油藏描述技術的現狀與發(fā)展趨勢

油藏描述技術的現狀與發(fā)展趨勢

油藏描述技術發(fā)展方向油藏規(guī)劃是在過去20年中隨著計算機技術的快速發(fā)展而發(fā)展起來的一項技術。該算法對油藏的不同特點進行了三維定量描述和預測。總結這些年國內外油藏描述工作的經驗和教訓,可以看出現代油藏描述與20世紀80年代以前傳統(tǒng)的油藏研究或開發(fā)地質研究有很大的差別,它表現出了以下重要的特點。(1)整體性:現代油藏描述將油藏的各種屬性(如構造、地層、儲集層、油氣水等)看成一個完整的系統(tǒng)來研究。油藏描述工作都遵循著從一維“井剖面”的描述到二維“層”的描述再到三維整體描述的三步工作程序,依賴于三套基本的油藏描述技術,即井孔柱狀剖面開發(fā)地質屬性確定技術、細分流動單元及井間等時對比技術和井間屬性定量預測技術。(2)綜合性:油藏描述是一項多學科綜合、集約化、協同攻關的研究項目。需要把地質、地球物理、油藏工程、數值模擬、數學、計算機和現場等眾多學科和部門組織成一個項目組,協同攻關,實行統(tǒng)籌規(guī)劃,才能作出真正高水平、符合地下情況的油藏描述工作,也才能為油田開發(fā)打下堅實的基礎。同時要求研究人員由單一學科知識結構向具備多學科知識結構的復合型人才方向發(fā)展。(3)預測性:現代油藏描述不僅要把地下油藏的三維特征描述清楚,而且更重要的是利用較少的資料能較準確地預測出地下油藏各種開發(fā)屬性三維空間的具體細節(jié)。(4)階段性:油藏描述貫穿于勘探開發(fā)的全過程,從第一口發(fā)現井到油田最后廢棄為止,多次分階段滾動進行。由于不同開發(fā)階段的任務不同,所擁有的資料基礎不同,從而造成了不同開發(fā)階段油藏描述所要描述的重點內容和精度的不同,所采用的描述技術和方法也有很大差別,因此油藏描述具有階段性。目前來看已初步發(fā)展了適應不同開發(fā)階段的三大套或三大階段油藏描述技術和方法:①早期油藏描述——在油田發(fā)現后利用少量井對油(氣)藏進行的綜合研究與評價;②中期或一般所稱的油藏描述——油田開發(fā)后含水較低時,主要利用大量井的資料尤其測井資料進行;③精細油藏描述——油田開發(fā)進入高含水期、特高含水期后,主要針對剩余油分布及挖潛進行。(5)先進性:現代油藏描述盡量采用各種先進實用的科學技術和方法,如現代數學方法和理論的大量應用,包括地質統(tǒng)計學及隨機模擬、模式識別、模糊數學、專家系統(tǒng)、神經網絡、分形幾何等,以及測井、地震和計算機新技術的發(fā)展,使油藏描述真正邁向了模型化、定量化和預測化,計算機技術的大量應用不僅使上述成為可能,而且能使人們親身領略到地下油藏的三維面貌,把研究人員從繁重的手工勞動中解放出來。(6)早入性:油藏描述應從油田第一口發(fā)現井開始就開展工作。油田發(fā)現后,開發(fā)工作人員介入得越早、油藏描述工作開始得越早越好。雖然油藏描述包括了地質、地震、測井等眾多學科和內容,但描述的核心是儲集層,因此本文主要從地質的角度介紹一些現代油藏描述中儲集層表征技術的發(fā)展方向和攻關目標。層序界面分析方法層序劃分及其所確定的單元是油藏描述的基礎。如何將沉積的地層和含油氣儲集層進行系統(tǒng)的劃分、對比并闡明其成因機制,這一方面在最近十幾年尤其近年來有了迅速的發(fā)展。層序地層、層次界面及流動單元分析這三位一體的研究理論和方法的迅速發(fā)展,為儲集層精細劃分和分層次建模提供了理論依據。層序地層學為大范圍高級別的層序劃分和對比提供了理論依據和方法,能夠在盆地中建立高級別的等時地層格架和基本建造單元,并闡明其有序性演化。高分辨率層序地層學的迅猛崛起使層序地層學能在油藏描述中解決較低級別的層序劃分問題,但是隨著油田開發(fā)的深入要求,層序尤其是儲集層的劃分越來越細,特別像中國東部老油田面臨的是如何對厚油層和已有的小層進一步細分的難題。目前的層序地層學分析還不能適應儲集層內部更精細的劃分。