基于多尺度融合的巨厚復雜裂縫性儲層精細表征*

徐 靜 霍春亮 葉小明 黨勝國 王鵬飛

(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院 天津 300459)

裂縫儲層油氣產量占國內石油天然氣產量的一半以上，是21世紀石油增儲上產的重要領域之一[1]。近些年來，潛山裂縫油氣藏已逐漸成為了國內外石油地質家尋找新油氣田的一個重要勘探開發領域[2]，發現的裂縫油氣儲量逐年增加。潛山變質巖油氣藏具有復雜的裂縫網絡和儲集空間，儲層非均質性強，這是該類儲層預測和表征的關鍵，也是難點所在。一直以來，裂縫儲層精細描述都是業界難題[3]。

裂縫型儲層建模旨在表征儲層基質與裂縫的幾何形態、物性參數在三維空間的分布，定量刻畫不同介質的流動特征。對于裂縫的表征主要有隨機方法和確定性方法[4]，常用的方法是離散裂縫網絡法(Discrete Fracture Network，簡稱DFN)[5]，該方法能綜合井點、測井及地震多方面資料進行模擬，用離散面元來表征裂縫的分布，具有很好的適用性。但受限于常規網格剖分的制約[6]，該方法需要將所有尺度裂縫粗化計算成網格連續屬性，難以反映裂縫網絡的滲流非均質性，且無法真實反應裂縫引起的竄流等開發現象。生產實踐表明，不同尺度裂縫對低滲油氣藏的作用和滲流影響明顯不同，大尺度裂縫(主要指斷層級別裂縫)滲透率遠大于基質[7]，更容易引起油氣水竄流，直接影響開發效果；小尺度裂縫(主要指巖心級別裂縫)主要增加儲集空間，滲透率通常較小；中尺度裂縫(介于大小尺度裂縫之間)決定了儲層的整體滲流能力。傳統的裂縫儲層表征方法已不能滿足精細研究和高效開發需要，建立反映不同尺度裂縫滲流特征的地質模型面臨諸多挑戰。

針對BZ潛山氣藏儲層強非均質性特征和開發難度大的問題，應用地質統計學方法，類比研究露頭裂縫分布；結合地震、巖心多尺度資料，研究不同尺度裂縫發育規律。針對不同尺度裂縫特征，探索分尺度建立離散裂縫網絡方法，分別建立大、中、小不同尺度裂縫網絡模型并實現耦合。

1 研究區概況

BZ氣田位于渤中凹陷西南部，是被走滑斷層及其派生斷層復雜化的具有背斜特征的斷塊構造，具有雙洼供烴優勢，且受大型走滑斷層影響，長期活動斷層及其派生斷層發育，區域成藏位置有利。主力層位為受多期構造運動影響的新太古界潛山，被斷層切割成多塊，研究區4井區(包含4井和7井)為被南北向走滑斷層切割的西側構造高部位主體區，發育巨厚變質巖儲層，鉆探厚度近1 000 m，縱向上呈砂礫巖、風化帶、內幕的分帶模式，儲層連通性較好。目標區儲層具有裂縫發育且多尺度共存、非均質性強等特點，裂縫以中高角度為主，線密度主要為5～10條/m。儲集空間多樣，以裂縫-孔隙型和孔隙-裂縫型為主，儲層總體呈低孔低滲特征，平均孔隙度為4.3%；風化帶經長期風化淋濾，溶孔洞和裂縫較發育，平均裂縫滲透率為2.6 mD；內幕帶構造裂縫較發育，平均裂縫滲透率為2.1 mD。儲層內部滲流主要通過裂縫溝通，開展分尺度的裂縫預測及精細裂縫儲層表征研究,對氣藏數值模擬研究及方案制定具有重要意義。

2 多尺度裂縫發育規律研究

要建立精細的三維地質模型，首先要研究裂縫儲層發育規律。其難點和關鍵是在裂縫定量描述基礎上，確定儲層成因機制和分布規律，預測井間裂縫的分布。筆者調研國內外文獻、資料，通過不同規模資料觀測裂縫特點，采用類比方法，精細描述相似露頭資料，運用地質統計學方法，研究不同尺度裂縫分布規律，定量預測裂縫。

2.1 多尺度裂縫描述

2.1.1大尺度裂縫識別

地震信息中包含著大量的斷裂以及裂縫信息，是最常用的宏觀裂縫預測資料。基于地震數據的裂縫預測方法較多，螞蟻追蹤方法是一種較新的算法，可自動識別和提取地震屬性中的不連續信息。

