储层建模研究进展及发展趋势.docx

储层建模研究进展及发展趋势王文龙， 尹艳树(长江大学地球科学学院，湖北武汉430100)摘要：油气田开发的后期进入高含水阶段，为了更加经济准确地进行油气开发，有必要采用储层地质建模的方法对老油气田进行储层研究。详细阐述了国内外储层地质建模的发展史，对储层地质建模的方法进行了细致的分类及论述。方法分类包括确定性建模方法和随机性建模方法。每一种建模方法又有多种子方法。提出了目前储层地质建模研究尚未很好解决的一些问题，如建模的对象局限于常规的碎屑岩储层。虽然有学者对火成岩、裂缝碳酸盐岩进行了相关的探究工作，但目前对非常规储层涉及较少，储层建模的精度也有待提高。关键词：储层建模；确定性建模；随机性建模；发展趋势0 引 言储层地质建模指的是运用计算机建模软件来建立高精度的储层地质模型，对油气储层内部结构进行精细解剖，进一步解释、研究油气的三维空间分布规律，表征储层的属性及特征，为下一步的油藏数值模拟提供数据(李振华，2010)。通过储层地质建模可以建立储层格架，对储层的物性进行评估，预测储层可采油气的空间分布，指导优选加密井井位及水平井钻进轨迹，以提高油气最终采收率，故储层地质建模是油藏描述的核心内容(盖凌云，2007；张昌民等，2007)。储层地质建模使得油气藏的非均质性描述更为精确，也为油气田的开发生产设计及相应的开发方案提供了数据(吴胜和等，1999；罗仁泽，2002)。储层地质建模自20世纪80年代开始提出，至今已取得了长足的发展。但是，相关的研究仍然存在一些问题，如建模对象局限于碎屑岩中的常规储层，建模精度不高等。储层地质建模的发展趋势必然会更好地解决这些问题，更好地用于指导油气的开发。目前，储层建模方法多样，有必要对地质储层建模方法进行总结并对目前储层建模研究中存在的问题和下一步的发展趋势进行探讨。1 储层建模的发展储层地质建模起源于国外，后来被引入国内对油田储层进行研究，我国学者结合实际建立了适用于我国地质储层的建模方法。1.1 国外储层建模的发展过程Jahns(1996)应用回归分析，并利用干扰试井数据进行油藏的二维描述，是迄今为止已知最早的关于油藏的研究成果；Coats等(1970)利用最小二乘法及线性规划并参考了动态特征的数据描述了油气藏的各种非均质性的参数，后来虽然有所发展，但尚未作为一门技术出现。20世纪50年代，南非的克里格提出金属分布具有的空间联系与样品的尺寸和位置有关，而非单纯的随机分布；不久之后，马特隆提出了地质统计学，他结合区域化变量的概念将传统的统计学理论进行了改进，发展出一套全新的数学技术运用变差函数研究矿产矿化特征区域分布，这为以后的储层地质建模提供了基础。20世纪70年代，美国学者儒尔奈耳讨论了随机模拟的应用并首次将随机模拟称为条件模拟(罗仁泽，2002)；后期在该方面又出现了随机模拟技术(Journel et al.，1978)和克里格技术(王仁铎等，1984；侯景儒等，1998)。一直到20世纪80年代，非条件模拟仍然是随机模拟的主要方法，包括转向带法、傅立叶谱估计法等。20世纪90年代，克里格技术逐渐被用来解决储层表征中的一些问题，为建立储层物性的非均质性模型及为油藏的早期相关评价提供服务(裘铎楠等，1996)。近几年来，随着计算机技术的不断发展，利用计算机技术存储和显示的三维储层地质模型建模方法成为当下的主要方式。目前，建立储层地质模型的方法有确定性建模和随机性建模2种方法，而随机性建模是目前国内外研究的一个热点。随机性建模技术在西方国家的石油工业发展过程中取得了很大的进步(吴胜和等，2007)。这些国家的院校科研机构和石油公司均大量从事这方面的工作，在随机建模技术的发展过程中逐渐形成了3个学派：美国斯坦福大学派(研究和应用序贯指示模拟方法理论)、挪威学派(示性点过程模拟方法的理论和应用研究)(刘振峰等，2003)、法国地质统计中心学派(截断高斯模拟方法的理论和应用)。除上述理论研究之外，还有大量地质随机模拟软件应运而生，包括美国斯坦福大学的地质统计程序库GSLIB；法国的 HERISIM 3D软件包(王家华等，2001)，挪威的RMS/STORM等。