一基于岩溶模式的溶洞储集体三维地质建模

2016-12-27李永强侯加根刘钰铭李春晓马晓强

中国石油大学学报（自然科学版） 2016年5期

李永强, 侯加根, 刘钰铭, 李春晓, 马晓强, 韩东

(1.中国石油大学地球科学学院,北京102249; 2. 中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;3.中海油研究总院,北京 100027; 4.中国石化石油勘探开发研究院,北京 100083)

一基于岩溶模式的溶洞储集体三维地质建模

李永强1,2, 侯加根1,2, 刘钰铭1,2, 李春晓1,2, 马晓强3, 韩东4

针对波阻抗属性可以较准确地识别大型溶洞而不能识别小型溶洞的特点,结合岩溶发育模式,分别对不同类型、不同尺度的溶洞储集体三维地质建模进行研究。结果表明:不同岩溶带溶洞储集体对应不同的波阻抗分布范围,因此对不同岩溶带采用不同波阻抗属性值截断,根据岩溶模式人机交互修正的方法建立大型溶洞模型;小型溶洞具有与大型溶洞相似的岩溶成因和发育规律,可以以不同岩溶带的大型溶洞模型作为训练图像,以单井识别的小型溶洞储集体为硬数据,以小型溶洞发育概率为软数据,利用多点地质统计学算法建立小型溶洞模型;所建立的模型能够吻合硬数据,又可以反映溶洞储集体的空间分布特征。

塔河油田; 缝洞型油藏; 岩溶模式; 溶洞储集体; 三维地质建模

建立定量表征储集体三维空间展布的三维地质模型是油藏描述的关键环节,也是油藏数值模拟及编制开发方案的地质基础。目前储层建模技术对于碎屑岩储层描述已趋于成熟,然而碳酸盐岩缝洞型储层由于其储集体空间展布的复杂性,建模方法仍处于发展阶段。碳酸盐岩缝洞型油藏受多期构造运动、多期岩溶作用的影响,具有储集体类型多样、非均质性严重的特点。溶洞储集体是主要储集空间,大于95%的油气产量来源于此[1]。多期不同程度的构造作用和岩溶作用使溶洞型储集体发育类型及规模具有极强的差异性,给储层建模带来一定的挑战。中国很多学者从不同角度对溶洞型储层建模进行了研究,如地震、地质条件约束下的序贯指示模拟方法[2-7],岩溶成因模式控制下的地震属性直接截断法[8],地震相作为训练图像的多点地质统计学方法[9-10]。其不足之处在于:①基于象元的序贯指示模拟方法建立的溶洞模型连片分布,不能区分不同类型的溶洞储集体,很难再现实际的地下溶洞储集体分布规律;②由于受地震资料分辨率的限制,地震属性仅能识别一定精度的大型溶洞储集体,难以准确反映小型溶洞储集体分布规律。侯加根等[11]提出基于岩溶发育模式建立训练图像,利用多点地质统计学建立溶洞储集体模型。笔者以塔河油田奥陶系为例,在分析溶洞储集体分布特征的基础上,对不同类型、不同规模溶洞储集体三维地质建模的思路和方法进行研究。

1 研究区概况

塔河油田处于塔里木盆地北部沙雅隆起(二级构造单元)南翼的阿克库勒凸起(三级构造单元)斜坡带上,西邻哈拉哈塘凹陷,东靠草湖凹陷,南接满加尔坳陷,北部为雅克拉—轮台断凸(图1)。油田含油层位包括三叠系、石炭系、泥盆系、志留系和奥陶系,主力含油层位为奥陶系碳酸盐岩缝洞型油藏。

以塔河油田典型缝洞单元S80单元为例,针对奥陶系缝洞型碳酸盐岩油藏开展不同类型、不同规模溶洞储集体三维地质建模。S80单元是目前塔河油田六、七区产量最高的缝洞单元,面积为16.3 km2, 可用井24口,取心井6口。研究区发育各种类型溶洞储集体,溶洞规模大小差异悬殊,有高精度的三维地震资料(采样间隔为1 ms,网格尺寸为15 m×15 m)及丰富的钻测井及动态资料,为建立精细地质模型奠定了基础。

