储层地质建模.docx
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储层地质建模
储层地质建模
概念：
储层地质建模是为了定量地表征各种储层的空间几何形态及物性特征，最终为计算机模拟提供一个客观的、切合实际的储层地质模型。
当前国内外储层地质建模的总体思路和方法基本上是一致的，即在广泛收集地质（包括露头、钻井及综合测试）、地震及测井资料的基础上，利用沉积学、储层地质学和一系列数学方法（包括地质统计学、分形几何学、随机数学、模糊数学等）来定量表征二维或三维储层的宏观几何形态及内部特性参数的空间变化，最终利用计算机来动态地模拟储层的空间变化特征。
一、储层地质建模方法
目前建立储层地质模型的方法主要有确定性建模、随机建模。
其中随机建模是近年来国内外研究的一个热点。
近几年，又出现了综合确定性建模和随机建模两种方法的约束建模。
1确定性建模
确定性建模是对井间未知区给出确定性的预测结果，即从已知确定性资料的控制点（如井点）出发，推测出点间（如井间）确定的、惟一的和真实的储层参数。
主要手段是利用地震资料、水平井资料、露头类比资料和密井网资料。
目前，确定性建模所应用的储层预测方法主要有：
储层地震学建模、储层测井地质建模、水平井建模和露头原型模型建模。
（1）储层地震学建模
储层地震学方法主要是应用地震资料研究储层的几何形态、岩性及参数的分布，即从已知井点出发，应用地震横向预测技术进行井间参数预测，并建立储层的三维地质模型。
以高分辨率的三维地震为基础，利用其覆盖率高的优势，可以直接追踪井间砂体和求取储层参数。
该方法主要包括三维地震和井间地震方法。
目前遇到的关键问题是分辨率还满足不了油田开发研究单砂体的要求。
但对其前景大家都寄以很大的厚望。
（2）储层测井地质建模
储层测井地质建模主要是应用储层沉积学方法，在高分辨率等时地层对比及沉积模式基础上，通过井间砂体对比建立储层结构模型。
井间砂体对比是在沉积模式和单井相分析的基础上进行的。
传统对比方法主要依据井间测井曲线的相似性或差异性来进行井间砂体解释。
（3）其它方法
①水平井建模
水平井沿着储层走向或倾向钻井，直接取得储层侧向或沿层变化的参数，基此可以建立确定性的储层模型。
水平井的钻井技术和经济可行性目前已经解决，但是水平井很难进行连续取心，而且需要依赖井的测井信息。
由于测井解释技术所限，仍然存在一些不确定因素。
目前这种技术仍处在攻关阶段（见图1和2）。
表1精细露头储层研究的思路与工作流程
1
2
3
4
5
6
精细露头储层研究的理论支撑点
储层沉积非均质性
（一）沉积体系分析
储层沉积非均质性
（二）砂体内部构成及等级界面分析
储层成岩非均质性
储层物性、
非均质性
成果
1.层序地层分析法
2.沉积体系分析法
3.砂体内部构成及等级界面分析法
4.层序结构分析法
1.建立盆地的等时地层格架
2.岩石成因标志研究，识别和划分成因相
3.垂向层序剖面控制和大剖面沉积写实
4.各种成因相三维形态追索
5.成因相空间配置研究
6.古流分析
7.生物作用研究
8.典型砂体的选择
1.典型砂体三维几何形态的详细追索
2.单砂体沉积剖面写实
3.砂体内部各级界面和
构成单位的识别和划
分
4.各级构成单位沉积不均一性分析
5.沉积不均一性成因分析
6.建立储层砂体内部构成架模型
1.成岩史研究
2.成岩类型
3.成岩不均一性分析
4.划分岩石物理相
1.野外取样与室内测试
2.流体流动单元划分
3.孔隙类型与结构分析
4.储层物性不均一分析规律
5.储层物性不均一分布的地质影响因素分析
6.去成岩不均一性校正，恢复纯沉积作用控制下的储层非均质响应规律
1.建立沉积体系模型
2.建立砂体内部构成格架模型
3.建立储层地质模型
