一一种复杂曲流带储层三维构型建模新方法

赵永军, 舒 晓, 胡 勇, 金宝强

(1.中国石油大学地球科学与技术学院,山东青岛 266580;2.中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院,天津 300452)

一一种复杂曲流带储层三维构型建模新方法

赵永军1, 舒 晓2, 胡 勇2, 金宝强2

(1.中国石油大学地球科学与技术学院,山东青岛 266580;2.中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院,天津 300452)

基于河道迁移演化模拟、侧积层定量三维分布模式及沉积过程模拟提出一种复杂曲流带储层三维构型建模新方法,并根据井数据构建渤海湾盆地A油田明化镇组下段曲流河相储层三维构型机制模型。结果表明:该方法能够在三维空间模拟复杂曲流带储层内部构型元素的大小、三维形态及其空间结构关系,实现对储层连通性、连续性及非均质性的定量表征,是一种快速有效的复杂曲流带储层构型建模新方法。

构型; 侧积层; 储层建模; 曲流带; 河流相储层; 沉积模拟

储层构型是指储层内部不同级次构成单元的规模、几何形态及其相互间的结构关系[1-4]，对油气藏评价与开发具有十分重要的意义。目前对于露头、现代沉积以及地下储层中单个点坝砂体或窄带型曲流河储层的构型表征和建模研究较多,但对河流长期迁移摆动、废弃形成的连片复杂曲流带储层三维构型的定量表征与建模研究还未见报道[5-13]。构型研究的一个重要方面是结构关系表征,单个点坝砂体的解剖无法表征储层的整体连通性、连续性,这对于油田早期开发方案设计和中后期实施综合调整不利。渤海湾盆地A油田明下段储层是典型的曲流河相储层,由于河流长期迁移演化、废弃,形成了连片砂体,经过近20年开发,已进入高含水开发阶段,亟需对储层构型规模、三维几何形态，特别是空间结构特征进行表征，以指导综合调整工作。

1 复杂曲流带储层成因模拟

曲流河相储层是河流侧向扩展、局部旋转与整体向下游平移这一系列运动过程中,水流搬运、侵蚀和沉积等作用下形成的,因此揭示其水动力内在机制对于构建准确的复杂曲流带储层三维构型模型至关重要。

1.1 河流演化模拟方法

河流演化过程可分为3个阶段。第1阶段为顺直河流发展为弯曲河流。如图1所示,该阶段开始时河流床面上会发生动平整过程使河道内形成持续前移沙纹,最终在河道内形成交错分布的浅滩。水流绕浅滩边缘前行,产生的二次环流造成浅滩处淤积,上、下浅滩衔接处冲刷,逐渐从顺直河道发展为弯曲河道。第2阶段是在螺旋水流的作用下,河流不断侵蚀凹岸、加积凸岸,并整体向下游迁移,使得弯曲河道持续演化,当河流从原先位置迁移到另一位置后,点坝沉积使得河流宽度保持恒定。第3阶段为河道演化到一定程度时,河道弯曲度过大,在颈部过窄时会发生截弯取直产生废弃河道,从而降低了河道整体弯曲度,使得河道保持稳定。河道截弯取直不仅实现了曲流带的自我稳定，同时其能够对河流动力学机制进行筛选，只保存那些对河流长期演化起关键作用的机制。此后河流会继续迁移演化,直至下一次截弯取直发生或者河道完全废弃。

图1 弯曲河道及点坝形成过程Fig.1 Forming process of meander and point bar

为表征上述过程,引入河流动力学的河道迁移公式[14-23],该公式定量表征了流速场、沉积物搬运与河床形态之间的复杂耦合关系,反映沿河道各处的迁移速率与其水流近岸速度增量呈正比,可记为下式:

d(s,t)=Ev(s,t) .

(1)

式中，d(s,t)为t时刻河道弧长s位置处的河道迁移距离,m;E为侵蚀系数,其值越高,河流侵蚀河岸越容易,侧迁也越迅速,该值在实际模拟中主要作为一个比例因子使用,用来调节模拟过程中河道迁移的速率;v(s,t)为t时刻河道弧长s处的近岸速度增量,m/s，其值越大,水流的冲刷作用越强烈,侧向迁移也越迅速。可通过下式计算:

(2)

式中,h0为河道平均深度,m;b为河道宽度的一半,可通过地震切片或与河道深度有关的经验公式获得,m;g为重力加速度,m/s2;A为冲刷因子;f为摩擦系数;I为河道比降;C(s,t)为t时刻河道弧长s位置处的曲率。

