最難開發(fā)的油藏如何開發(fā)—訪中國石化股份有限公司副總工程師、中國工程院院士李陽

○ 文／本刊記者 鄭 丹

布?xì)J油田發(fā)現(xiàn)于上世紀(jì)80年代，探明儲量24億噸，至今沒有規(guī)模開發(fā)。

中國石油石化：“海相碳酸鹽巖縫洞型油藏技術(shù)”成果具有怎樣的重要意義？

李陽：本次獲獎的“海相碳酸鹽巖縫洞型油藏精細(xì)描述、數(shù)值模擬及高效注水開發(fā)技術(shù)” 是在國家“973”項目和國家重大專項的支持下，歷經(jīng)十多年的研究和探索，形成了包括儲集體識別與描述、開發(fā)模擬及注水開發(fā)等技術(shù)，有效解決了碳酸鹽巖油藏高效開發(fā)難題，是我國油田開發(fā)技術(shù)由陸相碎屑巖向海相碳酸鹽巖油藏的重大跨越。建立了超深層縫洞儲集體識別、地質(zhì)建模與數(shù)模方法，實現(xiàn)從物理實驗、原理方法、模型建立到軟件平臺的自主研發(fā)，創(chuàng)立了縫洞型油藏注水開發(fā)理論和技術(shù)，支撐了世界上最大的縫洞型油藏塔河油田建設(shè)，為我國碳酸鹽巖油氣開發(fā)快速發(fā)展提供了理論和技術(shù)支撐。目前，利用該技術(shù)已經(jīng)成功實現(xiàn)了塔河海相縫洞型油藏的規(guī)模開發(fā)，并在塔里木盆地、渤海灣盆地、四川盆地油氣田成功應(yīng)用。

該技術(shù)成果得到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)和工

“海相碳酸鹽巖縫洞型油藏技術(shù)”榮獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎，成為我國石油工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要支點之一?？刹蓛α亢湍戤a(chǎn)量分別占到全球總量的70%、50%和60%以上。我國碳酸鹽巖油氣藏資源豐富，是天然氣快速發(fā)展和原油接替的重要領(lǐng)域。據(jù)2015年全國油氣資源動態(tài)評價表明，我國碳酸鹽巖油氣藏石油地質(zhì)資源量為340×108t，天然氣地質(zhì)資源量為24.3×1012m3，分別占全國油氣資源總量27.05%、26.91%，主要分布在塔里木、渤海灣和四川盆地的海相地層中。此類油藏的高效開發(fā)利用，是實現(xiàn)我國石油工業(yè)可持續(xù)發(fā)展和國家能源安全的重要保障。

相對于全球石油工業(yè)進(jìn)程，我國大規(guī)模開發(fā)碳酸鹽巖油氣藏起步較晚。塔河油田是我國發(fā)現(xiàn)的第一個古生代超深層海相碳酸鹽巖特大型油田，為縫洞型油藏，是我國海相碳酸鹽巖油藏主要類型，約占2/3，1997年投入開發(fā)。由于縫洞儲集體尺度差異大、不連續(xù)性和流體流動的復(fù)雜性，國際石油界公認(rèn)為縫洞型油藏是最復(fù)雜、最難理解也是最難開發(fā)的油藏。其高效開發(fā)技術(shù)是國際前沿技術(shù)課題，國內(nèi)外都沒有形成成熟的開發(fā)理論技術(shù)。俄羅斯庫尤姆賓-尤羅

在2017年國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，中國石化完成的“海相碳酸鹽巖縫洞型油藏精細(xì)描述、數(shù)值模擬及高效注水開發(fā)技術(shù)”（以下簡稱“海相碳酸鹽巖縫洞型油藏技術(shù)”）榮獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎。

“海相碳酸鹽巖縫洞型油藏技術(shù)”成果具有怎樣的重要意義？此項技術(shù)攻克了我國海相碳酸鹽巖縫洞型油藏開發(fā)領(lǐng)域的哪些難題……為此，本刊記者對中國石化股份有限公司副總工程師、中國工程院院士李陽進(jìn)行了專訪。

最難理解和開發(fā)的油藏

中國石油石化：李院士，您好！“海相碳酸鹽巖縫洞型油藏技術(shù)”榮獲2017年國家技術(shù)發(fā)明二等獎。在您看來，開發(fā)碳酸鹽巖油氣藏資源具有怎樣的重要性？開發(fā)碳酸鹽巖油氣藏的主要困難是什么？