根據不同資料觀測的裂縫規模及其滲流特征，將地震屬性能識別的斷層級別的裂縫劃分為大尺度裂縫，長度通常大于200 m，其空間延伸范圍較大，并且在地震資料上有較好的響應特征。鉆井很難鉆遇該級別的裂縫，因此主要通過疊后地震資料識別，同時根據裂縫的伴生性，結合井點成像測井資料的小尺度裂縫走向信息對大尺度裂縫的研究成果進行驗證。

分析不同地震屬性，優選方差體屬性開展螞蟻體追蹤識別。根據地震分辨率，提取螞蟻體裂縫片及優勢裂縫帶，認為研究區主要發育北北西向、近東西向、北東東向3組裂縫，所得認識與構造解釋的斷層具有較好的一致性(圖1)。數字化描述螞蟻體追蹤的裂縫長度及走向等信息，分析其分布規律。

圖1 BZ氣田4井區解釋斷層和螞蟻體結果對比Fig.1 Interpretation of faults and comparison of ant result in 4 well area of BZ gas field

2.1.2小尺度裂縫描述

選取典型巖心剖面進行精細測量與描述，數字化裂縫信息，統計實際氣田小尺度裂縫參數特征。圖2a為研究區7井巖心剖面裂縫描述結果，對巖心剖面上裂縫進行數字化發現，該井區主要發育北北西向、北東向兩組裂縫。作裂縫長度與累積頻率圖版，統計分析裂縫參數分布規律，發現巖心級別的小尺度裂縫長度符合冪函數分布[8]，指數接近2(圖2b)。

圖2 研究區7井典型巖心剖面裂縫描述和裂縫長度分布Fig.2 Fracture description map of typical section and Statistics of fracture length distribution in Well 7 of the study area

2.1.3中尺度裂縫描述

各項資料研究表明，實際氣田儲層除了發育斷層級別大尺度裂縫和巖心級別小尺度裂縫，還有更多的介于這兩種規模之間的裂縫，這些中間尺度的裂縫到底如何分布、有沒有規律可尋，沒有實際的資料可直接精細研究，如何實現定量預測，這是目前裂縫研究的難題和關鍵。筆者提出類比分析思路，首先對多個相似露頭中尺度裂縫進行精細描述，再運用地質統計學方法，分析露頭裂縫發育規律，間接預測氣田4井區中間尺度裂縫。

依據露頭研究選擇原則：相似性、典型性、代表性和系統性，選擇秦皇島聯峰山、北戴河海濱等多個露頭進行觀測研究，該出露地層構造上位于燕山褶皺帶東段山海關臺拱區東緣，緊鄰渤海灣盆地邊緣，主要發育混合花崗巖，與BZ凝析氣田太古界潛山在巖性、形成時代、構造位置、構造發育背景上均相同或相似。根據地質統計學樣本選取要求，對秦皇島地區3個區域(聯峰山、小東山、老虎石等)典型觀測點的裂縫露頭進行詳細觀察與測量。定量描述裂縫發育規律和裂縫參數，總結關鍵參數(裂縫長度、密度分布)的規律，并類比研究目標氣田的裂縫發育規律。

選取聯峰山神山露頭太古界基巖的1個測量點進行觀察與測量，對露頭照片上的裂縫進行數字化描述(圖3a)，統計分析裂縫長度等參數。總體看，主要發育北北西向、北東向兩組裂縫，發育較為穩定，長度延伸較長。作裂縫長度與累積頻率的交會圖，分析裂縫規模分布規律[8-9]，發現也遵循冪律分布且指數為2(圖3b)。

圖3 聯峰山神山露頭照片數字化裂縫描述及露頭裂縫長度分布統計圖Fig.3 Digital fracture of Shenshan outcrop photos of Lianfeng mountain and distribution statistics of outcrop fracture length

2.2 各尺度裂縫長度發育規律分析

在通過油田地震數據螞蟻體、巖心和相似露頭等資料精細描述大、中、小不同尺度裂縫基礎上，進一步將不同資料描述的裂縫長度進行歸一化，研究油田各尺度裂縫長度發育規律。

首先將螞蟻體識別的大尺度裂縫長度等參數進行精細測量，統計氣田斷層級別大尺度裂縫長度分布，研究表明大尺度裂縫同樣遵循冪函數分布(圖4)。

圖4 研究區不同尺度裂縫長度分布統計圖版Fig.4 Statistical plates of fracture length distribution of the study area