图1 塔河油田构造位置图

2 溶洞储集体发育特征

2.1 溶洞储集体分类

溶洞储集体是指直径大于500 mm的溶洞,在岩心上不能完整地观察。根据具有相似特征的塔北巴楚地区野外露头考察表明,大型溶洞的几何形态、规模极为复杂,洞内可被多种多样的充填物所充填。由于受洞壁的保护作用,溶洞内部充填物受机械压实作用较弱,仍具较好的孔隙性。根据野外露头特征及溶洞的成因和形态规模,将大型溶洞细分为地下河型溶洞、孤立型溶洞和竖井型溶洞3种类型。

2.1.1 地下河型溶洞

地下河型溶洞是呈管道状展布的、具有类似河流主要特征的地下岩溶通道(图2(a))。发育规模较大,主洞体直径为2～10 m,长度数十米至数百千米。其主要分布在径流岩溶带,水平方向的水力梯度是形成的其主要动力,平面分布可呈单一管道也可呈网状分布。由于地下水位的变化,在新的地下水位附近又会逐渐开拓出新的地下河型溶洞,剖面上呈椭圆状,可见多层地下河型溶洞的叠置。

2.1.2 孤立型溶洞

孤立型溶洞形态多样,以不规则椭球形为主,呈离散状分布在缝洞系统中。孤立型溶洞主要是由于断裂附近岩溶作用的不均匀性形成,常与断裂一起形成沟通良好的缝洞储集体,也可以垂向发展沟通地下河。野外露头表明一般洞体直径0.2～50 m,高0.2～10 m(图2(b)、(c))。

2.1.3 竖井型溶洞

竖井型溶洞是垂直渗流形成的溶洞,以向下发育为主的岩溶形态,以近椭球体为特征,剖面上呈圆形或近圆形,平面上沿地下河走向点状分布(图2(d))。一般发育于表层岩溶带和垂向渗滤带等厚度较大的地区。

图2 塔北巴楚地区古岩溶储层的野外露头特征

2.2 溶洞储集体地震响应特征

塔河油田碳酸盐岩围岩岩性致密单一,呈高速度、高密度、高阻抗特征,发育溶洞时会引起速度、密度的降低及波阻抗的降低,总体上溶洞储集体表现为高值背景下的低值区[12]。前人研究表明波阻抗属性对溶洞型储集体反应比较灵敏[13-15],在研究区利用波阻抗反演成果进行储层预测的有效率达85%以上[1]。以目的层段对应井点识别的溶洞储集体与波阻抗建立一定的统计关系,寻求利用波阻抗预测井间溶洞发育状况。统计分析塔河油田S80单元24口井上识别的87个溶洞所对应的波阻抗数据,结果显示大型溶洞对应的波阻抗值分布主要在12 000～17 000 g/cm3·m/s,基岩波阻抗值主要分布在15 500～21 000 g/cm3·m/s,小型溶洞对应的波阻抗值主要分布在12 200～20 000 g/cm3·m/s。利用波阻抗属性可以较明显地识别出厚度大于5 m的溶洞储集体,称之为大型溶洞;厚度小于5 m的溶洞在地震属性上有一定的反映,但不能明显地区分,称之为小型溶洞。地震数据在储层建模时具有两种作用:①地震属性截断后的分布可反映大型溶洞的空间分布特征[16];②地震数据作为次变量约束建立小型溶洞模型。

