地震信息约束的三维建模技术及其在松辽盆地古龙页岩油地质工程一体化中的应用

杨志会 赵海波 黄 勇 杨会东 唐晓花 王 团

（1.中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712；2.黑龙江省陆相页岩油重点实验室，黑龙江 大庆 163712）

0 引 言

松辽盆地北部古龙页岩油属于典型的陆相页岩型页岩油。由于页岩油储集层在岩石组构、物性、含油性以及流动性等方面的特殊性，给三维地质建模和地质工程一体化带来了诸多挑战［1-6］。在北美和四川等页岩油气勘探开发中，以三维地质建模为数据平台的地震地质工程一体化在页岩油气效益开发中得到广泛应用。李彦鹏等［7］在国内多个非常规油气区块通过理论研究与生产实践，总结出一套涉及多学科联合研究和综合应用的地震地质工程一体化技术方法。舒红林等［8］在四川盆地南部五峰组—龙马溪组页岩气藏勘探开发中提出了以三维建模为基础的地质工程一体化流程和重要性。

目前古龙页岩油已进入丛式平台水平井试验区试验阶段，急需基于地震信息约束的三维建模技术来实现地质工程一体化应用。常规油气藏地质建模技术已广泛应用于油气田储量评估及油气藏管理，基于地质、地球物理、测井等多种数据，通过地质统计学建立的三维地质模型已成为多学科团队沟通协作的重要桥梁［9-15］。由于陆相页岩油独特的地质特点，给地质建模在数据基础和应用需求上带来了独特的挑战。一方面，页岩油的钻井资料少，数据冗杂，为了满足陆相页岩油丛式水平井区平台勘探开发的需求，基于地震信息约束的三维地质建模技术是急需解决的难题；另一方面，随着页岩油控储控产影响因素的研究，为三维地质建模方法的优选提出了要求；最后一方面，页岩油目的层发育多种类型的裂缝，对裂缝建模方法提出了巨大挑战。

本文针对陆相页岩油的地质特点，形成了构造建模、富集层参数建模、裂缝建模和丛式平台井区地质导向技术，总结出与钻井和压裂工程结合的一体化工作模式，在古龙页岩油试验区取得了较好的应用效果，可以应用到其他非常规油气藏。

1 基于地震信息约束的三维地质建模技术

首先，开展了针对页岩油目的层的叠前偏移处理，使得地震资料品质能够满足试验区构造解释、富集层刻画及井位部署的需求。其次，围绕页岩油富集层地质工程评价要素指标体系，完成了w（TOC）、S1、孔隙度、富集层厚度、脆性、地应力、裂缝等地质工程参数的地震预测［11］。最后结合丰富的平台钻井、测井评价、录井信息和地质综合研究成果，针对不同研究目的，合理地把数据资源应用于三维地质建模。

三维地质建模的目的是地质工程一体化应用，结合页岩油藏以水平井开发为主、多学科资料丰富的特点，从构造、属性、天然裂缝和地质力学4 大方面表征页岩油勘探开发中的储层品质和工程品质参数，建立了构造模型、w（TOC）模型、储层分类模型、孔隙度模型、饱和度模型、裂缝以及地质力学模型等。关键技术流程包括：（1）高精度构造建模；（2）井震结合地质参数建模；（3）地震信息约束的多尺度裂缝建模；（4）满足压裂模拟的地质力学建模。在丛式平台井地质导向工作中，实现了钻前轨迹设计、钻时时效跟踪、钻后模型评价、时刻与工程紧密结合的一体化技术流程（图1）。

图1 试验区三维地质建模及一体化流程示意Fig.1 3D geological modeling and integration workflow for pilot area

1.1 构造建模

经过地震解释人员的构造解释并建立高精度速度场，可以得到各层位的构造图。断层解释成果、速度场和构造图是构造建模的数据基础。

构造模型包括层面模型和断层模型，主要反映储层的空间格架，描述油藏的构造几何形态、断层等构造要素的空间分布。结合钻井分层数据，采用“井震结合”方法进行构造建模是提高构造模型精度的有效方法。首先将地震解释出的断层成果，通过速度场进行时深转换，建立深度域断层模型，然后在井点地质分层的控制下利用构造图成果数据建立层面模型，最后将层位和断层进行耦合建立完整的初始构造模型。

