火山巖油氣藏的儲(chǔ)層描述與建模

王鋒慶

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

1 火山巖儲(chǔ)層建模的特點(diǎn)

隨著石油工業(yè)的發(fā)展和勘探開發(fā)的進(jìn)行，火山巖儲(chǔ)層的研究越來越受到重視。火山巖儲(chǔ)層的分布及物性受多種因素的控制，這些因素包括構(gòu)造作用、古地形、古氣候、火山噴發(fā)的天氣條件、巖漿演化、火山作用及火山噴發(fā)作用期后埋藏作用、成巖作用和后生作用等。正因?yàn)槿绱?，火山巖儲(chǔ)層比碎屑巖儲(chǔ)層具有更大的復(fù)雜性和更強(qiáng)的非均質(zhì)性，其研究難度遠(yuǎn)比碎屑巖儲(chǔ)層大。而且從目前所查閱的國內(nèi)外資料情況來看，火山巖儲(chǔ)層建模還沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。

火山巖儲(chǔ)層的研究具有滯后性，目前砂巖和碳酸鹽巖油氣田的勘探開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入單個(gè)油氣藏的三維定量綜合地質(zhì)建模階段，而對(duì)于火山巖儲(chǔ)層這種復(fù)雜地質(zhì)條件油氣藏，國內(nèi)外火山巖儲(chǔ)層建模還處于概念模型階段，即地質(zhì)學(xué)家在典型的火山巖模型上加入勘探開發(fā)所需要的地質(zhì)特征，對(duì)油田進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。如何綜合利用測井和地質(zhì)資料分析并預(yù)測火山巖儲(chǔ)層參數(shù)在單井間的二維分布甚至是三維地質(zhì)體內(nèi)變化和分布規(guī)律是當(dāng)前研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。雖然火山巖儲(chǔ)層本身比較復(fù)雜，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及新算法的提出，在地質(zhì)資料非常豐富的地區(qū)，采用模式識(shí)別的方法利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行巖相控制的儲(chǔ)層分類，再在人工確定的火山機(jī)構(gòu)中，對(duì)不同的巖相根據(jù)分類結(jié)果進(jìn)行孔隙度值的填充，基本實(shí)現(xiàn)井間二維地質(zhì)變量的模擬，而在三維空間上模擬仍處于探索階段。

2 火山巖儲(chǔ)層描述思路

2.1 火山巖儲(chǔ)層建模常用資料

2.1.1 測井資料

1)火山巖測井響應(yīng)特征

在火山巖地層的勘探開發(fā)過程中，如果火山巖種類較少時(shí)，一般可以根據(jù)巖心資料和巖屑錄井資料來確定地層巖性，或者利用錄井資料來區(qū)分它們。但對(duì)于巖性復(fù)雜的火山巖儲(chǔ)層，有時(shí)錄井資料給出的巖性不很正確，對(duì)正確劃分巖性并以此為依據(jù)分析各種巖性相應(yīng)的測井響應(yīng)特征產(chǎn)生了較大的影響。此時(shí)需要用巖心或者可靠的錄井資料來刻度測井資料，進(jìn)而分析火山巖的測井響應(yīng)特征。火山巖巖石類型較多，不同的巖石類型及同一類巖石在不同地區(qū)的測井響應(yīng)特征也不盡相同[1]。

2)火山巖的常規(guī)測井特征

常規(guī)測井主要探測巖石的導(dǎo)電性、放射性、含氫指數(shù)、密度及聲波傳播性質(zhì)等等，信息豐富。反映的是探測對(duì)象的綜合屬性，測量結(jié)果既取決于巖石的成分，也與巖石所在的成巖環(huán)境和相帶有關(guān)[2]。

一般來講，火山巖儲(chǔ)集層測井響應(yīng)具有以下特征:

(1)電阻率測井

火山巖巖石的電阻率變化非常大，是巖石的礦物成分、熱液蝕變、孔縫發(fā)育程度和含油氣的綜合反映。致密熔巖的電阻率最高，當(dāng)有裂縫時(shí)，電阻率有所降低，如果氣孔發(fā)育，電阻率可能比較低。熔結(jié)凝灰?guī)r的電阻率普遍低于致密的熔巖，凝灰?guī)r的電阻率比熔結(jié)凝灰?guī)r的電阻率低。熔巖蝕變后也會(huì)導(dǎo)致電阻率降低。