進一步選擇10個秦皇島地區的典型露頭剖面數字化描述中尺度裂縫分布并歸一化，總結規律，發現裂縫的長度均符合冪律分布，且其指數均為2左右。

為了驗證露頭資料統計的中間尺度裂縫發育規律能否適用于BZ氣田潛山裂縫儲層，將其與氣田巖心小尺度裂縫、大尺度裂縫長度數據歸一化到一個圖版中(圖4)，不同規模資料統計的不同尺度裂縫均符合冪律定律，且指數基本一致(為2左右)。有了這個多尺度裂縫長度分布規律圖版，可實現氣田各級尺度裂縫規模發育頻率的預測。

3 分尺度裂縫儲層精細表征

由于BZ氣田4井區規模大，斷裂系統非常復雜，四期不同類型斷裂相互交切；且垂向儲層段跨度大，給構造建模和裂縫表征帶來了巨大挑戰。采用Petrel與RMS結合，利用Petrel軟件的靈活、方便性，以及RMS的 “改進二叉樹”算法處理復雜斷層交切關系等優勢，通過多方法交互，精細建立能真實反映區塊復雜斷裂關系的構造框架模型。

天然裂縫的發育具有多尺度性，不同尺度的裂縫物性特征差異大，因此對裂縫進行分尺度表征很重要。基于上述裂縫長度分布規律認識，結合地震、成像測井、薄片、試井等資料，綜合研究裂縫分布，采用多屬性分級約束、分尺度的方法構建4井區裂縫儲層模型。

3.1 基于非結構化網格的大尺度裂縫“真實”表征

基于斷層和螞蟻體識別提取的大尺度裂縫信息，結合井點傾角與斷層斷距分析，將對油氣滲流起關鍵作用的部分大裂縫采用確定性建模方法，建立離散裂縫模型。分析裂縫系統等關鍵地質特征無法精細表征的根源是受網格的制約，多方調研并深入研究網格剖分方法，引入非結構化網格剖分技術，充分發揮靈活性優勢[10-11]，以大尺度裂縫的真實產狀為硬數據約束網格剖分，用能實現任意走向的三棱柱面準確刻畫裂縫，實現大尺度裂縫真實表征(圖5)。根據統計出的裂縫長度與開度的關系，采用立方定律計算每條離散裂縫的屬性。

圖5 BZ氣田4井區大尺度裂縫表征Fig.5 Large-scale fracture characterization in 4 well area of BZ gas field

3.2 基于離散裂縫網絡的中小尺度裂縫表征

中間尺度裂縫的長度分布規律已由露頭和巖心描述獲得，由于該尺度裂縫數量巨大，形態不確定，相對于氣田尺度較小，無法用確定性方法表征，采用基于離散裂縫網絡(DFN)的雙重介質方法表征。由于研究區潛山垂向發育儲層段厚度大，風化帶與內幕儲層差異較大，提出“平面分區、垂向分層”的方法分別建立各層段的裂縫模型。

對于風化帶儲層，研究發現橫波阻抗數據能較好地反映裂縫發育帶[12]，因此基于成像測井數據，橫波阻抗體約束建立密度體，結合長度冪函數規律建立離散裂縫模型。內幕帶由于埋藏更深、影響因素多，地震資料分辨率下降；針對構造這個主控因素，精細研究曲率與儲層的關系，發現在4井區曲率體屬性能較好地反映裂縫發育趨勢，可用來約束建立內幕裂縫密度體，從而彌補了內幕儲層認識不清的難題。同樣結合裂縫長度規律、成像測井等參數約束建立中小尺度離散裂縫模型(圖6a)。采用oda方法粗化計算雙重介質裂縫孔隙度、滲透率等屬性，其中裂縫平均滲透率為2.3 mD(圖6b)，多屬性約束建立的裂縫屬性模型能較好地反映儲層平面非均質性。

圖6 BZ氣田4井區中小尺度裂縫離散模型與滲透率屬性模型Fig.6 Medium and small scale fracture discrete model and permeability model in 4 well area of BZ gas field