以数值模拟为目的的模型，为保证模拟精度，需要建立精细的网格。页岩油构造模型的重点为网格密度，以地质导向为目的的模型，因模型需要不断更新校正，网格不能太密，因此本次采用50 m×50 m×0.5 m 网格。

初始构造的模型可以应用于地质导向。当实钻构造位置与初始模型不符时，要进行模型的动态更新，更新后的模型为最终构造模型。

1.2 属性建模

在常规砂岩储层建模中，沉积相模型是非常重要的建模流程。在相模式的约束下，可以建立更加精确的属性模型。但是在页岩油建模过程中，由于没有找到成熟的相模式，因而并未建立相模型。本次采用地震方法预测出w（TOC）、S1等多种属性数据，约束表征页岩储层的孔隙度、含油饱和度等属性特征参数。

目前，页岩油试验区井资料较少，甜点参数三维空间分布的特征还不是很清晰，数据的空间结构特征也无法准确确定，基于井数据建立三维地质模型具有很大的不确定性。由于地震预测的w（TOC）、S1等多种属性成果［16］有较好的平面和垂向非均质性，因此结合工程应用需求和泥页岩总体分布特征，决定采用井震结合和随机相结合的建模方法，建立w（TOC）、富集层分类、孔隙度、含油饱和度等模型。

1.2.1w（TOC）模型

总有机碳含量反映了页岩中有机质含量的多少和生烃潜力的大小，是页岩油气生成的物质基础，也是页岩油气评价的关键参数。研究区有井约束的w（TOC）反演预测，分析显示w（TOC）反演预测结果和地质认识规律相符，能反映储层内w（TOC）的变化特征，因此采用确定性建模方法将反演成果直接转换生成w（TOC）三维模型。具体步骤：首先将对时间域w（TOC）反演数据体进行时深转换，生成深度域数据体；然后对深度域w（TOC）进行重采样，将反演w（TOC）数据体输入到模型网格中；最后利用测井曲线对w（TOC）模型进行校正。

1.2.2 富集层分类模型

古龙页岩油按储层性质初步分为3 类，不同储层类型位于不同的层段，研究区为大面积分布的泥页岩储层，储层横向变化相对稳定，以井点解释储层分类为基础，将富集层类型作为离散变量类型，运用克里金插值建立富集层分类模型。

1.2.3 孔隙度模型

孔隙度模型为采用包含趋势约束的克里金插值建模方法。通过研究区内井数据交会分析，页岩w（TOC） 与孔隙度有一定的相关性，随着w（TOC）的增加，页岩孔隙度呈现逐渐增大的趋势。为了建立相对准确的模型，采用地震反演w（TOC）进行趋势约束建模。具体方法是对孔隙度曲线进行井数据粗化，将原始井数据准确赋到网格，在模拟过程中将w（TOC）作为趋势数据输入到建立的孔隙度模型（图2―图3）。从孔隙度模型结果看，预测的剖面符合地质规律。

图2 研究区储层孔隙度模型Fig.2 Reservoir porosity model of studied area

图3 过井A2孔隙度剖面Fig.3 Porosity section through Well A2

1.2.4 含油饱和度模型

含油饱和度模型是以测井解释的饱和度数据为基础建立的。页岩油的含油饱和度随着孔隙度和有机碳含量的增加而加大，在烃类相对富集的页岩油储层中，孔隙度越大，孔隙内的含油量越高，相应的含油饱和度也越大。在建模时加入孔隙度模型进行约束建立含油饱和度三维分布模型。

1.3 多尺度断裂表征和裂缝建模

1.3.1 地震多尺度断裂预测

不同尺度的断裂预测技术是裂缝建模的基础。首先，把古龙页岩油的断裂按照倾角、发育规模和地震识别能力分为大断层、小断层或挠曲、高角度构造缝、水平页理缝和岩心尺度裂缝。不同尺度断裂对压裂工程至关重要（图4）。水平层理缝对水平方向上的渗透率影响较大，是渗透率模型重要的参考指标。而大断层、小断层和高角度构造缝对压裂的影响不同，是压裂设计和施工的重要参考要素。岩心尺度裂缝主要是通过岩心描述识别，用来标定裂缝预测成果。

