碳酸盐岩缝洞型储层多元信息融合建模方法在塔河油田十二区奥陶系油藏的应用

谢鹏飞, 侯加根, 汪 彦, 张慧涛,吕心瑞, 李红凯, 刘钰铭, 宋随宏

(1.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249;2.中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249;3.中国石化碳酸盐岩缝洞型油藏提高采收率重点实验室,新疆乌鲁木齐 830011;4.中国石化西北油田分公司勘探开发研究院,新疆乌鲁木齐 830011;5.中国石化石油勘探开发研究院,北京 100083)

塔河油田碳酸盐岩缝洞型油藏是油气勘探开发的重要目标[1-4],其三维地质建模是油藏描述的核心环节[5]。目前国内外学者提出了多种碳酸盐岩建模方法,包括基于地震属性雕刻的确定性建模、基于缝洞型油藏统计信息的两点建模、基于储集体训练图像的多点建模以及基于机器学习的建模方法[6-10],并将地质先验知识与地震信息引入建模过程[11-19]。但现有方法多为单一因素控制,不符合储层受多元信息控制的特点。笔者以塔河油田十二区奥陶系碳酸盐岩缝洞型油藏为例,从发育成因机制出发,多种建模方法相结合,多元信息概率体融合约束,建立不同类型储集体的离散模型,并在符合地质规律和统计规律的原则下进行融合,建立碳酸盐岩缝洞型储层精细地质模型。

1 地质概况

塔河油田(图1(a))位于塔里木盆地沙雅隆起阿克库勒凸起中南部,东靠草湖凹陷,西靠哈拉哈塘凹陷,南邻满加尔坳陷,北接雅克拉-轮台断凸。该油田奥陶系碳酸盐岩地层为古岩溶发育和海相缝洞型油气藏分布的主要层位[20-21],是世界范围内罕见的复杂油藏,其经历过多期构造运动及岩溶后期改造作用,导致缝洞发育不均一,具有非均质性极强的特点。主要有效储集空间为古岩溶缝洞系统[22-23],依据储集体空间大小、形态、成因主要划分为三大类储集体,分别是受潜水面波动溶蚀形成的地下暗河、沿断裂带溶蚀形成的断控岩溶和受风化淋滤作用形成的溶蚀孔洞[24-25]。裂缝对油气聚集贡献小,主要作为渗流通道运移油气,按尺度大小可分为大尺度裂缝、中尺度裂缝和小尺度裂缝。其中溶蚀孔洞和小尺度裂缝受风化淋滤作用强,可称为风化壳储集体。地下暗河、断控岩溶及溶蚀孔洞储集体储存着95%的油气产量,是油藏开发的重点。本文中研究区块为塔河油田中的十二区中部(图1(b)),该区域被划分为4个缝洞单元,主力缝洞单元为TH12208单元和TH12201单元(图1(c)),共有开发井24口,包括直井22口、水平井2口,累积产油量达到198×104t,具有丰富的地震资料(地震主频28 Hz,采样间隔2 ms,道间距15 m)及丰富的测井、钻井资料,为建模奠定了基础。

图1 研究区地理位置Fig.1 Location map of research area

2 多元信息融合建模方法

碳酸盐岩缝洞型油藏“多元信息融合”建模方法的核心是考虑所有影响储集体发育的因素,并将这些因素数值化为概率信息,以概率融合的方式整合多元信息,在建模过程中用作井间约束条件,使所建立的地质模型符合地质信息和地球物理信息。根据储集体类型和尺度,按大尺度裂缝、中尺度裂缝、地下暗河、断控岩溶、溶蚀孔洞、小尺度裂缝分别建立离散模型,其中溶蚀孔洞和小尺度裂缝组成了风化壳储集体。大尺度裂缝由地震断裂解释结果确定性建立,中尺度裂缝由蚂蚁体追踪识别结果进行确定性建模;地下暗河根据地震上的响应特征进行地质体雕刻,然后根据地下露头地质模式进行人机交互地修正;断控岩溶储集体根据其断控成因与地震属性进行井间约束,通过划分区域,结合基于目标方法与多点方法进行建模;溶蚀孔洞根据到不整合面距离和地震属性进行井间约束,通过序贯指示方法建立模型;小尺度裂缝根据裂缝发育密度和地震属性进行约束,采用基于目标方法进行模拟。

