碳酸鹽巖裂縫型油藏裂縫預(yù)測及建模技術(shù)

苗 青，周存儉，羅日升，陳方方，姜玉新

(1.中油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000;2.北京博達(dá)瑞恒科技有限公司，北京 100101)

引 言

英買2區(qū)塊位于塔里木盆地塔北隆起南喀—英買力低凸起中段南部的英買2號構(gòu)造上，構(gòu)造整體表現(xiàn)為寒武系鹽上大型穹隆背斜，是海西期—印支期多期擠壓褶皺變形形成的繼承性古構(gòu)造。工區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，總體發(fā)育北東—南西向、北西—南東向及近南北向3組斷裂，多具走滑性質(zhì)［1］。英買2地區(qū)儲層類型以裂縫、沿裂縫溶蝕的孔、洞為主，具有孔洞、縫并存，非均質(zhì)程度高的雙重孔隙介質(zhì)［2］特征。裂縫以高角度張性縫為主，不僅具有有效的儲集性能，還起到連通有效儲存空間的橋梁作用，因此裂縫在該區(qū)儲層組成中扮演重要角色。由于雙重孔隙介質(zhì)［2］儲層具有孔隙空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)的特征，儲層描述和地質(zhì)建模具有極大的困難［3］。

1 定性裂縫預(yù)測

近些年，地震裂縫預(yù)測技術(shù)發(fā)展很快，從地震曲率［4］、相干等幾何屬性和疊前 P波各向異性［5］到多波裂縫預(yù)測，隨著地震裂縫預(yù)測手段日益豐富，裂縫預(yù)測精度也越來越高［6］。隨著地震幾何屬性的發(fā)展，地震幾何屬性以應(yīng)用效果好、使用簡單、計算速度快、受資料條件限制小等特點受到業(yè)界的追捧，成為裂縫預(yù)測的主流技術(shù)［7］。

地震幾何屬性發(fā)展歷程為:早期的地震幾何屬性是三道相干(1995年)，計算3個地震道的相似性作為相干值，這種方法精度低;1997年出現(xiàn)的多道相干，是利用一個橢圓面在空間中進(jìn)行掃描并通過道間協(xié)方差計算相干，該方法不但能得到相干，同時也能掃描得到傾角、方位角信息;在此基礎(chǔ)上1999年提出的本征值算法，是通過計算協(xié)方差矩陣的特征值來計算相干，本征值算法大幅度地提高了相干計算的精度。本征相干算法雖然解決了相干問題，但這種方法掃描得到的曲面仍然比較粗糙，用這樣的結(jié)果來計算曲率精度比較低。這主要是由于地震同相軸是一個曲面，而掃描用的是一個橢圓平面，無論怎樣計算，平面擬合曲面都會丟失很多細(xì)節(jié)信息［6，8］。

本次采用基于新一代優(yōu)化掃描的曲率分析技術(shù)，可精確捕捉地震同向軸的形態(tài)特征;采用全局優(yōu)化算法，首先在空間中將曲面找到，將模擬退火全局尋優(yōu)方法應(yīng)用在地震同相軸的幾何形態(tài)掃描上，在此基礎(chǔ)上計算的曲率屬性能很好反映地震同相軸的扭曲形變，從而高精度地定性預(yù)測裂縫。其模擬退火原理尋優(yōu)過程如下。

第1步:假設(shè)時間i=0時的地震同相軸是一個平面，在一定橫向范圍內(nèi)計算多道的協(xié)方差矩陣。其中，任意兩道的協(xié)方差可用下式計算:

式中:c(τ，p，q)是協(xié)方差值;Δt為時間采樣間隔，ms;τ為截距時間，ms;p和q分別為x和y方向的視傾角，以每米毫秒為單位進(jìn)行計算;H為地震數(shù)據(jù)的希爾伯特變換或正交地震道，u(tij，xi，yj)位置(i為line值，j為cdp值)的地震道數(shù)據(jù)。

通過協(xié)方差矩陣的特征值計算相干:

