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储层地质模型及随机建模技术

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地质模型 随机 建模 技术
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  作者简介  吕晓光 , 男 , 1967 年生 , 1988 年毕业于中国地质大学石油系 , 1995 年获中国地质大学工学硕士 , 现于中国地质大学 (北京 ) 攻读博士学位。地址 : (163712) 黑龙江省大庆市让胡路区。3   本文为国家 “九五”攻关课题《三角洲前缘相储层精细地质模型》 (952109201201205202) 和《储层随机预测模型及三维显示技术》 (952109201201205204) 成果。储层地质模型及随机建模技术 3吕晓光 王德发 姜洪福(大庆石油管理局勘探开发研究院 ) (中国地质大学 ·北京 ) (大庆石油管理局第一采油厂 )摘  要   概述了储层地质模型的类型、研究内容、建模步骤和建模方法 , 重点介绍了储层随机建模的意义和目前出现的主要随机建模方法。同时结合我国实际情况讨论提出了以密井网资料为基础采用综合分析进行确定性建模的框架 , 探讨了储层随机建模的发展方向。主题词   储层模型  建模方法  确定性建模  随机建模目前我国乃至世界上的许多大油田都已进入高含水中后期开采阶段 , 在石油工业发展史上油藏 (储层 ) 描述曾带来巨大的经济效益。然而近年来 , 技术投入大幅度增加 , 每年发表的有关储层研究文献及举办的储层研究短训班次数剧增 , 但采收率却未出现预期中的增长 〔 1〕 。产量预测也存在明显误差 , 储层表征研究面临许多挑战。现代化油藏管理和提高采收率的需要对建立储层模型的准确性和精细化程度的要求越来越高。一、储层地质模型及建模方法步骤1 , 油藏模型与储层地质模型油藏与储层在英文中都是同一词 (, 我国一些研究者甚至在公开的文献中常常将二者混淆。油藏模型是油气藏类型、几何形态、规模、油藏内部结构、储层参数及流体分布的高度概括。由圈闭结构模型 , 储层地质模型和流体分布模型 3 部分组成 〔 2〕 。储层地质模型是油藏描述的核心 , 是储层特征及其非均质性在三维空间上变化和分布的表征。不同研究者从不同角度提出了不同类型的地质模型。如按不同开发阶段的适用条件可将储层地质模型分为概念模型、静态模型和预测模型。按非均质性尺度划分为宇观 ( 大于 10 000 1 01304 8m) 、中观( 100~ 10 000、宏观 ( 数英寸到数英尺 ) 和微观 ( 微米级 ) 不同级次的地质模型。 〔 3〕 则提出了油田规模地质模型 (1~10、油藏规模非均质模型 (011~ 1、油藏到成因砂体规模储层非均质模型 (0101~ 015、小规模储层非均质模型 ( < 0101。按照表征的内容可将地质模型分为结构模型、流动单元模型、储层参数模型和裂缝分布模型等 〔 2〕 。储层结构模型是指储层砂体的几何形态及在三维空间分布的主体格架 , 即骨架模型。 〔 4〕 主要针对海相碎屑岩储层砂体的空间展布提出 3 种基本类型 : 千层饼式、拼合式和迷宫式。于兴河等 〔 5〕 针对我国陆相断陷湖盆三角洲实际特点 , 在以上分类基础上进一步提出了第四种类型的结构模型 , 即夹心式结构。按照 〔 6〕 的定义 : 流动单元是一个在垂向上和横向上连续的储集带 , 影响流体流动的岩石性质相似。流动单元模型是由许多流动单元块组成的三维岩体 , 是基于油藏数值模拟的目的提出的 , 建立流动单元模型其意义在于每一流动单元反映了特定的储层流动特征。已有大量文献 〔 7 ,8〕 从不同角度给出了流动单元的类似定义和研究方法及应用。储层参数分布模型是储层参数在三维空间上变化和分布的表征。参数包括厚度、渗透率、孔隙度和泥质含量等。