總體說來，物性好且以含氣為主的火山巖儲(chǔ)層的電阻率曲線一般表現(xiàn)為高值，物性好且以含水為主的儲(chǔ)集層電阻率相對(duì)較低，物性差、巖性比較致密的儲(chǔ)集層電阻率相對(duì)高。

(2)自然伽馬和自然伽馬能譜測井

當(dāng)忽略井眼與地層的吸收效應(yīng)時(shí)，自然伽馬測井反映了巖石所放射出的自然伽馬射線的強(qiáng)度。一般來說，從基性經(jīng)中性至酸性，放射性礦物的含量是逐漸增加的。因而常見的流紋巖、流紋質(zhì)火山碎屑巖中鉀長石含量高，因此其放射性通常也是最大的，放射性強(qiáng)度一般都介于 100～190 API之間，玄武巖中放射性元素含量最少，放射性最低，安山巖居中。在同一類巖石中，巖石的結(jié)構(gòu)對(duì)放射性也有影響，玄武巖、安山巖和流紋巖從熔巖向火山碎屑巖過渡，放射性會(huì)增加。通過分析發(fā)現(xiàn)，火山巖的巖性變化會(huì)導(dǎo)致自然伽馬測井的數(shù)值變化，因此自然伽馬測井曲線是區(qū)別沉積巖和火山巖的有效測井曲線之一。通?；鹕綆r巖石的放射性 U、Th和K元素，從基性到酸性變化過程是逐漸增加的，即玄武巖中 U、T h和K的含量最低，安山巖略高，流紋巖含量最高。各類火山巖放射性元素又具有地區(qū)差異。

(3)中子測井

中子測井通過測量地層的含氫指數(shù)的變化來反映地層的孔隙度。因此，中子測井讀數(shù)主要和巖石孔隙度和礦物成分有關(guān)。在巖石骨架不含氫的條件下，它反映地層總孔隙度，并不受空隙空間的幾何形態(tài)和分布的影響。由基性經(jīng)中性至酸性火山巖，視中子孔隙度值逐漸降低，并隨孔隙、裂隙流體的含量的增加而增加。

(4)密度測井

所測量的巖石體積密度與巖石顆粒密度、孔隙中流體密度以及孔隙度的大小有關(guān)。而且實(shí)際密度測井值除了上述影響因素以外，還受井眼尺寸和泥餅的影響?；鹕綆r從基性經(jīng)中性至酸性巖石的鐵鎂礦物含量減少，硅鋁礦物增加，密度則由大到小。在同類巖石中，火山碎屑巖的密度則低于熔巖。裂隙發(fā)育段密度值明顯下降，并呈鋸齒狀劇烈變化。因而對(duì)于孔隙、裂縫都發(fā)育的火山巖，僅密度測井不能有效識(shí)別巖性、必須結(jié)合聲波時(shí)差、電阻率或自然伽馬測井曲線，才能有效識(shí)別巖性。

(5)聲波測井

實(shí)際聲波時(shí)差測井值受組成巖石的礦物成分、巖石致密程度、結(jié)構(gòu)以及巖石孔隙中流體性質(zhì)的影響。中生界火山巖儲(chǔ)層多屬于孔隙、裂縫組合的油氣儲(chǔ)層，裂縫發(fā)育，且多為高角度縫?？v波的能量在水平裂縫處會(huì)發(fā)生嚴(yán)重衰減，使聲波時(shí)差發(fā)生周波跳躍，但在高角度裂縫處這種衰減很小，即聲波時(shí)差一般不反映高角度裂縫。通常，聲波時(shí)差以致密玄武巖最低，酸性的流紋巖稍高。在同類巖石中，火山碎屑巖的聲波時(shí)差高于熔巖。當(dāng)氣孔或裂縫發(fā)育時(shí)，聲波時(shí)差也會(huì)增大。

一般火山巖儲(chǔ)層測井響應(yīng)具有如下幾個(gè)規(guī)律:

①從基性經(jīng)中性到酸性火山巖，巖石的放射性逐漸增強(qiáng);

②從基性經(jīng)中性到酸性火山巖，巖石的中子測井響應(yīng)逐漸降低;

③密度測井從基性巖到酸性巖由于 Fe和 Mg礦物減少，密度值逐漸減小;

④凝灰?guī)r以高的聲波時(shí)差和低的電阻率為特征區(qū)別于其他巖性。

對(duì)于不同的研究區(qū)域，需要根據(jù)巖心和測井資料進(jìn)行對(duì)照，總結(jié)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)。

2.1.2 地震資料

利用地震信息識(shí)別火山巖儲(chǔ)集層與沉積巖相比，火山巖類通常以地震波速較高、密度大、磁化率高、電阻率大和地震波吸收能量大為特征，這就為綜合應(yīng)用各種地球物理勘探方法提供了物理依據(jù)。因此，可通過地震巖性地層模擬、地震相解釋、合成記錄反射特征、瞬時(shí)信息特征、儲(chǔ)層反演、三維可視化、屬性聚類分析、層位綜合標(biāo)定、協(xié)調(diào)振幅、瞬時(shí)振幅等地震技術(shù)來識(shí)別“高波阻抗”的火山巖相與“低波阻抗”的陸源沉積相。成功的地震相帶解釋依賴于高質(zhì)量和精細(xì)處理的地震資料，許多盆地高質(zhì)量的地震資料完全可以用于火山巖油氣藏解釋。

2.2 針對(duì)火山巖的儲(chǔ)層描述

2.2.1 火山巖儲(chǔ)層預(yù)測技術(shù)

儲(chǔ)層預(yù)測是世界性的難題，尤其對(duì)于 火山巖裂縫性儲(chǔ)層，具有很強(qiáng)的空間非均質(zhì)性，儲(chǔ)層預(yù)測的難度極大。

通過溶蝕作用的研究預(yù)測儲(chǔ)層的分布:古地形(古潛山)的高點(diǎn)，一般都經(jīng)長期風(fēng)化、溶蝕及剝蝕作用后殘留的地層，往往是溶蝕孔洞的有利發(fā)育區(qū)。通過巖相分布的研究預(yù)測儲(chǔ)層的分布:通過對(duì)火成巖巖相的劃分研究，將噴出巖劃分為3種巖相及伴生巖相，將侵入巖劃分為中心、過渡及邊緣3種巖相帶，來預(yù)測有利的儲(chǔ)集區(qū);通過湖相碳酸鹽巖巖石物理相的綜合研究(包括沉積微相、巖石相、成巖－儲(chǔ)集相的研究以及三者的疊加與延展)對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行分類，預(yù)測有利的儲(chǔ)集區(qū)。

2.2.2 火山巖孔滲特征研究

火山巖滲流特征分析可以為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。通過對(duì)巖心分析的孔隙度和滲透率分析總結(jié)規(guī)律可以獲得儲(chǔ)層參數(shù)方面的規(guī)律性認(rèn)識(shí)，對(duì)油氣田的開發(fā)就顯得格外重要。同時(shí)儲(chǔ)層參數(shù)的變化與儲(chǔ)層空間類型、類型和孔隙結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。從孔隙度、滲透率與埋深的關(guān)系來看，實(shí)驗(yàn)表明火山巖的巖石密度大，巖性致密且硬度大，在較小應(yīng)力作用下很難變形，通常在上覆巖層壓力大于 20 MPa時(shí)，孔隙度值將有所下降[4]。

2.2.3 儲(chǔ)層非均質(zhì)性分析

火山巖儲(chǔ)層的發(fā)育程度主要包括了火山巖儲(chǔ)層原生孔隙的保存、次生孔隙的形成，以及裂縫的發(fā)育等，它們的形成又主要受巖性、成巖作用和構(gòu)造作用的控制。