式中:simk為協(xié)方差矩陣計算相干值;λi，j為協(xié)方差矩陣C的第j個特征值;λ1為其最大的特征值。

第 2 步:用傾角步長 Δdip_pi，j，Δdip_qi，j(可變步長，開始時步長大，隨著時間推移，步長逐步變小)對平面進(jìn)行擾動，使平臺變成一個曲面。重新計算協(xié)方差矩陣的相干simk+1，同時比較相干值的變化。

如果simk+1＜simk，接受概率計算如下:

式中:Δφ為每次調(diào)節(jié)協(xié)方差矩陣相干迭代比值;T為模擬退火的迭代時間長度，ms;P為T溫度下經(jīng)過一段時間達(dá)到熱平衡狀態(tài)的概率;e為指數(shù)函數(shù)系數(shù)。

如果simk+1＞simk，則接受 simk+1為下一步迭代的當(dāng)前解。

利用優(yōu)化掃描技術(shù)計算高精度最大曲率屬性，可用于刻畫斷裂和裂縫。通過與已鉆井信息進(jìn)行吻合性分析，英買2區(qū)塊地震曲率裂縫預(yù)測結(jié)果與井產(chǎn)能、生產(chǎn)動態(tài)、成像測井等吻合度很高，說明裂縫預(yù)測不確定風(fēng)險降低。該技術(shù)為利用地震曲率屬性約束進(jìn)行裂縫定量預(yù)測奠定了堅實的基礎(chǔ)。

與碎屑巖油藏裂縫發(fā)育特征不同，碳酸鹽巖油藏裂縫一般在斷裂附近集中發(fā)育，密度大，遠(yuǎn)離斷裂處，密度降低，裂縫密度與反應(yīng)地層斷裂和褶皺的曲率屬性關(guān)系密切［9-11］。在曲率裂縫定性預(yù)測基礎(chǔ)上，利用建立的測井裂縫密度曲線與地震幾何屬性關(guān)系，由井出發(fā)，地震曲率屬性作約束，首次在英買2區(qū)塊實現(xiàn)疊后半定量裂縫預(yù)測(圖1)。

圖1 英買2區(qū)塊裂縫密度平面分布示意圖

從裂縫密度平面分布可知，裂縫密度橫向變化大，延伸距離有限，非均質(zhì)性強(qiáng)，沿斷裂處發(fā)育高密度裂縫，遠(yuǎn)離斷裂裂縫密度值迅速降低，受斷裂控制明顯，具有沿斷裂分布的趨勢，與地質(zhì)規(guī)律相一致。

2 裂縫地質(zhì)建模

在裂縫建模過程中，為了更好地描述裂縫，針對不同研究區(qū)的裂縫發(fā)育特征，制定以巖心觀察、成像測井為基礎(chǔ)，綜合靜態(tài)和動態(tài)多方面資料一體化的建模思路。具體實現(xiàn)流程如下:首先，綜合巖心、測井和地震資料進(jìn)行裂縫分析，將裂縫按走向不同分別計算各組裂縫的裂縫密度曲線;為克服連續(xù)性介質(zhì)模型在裂縫描述和計算效率上的缺點［2］，得到滿意的離散裂縫模型［12］，以總裂縫密度體做趨勢約束，采用序貫高斯模擬方法將各組系裂縫密度曲線離散到模型中，建立不同組系裂縫密度體。再次，分組建立各層的離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型(DFN)［13］，并結(jié)合動態(tài)資料優(yōu)選出最佳的離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型;最后，粗化，計算裂縫孔滲等屬性參數(shù)。

2.1 英買2區(qū)塊裂縫密度建模

裂縫密度建模不僅能表征裂縫在三維空間的分布規(guī)律，評價不同組系裂縫的發(fā)育趨勢，也是建立離散網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)。綜合英買2區(qū)塊巖心觀察和成像測井研究認(rèn)識，將裂縫按照傾向不同，細(xì)分成北東向、北西向以及東西向3組，并計算每組裂縫的單井線密度、面密度以及體密度。預(yù)測不同組裂縫密度時，利用總裂縫密度作約束，由井出發(fā)，采用協(xié)模擬方法模擬得到北東向、北西向以及東西向的裂縫密度體。

2.2 英買2區(qū)塊裂縫網(wǎng)絡(luò)模型(DFN)

