地下古河道储层构型的层次建模研究_吴胜和

中国科学 D 辑:地球科学 2008年 第38卷 增刊Ⅰ: 111 ~ 121 111《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS地下古河道储层构型的层次建模研究吴胜和①*, 岳大力①, 刘建民②, 束青林②, 范峥①③, 李宇鹏①① 中国石油大学(北京)资源与信息学院, 北京 102249; ② 中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司, 山东 257000; ③北京泰隆恒业高新技术公司, 北京 100085 * E-mail: reser@收稿日期: 2007-04-20; 接受日期: 2008-03-21教育部高等学校博士点专项科研基金(编号: 20060425004)资助摘要 目前河流相储层构型研究主要侧重于露头和现代沉积, 而地下储层构型分析及建模研究甚少, 未形成有效的定量预测储层构型的方法, 难以满足地下油藏剩余油分布预测的需要. 为此, 提出了层次约束、模式拟合和多维互动的地下储层构型分析与建模思路, 并以济阳坳陷孤岛油田馆陶组曲流河储层为例, 论述地下古河道储层构型的层次建模思路与方法. 曲流河储层构型可分为3个层次, 包括河道砂体层次、点坝层次和侧积体层次. 将不同级次的定量构型模式与地下井资料(包括动态监测资料)分级别进行拟合, 并且在分析过程中, 使一维井眼、二维剖面和平面以及三维空间之间相互印证, 从而建立不同层次的储层构型三维模型. 同时, 建立了活动河道宽度与点坝规模的定量关系, 并应用水平井资料确定了侧积体和泥质侧积层的定量规模. 这一研究不仅对地下地质学的发展具有重要的意义, 而且对提高油田开发效益具有很大的实用价值.关键词储层构型 层次建模 曲流河 点坝 侧积体储层构型(reservoir architecture), 亦称为储层建筑结构, 是指不同级次储层构成单元的形态、规模、方向及其叠置关系. 在油气勘探开发领域, 地下储层构型研究主要用于油气田开发. 随着油气田开发程度的不断深入, 砂体内部的剩余油挖掘逐渐成为油田开发的主要目标. 在现有经济技术条件下, 我国油气平均采收率只有30%左右, 这意味着还有近70%的油气滞留在地下, 其中35%左右的油气是由于储层内部的非均质性, 特别是储层构型(导致储层内部的渗流屏障和渗流差异)的影响而滞留于地下成为可动宏观剩余油的. 因此, 地下储层构型研究是提高油气采收率、最大限度地开发油气资源的关键所在, 这对我国石油工业乃至国民经济的可持续发展具有十分重大的现实意义.河流相储层研究由来已久, 但河流相储层构型研究则开始于上世纪80年代[1]. 以Allen 和Miall 为代表的欧美学者对储层构型层次、要素、模式、沉积机理做了开拓性的研究工作. 然而, 国内外学者主要侧重于对河流相露头和现代沉积的构型研究[1~8], 而对地下储层构型分析及建模研究甚少.地下储层构型分析与建模的目标是应用有限的资料恢复地下储层构型的面貌. 以河流相为例, 主要是恢复地下古河道及其河道内部构型单元的三维空间分布. 面临的主要难点是地下井资料少, 因为即使是在油田开发中后期的密井网条件下, 井距(如100 m 井距)仍大于构型单元的规模(如横向上数米规模的点坝内部泥质侧积层), 在此条件下, 应用井间数学插值很难再现地下实际的储层构型面貌. 