基于多尺度融合的巨厚復(fù)雜裂縫性儲層精細(xì)表征*

徐 靜 霍春亮 葉小明 黨勝國 王鵬飛

(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院 天津 300459)

裂縫儲層油氣產(chǎn)量占國內(nèi)石油天然氣產(chǎn)量的一半以上，是21世紀(jì)石油增儲上產(chǎn)的重要領(lǐng)域之一[1]。近些年來，潛山裂縫油氣藏已逐漸成為了國內(nèi)外石油地質(zhì)家尋找新油氣田的一個(gè)重要勘探開發(fā)領(lǐng)域[2]，發(fā)現(xiàn)的裂縫油氣儲量逐年增加。潛山變質(zhì)巖油氣藏具有復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)和儲集空間，儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，這是該類儲層預(yù)測和表征的關(guān)鍵，也是難點(diǎn)所在。一直以來，裂縫儲層精細(xì)描述都是業(yè)界難題[3]。

裂縫型儲層建模旨在表征儲層基質(zhì)與裂縫的幾何形態(tài)、物性參數(shù)在三維空間的分布，定量刻畫不同介質(zhì)的流動(dòng)特征。對于裂縫的表征主要有隨機(jī)方法和確定性方法[4]，常用的方法是離散裂縫網(wǎng)絡(luò)法(Discrete Fracture Network，簡稱DFN)[5]，該方法能綜合井點(diǎn)、測井及地震多方面資料進(jìn)行模擬，用離散面元來表征裂縫的分布，具有很好的適用性。但受限于常規(guī)網(wǎng)格剖分的制約[6]，該方法需要將所有尺度裂縫粗化計(jì)算成網(wǎng)格連續(xù)屬性，難以反映裂縫網(wǎng)絡(luò)的滲流非均質(zhì)性，且無法真實(shí)反應(yīng)裂縫引起的竄流等開發(fā)現(xiàn)象。生產(chǎn)實(shí)踐表明，不同尺度裂縫對低滲油氣藏的作用和滲流影響明顯不同，大尺度裂縫(主要指斷層級別裂縫)滲透率遠(yuǎn)大于基質(zhì)[7]，更容易引起油氣水竄流，直接影響開發(fā)效果；小尺度裂縫(主要指巖心級別裂縫)主要增加儲集空間，滲透率通常較??；中尺度裂縫(介于大小尺度裂縫之間)決定了儲層的整體滲流能力。傳統(tǒng)的裂縫儲層表征方法已不能滿足精細(xì)研究和高效開發(fā)需要，建立反映不同尺度裂縫滲流特征的地質(zhì)模型面臨諸多挑戰(zhàn)。

針對BZ潛山氣藏儲層強(qiáng)非均質(zhì)性特征和開發(fā)難度大的問題，應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，類比研究露頭裂縫分布；結(jié)合地震、巖心多尺度資料，研究不同尺度裂縫發(fā)育規(guī)律。針對不同尺度裂縫特征，探索分尺度建立離散裂縫網(wǎng)絡(luò)方法，分別建立大、中、小不同尺度裂縫網(wǎng)絡(luò)模型并實(shí)現(xiàn)耦合。

1 研究區(qū)概況

BZ氣田位于渤中凹陷西南部，是被走滑斷層及其派生斷層復(fù)雜化的具有背斜特征的斷塊構(gòu)造，具有雙洼供烴優(yōu)勢，且受大型走滑斷層影響，長期活動(dòng)斷層及其派生斷層發(fā)育，區(qū)域成藏位置有利。主力層位為受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響的新太古界潛山，被斷層切割成多塊，研究區(qū)4井區(qū)(包含4井和7井)為被南北向走滑斷層切割的西側(cè)構(gòu)造高部位主體區(qū)，發(fā)育巨厚變質(zhì)巖儲層，鉆探厚度近1 000 m，縱向上呈砂礫巖、風(fēng)化帶、內(nèi)幕的分帶模式，儲層連通性較好。目標(biāo)區(qū)儲層具有裂縫發(fā)育且多尺度共存、非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，裂縫以中高角度為主，線密度主要為5～10條/m。儲集空間多樣，以裂縫-孔隙型和孔隙-裂縫型為主，儲層總體呈低孔低滲特征，平均孔隙度為4.3%；風(fēng)化帶經(jīng)長期風(fēng)化淋濾，溶孔洞和裂縫較發(fā)育，平均裂縫滲透率為2.6 mD；內(nèi)幕帶構(gòu)造裂縫較發(fā)育，平均裂縫滲透率為2.1 mD。儲層內(nèi)部滲流主要通過裂縫溝通，開展分尺度的裂縫預(yù)測及精細(xì)裂縫儲層表征研究,對氣藏?cái)?shù)值模擬研究及方案制定具有重要意義。

