储层地质统计随机模拟

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1、综述储层地质统计随机模拟3张永贵 李 允 陈明强(西南石油学院博士后流动站,四川南充637001)摘要 储层地质统计随机模拟是近几年发展起来的高新技术,其最为突出的优点是:可以实现油气储层的精细描述和建模,定量表征和刻画储集层各种尺度的非均质性;可用于定量研究储层描述的不确定性,进而研究油气勘探和开发的不确定性和投资风险;可以综合多种来源的信息和资料,并把它们统一在同一个定量模型之中。文中综合论述了储层地质统计随机模拟的意义、 方法和技术及其在油气勘探与开发中的应用,并讨论了联合模拟多个变量以及综合多种来源的资料等问题,指出在我国发展储层随机模拟技术有重要的实践意义。主题词 储集层特征;随机模

2、拟;地质统计;综述中图法分类号 TE 112. 23 ; TE 19第一作者简介 张永贵,男,1964年出生。1995年在成都理工学院获煤田、 油气地质与勘探专业博士学位,现在西南石油学院油气田开发工程博士后流动站进行博士后研究工作,主要从事储层定量建模的研究。1 储层随机模拟的意义地球科学,包括石油工业的基础学科石油 地质学,一般以描述性的方法表述其知识和规律。 随着计算机技术、 数据处理技术以及知识表达技术 的发展,许多地质问题也要借助于计算机来解决。 地质科学正经历着由定性描述向定量建模、 由观察向预测的方向发展。 石油与天然气的勘探与开发是一个涉及多学科 的领域。对各学科提供的资料的观

3、察方法不同,其 观察尺度(即承载大小)、 分辨率、 可靠性也不同。既 有在一个小岩心栓上的直接测量数据,也有地震勘探低分辨率的间接测量数据,测井资料基于两者之 间,试井资料及生产数据则反映了井周围一定范围 内的平均情况。对资料和知识的表达方式也不相 同,既有数字化的资料,也有定性的描述。将上述资 料通过某种手段统一在一个定量模型中,这个定量模型不但与所有资料相一致,而且也包含所有资料 反映出的储层分布的空间结构信息,最终结果以数 字化的方式保存在计算机中。这一目标是石油工程 师努力的方向。 油气储集层是各种复杂的地质过程的最终产物,因而具有内在的复杂性。这种复杂性引起各种尺度和规模的非均质性,

4、如沉积相、 成岩作用或断层 等造成的流动单元的空间不连续性(宏观非均质性)以及在同一流动单元内物性的空间变化性(中微 观非均质性)等。 数值模拟技术是当前制定开发方案、 预测油气 田开发动态使用的常规技术。而流体的流动主要受 非均质的控制,正是那些特高或特低的渗透带对地下流体的运动有很重要的影响或控制作用。输入油 藏数值模拟器的确定性模型往往过于简单和平均 化,难以捕捉储层各种尺度的非均质性,经常导致失 败的预测。因此,建立反映各种尺度的非均质性的 储层定量模型,为数值模拟器准备符合实际的三维空间参数场,改善油气田开发方案的质量,为开发油 气田提供适应性强的投资指南,促使我们探索新的 技术。

5、由于储层分布和变化的复杂性,以及信息的不 完全性,对地下的认识是不确定的1。这必然造成储量估计、 产量预测及采收率估计的不确定性。而 这些不确定性紧密联系着开发方案、 投资决策等重 大经济活动。结合统计学、 地质学、 沉积学和地球物 理学等学科,充分合理地使用这些有限的信息,提取 或抓住这些信息所反映的储层分布空间结构,减少不确定性,是我们面临的又一问题。1998年 第22卷 第3期石油大学学报(自然科学版) Journal of the University of Petroleum , ChinaVol. 22 No. 3 Jun. 1998 收稿日期:1997210222 3 本文研究得

