碳酸盐岩裂缝型油藏裂缝预测及建模技术

苗 青，周存俭，罗日升，陈方方，姜玉新

(1.中油塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000;2.北京博达瑞恒科技有限公司，北京 100101)

引 言

英买2区块位于塔里木盆地塔北隆起南喀—英买力低凸起中段南部的英买2号构造上，构造整体表现为寒武系盐上大型穹隆背斜，是海西期—印支期多期挤压褶皱变形形成的继承性古构造。工区内断裂发育，总体发育北东—南西向、北西—南东向及近南北向3组断裂，多具走滑性质［1］。英买2地区储层类型以裂缝、沿裂缝溶蚀的孔、洞为主，具有孔洞、缝并存，非均质程度高的双重孔隙介质［2］特征。裂缝以高角度张性缝为主，不仅具有有效的储集性能，还起到连通有效储存空间的桥梁作用，因此裂缝在该区储层组成中扮演重要角色。由于双重孔隙介质［2］储层具有孔隙空间结构复杂、非均质性强的特征，储层描述和地质建模具有极大的困难［3］。

1 定性裂缝预测

近些年，地震裂缝预测技术发展很快，从地震曲率［4］、相干等几何属性和叠前 P波各向异性［5］到多波裂缝预测，随着地震裂缝预测手段日益丰富，裂缝预测精度也越来越高［6］。随着地震几何属性的发展，地震几何属性以应用效果好、使用简单、计算速度快、受资料条件限制小等特点受到业界的追捧，成为裂缝预测的主流技术［7］。

地震几何属性发展历程为:早期的地震几何属性是三道相干(1995年)，计算3个地震道的相似性作为相干值，这种方法精度低;1997年出现的多道相干，是利用一个椭圆面在空间中进行扫描并通过道间协方差计算相干，该方法不但能得到相干，同时也能扫描得到倾角、方位角信息;在此基础上1999年提出的本征值算法，是通过计算协方差矩阵的特征值来计算相干，本征值算法大幅度地提高了相干计算的精度。本征相干算法虽然解决了相干问题，但这种方法扫描得到的曲面仍然比较粗糙，用这样的结果来计算曲率精度比较低。这主要是由于地震同相轴是一个曲面，而扫描用的是一个椭圆平面，无论怎样计算，平面拟合曲面都会丢失很多细节信息［6，8］。

本次采用基于新一代优化扫描的曲率分析技术，可精确捕捉地震同向轴的形态特征;采用全局优化算法，首先在空间中将曲面找到，将模拟退火全局寻优方法应用在地震同相轴的几何形态扫描上，在此基础上计算的曲率属性能很好反映地震同相轴的扭曲形变，从而高精度地定性预测裂缝。其模拟退火原理寻优过程如下。

第1步:假设时间i=0时的地震同相轴是一个平面，在一定横向范围内计算多道的协方差矩阵。其中，任意两道的协方差可用下式计算:

式中:c(τ，p，q)是协方差值;Δt为时间采样间隔，ms;τ为截距时间，ms;p和q分别为x和y方向的视倾角，以每米毫秒为单位进行计算;H为地震数据的希尔伯特变换或正交地震道，u(tij，xi，yj)位置(i为line值，j为cdp值)的地震道数据。

通过协方差矩阵的特征值计算相干:

式中:simk为协方差矩阵计算相干值;λi，j为协方差矩阵C的第j个特征值;λ1为其最大的特征值。

第 2 步:用倾角步长 Δdip_pi，j，Δdip_qi，j(可变步长，开始时步长大，随着时间推移，步长逐步变小)对平面进行扰动，使平台变成一个曲面。重新计算协方差矩阵的相干simk+1，同时比较相干值的变化。

如果simk+1＜simk，接受概率计算如下:

式中:Δφ为每次调节协方差矩阵相干迭代比值;T为模拟退火的迭代时间长度，ms;P为T温度下经过一段时间达到热平衡状态的概率;e为指数函数系数。

如果simk+1＞simk，则接受 simk+1为下一步迭代的当前解。

利用优化扫描技术计算高精度最大曲率属性，可用于刻画断裂和裂缝。通过与已钻井信息进行吻合性分析，英买2区块地震曲率裂缝预测结果与井产能、生产动态、成像测井等吻合度很高，说明裂缝预测不确定风险降低。该技术为利用地震曲率属性约束进行裂缝定量预测奠定了坚实的基础。

