裂縫地質(zhì)模型建立模型方法

由巖心、測井或地震資料得到的裂縫各項表征參數(shù)往往只能反映部分井的局部層段裂縫發(fā)育特征，而無法回答區(qū)域性裂縫的發(fā)育及展布規(guī)律。

裂縫地質(zhì)建模實際上是表征儲層裂縫結(jié)構(gòu)及其參數(shù)的定向分布和變化特征，建模的核心問題為井間預(yù)測，在原定資料前提下，提高裂縫模型精細度的主要方法即是提高井間預(yù)測精度。井間預(yù)測有兩種途徑，即確定性建模和隨機建模。確定性建模對井間未知區(qū)給出定性的預(yù)測結(jié)果，即試圖從已知確定性資料的控制點如井點出發(fā)，推測出控制點間確定的唯一的真實的儲層參數(shù)；而隨機建模則是對井間未知區(qū)應(yīng)用隨機模擬方法得出多種可能的等概率的預(yù)測結(jié)果。

此次建模我們選擇確定性建模方法，也即選擇插值法進行建模。

井間插值方法很多，大致可分為傳統(tǒng)的統(tǒng)計學(xué)插值方法和地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)估值方法（主要是克里金方法）。由于傳統(tǒng)的數(shù)理統(tǒng)計學(xué)插值方法（如反距離平方法）只考慮觀測點與待估點之間的距離，而不考慮地質(zhì)規(guī)律所造成的儲層參數(shù)在空間上的相關(guān)性，因此插值精度很低，實際上，這種插值方法不適用于地質(zhì)建模。為了提高對儲層參數(shù)的估值精度，人們廣泛應(yīng)用克里金方法來進行井間插值。

克里金方法是地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)的核心，它是隨著采礦業(yè)的發(fā)展而產(chǎn)生的一門新興的應(yīng)用數(shù)學(xué)的分支?？死锝鸱椒ㄖ饕菓?yīng)用變異函數(shù)和協(xié)方差函數(shù)來研究在空間上既有隨機性又有相關(guān)性的變量即區(qū)域化變量。在本文研究方面，從巖心、測井資料中獲取的裂縫參數(shù)如寬度、間距、長度等均為區(qū)域化變量。

克里金法估值，是根據(jù)待估點周圍的若干已知信息，運用變異函數(shù)特有的性質(zhì)，對待估點的未知值做出最優(yōu)（即估計方差最?。o偏（即估計值的均值與觀測值的均值相同）的估計。

從Petrel 2007.1 版本開始，Schlumberger與Golder公司聯(lián)手，共同為油藏裂縫建模打造工作流程。

由于裂縫分布的細微性和復(fù)雜性、裂縫性儲層特有的雙孔隙系統(tǒng)及其不同常規(guī)的滲流機制，都加大了裂縫研究的難度和深度。

目前，裂縫描述的軟件產(chǎn)品主要有: Petrel的裂縫模塊 、RMS的裂縫模塊、Fraca、Fracman等。

通過軟件的裂縫建模應(yīng)用，認為Petrel軟件在裂縫建模方面的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）Petrel軟件的裂縫建模具有多學(xué)科多資料協(xié)同的優(yōu)勢，能夠充分把地震、測井、地質(zhì)、鉆井、生產(chǎn)等資料充分結(jié)合進來，從多個角度認識裂縫，可以考慮多條件約束建立裂縫模型，建立的裂縫模型相對合理。

（2）Petrel軟件的裂縫建模與常規(guī)的三維地質(zhì)建模實現(xiàn)了無縫連接，可以將常規(guī)建模的優(yōu)勢與裂縫建模充分結(jié)合起來，實現(xiàn)了常規(guī)建模與裂縫建模的一體化操作。

（3）在Petrel軟件的裂縫建模采用了國際上先進的DFN裂縫建模方式，以離散性數(shù)據(jù)形式來描述裂縫，并建立 “離散裂縫模型”，軟件允許對裂縫屬性進行計算，保證了模型精度。

（4）Petrel軟件裂縫建模不僅能提供裂縫分布模型，還能通過裂縫粗化模塊，為用戶提供真正關(guān)心的裂縫孔隙度、滲透率模型。與ECLIPSE數(shù)模軟件結(jié)合，實現(xiàn)雙重介質(zhì)油藏的建模、數(shù)模工作。