李陽：碳酸鹽巖油氣藏是世界上主要的油氣藏類型，油氣資源量、探明程界高度評價，作為油氣基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的代表，受邀參展國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展。國際石油工程師協(xié)會（SPE）在有關(guān)會議上評價認(rèn)為，中國石化形成的超深層縫洞體預(yù)測、建模數(shù)模、注水開發(fā)等技術(shù)代表了碳酸鹽巖開發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展方向和技術(shù)水平。該項目已授權(quán)發(fā)明專利30件，軟件著作權(quán)登記7項，論文126篇，專著4部，成果已在國內(nèi)外十多個油田進(jìn)行了應(yīng)用，提升了我國在海相油氣田開發(fā)領(lǐng)域的國際競爭力，對今后更大范圍海相碳酸鹽巖油氣田開發(fā)具有重要指導(dǎo)作用。

儲集體精細(xì)描述和建模難

中國石油石化：“海相碳酸鹽巖縫洞型油藏技術(shù)”解決了埋深5500米～6500米儲集體精細(xì)描述的難題。在您看來，我國海相碳酸鹽巖縫洞型油藏儲集體的主要特點是什么？對其進(jìn)行精細(xì)描述存在哪些難題？

李陽：我國碳酸鹽巖縫洞型儲層的主要特點有以下幾方面。一是時代老，多為古生代沉積儲層，經(jīng)歷多期巖溶及熱液的溶蝕充填作用、多期構(gòu)造改造作用，儲層成因機制復(fù)雜。二是儲集空間類型多，尺度差異大，既有洞、縫也有孔，大的溶洞規(guī)?？蛇_(dá)數(shù)十米，不同類型儲集體離散隨機分布。三是儲集體形態(tài)和規(guī)模在平面和縱向分布變化大，連續(xù)性差。四是儲層內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，80%縫洞體被沉積和化學(xué)充填或半充填，改造充填作用受突發(fā)事件影響大。五是埋藏深，多在5500米～6500米。

儲集體識別和描述存在兩個難題：一是地球物理識別技術(shù)不適應(yīng)。上覆地層對縫洞體地震信號干擾嚴(yán)重，地震波反射特征復(fù)雜、信噪比低，分辨率低，造成地震成像難、縫洞儲集體及流體的檢測與識別精度低。二是地質(zhì)建模方法不適應(yīng)。已有建模方法主要是針對連續(xù)介質(zhì)的碎屑巖及孔隙型碳酸鹽巖油氣藏而研發(fā)的，難以適應(yīng)離散非規(guī)則縫洞體描述的需要。

中國石油石化：海相碳酸鹽巖縫洞型油藏精細(xì)描述的難題是如何解決的？

李陽：為解決縫洞型油藏精細(xì)描述的難題，我們開展了碳酸鹽巖縫洞型油藏成因機制和識別描述方法研究。通過研究，揭示了縫洞型油藏儲集體形成機制，揭示了巖溶發(fā)育和縫洞系統(tǒng)的模式。塔河油田縫洞儲集體經(jīng)歷了海西早期和加里東中、晚期裸露風(fēng)化環(huán)境，后經(jīng)歷深埋構(gòu)造改造和熱液溶蝕充填、上古生代碎屑充填作用。在巖溶過程中，由統(tǒng)一補、徑、排水文系統(tǒng)形成有成因聯(lián)系的孔、縫、洞巖溶集合體，構(gòu)成縫洞系統(tǒng)?？p洞系統(tǒng)縱向發(fā)育表層、滲流、徑流和潛流四個主要巖溶帶，平面上存在峰叢洼地－溶丘洼地、峰叢壟脊溝谷、巖溶湖等地貌單元。這些古地貌控制了縫洞系統(tǒng)的平面分布，巖溶臺地內(nèi)的峰叢洼地區(qū)溶洞最發(fā)育，其次為巖溶緩坡內(nèi)的丘峰洼地區(qū)和丘叢壟脊槽谷區(qū)?？p洞系統(tǒng)是縫洞單元形成的基礎(chǔ)，地下河系統(tǒng)和巖溶洞穴是最主要的儲集體類型。

在識別技術(shù)上，建立不同類型縫洞型儲集體地震響應(yīng)特征，研發(fā)各向異性疊前逆時深度偏移與繞射波分離成像等油藏地球物理方法，實現(xiàn)了縫洞高精度成像。