与碎屑岩油藏裂缝发育特征不同，碳酸盐岩油藏裂缝一般在断裂附近集中发育，密度大，远离断裂处，密度降低，裂缝密度与反应地层断裂和褶皱的曲率属性关系密切［9-11］。在曲率裂缝定性预测基础上，利用建立的测井裂缝密度曲线与地震几何属性关系，由井出发，地震曲率属性作约束，首次在英买2区块实现叠后半定量裂缝预测(图1)。

图1 英买2区块裂缝密度平面分布示意图

从裂缝密度平面分布可知，裂缝密度横向变化大，延伸距离有限，非均质性强，沿断裂处发育高密度裂缝，远离断裂裂缝密度值迅速降低，受断裂控制明显，具有沿断裂分布的趋势，与地质规律相一致。

2 裂缝地质建模

在裂缝建模过程中，为了更好地描述裂缝，针对不同研究区的裂缝发育特征，制定以岩心观察、成像测井为基础，综合静态和动态多方面资料一体化的建模思路。具体实现流程如下:首先，综合岩心、测井和地震资料进行裂缝分析，将裂缝按走向不同分别计算各组裂缝的裂缝密度曲线;为克服连续性介质模型在裂缝描述和计算效率上的缺点［2］，得到满意的离散裂缝模型［12］，以总裂缝密度体做趋势约束，采用序贯高斯模拟方法将各组系裂缝密度曲线离散到模型中，建立不同组系裂缝密度体。再次，分组建立各层的离散裂缝网络模型(DFN)［13］，并结合动态资料优选出最佳的离散裂缝网络模型;最后，粗化，计算裂缝孔渗等属性参数。

2.1 英买2区块裂缝密度建模

裂缝密度建模不仅能表征裂缝在三维空间的分布规律，评价不同组系裂缝的发育趋势，也是建立离散网络模型的基础。综合英买2区块岩心观察和成像测井研究认识，将裂缝按照倾向不同，细分成北东向、北西向以及东西向3组，并计算每组裂缝的单井线密度、面密度以及体密度。预测不同组裂缝密度时，利用总裂缝密度作约束，由井出发，采用协模拟方法模拟得到北东向、北西向以及东西向的裂缝密度体。

2.2 英买2区块裂缝网络模型(DFN)

DFN模型是目前世界上描述裂缝的一项先进技术，通过展布于三维空间中的各类裂缝片组成的裂缝网络集合来构建整体裂缝模型，实现了对裂缝系统从几何形态到渗流能力逼真细致的有效描述。离散裂缝网络模型将地球物理、地质、油藏工程等多方面的数据整合在一起［9，14］。在裂缝模拟过程中，裂缝的长度、倾向、倾角等参数均是由均值和方差采用高斯模拟方法模拟获得。均值范围越小，方差越小，模拟的结果精度越高［15］。在样本点数量足够多的情况下，将尺度缝分组，这样能减少倾向、倾角、长度的统计方差，从而提高模拟精度。在实际模拟过程中，由于裂缝长度是个非常难以确定的参数，并且成像测井上观察不到裂缝的长度，因此裂缝密度采用面密度，这样就大大降低了对裂缝长度的要求。根据3组裂缝密度模型，分组建立了各层的离散裂缝网络模型(DFN)。图2是英买2区块碳酸盐岩裂缝三维离散网络模型，可以看出裂缝在构造的主体区域相对较为发育，往东北方向裂缝发育较弱或不发育。

2.3 英买2区块裂缝孔渗模型

建立裂缝静态模型后，需要将这种复杂的裂缝模型转化为双孔双渗条件下的流体动力学模型，主要采用的方法是Warren＆Root模型。该方法是以达西定律和物质平衡方程为基础，按照模拟单元将复杂的裂缝实际模型转化为由3组相互正交的裂缝组组成的规则的裂缝块模型［16］。由于基质和裂缝的渗流特征完全不同，因此，必须要保证转换前后裂缝块的渗透率等效。