1、傳統(tǒng)裂縫建模方法面臨的困難

1)在裂縫形油藏中，地下流體主要是在裂縫及其交織成的裂縫網(wǎng)絡(luò)中進行。地下裂縫系統(tǒng)就像一個復(fù)雜的城市供水管道系統(tǒng)，它遠比連續(xù)介質(zhì)的模型描述更加復(fù)雜。通過示蹤劑測試結(jié)果可以證明，有些非常鄰近的井沒有受到影響，而一些遠距離的生產(chǎn)井反倒見到了示蹤劑響應(yīng)。

因此如果用連續(xù)介質(zhì)描述裂縫系統(tǒng)很難描述清楚裂縫網(wǎng)絡(luò)的非均質(zhì)性和不連續(xù)性。

2)目前油藏數(shù)值模擬中廣泛采用的糖塊型模型是對真實地層的一種高度簡化。這種簡化必然導(dǎo)致對許多真實細節(jié)描述的喪失。

3)傳統(tǒng)的裂縫描述多采用網(wǎng)塊系統(tǒng)，這樣只能描述網(wǎng)塊之間是連通或者不連通，而不能描述清楚一個網(wǎng)格內(nèi)的聯(lián)通問題，也不能描述網(wǎng)塊間部分連通的問題。

2、實現(xiàn)方法

影響裂縫發(fā)育的地質(zhì)因素很多，各種因素互相作用，使裂縫分布難以預(yù)測。一般從三個角度來進行，一是針對構(gòu)造應(yīng)力場和曲率，二是用統(tǒng)計地質(zhì)學(xué)預(yù)測井間裂縫分布，三是充分利用地震資料預(yù)測裂縫的空間分布。

隨著現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)方法及地震分析技術(shù)的提高，裂縫性油藏的三維地質(zhì)建模方法也日趨增多，并不斷地相互補充和完善。

在裂縫片的空間分布方式上，通常每一個裂縫片即是隨機定位的，同時也要滿足一定的集群特征。

3、實現(xiàn)步驟

在DFN裂縫建模的過程中，通常有以下步驟：

(1)大裂縫建模。通常這些都是些有地震等資料確定的大的斷層和裂縫，它們的位置和形態(tài)基本上都是確定的，不需要隨機生成。

(2)中等裂縫和小裂縫建模。這些裂縫形成了儲層裂縫網(wǎng)絡(luò)的主體部分，通常我們用地質(zhì)統(tǒng)計的方法隨機生成裂縫系統(tǒng)，并使之滿足各種統(tǒng)計條件。

(3)加入地層頂?shù)捉缑鎸ι鲜隽芽p片進行切割，同時加入基質(zhì)系統(tǒng)，通過粗化及屬性運算，生成最終的裂縫地層模型。

螞蟻追蹤技術(shù)是斯倫貝謝推出的斷裂系統(tǒng)自動分析、識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)的原理是：在地震數(shù)據(jù)體中播撒大量的螞蟻，在地震屬性體中發(fā)現(xiàn)滿足預(yù)設(shè)斷裂條件的斷裂痕跡的螞蟻將“釋放”某種信號，召集其他區(qū)域的螞蟻集中在該斷裂處對其進行追蹤，直到完成該斷裂的追蹤和識別。而其他不滿足斷裂條件的斷裂痕跡將不進行標(biāo)注。最后，通過該技術(shù)，我們將獲得一個低噪音、具有清晰斷裂痕跡的數(shù)據(jù)體。

然后，以獲得的斷裂數(shù)據(jù)體為基礎(chǔ)，Petrel將提取數(shù)據(jù)體中的所有斷裂痕跡，并且去除大的斷層，只考慮裂縫系統(tǒng)，完成工區(qū)內(nèi)大的裂縫描述及建模工作。

1、螞蟻體追蹤技術(shù)工作流程

第一步驟是要求地震在信號領(lǐng)域壓制噪聲以達到其基本條件。

第二步是在地震數(shù)據(jù)上強化空間不連續(xù)性判別（斷層屬性提取，邊界探測）。

第三步驟通過壓制噪聲和剔除非斷層因素波動算法生成的螞蟻追蹤體更進一步明顯突出斷層特征。

2、離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型（DFN）

DFN模型是目前世界上描述裂縫的一項先進技術(shù)，它通過展布于三維空間中的各類裂縫片組成的裂縫網(wǎng)絡(luò)集團來構(gòu)建整體的裂縫模型，實現(xiàn)了對裂縫系統(tǒng)從幾何形態(tài)直到其滲流行為的逼真細致的有效描述。

3、DFN的由來

關(guān)于裂縫建模，許多研究者作出了探索性的研究。1970年代，Hudson等人分別開發(fā)了裂縫幾何的地質(zhì)統(tǒng)計模型。到1980年代，由于Bill 、Peter 等人的出色工作，離散裂縫網(wǎng)絡(luò)(DFN)模型正式出現(xiàn)并廣泛傳播。