1.2 国内储层建模的发展我国的储层地质建模始于20世纪60年代，其发展过程大致可以分为3个阶段：第一阶段从20世纪60年代到80年代，是储层二维模型的建立及半定量的分析阶段；第二阶段是80年代中后期的三维确定性储层地质建模阶段；第三阶段是90年代至今的确定性建模和随机性建模相结合的发展阶段(林克湘等，1994；雷卞军等，1998)。20世纪80年代，我国学者在陆相碎屑岩储集层相关研究的基础上建立了非均质概念模型；90年代塔里木东河塘砂岩地质模型的建立标志着早期地质建模的开始(穆龙新等，1994)。我国在储层建模技术的研究过程中，发现地质储层具有很大的特殊性，如果直接使用国外的方法和理论并不能很好地解决存在的问题(裘铎楠，1990)，故结合我国地质情况发展了一系列新的建模方法。我国储层建模软件研发的起步是在“八五”期间，储层研究课题中增加了建模这一课题。王家华等(2001)结合油田生产实际，在新发展的储层建模算法基础上提出了适合我国河道砂体储层的随机游走建模方法，并编制了第一个自主知识产权的储层建模软件系统GASOR。“九五”期间，全国的石油院校均针对我国各大油田先后进入高含水后期这一特点，对老油田剩余油挖潜进行预测。张昌民等(2007)发展了一系列具有鲜明特色的储层随机建模技术，为储层建模发展和推广奠定了基础(薛家锋等，2003；杨勇等，2003；陈学习等，2005)；李青元等(2013)系统地讨论了三维地质建模软件的发展和问题；还有一些学者将地质建模方法应用到不同的矿体领域(曾文波等，2011；赵增玉等，2013)。在长期的实践和检验过程中，随机建模的理论不断完善，从而建立了一套适用于我国地质情况的储层建模技术及理论。2 储层建模的方法储层建模的方法目前来说主要有2种，即确定性建模和随机性建模，每一种建模方法又包含了不同的技术与子方法。2.1 确定性建模方法确定性建模指的是根据已知确定性资料的控制点(井点)对井间未知区给出确定性的预测结果，目前常用的确定性建模的储层预测方法主要有以下5种(胡向阳等，2001)。2.1.1 储层沉积学方法 储层沉积学方法是在确定的沉积模式基础上，依靠所得到的高分辨率等时地震资料，在井间进行砂体的对比并且进一步建立储层模型(汤军，2006)。过程中要应用层序地层学知识识别关键层面，为地质模型提供大的框架，进一步结合所得到的岩芯和测井资料，对比测井曲线的相似性和差异性等来完成储层模型的建立。此方法对综合知识要求较高。2.1.2 克里格方法 克里格方法指的是运用变差函数对井间未知区域进行属性(如孔隙度、渗透率等)的插值，进而建立起地质模型。相对于传统的数理统计的插值方法，克里格插值法具有明显的优势。传统的插值方法并没有考虑地质规律影响的地质属性在时空上的联系性，仅仅考虑了未知点与井控制点之间的距离。而克里格方法则运用了变差函数对未知点做出最优无偏的估计(宋海渤等，2008)。2.1.3 储层地震学方法 储层地震方法指的是利用地震解释资料对储集层的几何形状和特征进行研究的方法。该方法主要是对井间未知区域利用地震反射特征进行横向对比研究。参考的地震数据包括层速度、波阻抗、同相轴的连续性等。储层地震学方法包括2种子方法，即三维地震方法和井间地震方法。2.1.4 水平井建模方法 水平井建模方法(李勤等，2005)指的是利用水平钻井技术，沿着储层的走向进行水平井的钻进，进而直接获得储层的各项数据来完成储层的模型建立。水平井建模方法相对于其他方法存在很高的可信度，但存在很大的局限性，水平井的井网密度有限，并且应该考虑水平井的经济效益。在参考水平井所得数据的基础上，如果可以结合地震及测井资料对储层的空间展布进行宏观了解，将有助于提高储层地质模型的准确度。2.1.5 露头原型模型建模方法 露头原型模型建模方法指的是在充分参考野外露头建立的储层模式的基础上，结合大量的高精度地震资料来完成对未知区域的地质模型建立，是一种相对可靠的建模方法。2.2 随机性建模方法随机建模指的是运用随机函数，结合所得到的地质信息，通过随机模拟的方法得到多个可选的地质储层模型，每个模型都是对原始数据的某种反映，并且都能反映参数数据的微妙变化，模型之间的差异也可以更好地反映出受限于资料不完备的不确定性。随机建模可以按其模拟单元分为2种(Deutsch et al.，1998)：以目标为模拟单元，以像元为模拟单元。此外还有其他的分类方式：根据数据分布类型分为高斯模拟和非高斯模拟，根据参与模拟的变量数目分为单变量模拟和多变量模拟，依据模拟结果是否忠实于原始数据分为条件模拟和非条件模拟等。