柴達木盆地東坪氣田基巖儲層裂縫建模方法研究

戰(zhàn) 雕，邵振鵬，曾 麗，王英軍，佟 林

中國石油青海油田分公司采氣三廠，甘肅 敦煌 736202

引 言

東坪氣田基巖古潛山塊狀氣藏是近年來柴達木盆地勘探的重大發(fā)現(xiàn)，是國內外罕見的非常規(guī)基巖氣藏之一[1]。東坪氣田基巖儲層具有巖性復雜、天然裂縫非均勻發(fā)育等地質特征。天然裂縫是基巖儲層的主要滲流通道，也是氣層與底水連通的主要通道，建立合理、有效的天然裂縫模型，準確模擬天然裂縫的發(fā)育及展布特征，是基巖儲層高效開發(fā)的基礎。

目前，常規(guī)的連續(xù)裂縫介質網(wǎng)絡模型理論與應用研究已十分豐富，但有關離散裂縫網(wǎng)絡（Discrete Fracture Network,DFN）模型的相關理論及應用研究較少。近年來，越來越多的學者開始針對DFN離散裂縫模型開展了相關研究工作[2-9]，但仍處于探索階段?，F(xiàn)有的DFN離散裂縫模型理論研究大多基于成像測井成果資料的DFN模型建立與表征[2]，未考慮斷層等地震綜合屬性體約束條件，且對所建的模型未利用生產(chǎn)動態(tài)特征和數(shù)值模擬歷史擬合等方法深入研究模型的適用性。還有一些有關DFN離散裂縫模型理論的研究工作則主要是針對建模過程中的模擬算法及算法的升級優(yōu)化改進等方面開展的研究工作[3-5]，并未結合具體的裂縫性氣藏實例進行應用分析。此外，有關DFN離散裂縫模型的應用研究主要表現(xiàn)在對頁巖氣藏、裂縫性致密油藏等非常規(guī)油氣藏的初步應用[6-9]，未見DFN離散裂縫模型在非常規(guī)基巖儲層中的應用研究。

針對東坪氣田裂縫性基巖儲層，運用離散裂縫建模方法模擬天然裂縫在儲層空間中的3維分布狀態(tài)及分布特征，國內外尚無成套的經(jīng)驗可借鑒。本文在前人已有的DFN離散裂縫模型研究的基礎上，從東坪氣田基巖儲層的實際地質情況出發(fā)，基于成像測井（FMI）資料和地震資料，開展成像測井解釋和地震解釋，以測井解釋成果為核心，強化地震綜合屬性為約束條件，構建了適用于東坪氣田基巖儲層的DFN離散裂縫模型。研究成果不僅為東坪氣田基巖氣藏的天然裂縫模擬提供了新的技術手段，還可為國內外其他同類型基巖氣藏的離散裂縫研究提供參考。

1 東坪氣田基巖儲層儲集空間特征

東坪氣田位于柴達木盆地西北部阿爾金山前東段，是新近發(fā)現(xiàn)的國內外罕見的基巖古潛山塊狀氣藏。柴達木盆地東坪構造整體為一個南傾斜坡背景下受近南北向斷層控制的南傾古鼻狀隆起。區(qū)內發(fā)育基巖風化殼、中生代與新生代三套地層，其中，主要的產(chǎn)氣層為基巖層，儲層巖性主要為變質巖，以花崗巖和片麻巖為主[1]。

東坪氣田基巖儲層的儲集空間分為3類：一是風化殼形成的溶蝕孔洞，孔隙度可達5%～10%，滲透性取決于裂縫的發(fā)育程度；二是礦物溶蝕形成的溶孔，主要是地層水沿裂縫滲流，造成礦物溶蝕，形成溶孔；三是裂縫，基巖儲層微裂縫十分發(fā)育，是研究工區(qū)主要的油氣儲集空間和滲流通道。

圖1為東坪氣田基巖儲層2口井的巖芯照片。

圖1 東坪基巖儲層裂縫巖芯照片F(xiàn)ig.1 Core images of fractures in Dongping bedrock formation