2.3 不同岩溶带溶洞储集体发育特征

由于不同岩溶带缝洞结构及充填物性质不同[17],溶洞储集体在不同岩溶相带具有不同的波阻抗属性值分布范围。针对塔河油田S80单元统计发现表层岩溶带溶洞波阻抗值主要分布于12 000～15 500 g/cm3·m/s;渗流岩溶带溶洞波阻抗值主要分布于13 000～16 500 g/cm3·m/s;径流岩溶带溶洞波阻抗值主要分布于13 500～17 000 g/cm3·m/s。该截断值内所反映的大型溶洞分布,初步统计平面溶洞分布吻合率为85%～90%, 波阻抗截断后的分布可以近似代表大型溶洞的空间分布特征。以T74不整合面为准，将0～60 m视为表层岩溶带,60～150 m视为渗流岩溶带,150～240 m视为径流岩溶带,分别提取不同岩溶带波阻抗属性切片。可以看出,竖井型和孤立型溶洞比较孤立,溶洞波阻抗与基岩差异明显,易于识别(图4(a)、(b))。地下河地震切片显示波阻抗连续性较差,但也可以显现类似河道的形态(图4(c)),确定地下河型溶洞储集体分布范围不能根据单一的波阻抗属性,而应根据河道先验模式综合识别。

图3 S80单元溶洞储集体与波阻抗属性对应关系

图4 S80单元不同岩溶带波阻抗属性切片

由于不同岩溶带岩溶成因不同,发育不同类型的大型溶洞。综合野外露头、岩心、测井、地震资料分析,表层岩溶带以发育连接地表的竖井型溶洞为主(图5(a)、(d)),垂直渗流带以发育孤立型溶洞为主(图5(b)、(d)),径流带主要受潜水面波动的影响,以发育地下河型溶洞为主(图5(c)、(d))。竖井型溶洞充填物复杂,较多为垮塌角砾,充填程度高。孤立型溶洞充填物类型多为垮塌角砾岩。地下河主要是砂泥充填物,岩心可见与河流作用有关的层理。

图5 不同岩溶带溶洞储集体分布模式

3 建模方法及实例分析

针对不同类型、不同规模溶洞储集体采取的建模总体思路是:不同岩溶带用不同波阻抗属性值截断,岩溶模式修正建立不同类型大型溶洞模型;以大型溶洞模型为训练图像,井震结合采用多点地质统计学方法建立小型溶洞模型。

3.1 大型溶洞储集体建模

大型溶洞储集体建模应综合考虑岩溶作用对大型溶洞发育的控制作用,遵循成因建模原则[4]。由于不同岩溶带岩溶发育规律不同,不同岩溶带大型溶洞储集体对应不同范围的波阻抗值。基于“井震结合,地质模式约束”的原则,采用“不同岩溶带不同地震属性截断值”的思路建立大型溶洞模型。应用PETREL软件,将波阻抗数据体重采样到三维网格体,通过不同岩溶带单井岩心、测井及动态资料标定的溶洞对应的波阻抗值对波阻抗反演数据体进行截断,采用确定性的方法初步建立大型溶洞三维地质模型,然后根据大型溶洞在不同岩溶带的发育特征,人机交互修正模型,使模型在形态规模和连续性上与地质认识保持一致性,最终建立大型溶洞三维地质模型(图6)。针对S80单元共识别竖井型溶洞18个,孤立型溶洞18个,交织分布的地下河型溶洞2条。

3.2 小型溶洞储集体建模

多点地质统计学是建立复杂地质体模型的一种方法,综合了基于象元的和基于目标的优点,既能很好地条件化数据,又能再现目标体几何形态[18-19]。训练图像提供了地下复杂非均质体的概念模式,为多点地质模拟提供了先验的储层结构信息[20]。合适的训练图像是多点地质统计学建模的关键,训练图像的平稳性是多点地质统计过程中的难题。针对塔河油田碳酸盐岩缝洞型油藏,已有地质分析发现,小型溶洞与大型溶洞有相似的岩溶成因,岩溶强度有差异,因此二者具有储层结构相似、规模差异的特点,可以以大型溶洞模型作为训练图像。不同岩溶带溶洞储集体发育特征不同,在建模过程中对不同岩溶带区分对待,分别建立训练图像进行模拟,从而可以解决训练图像平稳性带来的难题。