其中渗透率是最主要的参数 , 但渗透率测井解释是储层表征中的难点之一。以往研究中多采用多元统计方法建立渗透率和孔隙度等参数的线性关系 , 获取渗透率值。然而实际中这种关系往往不存在或不确定。例如对澳大利亚悉尼盆地辫状河道砂岩储层露头研究成果表明 ,渗透率与沉积相类型密切相关 , 孔隙度则主要反映砂·01· 第 19 卷    第 1 期    大庆石油地质与开发     2000 年 2 月© 1995o., 渗透率未显示出与孔隙度有任何关系 〔 9〕 。近年来的研究趋势是分相带或岩石物理相建立孔渗关系模型 , 大量研究者应用神经网络等模式识别技术进行渗透率预测 〔 10、 11〕 。建立裂缝分布模型是储层建模的难点之一 , 但又对流动状态至关重要 , 通常用随机建模布尔方法将裂缝模拟为薄椭圆磁盘状 , 12〕 提出了解决这一问题的另一种随机方法 , 他采用分形模型进行裂缝的表征。2 , 储层地质模型的建模步骤 〔 13〕 提出了 2 步建模步骤 : 第一步建立相分布模型 , 在此基础上 , 第二步建立不同相的岩石物性模型。基本思想是同一微相或岩相具有相近的岩石物理性质 , 在相同的微相内建立岩石物性分布参数分布模型会较大提高预测精度。文献 〔 14〕进一步提出了建立储层随机地质模型的 3 步建模步骤 : 建立构造模型、沉积微相模型和岩石物性模型。实际上广义的储层建模还应包括粗化 (, 即将储层地质模型转化为数模网格这一步骤 (图 1) 。图 1  储层建模的 4 步过程3 , 储层地质模型建模方法目前储层建模主要有确定性建模和随机性建模两种途径。确定性建模方法即试图从已知确定资料的控制点出发 , 给出确定的、唯一的储层结构和参数分布。主要手段 : ①利用地震资料 (包括三维地震和井间地震 ) 。②利用水平井资料。③露头类比资料。④密井网资料。此外 , 传统的井间参数插值方法如反距离平方 ,克里格方法都属于确定性井间预测方法的范畴。地震分辨率一般大于 20m , 适合于油藏评价阶段建立宇观、中观级别的储层结构模型。水平井技术由于资料较少 , 只能用来作为一种辅助手段。近年来国内外研究者积极倡导重返露头 , 建立露头精细地质模型 , 调查砂体几何形态、砂体内部建筑结构 , 积累露头调查的定量知识 , 以期将露头调查研究成果应用于地下 , 如林克湖等 〔 15〕 在青海油砂山地区的研究就是以露头资料为知识库 , 建立地质模型的实例。但我国进入成熟开发期的老油田主要分布于东部 , 缺乏相应的露头资料 , 借助于西部或国外露头研究成果 , 限于沉积环境、沉积条件的差别 , 类比应用存在很大局限性 , 加之地下砂体的复杂性 , 即使同一类砂体 , 将地面露头调查成果应用于地下也存在一定的不确定性。针对我国成熟开发区油田的实际情况 , 即具有丰富的密井网资料 , 油田开发几十年积累了大量动态资料和沉积学知识 , 笔者认为以密井网资料为基础 , 采用综合对比分析是一种富有潜力的确定性建模方法。二、储层建模的随机模拟技术地下砂体的分布是客观存在而且是确定的 , 储层建模的终极目标是要给出符合地下情况的砂体和物性分布规律。然而由于获取的地质信息、资料、数据的分散性 , 稀疏性 , 跳跃性 , 间接性和随机性 , 因而利用这些资料建立的地质模型肯定包含不确定性和多解性。而储层的随机建模技术提供了解决上述问题的一种有力工具 , 并在近年来得到了长足进展和广泛应用 〔 16~ 18〕 。1 , 随机建模的作用随机建模是对井间未知区应用随机建模方法给出多种可能的等概率的预测结果。该方法认为控制点以外的地质变量具有不确定性 , 即具有随机性 , 其建模结果为一组等概率的可能实现。 出了应用随机建模技术的理由 : ①不同尺度下地质结构 , 岩石物性的变化不确定。②相分布空间变化的复杂性。③储层动态和静态关系问题。④岩石特性和构造位置空间不确定。⑤基于对建模速度和效率方面的考虑。应用随机建模的目的在于 :(1) 随机建模有助于认识地下砂体的复杂性。