地震预测方法有反演和不连续性属性检测2种。王团等［17］利用叠前各向异性反演手段，实现水平页理缝地震定量表征。根据地震不同属性的识别能力，可识别大断层、小断层或挠曲和裂缝发育带。在叠后地震资料提取多窗口倾角扫描和构造导向滤波属性基础上，利用相干体、蚂蚁体和曲率体等不连续性属性识别断裂（图4）。

根据相邻地震反射特征间的差异，相干体属性可识别大于5 m 的断层（地震主频为35 Hz）。根据地震波形弯曲程度，曲率体属性可识别小于5 m 的断层或地层挠曲（地震主频为35 Hz）。地震剖面表现为肉眼可识别的弯曲变形。采用蚂蚁追踪算法得到的蚂蚁体属性常被用来自动识别和追踪地震属性体中的异常和不连续性，是裂缝预测的重要手段，可识别天然裂缝发育带。地震剖面上异常特征不明显，肉眼不可分辨（图4）。

图4 针对工程需求的多级断裂精细预测流程Fig.4 Detailed prediction workflow of multi-level fractures for engineering demand

蚂蚁追踪算法中涉及的参数较多，比如初始蚂蚁边界、步长、方向等，不同的参数对预测结果影响很大，保证蚂蚁追踪结果的合理性是应用该方法的重要前提。一般通过试验区内采集的成像测井、钻井、录井、微地震监测等资料进行验证。

1.3.2 裂缝建模

在地震预测成果的约束下，通过确定性建模和随机建模可分层次地建立裂缝模型。确定性建模即通过断层片提取技术将蚂蚁体中的裂缝带信息提取成裂缝面，而随机建模采用离散裂缝建模建立裂缝网络（DFN）。离散裂缝建模参数有裂缝长度、裂缝密度、裂缝倾角和裂缝开度等。这些数据从成像测井裂缝解释中获得，其中裂缝密度对预测结果影响最大，一般采用地震预测成果进行三维约束。

采用地震三维体约束需要：（1）利用地震蚂蚁体预测成果对裂缝密度进行约束；（2）裂缝的强度体或概率体是裂缝预测重要的约束条件。采用地震预测脆性指数属性，通常利用经验公式转为线密度。试验区测井解释裂缝倾角约为75°，将其转换为体密度后，进行裂缝的强度体约束下的裂缝预测。

试验区在综合考虑裂缝发育密度与断层距离、岩石脆性、地层厚度等参数相关性基础上，利用反演地层脆性指数和裂缝发育程度三维数据体建立裂缝发育密度和发育强度三维模型。模型显示裂缝的线密度为0～2.5 条/m，符合研究区裂缝分布规律。在地震预测高角度缝约束下，以裂缝发育强度为输入数据建立研究区裂缝DFN 分布模型（图5）。图5 中裂缝模型中裂缝的长度、倾向、密度等特征整体符合研究区裂缝展布规律。其中井轨迹显示为蚂蚁体属性，底图为S1属性，片状为裂缝模型。

图5 研究区三维裂缝分布DFN模型Fig.5 3D DFN model for fracture distribution in studied area

1.4 三维地质力学建模

以经验公式计算的一维岩石力学参数模型为基础，利用地震预测的弹性模量、泊松比等岩石弹性和抗拉强度、抗压强度等强度参数属性作为约束，构建出三维岩石力学模型；并使用测井综合解释［14-15］的地应力结果作为初始边界条件进行不断调整，采用有限元模拟方法计算储层内部应力，直至计算结果与测井解释的地应力结果实现拟合，最终建立原始应力场模型。

如果地震预测的弹性模量、泊松比等弹性参数属性的符合率较高，可直接输入模型。如果地震预测属性的符合率不高，则在井震信息约束下，采用随机模拟方法建立弹性模量、泊松比等弹性参数模型。对于地震预测缺失的岩石强度参数，采用研究区经验数据，输入模型。三维地质力学建模的主要成果包括最大水平主应力、最小水平主应力、孔隙压力等地质力学模型，可应用于压裂模拟和数值模拟。如果有数值模拟的成果（不同时期的孔隙压力和饱和度），还可模拟生产过程中的力学变化。