2 多尺度裂縫發(fā)育規(guī)律研究

要建立精細(xì)的三維地質(zhì)模型，首先要研究裂縫儲層發(fā)育規(guī)律。其難點(diǎn)和關(guān)鍵是在裂縫定量描述基礎(chǔ)上，確定儲層成因機(jī)制和分布規(guī)律，預(yù)測井間裂縫的分布。筆者調(diào)研國內(nèi)外文獻(xiàn)、資料，通過不同規(guī)模資料觀測裂縫特點(diǎn)，采用類比方法，精細(xì)描述相似露頭資料，運(yùn)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，研究不同尺度裂縫分布規(guī)律，定量預(yù)測裂縫。

2.1 多尺度裂縫描述

2.1.1大尺度裂縫識別

地震信息中包含著大量的斷裂以及裂縫信息，是最常用的宏觀裂縫預(yù)測資料?；诘卣饠?shù)據(jù)的裂縫預(yù)測方法較多，螞蟻?zhàn)粉櫡椒ㄊ且环N較新的算法，可自動(dòng)識別和提取地震屬性中的不連續(xù)信息。

根據(jù)不同資料觀測的裂縫規(guī)模及其滲流特征，將地震屬性能識別的斷層級別的裂縫劃分為大尺度裂縫，長度通常大于200 m，其空間延伸范圍較大，并且在地震資料上有較好的響應(yīng)特征。鉆井很難鉆遇該級別的裂縫，因此主要通過疊后地震資料識別，同時(shí)根據(jù)裂縫的伴生性，結(jié)合井點(diǎn)成像測井資料的小尺度裂縫走向信息對大尺度裂縫的研究成果進(jìn)行驗(yàn)證。

分析不同地震屬性，優(yōu)選方差體屬性開展螞蟻體追蹤識別。根據(jù)地震分辨率，提取螞蟻體裂縫片及優(yōu)勢裂縫帶，認(rèn)為研究區(qū)主要發(fā)育北北西向、近東西向、北東東向3組裂縫，所得認(rèn)識與構(gòu)造解釋的斷層具有較好的一致性(圖1)。數(shù)字化描述螞蟻體追蹤的裂縫長度及走向等信息，分析其分布規(guī)律。

圖1 BZ氣田4井區(qū)解釋斷層和螞蟻體結(jié)果對比Fig.1 Interpretation of faults and comparison of ant result in 4 well area of BZ gas field

2.1.2小尺度裂縫描述

選取典型巖心剖面進(jìn)行精細(xì)測量與描述，數(shù)字化裂縫信息，統(tǒng)計(jì)實(shí)際氣田小尺度裂縫參數(shù)特征。圖2a為研究區(qū)7井巖心剖面裂縫描述結(jié)果，對巖心剖面上裂縫進(jìn)行數(shù)字化發(fā)現(xiàn)，該井區(qū)主要發(fā)育北北西向、北東向兩組裂縫。作裂縫長度與累積頻率圖版，統(tǒng)計(jì)分析裂縫參數(shù)分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)巖心級別的小尺度裂縫長度符合冪函數(shù)分布[8]，指數(shù)接近2(圖2b)。

圖2 研究區(qū)7井典型巖心剖面裂縫描述和裂縫長度分布Fig.2 Fracture description map of typical section and Statistics of fracture length distribution in Well 7 of the study area

2.1.3中尺度裂縫描述

各項(xiàng)資料研究表明，實(shí)際氣田儲層除了發(fā)育斷層級別大尺度裂縫和巖心級別小尺度裂縫，還有更多的介于這兩種規(guī)模之間的裂縫，這些中間尺度的裂縫到底如何分布、有沒有規(guī)律可尋，沒有實(shí)際的資料可直接精細(xì)研究，如何實(shí)現(xiàn)定量預(yù)測，這是目前裂縫研究的難題和關(guān)鍵。筆者提出類比分析思路，首先對多個(gè)相似露頭中尺度裂縫進(jìn)行精細(xì)描述，再運(yùn)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析露頭裂縫發(fā)育規(guī)律，間接預(yù)測氣田4井區(qū)中間尺度裂縫。