因此以Miall等為代表,深入研究了沉積體系內部低級別等級界面的劃分,提出了一套層次界面劃分和相應結構單元研究的方法和理論。層次界面分析方法強調從系統(tǒng)論的觀點出發(fā)研究系統(tǒng)本身具有的層次性和結構性,強調沉積的等時性和間斷性,因此向上與層序地層學兼容,向下可無窮細分而始終與沉積成因分析相吻合。實際上層序地層學和傳統(tǒng)的地層劃分對比也是一種層次界面分析方法。Miall曾將河流砂體內部的界面(層次)劃分出7級譜系(見圖1)。但目前精細的層次界面描述主要是在露頭和現代沉積中進行,而如何在測井曲線上識別油田地下低級別尤其是中等和小規(guī)模層次界面并預測其橫向變化規(guī)律,則是人們一直攻關的難題。結構單元和流動單元實際上是層次界面研究的另一方面,是不同層次界面所分割的實體。結構單元又稱構成單元(Architectura1e1ement),它是一個由其形態(tài)、相組成及其規(guī)模所表征的同成因的沉積體,是一個沉積體系內部一個特定沉積作用過程或一組沉積作用過程的產物。利用一套具等級序列的地質界面,可以把沉積體或砂體內部劃分為有成因聯系的結構單元(Allen,Miall)。如Miall將河流沉積體系劃分為8種基本的結構單元:①河道(CH),②礫石壩和底形(GB),③重力流沉積(SG),④砂底形(SB),⑤順流加積的大型底形(DA),⑥傾向加積沉積(點壩)(LA),⑦紋層砂席(LS),⑧越岸細粒沉積(OF)。這些結構單元的規(guī)模變化很大,如河道的深度可以從幾分米變化到幾十米,大型河心砂洲復合體的長度可以達到幾千米。結構單元的提出從靜態(tài)的角度為地層的進一步細分和儲集層非均質性研究提供了沉積學依據和新的研究途徑。流動單元的提出既反映了儲集層研究的精細化,又能緊密地與儲集層中的油水運動規(guī)律相結合,它的識別和劃分不能單靠靜態(tài)資料,必須有水淹剖面、水淹層測井、檢查井、分層測試等油田動態(tài)資料。解決它的井間對比及空間結構問題,更需要露頭和現代沉積的精細研究。流動單元的研究是一個新的課題,不同研究者對流動單元概念和研究方法還有不同的理解,歸納之主要有以下幾種:(1)認為流動單元是具有相同滲流特征的微相或巖相的組合。其研究方法是首先描述各種微相的特征,解釋其形成過程,然后主要根據測井曲線進行劃分。這是一種宏觀的全井段或相當于傳統(tǒng)的地層劃分和對比的定性分析方法。如大慶油田的細分沉積微相的研究工作大體相當于此。(2)認為流動單元系指沉積體系內以隔擋層為邊界、按水動力條件劃分的建造塊(Buildingblock)或結構單元。其研究方法是描述露頭砂體的微相和巖相非均質性特征,測量其物性參數,劃分層次界面,得到各種結構單元,這些結構單元就是不同類型流動單元。(3)具有相同滲流特征的巖相組合,根據影響流體通過的地質和巖石物理性質而劃分。它主要考慮微觀孔隙結構特征,以修正的Kozeny-Carman方程和平均流動半徑為基礎進行流動單元劃分。該方法能對厚油層內部進行定量劃分和表征,同時可以把微觀與宏觀參數聯系起來,在機理上較完善,在單井劃分方面比前兩種方法要精細得多,可以反映厚油層的層內非均質性特征。如用此方法對大慶油田不同沉積類型的厚油層進行研究后,發(fā)現可以劃分7個流動單元,其孔滲和水洗狀況等都不相同(見圖2)。這也是目前國內外厚油層細分中應用較廣的方法。(4)認為流動單元是一個被非滲透性界面所包圍的,內部具有相對統(tǒng)一壓力系統(tǒng)的儲集單元。可見,流動單元的劃分是隨著油田開發(fā)的深入而不斷深化的。開發(fā)早期,砂層組和小層就被認為是流動單元,而到了開發(fā)晚期,厚油層內部的進一步細分才是流動單元?？傮w來看,層次界面劃分是基礎,結構單元是實體,流動單元是結構單元在開發(fā)中的一種表現形式。如何定量描述和準確預測地下中小規(guī)模地質界面和流動單元的空間結構,并搞清其與油氣水分布及剩余油挖潛的關系,已成為當今世界油藏描述攻關的難點。地質重建技術建立三維定量地質模型是現代油藏描述的核心,目前正迅速發(fā)展的技術和方法大體有以下3方面。