地下古河道儲層構型的層次建模方法地下古河道儲層構型的層次建模研究

地下古河道儲層構型的層次建模方法地下古河道儲層構型的層次建模研究

儲層結構，又稱儲層建筑結構，是指不同層次儲層中單元的形狀、規(guī)模、方向和重疊關系。在油氣勘探和開發(fā)領域，地下儲層結構研究主要用于氣田開發(fā)。隨著氣田開發(fā)的深入，剩余砂油的開發(fā)逐漸成為氣田開發(fā)的主要目標。在現(xiàn)有的經(jīng)濟技術條件下，中國的石油和天然氣平均采收率只有30%左右，這意味著幾乎70%的油氣留在地下。其中，35%左右的油氣是由于儲存層中的不均勻性，尤其是儲存層結構（導致儲層內(nèi)的滲透障礙和滲流差異）的影響，而在地下移動的宏觀剩余油仍然存在。因此，地下分層結構研究是提高油氣采收率、充分利用油氣資源的重要因素，對提高中國石油工業(yè)乃至市場經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義。河流相儲層研究由來已久,但河流相儲層構型研究則開始于上世紀80年代.以Allen和Miall為代表的歐美學者對儲層構型層次、要素、模式、沉積機理做了開拓性的研究工作.然而,國內(nèi)外學者主要側(cè)重于對河流相露頭和現(xiàn)代沉積的構型研究[1~8],而對地下儲層構型分析及建模研究甚少.地下儲層構型分析與建模的目標是應用有限的資料恢復地下儲層構型的面貌.以河流相為例,主要是恢復地下古河道及其河道內(nèi)部構型單元的三維空間分布.面臨的主要難點是地下井資料少,因為即使是在油田開發(fā)中后期的密井網(wǎng)條件下,井距(如100m井距)仍大于構型單元的規(guī)模(如橫向上數(shù)米規(guī)模的點壩內(nèi)部泥質(zhì)側(cè)積層),在此條件下,應用井間數(shù)學插值很難再現(xiàn)地下實際的儲層構型面貌.因此,雖然已有學者對地下構型分析進行過初步探討[9~13],但尚未形成有效的定量預測儲層構型的方法,主要表現(xiàn)在:(ⅰ)已有研究的構型層次尚不夠,大都在微相組合規(guī)模,很少達到單一微相(如點壩)規(guī)模及微相內(nèi)部的構成單元的級次(如點壩內(nèi)部的側(cè)積體);(ⅱ)已有的研究主要以定性分析為主,各級構型單元的規(guī)模(大小、形態(tài)及邊界)研究不夠,尚未達到定量或半定量的程度;(ⅲ)已有的研究只是在剖面和平面上開展工作,尚未建立三維模型,因而難于充分表達砂體內(nèi)部的構型差異(因為儲層本身是三維的),也難于滿足剩余油分布預測的需要.本文擬以渤海灣盆地濟陽坳陷孤島油田為例,探討有效的地下古河道儲層構型分析與建模的思路與方法.這對于切實提高我國陸相油氣田的開發(fā)效率具有十分重要的實際意義,同時對豐富儲層地質(zhì)學也具有重要的理論意義.1儲層研究概況孤島油田位于山東省東營市河口區(qū)境內(nèi),區(qū)域構造上屬于渤海灣盆地濟陽坳陷沾化凹陷(圖1).主力含油層系為新近系中新統(tǒng)館陶組館上段,油藏埋深1120~1350m,為一套河流相沉積的砂巖儲層,其中館陶組3~4砂層組為高彎度曲流河沉積,館陶組5~6砂層組為辮狀河沉積.本文主要針對曲流河儲層進行研究.孤島油田自1971年投入開發(fā)以來,經(jīng)歷了天然能量、低含水、中含水、高含水及特高含水5個主要采油階段.目前油田綜合含水已達95%以上,采出程度已達35%.顯然,地下仍存在大量的可動剩余油,但主要被油層內(nèi)部的非均質(zhì)所隔擋.前人曾對該區(qū)進行過儲層非均質(zhì)性的研究,但主要集中在層間和平面非均質(zhì)以及垂向韻律方面,而對儲層內(nèi)部構型研究甚少,因此難于預測油層內(nèi)部可動剩余油的分布.