其中主要随机模拟方法有下列3种。2.2.1 序贯高斯模拟方法 序贯高斯模拟方法指的是依据随机路径依次求取各点的累计条件分布函数，并从中提取模拟数据的一种储层地质建模方法。该方法具有很大的优点，即将每一次所得到的数据参与到了下一次的计算，从而得到较好的模拟度，而且该方法相对快捷。2.2.2 序贯指示模拟方法 序贯指示模拟方法指的是依据不同的门限值将数据进行编码，编码为0和1，然后依靠变差函数来指示变量，以得到克里格估计。该方法虽然可以给出未知区域的变量概率分布的估计值，但是其计算速度要比序贯高斯模拟方法慢一些。大量的实践应用发现序贯指示模拟比较适合做渗透率的相关模拟计算。2.2.3 截断高斯模拟方法 截断高斯模拟方法是在利用上述指示模拟方法建立一个高斯随机场的基础上，对高斯值进行截断来获取变量的模拟结果。该方法使用简单方便，能够较好地应用于具有离散特征的储层模拟。2.3 新发展的建模方法随着建模技术的不断应用，一些学者逐渐探索出新的建模方法，如多点地质统计随机模拟方法、相控建模方法、井震结合等。2.3.1 多点地质统计随机模拟方法 由于传统的两点统计方法具有很大的缺陷，遗失了很多地质信息，所以一些学者提出了多点地质统计的模拟方法。目前，该方法所包含的算法主要有2种，即Snesim算法和Simpat算法。多点地质统计学反映地质数据的空间结构性用的是Training image,而不是简单的变差函数(尹艳树等，2006)，并且该种方法以像元为模拟单元，计算速度快，所以具有很大的优势。2.3.2 相控模拟方法 相控模拟方法指的是建立一个沉积微相的模型并以此为限制条件进行物性参数的模拟，进一步确定储层模式的一种建模方法。在建模的过程中，会综合运用随机性建模和确定性建模的算法来确定数据。将研究区域划分为不同的网格，然后在每一个网格里计算网格节点的分布特征(胡望水等，2010)。此方法参考了沉积相的知识，因而先存的地质沉积模式占有很大的影响，故更贴近于真实。2.3.3 其他方法 我国众多学者根据所在研究区的地质特征总结了一些全新的建模方法。尹艳树等(2012)在研究萨尔图油田储层时提出了三维层次建模的思路，将建模过程分成了3个层次；唐洪等(2012)在研究碳酸盐岩储集层时应用了一种基于孔隙旋回的建模方法；吴逸(2014)提出了孔隙度反演建模；陈建阳等(2011)融合多种地震属性的沉积微相研究以指导储层建模方法的思路。3 储层建模存在的问题3.1 局限于碎屑岩中的砂岩储集层目前，国内外的学者进行储层地质建模的研究对象均是常规储集层的砂砾岩储层，包括陆相的河流相、湖泊相、海陆交互相的三角洲相等。虽然目前有一些学者(刘立峰等，2010；赵彬等，2011；侯加根等，2012；颜其彬等，2013；李相文等，2015；熊方明等，2015)对碳酸盐岩储集层建模进行了初步探究，但其仍属于起步阶段。涉及非常规储集层的建模方法研究(李长山等，2000；张永贵等，2011；刘莉莉等，2015)则更少，甚至处于理论探讨阶段。非常规储集层包括火山岩储集层、变质岩储集层、泥页岩储集层等。3.2 建模方法多样，难以选择目前发展的建模方法多样，也有一些学者将各种建模方法进行了孰优孰劣的对比，并有一些学者提出了在某些情况下随机建模方法更加合适，还有的学者提出了一些储层建模的原则。但不同的地区地质特征不同，怎样在研究区科学快速地选出合适的建模方法和算法是一个尚未很好解决的问题。3.3 储层建模的精度有待提高目前，储层建模采用的是划分网格法，即将未知区域划分为一个个的网格，然后对网格内的物性参数进行赋值。但是网格的尺度并不是越小越好，随着网格的细化，其计算量增加，不确定性与易于出错性增加，最终将导致建立的模型与实际有很大的偏差。所以目前采用的是一种折中的方法，即用一个尺度中等的网格，但这样的话，其中一些点的特征就会被忽略掉，导致建模粗化，精度不高。4 储层建模的发展趋势4.1 广泛应用于碳酸盐岩储集层及非常规储集层世界上的大油田多以碳酸盐岩作为储集层，我国南方也发现了很多碳酸盐岩油气田，因此碳酸盐岩储集层的建模方法具有很大的现实意义。随着石油勘探开发的进一步深入，人们开始更多地关注非常规油藏。然而，关于非常规储层的建模方法目前研究较少，为更好地开发利用非常规储层油气，急需确定适用于非常规储集层的建模方法。