图6 S80单元大型溶洞储集体三维地质模型

由于大型溶洞和小型溶洞规模单井只能通过计算溶洞高度确定,首先根据不同岩溶带统计单井识别的大型溶洞和小型溶洞高度,然后分析不同规模溶洞高度的比例作为建模时的约束参数。研究区表层岩溶带共发育大型溶洞5个,溶洞平均高度7.5 m;小型溶洞11个,溶洞平均高度2.1 m。渗流岩溶带共发育大型溶洞4个,溶洞平均高度6.4 m;小型溶洞8个,溶洞平均高度3.2 m。径流岩溶带共发育大型溶洞31个,溶洞平均高度11 m;小型溶洞28个,溶洞平均高度2.7 m。

表1 S80单元单井溶洞储集体规模统计

Sneism算法允许地震数据作为软数据模拟储集体的分布[19,21],根据波阻抗数据提取溶洞发育概率体作为建模软数据。低阻抗部分对应高溶洞发育概率,高阻抗部分对应低溶洞发育概率。以此概率体约束溶洞储集体建模,降低了储层模型井间预测的不确定性。

以单井解释的小型溶洞储集体为硬数据,以小型溶洞发育概率体为软数据,考虑小型溶洞垂向发育概率,根据小型溶洞与大型溶洞规模统计规律设置比例关系,利用多点地质统计学Snesim 算法,模拟得到小型溶洞三维地质模型(图7)。建立的模型既能很好地吻合硬数据,又能反映先验地质认识。

图7 S80单元小型溶洞储集体三维地质模型

3.3 模型验证

研究所建立的三维地质模型更精细地表征了不同类型大型溶洞和小型溶洞储集体的三维空间展布特征,可用于细化模型储量构成和油藏数值模拟。储量模型显示储量丰度与单井累产数据吻合度高(图8)。数值模拟结果显示全区产油量拟合符合率为98%,含水符合率大于80%,产量预测符合率大于80%,取得了较好的效果,为油藏开发中后期剩余油挖潜和调整开发方案提供了可靠的地质依据。

4 结论

(1)波阻抗属性与溶洞储集体具有较好的对应关系,可以明显识别大于5 m的溶洞,而不能准确识别小于5 m的溶洞。不同岩溶带溶洞储集体对应不同的波阻抗分布范围,因此不同岩溶带采用不同波阻抗属性值进行截断,根据地质模式人机交互修正,建立大型溶洞模型。

(2)以不同岩溶带的大型溶洞模型分别作为训练图像,以单井识别的小型溶洞储集体为硬数据,小型溶洞发育概率体为软数据,利用多点地质统计学算法模拟小型溶洞三维模型。所建立的模型既能很好地吻合硬数据,又能较好地反映先验地质认识。

[1] 焦方正,窦之林.塔河碳酸盐岩缝洞型油藏开发研究与实践[M].北京:石油工业出版社,2008.

[2] 赵敏,康志宏,刘洁.缝洞型碳酸盐岩储集层建模与应用[J].新疆石油地质,2008,29(3):318-320. ZHAO Min, KANG Zhihong, LIU Jie. Modeling and application of fractured-vuggy carbonate reservoirs[J]. Xinjiang Petroleum Geology, 2008,29(3):318-320.

[3] 万方,崔文彬,李士超.RMS提取技术在溶洞型碳酸盐岩储层地质建模中的应用[J].现代地质,2010,24(2):279-286. WAN Fang, CUI Wenbin, LI Shichao. The application of RMS extracting technology in geologic modeling on carbonate reservoir with cavern [J].Geoscience, 2010,24(2):279-286.

[4] 侯加根,马晓强,刘钰铭,等.缝洞型碳酸盐岩储层多类多尺度建模方法研究:以塔河油田四区奥陶系油藏为例[J].地学前缘,2012,19(2):59-66. HOU Jiagen, MA Xiaoqiang, LIU Yuming, et al. Modelling of carbonate fracture-vuggy reservoir: a case study of Ordovician reservoir of 4th block in Tahe Oilfield[J]. Earth Science Frontiers, 2012,19(2):59-66.

