数字油藏流程分析

储层表征流程很多学者都讨论过，从最初的为储层的某一属性建模，发展到相控建模，随后提出了三步建模，即在相控建模的基础上增加了地层格架模型。由此可见，数字油藏是作为储层表征的一个特定的环节展开的，即在完成构造解释、沉积相分析、储层特征、测井解释等基础地质工作已经完成的基础上开展的。这主要存在两个问题:一是储层地质研究工作的反复性，导致各研究阶段的交流困难，特别是在中国东部复杂断块内，储层变化快，导致基础地质研究不确定性大大增加;二是数字油藏过程中的地质知识约束力度不够。基于这一思想开发的软件因而也存在着这些问题，如Petrel、GOCAD等，都没有提供有力的地质研究工具，更不用说地质知识的约束。因此，从储层表征的角度来讲，需要把数字油藏过程与地质研究过程融合，加强多学科研究的相互验证;从数字油藏软件设计的角度来讲，需要把储层地质研究工具与数字油藏工具结合，提高数字油藏的效率和精度。

数字油藏的研究流程，总体上可分为四步(图2-1)。第一步是多源数据的抽取及数据质量控制，主要是从现有专业数据库中提取有关油藏数据，并用一系列数据质量控制方法，检查数据的一致性和完整性;第二步是精细储层地质研究，通过地震资料解释、地层对比、沉积微相(相)分析、储层特征分析，最终建立储层地质知识库;第三步是常见的储层建模研究工作，通过建立地层格架模型、沉积微相模型、物性模型，根据建模算法的特点对多个储层“实现”进行优选，力图获取一个或多个吻合油藏生产规律的“实现”;第四步是油藏数值模拟，根据第三步的研究结果进行油藏生产动态分析，对油藏进行开发评价或剩余油预测。在这样统一的框架下，减少了数据和研究成果的转换环节，提高了研究效率，加强了多学科研究成果的相互验证，提高了储层模型的精确度，糅合了开发的软件工具包，提高了软件开发效率。

图2-1 数字油藏工作流程图

(一)数据集成及数据质量控制

ETL作为构建数据仓库的一个环节，负责将分布的、异构数据源中的数据如关系数据、平面数据文件等抽取到临时中间层后进行清洗、转换、集成，最后加载到数据仓库或数据集市中，成为联机分析处理、数据挖掘的基础。ETL是企业数据集成的主要解决方案。ETL中3个字母分别代表的是Extract、Transform、Load，即抽取、转换、加载(图2-2)。①数据抽取:从源数据源系统抽取目的数据源系统需要的数据。②数据转换:将从源数据源获取的数据按照业务需求，转换成目的数据源要求的形式，并对错误、不一致的数据进行清洗和加工。③数据加载:将转换后的数据装载到目的数据源。

数据质量控制就是通过采用科学的方法，制订出数据的生产技术规程，并采取一系列切实有效的方法在空间数据的生产过程中，针对数据质量的关键性问题予以精度控制和错误改正，以保证数据质量。数据质量控制是针对数据特点来进行的，数据质量主要包括数据完整性、数据一致性、数据位置精度、数据属性精度、数据时间精度以及元数据。数据完整性是指数据的精确性和可靠性。它是应防止数据库中存在不符合语义规定的数据和防止因错误信息的输入输出造成无效操作或错误信息而提出的。数据完整性分为4类:实体完整性、域完整性、参照完整性和用户自定义完整性。数据一致性主要是当多个用户试图同时访问一个数据库，如果多个事务同时使用相同的数据时，可能会发生以下4种情况:丢失更新、未确定的相关性、不一致的分析和幻想读;数据位置精度主要是指数据的位置精度，数据属性精度主要是指数据所包含属性与其真实值的符合程度;空间数据时间精度是数据本身所代表的时间信息的正确性，比如，20世纪70年代的测井数据与90年代的测井数据就有很大的差别;关于数据的说明称为元数据，如:对于数据库的数据源的说明等。由上述可以看出，数据质量控制是一件非常庞杂的工程，假设建成一个数据库需要5年，而其数据的质量控制就要在这5年的过程中自始至终地进行，而且还要持续到数据的维护更新的全过程。