2 地震地质工程一体化的应用

地震地质工程一体化的一个重要理念，就是要把一体化三维建模成果，及时和充分地应用到钻井、压裂和开发工程。三维模型在钻井工程中的应用主要包括井位设计优化、钻井液窗口、三维钻井品质参数（坍塌压力、破裂压力、孔隙压力、漏失压力等）、天然裂缝稳定性、地质导向和动态跟踪等。三维模型在压裂工程中的应用主要包括压裂模拟、方案设计和套损分析等。三维模型在开发工程中的应用主要包括数值模拟和井筒完整性等。

2.1 在钻井工程中的应用

2.1.1 井位设计优化

井位设计优化时要综合考虑储层品质、钻井品质和完井品质，来提高部署设计实施的符合率。迭代更新的构造模型可以用来确定靶点海拔；蚂蚁体和裂缝模型可用于落实不稳定断层或裂缝带的位置，设计井轨迹时尽量避开；构造倾角和曲率可用来确定水平段构造变化，如上倾钻井尽量保证视倾角小于15°；已压裂井微地震事件可指示天然裂缝以及水力裂缝的扩展情况，作为井间距设计依据。通过相邻井位设计轨迹不能在垂直轨迹投影剖面上有交叉或者距离小于5 m，否则压裂时会损失有效水平段长度。

2.1.2 地质导向和动态更新

2.1.2.1 三维地质导向

三维地质导向是建立在地质工程一体化理念上的最新导向方法，它以三维地质模型为基础，针对齐家―古龙凹陷构造简单区和构造复杂区的丛式平台井，进行靶前导向和水平段导向。结合“两步法”即从二维到三维的动态更新，形成丛式平台水平井地质导向技术。目前，在试验区水平井储层钻遇率为100%，实钻入靶构造误差小于0.5‰。在此过程中，钻头位置和地层倾角分析是地质导向的关键。发挥“井工厂”的优势，利用先钻水平井作为控制提高模型精度，为钻前轨迹优化、实钻地层倾角预判和轨迹预调提供时效支撑。

（1）靶前地质导向：入靶前地质导向是水平井地质导向过程的关键阶段，其任务是保证钻头准确入靶。首先，选取离目标靶点最近、资料较全的井作为参考井。再结合区域测井曲线特征，选择姚二段顶面、姚家组顶面、目标靶层上300 m 左右的深度段内测井曲线特征明显的目标层为标志层。

在实钻曲线垂化基础上，从开始造斜至入靶，采用参考井与随钻自然伽马和电阻率曲线微观变化特征对比（标志层识别）和宏观特征控制（曲线形态判别）的原则，结合地震反射特征、录井气测等资料进行标志层逐层对比，实时修正靶层深度，指导改变钻井井斜，确保精准入靶。

（2）水平段地质导向：水平段地质导向是地质导向工作的核心部分，其目的是使井轨迹位于目标靶层，提高优质储层钻遇率（图6）。

图6 井G6二维地质导向剖面Fig.6 2D geosteering sections of Well G6

在水平段钻进过程中，主要应用地层对比技术和三维导向技术，确保钻头位于靶层、提出预警和待钻地层倾角预测。主要方法为以导眼井或实钻井自然伽马曲线为基础，结合构造模型，预测自然伽马属性三维模型。沿实钻轨迹方向提取自然伽马属性剖面，快速建立二维导向剖面。优点为：可通过正演分析，精确校正水平段。还可以根据设计轨迹，预判实钻水平段前方的自然伽马曲线数据。

通过与地质、录井和钻井导向人员综合判断，下达钻井指令。如果初始构造与实钻不符，需对模型进行校正，并及时调整钻进倾角及方位角。

2.1.2.2 钻井跟踪技术对策

针对构造复杂区地质导向，根据钻井和压裂工程需求，结合实钻和地质信息，实现水平井“精准入靶+高效钻进”，形成了古龙页岩油断裂复杂带丛式平台钻井跟踪技术对策。

（1）复杂断裂带精准入靶：试验区入靶前钻遇断距为45～60 m 的大断层时，精准入靶困难，地震导向人员要精准预测断层位置和断距，需结合地质对比，进行实钻分析，保证精准入靶。

（2）地震主导的断层刻画：断层的识别对钻井和压裂至关重要。试验区只通过实钻和复测曲线对比，无法判断断层位置。由于通过随钻曲线难识别断层，因此需在断层精细刻画和速度分析基础上，地震发挥主导作用，可以精准预测断层位置和断距。