[5] 鲁新便,赵敏,胡向阳,等.碳酸盐岩溶洞型油藏三维建模方法技术研究：以塔河奥陶系缝洞型油藏为例[J].石油实验地质,2012,34(2):193-198. LU Xinbian, ZHAO Min, HU Xiangyang, et al. Studies of 3D reservoir modeling: taking Ordovician carbonate fractured-vuggy reservoirs in Tahe Oilfield as an example[J]. Petroleum Geology & Experiment, 2012,34(2):193-198.

[6] 刘钰铭,侯加根,胡向阳,等.塔河油田古岩溶储集体三维建模[J].中国石油大学学报(自然科学版),2012,36(2):34-38,44. LIU Yuming, HOU Jiagen, HU Xiangyang, et al. 3D modeling of paleokarst reservoir in Tahe Oilfield[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2012,36(2):34-38,44.

[7] 马晓强,侯加根,胡向阳,等.论古岩溶洞穴型储层三维地质建模：以塔河油田四区奥陶系储层为例[J].地质论评,2013,59(2):315-324. MA Xiaoqiang, HOU Jiagen, HU Xiangyang, et al. Discussion on 3D geological modeling of Palaeokarst cave reservoir: a case study on Ordovician reservoir of the 4th block in the Tahe Oilfield[J]. Geological Review, 2013,59(2):315-324.

[8] 胡向阳,李阳,权莲顺,等.碳酸盐岩缝洞型油藏三维地质建模方法：以塔河油田四区奥陶系油藏为例[J].石油与天然气地质,2013,34(3):383-387. HU Xiangyang, LI Yang, QUAN Lianshun, et al. Three-dimensional geological modeling of fractured-vuggy carbonate reservoirs: a case from the Ordovician reservoirs in Tahe-IV block, Tahe Oilfield[J]. Oil & Gas Geology, 2013,34(3):383-387.

[9] 刘学利,汪彦.塔河缝洞型油藏溶洞相多点统计学建模方法[J].西南石油大学学报(自然科学版),2012,34(6):53-58. LIU Xueli, WANG Yan. Multi-point geostatistical approach to model karst facies of fracture-cavity reservoir in Tahe Oilfield[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition), 2012,34(6):53-58.

[10] 陈培元,杨辉廷,刘学利,等.塔河油田6-7区孔洞型碳酸盐岩储层建模[J].地质论评,2014,60(4):884-892. CHEN Peiyuan, YANG Huiting, LIU Xueli, et al. 3D modeling of vug carbonate reservoir in the sixth-seventh blocks of Tahe Oilfield, Tarim Basin[J].Geological Review, 2014,60(4):884-892.

[11] 侯加根,马晓强,胡向阳,等.碳酸盐岩溶洞型储集体地质建模的几个关键问题[J].高校地质学报,2013,19(1):64-69. HOU Jiagen, MA Xiaoqiang, HU Xiangyang, et al. Key issues of 3D geological modeling of paleokarst-cave carbonate reservoir[J]. Geological Journal of China Universities, 2013,19(1):64-69.

[12] 温志新,王红漫,漆立新,等.塔河油田奥陶系缝洞型碳酸盐岩储层预测研究[J]地学前缘,2008,15(1):94-100. WEN Zhixin, WANG Hongman, QI Lixin, et al. Research on the prediction of Ordovician carbonatite reservoir of fissure-cave type in the Tahe Oilfield[J]. Earth Science Frontiers, 2008,15(1):94-100.

[13] 李阳.塔河油田奥陶系碳酸盐岩溶洞型储集体识别及定量表征[J].中国石油大学学报(自然科学版),2012,36(1):1-7. LI Yang. Ordovician carbonate fracture-cavity reservoirs identification and quantitative characterization in Tahe Oilfield[J].Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2012,36(1):1-7.

[14] 赵彬,侯加根,刘钰铭.塔河油田奥陶系碳酸盐岩溶洞型储层三维地质建模与应用[J].石油天然气学报,2011,33(5):12-16. ZHAO Bin, HOU Jiagen, LIU Yuming. Three dimensional modeling and application of Ordovician carbonate cavity reservoirs in Tahe Oilfield[J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2011,33(5):12-16.