因此, 虽然已吴胜和等: 地下古河道储层构型的层次建模研究112有学者对地下构型分析进行过初步探讨[9~13], 但尚未形成有效的定量预测储层构型的方法, 主要表现在: (ⅰ) 已有研究的构型层次尚不够, 大都在微相组合规模, 很少达到单一微相(如点坝)规模及微相内部的构成单元的级次(如点坝内部的侧积体); (ⅱ) 已有的研究主要以定性分析为主, 各级构型单元的规模(大小、形态及边界)研究不够, 尚未达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开展工作, 尚未建立三维模型, 因而难于充分表达砂体内部的构型差异(因为储层本身是三维的), 也难于满足剩余油分布预测的需要.本文拟以渤海湾盆地济阳坳陷孤岛油田为例, 探讨有效的地下古河道储层构型分析与建模的思路与方法. 这对于切实提高我国陆相油气田的开发效率具有十分重要的实际意义, 同时对丰富储层地质学也具有重要的理论意义.1 研究区概况孤岛油田位于山东省东营市河口区境内, 区域构造上属于渤海湾盆地济阳坳陷沾化凹陷(图1). 主力含油层系为新近系中新统馆陶组馆上段, 油藏埋深1120~1350 m, 为一套河流相沉积的砂岩储层, 其中馆陶组3~4砂层组为高弯度曲流河沉积, 馆陶组5~6砂层组为辫状河沉积[14, 15]. 本文主要针对曲流河储层进行研究.孤岛油田自1971年投入开发以来, 经历了天然能量、低含水、中含水、高含水及特高含水5个主要采油阶段. 目前油田综合含水已达95% 以上, 采出程度已达35%. 显然, 地下仍存在大量的可动剩余油, 但主要被油层内部的非均质所隔挡. 前人曾对该区进行过储层非均质性的研究[16], 但主要集中在层间和平面非均质以及垂向韵律方面, 而对储层内部构型研究甚少, 因此难于预测油层内部可动剩余油的分布.本文以孤岛油田中一区11-J11密井网区为例开展储层构型研究. 研究区含油面积 2.3 km 2, 区内总井数321口, 其中直(斜)井306口(井距100 m 左右)、水平井15口. 该区虽有三维地震资料, 但受分辨率的影响, 地震资料只能识别复合砂体级别, 难以细致刻画砂体内部更细致的非均质性.2 研究思路地下储层构型分析与露头分析有很大的差别, 后者直观可视, 而前者需要进行井间预测. 针对油田开图1 孤岛油田构造位置图中国科学 D 辑: 地球科学 2008年 第38卷 增刊I113发中后期地下储层构型的井间预测的特点, 本文提 出了层次约束、模式拟合与多维互动的基本研究思 路.2.1 层次约束构型建模的核心是恢复不同层次构型单元的分布. 由于小级别构型单元的分布受控于大级别构型单元, 因此层次划分、分级控制的建模思路便十分必要. 针对曲流河的河道储层, 可按以下层次进行划分(图2)[17];图2 曲流河储层构型层次划分(据文献[17], 有修改)第一层次为河道砂体层次, 即曲流河道的带状砂体, 其界面相当于Miall [1, 3]的5级界面.第二层次为点坝层次, 为曲流带内的单一点坝砂体与废弃河道沉积, 其界面相当于Miall [1, 3]的4级界面.第三层次为侧积体层次, 为点坝内部的侧积体和泥质侧积层, 其界面相当于Miall [1, 3]的3级界面.在构型分析过程中, 首先确定曲流带河道砂体的分布, 然后在河道砂体内部识别点坝, 最后在点坝内部解剖侧积体和侧积层.2.2 模式拟合构型分析与建模的核心是井间预测, 而预测的基本前提是预知对象的分布规律或模式. 显然, 地下构型的空间分布不能用线性或非线性方程来表达, 因而难于通过井间插值来预测构型单元的分布. 