本文以孤島油田中一區(qū)11-J11密井網(wǎng)區(qū)為例開展儲層構型研究.研究區(qū)含油面積2.3km2,區(qū)內(nèi)總井數(shù)321口,其中直(斜)井306口(井距100m左右)、水平井15口.該區(qū)雖有三維地震資料,但受分辨率的影響,地震資料只能識別復合砂體級別,難以細致刻畫砂體內(nèi)部更細致的非均質(zhì)性.2基本研究思路地下儲層構型分析與露頭分析有很大的差別,后者直觀可視,而前者需要進行井間預測.針對油田開發(fā)中后期地下儲層構型的井間預測的特點,本文提出了層次約束、模式擬合與多維互動的基本研究思路.2.1河道儲層劃分構型建模的核心是恢復不同層次構型單元的分布.由于小級別構型單元的分布受控于大級別構型單元,因此層次劃分、分級控制的建模思路便十分必要.針對曲流河的河道儲層,可按以下層次進行劃分(圖2);第一層次為河道砂體層次,即曲流河道的帶狀砂體,其界面相當于Miall的5級界面.第二層次為點壩層次,為曲流帶內(nèi)的單一點壩砂體與廢棄河道沉積,其界面相當于Miall的4級界面.第三層次為側(cè)積體層次,為點壩內(nèi)部的側(cè)積體和泥質(zhì)側(cè)積層,其界面相當于Miall的3級界面.在構型分析過程中,首先確定曲流帶河道砂體的分布,然后在河道砂體內(nèi)部識別點壩,最后在點壩內(nèi)部解剖側(cè)積體和側(cè)積層.2.2模式擬合的提出構型分析與建模的核心是井間預測,而預測的基本前提是預知對象的分布規(guī)律或模式.顯然,地下構型的空間分布不能用線性或非線性方程來表達因而難于通過井間插值來預測構型單元的分布.構型分布的規(guī)律主要表現(xiàn)為模式,為此本文提出模式擬合的構型分析思路,即通過將不同級次的定量構型模式與地下井資料(包括動態(tài)監(jiān)測資料)進行擬合建立地下儲層構型的三維模型.模式擬合的關鍵是模式認知和模式與井的擬合.(1)模式認知.針對不同級次的構型單元,建立相應的定量構型模式,特別是不同構型單元的定量規(guī)模.對于曲流河儲層構型分析而言,十分關鍵的是點壩規(guī)模及其內(nèi)的側(cè)積體和側(cè)積層的規(guī)模.(2)模式與井的擬合.按照各構型單元的規(guī)模范圍將井點處的構型單元進行聯(lián)結,構建初始構型模型,然后按照構型模式中各構型單元之間的幾何配置關系,對已聯(lián)結的初始模型進行優(yōu)化,使最終模型既與井點吻合,又符合地質(zhì)模式.2.3解釋方法的多井分析所謂多維,是指一維井眼、二維剖面、二維平面和三維空間;互動則是指在分析過程中,不是單純的從一維到二維再到三維,而是各維之間相互印證.構型建模的目標是建立構型單元的三維模型,但這一過程不宜直接從一維井眼到三維模型(目前國內(nèi)外通行的三維建模方法).由于井資料主要是測井資料而應用測井資料對構型單元的解釋具有一定的多解性,因此,雖然在構型建模過程中首先要進行井眼構型解釋,但只是預解釋,不是最終結果,若將多個單井解釋結果放到剖面、平面和三維空間去分析則可大大降低多解性(因為構型的空間分布存在規(guī)律性);對于多井剖面分析,其為經(jīng)典的地質(zhì)分析方法,但也有片面性和多解性,因為剖面畢竟是尚未知而需要預測的三維地質(zhì)體的一個切片,因此,多井剖面也需要放到三維空間去分析以降低多解性;同樣,對于平面分析亦如此.故此,單井分析、剖面分析、平面分析和三維模型分析都不是一步到位的,需要相互驗證最終得到一個既符合井資料和油田開發(fā)動態(tài)響應又符合構型地質(zhì)模式的逼近地質(zhì)實際的三維構型模型.