基于沉积模拟的虚拟井建立与深水峡谷相控建模策略——以琼东南盆地中央峡谷陵水段为例

付 超，谢玉洪，宋来明，王 晖，徐 伟，苑志旺，陈国宁

1 中海油研究总院有限责任公司；2 中国海洋石油集团有限公司

0 前 言

随着油气勘探向深水区进军，深水区沉积储层的刻画与表征成为了目前研究的热点。浊积砂体为深水区的主要储层类型，占目前深水区已发现油气田探明储量的75%以上［1-2］。由于较高的勘探成本，深水区勘探前期的钻井数量少，因此储层研究通常需要基于稀井网展开［3-4］；同时，深水区的地震工区范围有限，无资料覆盖区的范围较大［5］。在陆相湖盆的早期研究时遇到相似的问题，前人提出了相控逐级建模的“两步法”建模思路，即首先建立沉积相、储层结构模型，然后根据不同沉积相的储层参数定量分布规律，按相带的不同进行井间插值或随机模拟，以达到精细描述储层空间分布格局的目的［6-9］。付超等［10］和张文彪等［11］将该方法应用于深水峡谷建模过程中，实现了融合地震资料建模。赵迎月等［12］提出融合地震正演模拟的建模思路，实现了深水区的无井条件下的储层建模。近些年随着多点地质统计学方法的成熟［13］，在利用地震驱动建模的过程中，分别引入Snesim 算法和Alluvsim 算法对高弯曲度峡谷进行三维图像训练，结合基于目标建模的方法，提高了深水浅层峡谷体系的模型精度［14-15］。然而，琼东南盆地中央峡谷陵水段埋深较大（超3 000 m），峡谷顺直且古地形变化较快，造成浊积水道的单期次砂体难以识别［16-17］，对这类深水浊积砂体亟需引入新的建模方法。

深水浊积砂体建模存在2 个方面特有的难题：①浊积砂体通常表现为幕式发育的特点，在垂向上表现为厚层砂岩和厚层泥岩互层的沉积规律，由此造成不同分层内数据点密度的分布范围差异较大。②浊流在形成过程中，流动性受限于峡谷壁的发育程度和稳定程度，浊积砂体在平面上表现为短变程-高块金值的特点［18-19］。卜范青等［20-21］提出了利用分区建立变差函数的方法，克服该类型沉积体在平面上相变快的难题。付超等［10］和张佳佳等［22］提出利用分层相控约束、多重属性协同的方法构建深水沉积模型，展现了模型的垂向演化。Ebong 等［23］综合指出分区分层位使用多种建模方法可以较大地提高模型的可靠程度。

本文在前人提出的“两步法”分层分区建模的基础上，针对深水浊积砂体搬运过程的特点，引入“沉积物输送体系理论”，这不仅可以在宏观尺度计算沉积物通量和输送效率，预测浊积砂体的储层结构，而且可以在微观尺度模拟颗粒搬运过程和输砂机制，厘清微观储层结构特征、递变规律及影响因素。利用该理论进行地质建模的方法如下：首先，使用沉积正演模拟早中新世沉积充填过程；而后，沿峡谷建立虚拟井，通过神经网络方法分析其与地震数据、测井数据等资料的相关性，拟合得到虚拟井的沉积相与物性参数等数据；最后，按照分区分层的建模思路建立复合储层模型。该方法解决了两点变差函数建模和基于目标建模对密井网的需求问题，同时也弥补了多点建模中训练图像过于主观的缺陷，为深水稀井网密度下储层建模提供了解决方案。

1 中央峡谷沉积背景与地层格架

琼东南盆地处于海南岛以南、西沙群岛以北的海域（图1a），是一个大型的新生代裂谷型大陆边缘盆地，呈北东向展布。研究区所在的中央峡谷主要发育在盆地中部，根据其所在的凹陷可以划分为乐东段、陵水段、松涛宝岛段和长昌段。中央峡谷发育于中新世，主要经历了早中新世局部抬升、晚中新世沉降2 个大的构造演化阶段，整体构造活动相对稳定，工区无大型断裂发育［24-27］。峡谷内部浊积砂体的快速侵蚀，使峡谷具有相对稳定的峡谷壁和全盆地可对比追踪的沉积边界。峡谷内部沉积地层包括新近系中新统三亚组、梅山组、黄流组，上新统莺歌海组，第四系更新统乐东组［27］，其中黄流组时期以峡谷充填沉积为主（图1b）。