构型分布的规律主要表现为模式, 为此本文提出模式拟合的构型分析思路, 即通过将不同级次的定量构型模式与地下井资料(包括动态监测资料)进行拟合, 建立地下储层构型的三维模型.模式拟合的关键是模式认知和模式与井的拟合. (1) 模式认知. 针对不同级次的构型单元, 建立相应的定量构型模式, 特别是不同构型单元的定量规模. 对于曲流河储层构型分析而言, 十分关键的是点坝规模及其内的侧积体和侧积层的规模.(2) 模式与井的拟合. 按照各构型单元的规模范围将井点处的构型单元进行联结, 构建初始构型模型, 然后按照构型模式中各构型单元之间的几何配置关系, 对已联结的初始模型进行优化, 使最终模型既与井点吻合, 又符合地质模式.2.3 多维互动所谓多维, 是指一维井眼、二维剖面、二维平面和三维空间; 互动则是指在分析过程中, 不是单纯的从一维到二维再到三维, 而是各维之间相互印证. 构型建模的目标是建立构型单元的三维模型, 但这一过程不宜直接从一维井眼到三维模型(目前国内外通行的三维建模方法). 由于井资料主要是测井资料, 而应用测井资料对构型单元的解释具有一定的多解性, 因此, 虽然在构型建模过程中首先要进行井眼构型解释, 但只是预解释, 不是最终结果, 若将多个单井解释结果放到剖面、平面和三维空间去分析则可大大降低多解性(因为构型的空间分布存在规律性)；对于多井剖面分析, 其为经典的地质分析方法, 但也有片面性和多解性, 因为剖面毕竟是尚未知而需要预测的三维地质体的一个切片, 因此, 多井剖面也需要放到三维空间去分析以降低多解性; 同样, 对于平面分析亦如此. 故此, 单井分析、剖面分析、平面分析和三维模型分析都不是一步到位的, 需要相互验证, 最终得到一个既符合井资料和油田开发动态响应, 又符合构型地质模式的逼近地质实际的三维构型模吴胜和等: 地下古河道储层构型的层次建模研究114型. 这是符合地质分析思维的方法.然而, 这种互动研究很难在纸质介质或矢量绘图软件上完成. 为此, 笔者主持开发了一套数字化油藏表征系统软件, 即Direct 系统. 该软件基于数据库系统, 以地理信息系统的基本功能(数据存储、管理、分析、查询、显示)为基础, 各维模型(单井、剖面、平面、三维) 均为数值模型(可建立各维数值模型),且数据与图形互动(这有别于常规的矢量成图). 特别地, 实现了各维功能模块(单井、剖面、平面、三维)数据共享、功能互动, 因此, 研究者可通过多维相互验证、反复拟合, 以逼近地质真实, 这充分体现了实际地质研究的思维过程.3 研究实例遵循上述研究思路, 以济阳坳陷孤岛油田馆陶组为例, 进一步阐述古河道储层构型层次建模的方法. 根据曲流河储层层次结构的划分, 从河道、点坝、侧积体三个层次进行分析.3.1 河道分析研究区河道岩性以砂岩为主, 底部一般为冲刷面, 并发育滞留砂砾岩层(厚度0.2~0.92 m, 呈断续透镜状分布), 垂向上具有粒度向上变细、沉积规模向上变小的典型正韵律特征, 顶部为粉砂岩至纯泥岩(溢岸和泛滥平原沉积), 表现为明显的二元结构. 单砂体厚度一般4~10 m, 最大叠置厚度可达20 m. 砂体内发育平行层理、槽状交错层理、爬升层理、波纹层理. 砂体内部具有泥质夹层(为泥质侧积层), 厚度一般0.2~0.8 m. 垂向上, 河道砂体与溢岸砂体和泛滥平原泥岩不等厚互层(图3).在油田开发井网条件下, 河道砂体分布的分析相对较容易, 因为河道砂体的规模一般比井距大得多. 在这一层次中, 主要分析河道砂体、溢岸砂体和泛滥平原泥岩的分布. 