裂縫性油藏的裂縫描述和建模是一個世界性的難題，DFN模型的出現(xiàn)應(yīng)該是裂縫建模領(lǐng)域的一個重大的里程碑事件，它對這個難題給出了一個較為適合的解決方案。這些方法首先是用于評估地下裂隙對核廢料處理的影響，由此發(fā)展了一大批的算法并形成軟件。到1990年代，這些方法開始在石油領(lǐng)域獲得應(yīng)用并取得了良好的效果。

離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型使得把地球物理、地質(zhì)、油藏工程等多方面的的數(shù)據(jù)整合在一起形成對裂縫的系統(tǒng)描述成為可能。

裂縫的長度從幾厘米到數(shù)公里貫穿了很大的跨度區(qū)間，通常我們?nèi)菀自趲r心描述數(shù)據(jù)中獲得厘米級的裂縫數(shù)據(jù)，在地震斷層數(shù)據(jù)中獲得公里級的裂縫數(shù)據(jù)，在露頭數(shù)據(jù)中獲得米級、十米級的裂縫數(shù)據(jù)。裂縫的識別和描述難度相對較大。對于裂縫的描述，各類資料是存在著很大的差異性的，一般來說，裂縫按照發(fā)育的級別分為三類，即大裂縫、中等裂縫和微小裂縫，大的裂縫一般通過地震等資料來認識，而其它的則通過井?dāng)?shù)據(jù)等方式獲得。

微小裂縫及中等裂縫的認識和描述

（1）利用巖心資料描述儲層，裂縫技術(shù)巖心裂縫是觀察地下儲層裂縫最直接的手段。

（2）利用成像測井資料描述儲層裂縫，利用成像資料達到識別裂縫的目的。

（3）常規(guī)曲線裂縫解釋，通過常規(guī)測井曲線響應(yīng)以及與已知裂縫對比，用常規(guī)曲線來描述裂縫。

（4）地應(yīng)力，進行地應(yīng)力分析，通過描述最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力方向，來認識裂縫發(fā)育。應(yīng)該說，成像測井和巖心觀察是對裂縫解釋最準(zhǔn)確的方法。

理論研究和實際觀測結(jié)果表明，斷層和裂縫的形成機理是一致的。斷層的形成可分為三個階段：

第一個階段是大量的微裂縫形成；

第二個階段是由于微裂縫的形成而使巖石的堅固性下降，導(dǎo)致應(yīng)力集中，許多微裂縫合并而成為大裂縫；

第三個階段是大裂縫形成斷層。

斷層實際上是裂縫的宏觀表現(xiàn)，裂縫是斷層形成的雛形。

一般來說，在業(yè)已存在的斷層附近，總有裂縫與其伴生，兩者發(fā)育的應(yīng)力場是一致的。

由于地震資料含有豐富的構(gòu)造信息，因此，地震在裂縫描述中具有非常明顯的作用，特別是對大裂縫及中等裂縫的描述。 在Petrel軟件中，是通過螞蟻追蹤技術(shù)來實現(xiàn)的。

通過地質(zhì)資料得到裂縫的部分表征參數(shù)（包括密度、間距、寬度、傾角等），采用構(gòu)造主曲率法預(yù)測裂縫的方位及分布情況，在此基礎(chǔ)上計算出裂縫孔隙度和滲透率參數(shù)場。運用克里金插值、多元統(tǒng)計回歸，得到不同巖性和深度的裂縫描述參數(shù)。將這些參數(shù)等都繪制成定量化曲線，用定量的連續(xù)參數(shù)場表現(xiàn)離散的裂縫對油氣藏開發(fā)的影響程度，并與每口取心井的巖心和測井剖面綜合在一起，便建立起裂縫綜合剖面模型。在該剖面模型上，像一般研究地層那樣劃分、對比裂縫段，分出裂縫發(fā)育級別等，可最終建立裂縫地質(zhì)模型。 2100433B

儲層地質(zhì)模型應(yīng)能滿足油田不同開發(fā)階段的需要，能反映儲層中的孔隙度、滲透率、流體特征和動態(tài)特征，同時還能滿足不同層次、不同規(guī)模地質(zhì)體預(yù)測的需要。它實質(zhì)上是儲層特征在三維空間上的靜態(tài)和動態(tài)特征的綜合反映。不同學(xué)者研究地質(zhì)體的層次不同，以及研究儲層目標(biāo)參數(shù)的著重點不同，也就有不同的儲層地質(zhì)模型的分類。在各種分類方法中，按開發(fā)階段的任務(wù)及模型建立精度進行劃分為宜。不同油田開發(fā)階段，所進行的工作量不同，對油藏所取得的資料信息和認識程度存在著差異，所要解決的開發(fā)任務(wù)也就有所不同，總是隨著油藏開采程度的提高，由淺入深逐步向前推進。不同開發(fā)階段所要求建立的儲層地質(zhì)模型也就有相應(yīng)的不同。

