油气藏网格模型

油气藏地质模型~

油气藏地质模型是描述油气藏的类型、几何形态、规模、油气藏内部结构、储层参数及流体分布的数学模型。它是油气藏综合评价的基础，同时是油气藏数值模拟的重要基础及开发方案优化的依据。
油气藏地质模型由3个部分组成：(1)圈闭结构模型，圈闭类型、几何形态、封盖层，断层与储层的空间配置关系，储层层面形态等；(2)储层地质模型，储集体的几何形态、连续性、连通性、内部结构、孔隙结构，储层参数的变化和分布，隔夹层的分布及裂缝特征分布；(3)流体分布模型，地层流体 （油、气、水） 的性质和分布。
在油气田勘探和开发的不同阶段，油气藏地质模型所表述的内容应有所差别。这是由油气藏描述的性质和目的所决定的。在勘探阶段，油气藏描述的主要目的是提高勘探效益、提交探明储量及进行开发可行性评价，因此其研究重点是圈闭特征、储层性质与分布规律、流体性质和分布规律等较宏观的油气藏特征描述上。而在开发阶段，油气藏描述的主要目的是为合理的油气藏管理和提高采收率服务，因此其研究重点是储层的非均质性、流体的非均质性、开采过程中储层和流体的动态变化、油水运动规律及剩余油分布规律等。
油气藏地质模型的建立是从信息库 （数据库和资料库） 开始的，包括五个信息库，即(1)地震信息库：用于地层划分对比、构造分析、地震相研究、砂体预测及储层参数的预测、地层压力的预测等；(2)地质信息库：包括区域地质资料、岩心录井、岩屑录井、地化录井等资料及其分析数据，这是油气藏描述的第一性资料，可用于油气藏描述各方面的分析研究；(3)测井信息库：可用于油气层单元划分与对比、测井相与沉积相研究、单井储层参数解释、油气水层解释、隔夹层解释、砂体内部结构与砂体定向解释、裂缝特征与分布等研究；(4)测试信息库：包括试油和试井 （如RFT、脉冲测试等） 资料及数据，用于流体性质和分布、油气产能、地层压力系统、砂体连通性、断层封闭性及裂缝宏观分布等研究；(5)生产动态信息库：用于开发阶段储层、流体 （油、气、水） 的动态变化和分布研究，分析水驱油状况、储量动用状况及剩余油分布状况，建立剩余油分布模型。
油气藏地质模型的建模方法是以构造地质学、沉积学、石油地质学、储层地质学及油气藏地球化学为理论基础，以五大信息库为支柱，充分应用油气藏描述软件系统中的数据分析模块等功能，将应用统计分析、地质统计学分析、灰色系统分析、神经网络分析、分形几何学分析及模糊数学等贯穿于研究的始终，使油气藏描述中所涉及的上万个不同类型、不同精度的数据得以去粗取精、去伪存真，突出起主导作用的参数，提高各类数据体分析应用过程的科学化、精细化程度，并以各种确定性建模和随机建模为方法，以计算机为手段，建立三维可视化的模型，最终形成完善的油气藏地质模型。
油气藏数值模拟要求提供一个把油气藏各项特征参数在三维空间上的分布定量表征出来的地质模型。实际的油气藏数值模拟还要求把油藏网格化，并对各个网格赋以各种参数值来反映油气藏特征的三维变化。网格尺寸越小，标志着模型越细；每个网格上参数值与实际误差愈小，标志着模型的精度愈高。后者正是无数开发地质工作者为之努力的方向。