這是符合地質(zhì)分析思維的方法.然而,這種互動研究很難在紙質(zhì)介質(zhì)或矢量繪圖軟件上完成.為此,筆者主持開發(fā)了一套數(shù)字化油藏表征系統(tǒng)軟件,即Direct系統(tǒng).該軟件基于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),以地理信息系統(tǒng)的基本功能(數(shù)據(jù)存儲、管理、分析、查詢、顯示)為基礎,各維模型(單井、剖面、平面、三維)均為數(shù)值模型(可建立各維數(shù)值模型),且數(shù)據(jù)與圖形互動(這有別于常規(guī)的矢量成圖).特別地,實現(xiàn)了各維功能模塊(單井、剖面、平面、三維)數(shù)據(jù)共享、功能互動,因此,研究者可通過多維相互驗證、反復擬合,以逼近地質(zhì)真實,這充分體現(xiàn)了實際地質(zhì)研究的思維過程.3儲層體系結構模型遵循上述研究思路,以濟陽坳陷孤島油田館陶組為例,進一步闡述古河道儲層構型層次建模的方法.根據(jù)曲流河儲層層次結構的劃分,從河道、點壩、側(cè)積體三個層次進行分析.3.1河道砂體疊置研究研究區(qū)河道巖性以砂巖為主,底部一般為沖刷面,并發(fā)育滯留砂礫巖層(厚度0.2~0.92m,呈斷續(xù)透鏡狀分布),垂向上具有粒度向上變細、沉積規(guī)模向上變小的典型正韻律特征,頂部為粉砂巖至純泥巖(溢岸和泛濫平原沉積),表現(xiàn)為明顯的二元結構.單砂體厚度一般4~10m,最大疊置厚度可達20m.砂體內(nèi)發(fā)育平行層理、槽狀交錯層理、爬升層理、波紋層理.砂體內(nèi)部具有泥質(zhì)夾層(為泥質(zhì)側(cè)積層),厚度一般0.2~0.8m.垂向上,河道砂體與溢岸砂體和泛濫平原泥巖不等厚互層(圖3).在油田開發(fā)井網(wǎng)條件下,河道砂體分布的分析相對較容易,因為河道砂體的規(guī)模一般比井距大得多.在這一層次中,主要分析河道砂體、溢岸砂體和泛濫平原泥巖的分布.研究方法與常規(guī)的沉積微相分析方法基本相同,主要是通過巖心相分析、測井相分析、砂體厚度分析等,在沉積模式的指導下,通過剖面相分析(圖4)和平面相分析,研究河道等微相的展布規(guī)律,建立河道等微相砂體的分布模型(圖5).當然,在此值得一提的是,對于垂向上疊置的復合河道,需要首先將各期河道砂體進行劃分.河道層次的構型分析應反映同一時期河道砂體的分布.從圖5可以看出,研究區(qū)發(fā)育一個大型的寬帶狀河道砂體,其寬度大體為800~1500m,為曲流河遷移形成的以點壩為主的復合砂體.3.2復合河道砂體的點壩規(guī)模及邊界點壩是河道砂體內(nèi)主要的成因單元.垂向上表現(xiàn)為粒度正韻律特征,內(nèi)部具有泥質(zhì)側(cè)積層(圖3).然而,雖然在單井上可識別點壩,但在地下復合河道砂體內(nèi),單一點壩的規(guī)模及其側(cè)向邊界的識別具有很大的難度(這不同于露頭和現(xiàn)代沉積),難點在于井網(wǎng)密度控制不了單一點壩的邊界.為此,首先要確定點壩的規(guī)模,然后再在河道砂體內(nèi)劃分點壩.3.2.1曲流河和點壩寬度前人對點壩的定性分布模式作過很多的研究,但對其定量規(guī)模研究甚少.從預測的角度講,我們期望從垂向井眼的河道砂體厚度估算河道點壩的側(cè)向規(guī)模.Leeder根據(jù)57個高彎度曲流河段的測量數(shù)據(jù),建立了河流深度與滿岸寬度的關系.