石油工业史上人们所熟知的是简单的层饼状地层 , 岩性单元在井间或者连通 , 或者在井距之半尖灭这样一种表达方式 , 等值图通常表现出平滑微变动的预测结果。随机建模结果使人们意识到井间的复杂程度远比传统储层模型描述的结果要复杂得多 , 事实上大量露头研究和密井网资料揭示的地下砂体分布已充分证实·11·  2000 年 2 月           吕晓光等 : 储层地质模型及随机建模技术© 1995o., 2) 改善非均质性的表征。人们已愈来愈认识到 , 基于反映油藏实际非均质性的模型 , 油藏动态预测将更为准确 , 油藏动态预测失败的实例都是由于使用了过于简化的模型。传统方法形成连续井间无变化的模型 , 而不是表现业已存在的井间变化 , 这样过于简化的储层模型通常造成预测的偏差和低水平的开发规划。随机建模能较好地反映储层性质的离散性 , 对于储层非均质性表征具有更大的优势。(3) 评价储层的不确定性。常规研究中 , 油藏工程师和地质家的动态预测和储量估算基于一种具体的认为是“最优”的储层模型。由随机建模结果 , 可以分别选择“悲观”和“乐观”模型 , 据此评价基于“最优”模型提出的开发方案是否足以处理不确定性。(4) 应用随机模型进行蒙特卡洛风险分析。如果生成了足够大数量的实现 , 并经继续处理 , 就可做出诸如见水时间、连通孔隙体积等关键参数的可能分布 , 获知对各种可能情况的解释。以此通过分析客观实际的下限优化决策。(5) 综合复杂类型的信息。随机建模方法具有综合不同范围和类型信息的能力。例如 , 随机建模方法可以将地震和岩石物性资料综合起来 , 或者根据哪些相可以出现或哪些相不可以出现这样一些基本原理表征相模型的正确性。2 , 随机建模方法随机建模方法可分为 3 类 , 第一以目标对象为模拟单元 , 用于模拟与几何形态有关的储层非均质性 ,如沉积相、断层分布等。第二以相元为单元的随机方法 , 用来模拟各种连续性参数及离散参数。第三 , 结合 2 种以上随机建模方法的综合方法。其中用于离散模型模拟的方法包括布尔模拟 、示性点过程、马尔可夫随机场、序贯指示模拟等 ;用于连续模型随机模拟的方法包括模拟退火、序贯指标、分形模拟、矩阵分解、迭代方法、概率场模拟等。主要方法的特点见表 1。三、对储层建模技术的思考随储层表征和建模思想的逐渐被认同 , 储层研究中的各种新方法和新技术如神经网络、模式识别、随机模拟等不断涌现。但在实践中也确实存在各种方法是否具有适用性、实效性及各种方法如何相互结合、不同类型资料的综合等问题。国外有人 〔 19〕 撰文指出目前的储层预测中在资料集总、尺度转换、流动模拟网格化、不确定性定量化 / 决策制定等多方面都存在表 1  主要随机建模方法及特点随机建模方法 特    点以目标对象为单 元布尔 、示性点过程从具体成因意义的对象出发 , 适用于离散变量模拟 , 可以模拟出地质家所熟悉的特征 , 进行条件模拟时费时、困难以相元为模拟单元序贯模拟预测 + 模拟误差序 贯高 斯序 贯指 示分 形转换带模拟退火概率场模拟其它矩阵分解迭代方法在某一位置局部条件概率 (随机抽样取值 , 在一组条件值内插入新值。序贯高斯假定 正态分布 , 序贯指示直接预测某一门槛值下概率或不连续类型概率首先建立预测模型 , 然后再加入噪声 , 建立符合原始数据 , 但是具有一定空间变化模拟的模型 , 速度一般较快通过反复试错法建立储层模型 ,可以综合不同类型的信息 , 随解决问题的不同 , 运行速度不同所有实现的局部概率场都相同 ,速度快 , 适合于生成大量实现 , 用于不确定性评价需功能强大的计算机完成矩阵分解过程 , 一但分解过程完成 , 速度很快类似于模拟退火 , 但不如前者灵活综合方法结合 2 种或 2 种以上的随机方法建模 , 例如用布尔方法建立相模型 ,用序贯高斯模拟岩石物性。通过综合可以消除各种方法单独使用的缺陷很大挑战性。根据我国主要油田实际情况 , 中高含水期以后剩余油存在主要包括 2 部分。