儲(chǔ)集層孔隙度和滲透率都是評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層質(zhì)量的重要參數(shù)?？紫抖确从硯r石的儲(chǔ)集空間大小，而滲透率則反映儲(chǔ)集層孔隙空間的連通性和巖石的滲流能力。將其進(jìn)行科學(xué)的量化和指標(biāo)化可以建立儲(chǔ)層的非均質(zhì)性模型，定量描述儲(chǔ)層的非均質(zhì)性，為儲(chǔ)層描述提供依據(jù)。

3 火山巖儲(chǔ)層建模

3.1 建模流程和方法

火山巖儲(chǔ)層建模的目的是綜合利用地質(zhì)信息，正確描述已知井點(diǎn)的儲(chǔ)層特點(diǎn)，同時(shí)預(yù)測無井區(qū)域的儲(chǔ)層特性，包括巖性的展布與孔隙度的變化規(guī)律。

技術(shù)流程為:在巖性識(shí)別和孔隙度計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用SIS實(shí)現(xiàn)研究區(qū)的火山巖巖性空間模擬，最終在巖性模擬結(jié)果的控制下利用SIS實(shí)現(xiàn)火山巖孔隙度空間模擬。

3.2 建模思路

同碎屑巖儲(chǔ)層建模一樣，火山巖儲(chǔ)層建模的目的是要描述和預(yù)測火山巖儲(chǔ)層的空間分布特征和物性變化特征。所不同的是，火山巖儲(chǔ)層不能建立火山巖骨架模型，因?yàn)榛鹕綆r體內(nèi)的儲(chǔ)集空間不僅取決于巖性、火山巖相特征，更重要的是取決于火山巖內(nèi)的氣孔、溶孔和裂縫等發(fā)育狀況及火山巖噴發(fā)后的風(fēng)化淋濾作用。一般建立火山巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間分布模型，采取的技術(shù)流程如下:

(1)在巖芯觀察、薄片鑒定、元素分析、化學(xué)成分分析的基礎(chǔ)上識(shí)別火山巖巖石類型;

(2)測井火山巖巖性的識(shí)別，并建立測井火山巖巖性識(shí)別量板;

(3)在巖性識(shí)別的基礎(chǔ)上結(jié)合地震資料解釋進(jìn)行火山巖相分析;

(4)建立火山巖相剖面地質(zhì)模型;

(5)火山機(jī)構(gòu)分析，建立火山噴發(fā)相平面模型;

(6)火山巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間物性參數(shù)的計(jì)算;

(7)建立火山巖儲(chǔ)層空間物性參數(shù)模型。

值得指出的是，根據(jù)目前資料情況，還很難準(zhǔn)確地掌握火山機(jī)構(gòu)內(nèi)部的情況，所建立的地質(zhì)模型僅僅是一個(gè)概念模型。但對(duì)勘探階段火山巖儲(chǔ)層的分析和預(yù)測仍有較大的意義。

3.3 建模方法及其算法原理

針對(duì)火山巖巖性、巖相和物性分布的離散性和隨機(jī)性，我們利用布爾模擬方法、序貫指示模擬(SISM)算法和基于相分析的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行火山巖儲(chǔ)層物性參數(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)，一般認(rèn)為“基于相分析的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬方法”更符合常見井資料。因此選取該方法進(jìn)行目的層的儲(chǔ)集空間分布的模擬?；谙喾治龅纳窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬方法的算法原理簡述如下:

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理信息的一種計(jì)算機(jī)程序。它的起源與發(fā)展均來自對(duì)動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)的研究，早在20世紀(jì)50年代，研究者就采用軟件或硬件方法，建立了許多以大量處理單元為節(jié)點(diǎn)，處理單元互聯(lián)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿生。該方法具有處理信息量大、自適應(yīng)性良好、學(xué)習(xí)和記憶及誤差自動(dòng)校正能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適合于儲(chǔ)層參數(shù)的計(jì)算和預(yù)測。

往往由于工區(qū)內(nèi)井距較大，資料信息點(diǎn)稀疏，所以在應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層參數(shù)計(jì)算和預(yù)測過程中，一般需要進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)南嗫刂啤Ｍㄟ^大量的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，歸納出各種微相的儲(chǔ)層物性參數(shù)分布特征。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)層物性參數(shù)計(jì)算和預(yù)測時(shí)，利用目的層位的微相展布規(guī)律及垂向變化趨勢加以控制，可進(jìn)一步加強(qiáng)預(yù)測的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

