大民屯凹陷沈水501中深層地熱田三維地質(zhì)建模技術研究

叢淑飛，周宏，趙艷，靳海龍，劉鵬，吳榮碧，陳元春

（中國石油遼河油田環(huán)境工程公司，遼寧 盤錦 124010）

三維地質(zhì)建模技術近年來在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘探、石油地質(zhì)、水文地質(zhì)等多個領域有廣泛的應用，不同領域應用的深度和廣度不同，中國三維地質(zhì)建模技術在油氣勘探領域的應用程度最高[1]。目前，地熱地質(zhì)建模軟件較多，常用建模軟件有GMS、ROCK Model、GIS 與GOCAD 等，地熱地質(zhì)建模技術不斷發(fā)展，從描述地質(zhì)體構(gòu)造，實現(xiàn)多源二維平面數(shù)據(jù)到三維地質(zhì)實體的轉(zhuǎn)化[2]，到描述儲熱蓋層、熱儲層、導水通道以及熱量來源等地質(zhì)要素的概念模型[3-4]，進一步到基于三維地質(zhì)模型的資源量評價[5-6]，地熱地質(zhì)建模主要是實現(xiàn)三維可視化展示地熱地質(zhì)體，實現(xiàn)準確的熱儲資源量評價。這些地熱地質(zhì)模型，能夠滿足地熱勘探階段地質(zhì)建模需要。隨著地熱開發(fā)的不斷深入，如何實現(xiàn)地熱資源采灌均衡[7-9]，是地熱資源可持續(xù)開發(fā)利用的關鍵，需要提供滿足熱儲層數(shù)值模擬需要的三維熱儲層模型。

地熱資源開采過程是一個涉及熱傳遞、流體流動、巖石應變和化學反應的相互作用的耦合過程，實現(xiàn)地熱資源采灌均衡則需要應用數(shù)值模擬技術綜合分析各種影響因素，預測目標區(qū)地熱田未來在不同的采灌條件下溫度場、壓力場變化情況,獲得合理的采灌量與采灌井距[10-11]。目前地熱地質(zhì)建模技術離滿足地熱數(shù)值模擬的要求還有一些距離，如何提高地熱地質(zhì)建模技術，實現(xiàn)三維地熱地質(zhì)模型數(shù)據(jù)與地熱數(shù)值模擬軟件數(shù)據(jù)無縫對接，為地熱田深入開發(fā)及數(shù)值模擬技術的應用提供地質(zhì)基礎，是地熱地質(zhì)建模技術發(fā)展方向。

石油行業(yè)地質(zhì)建模技術經(jīng)過三十年發(fā)展，地質(zhì)建模技術日趨完善，能夠建立非常復雜的地質(zhì)模型[12]。目前，油氣勘探領域的三維地質(zhì)建模技術水平處于領先地位，Petrel軟件是石油行業(yè)非常成熟的地質(zhì)建模軟件，在石油行業(yè)地質(zhì)建模中有廣泛的應用[13-14]，在Petrel 軟件基礎上開發(fā)出適合地熱地質(zhì)建模的應用，將會大大提高地熱地質(zhì)建模水平。

將Petrel 軟件應用于熱儲層三維地質(zhì)建模，形成了用Petrel軟件建立熱儲層地質(zhì)模型的方法。

1 研究區(qū)地熱地質(zhì)條件

遼河大民屯凹陷有豐富的地熱資源[15-16]，大民屯凹陷位于遼寧省新民市，距沈陽市35 km，是遼河沖積平原的一部分，境內(nèi)交通便利，公路、鄉(xiāng)路四通八達。區(qū)內(nèi)氣候溫和，年平均溫度9.7 ℃。全年平均降水量介于600～700 mm。

