基于平面與剖面相資料建立儲(chǔ)層三維精細(xì)地質(zhì)模型
——以鄂爾多斯盆地S區(qū)塊為例

梁衛(wèi)衛(wèi)，黨海龍，張 亮，高榮華，王 強(qiáng)，劉雙雙

(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075；2.延長(zhǎng)油田股份有限公司七里村采油廠，陜西延安 717600)

油藏地質(zhì)建模技術(shù)是綜合利用地質(zhì)、測(cè)井、統(tǒng)計(jì)學(xué)等原理對(duì)地下儲(chǔ)層空間展布參數(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)重現(xiàn)的過(guò)程，其主要目的是進(jìn)行油氣藏的精細(xì)描述及定量表征，為油氣藏開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支持。當(dāng)前油藏地質(zhì)建模一般遵循相控建模思路，即在儲(chǔ)層構(gòu)造模型的基礎(chǔ)上首先建立儲(chǔ)層沉積微相模型，然后以沉積微相模型為控制條件建立儲(chǔ)層屬性模型，進(jìn)而得到相控屬性模型[1-2]。針對(duì)相控建模研究，羅榮濤、王國(guó)臣、潘少偉等人[3-5]利用鉆井、測(cè)井及地震資料，利用巖相約束儲(chǔ)層建模思路，采用兩點(diǎn)、多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得到符合研究區(qū)不同沉積微相下的儲(chǔ)層模型，使所建立的儲(chǔ)層相模型與地質(zhì)認(rèn)識(shí)符合程度較高，為后期的油藏開(kāi)發(fā)提供可靠數(shù)據(jù)；尹楠鑫等人[6]利用改進(jìn)的基于目標(biāo)的沉積微相建模方法建立了蘇14加密井區(qū)的儲(chǔ)層三維精細(xì)沉積微相模型，明確了不同沉積微相下不同砂體的物性分布特征；張宇等人[7]綜合利用沉積相與巖相資料建立儲(chǔ)層相模型，再根據(jù)相模型控制建立屬性模型，模型儲(chǔ)量計(jì)算與對(duì)比結(jié)果表明該方法建立的儲(chǔ)層模型精度更高。

綜合上述研究成果，針對(duì)相控建模提出了基于井震結(jié)合的巖相約束、基于沉積微相的相控建模方法，對(duì)于建立儲(chǔ)層三維精細(xì)地質(zhì)模型均可提供一定的思路及經(jīng)驗(yàn)。但以上各自方法均未充分考慮不同沉積環(huán)境下沉積砂體在平面、垂向上的展布特征，并不能完全反映認(rèn)識(shí)現(xiàn)狀，因此本文充分考慮沉積平面相與單井剖面巖相特點(diǎn)，綜合應(yīng)用以上兩種相資料建立儲(chǔ)層三維精細(xì)地質(zhì)模型，精細(xì)刻畫(huà)儲(chǔ)層在平面和垂向上不同沉積微相下的砂體展布規(guī)律，進(jìn)而為區(qū)塊下一步的開(kāi)發(fā)調(diào)整提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

S區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地南部地區(qū)，區(qū)內(nèi)局部鼻狀微構(gòu)造發(fā)育，無(wú)斷層發(fā)育。研究區(qū)主要目的層為三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)8油層組，細(xì)分為長(zhǎng)81及長(zhǎng)82油層亞組，其中長(zhǎng)82又細(xì)分為長(zhǎng)821及長(zhǎng)822兩個(gè)小層，長(zhǎng)821為主力開(kāi)發(fā)目的層；長(zhǎng)8油層組沉積背景為湖泊三角洲沉積，物源為北東—南西向，劃分為三角洲前緣及前三角洲兩類(lèi)亞相，其中三角洲前緣細(xì)分為水下分流河道、水下分流河道間微相，前三角洲細(xì)分為前三角洲泥微相[8-9]。長(zhǎng)821小層砂體發(fā)育程度最好，巖性主要以細(xì)砂巖為主，其次為粉細(xì)砂巖，常見(jiàn)交錯(cuò)層理及水平層理，呈現(xiàn)正韻律、反韻律及復(fù)合韻律特征，顆粒多呈棱—次圓狀，碎屑風(fēng)化程度深，分選及磨圓中等，接觸類(lèi)型為點(diǎn)—線接觸。本次研究共涉及工區(qū)內(nèi)167口單井?dāng)?shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用于區(qū)塊三維地質(zhì)模型的建立。