②露头原型模型建模
近年来国内外研究者积极倡导重返露头，建立露头精细地质模型，调查砂体几何形态、砂体内部建筑结构，积累露头调查的定量知识，以期将露头调查研究结果应用于地下，如林克湖等在青海油砂山地区的研究就是以露头资料为知识库，建立地质模型的实例。
露头储层研究的方法是使用高分辨率层序地层学、储层沉积学和沉积动力学（岩石相、砂体成因单元、沉积体系）和层次结构分析；
研究手段主要是露头实测（包括航拍和照片镶嵌）、取样（通常10×10×8厘米）和大剖面写实。
表1给出了精细露头储层研究的思路与工作流程。
表2给出了国外精细研究的一些典型河流、三角洲露头与现代沉积。
表2国外精细研究的一些典型河流、三角洲露头与现代沉积
序号
露头或现代沉积名称
露头或现代沉积地点
露头或现代沉积类型
1
GYPSY露头
美国俄克拉何马州
曲流河
2
FERRON砂岩
美国犹他州
河流-三角洲（高水位体系
3
FALL河组露头
美国怀俄明州东部
河流-三角洲（低水位体系
4
FRONTIER组FREWENSCASTLE砂岩
美国怀俄明州BIGHORN山东部
潮汐三角洲
5
BUNTSANDSTEIN露头
西班牙BIGHORN盆地
河流
6
YORKSHIRE砂岩露头
英国
YORKSHIRE郡河流
7
喜马拉雅前渊盆地中新世CHINJI露头
巴基斯坦北部
辫状河
8
STATFJORD油田STATFJORD组储层
北海
河流
9
MESAVERDE砂岩露头
美国科罗拉多州西北部
曲流河
10
丹佛盆地侏罗系砂岩露头
美国科罗拉多
河流
11
密西西比河曲流带
美国
曲流河（现代）
12
KOSI巨型扇
尼泊尔-印度
湿扇-辫状河（现代）
13
下白垩统MUDDYJ砂岩露头
三角洲
14
TIRRAWARRA油田
三角洲
15
尼日利亚第三纪三角洲
三角洲
16
尼日利亚现代三角洲
三角洲
17
尼日尔三角洲
三角洲
18
内蒙古岱海三角洲
三角洲
19
东非裂谷系MALAWI湖三角洲
三角洲
20
EDWARDS组白垩系碳酸盐岩储层露头
美国德克萨斯州
三角洲
21
POCAHONTAS河流相储层露头
美国肯塔基州
河流
22
JACKFORK浊流相储层楼梯
美国阿肯色州
河流
23
THAILANDGULF第三系深切河谷储层露头
泰国
河流
2随机建模
随机建模是国际上近20年来兴起的、发展很快的一项热门技术。
储层随机模拟是以已知信息为基础，以随机函数为理论，应用随机模拟方法，产生可选的、等概率的储层模型的方法。
其主要思路是：
选择储层砂体在地面出露的露头，进行详细测量和描述，取样密度达到几十厘米的网络（1×1平方英尺），把这类砂体的储层物性（如渗透率）的空间分布原原本本地揭示出来，以此作为原型模型。
从中利用地质统计技术寻找其物性空间分布的统计规律，以此统计规律就可以去预测井下各类储层的物性分布。
国外一些主要石油科研机构、院校和油公司都在开展这一工作。
根据研究对象的随机特征，将随机建模模型分为离散型模型和连续型模型。
两种模型的特征及适用条件见表3。
表3离散型与连续型模型的特征与适用条件
随机模型
特征
适用条件
代表方法
离散型模型
用于描述具有离散性质的地质特征
砂体分布，
隔层的分布，
岩石类型的分布，
裂缝和断层的分布、大小、方位等
标点过程、
截断高斯随机域、
马尔柯夫随机域和
二点直方图等
连续型模型
用来描述储层参数连续变化的特征
孔隙度、
渗透率、
流体饱和度的空间分布
高斯域、
分型随机域等
随机建模方法承认控制点以外的储层参数具有一定的不确定性，即具有一定的随机性。
根据模拟单元的不同（Deautch等人提出），随机建模方法一般可分为3大类，
即基于目标的方法（即以目标物体为基本模拟单元）、
基于像元的方法（即以像元为基本模拟单元）
