中國石化油藏地球物理技術進展與探討

李 陽,薛兆杰

(中國石油化工股份有限公司,北京100728)

據(jù)預測,在今后較長時期內,化石能源仍將是全球一次能源消費結構的主要來源,至2050年,可再生能源占比將大幅提升,但化石能源仍將占有主體地位。

我國油氣消費仍將持續(xù)增長。據(jù)預測2030年石油需求將達到峰值,石油年均消費預計(6.64～7.00)×108t。我國天然氣的需求從2004年進入快速發(fā)展期,年均消費增速14.5%。2030年和2050年天然氣需求將分別達到6200×108m3和7000×108m3,一次能源占比分別為16.3%和17.6%。

我國油氣供給矛盾突出,油氣對外依存度不斷攀升。原油產(chǎn)量2010年突破2.00×108t,2015年達到最高2.15×108t。近年來,受低油價影響,2018年全國原油產(chǎn)量1.90×108t,但消費量達到6.48×108t, 原油對外依存度達到70.6%。2018年我國天然氣產(chǎn)量達1580×108m3,天然氣消費量達2803×108m3,對外依存度超過43.6%。我國油氣供給安全面臨重大挑戰(zhàn)。

從我國油氣勘探開發(fā)看,陸地、海上油氣勘探開發(fā)目標正面臨著從淺層向深層、由構造油氣藏向復雜巖性油氣藏轉移,面臨著深水、深層、復雜山地和復雜構造,勘探開發(fā)難度不斷增大。針對勘探地球物理技術發(fā)展,國內學者從地質、地震、測井、開發(fā)、工程等方面都進行了多角度、多層次的研究,形成了一些實用技術、特色技術。2016年,馬永生等[1]總結了中國石化高精度三維地震、逆時疊前偏移成像、地震屬性分析和地震反演技術等研究成果,介紹了這些技術在老區(qū)精細勘探和新區(qū)勘探突破中的應用效果。2018年,杜向東[2]在分析深水油氣勘探面臨問題的基礎上,總結了我國海上油氣勘探地震采集、處理解釋和開發(fā)方面的研究進展,指出海上地震勘探要圍繞物探裝備、寬頻寬方位、巖石物理實驗、多波多分量、海上時移地震等技術開展研究。2018年,甘利燈等[3]指出隨著勘探領域由構造轉向非常規(guī),針對非均質、各向異性儲層,地震巖石物理分析和高保真地震資料處理是兩個關鍵。

近年來,中國石化在油藏地球物理技術研究形成了以多尺度資料聯(lián)合高精度成像、儲層反演和油藏建模為核心的技術系列,同時結合大數(shù)據(jù)和人工智能技術,提高油藏描述精度,減少多解性,為提高油氣采收率提供技術支撐。本文主要對中國石化近年來油藏地球物理技術取得的關鍵進展進行總結,分析面臨的形勢與挑戰(zhàn),最后討論了技術發(fā)展方向。

1 油藏地球物理技術進展

油藏地球物理技術在油藏描述、動態(tài)監(jiān)測及指導石油工程優(yōu)化方面取得了顯著進展,提高了油藏工程設計的針對性,指導了石油工程的優(yōu)化,提高了效率和效果。

1.1 油藏描述技術

油藏地球物理在油藏描述中的應用總體向著更深層、更精細、更精準的方向發(fā)展,從而為油氣開發(fā)提供了重要技術手段。

1.1.1 促進深層油氣勘探開發(fā)

近年來,深層成為增儲上產(chǎn)的主要方向,在西部的海相深層和東部的陸相深層發(fā)現(xiàn)了多個大型的油氣田。我國深層由于埋藏深,地質構造復雜,儲層類型多樣,導致地震波場復雜。為了認識油藏,高效開發(fā)油氣藏,必須解決油氣藏的描述難題。油藏地球物理圍繞巖石物理分析和波場建模、地震資料處理及解釋,基礎軟件編制和應用開展了研究,形成了深層地震油藏描述技術并得到了應用。