对式(2)进行分析发现,近岸速度增量主要取决于式(2)右侧第一项中河道曲率和宽度。河道曲率越大的位置,迁移速度越快,反映了河道形态对迁移演化的控制作用。此外,式(2)中宽度b具有双重作用,一方面是表征河道宽度,另一方面被用于计算河道内的流量，因此在模拟中通过调节b值,可以反映流量变化对迁移演化的控制作用。当洪水来临时,水流量加大,迁移作用迅速,点坝砂体加积。洪水退去后,水流呈低流状态,侧迁作用缓慢,细粒物质披覆在点坝砂体表面形成侧积层。这种水流能量从强到弱的变化使得点坝砂体加积方向上具有正韵律特性。在水流能量恒定期,加积作用稳定,形成储层的均质韵律特征。当流量逐渐降为0时,河流逐渐停止演化而趋于废弃。

如图2所示,中间的黑线是演化初始时期的河道中线,伴随迁移演化进程,河道形态发生相应变化。计算中用多个离散的控制点定义一条曲线。对图中黄色控制点,根据式(1)、(2)计算其迁移距离,按照迁移方向(曲率半径方向)进行多次迁移模拟,可达到由初始河道形态预测未来任一时刻河道形态的目的。至此完成迁移演化(1、2阶段)模拟。

对于截弯取直过程模拟采取了以下方法。在迁移模拟各个时刻,以河道中线上各控制点Pi为中心,以指定半径建立搜索圆检查其内是否存在其他非相邻节点Pi+k。当存在时,认为两个节点之间发生截断,将其连接为新的河段，同时将原先两个截断点间的节点Pi+1,Pi+2,…,Pi+k-1形成的线段记录为废弃河道。如图2所示,绿色控制点所在河曲颈口,随着河道演化将进一步收缩,其间将发生截断形成新的河道。在模拟中,通过给定控制点间的最小距离值来决定控制点之间是否会发生截弯取直,该数值一般可以通过分析卫星图片中废弃河道截断处的距离获得,而在模拟中给定一个范围值可以更真实地反映这一特点。至此完成了截弯取直(第3阶段)模拟。最后,当模拟达到指定的迭代次数时,河流演化结束,此时将当前河道中线整个记录为废弃河道。

图2 河道迁移演化及截弯取直模拟Fig.2 Simulation of river migration and neck cutoff

1.2 侧积层三维分布模式的定量表征

目前的点坝砂体内部侧积层分布模式往往限于利用侧积层倾向、倾角、点坝加积宽度、侧积夹层密度、侧积层垂向延伸距离等参数获得一个笼统的三维分布模式,存在以下主要问题:缺乏有效的侧积层平面及剖面形态定量表征方法;沿同一侧积层走向侧积层倾角的变化和沿点坝加积方向不同侧积层倾角的变化没有体现;对点坝内部侧积层间的结构关系缺乏有效的定量描述方法。

基于河道迁移过程模拟提出一种新的侧积层分布模式定量表征方法。如图3所示,通过河道迁移公式可以获得河道演化过程中任一时刻的河道中线。由于侧积层是水流能量减弱时细粒物质披覆在河道凸岸一侧形成的,其平面展布形态应和河道中线一致,由此解决了侧积层平面形态的定量表征问题。周银邦等[24]认为河道剖面形态决定了侧积层形态及倾角,因此可通过Deutsch提出的河道剖面形态公式对侧积层剖面形态进行表征[25]。该公式将河道平面曲率与河道剖面形态联系起来,反映了河道弯曲度与其剖面形态的定量关系,即

(3)

式中,h为河道底面深度;w为河道深度对应的宽度位置;hmax为河道最大深度;w0为河道最大深度对应的宽度位置,与河道中线曲率相关。w0的计算公式为

(4)

式中,Cmax为河道中线最大曲率的绝对值;C(Pi)为河道中线上某一点Pi处的曲率。式(4)表明,当河道曲率为0时,最大深度位置在河道中央,河道剖面形态对称,当曲率不等于0时,最大深度在凹岸一侧,这与实际认识一致。

实际模拟中,可以按照露头、现代沉积、密井网解剖获得的侧积层密度抽取河道迁移演化模拟得到的河道中线,通过Deutsch河道剖面形态表征公式记录河道凸岸一侧的轮廓,构建出侧积层三维模型(图3)。

如此构建的侧积层模型其分布模式一方面符合统计规律,另一方面其空间三维展布、形态受到定量成因规律控制。

1.3 河流沉积模拟方法

河流演化模拟是在几何域中实现的。模拟的河道中线、河道三维框架、废弃河道中线、废弃河道框架、侧积层中线、侧积层框架均以矢量形式存储。在实现矢量模型构建的同时,还需要在网格空间以数值形式记录沉积相代码来获得最终的实体模型,得到的模型可以用于后期的油藏数值模拟。