图2 英买2区块裂缝DFN模型示意图

以三维裂缝几何模型为基础，对裂缝等效属性进行计算，最终建立反映双重介质系统的物性场(孔隙度、渗透率)及表征裂缝系统与基质系统关系的Sigma因子(图3、4)。

图3 英买2区块连通因子参数模型示意图

在设定合理的传导率后，对裂缝模型粗化，能得到裂缝渗透率、裂缝孔隙度等储层参数，这些参数对裂缝油藏的开发至关重要，通过与试井解释的油藏动态渗透率对比，裂缝渗透率与试井解释动态渗透率之间具有很好的吻合性，可以满足下一步油藏数值模拟的要求。

图4 英买2区块裂缝渗透率模型示意图

3 结论

(1)采用全局优化扫描算法高精度地震几何属性，可有效拾取、刻画出裂缝信息，从而实现裂缝定性预测，进一步以曲率属性作约束，可实现叠后裂缝定量预测。

(2)在油藏精细构造模型建立基础上，采用离散化裂缝网络建模技术，能够有效反映双重介质系统的几何特征和各向异性，可实现裂缝型储层建模。

(3)裂缝地质建模结果表明，裂缝模型渗透率与试井解释动态渗透率之间具有很好的吻合性，可为油田开发提供较准确的地质信息，同时也为油藏数值模拟研究奠定了基础。

［1］乔占峰，沈安江，邹伟宏.断裂控制的非暴露型大气水岩溶作用模式——以塔北英买2构造奥陶系碳酸盐岩储层为例［J］. 地质学报，2011，89(12):2070-2072.

［2］杨坚，吕心瑞，李江龙，等.裂缝性油藏离散裂缝网络随机生成及数值模拟［J］.油气地质与采收率，2011，18(6):74-77.

［3］聂永生，田景春，魏生祥，等.裂缝三维地质建模的难点与对策［J］.油气地质与采收率2013，20(2):39-41.

［4］彭红利，熊钰，孙良田.主曲率法在麻柳场嘉陵江组裂缝预测中的应用研究［J］.特种油气藏，2005，12(4):21-23.

［5］刘增涛.利用叠前地震处理技术预测裂缝发育规律［J］. 特种油气藏，2008，5(S0):17-18.

［6］孙淑艳，刘益嘉，刘迪.大庆外围油田储层裂缝综合描述技术［J］.大庆石油地质与开发，2012，31(4):64-68.

［7］Schoenberg M，Sayers D S.Seismic anisotropy of fractured rock［J］.Geophysics，1995，60(1):204-211.

［8］徐旺林，庞雄奇，王军.油气藏裂缝型储层预测方法——以济阳坳陷古潜山为例［J］.天然气工业，2006，26(3):32-34.

［9］艾合买提江·阿不都热和曼，钟建华，Kurt Bucher.塔河油田奥陶系碳酸盐岩裂缝成因研究［J］.特种油气藏，2009，6(4):21-24.

［10］刘云武，唐振国，陈守田.三维地震构造应力场模拟及裂缝储层预测［J］.大庆石油地质与开发，2011，30(2):31-35.

［11］吕坐彬，赵春明，张迎春，等.裂缝性潜山油藏裂缝发育规律及其对井位部署的指导［J］.大庆石油地质与开发，2011，30(6):75-79.

［12］金志勇，刘启鹏，韩东，等.非线性时间序列井间连通性分析方法［J］.油气地质与采收率，2009，16(1):75-77，81.

［13］王建华.DFN模型裂缝建模新技术［J］.断块油气田，2008，15(6):55-58.

［14］吴斌，唐洪，张婷.两种新颖的离散裂缝建模方法探讨——DFN模型和DFM模型史［J］.四川地质学报，2010，30(4):484-487.

［15］王根九，赵丽敏，李薇.随机建模中变差函数的敏感性研究［J］. 石油勘探与开发，2005，32(1):71-75.

［16］张建国，杜殿发，侯健，等.油气层渗流力学［M］.东营:中国石油大学出版社，2009:265-278.