2 三維精細(xì)地質(zhì)模型的建立

2.1 平面相與剖面相結(jié)合的相模型建立

2.1.1 優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

平面相控與剖面相控建模各有其優(yōu)缺點(diǎn)。其中平面相控主要是用各小層沉積微相平面圖控制建立儲(chǔ)層沉積相模型，該方法的優(yōu)點(diǎn)是所建模型在平面上與地質(zhì)認(rèn)識(shí)高度一致，符合沉積微相平面展布規(guī)律；但該方法不能對(duì)各小層內(nèi)的發(fā)育程度較低的隔夾層及泥巖段進(jìn)行描述，致使所建相模型在各小層上較為單一，進(jìn)而造成所模擬的屬性模型不能反映儲(chǔ)層實(shí)際，導(dǎo)致儲(chǔ)量計(jì)算失真及對(duì)下一步開(kāi)發(fā)工作帶來(lái)一定的誤導(dǎo)。剖面相控主要是指利用各單井巖相資料建立儲(chǔ)層相模型，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)發(fā)育程度較低的隔夾層及泥巖段進(jìn)行精細(xì)表征，使建立的儲(chǔ)層模型在垂向上忠實(shí)于地下實(shí)際；但是其與地質(zhì)上劃分的沉積相模型匹配程度不高，造成后續(xù)模擬的屬性模型與沉積相模型不統(tǒng)一，因此單獨(dú)利用剖面相相控建立儲(chǔ)層模型也不能較好地進(jìn)行油藏精細(xì)表征。

綜合克服以上兩種方法缺點(diǎn)的地質(zhì)建模方法是對(duì)各小層在垂向上進(jìn)行細(xì)化，識(shí)別出單砂體沉積，刻畫(huà)出平面及垂向上不同沉積微相下對(duì)應(yīng)的巖相等信息，再對(duì)垂向上細(xì)化的單砂體進(jìn)行平面沉積微相圖件繪制，進(jìn)而綜合運(yùn)用平面及垂向資料建立儲(chǔ)層地質(zhì)模型；但是該方法的缺點(diǎn)是工作量大，目前鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組下組合長(zhǎng)7～長(zhǎng)10層位一般沉積厚度較大，單個(gè)小層沉積厚度在30～50 m，其中發(fā)育不同沉積微相下的不同巖性，造成進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)工作量大。因此，利用沉積相與巖相資料在平面與垂向上綜合控制建立儲(chǔ)層地質(zhì)模型是目前而言與地質(zhì)認(rèn)識(shí)符合程度較高且較為合適的地質(zhì)建模方法。

2.1.2 建模思路及方法

本次研究綜合考慮沉積平面與剖面相控，綜合利用各小層沉積微相圖件及測(cè)井曲線資料精細(xì)識(shí)別儲(chǔ)層沉積微相與其對(duì)應(yīng)的巖相，對(duì)儲(chǔ)層內(nèi)部泥巖隔夾層及泥巖段進(jìn)行重點(diǎn)描述。本次工區(qū)網(wǎng)格設(shè)計(jì)按照10 m×10 m×0.25 m對(duì)地質(zhì)體進(jìn)行網(wǎng)格化，充分刻畫(huà)儲(chǔ)層在平面及垂向上的屬性特征及為后期油藏開(kāi)發(fā)提供精細(xì)的油藏地質(zhì)模型。如圖1所示，首先，建立工區(qū)構(gòu)造模型，利用單井資料對(duì)平面及剖面相進(jìn)行綜合識(shí)別，優(yōu)選變差函數(shù)參數(shù)擬合不同小層不同沉積微相下的主、次及垂向變程值；其次，運(yùn)用高斯隨機(jī)函數(shù)算法及趨勢(shì)面控制模擬計(jì)算各小層的相模型；再次，與地層沉積微相平面圖件進(jìn)行對(duì)比校正，得出綜合使用平面相及剖面相控的儲(chǔ)層相模型，在儲(chǔ)層三維精細(xì)相模型約束下優(yōu)選變差函數(shù)參數(shù)建立儲(chǔ)層屬性模型；最后，對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證及評(píng)價(jià)。

圖1 相控建模工作流程Fig.1 The flow diagram of facies-controlled modeling

2.1.3 變差函數(shù)調(diào)整擬合

變差函數(shù)調(diào)整擬合是建模過(guò)程中的重點(diǎn)工作，其主要表征區(qū)域化變量在特定方向上及特定范圍內(nèi)的相關(guān)程度，數(shù)學(xué)表達(dá)式為[10-11]

(1)