從圖1可以看出天然裂縫發(fā)育的一些基本特征。高角度縫、低角度縫和水平縫均有發(fā)育。多數(shù)巖芯呈碎塊狀態(tài)，說明微裂縫十分發(fā)育。同時也見不規(guī)則的小裂縫，多組交錯分布。裂縫寬度可達1 mm，多數(shù)有不同程度的充填，多數(shù)巖芯碎裂，裂縫密度較大。通過地質認識，認為東坪氣田屬于基巖裂縫性儲層，區(qū)塊內裂縫十分發(fā)育，且結構復雜，裂縫既是油氣藏的儲集空間，也是主要的滲流通道[10]。因此，建立合理準確的裂縫地質模型對于該氣藏的開發(fā)至關重要。

2 東坪氣田基巖儲層裂縫建模

2.1 裂縫模型的建立思路

針對東坪氣田基巖儲層裂縫系統(tǒng)復雜、微裂縫發(fā)育、非均質性強的特點[1]，確立了一套系統(tǒng)的基巖儲層裂縫模型建立思路。依托成像測井數(shù)據(jù)和地震數(shù)據(jù)，開展成像測井解釋和地震解釋，獲取基巖儲層天然裂縫特征參數(shù)及地震綜合屬性參數(shù)[11-12]，并以測井解釋成果為核心、綜合地震屬性為約束條件，按照隨機建模的原則，建立適合于東坪氣田基巖儲層的DFN離散裂縫網(wǎng)絡模型。建立基巖儲層裂縫模型的主要流程如圖2所示。

圖2 基巖儲層裂縫建模流程圖Fig.2 Fracture modeling flow chart of bedrock reservoir

2.2 基巖儲層裂縫模型的建立

2.2.1 東坪基巖儲層裂縫特征

裂縫特征參數(shù)數(shù)據(jù)是基巖儲層裂縫建模的基礎[13-14]?；跂|坪氣田10口井的成像測井解釋成果，確定了東坪基巖儲層的裂縫傾角、裂縫方位角、裂縫密度、裂縫孔隙度、裂縫開度等基本特征參數(shù)的分布范圍，為該氣田基巖儲層DFN裂縫的有效模擬提供基礎數(shù)據(jù)[15]。東坪氣田基巖儲層裂縫特征表現(xiàn)為：裂縫傾角主要分布在30°～70°；主要發(fā)育A、B兩組走向近似垂直的裂縫，一組為北東-西南走向、裂縫方位為北東35°的A組裂縫(圖3a)，另一組為北西—東南走向、裂縫方位為北東140°的B組裂縫(圖3b)；裂縫密度普遍小于2.5 m2/m3；裂縫孔隙度在0.2%左右；裂縫開度主要分布在5～120μm，平均40μm。

2.2.2 裂縫密度分布模擬

裂縫發(fā)育程度可用裂縫密度來描述[16-17]。模擬裂縫在三維空間的分布，需要用實際裂縫密度數(shù)據(jù)來加以約束[2]。利用成熟的商業(yè)化軟件對成像測井（FMI Log）測試資料進行解釋及圖形化處理，除了可以繪制出反映不同井深條件下天然裂縫發(fā)育傾角的“蝌蚪圖”（Dip Angle）和天然裂縫分布的矢量頻率圖（Polar Frequency Plot），還可以分別繪制出A、B兩組裂縫的裂縫密度曲線，即裂縫密度曲線A和裂縫密度曲線B，如圖4所示。將兩組裂縫密度曲線作為目標曲線，可有效模擬兩組裂縫密度的空間分布。

圖3 裂縫方位分布玫瑰圖Fig.3 Rose diagram of fracture azimuth distribution

對東坪氣田基巖儲層的地震測試資料進行有效的解釋與處理，以建立地震綜合屬性體。先利用地震資料求取深度域方差體屬性（圖5a）和深度域螞蟻體屬性（圖5b），再結合斷層發(fā)育帶基巖裂縫距斷層的距離等[2]（圖5c），通過分析統(tǒng)計波阻抗、裂縫密度、螞蟻體屬性等不同地震屬性體之間的關系與規(guī)律，最終構建出地震綜合屬性數(shù)據(jù)體（圖6）。