塔河油田位于塔里木盆地,儲層為古生界碳酸鹽巖,埋深5300～6900m,是世界上最深的特大型碳酸鹽巖縫洞型油藏(圖1)[4],三級地質儲量30×108t。

圖1 世界碳酸鹽巖油藏深度統(tǒng)計

儲層由構造和巖溶作用形成的洞、縫、孔組成,以洞、縫為主,分布不連續(xù),單個縫洞規(guī)模及形態(tài)差異大。許多學者對塔河油田奧陶系巖溶分帶、縫洞結構特征及成因進行了研究[4-7]。由于縫洞發(fā)育,在縫洞發(fā)育帶鉆井、測井獲取資料難度大,地球物理成為儲層描述的主要手段,但面臨的問題是縫洞儲集體埋藏深、類型多樣,地球物理響應特征復雜,多解性強,有效儲集體識別與預測困難。通過國家“973”和重大專項等項目的研究,形成了綜合利用地震、測井和地質資料建立縫洞類型和充填物類型識別方法,研究構建了如圖2所示的縫洞儲集體識別與預測思路[4]。

圖2 縫洞儲集體識別與預測技術思路

利用物理模擬實驗對地震波場規(guī)律進行研究。研發(fā)了適用于起伏地表的模擬裝置,可以精確采集起伏地表下的地震信號,制作了不同縫洞尺度的大型地質模型。實驗結果表明,溶洞頂?shù)锥啻握{諧效應與洞壁滑行波動的合成形成溶洞的繞射波動響應,構成了地震成像體上溶洞“串珠”識別模式,15m規(guī)模的縫洞體在埋深6000m的情況下可以獲得地震響應。

在高精度成像方法方面,研發(fā)了傾角域補償繞射波分離高精度成像方法、各向異性疊前逆時深度偏移縫洞成像方法等,使成像精度由30m提高到15m,在塔河油田應用該方法后,縫洞體的識別數(shù)量增加了19.5%。

研究結果表明,“兩寬一高”地震數(shù)據(jù)的采集和成像處理是提高地震解釋可靠性的基礎[8-9]?；凇皟蓪捯桓摺钡卣饠?shù)據(jù)和OVT域五維地震資料的思想及技術是進行方位各向異性研究,提高構造解釋、地層解釋、巖性解釋、流體識別、裂縫預測和地應力研究等解釋精度和準確性的有效措施[10]。

形成了不同尺度溶洞和裂縫的解釋方法。通過地震屬性分析,建立了不同尺度斷裂-裂縫預測技術,對于大尺度斷裂帶,基于地震數(shù)據(jù)進行綜合刻畫;對于中尺度斷裂(褶曲),采用曲率螞蟻體剖面進行識別,相對于傳統(tǒng)螞蟻體剖面該方法識別精度更高;對于小尺度裂縫(同相軸伸展),采用最大似然體識別。

對于溶洞,采用邊緣濾波屬性刻畫邊界,強振幅聚類與阻抗反演描述形體,分頻偏移刻畫小尺度溶洞;采用小波分尺度曲率屬性,結合最大似然屬性刻畫不同級別裂縫;采用多屬性的神經(jīng)網(wǎng)絡,通過井樣本點學習,將反映不同類型的縫洞屬性綜合起來,有效地確定縫和洞之間合理的匹配關系。

從開發(fā)角度分析,不僅要找到縫洞,還要識別有效的縫洞,是否有效關鍵在于充填。基于貝葉斯反演實現(xiàn)了暗河縫洞體內部充填類型表征,使地震預測與測井解釋吻合率達85.3%[11]。

1.1.2 提高儲層描述精度

利用開發(fā)井形成的密井網(wǎng)資料約束進行儲層三維空間精細描述已經(jīng)成為提高描述精度的有效方法,主要包括有效拓展頻寬、多尺度資料聯(lián)合反演、條件遞推建模及模型實時更新技術。