图2-2 数据集成及质量控制

(二)储层地质研究

储层地质研究在不同的勘探与开发阶段，不同的储层类型研究的重点不同，运用的研究方法和手段也有区别。在区域勘探阶段，以储层构造、成因、沉积环境、储层特征及其空间展布、岩石学特征等为主进行研究，目的是了解和认识储层特征和发育状况的主控因素，预测有利储层。在开发阶段，以开发井网的优化布置、开发方案的制订、储层保护和改造、开发过程中剩余油分布的分析、油田开发调整方案的优化、提高油气最终采收率及优化方案的设计与实施等为重点进行研究，目的是深化对储层认识，达到提高油气开采效率和最终采收率。

储层地质主要的研究内容包括储层的岩石学及沉积学特征、储层分布模式、储层孔隙演化及其控制因素、储层孔隙结构、储层裂缝、储层非均质性、储层地质模型、储层敏感性及储层综合评价等。目前，储层地质研究不是地质学科的单独研究，常常需要把地质、测井、地震、岩石物理、地球化学、油气开发工程、油藏监测等多学科的资料进行综合研究，可以说储层研究是在多学科整合基础上的系统研究。最常用和有效的除了传统的地质学研究方法外，根据岩石物理性质响应特征的测井储层和地震储层研究方法以及其他新技术，在储层研究中发挥着日益重要的作用。

(三)储层建模

油气储层建模的目的是利用计算机建立沉积相在储层内部的空间分布，并在此基础上建立渗透率和孔隙度等物性参数在储层内部的空间分布。利用油气储层随机建模的结果，可提供三维定量地质模型，使油藏非均质性的描述和认识更合理，从而制订合理的油气田开发方案，以采取有效的生产措施，达到提高油气采收率和油气产量的要求。

在进行相控建模之前还应考虑划分(模拟单元)的等时性与成因控制因素。等时控制原则是基于层序地层学的原理，在由等时界面确定和控制的模拟单元或流动单元(ZONE)内进行;而成因控制的原则是参考可容空间的变化，依据相序规律、砂体空间叠置规律和微相组合方式，依照定量地质知识库的数据来进行。因而依据地质约束方法进行的建模过程，强调在等时控制的基础上考虑以下几个问题:①可容空间变化(A)和沉积物供给(S)的相互关系(A/S)对沉积物分布的影响;②定量地质知识库建立的可靠性及其在研究区的具体应用;③普遍的相模式如何在研究区内得到具体应用和量化;④在优选相控建模方法和定义相控建模参数(相边界、宽/厚比等)时应充分体现砂体之间的成因关系，而不仅仅是数学上的空间分布关系，即遵循:逼近地质真实，而不是逼近数学真实这一原则。

1．构造模型及网格设计

弄清油藏的三维模型，首先需要建立构造模型。地层之间的关系主要由一系列构造面来定义:层面构造、恢复的层面、断层面。建立断层模型主要依靠地震解释成果和钻井地层对比资料。在复杂断块区，断层模型的可靠性对整个地质建模工作具有决定性的影响，而且建立准确的断层模型又是整个建模工作中最难控制、最难完成的工作。因此，为了使断层模型准确化，必须充分利用地震、钻井等多种数据进行综合的研究和分析。采用地震资料建立框架→三维可视化模型修改→地层对比与模型细化交互的工作步骤，并充分利用三维可视化功能进行严格的质量控制使模型趋于准确、细致。

断层模型首先以地震解释为基础建立断层框架。地震资料虽然精度较低，但对于地层的整体构造特征和断层体系却有较好的把握。例如，地震解释的断层位置不够精确，但对于哪里发育有断层，以及断层之间的关系却可以有较好的反映。根据地震解释成果建立断层模型的框架有以下两种途径。

(1)直接利用地震资料的断层解释成果。这种方法的优点是可以更直接、更准确地使断层模型与地震解释相吻合，但缺点是需要对地震解释的断层数据进行时深转换。这项工作在国内一般的地震解释中并不开展，因此需要地震解释人员提供更全面的支持。