首先，首創(chuàng)全尺度正演模擬裝置與方法，發(fā)現(xiàn)了檢測縫洞體的地震波特征參數(shù)。全尺度、高精度、全自動正演物理模擬裝置，包括采集系統(tǒng)、模型制作、數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了從米級溶洞到毫米級孔洞群，從千米級裂縫到毫米級裂縫網(wǎng)絡(luò)的全尺度三維正演等效模擬。其中，高靈敏度、窄脈沖、寬頻段、大開角的地震模擬微型換能器，尺寸小于10毫米，頻段200千赫茲～500千赫茲。定位控制系統(tǒng)精度誤差≤±50微米，在國際上率先實現(xiàn)了室內(nèi)大尺度起伏面模型的高速全自動地震采集，49個小時內(nèi)能夠完成相當(dāng)于陸地100平方千米68次覆蓋的三維地震信號采集。

其次，首次揭示地震波在溶洞頂?shù)锥啻握{(diào)諧與洞壁滑行疊加形成溶洞的繞射波動響應(yīng)，為利用繞射波直接進(jìn)行縫洞成像提供了特征參數(shù)；證實反射波頻率28赫茲～34赫茲、采集面元10米×10米～15米×15米，可有效檢測6500米埋深15米規(guī)模的縫洞體，也得到高精度三維地震和鉆井結(jié)果的印證。

再次，研發(fā)各向異性疊前逆時深度偏移與繞射波分離成像方法，實現(xiàn)了縫洞高精度成像。近偏移距速度與全偏移距δ、ε組合迭代修正的建模方法，結(jié)合各向異性逆時偏移成像，消除了上覆地層干擾，同時增強了縫洞成像能量，與商用逆時深度偏移方法對比，縫洞體能量增強20%；平面波域（PWD）解構(gòu)濾波器與最小二乘預(yù)測反演彌補能量損失相結(jié)合的繞射波分離縫洞體成像方法，運算速度快，可獲得風(fēng)化殼反射背景干擾下縫洞體的直接成像，風(fēng)化殼縫洞體識別數(shù)量增加了19.5%。兩種方法聯(lián)合使用，與商用地震資料處理軟件識別結(jié)果對比，成像精度提高一倍，由30米精準(zhǔn)至15米。

在建模方法上，創(chuàng)建多尺度分類檢測與多元約束巖溶相控地質(zhì)建模方法，精細(xì)描述不同尺度縫洞的形態(tài)規(guī)模及儲集物性，解決海相碳酸鹽巖縫洞型油藏精細(xì)描述的難題。

開發(fā)規(guī)律模擬預(yù)測難

中國石油石化：我國海相碳酸鹽巖縫洞型油藏在開發(fā)過程模擬預(yù)測方面存在哪些難題？

李陽：主要難題是：多種流體流動方式共存，流動機制復(fù)雜，大的縫洞為自由流而小的孔縫為滲流特征。多孔和雙重介質(zhì)滲流理論與方法無法解決其油氣藏流體流動問題，導(dǎo)致開發(fā)規(guī)律模擬預(yù)測難，孔-洞-縫多尺度流動已成為近年研究的熱點和難點。

中國石油石化：開發(fā)過程模擬預(yù)測方面的難題是如何解決的？

李陽：我們通過物理模擬實驗，揭示縫洞型油藏小尺度裂縫-孔洞滲流與大尺度裂縫-溶洞自由流的耦合流動機理，建立油水流動數(shù)學(xué)模型，研發(fā)多尺度耦合數(shù)值求解方法，編制軟件。

首先，創(chuàng)建縫洞介質(zhì)油水流動物理模擬實驗裝置與方法。基于離散縫洞體結(jié)構(gòu)及分布特征，制作了不同尺度、不同充填、不同縫洞組合的物理模型。通過實驗揭示了滲流與自由流耦合流動機理，建立了油水兩相滲流與自由流耦合的離散縫洞網(wǎng)絡(luò)（DFVN）數(shù)學(xué)模型。