通過井控提高地震分辨率,采用多尺度聯(lián)合反演精細刻畫薄儲層三維空間形態(tài),確定縫洞縱向疊置關系和橫向連通性。充分利用測井資料的高頻信息,對地震資料進行高頻補償,高保真地提高地震資料的地質分辨能力。如圖3所示,經(jīng)井控約束地震資料處理提高分辨率后,優(yōu)勢頻帶拓寬15～20Hz,波組特征更清楚,能夠準確識別出砂體的頂?shù)走吔纭?/p>

研發(fā)了多尺度聯(lián)合儲層反演技術,充分聯(lián)合測井資料垂向高分辨率優(yōu)勢和三維地震數(shù)據(jù)橫向分布廣的優(yōu)勢,基于貝葉斯融合理論,多資料聯(lián)合提高儲層反演精度。圖4對比了常規(guī)反演結果與多尺度聯(lián)合反演結果,縱向分辨薄層能力由8～10m提高至2～3m;橫向分辨能力得到提高,儲層展布關系清晰。

研發(fā)了條件遞推油藏儲層建模技術,提高了模型精度。綜合利用巖心、測井、井中地震、井間地震、3D地震資料,針對這些資料縱向上分辨率不一致、橫向上覆蓋范圍差異大的問題,采用條件遞推隨機建模方法,同時結合油藏動態(tài)資料修正,提高地質模型的精度和可靠性。圖5對比了稀疏脈沖反演波阻抗剖面和條件遞推孔隙度模型剖面,對3口抽稀井的統(tǒng)計可知,后者儲層吻合率達91%。

圖3 井控約束前(上)、后(下)地震資料處理結果

圖5 稀疏脈沖反演波阻抗剖面(a)和條件遞推孔隙度模型剖面(b)的對比

研發(fā)了油藏模型最優(yōu)化實時更新技術。根據(jù)對構造、儲層、流體的新認識,對油藏模型進行局部快速、準確更新,無需推倒重建,實現(xiàn)了油藏三維時空域建模。通過斷層快速建模方法確定更新區(qū)域,采用構造局部變形更新方法進行局部模型實時更新,利用物性新資料匹配局部更新方法實現(xiàn)與大模型的無縫融合。

1.2 流體動態(tài)監(jiān)測技術

1.2.1 時移地震剩余油分布預測技術

時移地震在國外油公司海上油氣開發(fā)中的應用取得了較好的效果,但在陸上油田中,由于地表條件變化、天氣變化、采集儀器更新、觀測系統(tǒng)改進等影響,以及我國陸相沉積油藏井段長、砂泥巖互層的特點,所以應用難度較大。

將陸地不同時期采集的地震數(shù)據(jù),經(jīng)過歸一化處理,找出差異。以油藏數(shù)值模擬技術為橋梁,融合時移地震差異數(shù)據(jù)與開發(fā)靜動態(tài)信息,發(fā)揮井信息的確定性和時移地震高空間采樣的優(yōu)勢,形成了基于油藏數(shù)值模擬的時移地震綜合解釋技術,如圖6。

圖6 基于油藏數(shù)值模擬的時移地震綜合解釋技術流程

以單56稠油區(qū)時移地震應用為例。該區(qū)塊1991年采集了三維地震數(shù)據(jù),2010年又重新采集了三維地震資料。該區(qū)塊于2000年投入開發(fā),井距200m×140m,2007年主體部位加密為小井距:140m×100m,采用圖6所示的技術流程形成了時延地震差異屬性(圖7),基于時延地震研究發(fā)現(xiàn)剩余油富集區(qū)塊2個,如圖中黑虛線所示范圍,合計面積0.78km2,預測石油地質儲量367×104t。該技術的廣泛應用,使得永55、永3、高氣7等區(qū)塊均取得了好的效果。

圖7 單56區(qū)塊時延地震差異屬性

1.2.2 粘彈介質地震流體識別技術

疊后反演適于聲波介質,實現(xiàn)縱波阻抗反演;疊前反演適于彈性介質,實現(xiàn)縱橫波速度、密度反演;粘彈性反演適于粘彈性介質,能夠跨尺度表征,實現(xiàn)吸收衰減、流體因子、速度頻散等流體預測,大幅度提高流體預測的精度。在常規(guī)地震反演基礎上,針對地下介質粘彈性特征,基于粘彈介質地震波傳播理論,探索研發(fā)了粘彈介質地震流體識別技術。