研究方法与常规的沉积微相分析方法基本相同[18], 主要是通过岩心相分析、测井相分析、砂体厚度分析等, 在沉积模式的指导下, 通图3 孤岛油田12-J411井馆上段储层构型分析图中国科学 D 辑: 地球科学 2008年 第38卷 增刊I115图4 三维视窗下的剖面相分析过剖面相分析(图4)和平面相分析, 研究河道等微相的展布规律, 建立河道等微相砂体的分布模型(图5). 当然, 在此值得一提的是, 对于垂向上叠置的复合河道, 需要首先将各期河道砂体进行划分[11]. 河道层次的构型分析应反映同一时期河道砂体的分布. 从图5可以看出, 研究区发育一个大型的宽带状河道砂体, 其宽度大体为800~1500 m, 为曲流河迁移形成的以点坝为主的复合砂体.3.2 点坝识别点坝是河道砂体内主要的成因单元. 垂向上表现为粒度正韵律特征, 内部具有泥质侧积层(图3). 然而, 虽然在单井上可识别点坝, 但在地下复合河道砂体内, 单一点坝的规模及其侧向边界的识别具有很大的难度(这不同于露头和现代沉积), 难点在于井网密度控制不了单一点坝的边界. 为此, 首先要确定点坝的规模, 然后再在河道砂体内划分点坝.3.2.1 点坝规模的确定前人对点坝的定性分布模式作过很多的研究, 但对其定量规模研究甚少. 从预测的角度讲, 我们期望从垂向井眼的河道砂体厚度估算河道点坝的侧向规模.Leeder [19]根据57个高弯度曲流河段的测量数据, 建立了河流深度与满岸宽度的关系. 研究表明, 两者具有良好的正相关关系(公式1), 相关系数为0.91.log(w )=1.54 log(h )+0.83, (1)式中, w 为河流满岸宽度(m); h 为河流满岸深度(m).因此, 若已知曲流河道单一沉积旋回的厚度(大体相当于河深), 根据公式1便可估算河流满岸宽度.但是, 为了确定点坝规模, 尚需建立河流宽度与点坝规模的关系, 但这一研究鲜见报道.笔者通过全球卫星照片(Google Earth), 重点选取嫩江月亮泡曲流河段为研究对象, 对曲流河(曲率>1. 7)的点坝长度(河弯之间的长度)与河流满岸宽度的关系进行了定量统计和计算. 研究中共统计了19个河段的河宽和点坝长度, 对观测到的河流满岸宽度与点坝长度数据点进行回归, 发现二者呈正相关关系, 且相关性较好(图6, 公式2), 其计算表达式为l =0.8531 ln(w )+2.4531, (2)式中, l 为点坝长度(m); w 为河流满岸宽度(m).据此, 便可据公式1估算的河流满岸宽度, 根据公式2估算单一点坝的长度.以孤岛油田中一区11J11井区Ng33点坝为例, 通过测井解释可知单一河道砂体厚度(保存完整的一个点坝自旋回厚度, 大体相当于河流满岸深度)一般为6.0~8.0 m, 根据公式1估算可知其河流满岸宽度约为120~160 m, 继而根据公式2估算其点坝长度约为700~950 m. 当然, 这一数据不应是地下点坝的精确长度(因为计算公式毕竟是经验公式), 但其数量级没有问题, 其在地下点坝边界确定过程的模式拟合中具有重要的参考价值.3.2.2 地下点坝识别与划分在点坝规模确定的基础上, 充分应用井资料, 在复合砂体内通过模式拟合和多维互动, 对地下单一点坝进行识别和划分. 首先在井内进行点坝解释, 然后进行井间预测.点坝的井内解释相对较易. 如图1所示, 点坝在垂向上具有粒度正韵律, 自然电位和自然伽马测井曲线以钟型为主. 因此, 通过测井资料可对未取心井进行点坝砂体的解释.然而, 点坝体的边界划分难度较大. 在复合点坝砂体内指示点坝边界的最有效的标志是废弃河道, 因为废弃河道代表一个点坝的结束. 