(2)直接利用层位解释成果建立断层模型。由于层位解释的端点正好相当于断层的断棱，因此可根据每个层位的断层多边形数据来建立断层模型。这样建立的断层模型虽然与地震解释成果有一定的偏差，但由于后面还要利用钻井数据对断面进行校正，所以这种偏差是可以忽略的。

然后根据钻井断点位置在三维空间校正断层三维形态。由于地震资料本身所固有的分辨率低、精度低的问题，以地震解释为基础建立的断层模型与钻井数据之间必然会存在一定的偏差。两者之间的误差最小可能几米，最大的可以相差几十米。产生这种差距的主要原因是地震资料与钻井资料之间在精确性方面的差异。解决这一问题最好的方法是在三维可视化的帮助下利用钻井资料对断层模型进行校正。

地震解释层位和钻井分层两类数据可以用来计算模拟单元的构造模型。地震解释成果虽然精度较低，但对整体构造形态和构造趋势有比较好的反映。钻井分层数据虽然准确性较高，但分布不均匀，尤其是井比较少的构造低部位。尤其是小层以下级别的沉积界面只有钻井分层数据可以使用。这些界面需要在基本构造框架基础上根据地震解释反映的构造趋势利用钻井分层数据进行内插。因此，构造模型应首先利用地震解释成果建立起基本构造框架。

在建模过程中，合理的网格设计非常重要。一方面，为了节省计算机资源，网格数目应尽可能少;另一方面，为了控制地质体的形态及保证建模精度，网格又不能过少。因此，应根据工区的实际地质情况及井网密度设计出合适的网格。为了获得能够充分反映储层非均质性的精细的储层地质模型，网格的定义必须具有足够的密度，定义的依据主要考虑横向上的井网密度和纵向上砂层的厚度。

划分纵向单元的一个重要参数是网格的厚度。如果纵向单元划分得过粗，很可能无法控制或描述出薄层沉积的各地层单元，从而无法在模型中细致、精确地反映出地层的岩性和岩石物性特征及其在三维空间的变化。但另一方面，过细的网格单元又会大量地增加模型的网格单元数量，导致大量增加模型的计算量和计算时间。按照高分辨率层序地层学的观点，一套短期旋回代表了一个等时沉积单元，从储层的非均质性看，不同时间单元沉积储层之间的非均值性总是要比岩性单元的非均值性要强。因此，模拟单元根据划分的最小沉积单元来建立，建模参数也是如此。这样做的另一个好处就是可以比较准确地控制垂向上砂岩含量的变化规律。根据模拟的要求，纵向上网格划分主要参考砂岩厚度分布来确定。

图2-3 地层坐标转换

由于模拟算法是在三维等间距网格数中进行的，空间上地层的厚度分布不均匀，因此，不同的位置、各网格代表的地层厚度是不等的。在模拟之前必须对层面进行坐标转换，转换到一个相对的地层坐标系统中，层面垂直方向上的坐标转换到0→T范围内，在储层模拟完以后把层面复原到原来的坐标系统下(图2-3)。

2．数据检查及相组合

计算油藏体积、生产动态需要孔隙度、渗透率、饱和度函数，比如相对渗透率和毛管压力，在三维空间中的变化模型，对每一个岩石物理特性影响最大的是相或岩相类型。在多数情况下，岩相之间的岩石物理特性有明显的重叠，因而有必要和岩相一样来模拟连续属性(孔隙度、渗透率等)的空间变化。根据岩芯观察和测井微相解释，岩相的数目非常之多，这对于建立岩相模型几乎是不可能的，所以必须对岩相有关资料进行统计分析，选择合适的岩相个数，另一方面也可以鉴别数据存在的问题。

在开展相控建模之前，进行各种统计、分析，提取建模所需的各种参数。主要包括以下两个方面的内容:①基础地质(条件)数据，包括单井沉积微相的“硬”数据以及储层地质研究成果，如各小层沉积微相平面分布图;②统计特征参数，包括沉积微相、孔隙度、渗透率等的地质统计学参数。对沉积微相来说，主要是统计每个模拟单元内各种沉积微相所占的百分比、垂向百分比曲线和各种沉积微相的变差函数拟合参数值。