图4反映了河道中线上某一控制点Pi的沉积模拟过程。沿迁移方向,通过持续地在网格中记录沉积相,实现了点坝、侧积层、废弃河道、河底滞留的沉积模拟。最终网格模型中模拟出的构型元素形态精度与网格大小相关。

图3 侧积层三维分布定量表征方法Fig.3 Quantitative characterization method of 3D pattern of mud drape

图4 沉积模拟方法Fig.4 Method of deposition simulation

2 实例分析

2.1 研究区简况

渤海湾盆地A油田明化镇组下段M油组曲流河相储层是河流多期迁移、废弃形成的连片砂体,现已进入高含水开发阶段,开展复杂曲流带三维构型机制模型的表征和研究工作对于深化储层认识、解决储层层内矛盾、寻找剩余油富集区、开展综合调整工作具有指导作用。限于当前井网密度不足，难以开展整个研究区的实际构型建模工作,因此决定建立该研究区的三维构型机制模型。

经过测井曲线分析和统计,根据点坝砂体厚度确定了该区的河道深度,并通过Leeder公式计算了该区的河道宽度[26]。点坝厚度为4.0～7.0 m，河道宽度为57.5～136.1 m，侧积层密度为0.013。

对于侧积层,由于点坝砂体侧积方向长度与其截断时河曲发育程度有关,发育程度大的点坝内部侧积层数目多,因此测量单个点坝砂体内部侧积层的数目并不能代表所有点坝内部侧积层的数目。应计算侧积方向侧积层的发育密度,该密度与古河道发育时水流条件变化相关。限于研究区井距大的问题,直井和定向井都难以揭示侧积层发育密度,因此根据多口水平井对点坝内部侧积层密度进行测量。图5以实际井轨迹显示了水平井A的测井曲线和解释结果,其中侧积体1的测井曲线表现为箱状,反映该阶段水流能量恒定,点坝稳定侧积,而GR值回返的地方反映了水流能量减弱,细粒披覆物质形成了侧积层。 基于该方法,据多口水平井数据识别并统计侧积层发育密度。

图5 水平井A测井曲线解释Fig.5 Logging interpretation of horizontal well A

2.2 实际模型构建

根据上述分析,给出了如下模拟参数：河道宽度为50 m，河道深度为4 m，摩擦系数为0.002 4，侵蚀系数为0.15，冲刷因子为6，河道比降为0.002，侧积层密度为0.013。在给定初始河道中线后,便可以进行复杂曲流带储层三维构型机制模型的实际构建。模拟进行18 000次迭代计算后,最终得到模拟结果(图6、7、8)。

图6 复杂曲流带储层三维构型模拟实现顶视图Fig.6 Top view of simulation realization of 3D architecture model for complex meander belt reservoir

图6是三维模拟结果顶视图,为清晰显示侧积层,隐藏了侧积体,并沿z轴方向放大了25倍。统计结果表明,尽管单河道宽度只有50 m,但长期演化后仍形成了大套连片砂体,宽度为1 600～2 200 m,是单河道宽度的32～44倍。对比Lorenz等[27]提出的曲流带宽度和河道宽度统计关系公式后发现,Lorenz公式不适用于这类发生长期迁移和废弃形成连片砂体的复杂曲流带储层,只适合对河道演化至废弃前形成的窄曲流带宽度和单河道宽度的关系进行表征,即Lorenz公式更适用于对单个河曲的振幅进行衡量。实际上,自然河流几乎都会发生截弯取直,因此应用Lorenz公式在实践中具有局限性。同时模拟结果显示,复杂曲流带可以是单一河道迁移、废弃形成的,不一定是多条河流侧向拼接形成。其中废弃河道是曲流带内部的重要渗流遮挡,部分点坝砂体被完全封隔形成了孤立砂体,在井控不到时是剩余油的富集地带,因此废弃河道是研究区未来构型解剖的关键。此外，河道的复杂迁移运动使某些点坝内部形成了不同倾向的侧积层，同时点坝内部侧积层在顺水流方向上往往相对收敛，在逆水流方向则相对发散，这极大地复杂化了点坝内部的渗流运动。

图7是三维模拟结果栅状图,z轴方向放大了10倍。该图揭示了废弃河道、侧积层和河底滞留沉积三者之间的空间结构关系,点坝上、下部分形成了两种截然不同的连通结构。广泛分布的河底滞留沉积使得储层下部的流动明显,易形成水窜通道,但实际储层中，特别是废弃河道底部滞留沉积的发育和保存程度还需进一步研究。侧积层的倾角向侧积方向逐渐减小,说明随着河道弯曲度变大,河道剖面的不对称性也随之加大,由此披覆形成的侧积层倾角也随之减小。