然而, 废弃河道边界的划分本身又具有很大的难度, 其一, 由于废弃河道内主要充填细粒沉积(泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等), 在单井上应用测井曲线难于将其与河道砂体内残存的泛滥平原细粒沉积甚至溢岸砂体相区吴胜和等: 地下古河道储层构型的层次建模研究116图5河道分布的平面显示中国科学 D 辑: 地球科学 2008年 第38卷 增刊I117图6 嫩江河流满岸宽度与点坝长度关系曲线分; 其二, 废弃河道宽度规模一般不大, 因此并非所有废弃河道都会被钻遇.为此, 通过模式拟合进行废弃河道识别, 同时对点坝进行划分. 从构型模式可知, 点坝主体部位砂体厚度大, 呈透镜状, 紧邻废弃河道分布; 在废弃河道发育部位, 沿侧向加积方向点坝顶部的细粒沉积不断加厚. 应用这一模式, 从以下3个方面初步识别废弃河道的分布:(1) 在三维视窗内进行井间剖面分析, 依据废弃河道的横向分布特点(在剖面上呈楔状分布), 通过多井对比初步识别废弃河道(图7), 即将点坝砂体顶部呈楔状分布的细粒沉积初步解释为废弃河道, 而将呈连续带状分布的细粒沉积解释为泛滥平原.(2) 将砂体顶部至时间单元顶面之间的细粒沉积厚度进行平面成图, 则在片状砂体范围内的细粒沉积大厚度带(特别是新月形厚度带)指示着废弃河道的可能分布, 而呈透镜状的砂体大厚度区则指示点坝的分布.(3) 参考河道宽度(相当于废弃河道宽度)与点坝长度(相当于废弃河道跨度)范围, 不断修改上述第一、二步解释的废弃河道的边界, 使最终的点坝和废弃河道分布既与井点解释吻合, 又与定量模式吻合, 还与井间动态响应吻合. 这是一种在模式指导下“逐步逼近”地质实际的方法. 实际操作主要应用前述的Direct 软件, 通过多维互动进行研究. 图8为研究区11J11井区复合河道砂体内部的点坝与废弃河道分布. 从图可以看出, 废弃河道呈新月形, “弯月”限定的范围内为点坝, 点坝的复合分布反映了曲流河多次废图7 三维视窗内废弃河道的剖面分析吴胜和等: 地下古河道储层构型的层次建模研究118图8点坝分布的平面显示中国科学 D 辑: 地球科学 2008年 第38卷 增刊I119弃、迁移的结果.3.3 侧积体解剖点坝砂体最重要的特征是其内部发育侧积体. 垂向上一个点坝由若干侧积体组成, 侧积体之间发育斜交层面的泥质夹层(侧积层), 其为曲流河点坝侧向加积的结果. 但由于侧积体规模更小, 横向规模只有数十米宽, 比井距小得多. 为此, 采用模式拟合的思路对点坝内部构型进行解剖, 主要是通过侧积层的井内识别和井间预测来划分侧积体.3.3.1 侧积层井内识别泥质侧积层一般发育在点坝中上部, 厚度为0. 2～0. 8 m. 在研究区点坝内, 一般在井眼垂向上可识别出3～4个泥质侧积层(图1). 根据岩电标定结果, 泥质侧积层微电极曲线回返明显, 自然伽马与自然电位测井曲线上亦有不同程度回返. 因此, 根据测井曲线, 特别是微电极曲线, 可将厚度大于0. 2 m 的泥质测积层识别出来.3.3.2 侧积层井间预测侧积层井间预测的关键是确定其倾向、倾角、横向间距, 即模式认知.在确定废弃河道的前提下, 侧积层倾向便可确定, 即指向废弃河道方向. 侧积层倾角可根据Leeder [19]经验公式的计算. 根据上文计算的满岸河流深度和宽度, 估算研究区侧积层的倾角约为5°~10°.对于侧积层横向间距, 前人研究较少. 本文主要应用水平井资料来获得侧积层横向间距信息. 研究区有15口水平井, 其水平位移一般为300~500 m. 