以青南萊87區(qū)塊應用研究為例,采用不同方法對青南西次洼沙四純上6砂組進行處理。圖8a為采用某商業(yè)軟件處理的疊前反演縱橫波速度比預測結果,預測符合率為66.2%。圖8b為采用粘彈流體因子預測的結果,預測符合率達73.4%。頻變粘彈流體因子反演能區(qū)分油、水層,刻畫油層變化并分析產(chǎn)能,在探明儲量區(qū)塊西邊發(fā)現(xiàn)一有利儲集區(qū),部署了L87-X31井,獲得了高產(chǎn)。

1.3 在石油工程中的應用

1.3.1 微地震壓裂監(jiān)測技術

微地震技術已廣泛應用于監(jiān)測水力壓裂巖石破裂產(chǎn)生的震動,描述裂縫展布情況,評價壓裂體積和效果,指導壓裂方案優(yōu)化調整。目前已經(jīng)研究形成微地震專業(yè)設備及觀測技術、微地震核心處理解釋方法及一體化軟件系統(tǒng)。

以涪陵頁巖氣微地震壓裂監(jiān)測為例。焦頁48(JY48)平臺微地震監(jiān)測事件密度體、波及特征俯視結果如圖9所示,平均單段壓裂縫長246～319m。壓裂后模擬縫縱向上波及小層平面分布見圖10,微地震監(jiān)測結果表明:礁石壩區(qū)塊縱向上主要動用①～⑤小層,壓后模擬結果表明裂縫縱向上延伸在①～⑤小層以內,僅局部延伸到⑥、⑦小層;600m井距生產(chǎn),平面上兩口井中間地質儲量動用不充分,為頁巖氣的立體開發(fā)方案調整提供了依據(jù)。

圖8 采用某商業(yè)軟件的疊前反演縱橫波速度比預測(a)和粘彈流體因子預測(b)結果的對比

圖9 焦頁48(JY48)平臺微地震監(jiān)測事件俯視結果

圖10 壓裂后模擬縫縱向上波及小層平面分布

另外,在鹽227井工廠微地震壓裂監(jiān)測中,微地震監(jiān)測結果與壓裂施工曲線有較好的對應關系。儲層壓裂改造體積(SRV)達425×104m3,顯示了較好的壓裂效果。

1.3.2 隨鉆地震技術

隨鉆地震技術(DB-SWD)是以鉆頭破巖振動作為震源,地震檢波器記錄并獲取VSP或逆VSP數(shù)據(jù)的技術。主要優(yōu)點在于:①實現(xiàn)鉆前預測,實時確定鉆頭在地震剖面上的位置,減小深度不確定性,對鉆探過程實時監(jiān)控,減少鉆探風險;②不影響鉆井作業(yè),無檢波器下井風險,深度方向可以連續(xù)測量,勘探效率高;③地震波近單程傳播,實時性好。目前國內外許多油公司都在研究此項技術。

我們也開展了隨鉆地震試驗,并在官130井層速度求取中進行了實際應用。鉆頭深度2476～3286m,可預測鉆頭前方200m的地層。如圖11所示,目的層③的設計深度為3030m,隨著鉆探加深,對鉆頭前方目的層深度逐步進行修正,滿足實時預測鉆頭前方目的層深度要求。與測井對比,主要目的層對應關系較好(圖12)。

圖11 目的層深度的修正

圖12 隨鉆地震層速度與測井聲波速度(a)以及實測與預測密度(b)的對比

對比隨鉆地震層速度與測井聲波速度發(fā)現(xiàn),兩者吻合率高,預測地層壓力與實測地層壓力相比,精度滿足施工要求,也可實時調整導向鉆井及工程參數(shù)、鉆井軌跡等。

2 油藏地球物理技術面臨的挑戰(zhàn)