依據(jù)露頭研究選擇原則：相似性、典型性、代表性和系統(tǒng)性，選擇秦皇島聯(lián)峰山、北戴河海濱等多個(gè)露頭進(jìn)行觀測研究，該出露地層構(gòu)造上位于燕山褶皺帶東段山海關(guān)臺拱區(qū)東緣，緊鄰渤海灣盆地邊緣，主要發(fā)育混合花崗巖，與BZ凝析氣田太古界潛山在巖性、形成時(shí)代、構(gòu)造位置、構(gòu)造發(fā)育背景上均相同或相似。根據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)樣本選取要求，對秦皇島地區(qū)3個(gè)區(qū)域(聯(lián)峰山、小東山、老虎石等)典型觀測點(diǎn)的裂縫露頭進(jìn)行詳細(xì)觀察與測量。定量描述裂縫發(fā)育規(guī)律和裂縫參數(shù)，總結(jié)關(guān)鍵參數(shù)(裂縫長度、密度分布)的規(guī)律，并類比研究目標(biāo)氣田的裂縫發(fā)育規(guī)律。

選取聯(lián)峰山神山露頭太古界基巖的1個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行觀察與測量，對露頭照片上的裂縫進(jìn)行數(shù)字化描述(圖3a)，統(tǒng)計(jì)分析裂縫長度等參數(shù)?？傮w看，主要發(fā)育北北西向、北東向兩組裂縫，發(fā)育較為穩(wěn)定，長度延伸較長。作裂縫長度與累積頻率的交會圖，分析裂縫規(guī)模分布規(guī)律[8-9]，發(fā)現(xiàn)也遵循冪律分布且指數(shù)為2(圖3b)。

圖3 聯(lián)峰山神山露頭照片數(shù)字化裂縫描述及露頭裂縫長度分布統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Digital fracture of Shenshan outcrop photos of Lianfeng mountain and distribution statistics of outcrop fracture length

2.2 各尺度裂縫長度發(fā)育規(guī)律分析

在通過油田地震數(shù)據(jù)螞蟻體、巖心和相似露頭等資料精細(xì)描述大、中、小不同尺度裂縫基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將不同資料描述的裂縫長度進(jìn)行歸一化，研究油田各尺度裂縫長度發(fā)育規(guī)律。

首先將螞蟻體識別的大尺度裂縫長度等參數(shù)進(jìn)行精細(xì)測量，統(tǒng)計(jì)氣田斷層級別大尺度裂縫長度分布，研究表明大尺度裂縫同樣遵循冪函數(shù)分布(圖4)。

圖4 研究區(qū)不同尺度裂縫長度分布統(tǒng)計(jì)圖版Fig.4 Statistical plates of fracture length distribution of the study area

進(jìn)一步選擇10個(gè)秦皇島地區(qū)的典型露頭剖面數(shù)字化描述中尺度裂縫分布并歸一化，總結(jié)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)裂縫的長度均符合冪律分布，且其指數(shù)均為2左右。

為了驗(yàn)證露頭資料統(tǒng)計(jì)的中間尺度裂縫發(fā)育規(guī)律能否適用于BZ氣田潛山裂縫儲層，將其與氣田巖心小尺度裂縫、大尺度裂縫長度數(shù)據(jù)歸一化到一個(gè)圖版中(圖4)，不同規(guī)模資料統(tǒng)計(jì)的不同尺度裂縫均符合冪律定律，且指數(shù)基本一致(為2左右)。有了這個(gè)多尺度裂縫長度分布規(guī)律圖版，可實(shí)現(xiàn)氣田各級尺度裂縫規(guī)模發(fā)育頻率的預(yù)測。

3 分尺度裂縫儲層精細(xì)表征

由于BZ氣田4井區(qū)規(guī)模大，斷裂系統(tǒng)非常復(fù)雜，四期不同類型斷裂相互交切；且垂向儲層段跨度大，給構(gòu)造建模和裂縫表征帶來了巨大挑戰(zhàn)。采用Petrel與RMS結(jié)合，利用Petrel軟件的靈活、方便性，以及RMS的 “改進(jìn)二叉樹”算法處理復(fù)雜斷層交切關(guān)系等優(yōu)勢，通過多方法交互，精細(xì)建立能真實(shí)反映區(qū)塊復(fù)雜斷裂關(guān)系的構(gòu)造框架模型。

天然裂縫的發(fā)育具有多尺度性，不同尺度的裂縫物性特征差異大，因此對裂縫進(jìn)行分尺度表征很重要?；谏鲜隽芽p長度分布規(guī)律認(rèn)識，結(jié)合地震、成像測井、薄片、試井等資料，綜合研究裂縫分布，采用多屬性分級約束、分尺度的方法構(gòu)建4井區(qū)裂縫儲層模型。