式中γ(h)——變差函數(shù)值；

h——采樣點(diǎn)之間的距離；

N——采樣點(diǎn)之間的點(diǎn)對(duì)數(shù)；

Z(xi)——采樣點(diǎn)觀測(cè)值；

Z(xi+h)——與相距h的另一采樣點(diǎn)的觀測(cè)值。

在進(jìn)行變差函數(shù)分析之前，需要對(duì)所分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查處理，然后在指定小層范圍內(nèi)特定沉積微相下進(jìn)行變差函數(shù)的調(diào)整與擬合。需要說(shuō)明的是，沉積平面相與剖面相綜合建模，搜索半徑為特定小層沉積微相相圖上的最大延展長(zhǎng)度，方向與物源方向基本一致，次變程與垂向變程遵循一般設(shè)置規(guī)律。

步長(zhǎng)設(shè)置一般取0.5～1倍井距，此距離即為變差函數(shù)中采樣點(diǎn)之間的間距h。S區(qū)井距基本在300 m左右，當(dāng)取1倍井距進(jìn)行搜索時(shí)，300 m范圍內(nèi)的儲(chǔ)層屬性參數(shù)均不參與計(jì)算，如果不考慮地層實(shí)際沉積狀況，將造成擬合出的變程遠(yuǎn)大于實(shí)際變程，也就是說(shuō)，距離300 m范圍內(nèi)指定的沉積微相在此距離范圍內(nèi)是連續(xù)的，中間沒(méi)有相帶分隔，假如相距300 m的兩個(gè)井點(diǎn)處均出現(xiàn)水下分流河道微相，但中間有水下分流河道間微相分隔，取1倍井距步長(zhǎng)進(jìn)行搜索時(shí)，得出的變差函數(shù)計(jì)算會(huì)使得以上兩個(gè)井點(diǎn)特定小層上均為水下分流河道微相，而不存在水下分流河道間微相，造成模擬計(jì)算出現(xiàn)誤差。因此在設(shè)置步長(zhǎng)時(shí)，要充分考慮小層沉積微相平面圖中各相帶的展布規(guī)律，優(yōu)選合適的步長(zhǎng)進(jìn)行模型計(jì)算，針對(duì)工區(qū)各小層沉積砂體展布規(guī)律特征，本次工區(qū)變差函數(shù)參數(shù)擬合過(guò)程中步長(zhǎng)取值150 m較為合適。

帶寬設(shè)置是在變差函數(shù)類(lèi)型、方向、搜索距離、步長(zhǎng)、角度及步長(zhǎng)容差設(shè)置好后進(jìn)行，該參數(shù)設(shè)置要充分考慮沉積微相圖件中河道的展布規(guī)律及參數(shù)分布，通過(guò)設(shè)置帶寬參數(shù)使得變差函數(shù)曲線得到較好的擬合。需要說(shuō)明的是，綜合利用沉積相及巖相數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)層相模型建立過(guò)程中要重點(diǎn)對(duì)垂向變程值進(jìn)行合理設(shè)置，因?yàn)閹捴苯佑绊懴嗄Ｐ驮诖瓜蛏系臏?zhǔn)確性。

垂向變程參數(shù)設(shè)置過(guò)程中垂向變程值的大小直接關(guān)系相模型垂向上的精度，因此參數(shù)設(shè)置過(guò)程中要充分結(jié)合工區(qū)不同小層砂體的展布規(guī)律特征，尤其是砂體厚度值，只有這樣才能精確描述模型的垂向特征。

從表1可以看出，該小層水下分流河道變程最大，說(shuō)明該微相展布范圍廣，發(fā)育程度及連片性也較好，這也與區(qū)塊地質(zhì)沉積認(rèn)識(shí)一致。水下分流河道側(cè)翼砂體變程最小，泥巖變程次之，說(shuō)明長(zhǎng)821小層主要發(fā)育水下分流河道沉積，且發(fā)育較好，是油氣的主要儲(chǔ)集砂體。

在變差函數(shù)調(diào)整擬合完成后，使用序貫指示模擬算法進(jìn)行區(qū)塊相模型計(jì)算，計(jì)算時(shí)采用2D趨勢(shì)面控制進(jìn)行各小層沉積微相在平面上的展布規(guī)律模擬[12]，進(jìn)而得出各小層綜合利用平面相及剖面相控制的相模型，如圖2d所示。圖2a為長(zhǎng)821小層主河道砂體平面展布，該圖件主要受沉積平面圖控制，主河道在工區(qū)內(nèi)連片分布，主變程方程上河道基本貫穿整個(gè)工區(qū)，相關(guān)性最好，工區(qū)東部主河道砂體發(fā)育程度次之；圖2b為河道側(cè)翼砂，該類(lèi)砂體主要集中在主河道邊緣側(cè)翼；圖2c為泥巖相平面展布，泥巖相主要在工區(qū)東部分布，西部分布較差，相關(guān)性也較差，其也對(duì)應(yīng)表1中泥巖相的變程數(shù)據(jù)。