大民屯凹陷位于遼河斷陷北部，是遼河斷陷的二級構(gòu)造帶，大致呈北東向展布,面積約為800 km2，平面上呈不規(guī)則三角形，南寬北窄，四周為邊界斷層所限[17]。基底地層主要由太古宇和元古宇的變質(zhì)巖系組成[18]。大民屯凹陷屬于地幔隆起區(qū)，上地幔局部上拱，所形成的幔源熱是該區(qū)主要熱源[19]。大民屯凹陷早期構(gòu)造活動形成多個潛山，地處類似“火盆”結(jié)構(gòu)，深大斷裂促進深部熱流供給。地熱田為深循環(huán)熱水，大民屯凹陷東南和西北部的低山丘陵區(qū)大氣降水為地熱地表水補給，地表水沿凹陷邊界大斷裂和第四系、新近系砂巖下滲，與深部大地熱流傳導、對流形成地熱水，向凹陷中部運移，在古近系砂巖熱儲富集，形成沉積盆地型層狀地熱資源。沙河街組沉積時期凹陷穩(wěn)定沉降，在基巖之上沉積了大套互層熱儲，沙河街及東營組熱儲厚度合計千米。

研究區(qū)位于大民屯凹陷沈水501地熱田，沙河街組砂巖是此區(qū)主要熱儲層。沙河街組熱儲厚度介于450～650 m，熱儲溫度介于45～90 ℃，考慮到熱儲層溫度，地質(zhì)建模和資源量評價目標層是沙河街組沙三段二亞段、沙三段三亞段、沙三段四亞段3套熱儲層。

2 目標區(qū)三維地質(zhì)建模

建立三維地質(zhì)模型需要使用井位坐標、井斜、測井資料、地震資料、鉆井資料等大量的基礎數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)加載過程就是基礎數(shù)據(jù)庫的建立過程。Petrel是一個集地熱地質(zhì)、地震、測井、鉆井等資料一體化的綜合研究地學平臺。在這個平臺上能夠開展地熱地質(zhì)要素研究，可以進行地層對比、數(shù)據(jù)分析，建立井模型、層面模型，最后建立三維地質(zhì)模型。

研究所建地質(zhì)模型，是通過井分層數(shù)據(jù)和構(gòu)造圖，建立構(gòu)造模型；利用泥質(zhì)含量曲線，通過砂巖分布圖、砂地比控制建立巖相模型；在巖相模型控制下，通過測井解釋成果曲線、孔隙度、滲透率分布圖等資料建立屬性模型；最終通過各種模型進行熱儲資源量計算，三維地質(zhì)建模流程見圖1。

圖1 三維地質(zhì)建模流程Fig.1 Workflow of 3D geological modeling

2.1 構(gòu)造模型建立

構(gòu)造建模是地質(zhì)建模的基礎和關鍵，構(gòu)造模型由斷層模型和層面模型組成。建立構(gòu)造模型的關鍵是構(gòu)造模型需要準確反映地質(zhì)研究中對構(gòu)造的地質(zhì)認識，構(gòu)造建模是在精細構(gòu)造圖基礎上采用克里金方法確定性建模。

1）建立斷層模型

為真實反映斷層展布狀況，最基本的要求是斷層面要與鉆井斷點位置完全吻合，與構(gòu)造圖反映的斷層完全吻合。研究區(qū)發(fā)育北東向斷層2條、近東西向斷層1 條（表1），斷層模型是在精細構(gòu)造圖的斷裂控制下，利用斷層多邊形建立初步斷層模型，然后根據(jù)鉆井斷點數(shù)據(jù)，在三維空間對斷面形態(tài)進行校正，使斷裂空間展布與構(gòu)造研究成果一致（圖2）。

表1 大民屯凹陷沈水501地熱田斷層要素Table 1 Fault elements in Shenshui 501 geothermal field in Damintun Sag

圖2 大民屯凹陷沈水501地熱田斷層模型Fig.2 Fault model of Shenshui 501 geothermal field in Damintun Sag

2）建立層面模型

沈水501 構(gòu)造是由F1、F3 斷層夾持的向北西傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角5°～7.3°，內(nèi)部斷層使斷塊復雜化，構(gòu)造形態(tài)南東高北西低。使用精細構(gòu)造等值線及已鉆井地質(zhì)分層計算構(gòu)造層面，使構(gòu)造形態(tài)空間分布與構(gòu)造圖描述完全一致（圖3）。