總的來說，隨著油田開發(fā)階段的推移，油藏開采程度的提高，對儲層地質(zhì)模型的要求也是由簡到細，由粗到精。裘懌楠(1991)將儲層地質(zhì)模型分為概念模型、靜態(tài)模型和預(yù)測模型三大類，是地質(zhì)模型分類的典型代表。

儲層地質(zhì)模型概念模型

針對某一種沉積類型或成因類型的儲層，把它代表性的儲層特征(非均質(zhì)性、連續(xù)性等)抽象出來，加以典型化和概念化，建立一個對這類儲層在研究地區(qū)(油田)內(nèi)具有普遍代表意義的儲層地質(zhì)模型，稱為概念模型。概念模型并不是一個或一套具體儲層的地質(zhì)模型，但它卻是代表某一地區(qū)(油田)某一類儲層的基本面貌。

概念模型廣泛應(yīng)用于一個油田的開發(fā)早期。從油田發(fā)現(xiàn)開始，到油田評價階段和開發(fā)設(shè)計階段，主要應(yīng)用儲層概念模型研究各種開發(fā)戰(zhàn)略問題。在這個階段，油田僅有少數(shù)大井距的探井和評價井，受資料條件的限制，不可能對儲層做出全油藏的詳細描述，只能依據(jù)少量的信息，借鑒理論上的沉積模式、成巖模式和鄰區(qū)同類沉積儲層的原型模型，建立起研究區(qū)儲層概念模型。這種概念模型對開發(fā)戰(zhàn)略的確定是至關(guān)重要的，可以避免戰(zhàn)略上的失誤，如在井網(wǎng)部署上，對席狀砂體可采用大井距，河道砂體則需小井距，塊狀底水油藏則采用水平井效果較好。

概念模型一般應(yīng)依靠儲層沉積學(xué)為基本依據(jù)，盡可能直接利用巖心資料來建立，避免依賴測井解釋等間接資料，因為在油藏早期評價階段，測井定量解釋精度尚不夠高。概念模型在開發(fā)可行性和開發(fā)設(shè)計研究階段是非常重要的，通過油藏數(shù)值模擬可以進行各項開發(fā)戰(zhàn)略的指導(dǎo)性的決策研究。如投入開發(fā)的技術(shù)經(jīng)濟性、優(yōu)選開發(fā)方式和層系井網(wǎng)、估計各階段采收率、預(yù)見開采過程中可能出現(xiàn)的主要問題，以及投入開發(fā)前必須正確決策的戰(zhàn)略問題，等等，都可以通過概念模型研究。

儲層地質(zhì)模型靜態(tài)模型

針對某一具體油田(或開發(fā)區(qū))一個(或一套)儲層，將其儲層特征在三維空問的變化和分布如實地加以描述而建立的地質(zhì)模型，稱為該儲層的靜態(tài)模型。對儲層進行全油藏的如實描述，一般需要較密的井網(wǎng)，即開發(fā)井網(wǎng)鉆成以后才有條件進行。靜態(tài)模型主要為油田開發(fā)方案實施(即注采井別的確定，射孔方案實施等)、日常油田開發(fā)動態(tài)分析、作業(yè)施工、配產(chǎn)配注方案和局部調(diào)整服務(wù)。

20世紀(jì)60年代以來，我國各油田投入開發(fā)以后都建立了這樣的靜態(tài)模型，但大多數(shù)是手工編制的，如各種小層平面圖、油層剖面圖和柵狀圖。個別油田還做出實體模型以更直觀地顯現(xiàn)儲層。這些儲層靜態(tài)模型在我國注水油田開發(fā)實踐中起到了必不可少的作用。

20世紀(jì)80年代以來，國外用計算機技術(shù)，逐步發(fā)展出一種依靠計算機存儲和顯示的三維靜態(tài)模型，即把儲層網(wǎng)塊化后，用各網(wǎng)塊參數(shù)按三維空間分布位置建立三維數(shù)據(jù)體。這樣就可以進行儲層的三維顯示，可以任意切片和切剖面，顯示不同層位不同剖面的儲層模型，以及進行其他各種運算和分析，更重要的是可以直接與數(shù)值模擬連接。靜態(tài)模型只是把多井井網(wǎng)所揭示的儲層面貌描述出來，不追求井問參數(shù)的內(nèi)插精度及外推預(yù)測。靜態(tài)模型在我國注水開發(fā)實踐中得到廣泛應(yīng)用，從采油井的日常管理到油田的大小調(diào)整措施，都是必不可少的地質(zhì)基礎(chǔ)。