表1 長(zhǎng)821小層相模型變差函數(shù)擬合參數(shù)Table 1 The data of variogram fitting in facies modle of formation Chang-821

圖2 長(zhǎng)821相模型平面展布Fig.2 The plane distribution of facies model of Chang-821

圖3a為工區(qū)綜合利用平面相與剖面相模擬計(jì)算的一條相模型剖面，該剖面與單井儲(chǔ)層展布規(guī)律符合程度高。從該剖面中可以看出，長(zhǎng)81小層內(nèi)部泥質(zhì)隔夾層較為發(fā)育，主要發(fā)育3套厚度5～10 m的泥質(zhì)隔夾層，且在平面上廣泛發(fā)育；長(zhǎng)822小層下部發(fā)育一套厚度6～10 m的水下分流河道砂體，在工區(qū)內(nèi)連片性不好，個(gè)別井點(diǎn)處發(fā)育水下分流河道間微相；長(zhǎng)821小層中下部發(fā)育一套厚度為15～30 m的水下分流河道砂體，該套砂體為工區(qū)主力儲(chǔ)油層，在工區(qū)內(nèi)連片發(fā)育，穩(wěn)定性也最好；上部主要發(fā)育一套水下分流河道砂體和一套前三角洲泥，該套厚度為4～8 m的三角洲泥在工區(qū)內(nèi)也發(fā)育穩(wěn)定，構(gòu)成了長(zhǎng)821小層的區(qū)域性蓋層。圖3b為平面相控得到的相模型剖面，該剖面主要受控于各小層沉積微相平面，主要反映平面特征，不能精細(xì)刻畫(huà)儲(chǔ)層垂向上的砂體展布規(guī)律，與地質(zhì)認(rèn)識(shí)程度符合率不高。圖3c為剖面相控得到的相模型剖面，該方法可以精確描述儲(chǔ)層垂向上的非均質(zhì)性，精細(xì)刻畫(huà)小層內(nèi)部的泥質(zhì)隔夾層，但與沉積平面相存在一定的誤差，因此與地質(zhì)認(rèn)識(shí)也存在一定的誤差。

圖3 長(zhǎng)8相模型垂向剖面及與3種建模方法的剖面對(duì)比Fig.3 The vertical section of facies model and section contrast of three modeling methods of Chang-8

綜合分析，綜合利用沉積相控及巖相相控可以得到誤差相對(duì)較小的儲(chǔ)層相模型，是目前進(jìn)行油藏三維精細(xì)地質(zhì)建模的切實(shí)可行的一種方法。

2.2 屬性模型建立

遵循儲(chǔ)層三維地質(zhì)模型建模流程，工區(qū)相模型建立之后，采用相控建模思路建立工區(qū)儲(chǔ)層屬性模型。相控建模的主要思路是不同沉積微相下儲(chǔ)層砂體的物性特征及分布規(guī)律是不同的，因此屬性模型建立過(guò)程中要結(jié)合工區(qū)相模型進(jìn)行約束，并采用高斯隨機(jī)函數(shù)算法模擬計(jì)算儲(chǔ)層屬性模型。

針對(duì)儲(chǔ)層孔隙度模型的建立，首先對(duì)工區(qū)內(nèi)167口井二次解釋后的孔隙度曲線采用算術(shù)平均方法進(jìn)行屬性粗化，再進(jìn)行數(shù)據(jù)變換及變差函數(shù)分析，在變差函數(shù)分析中采用相控設(shè)置，逐步分析每一小層每一巖相下的變差函數(shù)。與相模型建立一樣，主力小層長(zhǎng)821在主河道砂巖相的控制下，變差函數(shù)選擇球狀模型，主變程分析中步長(zhǎng)選取150 m進(jìn)行搜索，厚度參數(shù)選取25 m進(jìn)行擬合，確保主力河道砂體范圍內(nèi)搜索到每一個(gè)井點(diǎn)處的孔隙度參數(shù)，同時(shí)調(diào)整帶寬等參數(shù)進(jìn)行變差函數(shù)的擬合，得到主變程參數(shù)。同理分析次變程及垂向變程參數(shù)，需要說(shuō)明的是，垂向變差函數(shù)分析中搜索距離設(shè)置為本小層地層厚度40 m，步長(zhǎng)選取油層最小厚度5 m，確保在垂向上與原始孔隙度參數(shù)保持一致，橫向上也符合主河道砂巖相的展布規(guī)律。針對(duì)泥巖相，可以直接將孔隙度參數(shù)賦予下限值或者0。針對(duì)長(zhǎng)81及長(zhǎng)822小層，分別在主河道砂巖相、河道側(cè)翼砂巖相下進(jìn)行變差函數(shù)分析，需要說(shuō)明的是，各小層變差函數(shù)分析時(shí)要結(jié)合具體巖相平面及單井垂向發(fā)育特征，選取合適的參數(shù)進(jìn)行擬合，得到主、次及垂向變程值。泥巖相可以直接賦值該參數(shù)的下限值或者0，保障模型的準(zhǔn)確性，然后隨機(jī)模擬得到在相控下的孔隙度模型。針對(duì)滲透率模型，選取調(diào)和平均或均方差方法進(jìn)行屬性粗化，變差函數(shù)分析與孔隙度模型一致。針對(duì)儲(chǔ)層的NTG模型，可以綜合利用工區(qū)物性下限標(biāo)準(zhǔn)及相模型綜合計(jì)算，最后得到與實(shí)際儲(chǔ)層符合程度較高的儲(chǔ)層屬性參數(shù)模型。