1不同層次的油藏建模方法所謂多階段,是指按油田開發(fā)的不同階段的需要,將儲集層地質模型分為概念模型、靜態(tài)模型和預測模型,與早、中、晚三階段油藏描述相對應,其各自所用的資料、建模的精度是不同的,建模方法也有差異。所謂多級次,一是按層次界面的級次分別建立對應級次的地質模型;二是指在建立地質模型時都要建立一維模型→二維模型→三維模型,只是在不同階段所能應用的資料和所要研究的重點不同而已。同時在任一級次地質模型的建立過程中,基本上都要先建立儲集層骨格模型,然后建立參數模型。2隨機模擬法分類在地質統(tǒng)計學基礎上發(fā)展起來的隨機建模技術是近十年來油藏描述中的一個最熱門課題。所謂隨機建模,就是利用一個地質體某一屬性已知的結構統(tǒng)計特征,通過一些隨機算法來模擬未知區(qū)這一屬性的分布,使其與已知的統(tǒng)計特征相同,從而達到模擬儲集層非均質性、直到預測井間參數分布的目的。隨機模擬可分為條件模擬和非條件模擬,建模方法可分為離散型和連續(xù)型。隨機模擬的具體算法很多,常見的有:示性點過程法、馬爾可夫隨機函數法、截斷高斯法、兩點直方圖法、鑲嵌過程模擬法、概率模擬法、指示模擬法、布爾法、退火模擬法、序貫高斯法、序貫指標模擬法、分形隨機函數法、LU分解法、轉帶法等。雖然隨機模擬技術已廣泛地用于油藏描述的各個方面,諸如巖相、孔滲的空間分布,砂體、裂縫的預測,定量估計油藏模型的不確定性,取樣設計、流動模擬過程中的敏感性分析和風險分析等等,但因為各種隨機模擬方法在其基本原理、復雜程度和應用條件諸方面均有所不同,每一種方法都有它的適用條件、優(yōu)點和缺點。表1列出了目前對這些方法使用情況的一些初步認識,但具體的選擇條件和參數尤其和儲集層類型等的關系還在探索之中。由于不同的隨機模擬算法反映的區(qū)域統(tǒng)計參數和空間特征不同,因此在眾多的隨機模擬方法中,如何針對所描述地質現象和參數的特點選擇合適的模擬方法,以及每種模擬方法的最佳適用條件、應用范圍等,成為當今隨機建模攻關的一大難題。隨機建模的另一大難題是需要以豐富的儲集層地質知識庫和各類儲集層的原型模型為基礎,才能準確預測儲集層特征分布。3將動物模型轉化為數學模型,并將數值模擬技術應用于地質建模在第十五屆世界石油大會上,殼牌石油公司的Kortekass概括了當前世界上關于油藏地質建模的經驗,提出了建立動態(tài)的、集成化油藏模型的新概念和技術方法1,強調把動態(tài)資料以至數值模擬技術等應用于油藏建模,尤其是在地質建模中巧妙地應用簡易的數值模擬方法來快速篩選所有可能的地質實現,從而不僅可以使所建立的地質模型更加符合油藏的實際情況,而且可以大大加速建模的進程。也就是說在地質建模中,動態(tài)資料和油藏數值模擬技術不再是輔助的手段,而將成為一項重要的建模技術。儲集層地質資源庫要想準確預測儲集層三維特征,就必須建立比要預測的儲集層更加精細的參照物或模板,即要有各類儲集層的原型模型和地質知識庫,還要有一套切實可行的數學預測方法和軟件。因此建立儲集層地質知識庫和原型模型是建立精細儲集層地質模型的關鍵。所謂原型模型就是一個與模擬目標儲集層沉積類似、具有足夠密集控制點并被詳細描述的儲集層地質模型。從原型模型中可以獲得各種參數的統(tǒng)計特征,如變異函數、砂巖密度及寬厚比等,作為模擬及約束條件,來進行目標砂體隨機建模,從而保證其非均質性特征的可靠性。儲集層地質知識庫是指經大量研究高度概括和總結出的能定性或定量表征不同成因類型儲集層地質特征、具有普遍意義的參數。圖3是對河控三角洲各儲集層成因單元地質特征和各種參數的總結和概括,是地質知識庫的表現形式之一。以往通過密井網解剖和露頭儲集層及現代沉積研究,已經建立了許多種儲集層的地質知識庫和原型模型。但這遠遠不夠,尤其是隨機建模技術的迅速發(fā)展對這一方面的需求越來越迫切,精度要求越來越高。因此世界各國都在積極研究既有普遍意義又能針對本國儲集層類型特點的地質知識庫和原型模型。