2014, Vol. 29
0 引 言
致密砂岩油气赋存于低孔、低渗砂岩储集层中，一般要经过特殊作业才有开采价值，其中的致密砂岩油储层往往与烃源共生、互层或者紧邻.致密砂岩油气是我国目前已经投入工业化勘探开发的主要的非常规资源，在石油工业中，特别是在我国中西部地区的石油勘探开发中拥有举足轻重的地位(贾承造等，2012a).尽管地质学界对致密砂岩油(气)(藏)的成藏机理、评价标准争议颇多(王金琪，2000；丁晓琪等，2007；贾承造等，2012b；赵靖舟等，2012)，但有两点认识是共同的：一是岩性致密、低孔、低渗的特征使得此类油气储层非均质性难以刻画，二是此类油气资源往往需要采用水平井、分段压裂等特殊作业方式进行开采.对石油物探技术人员来说，如何综合地质、地球物理数据信息，建立深度域的、量化的储层地质模型，进而对储层非均质性进行精细刻画、为水平井部署和钻井轨迹调整提供依据，是致密砂岩油气(藏)地震地质综合研究的工作重点(郝蜀民等，2006；董宁等，2008；李东安等，2010).
然而，由于致密砂岩油气(藏)储层所特有的地质地球物理特征，构建精确而可靠的三维储层地质模型存在诸多困难(李东安等，2010；张永贵和刘振峰，2011).致密砂岩油气(藏)普遍具有低孔、低渗、岩性致密、含油气丰度较低的地质特征，其地球物理响应异常往往较为微弱，从而导致建模过程中先验地质模型特征模糊、地球物理数据体约束性差，从而导致最终构建的储层地质模型不能体现致密砂岩油气(藏)储层较强的非均质性特征，模型过于平滑，进而导致模型缺乏实际应用价值，不能为油气层预测、储量计算、井位设计等后续工作提供有效的帮助.针对致密砂岩油气(藏)储层地质模型构建所遇到的困难，着重研究考察了储层建模技术的两大特征——地质研究的核心地位和地球物理数据(尤其是地震数据)的全面参与(于兴河等，2008；王家华，2008；张永贵和刘振峰，2011)，在储层地质地球物理特征分析的基础上，完善地质特征分析和地震数据约束干预，将地质研究与地震储层描述有机地结合起来，构建了能准确描述致密砂岩油气(藏)储层非均质性特征的储层地质模型，并在实践中获得了良好的应用效果.
1 储层建模方法原理与应用关键 1.1 方法原理
储层建模是在三维空间对储层进行定量化研究并建立三维定量化模型的一个过程，以对储层进行多学科一体化、三维定量化及可视化的预测与描述.储层模型可分为两大类：储层离散变量(如沉积微相、岩相、裂缝、流动单元等)模型和连续变量(如孔隙度、渗透率、饱和度等)模型.构建储层模型需要采用一定的数学框架来进行不同类型数据的整合，数学框架的变动也往往是储层建模技术获取重要进展的出发点.多数储层建模技术采用的数学框架是地质统计学，其有四个部分组成：区域化变量理论、变差函数模型、克里金估值技术和随机模拟技术.其中变差函数模型解决的是离散变量或连续变量的空间变异结构；克里金估值技术用来求取随机变量的概率分布函数模型并对未知空间随机变量赋予数学期望；随机模拟技术以克里金技术得到的随机变量的概率分布函数模型为基础，使用蒙特卡洛技术对未知空间随机变量赋值(多个实现)(Pan，1997；刘振峰等，2003；李东安等，2010).由于传统地质统计学空间变异结构模型的构建是在空间两点相关性的基础上进行的，其又被称为“两点”地质统计学.近年来，出现了多点地质统计学，其在刻画空间变异结构模型时考虑到了更多空间位置点的相互关系(Zhang et al.，2006).此外，还有一些其他数学方法被不断引入该领域.因应数学手段的变化，储层建模领域内，具体的方法名称也较为繁多(刘振峰等， 2003，2005，2014；夏红敏等，2005；姜香云等，2006；李军和郝天珧，2006；吴胜和李宇鹏，2007；魏嘉，2007；张胜利和夏斌，2007；李军等，2010；刘爱群等，2012)，此处不再赘述.