3.1 基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的大尺度裂縫“真實(shí)”表征

基于斷層和螞蟻體識別提取的大尺度裂縫信息，結(jié)合井點(diǎn)傾角與斷層斷距分析，將對油氣滲流起關(guān)鍵作用的部分大裂縫采用確定性建模方法，建立離散裂縫模型。分析裂縫系統(tǒng)等關(guān)鍵地質(zhì)特征無法精細(xì)表征的根源是受網(wǎng)格的制約，多方調(diào)研并深入研究網(wǎng)格剖分方法，引入非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分技術(shù)，充分發(fā)揮靈活性優(yōu)勢[10-11]，以大尺度裂縫的真實(shí)產(chǎn)狀為硬數(shù)據(jù)約束網(wǎng)格剖分，用能實(shí)現(xiàn)任意走向的三棱柱面準(zhǔn)確刻畫裂縫，實(shí)現(xiàn)大尺度裂縫真實(shí)表征(圖5)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的裂縫長度與開度的關(guān)系，采用立方定律計(jì)算每條離散裂縫的屬性。

圖5 BZ氣田4井區(qū)大尺度裂縫表征Fig.5 Large-scale fracture characterization in 4 well area of BZ gas field

3.2 基于離散裂縫網(wǎng)絡(luò)的中小尺度裂縫表征

中間尺度裂縫的長度分布規(guī)律已由露頭和巖心描述獲得，由于該尺度裂縫數(shù)量巨大，形態(tài)不確定，相對于氣田尺度較小，無法用確定性方法表征，采用基于離散裂縫網(wǎng)絡(luò)(DFN)的雙重介質(zhì)方法表征。由于研究區(qū)潛山垂向發(fā)育儲層段厚度大，風(fēng)化帶與內(nèi)幕儲層差異較大，提出“平面分區(qū)、垂向分層”的方法分別建立各層段的裂縫模型。

對于風(fēng)化帶儲層，研究發(fā)現(xiàn)橫波阻抗數(shù)據(jù)能較好地反映裂縫發(fā)育帶[12]，因此基于成像測井?dāng)?shù)據(jù)，橫波阻抗體約束建立密度體，結(jié)合長度冪函數(shù)規(guī)律建立離散裂縫模型。內(nèi)幕帶由于埋藏更深、影響因素多，地震資料分辨率下降；針對構(gòu)造這個(gè)主控因素，精細(xì)研究曲率與儲層的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在4井區(qū)曲率體屬性能較好地反映裂縫發(fā)育趨勢，可用來約束建立內(nèi)幕裂縫密度體，從而彌補(bǔ)了內(nèi)幕儲層認(rèn)識不清的難題。同樣結(jié)合裂縫長度規(guī)律、成像測井等參數(shù)約束建立中小尺度離散裂縫模型(圖6a)。采用oda方法粗化計(jì)算雙重介質(zhì)裂縫孔隙度、滲透率等屬性，其中裂縫平均滲透率為2.3 mD(圖6b)，多屬性約束建立的裂縫屬性模型能較好地反映儲層平面非均質(zhì)性。

圖6 BZ氣田4井區(qū)中小尺度裂縫離散模型與滲透率屬性模型Fig.6 Medium and small scale fracture discrete model and permeability model in 4 well area of BZ gas field

3.3 內(nèi)幕裂縫帶儲層基質(zhì)系統(tǒng)表征方法

BZ氣田潛山鉆遇儲層段厚度大，據(jù)探井統(tǒng)計(jì)，潛山鉆遇地層厚度為156～953 m。綜合地質(zhì)、測井研究，潛山發(fā)育似層狀結(jié)構(gòu)，由頂面往下依次劃分為砂礫巖、風(fēng)化殼以及內(nèi)幕裂縫帶，儲集類型多樣，以孔隙-裂縫型儲層為主。但隨著埋藏深度的增加，內(nèi)幕帶儲層下部，由于幾乎不受風(fēng)化作用改造，儲層以裂縫型儲層為主，據(jù)數(shù)字巖心研究，基質(zhì)中孔隙很少。該類型儲層由于鉆遇井資料很少，地震分辨率不夠，缺乏約束的資料，其內(nèi)幕儲層表征具有巨大挑戰(zhàn)，特別是對于基質(zhì)儲層表征沒有可靠方法。

