地層精細(xì)劃分下的儲(chǔ)層巖石學(xué)特征三維建模分析

劉 金，陳代鑫，覃得強(qiáng)，劉克勝，王 宇，王 沖

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第十二采油廠，陜西 西安 710018；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018）

地層精細(xì)劃分是指在某一區(qū)域內(nèi)，將地層剖面上的巖層進(jìn)行劃分，并確定地層層序。通過地層精細(xì)劃分概念的應(yīng)用，以期能夠提高儲(chǔ)層巖石學(xué)特征三維模型建造結(jié)果的應(yīng)用價(jià)值。本文選擇Petrel 軟件作為儲(chǔ)層巖石學(xué)特征三維建模工具，從鉆井、沉積相、孔隙水等多個(gè)方面準(zhǔn)備數(shù)據(jù)樣本；創(chuàng)新性地通過模擬儲(chǔ)層成巖與演化過程，設(shè)計(jì)地層結(jié)構(gòu)精細(xì)劃分標(biāo)準(zhǔn)，精細(xì)劃分儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)；從巖石顏色、礦物組分和沉積構(gòu)造3個(gè)方面，分析儲(chǔ)層巖石學(xué)特征，求解孔隙度、滲透率、含油飽和度等特征屬性；按照優(yōu)化設(shè)計(jì)的離散型變量和連續(xù)型變量，獲得儲(chǔ)層巖石學(xué)特征三維建模結(jié)果。

1 研究對(duì)象

1.1 研究區(qū)概況

選擇鄂爾多斯盆地區(qū)域作為研究對(duì)象，鄂爾多斯盆地橫跨陜、甘、寧、蒙、晉、北接陰山，南抵秦嶺、賀蘭山、東部呂梁，總面積370 000 km2，盆地的主體面積為250 000 km2，它的外形呈長(zhǎng)方形，在106°20'～110°30'E，35°00'～40°40'N之間。從盆地構(gòu)造特點(diǎn)與歷史演變來看，該地區(qū)包含6個(gè)區(qū)域構(gòu)造單元，其中盆地邊緣斷層褶皺發(fā)育，而盆地內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，巖性較好，總體上傾斜度小于1°。

1.2 研究區(qū)儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

1.2.1 巖石顏色

長(zhǎng)2 儲(chǔ)層組分主要為石英，包含巖屑質(zhì)長(zhǎng)石砂巖，并夾雜著灰色、黑色的有機(jī)礦物[1-3]。長(zhǎng)6 儲(chǔ)集層的組成以長(zhǎng)石為主，并含少量的暗色礦物，巖性為淺灰色、灰綠色的細(xì)長(zhǎng)石，淺灰色的泥質(zhì)、灰色的泥質(zhì)和灰黑色的泥巖。

1.2.2 礦物組分

根據(jù)其碎屑組分的相對(duì)含量，采用三角形圖解方法分析儲(chǔ)層巖石中的礦物組成部分，儲(chǔ)層巖石學(xué)中的礦物組分圖解在儲(chǔ)層環(huán)境中，采集各個(gè)地層中的樣本，通過掃描電鏡、普通薄片和鑄體薄片觀察、統(tǒng)計(jì)分析，確定儲(chǔ)層中的礦物組成內(nèi)容以及含量。

1.2.3 沉積構(gòu)造

儲(chǔ)層的沉積構(gòu)造類型包括平行層理、塊狀層理、水平層理等。平行層理的特征是由于水流的強(qiáng)大動(dòng)力推動(dòng)，使其形成具有一定規(guī)律的分層結(jié)構(gòu)[4-5]。塊狀層理特征是：在儲(chǔ)集層中沒有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的物質(zhì)分布比較均勻，主要是由破碎物質(zhì)迅速堆積而成。通過對(duì)劃分地層之間結(jié)構(gòu)的分析，可以得出沉積構(gòu)造特征的分析結(jié)果。

2 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征三維模型

運(yùn)用地質(zhì)原理和三維地質(zhì)建模原理[6]，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行高精度的三維地質(zhì)建模。最終儲(chǔ)層巖石學(xué)特征三維建模結(jié)果包括三維地質(zhì)構(gòu)造模型、確定性地質(zhì)模型和粗化三維地質(zhì)模型等部分，在特定的控制條件下，確定其可能發(fā)生的變化，再根據(jù)不同的目標(biāo)進(jìn)行選擇，從而得到最合理的結(jié)果。