目前國外把露頭儲集層研究作為精細描述和準確預測地下儲集層的最重要基礎,開展了全三維定量儲集層研究,并建立了露頭現場實驗室。國內也在積極開展這方面的工作,露頭儲集層精細研究已被立為國家和石油天然氣集團公司“九五”科技攻關項目,石油勘探開發(fā)科學研究院已選出了扇三角洲和辮狀河儲集層兩個露頭區(qū),在這兩個露頭上不僅進行了詳細的描述和密集取樣,而且進行了鉆井和各種測井等工作,獲取了大量的資料;同時積極探索了儲集層精細研究和預測的方法,試圖通過這項綜合研究,為我國精細油藏描述和建立預測模型及預測剩余油提供依據和新方法。裂縫預測的研究現狀天然裂縫的識別和預測一直是世界攻關的難題。迄今,盡管發(fā)展了許多裂縫預測的方法,裂縫研究也有了很大的進展,但總體來看準確預測天然裂縫分布規(guī)律和三維定量建模仍處于探索階段。1地下井壁成像技術目前井孔的裂縫識別技術和方法正在趨于成熟,并十分有效。主要有3種方法。(1)巖心和露頭裂縫觀測和描述:是裂縫研究的基礎和最重要手段,已形成一套成熟和有效方法。(2)各種井壁成像技術:如FMI、UBI和ARI等,可直接從圖像中識別出井眼中的裂縫。缺憾是價格昂貴,不能大量測量。(3)常規(guī)測井裂縫解釋法:利用大量常規(guī)測井資料解釋出裂縫是我國近年攻克的一個難關。常規(guī)測井解釋出的裂縫發(fā)育段與巖心觀察的裂縫有較好的對應關系,根據常規(guī)測井的不同徑向探測范圍,還可以檢測出地下有效裂縫。該方法在許多油田的實際應用中效果顯著。當然目前主要是識別裂縫發(fā)育段,識別的準確性和對裂縫其它參數的進一步解釋還在不斷完善中。2裂縫預測及解釋這是目前最大的攻關難題,發(fā)展總趨勢是多學科綜合預測。具體來看主要有4類方法。(1)地球物理裂縫信息提取法:一是利用巖性、層厚與裂縫的關系,通過地震反演的巖性及巖性組合特征間接預測裂縫的分布規(guī)律;二是通過研究多波多分量、縱波、橫波與裂縫的關系,直接提取裂縫信息進行預測,但難度大,準確性有待提高。(2)反演古構造應力場的數值模擬裂縫預測方法:通過對天然裂縫的構造力學分析,裂縫形成時的古構造應力場,并結合巖石破裂理論研究巖石的破裂強度,即裂縫相對發(fā)育程度。對古構造應力場反演主要有趨勢分析法、有限差分法、有限元法和能量法等數值模擬方法,目前多是幾種方法綜合應用。應力場模擬法受所給條件和經驗影響極大,且只能給出宏觀趨勢,是一種間接的裂縫預測方法。(3)試井解釋:通過各種試井方法和解釋,可以了解儲集層的各種非均質性信息。對于估算裂縫的導流能力和長度及介質類型等開發(fā)中十分關心的問題,試井解釋有獨到的優(yōu)越性。(4)地質統(tǒng)計學方法:利用露頭、巖心和測井裂縫解釋結果得出的統(tǒng)計規(guī)律,結合地質、地震和應力場模擬宏觀分析,得出裂縫分布趨勢,結合試井解釋的結果,應用地質統(tǒng)計學方法對裂縫三維分布進行定量預測。目前應用較多的是分形幾何學方法,正在發(fā)展其它的隨機模擬裂縫預測方法和軟件。油藏描述技術的發(fā)展趨勢沒有油藏描述軟件就沒有現代油藏描述。計算機技術的發(fā)展為油藏描述多學科的綜合提供了最好的工具和強有力的手段。國外這方面的商業(yè)軟件較多,如:SGM、GTM、StrataMap、StatMod等地層模擬方面的軟件;Dynamic公司推出的EarthVision軟件,JASON公司推出的Jason地學平臺軟件,等等。國內也推出了許多軟件,如RICH油藏描述軟件、三維地質模型軟件系統(tǒng)(GMSS)等。這些軟件的共同特點是能綜合應用地震、鉆井、測井和地質研究提供的各種數據,進行油藏描述,建立三維地質模型,并能以二維及三維等多種方式顯示其中的各種動態(tài)及靜態(tài)參數分布。應用表明它們對早期油藏描述比較有效,但對老油田的精細油藏描述(尤其在只有鉆井資料的情況下)就顯得無能為力,更為嚴重的是井間預測時考慮地質家的經驗和知識很少,預測結果是確定性的、唯一的,難于預測老油田的薄互層、井網控制不住的小砂體。另一方面,由于油藏數值模擬網格粗化和取向問