和结合2种以上随机建模方法的综合方法。
这些方法较为成熟，可用于条件模拟。
（1）以目标物体为模拟单元的方法
该方法主要描述各种离散性地质特征的空间分布，如沉积微相、岩石相、流动单元、裂缝、断层及夹层等地质特征的空间分布，建立离散模型。
主要的方法有示点过程法（布尔方法）和随机成因模拟法。
①示点过程法与应用条件
1）示点过程法
示点过程法是根据点过程的概率定律，按照空间中几何物体的分布规律产生这些物体的中心点的空间分布，然后将物体性质（如物体几何形状、大小、方向等）标注于各点之上。
从地质统计学角度来讲，示点过程模拟是模拟物体点（points）及其性质（marks）在三维空间的联合分布。
2）优点
示点过程法的优点是运算速度快，方法简单和容易理解。
3）应用条件
这种方法适合于具有背景相的目标（物体或相）模拟，如冲积体系的河道和决口扇（其背景相为泛滥平原）、三角洲分流河道和河口坝（其背景相为河道间和湖相泥岩）、浊积扇中的浊积水道（其背景相为深水泥岩）、滨浅海障壁砂坝、潮汐水道（其背景相为泻湖或浅海泥岩）等。
另外，砂体中的非渗透泥岩夹层、非渗透胶结带、断层、裂缝均可利用此方法来模拟。
（2）以像元为模拟单元的方法
①高斯随机域模拟
高斯随机域是最经典的随机函数模型。
该模型的最大特征是随机变量符合高斯分布（正态分布）。
在实际应用中，首先将区域化变量（如孔隙度、渗透率）进行正态得分变换（变换为高斯分布），然后再通过变差函数获取变换后随机变量的条件概率分布函数，从条件概率分布函数中随机地提取分位数，得到正态得分模拟实现，最后将模拟结果进行反变换，最终得到随机变量的模拟实现。
这种模拟可以采用多种算法，如序贯模拟、误差模拟（如转向带法）、概率场模拟等。
②截断高斯随机域模拟
1）截断高斯随机域
截断高斯随机域属于离散随机模型，用于分析离散型或类型变量。
模拟过程是通过一系列门槛值及截断规则网格中的三维连续变量而建立离散物体的三维分布。
2）优点
该方法的优点是：
a易于实现，速度快；
b可在模拟中考虑地质因素；
c可以对模拟结果进行条件限制，使之与条件数据相吻合。
3）应用条件
由于离散物体的分布取决于一系列门槛值对连续变量的截断，因此，模拟实现中的相分布是排序的。
这一方法适合于相带呈排序分布的沉积相模拟，如三角洲（平原、前缘和前三角洲）、呈同心分布的湖相及滨面相（上滨、中滨、下滨）的随机模拟。
③指示模拟
1）指示模拟
指示模拟既可用于离散的类型变量，又可用于离散化的连续变量类别中外科技情报的随机模拟。
指示模拟的重要基础是指示变换和指示克里金。
指示变换的最大优点是可将软数据（如试井解释、地质推理和解释）进行编码，因而可使其参与随机模拟。
2）优缺点
指示模拟的优点是
适合于各种类型空间结构的数据，而不像其它方法那样假定数据来自某种特定分布，也就是说，对于具有不同连续性分布的类型变量（相），可指定不同的变差函数，从而可建立各向异性的模拟图像；
不用去掉某些特异值就能处理各种数据；模拟条件的施加是在构造模拟场过程中而不是像转向带法那样先产生非条件分布，在用克里金法把它转化为条件分布。
另外，指示模拟除可以忠实于硬数据（如井数据）外，还可以忠实于软数据。
缺点是：
a模拟结果有时并不能很好地恢复输入的变差函数；
b在条件数据点较少且模拟目标各向异性较强时，难以计算各类型变量的变差函数；
c不能很好地恢复指定的模拟目标的几何形态（尤其是相边界），一些类型变量是以一个或几个像元为单元零星地分布。
3）应用条件
该方法特别适合于岩石渗透率这样具有特异值的数据，而且适于定性数据的模拟，具有广泛的适用性。
④马尔柯夫随机域模拟
1）马尔柯夫随机域
马尔柯夫随机域既可用于离散物体，亦可用于离散化连续变量类别的随机模拟。