1.2 应用关键
从模型构建过程而言，储层建模一般包括如下几个环节：
(1)确定所要建立的储层定量模型的空间范围；
(2)界定最小的建模单元，并建立构造—地层模型；
(3)确定不同地质单元的成因类型，储层目标体的几何形状；
(4)确定不同地质单元在储层空间中的分布，即建立地质相模型；
(5)利用各种参数预测方法(或模拟方法)建立三维储层参数模型.
以上几个步骤对于不同类型储层模型的构建来说，具有普适性.但在针对不同目标时，除步骤(1)外，每个环节的做法是千差万别的，需要根据特定对象的地质地球物理特征、勘探开发中所处阶段、资料占有程度来制定具体的工作方案.如在面对致密砂岩储层时，各个环节需要着重考虑的问题包括如下几个方面：
(1)如何建立准确的构造-地层模型，为储层参数模拟提供一个可靠的空间框架？
(2)如何界定地质单元的成因类型及储层目标体的几何形状？
(3)如何建立较为客观的沉积相/岩相模型？
(4)如何在储层参数模型中更好地反映致密砂岩储层较强的非均质性特征？
这四个问题解决的好坏直接决定着最终储层模型的可用与否(张永贵和刘振峰，2011).
地下储层类型千差万别，地质、地球物理特征各异，如何针对不同类型储层特点制定相应的技术解决方案，成为实践中储层建模应用有效与否的关键所在.笔者认为，合理的储层建模技术方案应该充分考虑储层建模技术本身在发展与沿革过程中形成的两大特征.
特征之一是地质研究的核心作用.地质研究对储层建模的核心作用，主要体现为地质概念模型的应用和相控建模原则(于兴河等，2008；王家华，2008；张永贵和刘振峰，2011).地质概念模型是连接定性研究为主的储层地质学和定量研究为主的储层建模之间的纽带.建模过程中运用地质概念模 型越正确、越全面，建立的储层模型也越接近于实际.地质概念模型的具体体现是储层地质知识库.相控建模原则就是在沉积相/岩相空间分布控制下进行物性参数空间分布建模.作为储层建模的一个传统部分，相控原理成为普遍使用并承认的概念，经历了十多年的漫长道路(王家华，2008).
特征之二是地震数据的全面参与.地震数据参与油气储层建模的研究思路，首先来自于地质统计学中的软硬数据的结合原理.地质统计学参与下的油气储层建模阶段，出现了地质统计学反演/模拟算法，实现了地震数据、测井数据、地质数据之间直接的结合.应该说，地震数据的广泛而全面的参与，是储层建模技术在实践中生命力不断增强的前提条件(于兴河等，2008；张永贵和刘振峰，2011).相对于已有方法而言，与地震结合更为紧密的储层建模技术方案有着更为广阔的发展空间，在近年来地震岩石物理技术发展的支持下，地震数据有可能会在建模过程中起到和“硬数据”一样的作用，当然，这有赖于地震技术进一步的长足发展.
2 致密砂岩油气藏储层建模技术方案 2.1 技术方案
回顾储层建模技术原理及发展沿革历程，致密砂岩油气藏储层模型必须充分考虑到地质研究的核心作用和地震数据的全面参与(张永贵和刘振峰，2011).具体做法如下：
(1)考虑到致密砂岩储层发育层段不同岩性阻抗差异微弱，地震反射界面难以追踪且不能和钻井分层很好地匹配的问题，应该开展叠后地震资料提高分辨率处理，结合“三瞬”剖面来提高地震层位解释精度，解决地震反射层位和钻井分层的匹配问题，使目的层段在时间域有一个钻井与地震相互一致的地层框架，保证后续工作环节中钻井与地震信息的完美匹配.
(2)开展储层沉积学分析，结合地震储层预测手段(地震属性分析和储层地震反演)，查明目的层不同砂体类型的几何形态特征，建立储层参数地质知识库，并建立对岩性、孔隙度等储层参数较为敏感的地震约束信息库.
(3)建立较为可靠的速度场模型，完成地震反射层位、地震约束信息库的时—深转换工作，结合钻井分层数据完成构造—层位模型建立，完成深度域地震约束信息库重采样工作，统一钻井与地震信息的垂向分辨率并使相应信息在构造—地层模型中准确归位.