图7 三维构型模拟结果栅状图Fig.7 Fence diagram of 3D simulation realization

图8是三维实体模拟结果,z轴方向放大了10倍,面向读者方向为水流前进方向。可以看到连片砂体中单一点坝形态多为伸长的鹅颈状,点坝末端扭动方向与水流方向相反。顺水流方向,曲流环内点坝砂体宽度小,垂直流向点坝砂体长度大。各点坝展布方向与水流流向的夹角为45°～90°。此外,曲流带边缘点坝砂体的保存程度、连通性要好于曲流带内部,这是因为外侧的废弃河道有更多的时间硬化,限定了曲流带的最大宽度。内部新形成的废弃河道易遭受再次侵蚀。由于曲流带内部点坝砂体规模相对较小,在设计井网时应注意适当加大控制储量所需的井网密度。

图8 复杂曲流带储层三维模拟实现Fig.8 3D simulation realization of complex meander belt reservoir

2.3 实施效果

根据前述分析,在研究区有针对性地开展了调整工作。一是综合考虑储层空间结构、侧积层复杂遮挡作用、河底滞留沉积形成的高渗通道,以及该区低幅底水油藏特征,确立以水平井为主要挖潜方式,并在设计井轨迹时采取紧贴储层顶部的方式。实际应用效果表明,该方法确保了储层油柱高度，避免了开发时过早见水,同时水平井钻穿点坝中上部分的侧积层,避免了此处形成后期难以动用的剩余油;二是结合点坝展布方向、规模,在大井距、地震分辨率低的情况下确立了水平井钻井方向与曲流带主流线呈50°～80°交角的原则。实践证明应用该方法有效储层钻遇率超过90%;三是根据生产动态资料和井资料在地层压力低、注采关系差的区域,按照机制模型认识的点坝规模,将较大规模砂体重新分析,识别出了废弃河道。将部分生产井转注,注采对应率得到显著提高。同时对当前井网控制不到的砂体钻井,提高了储量动用程度。上述措施指导了研究区的综合调整工作,确保了挖潜水平井高产低水,并进一步提高了储量动用程度。

3 结 论

(1)基于河流动力学河道迁移方程,实现河道迁移过程模拟,提出一种侧积层三维分布模式定量表征方法,结合沉积过程模拟和三维地质体表征技术形成一套复杂曲流带储层三维构型建模新方法。

(2)新方法能够在三维空间定量表征复杂曲流带储层内部构型元素的规模、几何形态及其相互间的配置关系,实现对储层连通性、连续性、非均质性的定量表征。

(3)新方法作为一种基于成因的随机模拟方法,能够根据研究区统计数据建立多个等概率模型用以评估模拟结果的不确定性,但在拟合井数据方面还存在不足,是下一步的研究方向。

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(编辑 徐会永)

A new 3D architecture modeling method of complex meander belt reservoir

ZHAO Yongjun1, SHU Xiao2, HU Yong2, JIN Baoqiang2

(1.SchoolofGeosciencesinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.BohaiResearchInstitution,TianjinBranchCompanyofCNOOCChinaLimited,Tianjin300452,China)

Based on simulations of channel evolution, 3D quantitative distribution pattern of mud drape and sedimentation, a new complex meander belt reservoir modeling method was proposed and applied to construct 3D architecture mechanism model using the well data of oilfield A. The results show that this method can simulate the size, 3D geometry and structural relationship of architecture elements of complex meander belt reservoirs, and can quantitatively characterize the continuity, connectivity and heterogeneity of the reservoir, suggesting the efficiency of this fast new method in complex meander belt reservoir modeling.

architecture; lateral accretion beddings; reservoir modeling; meander belt; fluvial reservoir; sedimentation simulation

2014-06-17

中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目(2009A-1807)

赵永军(1961-),男,教授,硕士，主要从事数学地质、油气资源评价方面的研究。E-mail:zhaoyongjun@upc.edu.cn。

1673-5005(2015)01-0001-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.01.001

TE 319

A

赵永军,舒晓,胡勇,等. 一种复杂曲流带储层三维构型建模新方法[J].中国石油大学学报:自然科学版,2015,39(1):1-7.

ZHAO Yongjun, SHU Xiao, HU Yong, et al. A new 3D architecture modeling method of complex meander belt reservoir [J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2015,39(1):1-7.