2.1 開發(fā)對象日趨復雜

2.1.1 深層成為增儲上產(chǎn)的主要方向,新增儲量品位下降

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展以及國際形勢的不穩(wěn)定,要保證我國原油產(chǎn)量的穩(wěn)定性,天然氣要實現(xiàn)快速發(fā)展,以保障國家能源的安全供應。深層超深層、深水及非常規(guī)油氣正成為增儲上產(chǎn)的主要方向。隨著勘探開發(fā)對象日趨復雜(由簡單圈閉走向復雜圈閉,如前陸沖斷帶油氣藏;由淺層陸相走向深層海相,如深層碳酸鹽巖、火山巖油氣藏;由近海淺水走向海洋深水,如海洋深水油氣藏;由常規(guī)油氣走向非常規(guī)油氣,如頁巖油氣、煤層氣等),認識和開發(fā)的難度也在日益加大。

深層資源成為增儲上產(chǎn)的主要領域。我國西部盆地多為疊合盆地,深層沉積厚度大,發(fā)育多套烴源巖層系及油氣成藏組合;東部斷陷盆地潛山發(fā)育,具有繼續(xù)發(fā)現(xiàn)大型油氣田的條件。據(jù)原國土部資料,全國深層-超深層石油地質資源量約占全國石油地質總量的21%,探明程度僅13%,待探明地質資源量占全國待探明石油資源的26%。全國深層常規(guī)天然氣地質資源量占全國的55%,探明程度10%,剩余地質資源量占待探明資源的56%。全國頁巖氣資源豐富,其中四川盆地及其周緣地質和可采資源量分別占全國的52.4%和51.7%。中國石化四川盆地及其周緣地區(qū)頁巖氣地質資源量中,3500m以淺、深層頁巖氣的占比為30%、70%。

探明儲量中,低品位資源占比不斷增加。我國歷年新增探明地質儲量中,低滲透、低豐度、非常規(guī)等難以動用儲量比例顯著增高,低滲-特低滲占新增儲量65%以上(圖13)。探明未動用油由2010年的65×108t上升到2016年的72×108t,新建產(chǎn)能由1988×104t下降到1459×104t。

圖13 低滲-特低滲石油、天然氣地質儲量歷年占比

2.1.2 老油田開發(fā)提高采收率難度大

作為產(chǎn)量主體的中高滲油田全面進入特高含水期,采收率低。中石化2017年動用石油儲量31×108t,平均采收率僅為22.4%。由于老油田含水高,剩余油分布零散,提高采收率難度大(表1)。問題的關鍵是怎樣提高剩余油分布識別和描述的精度。

2.2 油藏地球物理的技術挑戰(zhàn)

油田的復雜性對油氣藏描述的精度提出了更高的要求,因此油藏地球物理技術面臨更多的挑戰(zhàn)。從基礎研究看,面臨著兩個科學問題:一是如何提高分辨率？提高縱橫向分辨率和信噪比是關鍵(從數(shù)學分析看,縱向分辨率可以實現(xiàn)層的無限細分,但實際的地震資料存在局限性);二是地震信息是地質體的綜合反映,每一個信息的地質意義是什么,這需要不斷地深入研究。

在技術方法方面,要不斷提高儲層連通性和流體的識別和描述,即儲層、隔層、斷層的描述,流體的分布和流動性的描述,精度上實現(xiàn)定量化和半定量化的評價,既反映其宏觀規(guī)律,又可以實現(xiàn)微觀結構尺度和精度的統(tǒng)一性。為開發(fā)工程提供更加準確的目標,進一步提高效率,降低成本。

表1 中石化不同類型油藏水驅儲量統(tǒng)計

3 關于技術發(fā)展的探討

面對油藏地球物理的挑戰(zhàn)和開發(fā)的需求,為實現(xiàn)降本增效目標,應注重4個方面的研究:①研發(fā)更高精度的儀器設備,實現(xiàn)地球物理資料的高精度、高效采集;②加強油藏參數(shù)與地球物理的融合,實現(xiàn)地震數(shù)據(jù)、隨鉆測量、開發(fā)過程中的全方位、高精度、自動化、實時采集,提高建模精度;③挖掘數(shù)據(jù),研發(fā)基于物理和數(shù)據(jù)驅動相結合的預測方法,減少不確定性;④研發(fā)高密度、大信息量、采集處理解釋的集成一體化平臺。