油气藏地质模型的分类有很多种，它是根据油气藏研究和生产的需要来划分的。下面介绍几种最实用的分类。
8.1.1.1 按地质属性进行分类
一个完整的油气藏地质模型应包括：
1）构造模型：包括油气层的构造形态、断层和裂缝组合、各种构造要素以及目的层的顶、底构造图。
2）沉积模型：包括储层砂体或储集体的空间展布，以及各砂体或储集体沉积微相的三维时空变化。
3）储层参数分布模型：包括储层的孔、渗和孔隙结构参数，要求建立三维储层参数分布模型，并采用可视化技术以便从各个方向了解储层参数的变化情况。
4）油气水分布模型：包括油气藏内油水或气水界面的位置，油、气、水饱和度的分布，以及流体性质的空间变化。
5）流动单元模型：流动单元是指储层中纵、横向连续分布的岩性和物性相近的一个储集带。通常用渗透率和厚度的乘积（K·H）作为划分流动单元的依据。流动单元与产能密切相关，是油气田开发划分单元的主要依据之一。
8.1.1.2 按油气藏开发阶段划分［2］
1）概念模型：把所描述的油气藏的各种地质特征，特别是储层典型化、概念化，抽象成具有代表性的地质模型。只追求油气藏总的地质特征和关键性的地质特征的描述，基本符合实际，并不追求每一局部的客观描述。这样的地质模型可供研究油气田开发中的战略指导路线，或进行开采机理研究。
2）静态模型：也称实体模型。把所描述的油气藏地质面貌，依据资料控制点实测的数，加以如实的描述，并不追求控制点间的预测精度。建立这样的地质模型必须有一定密度的资料控制点——井网密度，才有意义。一般是在开发井网完成后进行，为油气田开发早期生产服务。
3）预测模型：预测模型不仅忠实于资料控制点的实测数据，而且追求控制点的内插外推值有相当的精确度，即对无资料点有一定的预测能力。实际上这是追求高精细度的油气藏地质模型，是在资料较少的情况下使用的模型。
8.1.1.3 按表征油气藏部位的分类［2］
1）单井地质模型：指对单井剖面上储层的岩性、物性、电性、含流体特征的分布与变化的综合表达，反映单井剖面中有效储层与油、气、水层分布的连续性与分隔情况。
2）剖面地质模型：指对某一方向的剖面（通常为过井剖面）上有效储层和油、气、水层在纵、横向上的分布及变化的综合表述。
3）平面地质模型：指在油气藏范围内有效储层特征及其所含流体在平面上分布的变化的综合表述。
4）立体地质模型：指有效储层特征及其所含流体在油气藏三维空间中分布和变化的综合表述。

油气藏网格模型是在平面上用等间距 （或不等间距） 网格，在垂向上用网格分成若干个地质层将油气藏离散化。油气藏网格模型再现了油藏的构造形态，为反映储层物性平面非均质性和层间非均质性奠定了基础。

（一） 层面网格化 （Horizon gridding）

平面离散化方法常用是三角剖分和矩形网格化。数值模拟常采用矩形网格，因此矩形网格化也是地质建模层面最常用的离散化方法。

网格是由均匀 （或不均匀） 的行列构成的矩形区域。行与列的交点是网格节点。每行包含的节点具有相同的列号；每列包含的节点具有相同的行号。通过网格化，可以把不规则间距的油气藏特征参数，利用插值或外推数值算法生成规则间距的油气藏特征参数。

1. 层面网格化过程中的技术难点

在地层层面在交叉网格剖分下，其几何形状由网格节点处的深度值表示。层面网格化过程就是将离散分布的地震数据点、钻井深度数据点换算到网格节点上，得到网格节点处的深度值。相比一般的平面插值，层面网格化具有如下两方面的难点：

（1） 地层层面作为连续曲面，应尽可能光滑，相邻节点处的深度值应保持协调一致。同时作为地层单元 （或油气层单元） 之间的分隔面，在井点处应保证严格的过点性。

（2） 断层的出现破坏了地层层面深度的连续性，生成的地层层面在断层的两侧应保证深度阶跃现象的出现。同时在断距渐小并最终消逝的点，断层两侧错开的地层层面应在这里得到衔接，避免人为延长断层。

实际研究表明，在层面网格化过程中，针对问题 （1） 选用曲面样条插值法；针对问题 （2） 首先引入断层处理规则，然后在此基础上进行补充和完善，就能较好地解决层面网格化的技术难题。