(4)在储层地质知识库基础上，开展基于钻、测井信息的沉积相/岩相空间变异性分析，建立不同沉积相/岩相的变差函数模型，借助地震约束信息库干预，选择合适的模拟方法，建立目的层段的沉积相/岩相模型.
(5)在储层地质知识库基础上，开展基于钻、测井信息的孔隙度/渗透率/饱和度等参数的空间变异性分析，分不同沉积相/岩相类别建立相应连续型储层参数的变差函数模型，在沉积相/岩相模型的控制下，在地震约束信息库的约束下，选择合适的模拟方法，建立目的层段沉积相/岩相模型控制下的孔隙度/渗透率/饱和度等参数模型.总体技术方案流程如图 1所示.
 | 图 1 致密砂岩油气藏储层建模技术方案Fig. 1 Technique workflow of tight oil & gas |
储层地质知识库是在储层地质学研究基础上高度概括和总结出的能定性或定量表征不同成因类型储层地质特征、具有区域指导意义的参数集.如果将储层建模视为一个由先验认识经由数据的不断融入进而得到后验结果的过程，那么储层地质知识库就是这一认识提升过程所必需的先验认识.在油气勘探开发工作中，前期沉积学研究总结出的储层特点和分布特征多是一些定性的认识，如果用于储层建模这一定量化研究过程，进一步的量化工作是必不可少的.在露头分析、现代沉积环境考察、密井网解剖、地震综合研究基础上，通过归纳总结，可以得到其量化或半定量化的表达形式—储层地质知识库.该地质知识库由沉积环境/沉积微相、岩性/岩相、砂体几何形状、物性参数、旋回信息等多种参数库共同组成.先验认识的量化过程不仅使认识进一步深化，而且量化的形式也为后续的定量化的研究过程(模型构建)提供了研究基础和具体的指导方向，同时保证了模型构建这一数学过程不至于偏离、甚至背离地学研究的初衷.图 2给出了某致密砂岩气藏储层地质知识库中有关岩性沉积旋回性的量化显示情况，垂向上不同位置不同岩性的百分比得到直观的显示.从图 2上可以看出，在每个开发小层下部，粗粒砂岩出现的概率要大一些.在建模过程中，沉积旋回性信息可以对于垂向的岩性分布比例进行约束和调整.
 | 图 2 某致密气田各小层不同岩性的垂向分布比例(黄 粗砂岩，绿 细砂岩，蓝 泥岩)Fig. 2 Vertical proportion of different lithofacies in each production zone of a tight gas field(yellow color st and s for coarse s and s，green for silt s and s and blue for shale.) |
2.3 地震约束信息库
前文述及，储层建模可视为由先验地质认识出发，经由数据的不断融入，进而得到后验认识(储层地质模型)的过程.这个过程中的数据包括两个方面的数据，一是钻测井数据信息，即通常所说的“硬数据”；二是地震、生产动态测试等数据信息，即所谓的“软数据”或“约束数据”.在第二类信息中，地震数据的全面参与对储层建模工作具有至关重要的作用.为了更好地开展综合建模工作，进行地震储层预测、建立地震约束信息库是非常必要的.其原因有二：一方面，预测是描述的基础；另一方面，地震约束信息库能为建模提供横向约束数据体.针对致密砂岩油气藏储层建模主要通过地震多属性优化和储层地震反演两个方面的工作来完成地震约束信息库的构建.
开展地震多属性优化的原因在于，致密砂岩储层与围岩的岩石物理差异不十分明显(如不同岩性的密度、速度等弹性参数分布区间重叠较为严重)，储层响应特征相对微弱，单一地震属性(如纵波阻抗)分析难以取得良好效果.基于这个原因，在储层岩石物理分析、单一属性分析基础上，开展多属性优化分析，将多种地震属性中微弱的储层响应集成起来，形成具有明确地质意义的优化属性，是为储层建模提供可靠的地震约束数据体的可行途径.地震多属性优化在一定程度上克服了由于致密砂岩储层岩石物理条件、地震资料分辨率等因素的限制，地震资料不能很好地对储层建模提供敏感约束的问题.图 3给出了某致密砂岩油田长8油层组砂岩、泥岩在纵波阻抗(a)、地震优化属性(b)不同值域出现的概率.从图上可以看出，优化属性值域范围内砂、泥岩分布的差异性更为清晰.