6、到 “油气藏地质及开发工程” 国家重点实验室开放基金项目(批准号:PLN9741)的资助;部分内容的研究得到863项目 “863230620420321A” 和原中国石油天然气总公司中青年创新基金的资助。 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.近年来出现的储层随机模拟技术,程度不同地 解决了以上存在的问题。储层随机模拟技术已经发 展为地质统计学的主要内容之一。储层随机模拟就 是以地质统计学为基础,综合地质学、 沉积学等学科 的现有知识,根据岩心分析、 测井解释、 地震勘探、 生 产动态以及露

7、头观察等多种来源的已知数据,对沉 积相单元、 岩相、 岩相组合或具体的流动单元的空间 分布以及物性参数在空间的变化性进行模拟,从而 产生一系列等概率的储层一维或多维成像或称实现 (Imaging或Realization)。这些实现表达了储层各种尺度的变化特征和内部结构,是细致的、 分辨率高 的、 数字化的、 定量的储层表征方式,而且易于在计 算机上重复产生、 展示、 编辑和更新。2 储层随机模拟在石油勘探与开发中 的应用随机模拟使用的模型可归纳为两大类,即离散 模型和连续模型1。离散模型用来描述离散的地 质特征以及储层大尺度的非均质性。如描述砂、 泥 岩的空间位置、 分布范围以及断层和裂缝的分

8、布,表 征各种沉积相或岩相的空间分布等。连续模拟方法 用来描述储层连续变化的地质现象,如储层物性、 地 震速度、 地质界面的构造埋深等。在某些情况下,需 要将离散模型和连续模型结合起来,构成两阶段模 型。其中,离散模型描述储层大尺度的非均质性,连 续模型描述储层小尺度的变化性2。 从已发表的文献归纳出随机模拟技术在油气勘 探和开发方面已经用于解决以下问题:(1)随机模拟 从地震时间剖面到储层埋深的转换,进而研究构造 图的不确定性3 ,4; (2)模拟各种岩相或岩相组合、 沉积相或流动单元的空间分布以及不同相带之间的 关系2 ,5 ,6,模拟断层和断层带的空间分布,指导勘 探与开发布井;(3)模

9、拟孔隙度、 渗透率等物性参数 的空间变化;(4)描述不同砂体之间以及储层不同位 置之间的连通程度、 连通方式以及连通的曲折程度, 减少无效井或低效井;(5)优选加密井位以及优选水 平井钻进轨迹,从而提高油气田最终采收率; (6)改 善生产预测效果,加速和改善生产历史匹配7; (7)计算油气储量,提高储量计算精度;(8)研究储量、 产 量、 最 终 采 收 率 以 及 勘 探 开 发 方 案 的 不 确 定 性4 ,7 ,8,进一步研究勘探开发的经济风险。3 储层地质统计随机模拟方法以下几种随机模拟方法已较为成熟,都可实现条件模拟。即每一个等概率的模拟结果(Realiza2tion)在观察点与实

10、际资料相一致,并保持观察数据 所反映的空间统计特征,包括参数分布直方图、 空间 相关函数或半变异函数。但各种方法适用的前提条 件不同及所需要的输入不同,算法的复杂程度也不相同,但这些方法在石油工业中都得到许多成功的 应用。(1)序贯高斯模拟(Sequential Gaussian Simula2tion) .用于模拟连续的地质现象,如渗透率、 地震反 射界面的构造图等。近来出现的序贯高斯协模拟(Cosimulation)可用于综合第二类信息。(2)序贯指示模拟(Sequential Indicator Simula2tion) .既可用于模拟连续的变量,也可用于模拟离 散的特征。多用于模拟复杂

11、的岩相或岩相组合、 沉 积相的空间分布结构,如模拟复杂的河 湖相沉积、河流 三角洲沉积、 浊积岩沉积以及具复杂成因的碳 酸盐岩储层。由于各个指示变量具有各自的指示变 差函数,在两两指示变量之间也可以进行交叉指示 变差函数的计算,使得该法可以模拟上述复杂的储 层空间分布。该法可以容易地综合多种来源、 定性或定量、 可靠性不同的信息2 ,5 ,6。 (3)截断高斯模拟( Truncated Gaussian Simula2tion) .可用于模拟离散的特征,特别适于模拟相序 简单明确的沉积,如三角洲成因的储层。(4)概率场模拟(Probability Field Simulation) .既可以模