2.1 大—中裂缝模型

研究区裂缝系统主要受海西早期构造运动控制形成,具有明显的多层次性,断层(大尺度裂缝)是控制其他储集体发育的重要因素,是建模的第一步。由于大尺度裂缝对中尺度裂缝有明显的控制作用,因此遵循层次建模原则,先建立大尺度裂缝模型,再建立中尺度裂缝模型,而且两者都是“离散裂缝网络”模型,即通过大量具有不同方向、长度、形状、倾角和方位角等属性的离散裂缝片表征储层裂缝分布。

大尺度裂缝在地震响应上较强,具有独特的响应规律,通过人工解释可获取可靠的裂缝解释结果[26],而中尺度裂缝受大尺度裂缝控制,具有大尺度裂缝的组系特征,通过相干体解释增强裂缝的响应特征,并采用蚂蚁体追踪技术在地震相干体属性基础上进行自动断裂识别,所得蚂蚁体属性可根据大型断裂的组系信息进行匹配、补充和修正,可获得合乎地震资料和地质认识的中尺度裂缝结果[27],因此大尺度和中尺度裂缝离散模型通过确定性建模方法进行建模。

2.2 地下暗河储集体

地下暗河系统包括厅堂洞、干流洞,从成因上分析,其发育受地下水供给、断裂、潜水面和岩性差异等多重因素控制[28-29]。地下河溶洞表现出独特的发育规律,平面上为分支条带状,可连续或断续,整体规模大,剖面上呈多层或单层分布,结构复杂,存在大量垮塌角砾填充或砂泥充填,由于洞壁的保护作用,溶洞内部充填物受到机械压实作用较弱,仍然具有较好的孔隙性[30],因此可作为有效储集空间。在钻井过程中常见放空、漏失现象,具有“串珠状”地震反射特征,电阻率低,密度表现为极低值,成像测井常有衰减现象发生。

根据湖南龙王洞(图2(a))的激光扫描结果(图2(b))发现,与常规河道砂体叠置、大规模发育的情况不同的是,地下暗河较为孤立发育,形成规模较小。因此在研究区内仅有少量井钻遇地下暗河储集体,从而导致条件点稀少,井间规律获取不足,通过随机建模方法难以得到令人信服的地质模型。虽然地下暗河规模相较于常规河道小,但其区别于基质和溶洞,地震资料分辨率能够达到识别要求,对于地下暗河主体可采取地震解释的方法进行识别,将识别结果重采样至三维网格中,进行确定性建模。基于“井震结合,地质约束”的原则,考虑露头所展示的地下河特征,对模型进行人机交互地修正,最终建立地下暗河模型。

图2 现代地下暗河结构(据文献[31],有修改)Fig.2 Pattern of modern underground rivers (After citation[31], modified )

2.3 断控岩溶储集体

断控岩溶储集体多发育于断层附近,由地表水流沿断裂的垂向流动形成,区别于地下暗河溶洞,形态上以较为孤立的溶洞或溶洞群存在,其发育与断层和裂缝关系密切[32]。但整体上看,断控岩溶发育具有较强的随机性,规模差异变化大,由于充填程度低,是重要的有效储层。其测井特征与地下暗河相似,地震特征上有所差异,通常岩溶的地震特征延伸规模小,呈孤立存在。

从断控岩溶的发育成因来看,断控岩溶储集体的发育受断裂控制,以巴楚露头统计的断控岩溶溶洞为基础(图3),按溶洞形态可分为直立型(图3(a)、(b))、近圆型(图3(c)、(d))和水平型(图(e)、(f))3种。基于目标的建模方法适用于具有特定空间形态的目标体的随机模拟方法,是适合断控岩溶储集体的建模方法,但无法体现断层对岩溶发育的影响作用。由于断控岩溶距离断层越近,往往溶洞发育规模越大、频率越高,不同分区应有不同的频率和规模约束。因此选用多点地质统计学方法,以基于目标方法建立训练图像,保留其空间几何形态特征,分别统计断控岩溶的溶洞高度和发育密度与到断层距离的关系,根据统计规律在平面上划分出多个断控岩溶区带;根据不同岩溶带内断控岩溶的发育规模的不同,分区带建立不同规模的断控岩溶训练图像;并根据到断层距离与发育频率的关系,建立基于到断层距离的发育概率体,最后通过分区域、多训练图像结合概率体的方式将成因约束加入多点统计学建模过程,实现了双重成因控制约束建模。