圖4 DP105井成像測井解釋裂縫密度曲線Fig.4 The fracture density curve is explained by DP105 well FMI log

圖5 3種地震屬性圖Fig.5 Three types of seismic attributes

圖6 地震綜合屬性圖Fig.6 Seismic comprehensive attributes

通過與裂縫密度曲線的空間分布特征進行對比驗證，確定了地震綜合屬性體的準確性。以地震綜合屬性體作為趨勢約束體，可有效預測裂縫密度在三維空間的分布。

以裂縫密度曲線為目標曲線、地震綜合屬性作為趨勢約束數(shù)據(jù)體，基于粗化的地質模型網(wǎng)格，采用序貫高斯模擬方法[18]對東坪氣田基巖儲層的裂縫密度及裂縫分布進行了模擬，獲得了A、B兩組裂縫的裂縫密度分布數(shù)據(jù)體，見圖7。

2.2.3 DFN分布模型建立

應用Fracman裂縫建模，建立東坪氣田基巖儲層天然裂縫的DFN分布模型。以A、B兩組裂縫的裂縫密度數(shù)據(jù)體作為約束數(shù)據(jù)體，以成像測井解釋的裂縫傾角、裂縫方位、裂縫開度等裂縫特性參數(shù)作為輸入?yún)?shù)，模擬獲得了東坪氣田基巖儲層離散裂縫的三維空間分布圖（圖8）。在模擬過程中不斷修改裂縫密度參數(shù)，直到利用模擬得到的兩組裂縫密度及裂縫孔隙度分布特征與根據(jù)FMI資料統(tǒng)計的分布特征一致時，模擬結束。

圖7 裂縫密度分布模擬圖Fig.7 Distribution diagram of simulated fracture density

圖8 東坪氣田基巖儲層離散裂縫的DFN模型Fig.8 DFN model of discrete fracture for the bedrock formation of Dongping Gas Field

2.2.4 基巖儲層裂縫屬性提取

利用建立的天然裂縫DFN分布模型，可提取天然裂縫密度、孔隙度及滲透率等屬性參數(shù)值，以研究裂縫的分布特征[19-20]。對東坪氣田基巖儲層分別按上下兩段進行了裂縫屬性參數(shù)提取，繪制了天然裂縫密度、孔隙度及滲透率分布圖（圖9、圖10）。

裂縫密度大、裂縫孔隙度大及裂縫滲透率高的地方為基巖儲層天然裂縫相對發(fā)育的區(qū)域。從圖9和圖10可見，總體上裂縫分布受到斷層的控制。平面上，東部裂縫發(fā)育程度相對較高，西南部裂縫發(fā)育程度相對較差；縱向上，靠近基巖頂面裂縫相對不發(fā)育，下部裂縫較發(fā)育。這一特征表明基巖儲層裂縫受深部基底卷入構造影響。

3 基巖儲層裂縫模型檢驗

建立的儲層裂縫模型必須能有效地反映實際的地質情況，模型才具有適用性。特從生產(chǎn)動態(tài)特征和氣藏數(shù)值模擬兩個方面入手，來評價所建立的東坪氣田基巖儲層天然裂縫模型的適用性。

3.1 生產(chǎn)動態(tài)特征檢驗法

所謂生產(chǎn)動態(tài)特征檢驗法就是通過分析氣井生產(chǎn)動態(tài)特征與基巖儲層裂縫發(fā)育情況的匹配性來判斷建立的儲層裂縫模型是否與實際情況相符的一種檢驗方法。裂縫性基巖儲層氣井的生產(chǎn)動態(tài)特征，特別是氣井水淹，是受裂縫的分布及發(fā)育程度所控制[10]。通過分析東坪氣田各氣井的生產(chǎn)動態(tài)資料，發(fā)現(xiàn)P1-2-7井、DP103井、DP104井、P1-2-9井、P1H-2-6井等5口氣井發(fā)生了水淹，造成水淹的直接原因是底水沿天然裂縫迅速錐進。由此可推斷出這5口水淹井位于基巖儲層天然裂縫十分發(fā)育的區(qū)域，與建立的基巖儲層裂縫模型裂縫展布屬性相符，如圖11所示。因此，本文建立的天然裂縫模型適用于描述東坪氣田基巖儲層天然裂縫的分布特性。