12、拟连续变量,也可以模拟类别变量,如模拟 浊积岩和三角洲沉积体系的砂泥岩分布等。 (5)分形模拟(Fractal Simulation) .可用于模拟连续的特征,也可用于模拟天然裂缝的分布模式,多 用于模拟孔、 渗参数的空间变化。(6)模拟退火模拟(Simulated Annealing Simula2tion) .适于模拟连续或离散的特征。该法可以很好 地保持数据所反映的空间结构,即实验变差函数。 在复杂的碳酸盐岩条件下也可使用,特别适用于综 合多种来源的数据9。(7)示性点过程模拟(Marked Point ProcessesSimulation) .主要用于模拟河道相或河道带的空间 分布,

13、也用于模拟小规模的页岩屏障(Barriers)以及 断层分布。这一类模拟方法变种很多,近年来使用 的方法越来越复杂,模拟结果也越来越完美。这类方法易用于综合定性或定量的多种来源的信息。 (8)马尔可夫随机场模拟(Markov Randon FieldSimulation) .可用于模拟离散的特征,特别适用于没411石油大学学报(自然科学版) 1998年6月 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.有占主导的背景相的情况,如浅海沉积,也可用于模 拟三角洲沉积的砂、 泥岩空间分布、 较大规模的泥岩

14、 屏障带等。近年来,Markov随机过程在石油地质、 沉积地质中的应用已从一维Markov链扩展到三维 空间的Markov场,是很好的沉积相建模方法,也可用于综合多种来源的信息。4 两个以上变量的联合模拟联合模拟多个相互影响的变量也是地质统计学 关注的重要方面之一。对于油气储层而言,水平渗透率、 垂直渗透率、 孔隙度以及地震速度等都是相互 关联的变量,尽管现有的协克里金技术也可用于随 机模拟,但石油工业面临的问题与其他固体矿业大 不相同。石油工业储层建模涉及庞大的网格数,第 二类变量(如反演后的地震速度)与主变量(如孔隙度)的关系也不一样。在固体矿业或其他空间变量 研究方面,不同的变量一般是在

15、同一样品或同一位 置上测量。而在石油工业中却不总是如此,三维地 震资料覆盖密度可达15 m15 m ,而井距变化则很 大。在石油工业中,用全协克里金(Full Cokriging)技术进行模拟,必然使全协克里金技术所固有的困 难更加严重(如计算量庞大、 难以求取协方差矩阵和 交叉协方差矩阵以及数值不稳定等)。近来对这一 问题也有所突破,如使用配置协克里金(CollocationCokriging)技术将多个变量处理为马尔可夫类型的协区域化变量(Markov2Type Coregionalization)10, 或使用主分量克里金技术等,这些都是不同的解决 办法。5 多种来源的资料综合综合多种来

16、源的资料以减少储层表征的不确定 性,目前已成为储层随机模拟的关键技术。在建模 过程中,除了通过条件模拟技术(即保持储层的空间 分布结构并在井点等已知点与已知信息相一致)综 合各种信息外,还需要综合两类不同类型的资料,即地震资料和试井等动态资料。5. 1 综合地震资料综合地震资料可以大大减少勘探阶段储层描述 的不确定性。地震资料覆盖面广,但分辨率和可靠 性程度与井的资料不同。目前已出现了以下几种地震资料的综合形式: (1)用地震资料(如反演后的阻抗数据)来筛检(Ranking)随机建模产生的多个等概率实现(如筛检示性点过程模拟产生的河道砂体)。 (2)将地震资料看作是非平稳地质统计学的外部飘移或局部趋势(External drift or local trend) ,用 有飘移的克里金技术将地震资料包含在储层随机模 型之中4。(3)使用配置协克里金(Collocated Cokriging) ,或称软克里金(Soft Cokriging)技术将地震资料作