圖3 大民屯凹陷沈水501地熱田層面模型Fig.3 Surface model of Shenshui 501 geothermal field in Damintun Sag

3）建立網(wǎng)格模型

該區(qū)平均井距600 m，考慮到網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量既要滿足數(shù)值模擬需要，也可以控制有效熱儲層和泥巖隔層的分布，模型平面網(wǎng)格間距設置為50 m×50 m，縱向上網(wǎng)格高度大致為5 m。在建模過程中，充分利用構(gòu)造模型的三維可視化交互編輯與地層對比的結(jié)合，在三維空間深化構(gòu)造認識。在網(wǎng)格模型中，將層面模型與斷層模型相結(jié)合，形成構(gòu)造模型。

2.2 建立熱儲層溫度場壓力場模型

確定性地質(zhì)建模對構(gòu)造和非均質(zhì)程度很弱的參數(shù)如地層壓力、溫度等是非常有效的，構(gòu)造模型、溫度場模型和壓力場模型采用的是確定性建模方法。

在巖性大致相同的條件下，區(qū)域地溫分布主要受構(gòu)造格局影響，基巖隆起區(qū)地溫梯度較洼陷區(qū)高。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)研究，大民屯地區(qū)古近系地溫梯度為2.35～4.12 ℃/hm[20]。恒溫帶地層溫度9.7 ℃，根據(jù)水井實測溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，地溫梯度為3 ℃/hm。沈水501井投產(chǎn)初期靜水位地面以上5 m，考慮到地面一個大氣壓，根據(jù)靜水位計算初期井口壓力0.15 MPa。根據(jù)工區(qū)內(nèi)6口井測壓資料回歸分析，地層壓力梯度0.98 MPa/hm。

根據(jù)上述地質(zhì)認識，有溫度、壓力數(shù)據(jù)的井點采用校正后的溫度壓力數(shù)據(jù)，沒有溫度、壓力數(shù)據(jù)的井，根據(jù)溫度梯度和壓力梯度計算溫度、壓力曲線。在構(gòu)造框架控制下，粗化井點溫度數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)，采用克里金插值方法建立溫度場模型（圖4）和壓力場模型。溫度場模型和壓力場模型能夠充分反映原始狀態(tài)下溫度場和壓力場在三維空間變化。

圖4 大民屯凹陷沈水501地熱田溫度場模型Fig.4 Temperature field model of Shenshui 501 geothermal field in Damintun Sag

2.3 建立熱儲層巖相及孔滲模型

由于巖相、孔隙度、滲透率等參數(shù)非均質(zhì)性較強，這些熱儲層屬性在空間分布有一定的隨機性，隨機性建模方式更適合這類參數(shù)[21-22]。儲層隨機建模是近年來在地質(zhì)研究領域發(fā)展的最新技術，是對儲層非均質(zhì)性進行模擬和對所有不確定性進行評估的最佳方法。

建模采用“二步建?！狈椒ǎ吹谝徊讲捎秒x散型方法建立巖相模型，因為離散模型主要用于描述一個離散性質(zhì)的地質(zhì)特征，比較適合描述巖相大范圍的非均質(zhì)特征；第二步是在巖相離散模型的基礎上，用連續(xù)型建模方法建立孔隙度、滲透率模型，連續(xù)性模型主要描述連續(xù)變化的地質(zhì)參數(shù)的空間分布，適用于孔隙度、滲透率等連續(xù)性變化參數(shù)的空間分布。儲層建模質(zhì)量控制的關鍵點包括相模型和物性模型[23]，在儲層建模的一些重要環(huán)節(jié)開展了質(zhì)量控制。