（3）地震地质结合的实钻构造形态刻画：试验区相邻井不同靶层实钻轨迹在垂直轨迹侧视图上交叉，说明构造起伏变化较大。通过地震预测构造形态和实钻钻头位置分析，来判断构造特征。仅通过随钻曲线对比来判断钻头位置是不准确的。

（4）断层阴影和假微幅构造的实钻验证：试验区断层阴影和微幅构造不落实，地震先提出工程预警，再根据实钻和断层阴影分析，确定构造特征。

2.1.2.3 三维模型的动态更新

三维模型的动态更新对试验区丛式平台井意义重大。先验井的构造信息及时应用到模型中，可以为后钻井提供更精准的三维地质模型。

具体流程为通过地质导向得到确定的构造信息，在速度分析基础上，校正原始构造模型和原始速度模型，并进行时深转换，更新三维地质模型。针对不同的构造特征和钻井顺序，校正的方法不同：针对构造简单、断裂不发育的地区，第一口新钻井证实的构造改变，采用全局校正；针对构造复杂、断裂发育的地区或者以后钻井证实构造的区域，经过速度分析，采用分区控制法校正。

2.2 在压裂工程中的应用

2.2.1 套损因素分析

通过地震预测属性和更新后三维地质模型，分析完井工程中套损等风险。由于裂缝是套损的直接影响因素，基于蚂蚁体属性的裂缝预测结果与现场套损数据点位置吻合较好，对比分析了试验区12口井套变信息，符合率达到了71.4%。蚂蚁体属性对套损分析有预测指导作用（图7）。

图7 井G2套损分析剖面Fig.7 Casing damage analysis profile for Well G2

2.2.2 压裂模拟及方案设计

三维地质力学模型的建立，可以使压裂后评估从一维拓展到三维。主要应用包括三维钻井品质参数（最小水平主应力、水平应力差、应力隔挡、破裂压力、脆性指数）以及天然裂缝稳定性等。建模人员提交校正后的构造、裂缝、属性和地质力学模型给压裂人员做压裂模拟。再通过蚂蚁体和S1等属性分析天然裂缝发育情况及含油性，为压裂方案设计中的压裂段簇设计、缝长等参数优选和方案优化提供依据。

2.3 在开发工程中的应用

经实钻井落实构造后，将最终更新的构造、孔隙度、含油饱和度、裂缝和地质力学等三维地质模型提供给油藏工程师进行数值模拟。从数值模拟得到不同时期的孔隙压力等成果可进一步优化三维地质模型，这是个迭代的过程。数值模拟成果是平台水平井靶层优选、井网距离和水平段长度设计的重要依据；同时数值模拟得到的井筒完整性数据（包括径向应力、轴向应力、切向应力、等效塑性应变等）可用来分析生产过程中出现的井筒异常。

3 结 论

（1）为实现古龙页岩油的效益开发，形成了以三维地质建模为数据平台的地震地质工程一体化技术流程。由于针对页岩油的钻井资料少，需要通过地震信息约束搭建智能高效的地震地质一体化技术应用平台，通过“静态建模、动态调整、模型迭代”方法，支撑水平井轨迹优化设计及随钻动态调整、压裂方案优化等工程应用。

（2）由地震预测的w（TOC）、S1、蚂蚁体等多种属性成果，建立了w（TOC）、富集层分类、孔隙度、含油饱和度等模型。采用确定性建模方法将w（TOC）反演成果直接转换生成w（TOC）三维模型；采用地震反演w（TOC）进行趋势约束完成孔隙度建模；采用孔隙度模型进行约束建立含油饱和三维分布模型；在蚂蚁体属性约束下，建立符合钻井揭示规律的裂缝模型。不同构造特征的丛式平台井地质导向和时效动态更新是高精度三维地质模型的重要流程。针对不同的应用目的和研究层位，需建立不同网格参数的三维模型。

（3）针对页岩油试验区，基于动态更新后的三维模型和多级断裂预测成果，通过精细刻画裂缝和断层位置、实钻轨迹位置分析和套损分析等方法，支撑水平井压裂优化设计、压裂模拟及套损分析等压裂工程应用。蚂蚁体属性是经过实钻验证的可靠的预测裂缝发育程度的不连续性属性，与套损位置符合率为71.4%。

（4）在地质工程一体化场景下，三维地质建模需多学科交互、快速迭代以实现对钻完井作业的及时支持。