油藏描述技术的现状与发展趋势

油藏描述技术的现状与发展趋势

油藏描述技术发展方向油藏规划是在过去20年中随着计算机技术的快速发展而发展起来的一项技术。该算法对油藏的不同特点进行了三维定量描述和预测。总结这些年国内外油藏描述工作的经验和教训,可以看出现代油藏描述与20世纪80年代以前传统的油藏研究或开发地质研究有很大的差别,它表现出了以下重要的特点。(1)整体性:现代油藏描述将油藏的各种属性(如构造、地层、储集层、油气水等)看成一个完整的系统来研究。油藏描述工作都遵循着从一维“井剖面”的描述到二维“层”的描述再到三维整体描述的三步工作程序,依赖于三套基本的油藏描述技术,即井孔柱状剖面开发地质属性确定技术、细分流动单元及井间等时对比技术和井间属性定量预测技术。(2)综合性:油藏描述是一项多学科综合、集约化、协同攻关的研究项目。需要把地质、地球物理、油藏工程、数值模拟、数学、计算机和现场等众多学科和部门组织成一个项目组,协同攻关,实行统筹规划,才能作出真正高水平、符合地下情况的油藏描述工作,也才能为油田开发打下坚实的基础。同时要求研究人员由单一学科知识结构向具备多学科知识结构的复合型人才方向发展。(3)预测性:现代油藏描述不仅要把地下油藏的三维特征描述清楚,而且更重要的是利用较少的资料能较准确地预测出地下油藏各种开发属性三维空间的具体细节。(4)阶段性:油藏描述贯穿于勘探开发的全过程,从第一口发现井到油田最后废弃为止,多次分阶段滚动进行。由于不同开发阶段的任务不同,所拥有的资料基础不同,从而造成了不同开发阶段油藏描述所要描述的重点内容和精度的不同,所采用的描述技术和方法也有很大差别,因此油藏描述具有阶段性。目前来看已初步发展了适应不同开发阶段的三大套或三大阶段油藏描述技术和方法:①早期油藏描述——在油田发现后利用少量井对油(气)藏进行的综合研究与评价;②中期或一般所称的油藏描述——油田开发后含水较低时,主要利用大量井的资料尤其测井资料进行;③精细油藏描述——油田开发进入高含水期、特高含水期后,主要针对剩余油分布及挖潜进行。(5)先进性:现代油藏描述尽量采用各种先进实用的科学技术和方法,如现代数学方法和理论的大量应用,包括地质统计学及随机模拟、模式识别、模糊数学、专家系统、神经网络、分形几何等,以及测井、地震和计算机新技术的发展,使油藏描述真正迈向了模型化、定量化和预测化,计算机技术的大量应用不仅使上述成为可能,而且能使人们亲身领略到地下油藏的三维面貌,把研究人员从繁重的手工劳动中解放出来。(6)早入性:油藏描述应从油田第一口发现井开始就开展工作。油田发现后,开发工作人员介入得越早、油藏描述工作开始得越早越好。虽然油藏描述包括了地质、地震、测井等众多学科和内容,但描述的核心是储集层,因此本文主要从地质的角度介绍一些现代油藏描述中储集层表征技术的发展方向和攻关目标。层序界面分析方法层序划分及其所确定的单元是油藏描述的基础。如何将沉积的地层和含油气储集层进行系统的划分、对比并阐明其成因机制,这一方面在最近十几年尤其近年来有了迅速的发展。层序地层、层次界面及流动单元分析这三位一体的研究理论和方法的迅速发展,为储集层精细划分和分层次建模提供了理论依据。层序地层学为大范围高级别的层序划分和对比提供了理论依据和方法,能够在盆地中建立高级别的等时地层格架和基本建造单元,并阐明其有序性演化。高分辨率层序地层学的迅猛崛起使层序地层学能在油藏描述中解决较低级别的层序划分问题,但是随着油田开发的深入要求,层序尤其是储集层的划分越来越细,特别像中国东部老油田面临的是如何对厚油层和已有的小层进一步细分的难题。目前的层序地层学分析还不能适应储集层内部更精细的划分。因此以Miall等为代表,深入研究了沉积体系内部低级别等级界面的划分,提出了一套层次界面划分和相应结构单元研究的方法和理论。