图1 琼东南盆地中央峡谷发育位置与充填期次划分Fig.1 Location of Central Canyon in Qiongdongnan Basin and its filling stage division

琼东南盆地中央峡谷的充填演化可划分为3个演化阶段：初始形成阶段、稳定发育阶段和后期改造阶段。根据岩性变化将本次研究的目的层段黄流组由上至下划分为6 个气组（图1b），即I、II1、II2、III、IV 和V 气组，其中IV—V 气组对应峡谷初始形成阶段，II2—III 气组对应峡谷稳定发育阶段，I—II1气组对应峡谷后期改造阶段，三者之间不存在明显的沉积间断。

2 深水峡谷样式与沉积参数

2.1 深水峡谷刻画与定量参数统计

选择中央峡谷陵水段由上游至下游的6条地震剖面（图2），依次刻画峡谷形态。

图2 琼东南盆地不同阶段深水峡谷及其砂岩厚度平面图Fig.2 Seismic profiles showing deep water canyon at different stages and its sand thickness contours in Qiongdongnan Basin

峡谷上游（图2a，2b） IV—V 气组地层相对较薄，无法识别出明显的峡谷边界。非限制性峡谷内部可以识别少量切叠的浊积水道带，水道带宽度较大，平面上同样无明确边界，水道带厚度为20～30 m。I—III 气组厚度由峡谷内部向两翼快速减薄（3 个气组厚度分别为60 m、40 m 和20 m）。限制性峡谷内部可以识别出3 条明显的水道。其中，III 气组水道呈对称宽“U”形，水道深度较大（约为60 m）；II气组水道变为“W”形和不对称“U”形，水道深度减小（约为10 m）。

峡谷中游（图2c,2d） IV—V 气组表现出与上游峡谷和水道相近的特点，但是水道带宽度增大。I—III 气组峡谷充填厚度较上游有所增加，同样可以识别3～4 条水道，表现出对称的宽“U”形，水道厚度减薄（约为10 m）。参考龚承林等［17］对研究区沉积展布的研究，认为该时期峡谷样式较为顺直，浊积砂体多在峡谷底部充填。

峡谷下游（图2e,2f） IV—V 气组地层厚度增大，其中除水道带外，可见少量条带状透镜体，厚度范围为5～10 m。参考程聪等［28］对研究区的沉积认识，将透镜体解释为MTDs。I—III 气组峡谷充填厚度较上游有明显减薄，可以识别2～3条水道，水道内部连续性增强，表现出宽“U”形和碟形。

通过单井砂体厚度标定，结合古地貌趋势绘制研究区砂岩厚度平面图（图2g—2i）。砂岩厚度反映在IV—V 气组沉积时期，研究区表现出北高南低的特点，峡谷未发育，仅存在少量冲沟。在II2—III 气组沉积时期，浊积砂体快速充填进入半限制性峡谷内部，砂厚高值区显示沉积物在峡谷上游和中上游堆积；该时期峡谷进入半限制性背景，峡谷面积约为450 km2。在I—II1气组沉积时期，随着浊积砂体的持续充填，沉积物向下游搬运；该时期中游区域砂体厚度较大，同时随着峡谷的进一步充填，峡谷范围减小，其面积约为360 km2。

基于上述对于地震剖面的解释，对研究区深水峡谷沉积体参数（图3）进行统计，统计参数包括形态参数（峡谷方向、相对弯曲度）和剖面参数（水道的摆动幅度、摆动距离、宽度和深度等）［17～18］（表1）。其中形态参数基于砂岩厚度图中砂岩厚度高值区走向测量得到；剖面参数基于连续地震剖面（时间域）统计得到，结合时深转换公式，得到深度域参数。表1 中的Zone 为本次建模研究的垂向单元，在地层划分中对应气层组，由下至上划分为Zone1（对应IV—V 气组）、Zone2（对应II2—III 气组）、Zone3（对应I—II1气组）三个单元。

表1 琼东南盆地深水峡谷沉积体参数统计表Table 1 Parameters of the sedimentary bodies of deep water canyon in Qiongdongnan Basin