图3 塔北巴楚地区古岩溶储层野外露头特征Fig.3 Outcrops characteristics of paleokarst reservoirs in Bachu area, northern Tarim Basin

概率体不仅可以融合成因信息,也能将其他信息融入,例如地球物理信息同样能够表征断控岩溶储集体,通常具有一定规模的断控岩溶在地震资料上呈现出“串珠状”反射特征[21,33],因此地震属性与断控岩溶储集体具有较好的相关性。建模过程只能受到一个概率体的控制(如Sneism、Simpat),所以需要采用融合算法对多个概率体进行融合,得到多信息融合的概率体,实现信息的多元约束。

概率融合方法选用的permanence of ratios(PR)模型,该模型的前提条件弱,既考虑了不同数据来源之间的独立性,也考虑了信息之间的冗余,是常规概率累乘方法的改进[34],在地球科学领域得到了广泛的应用。PR模型是对多个概率进行累乘计算,其公式为

(1)

式中,F为到断层距离;S为地震属性;F为断控岩溶;P{C|F,S}为多个因素影响下的断控岩溶发育的融合概率;P{C}为断控岩溶发育的先验概率;P{C|S}为到断层距离条件下的溶洞发育概率;P{C|F}为地震属性条件下的溶洞发育概率。

2.4 风化壳储集体

风化壳主要储集空间为溶蚀孔洞和小尺度裂缝,主要受风化淋滤作用形成,地表水在流动过程中形成下切河道、落水洞等,水流遇到可溶岩溶,形成顺层溶蚀孔、缝等(溶蚀孔洞),在断裂、构造缝和风化缝处发育高角度的溶蚀裂缝(小尺度裂缝)。测井上表现为密度略低,声波时差增大和伽马降低的特征,成像测井上呈明显的暗色星点状特点,常密集发育,具有较大的孔隙度,可作为有效储层[7]。

根据露头资料,溶蚀孔洞在风化面下发育,根据其发育成因,是受溶蚀作用形成的不规则孔、洞,因此受风化剥蚀面的控制。从整体上看,溶蚀孔洞分布广泛,在不整合面下呈面状分布(图4(a))。从局部上看,没有固定的形态特点(图4(b)、(c)),随机发育于储层空间中,是良好的含油储集空间,也是重要的油气运移通道。根据其均匀随机分布且无固定形态的特点,采用序贯高斯方法建立模型。序贯高斯模拟具有不确定性,因此借鉴断控岩溶的思路,将成因信息与地球物理信息融入储集体发育概率体:①距离顶部风化壳越近,风化溶蚀作用越明显,则溶蚀孔洞发育,统计距风化壳距离与溶蚀孔洞的发育概率,建立成因控制的概率体;②溶孔、洞密集发育区域有较为明显的地震属性响应特征,因此地震信息与溶蚀孔洞有一定的相关性,可建立地震信息控制的概率体。此处同样采用前文中的PR概率融合模型,最终得到多元信息融合的概率体。

图4 塔北阿克苏地区典型风化壳野外露头及典型岩心特征Fig.4 Typical weathering crust outcrops and core characteristics in Aksu region of northern Tarim

小尺度裂缝由构造裂缝和溶蚀缝组成,原始的构造裂缝(图4(d))经受地下水溶蚀后,常被溶蚀扩大形成溶蚀缝(图4(e)),即受大型断层影响,其分带性和方向性受原始裂缝发育特征控制,随机分布于整个储层中,可作为连通洞与洞之间的通道,具有规模小(通常宽度为1～5 mm,长度为5～50 cm)、发育广泛的特点。由于超出地震资料解释的分辨率(主频28 Hz),无法从地震信息中获得确定性结果,但裂缝发育密集段与相干体属性有明显相关性[7]。因此通过岩心、测井资料统计裂缝特征,包括裂缝类型、倾角、方位角、裂缝发育密度等参数,在相干体属性约束下,采用基于目标的模拟方法建立。