研究表明,兩者具有良好的正相關關系(公式1),相關系數(shù)為0.91.式中,w為河流滿岸寬度(m);h為河流滿岸深度(m).因此,若已知曲流河道單一沉積旋回的厚度(大體相當于河深),根據(jù)公式1便可估算河流滿岸寬度.但是,為了確定點壩規(guī)模,尚需建立河流寬度與點壩規(guī)模的關系,但這一研究鮮見報道.筆者通過全球衛(wèi)星照片(GoogleEarth),重點選取嫩江月亮泡曲流河段為研究對象,對曲流河(曲率>1.7)的點壩長度(河彎之間的長度)與河流滿岸寬度的關系進行了定量統(tǒng)計和計算.研究中共統(tǒng)計了19個河段的河寬和點壩長度,對觀測到的河流滿岸寬度與點壩長度數(shù)據(jù)點進行回歸,發(fā)現(xiàn)二者呈正相關關系,且相關性較好(圖6,公式2),其計算表達式為式中,l為點壩長度(m);w為河流滿岸寬度(m).據(jù)此,便可據(jù)公式1估算的河流滿岸寬度,根據(jù)公式2估算單一點壩的長度.以孤島油田中一區(qū)11J11井區(qū)Ng33點壩為例通過測井解釋可知單一河道砂體厚度(保存完整的一個點壩自旋回厚度,大體相當于河流滿岸深度)一般為6.0~8.0m,根據(jù)公式1估算可知其河流滿岸寬度約為120~160m,繼而根據(jù)公式2估算其點壩長度約為700~950m.當然,這一數(shù)據(jù)不應是地下點壩的精確長度(因為計算公式畢竟是經(jīng)驗公式),但其數(shù)量級沒有問題,其在地下點壩邊界確定過程的模式擬合中具有重要的參考價值.3.2.2廢棄河道識別在點壩規(guī)模確定的基礎上,充分應用井資料,在復合砂體內(nèi)通過模式擬合和多維互動,對地下單一點壩進行識別和劃分.首先在井內(nèi)進行點壩解釋,然后進行井間預測.點壩的井內(nèi)解釋相對較易.如圖1所示,點壩在垂向上具有粒度正韻律,自然電位和自然伽馬測井曲線以鐘型為主.因此,通過測井資料可對未取心井進行點壩砂體的解釋.然而,點壩體的邊界劃分難度較大.在復合點壩砂體內(nèi)指示點壩邊界的最有效的標志是廢棄河道因為廢棄河道代表一個點壩的結束.然而,廢棄河道邊界的劃分本身又具有很大的難度,其一,由于廢棄河道內(nèi)主要充填細粒沉積(泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等),在單井上應用測井曲線難于將其與河道砂體內(nèi)殘存的泛濫平原細粒沉積甚至溢岸砂體相區(qū)分;其二,廢棄河道寬度規(guī)模一般不大,因此并非所有廢棄河道都會被鉆遇.為此,通過模式擬合進行廢棄河道識別,同時對點壩進行劃分.從構型模式可知,點壩主體部位砂體厚度大,呈透鏡狀,緊鄰廢棄河道分布;在廢棄河道發(fā)育部位,沿側(cè)向加積方向點壩頂部的細粒沉積不斷加厚.應用這一模式,從以下3個方面初步識別廢棄河道的分布:(1)在三維視窗內(nèi)進行井間剖面分析,依據(jù)廢棄河道的橫向分布特點(在剖面上呈楔狀分布),通過多井對比初步識別廢棄河道(圖7),即將點壩砂體頂部呈楔狀分布的細粒沉積初步解釋為廢棄河道,而將呈連續(xù)帶狀分布的細粒沉積解釋為泛濫平原.(2)將砂體頂部至時間單元頂面之間的細粒沉積厚度進行平面成圖,則在片狀砂體范圍內(nèi)的細粒沉積大厚度帶(特別是新月形厚度帶)指示著廢棄河道的可能分布,而呈透鏡狀的砂體大厚度區(qū)則指示點壩的分布.(3)參考河道寬度(相當于廢棄河道寬度)與點壩長度(相當于廢棄河道跨度)范圍,不斷修改上述第一、二步解釋的廢棄河道的邊界,使最終的點壩和廢棄河道分布既與井點解釋吻合,又與定量模式吻合還與井間動態(tài)響應吻合.