3.4 儲(chǔ)集空間物性預(yù)測模型

根據(jù)樣品分析結(jié)果，不同的巖性具有不同的孔隙度。但經(jīng)常由于樣品有限，無法統(tǒng)計(jì)玄武巖、安山巖的孔隙度分布頻率。因此一般根據(jù)測井巖性識(shí)別結(jié)果，采用密度和聲波測井資料計(jì)算各種巖性的孔隙度。其原理和方法如下:

1)建立儲(chǔ)集物性空間計(jì)算模型。巖石的總孔隙度為總孔隙體積與巖石體積之比。根據(jù)巖芯樣品孔隙度分析數(shù)據(jù)和三條孔隙度曲線(密度、中子和聲波時(shí)差曲線)的對(duì)比分析，對(duì)比找出相關(guān)性較好的兩條曲線計(jì)算火山巖孔隙度。

2)參數(shù)選取。骨架密度值和骨架聲波時(shí)差值的選取要復(fù)雜一些。有些火山巖的骨架值有一定的變化范圍，選取不當(dāng)，將給孔隙度計(jì)算和評(píng)價(jià)帶來很大的誤差。我們的做法是:在正確識(shí)別巖性的前提下，在特定巖性的井段內(nèi)，選取井眼規(guī)則、密度或聲波時(shí)差曲線較為平直的井段內(nèi)的密度或聲波時(shí)差測井值為該井段內(nèi)該巖性的骨架值。

3)統(tǒng)計(jì)不同巖相的孔隙度分布頻率。結(jié)合火山巖單井相分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn):不同的火山巖相有不同的孔隙度及其分布頻率。

4)模擬:單井火山巖相分析及孔隙度計(jì)算可得出各火山巖相的孔隙度在垂向上的分布特征。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)首先學(xué)習(xí)各已知井中火山巖相的物性特征，再以火山機(jī)構(gòu)中的相分布為依據(jù)推測未知井的火山巖相的物性分布特征。

4 結(jié)語

儲(chǔ)層模擬是以測井解釋成果為約束，基于空間插值技術(shù)的隨機(jī)模擬。根據(jù)火山巖的特點(diǎn)，選擇使用序貫指示模擬方法對(duì)研究區(qū)火山巖的巖性和孔隙度進(jìn)行隨機(jī)模擬研究:變異函數(shù)分析表明火山巖的巖性和孔隙度比碎屑巖的變程小，且具有塊金效應(yīng);可以利用地質(zhì)認(rèn)識(shí)結(jié)論、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和抽樣法對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，序貫指示模擬可以很好的應(yīng)用于火山巖儲(chǔ)層隨機(jī)模擬研究中。

[1]潘保芝，張麗華，印長海，等.火山巖 CO2氣層識(shí)別與含量預(yù)[J]. 大慶石油.地質(zhì)與開發(fā).2009，28(6):299－303.

[2]王英偉.基于隨機(jī)模擬的火山巖儲(chǔ)層描述[D].

[3]李長山，陳建.火山巖儲(chǔ)層建模初探.地學(xué)前緣.2000，4(7):381～389.

[4]彭彩珍，郭平，蘇萍，等.流紋巖類火山巖儲(chǔ)層物性特征研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版).2004，26(3):12－15.

[5]羅靜蘭，邵紅梅，張成立.火山巖油氣藏研究方法與勘探技術(shù)綜述.石油學(xué)報(bào).2003，1(24):31 －38.

[6]李冬梅，陳福利，李建芳，等.常規(guī)測井火山巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)新方法[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版.2010(1):56－59.

[7]鄧攀，陳孟晉.火山巖儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫的測井識(shí)別及解釋.石油學(xué)報(bào).2002，6(23):32 －37.

[8]王英，偉張建.基于序貫指示模擬方法的火山巖儲(chǔ)層巖性及孔隙度模擬.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版).2010，2(40):455－460.

[9]武鋼，吳偉，等.勝利油區(qū)裂縫性油藏描述技術(shù)研究.特種油氣藏.2004，3(11):25 －27.