2. 断层处理技术

考虑到断层的存在对层面网格化的影响，有人提出了如下处理规则：在水平面内，将插值点与数据点之间连一条线段。若该线段与某条断层有奇数个交点，则认为插值点与数据点位于断层的异侧，因此在计算插值点的层面深度时，该数据点不用。若该线段与某条断层有偶数个交点，则认为插值点与数据点位于断层的同侧，因此在计算插值点的层面深度时，该数据点可用。在图6-3中，点P为插值点，P₁，P₂，P₃，P₄为数据点，折线分别代表两条断层。在计算P点深度时，数据P₂，P₄可用，而P₁，P₃则不可用。

图6-3 断层处理规则与数据点筛选

在生成层面时，该规则保证了断层两侧插值点深度分别由不同的两组数据点进行插值，所得到的层面深度在断层两侧出现跳跃。在层面网格化过程中，首先给定一个合适的检索半径R，选取该范围内有所有数据点作为备用点。然后用断层处理规则进行筛选 （图6-3右所示），用筛选出的可用数据点进行曲面样条插值。当该过程遍历所有的网格节点后，即完成了层面网格化过程。

应该说断层处理规则的引入基本解决了层面网格化技术难题。但在实际建模软件开发过程中，可能还会遇到异常情况。因此，提出如下补充规则：

图6-4 断层处理中的几类特殊情况

（1） 明确判断交点的性态。首先计算断层线和插值点与数据点连线的交点坐标，只有当交点纵、横坐标同时位于断层线和插值点与数据点的连线上，而不是位于它们的延长线上时，该交点才能成为判断的依据，使断层闭合点处的层面得以光滑连续。例如在图6-4中，插值点P与已知数据点P₁的连线并不与断层线相交，但与断层线的延长线相交。如果不加区别地认为P与P₁位于断层异侧，则必然使得在断层消失的地方两边的地层仍然不能光滑衔接。

（2） 不是简单地以是否存在实交点而是按实交点的个数来完成数据的筛选。当存在偶数个实交点时，说明由插值点至数据点跨越该条断层偶数次，经偶数次取反表明二者位于断层同侧，相对于插值点，该点可用。当存在奇数个实交点时，则插值点与数据点位于断层异侧。图6-4中，显然断层将整个建模区域大致分为了上下两个部分，位于下半部分的已知数据点P₂和待插值点P位于断层的同侧。因此，在计算节点P深度时，P₂是可用的数据点。

（3） 网格节点坐标值的随机偏移。在层面网格化生成过程中，曲面样条插值是对网格节点逐点实施的。当某节点无法赋值时，存在两种可能的原因。一是搜索半径R过小，搜索区域内不存在可用的数据点，此时应增大搜索半径R或增补控制点；二是由于断层的分隔作用，网格节点与所有的数据点被分割开来，最特殊的情形是断层线穿过网格节点，此时应给网格结点坐标以一个随机修正量来错开断层线的包围。如图6-4中网格节点P′，由于它正好在断层线上，因此按断层处理规则它与任何已知数据点都位于断层异侧，此时令该点的坐标为 （x＋△x，y＋△y），以避开这类特殊的情形。

虽然改进后的断层处理规则较好地解决了由于断层存在给层面网格化带来的困难，但它同样存在两个明显的缺陷：

（1） 算法效率过低，难以达到人机交互的理想效果。当油气藏的断层分布复杂和已知数据点过多时，按网格节点去逐一挑选用于插值计算的已知点时，整个计算过程需要大量时间，有时需要长达几十分钟，这对人机交互式的操作而言是难以容忍的。

（2） 搜索半径R的选择处于两难的境地。如果没有搜索半径的限制，对每个网格节点都使用整个建模区域内所有已知点作为备选点，这样就完全能够保证被断层所分割的每个小区域内的网格节点都是使用一组相同的已知点插值计算得到的结果，因而自然也就能够保证该小区域内的曲面是连续光滑的。但问题在于当已知点数据多达几千个时，曲面样条插值算法几乎难以求解。如果使用搜索半径R，用于插值的数据点仅限于插值点周围的有限个已知数据点。这样自然就限制了方程组的阶数，给求解带来了方便。但随之而来的问题是每个插值节点使用的数据点可能都是不同的，这就难以保证网格曲面的连续性和光滑性。从实际应用效果来看，只要搜索半径取值适当，如 （△x为X轴方向的间距，△y为Y轴方向的间距） 基本能够保证整张网格化曲面在没有断层的地方不发生突变。但从插值理论上看，这样得到的曲面其光滑性和连续性是无法保证的。