這是一種在模式指導下“逐步逼近”地質(zhì)實際的方法.實際操作主要應用前述的Direct軟件,通過多維互動進行研究.圖8為研究區(qū)11J11井區(qū)復合河道砂體內(nèi)部的點壩與廢棄河道分布從圖可以看出,廢棄河道呈新月形,“彎月”限定的范圍內(nèi)為點壩,點壩的復合分布反映了曲流河多次廢棄、遷移的結果.3.3側(cè)積層施工模型點壩砂體最重要的特征是其內(nèi)部發(fā)育側(cè)積體.垂向上一個點壩由若干側(cè)積體組成,側(cè)積體之間發(fā)育斜交層面的泥質(zhì)夾層(側(cè)積層),其為曲流河點壩側(cè)向加積的結果.但由于側(cè)積體規(guī)模更小,橫向規(guī)模只有數(shù)十米寬,比井距小得多.為此,采用模式擬合的思路對點壩內(nèi)部構型進行解剖,主要是通過側(cè)積層的井內(nèi)識別和井間預測來劃分側(cè)積體.3.3.1泥質(zhì)側(cè)積層識別泥質(zhì)側(cè)積層一般發(fā)育在點壩中上部,厚度為0.2~0.8m.在研究區(qū)點壩內(nèi),一般在井眼垂向上可識別出3~4個泥質(zhì)側(cè)積層(圖1).根據(jù)巖電標定結果,泥質(zhì)側(cè)積層微電極曲線回返明顯,自然伽馬與自然電位測井曲線上亦有不同程度回返.因此,根據(jù)測井曲線,特別是微電極曲線,可將厚度大于0.2m的泥質(zhì)測積層識別出來.3.3.2側(cè)積層橫向間距側(cè)積層井間預測的關鍵是確定其傾向、傾角、橫向間距,即模式認知.在確定廢棄河道的前提下,側(cè)積層傾向便可確定,即指向廢棄河道方向.側(cè)積層傾角可根據(jù)Leeder經(jīng)驗公式的計算.根據(jù)上文計算的滿岸河流深度和寬度,估算研究區(qū)側(cè)積層的傾角約為5°~10°.對于側(cè)積層橫向間距,前人研究較少.本文主要應用水平井資料來獲得側(cè)積層橫向間距信息.研究區(qū)有15口水平井,其水平位移一般為300~500m.在分析過程中,主要選擇橫切(順側(cè)積方向)或斜切點壩的水平井.在選擇的水平井上,通過測井資料解釋識別泥質(zhì)側(cè)積層(井內(nèi)的自然伽馬高值帶).分析表明水平井上的側(cè)積層的水平寬度為6~12m,兩個側(cè)積層的橫向間距為21~35m.實際上,這一數(shù)據(jù)僅代表了測井曲線所能識別的側(cè)積層的橫向間距.一般來說,測井曲線的分辨率為0.2~0.5m,因此,應用測井曲線研究的側(cè)積層主要是大洪水形成的較大的側(cè)積層.在上述關鍵參數(shù)確定的情況下,應用井資料及井內(nèi)解釋的側(cè)積體和側(cè)積層,通過模式擬合進行井間預測.預測的基本原則為:(1)井間側(cè)積層沿傾向(指向廢棄河道的方向)連線;(2)保持兩個側(cè)積層的橫向間隔.圖9為研究區(qū)一個點壩的側(cè)積層井間預測的柵狀圖.在該圖中,泥質(zhì)側(cè)積層的分布既與井點吻合,又與定量模式相符.檢查井動態(tài)資料也證實了擬合結果的可靠性.3.4儲層模型的建立目前,用于離散變量(儲層構型亦屬于一種離散變量)的三維建模方法主要有示性點過程、序貫指示模擬、截斷高斯模擬以及多點地質(zhì)統(tǒng)計學等.從算法本身來看,各種建模方法用于構型建模均存在較大困難,本文主要采用序貫指示模擬與人機交互后處理相結合的方法.指示模擬方法最大的優(yōu)點是可以模擬復雜各向異性的地質(zhì)現(xiàn)象及連續(xù)分布的極值,對于具有不同連續(xù)性分布的類型變量(構型),可分別指定不同的變差函數(shù),從而