层次界面分析方法强调从系统论的观点出发研究系统本身具有的层次性和结构性,强调沉积的等时性和间断性,因此向上与层序地层学兼容,向下可无穷细分而始终与沉积成因分析相吻合。实际上层序地层学和传统的地层划分对比也是一种层次界面分析方法。Miall曾将河流砂体内部的界面(层次)划分出7级谱系(见图1)。但目前精细的层次界面描述主要是在露头和现代沉积中进行,而如何在测井曲线上识别油田地下低级别尤其是中等和小规模层次界面并预测其横向变化规律,则是人们一直攻关的难题。结构单元和流动单元实际上是层次界面研究的另一方面,是不同层次界面所分割的实体。结构单元又称构成单元(Architectura1e1ement),它是一个由其形态、相组成及其规模所表征的同成因的沉积体,是一个沉积体系内部一个特定沉积作用过程或一组沉积作用过程的产物。利用一套具等级序列的地质界面,可以把沉积体或砂体内部划分为有成因联系的结构单元(Allen,Miall)。如Miall将河流沉积体系划分为8种基本的结构单元:①河道(CH),②砾石坝和底形(GB),③重力流沉积(SG),④砂底形(SB),⑤顺流加积的大型底形(DA),⑥倾向加积沉积(点坝)(LA),⑦纹层砂席(LS),⑧越岸细粒沉积(OF)。这些结构单元的规模变化很大,如河道的深度可以从几分米变化到几十米,大型河心砂洲复合体的长度可以达到几千米。结构单元的提出从静态的角度为地层的进一步细分和储集层非均质性研究提供了沉积学依据和新的研究途径。流动单元的提出既反映了储集层研究的精细化,又能紧密地与储集层中的油水运动规律相结合,它的识别和划分不能单靠静态资料,必须有水淹剖面、水淹层测井、检查井、分层测试等油田动态资料。解决它的井间对比及空间结构问题,更需要露头和现代沉积的精细研究。流动单元的研究是一个新的课题,不同研究者对流动单元概念和研究方法还有不同的理解,归纳之主要有以下几种:(1)认为流动单元是具有相同渗流特征的微相或岩相的组合。其研究方法是首先描述各种微相的特征,解释其形成过程,然后主要根据测井曲线进行划分。这是一种宏观的全井段或相当于传统的地层划分和对比的定性分析方法。如大庆油田的细分沉积微相的研究工作大体相当于此。(2)认为流动单元系指沉积体系内以隔挡层为边界、按水动力条件划分的建造块(Buildingblock)或结构单元。其研究方法是描述露头砂体的微相和岩相非均质性特征,测量其物性参数,划分层次界面,得到各种结构单元,这些结构单元就是不同类型流动单元。(3)具有相同渗流特征的岩相组合,根据影响流体通过的地质和岩石物理性质而划分。它主要考虑微观孔隙结构特征,以修正的Kozeny-Carman方程和平均流动半径为基础进行流动单元划分。该方法能对厚油层内部进行定量划分和表征,同时可以把微观与宏观参数联系起来,在机理上较完善,在单井划分方面比前两种方法要精细得多,可以反映厚油层的层内非均质性特征。如用此方法对大庆油田不同沉积类型的厚油层进行研究后,发现可以划分7个流动单元,其孔渗和水洗状况等都不相同(见图2)。这也是目前国内外厚油层细分中应用较广的方法。(4)认为流动单元是一个被非渗透性界面所包围的,内部具有相对统一压力系统的储集单元。可见,流动单元的划分是随着油田开发的深入而不断深化的。开发早期,砂层组和小层就被认为是流动单元,而到了开发晚期,厚油层内部的进一步细分才是流动单元。总体来看,层次界面划分是基础,结构单元是实体,流动单元是结构单元在开发中的一种表现形式。如何定量描述和准确预测地下中小规模地质界面和流动单元的空间结构,并搞清其与油气水分布及剩余油挖潜的关系,已成为当今世界油藏描述攻关的难点。地质重建技术建立三维定量地质模型是现代油藏描述的核心,目前正迅速发展的技术和方法大体有以下3方面。