其基本性质是某一像元、某类型变量条件概率仅取决于邻近像元的值。
在实际应用中，条件概率常表达为邻近像元之间相互关联的指数函数。
模拟算法常采用迭代算法（如MetropoliS－Hastings算法），开始时给定一个非相关的初始图像，然后逐步进行迭代，直到满足指定的条件概率分布为止。
90年代初又提出了用于相和岩性模拟的半马尔柯夫随机域（Tjelmeland，和Holen，1993年）模型。
在该模型中，像元岩性不是取决于局部邻区，而是取决于较大的区域。
输入参数包括类型变量的分布范围、边界关系、各类型变量的含量等。
如浅海沉积、三角洲沉积的砂、泥岩空间分布、较大规模的泥岩屏障带等。
2）两种方法优缺点
两种方法的优点在于，再现每一种状态复杂的非均质性能力较强，适合于镶嵌状分布的相（或岩性）的随机模拟以及单一类型的相或岩性分布（如砂体内钙质胶结层的分布）。
其缺点是：
条件概率的确定相当复杂，特别是在条件数据有限时更为困难；难以很好地恢复相的几何形态；难以应用软数据（虽然很容易忠实硬数据）；模拟收敛很慢。
3）应用条件
目前这类模型应用很少，且主要限于二维空间。
⑤二点直方图法的随机模拟
1）二点直方图
二点直方图主要用于类型变量的随机模拟，它属于二点统计学的范畴。
其主要特征是在空间范围内2个相距一定距离的像元分属于不同类型变量的转换概率分布，在特定偏移距所有两元类型变量的转移概率即构成二点直方图模型，主要应用优化算法（如模拟退火）进行随机模拟。
由于转换概率的计算在条件数据有限时很难进行，所以在实际应用中要有一个与待模拟地区地质条件相近的、数据密度较高的原型模型（或叫训待图像）。
2）应用条件
二点直方图适用于镶嵌状分布的沉积相（或岩性）的随机模拟，亦可用于只有2个相的沉积相的随机模拟。
在实际应用中，二点直方图常应用于模拟退火中作为其他随机实现的后处理，但亦不能很好地恢复相几何形态。
⑥分形随机域模拟
分形随机域的最大特征是局部与整体的相似性。
在分形模拟中，主要应用统计自相似性，即任一规模上变量的方差与其他规模上变量的方差成正比，其比率取决于分形维数（或间断指数）。
（3）综合方法
结合2种或2种以上的随机方法建模，例如用布尔方法建立相模型，用序贯高斯模拟岩石物性。
通过综合方法可以消除各种方法单独使用的缺陷。
（4）动态地质建模
该方法是壳牌公司的Kortekass概括了当前世界上关于油藏地质建模的经验，提出的建立动态、集成化油藏模型的新概念和技术方法。
该方法强调把动态资料以至数值模拟技术等应用于油藏建模，从而使建立的地质模型更加符合油藏的实际情况，并且要随着油田开发中资料的增多和新的获得而不断更新。
这种新方法包括一系列获得和运用各种所需资料的技术和方法，包括地质、地质统计、地震、测井、岩心和流体分析、试井、驱替特征以及网格的细分和粗化、拟函数的应用等，但关键是使所建立的地质模型更加符合油藏的实际情况，而且还可以加快建模的过程。
3储层地质建模的原则
我国含油气盆地类型多，储层以陆相碎屑岩及海相碳酸盐岩为主，储层成因复杂，非均质性严重。
如河流、三角洲及冲积扇等环境形成的储层，在纵横向上相变快，不同规模的非均质性严重。
因此，对这类储层进行勘探与开发，将面临储层非均质性的问题。
为了建立尽量符合地质实际情况的储层模型，针对我国储层的特点，
制定如下建模原则：
（1）确定性建模与随机建模相结合的原则
确定性建模是根据确定性资料，推测出井间确定的、惟一的储层特征分布。
而随机建模是对井间未知区应用随机模拟方法建立可选的、等概率的储层地质模型。
应用随机建模方法，可建立一簇等概率的储层三维模型，因而可评价储层的不确定性，进一步把握并监测储层的变化。
在实际建模的过程中，为了尽量降低模型中的不确定性，应尽量应用确定性信息来限定随机建模的过程，这就是随机建模与确定性建模相结合的建模思路。