圖4 MP3水平段巖相解釋Fig.4 The lithofacies explanatory of horizontal section of MP3

2.3 模型驗(yàn)證分析

相控儲(chǔ)層建模研究結(jié)果顯示，儲(chǔ)層三維相模型在物源方向上呈現(xiàn)條帶狀展布特征，與地質(zhì)認(rèn)識(shí)基本一致。本次建模過(guò)程中分別抽出區(qū)塊內(nèi)不同位置的4口水平井及4口直井不參與相模型計(jì)算，進(jìn)而得到工區(qū)的相模型及屬性模型。從圖4可以看出，水平井MP3水平段長(zhǎng)度為950 m，水平段自然電位(SP)基本呈現(xiàn)負(fù)差異，自然伽馬(GR)曲線值基本保持在60～80 API之間，個(gè)別深度處發(fā)育高伽馬砂巖，電阻率基本保持在45 Ω·m以上，聲波時(shí)差(AC)基本在250 μs/m左右，儲(chǔ)層砂體物性及含油性好。圖5為相模型中沿MP3井水平段方向的剖面切片，從該切片中可以看出，該井水平段軌跡主要鉆遇目的層主河道砂體，在水平段中后部鉆遇主河道砂體頂部，砂體鉆遇率為100.00%。對(duì)比圖4、圖5可以得出，所建相模型在MP3井水平段軌跡處相差0.0%，同時(shí)對(duì)比剩余3口水平井與4口直井目的層段相模型與實(shí)際鉆遇儲(chǔ)層砂體情況，得出巖相模型偏差率最大為6.5%，最小為0.0%，平均值為3.0%。

通過(guò)抽稀井模型驗(yàn)證方法得出相模型符合率為97.0%，證實(shí)了本次模型參數(shù)的選取合適有效，建模方法切實(shí)可行。

圖5 MP3巖相軌跡剖面Fig.5 The lithofacies trajectory profile of MP3

3 結(jié)論

(1)綜合利用沉積平面相與單井剖面相資料建立儲(chǔ)層三維地質(zhì)模型，必須建立在對(duì)工區(qū)平面沉積微相、單井剖面巖相及儲(chǔ)層內(nèi)部隔夾層準(zhǔn)確識(shí)別的基礎(chǔ)上，同時(shí)必須考慮模型模擬過(guò)程中變差函數(shù)分析中步長(zhǎng)、帶寬等參數(shù)值設(shè)置，S工區(qū)長(zhǎng)821小層變差函數(shù)設(shè)置中步長(zhǎng)取值150 m可以精細(xì)刻畫(huà)儲(chǔ)層的平面相展布特征，垂向變程分析各參數(shù)直接影響模型在垂向上的準(zhǔn)確程度。

(2)基于平面及剖面相資料建立的儲(chǔ)層三維精細(xì)地質(zhì)模型可以精細(xì)刻畫(huà)儲(chǔ)層平面及剖面特征，詳細(xì)描述儲(chǔ)層內(nèi)部隔夾層特征。由S區(qū)模型驗(yàn)證分析結(jié)果可知本次建立的儲(chǔ)層三維精細(xì)相模型與抽稀井實(shí)鉆軌跡處相模型符合率為97.0%，相模型精度高，也證實(shí)了綜合利用平面相與剖面相資料建立儲(chǔ)層地質(zhì)模型的方法切實(shí)可行。