[15] 刘立峰,孙赞东,杨海军,等.缝洞型碳酸盐岩储层地震综合预测:以塔里木盆地中古21井区为例[J].中南大学学报(自然科学版),2011,42(6):1731-1737. LIU Lifeng, SUN Zandong, YANG Haijun, et al. Seismic integrative prediction of fracture-cavity carbonate reservoir: taking ZG21 well area in Tarim Basin as an example[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2011,42(6):1731-1737.

[16] SEBASIEN Strebelle, KAREN Payrazyan, CHEVRON Texaco Eptc，et al. Modeling of a deepwater turbidite reservoir conditional to seismic data using principal component analysis and multiple-point geostatistics[J]. Society of Petroleum Engineers, 2003,8(3):227-235.

[17] 金强,田飞.塔河油田岩溶型碳酸盐岩缝洞结构研究[J].中国石油大学学报(自然科学版),2013,37(5):15-21. JIN Qiang, TIAN Fei. Investigation of fracture-cave constructions of karsted carbonate reservoirs of Ordovician in Tahe Oilfield, Tarim Basin[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2013,37(5):15-21.

[18] 吴胜和,李文克.多点地质统计学:理论、应用与展望[J].古地理学报,2005,7(1):137-144. WU Shenghe, LI Wenke. Multiple-point geostatistics: theory, application and perspective[J]. Journal of Palaeogeography, 2005,7(1):137-144.

[19] STREBELLE Sebastien. Conditional simulation of complex geological structures using multipole-point statistics[J]. Mathematical Geology, 2002,34(1):1-21.

[20] 段冬平,侯加根,刘钰铭,等.多点地质统计学方法在三角洲前缘微相模拟中的应用[J].中国石油大学学报(自然科学版),2012,36(2):22-26. DUAN Dongping, HOU Jiagen, LIU Yuming. et al. Application of multi-point geostatistics in delta front microfacies simulation [J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2012, 36(2):22-26.

[21] LIU Yuhong, HARDING Andrew, ABRIEL William. Multiple-point simulation integration wells, three-dimensional seismic data, and geology[J].AAPG Bulletin, 2004,88(7):905-921.

(编辑徐会永)

3D modeling of cave reservoirs based on karst patterns

LI Yongqiang1,2, HOU Jiagen1,2, LIU Yuming1,2,LI Chunxiao1,2, MA Xiaoqiang3, HAN Dong4

(1.CollegeofGeosciencesinChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspectinginChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;3.CNOOCResearchInstitute,Beijing100027,China;4.PetroleumExplorationandProductionResearchInstitute,SINOPEC,Beijing100083,China)

In this study, we built a 3D model of cave reservoirs for different types and sizes respectively based on karst patterns. Based on that impedance attribute has a good corresponding relationship with cave reservoirs, and caves have different ranges of impedance values in different karst zones, we present a method to construct a model using different seismic impedance truncations for different karst zones and then correct the model using prior geological patterns empirically. Small-scale caves have similar genetic type of karstification with large scale caves, so taking large-scale cave model in different karst zones as training images, we established the model of small caves using multiple point geostatistical simulation with the cave interpretation of well logs as the hard data and development probability as the soft data. This model can both match the hard data and reflect the geological distributions of cave reservoirs.

Tahe Oilfield; fracture-cavity reservoir; karst pattern; cave reservoirs; 3D geological modeling

2016-03-11

国家科技重大专项(2016ZX05014-002)

李永强(1984-)，男，博士研究生，研究方向为油气田开发地质。E-mail：liyongqiangz@163.com。

侯加根(1963-)，男，教授，博士，研究方向为油气田开发地质。E-mail：houjg63@cup.edu.cn。

1673-5005(2016)05-0043-08

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.05.005

TE 122.2

李永强,侯加根,刘钰铭,等. 基于岩溶模式的溶洞储集体三维地质建模[J]. 中国石油大学学报(自然科学版),2016,40(5):43-50.

LI Yongqiang, HOU Jiagen, LIU Yuming, et al. 3D modeling of cave reservoirs based on karst patterns[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2016,40(5):43-50.