图3 深水峡谷剖面参数示意图Fig.3 A sketch illustrating deep water canyon profile parameters

2.2 深水峡谷充填过程模拟与虚拟井建立

根据上述建立的中央峡谷陵水段充填规律和沉积体参数统计，利用DionisosFlow©软件进行沉积正演模拟（图4）。参考胡勇等［29］和刘建良等［30］的沉积正演模拟方法，步骤可分为沉积参数输入、古地貌输入、沉降速率输入、模拟步长设定和模拟结果分析。其中：①沉积参数输入（包括砂泥占比等）可依据目前钻井资料统计得到。②古地貌数据可基于三维地震资料解释得到（图4a），其具体做法为通过井震标定和等时界面追踪，对于泥质含量较高的区域需进行去压实校正。③沉降速率输入参考Konsoer等［31］建立的砂体几何形态和沉积通量关系，通过地震资料解释（与反演）数据识别并测量砂体几何参数，计算出研究区沉积物供给速率。此外，基于沉积通道附近的岩（壁）心粒度和沉积构造（交错层理、递变层理等）规模，改进了Komar［32］利用沉积构造和粒度递变计算浊流流速的方法，恢复中央峡谷浊流流动过程。计算结果与袁玉松等［33］的计算结果（179 m/Ma）相近。④模拟步长设置为为0.5 Ma，滑塌过程设定的临界坡度为10°，模拟得到黄流组沉积时期的充填过程（图4b）。然后，沿沉积物流动方向设定虚拟井，虚拟井井距为1 000 m，在峡谷内均匀分布。

图4 琼东南盆地深水峡谷基于沉积正演模拟建立的虚拟井与虚拟井数据校对Fig.4 Pseudo-wells and pseudo-well data verification based on sedimentary forward modeling of the deep water canyon in Qiongdongnan Basin

分三步验证沉积模拟结果的可靠性（图4c）：①拟合井点地震（RMS）属性与井点沉积模拟结果（砂地比）（拟合度高于70%）；②叠合RMS 属性高值区与沉积模拟结果富砂区域（叠合占比大于70%）；③通过单井对比沉积模拟结果验证关键界面发育位置（相对可靠）。

最终选取可靠度较高的模拟结果用于虚拟井数据学习中。按照Banchs 等［34］提出的神经网络方法：首先对虚拟井和实际井的参数进行相关性分析，选择其中相关性较低的参数（均方根振幅、波阻抗和密度）进行拟合，确定储层岩石类型（图5a—5c），明确浊积砂体的泥质含量范围为0.2～0.5（平均值0.3）（图5d）、有效孔隙度范围为0.2～0.8（平均值0.25）（图5e）、含气饱和度范围0.4～0.9（平均值0.85）（图5f）。最终根据测井曲线与地震属性值交会图版，确定对岩性与物性较为敏感的曲线类型，并拟合得到虚拟井的物性分布。

图5 琼东南盆地深水峡谷沉积体测井参数-测井参数与测井参数-地震属性交会图Fig.5 Crossplot charts of logging parameter-logging parameter and logging parameter-seismic attribute of deep water canyon sedimentary body in Qiongdongnan Basin

3 深水峡谷分区分层建模策略

上述对峡谷充填过程的恢复分析表明，深水峡谷表现出从早期非限制性峡谷到后期半限制性峡谷的演化特征。因此，需要考虑差异沉积背景下不同类型峡谷的建模过程。对于限制性峡谷，目前通常采用改进算法的多点地质统计学建模方法［11,14］，其基本过程为：①根据峡谷流动方向确定主要发育的水道中线；②根据几何参数给出水道的弯曲程度、下切程度等参数进行图像训练；③在辅助参数（例如砂地比）约束的背景下建立对应的模型。而对于非限制性峡谷，主要采用相带边界约束下的序贯高斯（如边界清晰可采用截断高斯）建模方法［20,35］。

本文采用针对不同层位、不同区域进行分区分层建模的思路（图6）。三维构造模型平面上采用50 m×50 m 的网格；垂向上，根据界面接触关系和气组分布特点，划分了3 个Zone：Zone1 包含IV—V 气组，对应峡谷初始形成期，厚度范围为30～40 m，划分为40 个Layers；Zone2 包含II2—III气组，对应峡谷最大充填期，厚度范围为20～100 m，划分为80 个Layers；Zone3 包含I—II1气组，对应峡谷后期改造期，厚度范围为0～40 m，划分为40 个Layers。由于研究区内峡谷存在快速尖灭，因此采用角点网格进行建模。在此基础上建立沉积相模型、岩性模型和物性（孔隙度、渗透率和含气饱和度）模型。对于不同分层根据其沉积充填特征选择对应的建模方法。