熱儲層建模，是在上述地熱地質(zhì)認識基礎上建立的。首先，輸入測井解釋成果曲線，通過泥質(zhì)含量曲線計算巖相數(shù)據(jù)，具體標準為，砂巖含量小于等于38%，泥巖含量大于62%。用砂地比數(shù)據(jù)進行質(zhì)量監(jiān)控。在構(gòu)造框架控制下，粗化井點巖相數(shù)據(jù)、孔隙度數(shù)據(jù)和滲透率數(shù)據(jù)。相模型的建立使用序貫高斯指示模擬計算方法，采用變差函數(shù)參數(shù)，物源為北東向，主變程、次變程和垂向變程參數(shù)是通過數(shù)據(jù)分析優(yōu)選的。通過砂體分布圖進行趨勢約束，通過調(diào)整模型的平均凈毛比，以控制整體的砂巖體積。

根據(jù)測井資料統(tǒng)計分析，熱儲層孔隙度偏低，平均孔隙度介于14.8 %～19.2 %，平均滲透率介于（87.0～303.5）×10-3μm2，隨著深度的增加熱儲層物性由淺到深變差?？紫抖饶Ｐ秃蜐B透率模型是在巖相模型約束下，使用序貫高斯模擬計算方法，同樣采用變差函數(shù)參數(shù)，設置物源方向為北東向，根據(jù)數(shù)據(jù)分析優(yōu)選主變程、次變程和垂向變程參數(shù)?？紫抖群蜐B透率模型直接反映儲層內(nèi)部的非均質(zhì)性，將影響數(shù)值模擬的結(jié)果，尤其是滲透率模型，對滲流場溫度和壓力變化影響很大。因此，在建屬性模型時候，對孔隙度模型和滲透率模型進行質(zhì)量控制。首先，保證模型與井點數(shù)據(jù)保持一致，能夠準確反映原始地層物性特征。其次，在建模型時候，通過巖相模型進行趨勢約束。經(jīng)過多次優(yōu)選參數(shù)和質(zhì)量控制，建立了孔隙度模型和滲透率模型。模型中孔隙度、滲透率與巖相有很大的相關性，與地質(zhì)認識基本一致（圖5、圖6）。

圖5 大民屯凹陷沈水501地熱田孔隙度模型Fig.5 Porosity model of Shenshui 501 geothermal field in Damintun Sag

圖6 大民屯凹陷沈水501地熱田滲透率模型Fig.6 Permeability model of Shenshui 501 geothermal field in Damintun Sag

2.4 建立有效熱儲層模型

根據(jù)多個地熱田研究經(jīng)驗，不是所有測井解釋的水層都產(chǎn)水，據(jù)多個產(chǎn)液剖面分析，井筒中實際產(chǎn)水段為水層厚度較大、地層砂地比較高、物性條件好、熱儲層連通性好的水層。識別有效熱儲層是進行地熱田研究基礎和核心的一步。利用測井資料進行有效熱儲層研究是地熱田研究關鍵環(huán)節(jié)之一。

由于沒有巖心物性分析資料，根據(jù)關鍵井的測井解釋做出不同目的層的有效熱儲層孔隙度及滲透率的交會圖分析，有效熱儲層物性下限標準為孔隙度大于等于10%，滲透率大于等于30×10-3μm2?；谝陨险J識，在后續(xù)的地質(zhì)建模中，用以上標準約束精細刻畫有效熱儲層。

NTG 模型定義為有效熱儲層模型。在沈水501區(qū)塊采用不確定方法計算這個有效熱儲層模型。

工區(qū)內(nèi)有測井解釋的泥質(zhì)含量百分比曲線，據(jù)此可以計算得到砂質(zhì)含量百分比曲線，然后將這個曲線粗化到模型中。沈水501 區(qū)塊在砂巖模型約束下，采用序貫高斯模擬方法計算NTG 模型。根據(jù)前文分析，有效熱儲層孔隙度大于等于10%，滲透率大于等于30×10-3μm2。因此，再用孔隙度模型和滲透率模型對NTG 模型進一步約束，最終得到適合工區(qū)的有效熱儲層模型。

3 有效熱儲資源量計算

大民屯凹陷有豐富的地熱資源，準確評估熱儲資源量是地熱可持續(xù)開發(fā)利用的基礎。為準確評估該工區(qū)熱儲資源量，熱儲資源量計算采用基于三維地質(zhì)模型的有效熱儲資源量計算。