 | 图 3 某致密油田长8油层组砂岩、泥岩在纵波阻抗(a)、地震优化属性(b)不同值域出现的概率Fig. 3Appearance probability(in the domain of P-impedance(a) and optimized seismic attribute (b))of s and s and shale in C8 zone of a tight oil field |
优化属性是多种地震属性的一种组合，能较为客观地反映储层参数的横向变化，且受钻井疏密影响较小，但其垂向分辨能力较低.在致密砂岩储层出现薄互层的情况下，需要通过具有较高垂向分辨能力的储层地震反演方法提供垂向精度较高的地震约束数据体.但是，储层地震反演方法在钻井较为稀疏的情况下，往往会在平面图上出现“围井打圈”等明显有悖于地质规律的现象.在致密砂岩油气藏储层建模实际工作中，应该根据具体工区的资料占有程度、研究目标的精度要求来综合考虑，来确定最终的地震约束信息库的构建方案.
2.4 速度模型
储层建模中涉及到深度域的钻测井数据和时间域的地震数据的整合与匹配，因此，需要建立研究目标的速度场，将地震等时间域数据体转换到深度域.一般来说，深度域地震数据往往是由地震处理人员提供的.对于致密砂岩储层而言，描述目标的隐蔽性对此环节提出了更高的要求.需要在处理环节提供的较为粗糙的速度模型的基础上，结合地震解释成果和钻测井数据来构建速度模型.大致流程如下：
(1)以井点处的地质分层时-深点作为控制，以地震解释层位为约束，建立与地质层位对应的时间域层面.
(2)以时间域层面作作为约束面，进行井间速度插值，建立速度模型.
(3)利用所建速度模型，对地震数据进行时-深转换.
(4)运用转换后的地震解释成果，与测井地质分层成果相对比，验证速度模型的可靠性.相关结果要结合构造层位分布特征，在三维空间内逐井、逐层进行检验，来保证结果的可靠性(图 4).
 | 图 4 鄂北某致密气田速度模型验证的一个实例Fig. 4 An example of checking velocity model for a tight gas field in the north of Ordos Basin |
2.5 构造建模
构造模型反映储层的空间格架.因此，在建立储层属性的空间展布之前，应进行构造建模.构造模型由断层模型和层面模型组成.这个过程的具体步骤如下：
(1)定义模型名称.此模型为时间域模型.
(2)断层建模.在此步骤中，使用地震断层解释的断面数据建立断层模型.
(3)定义横向网格间隔.横向网格数目决定了模型的侧向精度.
(4)层位建模.此步骤是将与地质界面对应的时间域的地震解释层位插入到定义的模型之中.
(5)时深转换.将由断层和主要地层界面构成的时间域框架模型利用前面建立的速度模型转换到深度域.
(6)层段建模.将未插入到模型中的其他层位插入到深度域模型中，建立起完整的地层框架模型.
(7)建立垂向网格框架.在层段模型建立之后，根据每个层段的厚度等情况确定每个层段的网格数目，此网格数目决定了模型的垂向精度.
2.6 沉积相/岩相建模
沉积相/岩相模型构建过程主要包括以下几个方面：
(1)单井岩相划分.根据岩相建模需要，需要将目的层段的岩相类型进行简化.这样做的目的主要是避免相类型过多，每种相在地层中所占比例较少，兼之以测井数据相应的样品点过少，地震约束信息对太细的相类型不敏感，从而造成建模失效.一般而言，相类型以三种至五种较为合适.
(2)岩相特征参数统计.除地质知识库已有信息外，需要对各层段相变量的指示变差函数模型、相变量的分布直方图、单层厚度分布频率直方图、相变量和地震信息间的概率关系、相变量的旋回性特征进行统计并在建模系统中保存.
(3)模拟方法选取与模拟.目前用于离散变量模拟的方法很多，参与者交互程度差异也比较大，有序贯指示模拟等人工参与程度较少的、也有如多点地质统计学、交互式相建模等人工参与程度较高的，研究者应根据对不同方法的熟稔程度和研究区的资料基础进行遴选，相关的方法测试是非常必要的.