在分析过程中, 主要选择横切(顺侧积方向)或斜切点坝的水平井. 在选择的水平井上, 通过测井资料解释识别泥质侧积层(井内的自然伽马高值带). 分析表明, 水平井上的侧积层的水平宽度为6~12 m, 两个侧积层的横向间距为21~35 m. 实际上, 这一数据仅代表了测井曲线所能识别的侧积层的横向间距. 一般来说, 测井曲线的分辨率为0.2~0.5 m, 因此, 应用测井曲线研究的侧积层主要是大洪水形成的较大的侧积层.在上述关键参数确定的情况下, 应用井资料及井内解释的侧积体和侧积层, 通过模式拟合进行井间预测. 预测的基本原则为: (1) 井间侧积层沿倾向(指向废弃河道的方向)连线; (2) 保持两个侧积层的横向间隔. 图9为研究区一个点坝的侧积层井间预测图9 点坝内部的侧积体栅状分布图吴胜和等: 地下古河道储层构型的层次建模研究120的栅状图. 在该图中, 泥质侧积层的分布既与井点吻合, 又与定量模式相符. 检查井动态资料也证实了拟合结果的可靠性.3.4 三维储层构型建模目前, 用于离散变量(储层构型亦属于一种离散变量)的三维建模方法主要有示性点过程、序贯指示模拟、截断高斯模拟以及多点地质统计学等. 从算法本身来看, 各种建模方法用于构型建模均存在较大困难, 本文主要采用序贯指示模拟与人机交互后处理相结合的方法. 指示模拟方法最大的优点是可以模拟复杂各向异性的地质现象及连续分布的极值, 对于具有不同连续性分布的类型变量(构型), 可分别指定不同的变差函数, 从而可建立各向异性的模拟图像[20~22]. 当然, 指示模拟本身同所有的基于象元的随机模型一样, 也存在着一定问题, 即不能很好地再现指定的模拟目标的几何形态(尤其是构型要素边界), 一些类型变量以一个或几个象元为单元零星地分布. 对于这一问题, 则通过人机交互的后处理来解决, 尤其对点坝内部的泥质侧积层的处理更是如此.建模采用Direct 软件. 在单井构型要素解释和二维剖面和平面构型研究的基础之上, 利用序贯指示模拟及人机交互后处理方法, 建立研究区11J11井区的三维储层构型模型. 图10为Ng33单层三维储层构型模型的一个切片栅状图, 模型再现了点坝内部侧积层的空间分布特征, 侧积层表现为半连通模式, 侧积方向指向废弃河道方向. 将该模型应用于油藏数值模拟, 与开发动态吻合很好.4 结论(1) 提出了层次约束、模式拟合和多维互动的地下储层构型分析与建模思路. 曲流河储层构型可分为三个层次, 包括河道砂体层次、点坝层次和侧积体层次. 将不同级次的定量构型模式与地下井资料(包括动态监测资料)分级别进行拟合, 并且在分析过程中, 使一维井眼、二维剖面和平面以及三维空间之间相互印证, 并采用序贯指示模拟和人机交互后处理的建模方法, 建立不同层次的储层构型三维模型.(2) 曲流河(曲率>1. 7)的点坝长度(河弯之间的长度)与河流满岸宽度具有较好的正相关关系, 这一定量关系对地下点坝的识别和划分具有十分重要的意义.(3) 在微相划分和点坝识别的基础上, 应用经验公式、水平井等资料确定了研究区侧积体、侧积层规模及产状, 并用于指导研究区点坝内部构型分析. 研究区单一点坝内一般发育3~4个较大的泥质侧积层, 其厚度0.2~0.8 m, 水平宽度6~12 m, 横向间距为21~35 m.图10 三维储层构型模型中国科学D辑: 地球科学 2008年第38卷增刊I参考文献1 Miall A D. 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