图6 琼东南盆地深水峡谷沉积体建模方法流程图Fig.6 Flow chart of modeling method of deep water canyon sedimentary body in Qiongdongnan Basin

Zone1（IV—V 气组）峡谷初始形成阶段 该时期峡谷陆坡走向平行发育，表现为非限制性沉积特点，砂体多表现出分区分布的特点［16］，主要集中在峡谷中游的W4井附近（图2g）。该时期的沉积体无法识别出其准确的边界，因此主要利用井震数据拟合虚拟井数据，进行序贯高斯模拟。

Zone2（II2—III 气组）峡谷稳定发育阶段 该时期峡谷内部快速充填，多表现出厚层的浊积砂体（图2），砂体较为连片分布，此外根据地震剖面解释，该时期复合水道带宽度接近峡谷宽度，故为了简化计算，采用截断高斯模拟进行储层建模。

Zone3（I—II1气组）峡谷后期改造阶段 上游地震剖面（图2a—2b）显示具有明确的孤立浊积水道砂体，并且水道发育较为连续，因此可采用基于训练图像的多点地质统计学建模方法；而中下游（图2c—2e）则表现出快速充填的特征，故采用基于趋势面的截断高斯模拟方法进行建模。

4 相控储层建模

4.1 沉积相模型随机模拟

根据前述沉积相带认识，划分出3 种类型的相带（浊积水道、天然堤与峡谷壁、远洋细粒泥岩）按照上述建模策略进行逐层建模（图7）。

图7 琼东南盆地深水峡谷沉积体RMS属性模型与沉积相随机模型Fig.7 RMS attribute model and sedimentary facies stochastic model of deep water canyon sedimentary body in Qiongdongnan Basin

Zone1（IV—V 气组） 单井（包含实际井与虚拟井）粗化数据显示浊积水道占比为24.8%，天然堤与峡谷占比为15.0%，远洋细粒泥岩占比为60.2%。分别对3 个相带的变差函数进行分析，利用球形曲线，设定主变程范围为165 m，次级变程范围为25 m（主变程范围参考水道长度，次级变程范围参考峡谷宽度［36-38］）。在沉积相建模中选取序贯指示模拟，利用Cell visitation 引入均方根振幅属性体（图7c）进行联合建模，得到IV—V 气组的沉积相模型。统计模型中浊积水道、天然堤与峡谷、远洋细粒泥岩的比例为2:1:5。

Zone2（II2—III 气组） 选取与Zone1 相同的方法进行数据分析，同样利用Cell visitation 引入均方根振幅属性体进行截断高斯建模，截断边界根据图2 中砂岩边界（砂厚约为20 m）进行确定，其中截断边界内部浊积水道、天然堤与峡谷、远洋细粒泥岩的比例为5:2:3，截断边界外三者的比例为1:4:5。

Zone3（I—II1气组） 划分为上游部分和中下游部分进行分区建模。上游部分基于Petrel 软件中Snesim 算法，模拟过程主要包括数据准备、扫描训练图像并构建稳定的搜索树、调整匹配参数、选择随机路径，利用基于条件概率分布函数的多点模拟方法，最终建立相模型。其结果验证可采用对比地震数据与模型剖面中的相带分布，进而确定其模型的合理性。对于中下游部分，采用截断高斯进行建模。

4.2 物性模型随机模拟

在沉积相模型的基础上，对研究区所有井的泥质含量、孔隙度、渗透率和含气饱和度4个连续数据进行粗化，在分区分层分析变差函数（表2）的基础上建立对应的模型（图8）。

表2 琼东南盆地深水峡谷沉积体分区分层位建模参数统计Table 2 Zoned and layered modeling parameters of deep water canyon sedimentary body in Qiongdongnan Basin

图8 琼东南盆地深水峡谷沉积体泥质含量、孔隙度、渗透率、含气饱和度模型建立Fig.8 Establishment of mud content,porosity,permeability and gas saturation model of deep water canyon sedimentary body in Qiongdongnan Basin