第一由于储层宏观非均质性 (连通状况、层间干扰、非渗透隔挡、原井网未钻遇等 ) 造成的剩余油 , 需采用加密调整、甚至不均匀加密、不均匀射孔的方式进行挖潜。这就需要建立确定性模型 , 相对准确地预测出井间砂体的连通状况、物性变化、非渗透性隔挡层的存在等。第二是由于层内非均质如不同韵律性、渗透率差异等形成的分布于层内的剩余油。挖潜这部分剩余油需要采用注聚合物等三次采油技术 , 需建立精细的三维定量预测模型 ,通过数值模拟等手段优化战略决策和开采措施。笔者认为应从如下 2 方面完善和发展储层建模技术。第一 , 以密井网为基础采用综合分析预测的方法建立确定性模型。其基本思路见图 2 , 借鉴已有研究成果和理论、沉积学知识形成研究区或研究层段的概念模式 , 由已知井点资料形成一个确定性储层静态结构模型 , 然后通过对测井曲线分析 , 岩心资料分析 ,水平井资料总结 , 并经各种动态资料检验 , 由地质家根据自己的知识、经验和技能采用综合分析、类比推测 , 对井间储层边界和物性分布 , 进行描述和预测 ,建立确定性地质模型。在此过程中 , 借鉴比较沉积学·21· 大庆石油地质与开发          第 19 卷  第 1 期© 1995o., 充分利用可获得的类比露头资料、小井距资料、现代沉积研究成果积累的定量知识(如微相的空间展布、走向、宽厚比等 ) , 减少模型的不确定性 , 并以各种动态资料进行验证。图 2  建立确定性地质模型流程图为了相对准确 、高效迅速地完成确定性建模研究工作 , 还需完善和发展以下几方面。①建立完善的各种动静态数据库、露头、现代沉积类比知识库和油田地下地质知识库。这是建模的基础 , 也是提高效率、现代化油藏管理的必然要求。已有文献发表了建立地下地质知识库的尝试工作 〔 20〕 。各油田目前都有自己的静、动态数据库 , 但还不十分完善 , 随各种互联网络和各种数据库知识库的完善 , 必将发挥其应有的作用。②研制适合中国陆相储层特征的确定性建模软件。这是储层建模的关键。长期以来采用的手工绘图方法是束缚确定性建模发展的一个重要方面。国外引进的一些软件并不能完全适合精细地质建模技术的要求。因此需研制适合陆相储层特征 , 具有强大人机交互功能的软件 , 尽可能发挥地质家在软件中的作用。③强调地质家的地质基本功和预测综合能力。笔者认为随着计算机和各种新技术的不断发展 , 未来缺少的不是各种软件和硬件 , 而是具有丰富地质经验 , 对不同来源、不同资料类型 , 全面合理使用和综合 , 做出正确预测的地质师。第二 , 发展储层随机建模技术。由于地下砂体的复杂性 , 特别是在井距相对较大的条件下 , 采用确定性建模方法肯定存在不确定性。随机建模在表征储层非均质性、不确定性评价、风险分析、方案优选等方面具有很大优势。但目前存在问题是多数文献 , 特别是在我国这项技术还刚刚起步 , 多集中于某种算法的实现上。没有一种随机建模方法能解决所有的储层建模问题。因此 , 随机建模的发展一方面是各种随机建模方法的综合 , 另一方面是算法中对于不同类型信息的综合。更广义上 , 储层建模应是在以上基础上各种手段的全面综合。储层建模面临的另一重要挑战是如何更好地发挥地质约束作用 , 将概念地质模型转化为数学 (随机 ) 模型。 21〕 提出了一个由建模目的出发到随机建模直到其应用的流程图 , 其中最关键的一环是地质概念模型与随机建模程序的设计应尽可能考虑最大程度地应用现有资料而非主要算法。衷心感谢计秉玉博士为本文提出了宝贵意见。参  考  文  献1 , H. H. E. : in 1993 (77) 4 541~ 5511(下转 16 页 )·31·  2000 年 2 月           吕晓光等 : 储层地质模型及随机建模技术© 1995o., 从另一角度证实了采用磁异常矩谱法获得的居里深度呈北浅南深之形态是正确的。从图上看 , 居里面形态明显受深断裂、区域构造形态的控制 , 吐木体克断裂 ( 、沙井子断裂 ( 等均对地温场有明显的控制作用。