基于三維地質(zhì)模型的資源量計算，充分考慮了熱儲層砂體、孔隙度、溫度場的空間分布，將有效熱儲資源量計算的多種參數(shù)，通過模型代入計算，對熱儲層的描述能反映空間的非均質(zhì)性，利用地質(zhì)模型所計算的熱儲資源量更接近地下真實地質(zhì)情況。

通過三維地質(zhì)模型進行的資源量計算，計算原理同熱儲體積法：

式（1）—式（3）中：Q為總熱量，單位J；Q1為水中儲存熱量，單位J；Q2為巖石中儲存熱量，單位J；N為有效熱儲體積，單位m3；ρw為地熱水密度，單位kg/m3；Cw為地熱水比熱，單位J/（kg·℃）；φ為熱儲巖石孔隙度；Tr為熱儲溫度，單位℃；T0為地表年平均溫度，單位℃；ρr為熱儲巖石密度，單位kg/m3；Cr為熱儲巖石比熱，單位J/（kg·℃）。

在巖相模型約束下，根據(jù)上面原理，通過各種屬性模型間的計算，能夠計算出有效流體資源量模型和骨架資源量模型，不僅能得到資源量的準確數(shù)據(jù)，還能夠在空間立體展示資源量的分布。

孔隙度模型是隨機模型，如果種子點不同，模型結(jié)果不同，基于這種思想可以對儲量進行不確定性分析。

將孔隙度模型種子點設定一個變化范圍，在其中平均采樣50 次，分別進行50 次孔隙度模型計算，根據(jù)這些不同的屬性孔隙度模型計算50 次資源量。分析模型變化對計算資源量的影響。對所計算的資源量進行直方圖分析，找到P50概率下的資源量數(shù)據(jù)，根據(jù)這個數(shù)據(jù)，找到對應的種子點數(shù)的孔隙度模型。根據(jù)這個種子點數(shù)量重新計算孔隙度模型及NTG 模型。最后用這模型再次計算流體資源量和巖石骨架資源量。這種資源量計算方法，極大程度地考慮各種地質(zhì)信息對資源量的影響，能夠最大程度科學計算熱儲資源量。

根據(jù)三維地質(zhì)模型計算該區(qū)總資源量0.744×1015kJ，其中地熱流體資源量0.216×1015kJ，巖石骨架資源量0.528×1015kJ，地熱流體體積0.84×109m3。

4 結(jié)論

1）熱儲層三維地質(zhì)模型是地熱田數(shù)值模擬的地質(zhì)基礎，是地熱田開發(fā)中不可或缺的一部分。三維地質(zhì)模型準確與否，直接影響到數(shù)值模擬的結(jié)果。應用地質(zhì)、鉆井、測井等多種資料綜合分析了目標區(qū)地熱地質(zhì)條件。在構(gòu)造研究中，應用三維可視化技術與地層對比、構(gòu)造層面計算相結(jié)合同步進行，深化了對該地熱田的構(gòu)造認識。利用克里金計算方法，首次建立了該區(qū)塊的三維構(gòu)造模型,在三維空間真實展示斷裂及構(gòu)造形態(tài)特征。

2）根據(jù)熱儲層參數(shù)特點，應用確定性建模方式建立了此區(qū)溫度場和壓力場模型，應用隨機建模方式建立了此區(qū)孔隙度模型和滲透率模型，極大地減少儲層預測的不確定性。能夠在三維空間精細刻畫熱儲層各種屬性參數(shù)的空間分布狀況。

3）在三維地質(zhì)模型基礎上用不確定方法計算熱儲資源量，多方面考慮各種地質(zhì)信息對資源量的影響，計算熱儲資源量更加科學合理?；谌S地質(zhì)模型評估的地熱總資源量為0.744×1015kJ，相當于2 539×1015t 標準煤。這對于該地區(qū)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，減少碳排放具有重大意義。

4）可為沈陽采油廠地區(qū)地熱資源開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支撐，為該地區(qū)地熱開發(fā)方案提供地質(zhì)基礎。