3.3 內幕裂縫帶儲層基質系統表征方法

BZ氣田潛山鉆遇儲層段厚度大，據探井統計，潛山鉆遇地層厚度為156～953 m。綜合地質、測井研究，潛山發育似層狀結構，由頂面往下依次劃分為砂礫巖、風化殼以及內幕裂縫帶，儲集類型多樣，以孔隙-裂縫型儲層為主。但隨著埋藏深度的增加，內幕帶儲層下部，由于幾乎不受風化作用改造，儲層以裂縫型儲層為主，據數字巖心研究，基質中孔隙很少。該類型儲層由于鉆遇井資料很少，地震分辨率不夠，缺乏約束的資料，其內幕儲層表征具有巨大挑戰，特別是對于基質儲層表征沒有可靠方法。

通過精細研究微觀基質儲集空間類型，明確該類型基質屬于微裂縫型基質，且以微裂縫為主要的儲集和滲流通道。在微觀滲流機理研究基礎上，基于裂縫長度發育的冪定律，微觀尺度的裂縫是大量存在的，而且它對于氣藏的主要貢獻在于改善儲集空間，因此它的最終目標是等效到基質中。依據小尺度等效表征方法的思路，提出基于微、小裂縫(下文統稱小)等效的基質表征新方法。以小尺度裂縫參數和冪函數約束，曲率體約束趨勢，采用DFN方法模擬，實現小尺度離散裂縫表征。結合數字巖心研究，采用基于流動模擬的方法，模擬小尺度裂縫的等效屬性，實現裂縫型內幕儲層的基質屬性等效表征。

3.4 基質、多尺度裂縫系統耦合

建立好各尺度裂縫和基質模型后，如何表征它們之間的流體交換，實現不同系統間的耦合，這也是分尺度裂縫儲層表征的關鍵和面臨的難題。油藏流動問題和其他實際物理模型一樣，控制方程比較復雜，通常很難求出解析解。采用基于聯通表的離散裂縫數值模擬方法，用聯通表的形式來刻畫非結構化網格之間的傳導率[11]。將雙重介質屬性映射到非結構化網格中，基于聯通表方法表征基質與大尺度離散裂縫、雙重介質裂縫間的傳導率，實現裂縫系統與基質間的耦合表征(圖7)。

圖7 BZ氣田4 井區多尺度裂縫與基質耦合模型Fig.7 Fracture permeability model of 4 well area in BZ gas field

裂縫儲層非均質性強，屬性不確定性大，除了綜合多項靜態資料精細刻畫，還需結合動態資料校驗裂縫模型。本文建立的裂縫模型平均滲透率為2.3 mD，4井的試井解釋滲透率為2.6 mD，結合類比法，初步驗證了所建裂縫模型的可靠性。

4 模型應用

應用多方法融合的分尺度裂縫儲層網格和屬性模型，整理氣藏參數和DST測試數據，構建氣藏數值模擬模型，并進行4井DST擬合，定產量條件下模型擬合壓差與測試壓差符合率較高(圖8)，達98%。

圖8 BZ氣田4井DST壓力擬合曲線Fig.8 DST pressure fitting curve of well 4 in BZ gas field

基于多尺度融合的模型更能反應裂縫儲層的強非均質性，特別對中后期大尺度裂縫引起的氣竄現象能更好地反映，降低開發方案風險。在此基礎上，開展了氣田敏感性分析，井型井網優化、衰竭和注氣等開發方式的數值模擬優選，提出并制定了“冬季采氣，夏季回注，先衰竭后注氣”的循環注氣策略。依據潛山物性及裂縫分布影響，采用不規則井網設計7口井，井距約1 000～1 400 m。通過多方案數值模擬比選，制定出先構造低部位注氣后高部位注氣、回注率為1.0、季節調峰的方案，預測天然氣采收率為59.6%，凝析油采收率為29.8%。

5 結論

1) 應用類比和地質統計學方法，確定BZ氣田潛山儲層不同尺度(大、中、小尺度)裂縫規模與發育頻率的冪函數關系，冪指數均為2，實現了潛山各級尺度裂縫定量預測，為分尺度裂縫表征提供了重要依據。

2) 針對不同尺度裂縫規模及其對滲流的影響，引入非結構網格剖分技術，并結合地震、成像測井、巖心等資料，提出多尺度融合的裂縫儲層表征方法；該方法克服了單一方法建模難以反應裂縫非均質性的問題，在相似復雜儲層描述方面具有推廣意義。