3 不同类型岩溶储集体建模实例

3.1 大—中尺度裂缝建模

通过地震资料人工解释识别,研究区发育主要断层6条,断距约5～30 m,断层倾角约为80°,延伸长度为500～3000 m,采用确定性建模方法建立大尺度裂缝(断层)离散分布模型(图5(a))。

图5 大尺度和中尺度裂缝模型Fig.5 Models of large-scale and medium-scale fractures

根据大尺度裂缝解释结果,可获取断层组系信息,分北东方向(NE)、北北西方向(NNW)、近北南方向(NS)3个组系。通过人机交互的方式,使用自动拾取的断裂信息对人工地震解释断层进行补充和修正,研究区蚂蚁体自动拾取了36条中尺度裂缝。最后根据蚂蚁体解释结果建立确定性的中尺度裂缝离散分布模型(图5(b))。

3.2 地下暗河储集体建模

TH12207井测井资料(图6(a))显示,在目的层段具有显著的地下暗河特点,地下暗河在测井上呈现突变高伽马(GR)、低电阻(RT),说明泥质充填严重,成像测井显示有明显衰减。基于平面地震属性与井上测井解释结果的相关性分析,认为地震瞬时频率相关性较高,因此由TH12207井钻遇的地下暗河出发,对地震瞬时频率属性(图6(b))进行河道追踪,得到河道平面分布形态(图6(c)),通过Petrel软件中的Geobody地震雕刻方法[8],在波阻抗属性基础上,刻画出地下暗河的三维预测模型(图6(d))。预测的地下暗河的河道分布特征清晰,整体上符合露头资料所体现的地下河特征,结合露头特征(图2)的模式指导,对地下暗河结构进行进一步修正。

图6 地下暗河雕刻结果及模型Fig.6 Seismic interpretation result and model of underground rivers

图6(e)为人机交互后的TH12208、TH12201缝洞单元地下暗河分布模型。结果显示,地下暗河发育方向为南北向,全长约10 km,主干暗河两侧发育两条小型的分支暗河,平均厚度约为30 m,暗河的南部较高,中部较低。

3.3 断控岩溶储集体建模

根据测井信息和钻井漏失信息,可以识别出断控岩溶,其高度在2～16 m,长度与宽度在2～10 m。基于露头形态建立目标体,并根据到断层距离与岩溶发育的频率范围(图7(a))建立3个分区,即距离断层0～80 m、距离断层80～250 m、距离断层大于250 m。通过基于目标方法建立3种训练图像,表征出不同的岩溶体的规模和频率,将断控成因机制融入训练图像当中,使模型建模过程在不同区域同步模拟。

图7 断控岩溶模型Fig.7 Model of fault-controlled karst reservoirs

建立分区训练图像后,在不同分区内采用对应训练图像进行多点地质统计学模拟。然而3种训练图像无法体现岩溶发育与断层的渐变关系,因此需要加入地震约束和断层距离约束。断层距离约束以概率体形式输入,由井上识别出26个岩溶储集体可统计出在距断层400 m范围内的岩溶占70%以上,少部分岩溶储集体分布在距断层较远位置,据此得到根据测井解释的断控岩溶与到断层距离的关系,然后以此为基础,计算溶洞与到断层距离间的概率公式(图6(a)),建立出对应断层控制的岩溶发育概率体(图7(c))。地震约束的具体流程是,地震资料经过时深转换,基于钻井漏失结果和与之对应地震属性,对井上岩溶与地震属性进行统计,可知地震属性中地震频谱能量与断控岩溶相关性好,根据神经网络算法得到地震频谱能量与断控岩溶发育频率的函数关系(图7(b)),并在此基础上建立对应的岩溶发育概率体(图7(d))。最后通过概率累乘方法(式(1))将两个概率体融合,得到综合概率体(图7(e))。