1不同层次的油藏建模方法所谓多阶段,是指按油田开发的不同阶段的需要,将储集层地质模型分为概念模型、静态模型和预测模型,与早、中、晚三阶段油藏描述相对应,其各自所用的资料、建模的精度是不同的,建模方法也有差异。所谓多级次,一是按层次界面的级次分别建立对应级次的地质模型;二是指在建立地质模型时都要建立一维模型→二维模型→三维模型,只是在不同阶段所能应用的资料和所要研究的重点不同而已。同时在任一级次地质模型的建立过程中,基本上都要先建立储集层骨格模型,然后建立参数模型。2随机模拟法分类在地质统计学基础上发展起来的随机建模技术是近十年来油藏描述中的一个最热门课题。所谓随机建模,就是利用一个地质体某一属性已知的结构统计特征,通过一些随机算法来模拟未知区这一属性的分布,使其与已知的统计特征相同,从而达到模拟储集层非均质性、直到预测井间参数分布的目的。随机模拟可分为条件模拟和非条件模拟,建模方法可分为离散型和连续型。随机模拟的具体算法很多,常见的有:示性点过程法、马尔可夫随机函数法、截断高斯法、两点直方图法、镶嵌过程模拟法、概率模拟法、指示模拟法、布尔法、退火模拟法、序贯高斯法、序贯指标模拟法、分形随机函数法、LU分解法、转带法等。虽然随机模拟技术已广泛地用于油藏描述的各个方面,诸如岩相、孔渗的空间分布,砂体、裂缝的预测,定量估计油藏模型的不确定性,取样设计、流动模拟过程中的敏感性分析和风险分析等等,但因为各种随机模拟方法在其基本原理、复杂程度和应用条件诸方面均有所不同,每一种方法都有它的适用条件、优点和缺点。表1列出了目前对这些方法使用情况的一些初步认识,但具体的选择条件和参数尤其和储集层类型等的关系还在探索之中。由于不同的随机模拟算法反映的区域统计参数和空间特征不同,因此在众多的随机模拟方法中,如何针对所描述地质现象和参数的特点选择合适的模拟方法,以及每种模拟方法的最佳适用条件、应用范围等,成为当今随机建模攻关的一大难题。随机建模的另一大难题是需要以丰富的储集层地质知识库和各类储集层的原型模型为基础,才能准确预测储集层特征分布。3将动物模型转化为数学模型,并将数值模拟技术应用于地质建模在第十五届世界石油大会上,壳牌石油公司的Kortekass概括了当前世界上关于油藏地质建模的经验,提出了建立动态的、集成化油藏模型的新概念和技术方法1,强调把动态资料以至数值模拟技术等应用于油藏建模,尤其是在地质建模中巧妙地应用简易的数值模拟方法来快速筛选所有可能的地质实现,从而不仅可以使所建立的地质模型更加符合油藏的实际情况,而且可以大大加速建模的进程。也就是说在地质建模中,动态资料和油藏数值模拟技术不再是辅助的手段,而将成为一项重要的建模技术。储集层地质资源库要想准确预测储集层三维特征,就必须建立比要预测的储集层更加精细的参照物或模板,即要有各类储集层的原型模型和地质知识库,还要有一套切实可行的数学预测方法和软件。因此建立储集层地质知识库和原型模型是建立精细储集层地质模型的关键。所谓原型模型就是一个与模拟目标储集层沉积类似、具有足够密集控制点并被详细描述的储集层地质模型。从原型模型中可以获得各种参数的统计特征,如变异函数、砂岩密度及宽厚比等,作为模拟及约束条件,来进行目标砂体随机建模,从而保证其非均质性特征的可靠性。储集层地质知识库是指经大量研究高度概括和总结出的能定性或定量表征不同成因类型储集层地质特征、具有普遍意义的参数。图3是对河控三角洲各储集层成因单元地质特征和各种参数的总结和概括,是地质知识库的表现形式之一。以往通过密井网解剖和露头储集层及现代沉积研究,已经建立了许多种储集层的地质知识库和原型模型。但这远远不够,尤其是随机建模技术的迅速发展对这一方面的需求越来越迫切,精度要求越来越高。因此世界各国都在积极研究既有普遍意义又能针对本国储集层类型特点的地质知识库和原型模型。