3.2 氣藏數(shù)值模擬檢驗法

氣藏數(shù)值模擬檢驗法就是將所建立的基巖儲層裂縫模型作為基礎地質模型進行氣藏數(shù)值模擬，并根據(jù)氣藏開發(fā)動態(tài)數(shù)據(jù)的歷史擬合情況來判定裂縫模型適用性的一種檢驗方法。運用建立的天然裂縫模型作為基礎地質模型，對東坪氣田基巖儲層開展了數(shù)值模擬研究。東坪基巖儲層的日產(chǎn)氣量與日產(chǎn)水量的全歷史擬合結果如圖12所示，其擬合精度高，符合率在96%以上，表明所建立的基巖裂縫模型能夠有效反映目標儲層的實際地質特征。

圖9 裂縫密度及裂縫孔隙度分布圖Fig.9 Distribution of fracture density and fracture porosity

圖10 裂縫滲透率分布圖Fig.10 Distribution of fracture permeability

生產(chǎn)動態(tài)特征檢驗結果和氣藏數(shù)值模擬檢驗結果均表明，結合相控建模技術建立的基巖儲層裂縫模型與東坪氣田基巖儲層的實際地質情況完全相符。本文建立的基巖儲層裂縫模型已充分應用于東坪氣田后續(xù)的氣藏工程研究中。例如，針對東坪氣田基巖儲層后期開發(fā)過程中出水過快的問題，基于建立的裂縫模型，結合生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)分析，診斷了東坪基巖儲層出水的根本原因，進而有針對性地開展了氣藏開發(fā)方式調整，制定出合理的氣井開采制度，解決了東坪氣田基巖儲層的出水技術難題。礦場實踐結果表明，本文研究的基巖儲層裂縫建模技術強力支撐了東坪氣田基巖氣藏的高效開發(fā)。

圖11 水淹井處裂縫滲透率屬性圖Fig.11 Fracture permeability property at the location of the flooded wells

圖12 實際生產(chǎn)歷史擬合圖Fig.12 Matching curves of production data history

4 結 論

（1）以東坪氣田基巖儲層為研究對象，以成像測井解釋成果為核心，強化地震綜合屬性為約束條件，研究了一套基巖儲層DFN離散裂縫模型的建立思路與方法，可有效模擬基巖儲層天然裂縫的3維空間展布。

（2）基于精細的成像測井解釋結果，獲取裂縫傾角、裂縫方位角、裂縫密度、裂縫孔隙度、裂縫開度等裂縫特性參數(shù)，是開展裂縫空間展布模擬的前提條件。利用深度域方差體屬性、螞蟻體屬性等構建地震綜合屬性體，從宏觀上約束裂縫網(wǎng)絡系統(tǒng)的空間分布及走向，是構建基巖儲層DFN離散裂縫模型的必要條件。

（3）從建立的DFN離散裂縫分布模型中提取天然裂縫密度、孔隙度及滲透率等屬性參數(shù)值，可分析基巖儲層裂縫的發(fā)育程度及分布特征。東坪氣田基巖儲層天然裂縫的發(fā)育與分布總體上受斷層的控制，平面上東部裂縫較發(fā)育，西南部裂縫發(fā)育程度相對較差，縱向上靠近基巖頂面裂縫相對不發(fā)育，下部裂縫較發(fā)育。

（4）從氣藏生產(chǎn)動態(tài)特征和數(shù)值模擬兩方面著手，可檢驗DFN離散裂縫模型的適用性。經(jīng)東坪氣田基巖儲層的生產(chǎn)動態(tài)特征分析，認為水淹氣井位于天然裂縫十分發(fā)育的區(qū)域，與模擬的DFN離散裂縫展布特征相符。東坪氣田實際日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)水量的全歷史擬合結果驗證了DFN離散裂縫對基巖儲層的適用性。