在综合概率体和训练图像的约束下,以井点解释结果(图7(f))为条件数据,多点模拟扫描模板设为15×15×3,多重网格层级设为3,最大已知邻域节点数为8,分3个区域输入对应的3种训练图像,并结合缝洞单元边界控制(图1),最终得到具有发育成因机制和岩溶几何形态的断控岩溶模型(图7(g))。结果显示,断控岩溶储集体主要分布在TH12208、TH12201缝洞单元西部的NNW的大断层附近,洞体规模在8～30 m,以直立型和水平型为主,且距离断层越近,溶洞的规模越大,随着到断层距离的增加,溶洞的形态逐渐从直立型过渡到水平型。值得注意的是,根据油田生产动态资料,缝洞单元外的有效储层不发育,为符合实际生产情况,采用了缝洞单元边界进行控制,因此储集体主要受到西部的大型断层控制(图7(h)),而东北部断层对岩溶体影响较小,岩溶发育频率低,符合该区域探井未钻遇有效储层的实际情况。

3.4 风化壳储集体建模

溶蚀孔洞和小尺度裂缝组成了风化壳储集体,是洞穴之间的连通通道。根据岩心以及成像测井结果(图8(a))显示,小尺度裂缝以高角度构造剪切裂缝为主,延伸长度主要分布在0.5～50 cm;根据研究区的成像测井裂缝产状统计(图8(b)),研究区有3个裂缝组系,包括分北东方向(NE)、北西方向(NW)、近北南方向(NS);通过对倾角和裂缝发育频率的统计建立裂缝发育密度(图8(c)、(d)),不同井位置具有不同的方位角和发育频率,研究区裂缝倾角主要为75°～90°。基于小尺度裂缝片的统计参数和发育密度,在相干体属性概率体约束下,采用基于目标方法建立小尺度裂缝离散模型(图9(g))。

图8 小尺度裂缝产状及密度统计Fig.8 Density and occurrence of small-scale fractures

根据单井资料,对TH12208、TH12201缝洞单元7口井识别了11个溶蚀孔洞发育段,其中距不整合面30 m以内的发育频率为42%,距不整合面距离大于30 m范围内发育频率为58%,溶蚀孔洞发育段主要发育在奥陶系不整合面90 m范围内附近,基于统计结果可得到顶部不整合面深度与溶蚀孔洞垂向发育概率(图9(a)),并基于此建立发育概率体(图9(c))。地震属性中的相干体属性与溶蚀孔洞的相关性高(9(b)),可建立基于地震属性的发育概率体(9(d))。将以上两个概率体进行概率融合,得到溶蚀孔洞的综合发育概率体(9(e))。

序贯指示模拟建模中相关参数设置为:变差函数主变程方向330°,变程2000 m,次变程方向240°,变程1500 m,垂向变程10 m,变差函数模型使用指数模型。然后使用带趋势的序贯指示模拟方法进行模拟,并使用溶蚀孔洞井间发育的概率体作为约束数据,得到溶蚀孔洞储集体模型(图9(f))。从建立的溶蚀孔洞储集体模型来看,其分布呈局部片状分布,且主要发育在奥陶系不整合面下一定深度范围内。

最终,将溶蚀孔洞和小尺度裂缝模型叠合后,得到研究区风化壳分布模型(图9(h))。

3.5 模型融合优化

由于地下暗河、断控岩溶和溶蚀孔洞储集体离散分布模型和多尺度的裂缝模型各自独立建立,而且在储集体以及小尺度裂缝建模中均利用了随机建模的方法,当所有类型离散分布模型融合的时候,必定会出现同一个网格在不同模型中都作为有效网格,然而这与实际地质情况是不符的。为了解决网格表征储集体冲突的情况,提出一定的融合原则。

(1)同位优先原则。从储集能力和模型不确定性的角度分析,地下暗河和断控岩溶储集能力较强,累积产量占比高,其中地下暗河确定性强于断控岩溶储集体,因此地下暗河优先级高于断控岩溶,而风化壳储集体实际上是由细小的裂缝和溶蚀孔洞组成的储集体,物性在有效储层中最差且随机性最强,因此优先级最低;从裂缝角度分析,大尺度裂缝(断层)确定性解释得到,中尺度裂缝随机拾取结合人机交互得到,小尺度裂缝随机模拟,因此融合过程中优先考虑大尺度裂缝,其次是中尺度裂缝,最后是小尺度裂缝。最终结果为依次将小尺度裂缝、中尺度裂缝、大尺度裂缝、溶蚀孔洞、断控岩溶、地下暗河赋值到研究区三维空间内,重叠区域会保留后赋值的储集体。