随着更多的学者将注意力转移到碳酸盐岩储集层与非常规储层地质建模的领域，在大量建模方法的探索、研究与积累后，对碳酸盐岩储集层与非常规储集层的建模方法必将更加贴近地质事实，指导油气资源的勘探与开发。4.2 建模方法的选择更加科学对于在何种情况下采用何种建模方法，是随机建模方法还是确定性建模方法，尚未形成一定的标准。随着储层建模工作研究与经验的积累，必将形成一种相对的标准来指导在不同地质背景下的工区中选择更加合适的建模方法，即建模方法的选择必将更加科学合理，能够更好地反映储层地质特征。4.3 逐渐提高建模方法的精度随着计算机技术的飞速发展，计算机的运行速度越来越快，相应的建模方法也更加完善。两者的共同发展必将使得建模网格尺寸更加细化，反映的地质信息更加全面、准确。此外，地球物理勘探技术的不断进步为储层建模提供了更加详尽的地质信息。结合高精度地震的正反演技术能够有效提高建模精度地震正演可以验证地质模型的准确性，地震反演可以约束地质建模以提高精度。所以储层建模精度会逐步提高。4.4 综合多种信息的储层建模方法地质信息的丰富会提高建模的准确性。地质勘探技术的不断完善与进步，将很大程度完备地质资料。近年来大量的地球物理勘探技术取得了很大进展，沉积学与地质学理论也取得了新的认识。越来越多的学者在进行地质建模时综合运用了地震与测井技术、岩芯观察，并结合地质露头、沉积相模式以及古水动力条件等地质资料。综合的多种资料提供了更加全面的地质信息，对包括常规储集层以及非常规储集层在内的所有储层建模均有很大的推动作用，相关的建模方法也必将更为可靠。5 结 论(1) 储层地质建模起源于国外，被引入国内后得到了长足的发展，我国学者在结合国内生产实际的基础上逐渐探索出了一套适合于我国地质储层特征的建模方法。(2) 储层地质建模的方法大致可以分为随机建模和确定性建模2种，随机建模又可以根据模拟单元的不同分为基于像元和基于目标的随机模拟方法。每一种模拟方法都含有不同的算法，种类多样但各有优缺点。(3) 目前，地质储层建模技术相对成熟，但是储层地质建模在发展过程中存在的一些问题并未得到很好的解决，像建模的应用范围局限于碎屑岩储集层，建模的方法选择具有一定的盲目性，储层地质建模的精度还有待提高等。相信随着建模技术的不断深入与计算机技术的不断发展，这些问题都能得到很好的解决。参考文献：陈学习，吴立新，车德福，等，2005. 基于钻孔数据的含断层地质体三维建模方法. 煤田地质与勘探，33(5):5-8.陈建阳，田昌炳，周新茂，等，2011. 融合多种地震属性的沉积微相研究与储层建模. 石油地球物理勘探，46(1):98-102.盖凌云，2007. 随机建模方法的技术研究及软件应用. 现代电子技术，30(9):172-174.侯景儒，尹镇南，李维明，等，1998. 实用地质统计学：空间信息统计学. 北京:地质出版社胡向阳，熊琦华，吴胜和，2001. 储层建模方法研究进展. 石油大学学报(自然科学版)， 25(1):107-112.胡望水，张宇焜，牛世忠，等，2010. 相控储层地质建模研究. 特种油气藏，17(5):37-39.侯加根，马晓强，刘钮铭，等，2012. 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. 地学前缘，19(2):59-66.林克湘，张昌民，刘怀波，等，1994. 青海油砂山分流河道砂体储层骨架模型. 石油天然气学报，16(2):8-14.雷卞军，张昌民，林克湘，等，1998. 定量储层沉积学是获取储层建模地质信息的重要途径：以青海省油砂山露头研究为例. 石油实验地质，20(1):61-67.李长山，陈建文，游俊，等，2000. 火山岩储层建模初探. 地学前缘，7(4):381-389.罗仁泽，2002. 油藏开发早期阶段储层建模技术研究. 成都:西南石油学院.刘振峰，郝天珧，杨长春，2003. 沉积模型和储层随机建模. 地球物理学进展，18(3):519-523.李勤，张利锋，孙丽，2005. 遗传模拟退火算法在储层属性建模中的应用. 大庆石油地质与开发， 24(2): 31-32.李振华，2010. 复杂断块油藏储层地质建模研究. 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