目前国外把露头储集层研究作为精细描述和准确预测地下储集层的最重要基础,开展了全三维定量储集层研究,并建立了露头现场实验室。国内也在积极开展这方面的工作,露头储集层精细研究已被立为国家和石油天然气集团公司“九五”科技攻关项目,石油勘探开发科学研究院已选出了扇三角洲和辫状河储集层两个露头区,在这两个露头上不仅进行了详细的描述和密集取样,而且进行了钻井和各种测井等工作,获取了大量的资料;同时积极探索了储集层精细研究和预测的方法,试图通过这项综合研究,为我国精细油藏描述和建立预测模型及预测剩余油提供依据和新方法。裂缝预测的研究现状天然裂缝的识别和预测一直是世界攻关的难题。迄今,尽管发展了许多裂缝预测的方法,裂缝研究也有了很大的进展,但总体来看准确预测天然裂缝分布规律和三维定量建模仍处于探索阶段。1地下井壁成像技术目前井孔的裂缝识别技术和方法正在趋于成熟,并十分有效。主要有3种方法。(1)岩心和露头裂缝观测和描述:是裂缝研究的基础和最重要手段,已形成一套成熟和有效方法。(2)各种井壁成像技术:如FMI、UBI和ARI等,可直接从图像中识别出井眼中的裂缝。缺憾是价格昂贵,不能大量测量。(3)常规测井裂缝解释法:利用大量常规测井资料解释出裂缝是我国近年攻克的一个难关。常规测井解释出的裂缝发育段与岩心观察的裂缝有较好的对应关系,根据常规测井的不同径向探测范围,还可以检测出地下有效裂缝。该方法在许多油田的实际应用中效果显著。当然目前主要是识别裂缝发育段,识别的准确性和对裂缝其它参数的进一步解释还在不断完善中。2裂缝预测及解释这是目前最大的攻关难题,发展总趋势是多学科综合预测。具体来看主要有4类方法。(1)地球物理裂缝信息提取法:一是利用岩性、层厚与裂缝的关系,通过地震反演的岩性及岩性组合特征间接预测裂缝的分布规律;二是通过研究多波多分量、纵波、横波与裂缝的关系,直接提取裂缝信息进行预测,但难度大,准确性有待提高。(2)反演古构造应力场的数值模拟裂缝预测方法:通过对天然裂缝的构造力学分析,裂缝形成时的古构造应力场,并结合岩石破裂理论研究岩石的破裂强度,即裂缝相对发育程度。对古构造应力场反演主要有趋势分析法、有限差分法、有限元法和能量法等数值模拟方法,目前多是几种方法综合应用。应力场模拟法受所给条件和经验影响极大,且只能给出宏观趋势,是一种间接的裂缝预测方法。(3)试井解释:通过各种试井方法和解释,可以了解储集层的各种非均质性信息。对于估算裂缝的导流能力和长度及介质类型等开发中十分关心的问题,试井解释有独到的优越性。(4)地质统计学方法:利用露头、岩心和测井裂缝解释结果得出的统计规律,结合地质、地震和应力场模拟宏观分析,得出裂缝分布趋势,结合试井解释的结果,应用地质统计学方法对裂缝三维分布进行定量预测。目前应用较多的是分形几何学方法,正在发展其它的随机模拟裂缝预测方法和软件。油藏描述技术的发展趋势没有油藏描述软件就没有现代油藏描述。计算机技术的发展为油藏描述多学科的综合提供了最好的工具和强有力的手段。国外这方面的商业软件较多,如:SGM、GTM、StrataMap、StatMod等地层模拟方面的软件;Dynamic公司推出的EarthVision软件,JASON公司推出的Jason地学平台软件,等等。国内也推出了许多软件,如RICH油藏描述软件、三维地质模型软件系统(GMSS)等。这些软件的共同特点是能综合应用地震、钻井、测井和地质研究提供的各种数据,进行油藏描述,建立三维地质模型,并能以二维及三维等多种方式显示其中的各种动态及静态参数分布。应用表明它们对早期油藏描述比较有效,但对老油田的精细油藏描述(尤其在只有钻井资料的情况下)就显得无能为力,更为严重的是井间预测时考虑地质家的经验和知识很少,预测结果是确定性的、唯一的,难于预测老油田的薄互层、井网控制不住的小砂体。另一方面,由于油藏数值模拟网格粗化和取向问