此外 , 本区地温场形态与区域构造形态呈镜像关系。和 1 井至巴东 2 井以南地区是区块地温场最低的地区 , 满西 2 井到阿参 1 井一带地温场呈舌状 , 居里深度为 26~ 34 最浅位置在 裂北西 , 对应平均地温梯度最高值为 2313 ℃ / 而形态与断裂延伸方向一致。从平均地温梯度图上可以看到 , 阿瓦提凹陷的平均地温梯度比其它地区高 , 一般为 17~ 23 ℃ / 然从绝对值看不算高 , 但考虑阿瓦提凹陷的巨厚沉积(重力计算的基底深度为 912~ 1217, 其生油潜力还是相当可观的。三、结 论(1) 利用航磁资料反演居里深度 , 进而推算研究区的壳内平均地温梯度是研究地温场的有效方法 , 尤其适合于大区域的连续处理 , 可以快速获得研究区内区域地温场的基本状况。(2) 大庆区块西北部的阿瓦提凹陷生油潜力较大 , 值得关注。参 考 文 献1 , 申宁华 : 用航磁数据计算居里点深度的原理及方法 , 物化探计算技术 , 1985 2。2 , 滕吉文等 : 塔里木地球物理场与油气 , 科学出版社 (北京 ) , 1991。(收稿日期  1999205205)编辑  宋玉梅(上接 13 页 )2 , 张一伟等 : 陆相油藏描述 , 石油工业出版社 (北京 ) , 1997。3 , W. J . E. P. T. : 1989 (73) 11 1436~ 144414 , W. J . L. C. : S 9382 , 198915 , 于兴河 王德发 : 陆相断陷盆地三角洲相结构要素及其储层地质模型 , 地质论评 , 1997 (43) 3 225~ 231。6 , C. L. et : J 1984 (32) of 1997(17) 237~ 24618 , et : of as a 1995 (10) 2 123~ 12819 , in 996 ( 80) 121850~ S. J . : 995 (79) 12 1786~ A. : A 1997(18) 101~ 112112 , T. A. : M. . 1994 249~ E. et : A 1992 (44) 4 402~ 408114 , 张团峰 王家华等 : 三维储层随机建模和随机模拟技术研究 , 中国数学地质 , 地质出版社 (北京 ) , 1996 59~ 85。15 , 林克湘等 : 青海油砂山分流河道砂体储层骨架模型 , 江汉石油学院学报 , 1994 (16) 2 8~ 13。16 , H. H. E. : J 1990 (42) 4 404~ 412117 , C. V. of 1996 (28) 7 857~880118 , A. C. et : of a 1993 (77) 6 1016~ C. V. T. A. : in 1996 (28) 7 829~ 伊太举 张昌民等 : 双河油田地下地质知识库的建立 , 石油勘探与开发 , 1997 (24) 6 95~ 98。21 , A. C. J . O. : of in . L. 1994 91~ 1081(收稿日期  1999204206)编辑  赵成国·61· 大庆石油地质与开发          第 19 卷  第 1 期© 1995o., F N 163712 , P. R. on of 130062 , P. R. 6 of 01 i. e. on it 163712 , P. R. of of of to it a of on of F F N 163712 , P. R. of it of on It an is an of of F N 163453 , P. R. of in of of it of of N N 3 163113 ,P. R. 22226.\[1 \]           © 1995o.,
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