2.1 選擇儲(chǔ)層巖石學(xué)特征三維建模工具

Petrel 地質(zhì)建模軟件集地震解釋、構(gòu)造建模、巖相建模、油藏屬性建模和油藏?cái)?shù)值模擬顯示及虛擬現(xiàn)實(shí)于一體，為地質(zhì)學(xué)家、地球物理學(xué)家，巖石物理學(xué)家，油藏工程人員提供了一個(gè)共享的信息平臺(tái)。Petrel的功能不僅可以精確描述透視油藏屬性的空間分布，還可以計(jì)算其儲(chǔ)量和誤差。

本文利用Petrel地質(zhì)建模軟件對(duì)該儲(chǔ)層巖石特性進(jìn)行了三維建模，根據(jù)Petrel軟件的格式要求[7-8]，加載了初始數(shù)據(jù)與資料，通過模型軟件的可視化展示功能，對(duì)異常的井段進(jìn)行糾正，并得出可視化輸出結(jié)果。

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

建立儲(chǔ)層巖石學(xué)特征的三維建模需要大量的數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)準(zhǔn)備則是建立一個(gè)由鉆井?dāng)?shù)據(jù)、分層數(shù)據(jù)、沉積相數(shù)據(jù)、孔隙水?dāng)?shù)據(jù)等組成的數(shù)據(jù)庫(kù)。在模型建立過程中，鉆井?dāng)?shù)據(jù)是最基本的數(shù)據(jù)，井位數(shù)據(jù)包括井號(hào)、井口坐標(biāo)、布井高度、深度、類型等。分層數(shù)據(jù)是指在各油井的基礎(chǔ)上，按照預(yù)先研究的結(jié)果，劃分出地層等級(jí)。分層數(shù)據(jù)是建立地基模型的依據(jù)，該類型數(shù)據(jù)能有效地控制地層的厚度和高度的波動(dòng)[9-10]。高能相帶中的粒狀灰?guī)r具有良好的孔滲能力，而低能相區(qū)的滲透性較差，因此，在對(duì)各油氣田的沉積相分析過程中，將各儲(chǔ)層的沉積相分為高能灘相區(qū)和低能區(qū)，并進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)。另外，孔滲數(shù)據(jù)主要指的是儲(chǔ)層中不同深度位置上對(duì)應(yīng)的孔隙度，可以通過實(shí)測(cè)孔隙度和滲透率的井獲得數(shù)據(jù)，也可以通過測(cè)井獲得孔隙度和滲透率數(shù)據(jù)。將各種準(zhǔn)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Petrel標(biāo)準(zhǔn)的文檔，導(dǎo)入到已經(jīng)建成的項(xiàng)目中，建立井位數(shù)據(jù)庫(kù)，導(dǎo)入單井?dāng)?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成分級(jí)數(shù)據(jù)。在儲(chǔ)層巖石特性三維模型中，沒有進(jìn)行地震勘探，因此，地層資料全部來源于測(cè)井解釋水平[11]。數(shù)據(jù)導(dǎo)入完畢后，利用三維可視化工具，與平面圖對(duì)比，重新檢查井位坐標(biāo)，驗(yàn)證連井?dāng)嗝鎻?fù)檢數(shù)據(jù)的正確性。

2.3 模擬儲(chǔ)層成巖與演化過程

油氣藏的形成與沉積、構(gòu)造、成巖、壓力、流體、溫度等地質(zhì)活動(dòng)以及無機(jī)、有機(jī)地球化學(xué)等諸多方面的綜合影響[12]。

隨著地層深度的增加，儲(chǔ)層受到了機(jī)械壓實(shí)的影響，其中包含了多種巖石碎片組成的礦物和碎片礦物也開始了水化[12]。膠結(jié)物綠泥石被包裹成膜狀，由此可以阻止其與孔隙水的接觸，降低其他膠結(jié)物的膠結(jié)和沉淀，另一方面也使砂體的抗壓實(shí)性能得到提高。通過物理和化學(xué)兩種因素的綜合作用，使接觸點(diǎn)數(shù)個(gè)結(jié)晶格子發(fā)生變形、溶解，從而形成壓溶，這是由于機(jī)械壓緊作用持續(xù)加強(qiáng)的結(jié)果。壓溶是最普遍的一種壓溶現(xiàn)象，它使石英粒子互相嵌入，產(chǎn)生線接觸、凹凸接觸和縫合接觸，同時(shí)石英壓溶后的產(chǎn)物在孔隙中溶解，使儲(chǔ)集層的孔隙率下降。由于孔隙溶液中的過量飽和物質(zhì)的沉淀，形成了硅質(zhì)巖、硅酸鹽、硫酸鹽類和粘土礦物。在機(jī)械壓實(shí)、壓溶、膠結(jié)等作用下，通過層層堆積逐漸在儲(chǔ)層中形成巖石，并經(jīng)過長(zhǎng)期演化，原生礦物被后生礦物替代，巖石中組分也會(huì)溶解到地下水溶液中，逐漸形成成熟的巖石并穩(wěn)定存儲(chǔ)在儲(chǔ)層中。