3. 层面网格化中的特殊处理方法

当层面深度数据直接来源于地震解释成果时，数据点的密度可能很大，如达到156个/m²。如果层面网格化采用平面网格间距为50m，那么有可能在一个网格区域内存在几个己知数据点。为了提高计算效率，进行网格抽稀是必需的。其具体过程是：

（1） 利用距离加权平均法计算网格中心点处的函数值。如果平面区域共有Nx×Ny个网格，则初步计算后只保留了Nx×Ny个数据点。在进行距离加权时取 范围内的数据点。

（2） 在数据点筛选过程中，同样需要考虑断层的影响。为了提高筛选的效率，首先根据断层线标定出与之相关的网格节点。这样对绝大多数的网格不需要考虑断层的影响，只有那些断层线经过的网格节点才需要特别处理。

（3） 利用网格中心的数据点由曲面样条插值计算各网格节点的深度值。

（二） 剖面网格化 （Profile gridding）

通常，建模对象是开发层系。一个开发层系内往往包含若干个小层或单层。为了详细地反映物性参数垂向上的变化，体现层内非均质性，需要在更小的网格单元内研究储层性态。这就意味着必须将小层或单层继续细分成若干个 “微层”。实质上该过程是将油气藏在垂向上继续离散化，最终形成三维油气藏网格模型 （图6-5）。

图6-5 油气藏网格模型

实质上，油气藏垂向剖分是用更多的网格化层面来细分出更小地层单元 （或叫 “微层”，这个名称只是建模所用的术语，并非通用的地质术语），并用两个网格化层面来替代具有实际厚度的微层。

细分微层同样要遵循等时性的原则。具体的技术细节如下：

1. 微层层数

油气藏网格模型建立过程中首先应该确定微层层数或者微层厚度。测井的分辨率大约0.5 m，这就意味着对于厚度为h的小层或单层，其微层数目最多只能是200个。对于实际油气藏，经过油气层单元划分与对比已经将其分成了若干彼此独立的小层或单层。在每个小层或单层内无论微层的数目还是划分方式同样也是彼此独立而互不影响的。微层的具体细分数目是由需要达到的建模精度、实际资料的丰富程度、每个微层的厚度及油气藏的地质特征共同决定的。微层厚度的大小或者油气藏网格模型的网格单元总数Nx×Ny×Nz并不是衡量地质模型优劣和精度的定量指标。它只是表明在多大的尺寸上能反映油气藏的地质特征。

2. 微层间的对应关系微层划分是在更小尺度上对油气层划分和对比，是利用井点资料来完成。在不同井点处同一小层的微层数目可以是不同的 （这在地层和油气单元划分和对比中经常所遇到的问题）。因此，采用虚拟编号的手段来建立微层间的对应关系。例如在图6-6中，A井处划分了3个微层，B井处只有两个微层。在网格模型的建立过程中默认井B处也有3个微层，只是其中一个微层的厚度为零。至于究竟是哪一个微层厚度是零，是由微层的划分方式决定的。

图6-6 不同井点处微层划分数目不同

3. 网格模型的计算机存储

现代地质建模的整个工作都是在计算机上完成的，整个油气藏是以网格模型的虚拟形式 （不是真实的油气藏实体） 被计算机接受。为了存储整个网格模型，通常采用的数据结构是一个四维数组Array ［Nx］ ［Ny］ ［Layer＿num］ ［Micro＿1ayer＿num］ （Nx为X方向划分的网格总数，Ny为Y方向划分的网格总数，Layer＿num为小层总数 （单层总数），Micro＿1ayer＿num为微层总数）。当该数组表示油气藏埋深时，就确定了实际油气藏的形态。正是这种存储方式要求在整个建模区域内小层数和每个小层的微层数是固定的，否则，某些数组元素将失去明确的物理意义。