(2)缝洞配置关系原则。缝洞结构关系大致可分为溶洞-大裂缝、溶洞-裂缝-溶洞和溶蚀孔洞-小裂缝,溶洞模型和裂缝模型在建立时是根据各自的地质模式和统计规律的约束分别建立,而融合时裂缝模型除了统计规律的约束,并未考虑两者是否符合裂缝与溶洞配置模式,因此采用模拟退火方法[35]对缝洞关系进行修正,通过调整裂缝的方位和位置(图10(a)),使储集体之间的连通关系符合动态数据,最终优选出与缝洞配置关系一致的裂缝模型。

(3)概率相似原则。即融合时根据“同位优先原则”调整模型后,原有的岩溶或溶蚀孔洞储集体模型被其他储集体模型代替,导致融合后储集体模型变化过大,因此新模型中各类储集体所占体积比例不符合原有统计结果,需要通过模拟退火方法对网格体积进行优化(图10(b)),使最终模型与实际统计结果相吻合。

根据以上3个操作步骤后,最终得到研究区岩溶缝洞储集体融合模型(图10(c)),其中地下暗河连续分布,断控岩溶主要在断层附近发育,溶蚀孔洞和小尺度裂缝(风化壳)作为连接通道广泛发育,融合模型较好地体现了缝洞单元的发育特征。

4 模型检验

基于最终融合地质模型计算研究区油藏储量为1507×104t。地下暗河储量为417×104t,断控岩溶储量为479×104t,风化壳储量310×104t,其中溶蚀孔洞储量为302×104t,小尺度裂缝储量为8×104t,大尺度裂缝和中尺度裂缝模型储量1×104t。通过对比模型井控储量和生产动态储量(图11(a)、(b)),可见TH12201和TH12208缝洞单元模型内的各井储量计算结果基本符合实际单井动态储量复算结果,间接证实了模型的有效性。

图11 储量复算和油藏数模历史拟合结果Fig.11 Reserve-recalculation and historical matching in reservoir simulation

以该三维地质模型为基础,对其中TH12201与TH12208缝洞单元进行油藏数值模拟(图11(c)、(f)),模拟产油量和含水率符合率均大于90%,模型模拟结果与实际生产结果拟合度高,证明了该地质模型精度高,符合实际地下情况,可明确剩余油分布的有利位置。以该模型为基础,在TH12201单元实施一口加密井,日均产油45 t,至今累积产油7.167×104t,仅产水0.079 t。

5 结 论

(1)碳酸盐岩缝洞型储层的储集体类型多样,具有不同成因、形态和规模,因此应当遵循“分级分类”原则,对地下暗河、断控岩溶、溶蚀孔洞、大尺度裂缝、中尺度裂缝和小尺度裂缝储集体分别建模,将复杂的碳酸岩盐储层逐步细化。根据各类储集体的特征,应当采用不同的建模方法或多种建模方法相结合的方式,对具有特定形态且随机分布的储集体,采用基于目标方法或多点方法;对无特定形态且随机分布的储集体,采用序贯指示模拟方法;对于特定的地质体,可采用确定性建模方法。

(2)通过多概率体融合的方式,将储集体的地质先验信息和地球物理信息相结合,最大程度上保留了不同类型资料对建模的贡献,实现了多元信息驱动,降低了模型的不确定性,形成了碳酸盐岩缝洞型油藏的精细三维地质建模方法。

(3)通过3种储集体融合原则,建立最终的融合模型。首先遵循同位优先原则,从成因联系角度对储集体进行层次融合;然后遵循缝洞关系配置原则,通过模拟退火方法迭代修正裂缝位置,以符合实际井间连通关系;最后遵循概率相似原则,通过模拟退火方法修正储集体体积,以符合实际统计规律。最终模型经过数值模拟检验和钻井检验,可用于后期开发方案的调整。