2.4 精細(xì)劃分儲(chǔ)層地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)儲(chǔ)層巖石形成演化過程，儲(chǔ)層的連續(xù)特征主要有孔隙度、滲透率等?；趦?chǔ)層的連續(xù)特征，設(shè)計(jì)地層結(jié)構(gòu)精細(xì)劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儲(chǔ)層所處環(huán)境的地層進(jìn)行劃分。表1表示的是設(shè)置的地層精細(xì)劃分標(biāo)準(zhǔn)。

表1 地層精細(xì)劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)儲(chǔ)層成巖與演化的模擬結(jié)果，提取地層劃分相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過與表1 中數(shù)據(jù)的比對(duì)，得出儲(chǔ)層區(qū)域地層的精細(xì)劃分結(jié)果。

2.5 求解儲(chǔ)層巖石學(xué)特征屬性

儲(chǔ)層屬性是以隨機(jī)模擬為基礎(chǔ)，通過對(duì)儲(chǔ)集層的隨機(jī)模擬，得出了儲(chǔ)層物性的三維空間分布。儲(chǔ)層的連續(xù)特征主要有孔隙度、滲透率、含油飽和度等。其中孔隙度屬性的計(jì)算公式如下：

式中，Δt為聲波時(shí)差；滲透率則是指液體在某一特定情況下穿過地層的能力，它反映了巖石容許液體的能力，該屬性與孔隙度屬性之間的關(guān)系可以用公式（2）表示。

將公式（1）的計(jì)算結(jié)果代入到公式（2）中，即可得出儲(chǔ)層滲透率的量化求解結(jié)果。含油飽和度屬性的測(cè)定以電阻率測(cè)井作為理論基礎(chǔ)，其計(jì)算公式為：

式中，a、b 均為常數(shù)系數(shù)，系數(shù)的具體取值由儲(chǔ)層地層的精細(xì)劃分結(jié)果決定，ηres為電阻率，參數(shù)n和m對(duì)應(yīng)的是產(chǎn)層飽和度和孔隙度指數(shù)。另外，設(shè)置儲(chǔ)層巖石學(xué)特征三維建模的默認(rèn)網(wǎng)格大小為16 m×16 m×1 m，以儲(chǔ)層巖石學(xué)離散特征包括沉積相、儲(chǔ)集砂體、儲(chǔ)層構(gòu)型、隔層、夾層、流動(dòng)單元、儲(chǔ)量等。以儲(chǔ)量屬性為例，其計(jì)算公式為：

式中，變量S和h分別為含油面積和油層平均有效厚度，ρo為平均地面原油密度，而參數(shù)Boi為平均地層原油體積系數(shù)。根據(jù)已有的井點(diǎn)資料，采用隨機(jī)法對(duì)各3D 網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值模擬，從而構(gòu)建了油藏的三維屬性數(shù)據(jù)。在實(shí)際建模過程中，利用測(cè)井資料作為主要控制資料，通過序貫高斯仿真，先對(duì)孔隙度進(jìn)行三維隨機(jī)建模，然后利用該模型作為約束條件，建立了三維模型屬性約束條件。

2.6 實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層巖石學(xué)特征三維建模

按照儲(chǔ)層的地層精細(xì)劃分結(jié)果得出儲(chǔ)層的基本結(jié)構(gòu)模型，在此基礎(chǔ)上輸入巖石學(xué)特征以及屬性的分析與計(jì)算數(shù)據(jù)，不同的地質(zhì)變量類型具有不同的概率分布特征，定位離散型變量和連續(xù)型變量的分布函數(shù)為：