通過精細(xì)研究微觀基質(zhì)儲集空間類型，明確該類型基質(zhì)屬于微裂縫型基質(zhì)，且以微裂縫為主要的儲集和滲流通道。在微觀滲流機(jī)理研究基礎(chǔ)上，基于裂縫長度發(fā)育的冪定律，微觀尺度的裂縫是大量存在的，而且它對于氣藏的主要貢獻(xiàn)在于改善儲集空間，因此它的最終目標(biāo)是等效到基質(zhì)中。依據(jù)小尺度等效表征方法的思路，提出基于微、小裂縫(下文統(tǒng)稱小)等效的基質(zhì)表征新方法。以小尺度裂縫參數(shù)和冪函數(shù)約束，曲率體約束趨勢，采用DFN方法模擬，實(shí)現(xiàn)小尺度離散裂縫表征。結(jié)合數(shù)字巖心研究，采用基于流動(dòng)模擬的方法，模擬小尺度裂縫的等效屬性，實(shí)現(xiàn)裂縫型內(nèi)幕儲層的基質(zhì)屬性等效表征。

3.4 基質(zhì)、多尺度裂縫系統(tǒng)耦合

建立好各尺度裂縫和基質(zhì)模型后，如何表征它們之間的流體交換，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的耦合，這也是分尺度裂縫儲層表征的關(guān)鍵和面臨的難題。油藏流動(dòng)問題和其他實(shí)際物理模型一樣，控制方程比較復(fù)雜，通常很難求出解析解。采用基于聯(lián)通表的離散裂縫數(shù)值模擬方法，用聯(lián)通表的形式來刻畫非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格之間的傳導(dǎo)率[11]。將雙重介質(zhì)屬性映射到非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中，基于聯(lián)通表方法表征基質(zhì)與大尺度離散裂縫、雙重介質(zhì)裂縫間的傳導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)裂縫系統(tǒng)與基質(zhì)間的耦合表征(圖7)。

圖7 BZ氣田4 井區(qū)多尺度裂縫與基質(zhì)耦合模型Fig.7 Fracture permeability model of 4 well area in BZ gas field

裂縫儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，屬性不確定性大，除了綜合多項(xiàng)靜態(tài)資料精細(xì)刻畫，還需結(jié)合動(dòng)態(tài)資料校驗(yàn)裂縫模型。本文建立的裂縫模型平均滲透率為2.3 mD，4井的試井解釋滲透率為2.6 mD，結(jié)合類比法，初步驗(yàn)證了所建裂縫模型的可靠性。

4 模型應(yīng)用

應(yīng)用多方法融合的分尺度裂縫儲層網(wǎng)格和屬性模型，整理氣藏參數(shù)和DST測試數(shù)據(jù)，構(gòu)建氣藏?cái)?shù)值模擬模型，并進(jìn)行4井DST擬合，定產(chǎn)量條件下模型擬合壓差與測試壓差符合率較高(圖8)，達(dá)98%。

圖8 BZ氣田4井DST壓力擬合曲線Fig.8 DST pressure fitting curve of well 4 in BZ gas field

基于多尺度融合的模型更能反應(yīng)裂縫儲層的強(qiáng)非均質(zhì)性，特別對中后期大尺度裂縫引起的氣竄現(xiàn)象能更好地反映，降低開發(fā)方案風(fēng)險(xiǎn)。在此基礎(chǔ)上，開展了氣田敏感性分析，井型井網(wǎng)優(yōu)化、衰竭和注氣等開發(fā)方式的數(shù)值模擬優(yōu)選，提出并制定了“冬季采氣，夏季回注，先衰竭后注氣”的循環(huán)注氣策略。依據(jù)潛山物性及裂縫分布影響，采用不規(guī)則井網(wǎng)設(shè)計(jì)7口井，井距約1 000～1 400 m。通過多方案數(shù)值模擬比選，制定出先構(gòu)造低部位注氣后高部位注氣、回注率為1.0、季節(jié)調(diào)峰的方案，預(yù)測天然氣采收率為59.6%，凝析油采收率為29.8%。

5 結(jié)論

1) 應(yīng)用類比和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，確定BZ氣田潛山儲層不同尺度(大、中、小尺度)裂縫規(guī)模與發(fā)育頻率的冪函數(shù)關(guān)系，冪指數(shù)均為2，實(shí)現(xiàn)了潛山各級尺度裂縫定量預(yù)測，為分尺度裂縫表征提供了重要依據(jù)。

2) 針對不同尺度裂縫規(guī)模及其對滲流的影響，引入非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分技術(shù)，并結(jié)合地震、成像測井、巖心等資料，提出多尺度融合的裂縫儲層表征方法；該方法克服了單一方法建模難以反應(yīng)裂縫非均質(zhì)性的問題，在相似復(fù)雜儲層描述方面具有推廣意義。