其次，發(fā)明嵌入式和變重介質(zhì)數(shù)值求解方法，提高了模擬精度和運算速度。針對縫洞體幾何形態(tài)的不規(guī)則性，用有限體積法對各偏微分控制方程進(jìn)行數(shù)值離散轉(zhuǎn)化為線性方程組，使用改進(jìn)約束壓力殘差（CPR）預(yù)處理與代數(shù)多重網(wǎng)格（AMG）線性方程解法相結(jié)合的算法，進(jìn)行求解。為提高模擬精度，基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對大尺度裂縫和溶洞進(jìn)行嵌入顯式處理與計算。為提高運算速度，小尺度裂縫和孔洞發(fā)育區(qū)根據(jù)其分布特征，采用單重、雙重或三重介質(zhì)的分區(qū)模擬方法，利用傳導(dǎo)系數(shù)表征區(qū)域間流動，在保證精度的條件下減少運算工作量。該方法更加準(zhǔn)確模擬縫洞體滲流與自由流耦合流動特征，與物理實驗結(jié)果對比符合率高達(dá)98.2%。

再次，研發(fā)KARSTSIM縫洞型油藏數(shù)值模擬軟件平臺，形成了專利與軟件著作權(quán)，填補了縫洞型油藏數(shù)值模擬技術(shù)的空白。該軟件具有模擬滲流與自由流多流動模式、嵌入式離散縫洞、變重介質(zhì)模擬等功能，生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)整更加精準(zhǔn)，已成功應(yīng)用于國內(nèi)外開發(fā)工作。與國外商業(yè)軟件對比，塔河主力單元單井?dāng)M合符合率提高17%，產(chǎn)油量預(yù)測符合率提高了37.5%。

提高油藏開發(fā)效果難

中國石油石化：我國離散非規(guī)則海相碳酸鹽巖縫洞型油藏的開發(fā)效果受到哪些瓶頸制約？

李陽：對于連續(xù)介質(zhì)的碎屑巖油藏已有系統(tǒng)的井網(wǎng)設(shè)計理論和方法，但對離散分布、規(guī)模差別很大的縫洞型儲集體，部署開發(fā)井網(wǎng)需要解決兩個難題：一是有效控制一定規(guī)模的地質(zhì)儲量，二是要實現(xiàn)有效能量補充和驅(qū)替。對于第二個難題，還要解決注入水沿裂縫水竄的問題。井網(wǎng)設(shè)計技術(shù)和方法事關(guān)這類油藏的開發(fā)效果。

中國石油石化：制約我國海相碳酸鹽巖縫洞型油藏開發(fā)效果的瓶頸是如何破解的？

李陽：通過發(fā)明空間結(jié)構(gòu)井網(wǎng)設(shè)計及注采優(yōu)化、堵水封竄技術(shù)，我們實現(xiàn)了高效注水開發(fā)。首先，發(fā)明“溶洞分布、縫洞連通、儲量規(guī)?！比刂频木W(wǎng)設(shè)計方法，依據(jù)縫洞體形態(tài)規(guī)模、配置關(guān)系和連通特征，構(gòu)建低注高采、縫注洞采的空間結(jié)構(gòu)井網(wǎng)，實現(xiàn)了水驅(qū)儲量最大化。對于連片分布、各向異性嚴(yán)重的風(fēng)化殼巖溶儲集體，依據(jù)儲量分布和不同方向的連通程度設(shè)計井距，建立不規(guī)則的注采井網(wǎng)；對于暗河型巖溶儲集體，建立河道低部位注、高部位采，分支河道注、主干河道采的井網(wǎng)。應(yīng)用后水驅(qū)控制程度由35.0%提高至72.1%。空間結(jié)構(gòu)井網(wǎng)的提出，將井網(wǎng)設(shè)計從二維平面結(jié)構(gòu)發(fā)展到三維空間結(jié)構(gòu)，使注采井網(wǎng)更加適應(yīng)縫洞儲集體空間結(jié)構(gòu)展布特點。

其次，立足于當(dāng)期與長遠(yuǎn)相結(jié)合，建立采收率和經(jīng)濟效益雙目標(biāo)注水優(yōu)化模型，改進(jìn)隨機擾動算法，形成了注水流動方向、注水強度實時優(yōu)化的變強度注水方法，擴大波及體積，控制了含水上升。

再次，建立了碳酸鹽巖儲層堵水技術(shù)配套堵劑和堵水工藝，針對性地解決不同類型儲層出水問題，有效的控制水竄。

礦場實踐證實，該注水技術(shù)大幅度節(jié)約了水資源，噸油耗水量大幅度下降，由8.1m3下降到3.2m3，實現(xiàn)了節(jié)能、減排。