，進(jìn)行測井沉積相粗化。其次，選擇基于對(duì)象的隨機(jī)建模以及適應(yīng)性河道來對(duì)河流系統(tǒng)進(jìn)行沉積相建模。通過分層和分區(qū)域（由河道帶邊界作為硬約束控制的外推）及來自三維概率體的比例作為硬約束輸入進(jìn)行建模。河道寬度、厚度等幾何參數(shù)根據(jù)水平井河道寬度分析、露頭對(duì)比以及各相河道厚度直方圖分析得到。

2.3.2 沉積相模質(zhì)控

主要沉積相模型質(zhì)控包括以下步驟：

1）檢查沉積相模型的剖面圖和平面圖。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，該模型完整表征了對(duì)垂向和橫向儲(chǔ)層分布的理解。從西向東，整個(gè)區(qū)塊中存在3-4 個(gè)北-南/北-西南向主河道帶；從北向南，辮狀河和低彎度曲流河相逐漸減少，曲流河相逐漸增加；從上到下，辮狀河相主要集中在盒7 和盒8 中，低彎度曲流河和曲流河相集中在盒7 到山2 中。此外，河道形狀和方向與輸入一致。總之，考慮到在幾百口井約束下基于對(duì)象建模的困難程度，從對(duì)井?dāng)?shù)據(jù)（相比例），河道幾何形狀（形狀和方向）以及河道趨勢（河道帶邊界）的遵守程度來看，此沉積相模型令人滿意。

圖2 沉積相模型的剖面圖和平面圖質(zhì)控

2）對(duì)比模型與測井的總砂厚、凈砂厚。圖3 顯示了所有層疊合后的模型對(duì)比測井的砂厚、凈砂厚，樣本點(diǎn)分布的一致性表明該模型遵守了測井?dāng)?shù)據(jù)砂體分布的約束。

2.4 巖石物理建模

2.4.1 巖石物理建模流程

主要工作流程如圖4所述，包括以下步驟：

圖3 對(duì)比模型和測井計(jì)算的厚度

1）測井?dāng)?shù)據(jù)粗化。粗化數(shù)據(jù)包括孔隙度、泥地比、有效孔隙度和有效含水飽和度。由于統(tǒng)計(jì)偏差，不應(yīng)將水平井用于以上粗化。

圖4 巖石物理建模流程

2）數(shù)據(jù)分析。分析各相的各參數(shù)直方圖和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，孔隙度只存在一個(gè)峰值，且平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差也在合理范圍，這反過來驗(yàn)證了沉積相解釋是合理的。

孔隙度、泥地比、有效孔隙度和有效含水飽和度之間的相關(guān)性表明，孔隙度可以用作泥地比和有效孔隙度的協(xié)克里金插值輸入，而有效孔隙度可以用作有效含水飽和度的協(xié)克里金插值輸入。在區(qū)塊內(nèi)無法找到常規(guī)的氣水界面，故無法運(yùn)用毛管壓力數(shù)據(jù)和水界面來計(jì)算氣柱的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)工作流程。

對(duì)各相的孔隙度、泥地比、有效孔隙度和有效含水飽和度進(jìn)行變差函數(shù)分析。未對(duì)各層各相分析變差函數(shù)的原因是按各層各相劃分的樣本有限，結(jié)果相對(duì)不可靠。

3）外推插值。孔隙度是最可靠的外推插值參數(shù)，可作為其他參數(shù)外推插值的基礎(chǔ)。因此，首先進(jìn)行孔隙度外推插值。在相模型控制下，輸入各相的變差函數(shù)和參數(shù)分布，使用高斯隨機(jī)函數(shù)模擬進(jìn)行外推插值。對(duì)泥地比和有效孔隙度外推插值，孔隙度作為協(xié)克里金輸入。最后對(duì)有效含水飽和度外推插值，有效孔隙度作為協(xié)克里金插值輸入。最重要的一點(diǎn)是通過泥地比結(jié)合沉積相控制有效孔隙度和有效含水飽和度的插值，特別是非儲(chǔ)層段的插值，這是針對(duì)非常規(guī)氣藏建立巖石物理建模流程的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。

2.4.2 巖石物理建模質(zhì)控

從測井?dāng)?shù)據(jù)到粗化數(shù)據(jù)，再到模型屬性，每個(gè)步驟都經(jīng)過全面嚴(yán)格的質(zhì)控（圖5）。下圖顯示各參數(shù)測井?dāng)?shù)據(jù)與模型屬性的對(duì)比，平均值和分布均顯示了較高的一致性。最大值出現(xiàn)了差異，但只占很小的比例。

另一重要質(zhì)量控制步驟是檢查并確認(rèn)模型輸出有效含水飽和度與有效孔隙度的關(guān)系，是否遵循從粗化數(shù)據(jù)中得出的有效含水飽和度與有效孔隙度關(guān)系，結(jié)果令人滿意。

2.4.3 巖石物理建模成果

在遍歷性實(shí)驗(yàn)后確定了基本模型，在此基礎(chǔ)上生成各巖石物理參數(shù)平面圖，并且疊合各層生成了總的砂厚、凈砂厚、有效孔隙體積、儲(chǔ)能系數(shù)平面圖，可以發(fā)現(xiàn)區(qū)塊東部要優(yōu)于之前預(yù)期。

圖5 各巖石物理參數(shù)質(zhì)控

2.5 儲(chǔ)量計(jì)算

模型建成后進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算，與2010 年相比，在更高沉積相及巖石物理井控密度約束下建成的模型計(jì)算得到的儲(chǔ)量比原有增加了26%。

2.6 不確定性分析

針對(duì)3 種不確定性參數(shù)進(jìn)行分析。一是編寫Petrel工作流程來改變河道帶寬度，從而分析其對(duì)儲(chǔ)量的影響；二是評(píng)估采樣不確定性，從而分析沉積相比例對(duì)儲(chǔ)量影響；三是評(píng)估采樣不確定性來改變巖石物理參數(shù)平均值，從而分析其對(duì)儲(chǔ)量影響。圖6顯示了各參數(shù)對(duì)儲(chǔ)量影響的絕對(duì)值與相對(duì)比例，結(jié)果表明隨著井控密度降低，不確定性增加；地質(zhì)儲(chǔ)量整體不確定性范圍為15%左右。

圖6 不確定參數(shù)對(duì)儲(chǔ)量影響比例圖

3 結(jié)束語

建立全區(qū)三維地質(zhì)模型，更新對(duì)河道和河道帶的認(rèn)識(shí)：幾百口開發(fā)井驗(yàn)證了2013 年根據(jù)十幾口探井建立的沉積概念模型；從西向東，整個(gè)區(qū)塊中存在3～4 個(gè)北-南/北-西南向主河道帶；從北向南，辮狀河和低彎度曲流河相逐漸減少，曲流河相逐漸增加；從上到下，辮狀河相主要集中在盒7 和盒8 中，低彎度曲流河和曲流河相集中在盒7 到山2 中。此外更新了砂體特征的認(rèn)識(shí)：區(qū)塊東部要優(yōu)于之前預(yù)期；南部未開發(fā)區(qū)域東部預(yù)期要優(yōu)于西部；研究顯示砂體更集中分布于盒8上下和山1上下中，這些小層可作為后期水平井開發(fā)的主要目標(biāo)層位。最終對(duì)儲(chǔ)量更新及不確定分析增強(qiáng)了區(qū)塊產(chǎn)量達(dá)產(chǎn)以及后期持續(xù)高效開發(fā)的信心。