儲層地質(zhì)模型預(yù)測模型

預(yù)測模型的提出是油田開發(fā)深入發(fā)展的結(jié)果。與靜態(tài)模型相比，預(yù)測模型除了強調(diào)對多井單井的描述外，更重視對井問儲層的預(yù)測，且所建立的儲層模型要比靜態(tài)模型精度更高。預(yù)測模型是對控制點間及以外地區(qū)的儲層參數(shù)能預(yù)測性地做一定精度的內(nèi)插或外推，要求井網(wǎng)信息更豐富，以便獲得更可靠的儲層分布規(guī)律，提供更可靠的預(yù)測參數(shù)。預(yù)測模型對于剩余油挖潛意義重大。油藏經(jīng)注水開發(fā)之后，地下仍存在大量剩余油，需要進行開發(fā)調(diào)整、井網(wǎng)加密或進行三次采油，因而需要建立精度很高的儲層模型和剩余油分布模型。三次采油技術(shù)在近20年雖然獲得迅速的發(fā)展，但除熱采重油外，其他技術(shù)均達不到普遍性工業(yè)應(yīng)用的水平，其中一個重要原因是儲層模型精度滿足不了建立高精度剩余油分布模型的需求。由于儲層參數(shù)的分布對剩余油分布的敏感性極強，這樣儲層特征及其細微的變化對三次采油注入劑及驅(qū)油效率的敏感性遠大于對注水效率的敏感性，因此要求儲層模型具有更高的精度。為了適應(yīng)注水開發(fā)中后期及三次采油對剩余油開采的需求，要在開發(fā)井網(wǎng)條件下(一般百米級條件下)將井問數(shù)十米級甚至數(shù)米級規(guī)模的儲層參數(shù)的變化及其絕對值預(yù)測出來，即建立儲層精細預(yù)測模型或精細油藏地質(zhì)模型。

1．龜狀裂縫：龜狀裂縫多出現(xiàn)在土壩表面，分布較均勻，縫細而短，對堤壩危害較小。龜狀裂縫產(chǎn)生的原因，主要是粘性土水分蒸發(fā)，表面土體收縮，故又稱干縮裂縫。填筑土料粘性愈大、含水量愈高，干裂的可能性愈大。

2．橫向裂縫：橫向裂縫的走向與堤壩軸線垂直或斜交,常出現(xiàn)在堤壩頂部并伸入堤壩內(nèi)一定深度，嚴(yán)重的可發(fā)展到堤壩坡，甚至貫通上下游造成集中滲漏，直接危及堤壩的安全。產(chǎn)生橫向裂縫的原因，主要是相鄰堤壩段壩基產(chǎn)生較大的不均勻沉陷，常發(fā)生于堤壩合攏段，堤壩體與交界部位施工分縫交界段以及壩基壓縮變形大的壩段等。

3．縱向裂縫：縱向裂縫的走向與堤壩軸線平行或接近平行，多出現(xiàn)在堤壩頂部或堤壩坡上部，裂縫逐漸向壩體內(nèi)部垂直延伸。它一般比橫向裂縫長，若不及時處理，雨水入侵后會造成大壩脫坡險情。縱向裂縫產(chǎn)生原因：一種因分期加高，壓實質(zhì)量和填筑材料不同；用貼坡培厚法處理背水坡滲水時，貼坡砂層未灌水也不壓實，致使蓄水后砂層浸水下沉，培土表面發(fā)生縱向裂縫；另一種因施工碾壓不實，施工質(zhì)量不好，筑壩土料含水量過高；初次蓄水，或汛期水位驟降導(dǎo)致堤壩坡失穩(wěn)，產(chǎn)生脫坡初期的縱向裂縫。

4．內(nèi)部裂縫：產(chǎn)生內(nèi)部裂縫的原因和可能出現(xiàn)的部位有：如在狹窄山谷壓縮性大的地基上修建土壩，在壩體沉降過程中，上部壩體重量通過剪力和拱的作用，被傳遞到兩端山體和基巖中去，而壩體下部沉陷，有可能使壩體在某一平面上被拉開，形成水平裂縫；此外，堤壩壩基或堤壩與建筑物接觸處因產(chǎn)生不均勻的沉陷而產(chǎn)生內(nèi)部裂縫等。