（2）等时建模原则
沉积地质体是在不同的时间段形成的。
为了提高建模精度，在建模过程中应进行等时地质约束，即应用高分辨率层序地层学原理确定等时界面，并利用等时界面将沉积体划分为若干等时层。
在建模时，按层建模，然后再将其组合为统一的三维沉积模型。
同时，针对不同的等时层输入反映各自地质特征的不同的建模参数，这样可使所建模型能更客观地反映地质实际。
（3）相控储层建模原则
相控建模，即首先建立沉积相、储层结构或流动单元模型，然后根据不同沉积相（砂体类型或流动单元）的储层参数定量分布规律，分相（砂体类型或流动单元）进行井间插值或随机模拟，进而建立储层参数分布模型。
二、国内外储层地质建模的研究现状和进展
1国外的研究现状和进展
（1）研究现状
目前国外学者主要从储层的物理特性和空间特性两方面进行研究。
一方面是通过现代沉积考察、露头储层描述和井间地质研究来建立一维或二维储层地质知识库和原始地质模型，结合成岩作用的演变规律，利用分形和地质统计学方法建立多种经验公式来描述储层的物性特征；
另一方面，结合沉积体的成因单元和界面分级揭示其模型的空间特性，利用高分辨率地震技术对储层进行横向追踪，以达到预测砂体空间展布的目的。
随着地震、测井资料数字处理技术和计算机技术的发展，形成了开发地球物理和储层地球物理等新技术，大大提高了地震、测井资料的质量，为定量描述三维空间的储层特征提供了优质的资料。
国外一些地球物理公司（如GGG、GSI）正从事这方面的研究，并已取得较明显的效果。
但对不同成因盆地油气储层的次生孔隙定量研究和预测仍处在探索阶段。
目前国外已建立的重要储层地质模型有：
定量流动模型、储层结构模型、储层非均质模型和岩石物性物理模型。
（2）储层模拟软件
国外已开发了一系列用于储层模拟技术的较为成熟的储层模拟软件，见表4。
表4已开发的系列用于储层模拟技术的较为成熟的储层模拟软件
软件类型
研制者和软件名称
软件特点
随机模型模拟软件
美国StrataModel公司研制的地质计算机系统软件（SGM）
可对具分散性质和连续变化的地质现象（如砂体、断层、岩石物性、地震速度等）进行描述，可填补观察位置和未取样位置的空白，可对地质不确定性现象定量化，最终建立“数字岩石”
英国BP研究中心研制的储层综合表征系统软件（SIRCH）
条件模拟软件
美国斯坦福大学研制的三维多指标条件模拟软件（ISIM3D）
主要用于储层非均质模拟，实现空间随机函数，解决遗失资料，取得有效流动参数。
美国新墨西哥矿业技术学院研制的用于储层对比的系统软件（TUBA）
荷兰皇家壳牌集团公司研制的储层三维连通性和构形的“君主”软件（MONARCH）
智能模拟软件
加拿大GEOSTAT系统国际公司和McGILL大学联合研制的智能模拟或专家系统软件（GEOSTAT）
该软件具有地质解释中的专家经验和知识，
可对储层地质特性进行模拟合立体化定量显示
2国内概况
（1）发展历程
我国地质模型建模技术到目前已有50多年的发展历史。
地质模型建立技术和方法虽然起步较晚，但已在关键的技术方法上取得了很大的突破，为我国陆相碎屑岩储层建模技术的发展起到很好的促进作用。
我国储层地质建模的发展主要有3个阶段：
第一阶段是从60年代至80年代，储层二维模型的建立和半定量研究阶段；
第二阶段是80年代中后期，三维确定性建模阶段；
第三阶段是90年代至今，在确定性建模的基础上向随机建模发展的阶段。
“九五”期间，针对我国各大油田先后进入高含水后期这一具体特点，这一阶段所建立的地质模型主要是针对老油田剩余油挖潜的预测模型，研究工作的重点可分为以下几个方面：
①高分辨率层序地层学研究；
②精细地质模型研究；
③储层露头精细研究。
（2）储层模拟软件
国内开发的部分储层模拟软件见表5。