4.2.1 泥质含量模型

针对Zone1（IV—V 气组）时期峡谷处于非限制性背景这一特征，在变差函数分析方面，与上述沉积相模型一样考虑长变程高块金值的特点进行建模［38］。结合RMS属性进行随机建模，生成泥质含量模型的100 个随机实现，最终通过算术平均处理得到泥质含量模型（图8c）。针对Zone2（II2—III 气组）水道快速充填且较为顺直的特点［17］，借鉴Rongier等［40］对于叠置水道的建模策略，使用上述相模型作为约束边界，采用球状模型确立主副变程范围（基台值为5，块金值为2.5，主变程为2 000 m，次变程为250 m），得到该层对应的泥质含量模型（图8b）。针对Zone3（I—II1气组）同样采用分区建模（图8a），上游区在沉积相模型的约束下，采用球状模型确定变差函数范围（基台值为2.5，块金值为1），变程范围内数据量吻合程度较好，中下游浊积砂体沉积相变较快，其主变程为1 800 m，基台值为2.5，块金值为1。

建立的泥质含量模型显示，Zone1（IV—V 气组）峡谷充填早期高砂地比范围主要集中在峡谷上游（图8c），表现出多个孤立的区域，指示了浊积砂体和MTDs 在峡谷中的滞留沉积。该认识与李超等［16］，通过地震剖面解释的结论一致。Zone2（II2—III 气组）的砂地比高值区集中于峡谷内部和峡谷壁一侧（图8b），结合上述地震剖面解释结论［16］认为这是由于该时期较为发育的浊积砂体和MTDs 快速充填峡谷所致。Zone3（I—II1气组）砂体比高值区集中在峡谷内部（图8a），并且上游区域砂地比高值区范围小于中下游区域，认为其沉积成因为浊积砂体经搬运后在中下游局部平坦区域堆积。

4.2.2 孔隙度、渗透率与含气饱和度模型

孔隙度、渗透率与含气饱和度的建模方法与泥质含量模型的建立方法基本一致，并且分布相似。不同的是：泥质含量的原始数据是单峰式分布，转化成正态数据横坐标值变化较小；孔隙度、渗透率和含气饱和度数据为多峰式，因此转换成正态数据横坐标值变化较大。同样采用沉积相进行约束，得到对应的模型（图8）。

4.3 模型结果质控

本次研究从2 个方面对模型建立质控：①通过物性对比图进行质检（图9a）。对比测井解释的孔隙度、渗透率与含水饱和度的取值范围和模型结果，偏差小于10%，认为模型较为可靠。②通过物性分布图进行质检（图9b）。对比模型参数、粗化参数与实际井数据之间趋势分布的相关性，粗化结果与单井实测结果差异小于10%。

图9 基于物性对比和物性分布的模型结果质控Fig.9 Quality control of model results based on the property comparison and property distribution

该方法的模型结果与井点存在差异的主要原因是上游区域沉积地层相对下游较薄，但是各层采用统一的网格密度，造成上游网格数据粗化结果与实际井存在误差。模型参数与粗化参数之间的差异是由于虚拟井主要沿峡谷设置，对于峡谷壁两侧的物性高值区难以进行控制所致。总之，与传统建模方法得到的峡谷模型相比，该方法采用融合沉积正演模型设定虚拟井，并利用分区分层建模的策略，最大程度地保证了对峡谷内物性展布规律的控制，后续建模方法可以在物性敏感性分析、多点建模策略选择等方面进行改进［41-43］。

5 结 论

（1）以琼东南盆地中央峡谷陵水段为研究对象，引入基于峡谷充填参数的沉积正演模拟，模拟结果显示峡谷初始形成时期浊积物在上游非限制性峡谷内发育，后期在限制性峡谷内部充填。在此基础上，利用正演模拟结合地震属性和测井数据建立虚拟井，通过交会图分析地震属性与测井数据之间的关系，建立虚拟井物性分布规律，明确密度、波阻抗、自然伽马在不同岩性间的截断范围。

（2）提出分层分区“两步法”的建模策略，明确了对于非限制性峡谷采用序贯高斯模拟方法，早期快速充填顺直水道采用截断高斯模拟方法，晚期摆动水道上游采用多点地质统计学方法、中下游采用截断高斯模拟方法；实现了“两步法”在琼东南盆地中央峡谷的应用，刻画了峡谷内部物性差异，并分析其沉积成因。