(4)模型优选.在相模拟得到的一簇实现之中，按照一定的方法来优选模型作为最终的相模型.优选方法主要有模拟前后的直方图近似、模拟前后变差函数模型近似，以及预留验证井进行检验等办法.在实际工作中，直方图近似和预留验证井进行检验使用的比较多，而模拟前后变差函数模型近似因计算时间过长，在实际中应用较少.优选得到的相模型除作为储层建模成果外，也是按照相控原则开展连续型储层属性建模的基础数据体.
2.7 连续型储层属性建模
连续型储层属性建模需要重视四个环节的工作.其一是按照相控建模的要求，在储层地质知识库的基础上，分小层统计不同相类型的连续型储层属性分布特征；其二是按照地震约束的要求，统计地震约束信息库里已有数据体与待模拟参数(孔隙度、渗透率、饱和度)的相关性；其三是在相模型基础上，按照相控原则，在遴选出的对待模拟变量较为敏感的地震数据体约束下，选择序贯高斯模拟等连续型变量模拟算法，建立孔隙度、渗透率、饱和度等连续型变量的三维数值模型；其四是模型优选问题.最终的模拟结果是一簇实现.按照模拟前后不同数据区间所占比例直方图近似的原则，优选相应的模型作为最终成果模型.
3 实际应用
在国家发展计划“十一五”、“十二五”期间，前述致密砂岩油气藏储层建模方案在中西部油气勘探开发中得到了较为广泛的应用.先后在鄂北大牛地气田、鄂南红河油田、川西等多个油气区块进行了实践，证实了该方案的有效性.图 5给出了该方案在鄂南某致密砂岩油田应用中取得的系列储层参数模型，包括岩相模型(图 5a)、孔隙度模型(图 5b)、含油饱和度模型(图 5c)等.在这些模型基础上，按照油层评价标准，计算出了对应层段的油层分布模型(图 6).这些研究成果被及时地应用到油田的储量计算、有利区优选、水平井部署和钻井轨迹调整等工作环节中，成为油田勘探开发部署的主要参考依据之一.图 7为某致密砂岩油田钻井轨迹调整过程中用到的过井剖面，其中的水平井HH12P23根据建模成果进行多次调整后，获得了22.4吨/天的高产油流.从剖面上可以直观地看到薄层砂体的含油状况得到了较为精细的刻画，很好地满足了水平井钻井轨迹调整的需要.
 | 图 5 某致密砂岩油田主产层岩相模型(a)、孔隙度模型(b)、含油饱和度模型(c)Fig. 5 Lithoface(a)，porosity(b) and oil saturation model(c)of a main production zone in a tight oil field |
 | 图 6 某致密砂岩油田主产层油层模型Fig. 6 Oil s and s model of a main production zone in a tight oil field |
 | 图 7 某致密砂岩油田油层预测成果剖面Fig. 7 A profile showing predicted oil layers in a tight oil field |
4 结 论
4.1 致密砂岩油气藏是重要的油气勘探开发目标，其较强的非均质性和特殊的开发方式要求利用储层建模技术进行储层非均质性预测和描述，为水平井部署和钻井轨迹调整提供翔实的深度域储层地质模型.
4.2 致密砂岩油气藏特殊的储层地质、地球物理条件要求储层建模过程要重视多学科综合研究，充分考虑地质研究的核心作用和地震数据的全面参与.实践证明，本文以此为依据制定的储层建模技术方案是行之有效的.
4.3 地质概念模型是储层地质学和储层建模之间的连结纽带，储层地质知识库是先验的地质概念模型的量化结果.先验认识的量化过程不仅使地质认识进一步深化，而且也为后续的量化过程(模型构建)提供了研究基础和具体的指导方向.
4.4 地震数据的全面参与是储层建模技术发展与沿革过程中形成的重要特色，致密砂岩油气藏储层建模有效与否与地震数据的应用程度有着紧密的关系.地震数据及其特殊处理与解释成果是速度模型、构造模型、储层参数模型构建过程中的主要信息来源和有效的约束条件.
致 谢 本文研究工作得到了中国科学院地质与地球物理研究所郝天珧研究员的帮助，特此致谢.
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