DFN模型是目前世界上描述裂縫的一項先進(jìn)技術(shù)，通過展布于三維空間中的各類裂縫片組成的裂縫網(wǎng)絡(luò)集合來構(gòu)建整體裂縫模型，實現(xiàn)了對裂縫系統(tǒng)從幾何形態(tài)到滲流能力逼真細(xì)致的有效描述。離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型將地球物理、地質(zhì)、油藏工程等多方面的數(shù)據(jù)整合在一起［9，14］。在裂縫模擬過程中，裂縫的長度、傾向、傾角等參數(shù)均是由均值和方差采用高斯模擬方法模擬獲得。均值范圍越小，方差越小，模擬的結(jié)果精度越高［15］。在樣本點數(shù)量足夠多的情況下，將尺度縫分組，這樣能減少傾向、傾角、長度的統(tǒng)計方差，從而提高模擬精度。在實際模擬過程中，由于裂縫長度是個非常難以確定的參數(shù)，并且成像測井上觀察不到裂縫的長度，因此裂縫密度采用面密度，這樣就大大降低了對裂縫長度的要求。根據(jù)3組裂縫密度模型，分組建立了各層的離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型(DFN)。圖2是英買2區(qū)塊碳酸鹽巖裂縫三維離散網(wǎng)絡(luò)模型，可以看出裂縫在構(gòu)造的主體區(qū)域相對較為發(fā)育，往東北方向裂縫發(fā)育較弱或不發(fā)育。

2.3 英買2區(qū)塊裂縫孔滲模型

建立裂縫靜態(tài)模型后，需要將這種復(fù)雜的裂縫模型轉(zhuǎn)化為雙孔雙滲條件下的流體動力學(xué)模型，主要采用的方法是Warren＆Root模型。該方法是以達(dá)西定律和物質(zhì)平衡方程為基礎(chǔ)，按照模擬單元將復(fù)雜的裂縫實際模型轉(zhuǎn)化為由3組相互正交的裂縫組組成的規(guī)則的裂縫塊模型［16］。由于基質(zhì)和裂縫的滲流特征完全不同，因此，必須要保證轉(zhuǎn)換前后裂縫塊的滲透率等效。

圖2 英買2區(qū)塊裂縫DFN模型示意圖

以三維裂縫幾何模型為基礎(chǔ)，對裂縫等效屬性進(jìn)行計算，最終建立反映雙重介質(zhì)系統(tǒng)的物性場(孔隙度、滲透率)及表征裂縫系統(tǒng)與基質(zhì)系統(tǒng)關(guān)系的Sigma因子(圖3、4)。

圖3 英買2區(qū)塊連通因子參數(shù)模型示意圖

在設(shè)定合理的傳導(dǎo)率后，對裂縫模型粗化，能得到裂縫滲透率、裂縫孔隙度等儲層參數(shù)，這些參數(shù)對裂縫油藏的開發(fā)至關(guān)重要，通過與試井解釋的油藏動態(tài)滲透率對比，裂縫滲透率與試井解釋動態(tài)滲透率之間具有很好的吻合性，可以滿足下一步油藏數(shù)值模擬的要求。

圖4 英買2區(qū)塊裂縫滲透率模型示意圖

3 結(jié)論

(1)采用全局優(yōu)化掃描算法高精度地震幾何屬性，可有效拾取、刻畫出裂縫信息，從而實現(xiàn)裂縫定性預(yù)測，進(jìn)一步以曲率屬性作約束，可實現(xiàn)疊后裂縫定量預(yù)測。

(2)在油藏精細(xì)構(gòu)造模型建立基礎(chǔ)上，采用離散化裂縫網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)，能夠有效反映雙重介質(zhì)系統(tǒng)的幾何特征和各向異性，可實現(xiàn)裂縫型儲層建模。

(3)裂縫地質(zhì)建模結(jié)果表明，裂縫模型滲透率與試井解釋動態(tài)滲透率之間具有很好的吻合性，可為油田開發(fā)提供較準(zhǔn)確的地質(zhì)信息，同時也為油藏數(shù)值模擬研究奠定了基礎(chǔ)。

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