式中，Z(x)為儲(chǔ)層的巖石學(xué)特征與屬性變量；z和k|(n)為變量類型，分布對(duì)應(yīng)的是離散型和連續(xù)型變量，而Prob{?}函數(shù)則代表數(shù)值落在指定區(qū)間內(nèi)的對(duì)應(yīng)概率。按照優(yōu)化設(shè)計(jì)的離散型變量和連續(xù)型變量，結(jié)合建模流程，得出最終的可視化模型輸出結(jié)果。

3 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征三維模型可信度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的地層精細(xì)劃分下的儲(chǔ)層巖石學(xué)特征三維模型的可信度與應(yīng)用價(jià)值，設(shè)計(jì)模型驗(yàn)證測(cè)試實(shí)驗(yàn)。三維模型的可信度可以由三維模型巖石學(xué)屬性、地層曲線分布以及與實(shí)際儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)的比較驗(yàn)證來確定，如果三維模型與實(shí)際儲(chǔ)層的結(jié)構(gòu)與特征差異越小，說明三維模型的可信度越高，測(cè)試得出的三維模型可信度越高，則相應(yīng)模型的應(yīng)用價(jià)值越高。

3.1 設(shè)置驗(yàn)證指標(biāo)

此次模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)分別從儲(chǔ)層構(gòu)造結(jié)構(gòu)和巖石學(xué)特征屬性指標(biāo)2個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置儲(chǔ)層地層構(gòu)造擬合度、儲(chǔ)層孔隙度、滲透率和儲(chǔ)量誤差作為實(shí)驗(yàn)的量化測(cè)試指標(biāo)，其中擬合度的數(shù)值結(jié)果為：

式中，變量Vcoin和Vall分別為模型與實(shí)際儲(chǔ)層構(gòu)造結(jié)構(gòu)的重合體積以及研究區(qū)域內(nèi)儲(chǔ)層的總體積，計(jì)算得出模型的擬合度越高，說明建立儲(chǔ)層巖石學(xué)特征三維模型的可信度越高。另外，儲(chǔ)層孔隙度、滲透率以及儲(chǔ)量的誤差測(cè)試結(jié)果可以表示為：

式中，變量ηM-hole、ηA-hole、ηM-infiltration、ηA-nfiltration、WM和WA分別為儲(chǔ)層孔隙度、滲透率以及儲(chǔ)量特征屬性的模型輸出數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出模型的巖石學(xué)特征屬性誤差越大，說明構(gòu)建模型的可信度越低。設(shè)置擬合度預(yù)設(shè)值為0.85，屬性誤差的預(yù)設(shè)值為0.1，要求優(yōu)化設(shè)計(jì)儲(chǔ)層巖石學(xué)特征三維模型的擬合度不得低于預(yù)設(shè)值，屬性誤差不得高于預(yù)設(shè)值。

3.2 驗(yàn)證結(jié)果與分析

通過實(shí)際勘測(cè)得出儲(chǔ)層巖石學(xué)特征的實(shí)際數(shù)據(jù)，提取三維模型中的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過公式（6）的計(jì)算得出模型擬合度的測(cè)試結(jié)果，如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征三維模型擬合度測(cè)試結(jié)果

從圖1中可以看出，在地層精細(xì)劃分下，優(yōu)化構(gòu)建儲(chǔ)層巖石學(xué)特征三維模型擬合度的最小值為0.89，高于預(yù)設(shè)值。另外，模型巖石學(xué)特征屬性誤差的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 模型巖石學(xué)特征屬性誤差測(cè)試數(shù)據(jù)表

將表2中的數(shù)據(jù)代入到公式（7）中，計(jì)算得出儲(chǔ)層孔隙度、滲透率和儲(chǔ)量特征屬性的平均誤差值分別為0.020、0.028 和0.032，均低于0.1。由此證明，地層精細(xì)劃分下的建立儲(chǔ)層巖石學(xué)特征三維模型具有較高的可信度。

4 結(jié)語

儲(chǔ)層巖石學(xué)特征三維模型對(duì)于地下資源的開發(fā)具有重要的應(yīng)用意義，通過地層精細(xì)劃分概念的應(yīng)用，分析儲(chǔ)層構(gòu)造與巖石學(xué)特征屬性，從巖石顏色、礦物組分和沉積構(gòu)造3個(gè)方面，對(duì)各控制點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的插值和外推，通過儲(chǔ)層巖石學(xué)多類型特征組成，輸出儲(chǔ)層參數(shù)空間的整合分析結(jié)果，提高了儲(chǔ)層巖石學(xué)特征三維模型的可信度與應(yīng)用價(jià)值。