針對薄層、薄互層難題,發(fā)展“兩高一寬”的地震采集新技術、儲層和流體直接反演技術、地震解釋和油藏建模一體化技術、油藏動態(tài)監(jiān)測技術,針對非常規(guī)油氣藏,工程甜點主要局限于實驗室數(shù)據(jù)的狀況,要發(fā)展對紋層發(fā)育頁巖、薄層韻律的識別和描述技術。以下關鍵技術的研發(fā)是重點。

3.1 井中高精度地震技術

針對東部成熟探區(qū)精細勘探開發(fā)對地震資料的高分辨率需求和地表采集條件越來越復雜的難題,綜合井中(井間地震和VSP技術)、地面地震各自優(yōu)勢,依據(jù)“多道少炮,以炮代道”原則,研發(fā)井中激發(fā),地面三維高密度檢波器接收的井中三維高精度地震技術,形成高分辨率的可用于地震油藏動態(tài)監(jiān)測新技術。二者如何聯(lián)合采集、聯(lián)合處理,是下一步的主要研究方向。

3.2 地震解釋、地質建模、油藏工程一體化平臺

構建地震解釋、地質建模一體化平臺,實現(xiàn)地震綜合解釋、油藏建模、油藏數(shù)值模擬和開發(fā)方案一體化,提供一套完整的從勘探到開發(fā)、油田地質與工程一體化解決方案,實現(xiàn)多學科、多鏈條的無縫連接與高效協(xié)同。

3.3 石油工程地球物理關鍵技術

巖石力學與地應力參數(shù)是油氣勘探、開發(fā)、鉆井及石油工程的重要依據(jù),要不斷利用地球物理信息,提高巖石力學參數(shù)模型、壓力剖面預測的精度,為優(yōu)化鉆井、完井與石油工程方案,提高工程效率、降低作業(yè)成本及風險提供依據(jù)。

3.4 隨鉆地震技術

隨鉆地震技術目前面臨如下3個問題。①信噪比極低;鉆頭破巖時的振動能量太小,井場噪聲強。②提高信噪比的處理方法應用效果不佳:震源特征未知并隨時間而變;經(jīng)由鉆柱傳播的鉆頭信號被強烈改造,源信號特征恢復非常困難;采集的信號中混有相同頻帶或相關噪聲。③數(shù)據(jù)處理要求高:隨鉆地震鉆井工程應用模型開發(fā)難度大;難以實現(xiàn)隨鉆地震實時快速處理。未來的研究方向主要集中于:識別有效信號與提高信噪比,提高鉆前地層成像和描述的精度,提高實時性。

3.5 人工智能油藏地球物理技術

在目前人工智能技術快速發(fā)展的背景下,面對老區(qū)海量的多尺度地震數(shù)據(jù)、井資料和開發(fā)動靜態(tài)數(shù)據(jù),迫切需要在油藏地球物理技術基礎上,融入人工智能新技術,實現(xiàn)油藏地球物理智能化發(fā)展,大幅度、高效率提高油藏描述精度和剩余油預測水平。今后應在以下5方面重點開展研究:①模式識別構造精細刻畫技術;②深度學習的井震儲層精細描述技術;③人工智能剩余油分布預測技術;④基于大數(shù)據(jù)的油藏綜合建模技術;⑤開發(fā)方案智能優(yōu)化調整與決策技術。

4 結束語

我國油氣藏類型多樣,地質條件復雜,開發(fā)難度大。油藏地球物理技術已經(jīng)成為認識油藏、開發(fā)油藏、改造油藏,提高采收率不可缺少的技術手段,在加強已有技術應用的同時,需要進一步加強油藏地球物理技術的理論和技術攻關,實現(xiàn)技術新突破,提升解決復雜問題的能力和物探技術服務水平,為油氣高效開發(fā)提供有力的技術支撐。