表5国内开发研制的部分储层模拟软件
模拟软件名称
研制者
软件特点及应用情况
综合软件（KCR1.20）
南海西部石油公司
以克里格为核心集绘图和计算油气储量于一体
分形几何软件和Geomodeling软件
北京石油研究院
在大庆、塔里木、辽河、中原油田推广应用
储层研究综合系统软件（IRSS）
石油地球物理勘探局
物探地质研究院
集综合地质、交互目标处理、测井分析、储层综合解释为一体
PRES储层条件人工智能专家系统
海洋石油勘探开发研究中心
地质统计学和随机模拟软件
（GASOR1.0）
西安石油学院
（3）与国外研究现状相比我国储层建模存在的主要问题
①二维储层形态模型定性地质知识库研究方面已有大量信息，但储层形态和结构模型定量知识库信息较少，地震资料处理的精度远不能满足三维储层建模的要求；
②目前仍主要集中在单砂体及二维平面、剖面的储层概念模型的建立阶段，缺少从全盆地系统的角度去考虑三维储层的空间分级匹配建模和模拟问题；
③如何选择合适的数学方法，将地质模型转化为数学模型以及二维转三维的数学方法研究还相当薄弱；
④储层模拟软件的研制还处于初级阶段，与国外先进的储层模拟软件相比差距较大，引进的国外储层模拟软件是否适用于我国储层研究和评价也需要检验。
（4）解决途径探讨
根据我国现有的研究基础和技术条件提出了储层建模总体思路为：
①在广泛收集国内外含油气盆地储层地质学资料（包括测井和地震资料）的基础上，建立各种类型的储层数据库，
根据地质基础理论方法和数学方法建立储层研究方法库，配合计算机技术，最终建立不同勘探阶段、不同资料详度、不同级别和规模的三维储层地质模型。
②对于盆地或地陷规模，应建立沉积体系级别的储层地质模型；
对于勘探目标规模，应建立沉积相及单砂体级别的储层地质模型，
在储层建模过程中，由于资料详度不同，自始至终都可能用到地质统计学、分形几何学、随机数学和模糊数学等数学方法，根据需要采用不同的数学方法，来补充，修改和完善各种储层地质模型和数学模型的知识库和方法库。
③不同的储层具有不同的空间几何形态和不同的物性空间分布特点，进行二维转三维，直到三维动态的建模数学方法研究，
提高三维精细地质处理技术，建立客观的、符合实际的，且适合于我国特色的一系列储层地质模型、数学模型以及研制三维动态计算机模拟软件。
三、储层地质建模实例分析
1沙南油田
（1）沙南油田地质概况
①地层及构造特征
沙南油田梧桐沟组油藏处于准噶尔盆地东部隆起，为沙丘古构造、北三台凸起两者夹持的平缓鞍部地区。
目的层为二叠系上统梧桐沟组，沉积厚度250～300米。
建模选择主力油层为P3wt12、P3wt13砂层组，选择的建模层面为P3wt12、P3wt13-1、P3wt13-2、P3wt13-3。
沙丘5井南1号断裂为控制油水分布的主断裂，开发区主要位于沙丘5井南1号断裂与沙106井东断裂所夹持的断鼻构造上，各断裂要素见表6。
表6沙南油田梧桐沟组油藏断裂要素表
断裂名称
性质
走向
倾向
倾角
断裂长度
（公里）
断距（米）
可靠程度
沙102井西断裂
正
北西-南东
南
60°
2
35～60
可靠
沙106井东断裂
正
北西-南东
南西
65°
7.5
50
可靠
沙丘5井南1号断裂
正
北西-南东
南
55°
4.2
40
可靠
沙丘5井南2号断裂
正
北西-南东
北东
60°
5
50
可靠
沙107井西断裂
正
北西-南东
东
70°
5
40
可靠
②储层沉积特征
1）沉积相类型
根据资料预测P3wt12、P3wt13砂层组为浊积扇沉积。
各亚相及其微相特征见表7、表8。
表7沙南油田梧桐沟组梧-段沉积相划分表
沉积相
亚相
微相
浊积扇
内扇
主水道、水下堤
中扇
辫状水道、水道间、水道前缘
外扇
席状砂、席状粉砂
升级会员 