4. 微层划分模式

网格模型是储层物性参数模型建立的基础，因为三维储层物性模型的形成是按微层来充填物性参数值而并非真正意义上的三维空间插值。因此，微层划分方式不仅决定了网格模型的形成，而且直接影响到三维储层物性模型的建立。由于根据地震解释层面生成的网格化层面不仅是岩石物理界面，而且是地层沉积的等时界面，因此微层划分的基本原则应保证等时性。根据地质体的成因，微层的划分方式可以综合成5种典型的模式（图6-7）。

图6-7 微层划分模式

◎独立模式：适用于均匀升降的广阔台地和湖盆内稳定沉积的水平层状地层。其特点是可以等厚度地剖分地层，即任意两口井钻遇同等厚度的微层。

◎比例模式：典型代表是三角洲或冲积扇前积作用形成的地层。地层的加积或剥蚀具有按比例的特点，因此微层也要按比例划分。独立模式可视为其中的特例。

◎平行下移模式：该模式是对地质超覆现象的特殊处理。为了满足微层划分的等时性原则，将地层顶面等厚度平行下移得到每个微层层面。该模式对微层的划分是由上往下的。

◎断层模式：该模式是将断层面当做一种地层层面来处理。在微层划分时，将地层底面按等断距平行上移。

◎截断模式：该模式用于处理地层层面被剥蚀而形成角度不整合的地质现象。其做法是将地层底面等厚度平行上移，从而得到若干个被不整合面所截的微层层面。该模式与平行下移模式相反，是自下而上划分微层。

除断层模式外，独立模式、比例模式、平行下移模式及截断模式是地层沉积和接触关系的直接反映。微层划分能处理地层超覆、不整合及地层尖灭等地质现象，为陆相复杂油气藏的地质建模提供了思路。

（三） 建立网格模型

在确定了微层的划分模式后，就唯一确定了油气藏网格模型。按照网格模型的存储方式，也确定了H［nx，ny，i，j］，即三维空间中第［nx，ny，i，j］个网格节点上的深度值。

5种微层模式的H［nx，ny，i，j］的计算公式列如下。

（1） 独立模式

H[nx,ny,i,j]=H₁[nx,ny,i]+j·△h[nx,ny,i]

（2） 等比例模式

H[nx,ny,i,j]=H₁[nx,ny,i]+j·△h[nx,ny,i]

（3） 平行下移模式

H[nx,ny,i,j]=min{H₁[nx,ny,i]+j·△h[nx,ny,i],H₂[nx,ny,i]}

（4） 断层模式

H[nx,ny,i,j]=max{H₂[nx,ny,i]-[N[i]+1-j]·△h[nx,ny,i],H₁[nx,ny,i]}

（5） 截断模式

H［nx，ny，i，j］＝max｛H₂［nx，ny，i］-［N［i］＋1-j］·△h［nx，ny，i］，H₁［nx，ny，i］｝

各式中：nx——在平面网格上沿X方向的节点编号，1≤nx≤Nx＋1，Nx为X方向网格总数；ny——在平面网格上沿Y方向的节点编号，1≤ny≤Ny＋1，Ny为Y方向网格总数；i——小层编号，表示第i小层，1≤i≤Layer＿Num；j——第i小层中的微层编号 （依照由顶至底的先后次序），j＝1，2，…，N［i］，表示第i小层中的第j个微层；N［i］——第i小层中的微层总数；H₁ ［nx，ny，i］——第i小层中平面网格节点［nx，ny］处的顶面深度；H₂［nx，ny，i］——第i小层中平面网格节点［nx，ny］处的底面深度；△h［nx，ny，i］——第i小层中平面网格节点［nx，ny］处的每个微层厚度；H［nx，ny，i，j］——第i小层中第j微层网格节点［nx，ny］处的深度值。

显然，H［nx，ny，i，0］＝H₁［nx，ny，i］，H［nx，ny，i，N［i］＋1］＝H₂［nx，ny，i］。

不同的网格节点有不同的△h［nx，ny，i］，但同在同一小层网格点［nx，ny］处的△h却是不论在何种划分模式下都是相同的，即与微层面无关。因此，△h［nx，ny，i］中不包含标号j。其具体的计算公式为：

油气田开发地质学

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