直方图和概率图是统计、检查资料比较有效的直观检查方法，孔隙度和渗透率的交会图在判别岩相之间属性差异方面是非常有用的。交叉验证可以对模型的准确性、精度性和不确定性方面进行概要统计。

3．岩相模型

对于碎屑岩储层来说，沉积相带是影响砂体分布和储层物性的最主要的控制因素。而沉积微相不仅控制着储集砂体的分布与储层的非均质，而且控制着地下油水的运动规律;如河流沉积的储层中，注入水总是沿正韵律河道底部高渗透方向快速突进，沉积微相的研究必须在大相(沉积体系)与亚相的背景下逐级开展研究。沉积微相模型是相控储层建模过程中非常重要的一步，前期的各种沉积微相研究将直接对后期相控建模提供明确的指导作用。根据基础地质资料确定地质概念模式，其作用就是用于选择随机模拟的方法、统计特征参数、选择一种适合研究区域地质特征的随机模拟方法，以指导随机模拟的实现。

随机模拟所需要的输入参数主要包括两类:①统计特征参数;②条件限制参数(原始数据)。统计特征参数包括变差函数(各种微相与岩性指标的变差函数、岩石物性变差函数)、特征值、累积概率分布函数特征值(砂岩面积或体积密度、岩性与相的分布概率、岩石物性概率密度函数)、砂体宽厚比、长宽比、分布直方图等。还需要注意的是，随机建模中还必须统计研究区的相序特征。在模拟目标区数据点或井点较多的情况下，可通过对原始数据的统计分析确定研究区本身的统计特征参数。

进行科学的相控建模应具有3个基本约束条件。①结合地质沉积微相研究的认识，保证随机建模模型的相序符合地质规律，即各微相间的垂向与侧向接触关系具有与相序变化的一致性;这是避免“胳膊前面长耳朵，而不长手”的关键。②保证各实现的微相分布统计概率与单井沉积微相数据离散化至三维网格后的统计概率相一致。简言之，所建模型各种微相的分布概率与原始数据(单井微相划分)统计概率的一致性。③各微相的三维空间变差函数与通过地质研究所建立的定量地质知识库具有一致性。因此，相序指导、概率一致、变差函数与定量地质知识库相结合是进行相控建模的3个基本约束要素，严格来讲缺一不可。

岩相模型必须在已经建立的地层框架内模拟，有两种主要的方法:①基于目标的方法，也就是在一个岩相基体里嵌入参数化的对象;②基于像元的方法，即一个像元接一个像元，根据资料的统计关系和其他已经模拟过的像元设置该像元的岩相。一般来讲，不同的沉积环境应该采用不同的基于对象的程序，有些沉积环境采用基于像元的模拟算法是不合适的(Bratvold， 1994)，如河道油藏。因此，对研究区的沉积环境，应该首先考虑选用正确的模拟算法。

基于像元的模拟算法还应该注意另外一个问题，即会出现一些空间变化范围小的岩相类型，这些变化是模拟算法的造作，而不是实际的地质特征，把这些结果过滤掉会提高模型粗化的精度，也减少了油藏数值模拟的计算时间。

相类型选择标准是既要能概括所有的砂体成因类型，又要力求简单;既要强调其沉积成因，又要重视实用与效果。研究目的是选择沉积(微)相类型或层次的基础，不同的研究目的，可以有不同的结果。如果研究的重点是储层物性参数的分布，则不同相类型之间岩石物性参数的分布应当有区别;如果研究的重点是注水效果分析或3次采油前期研究，则泥质、钙质或相对低渗透夹层的分布相当重要，相类型自然需体现出薄夹层的分布及其与其他微相的关系，这时，相类型仅划分出微相一级是不够的，首先要把储层砂体的构型解剖到与储层物性有关联的流体流动单元，即将砂体按成因划分出不同的单元，并分析成因单元内的非均质特征。其次是将各成因单元砂体的几何形态和侧向延伸表现在三维空间之中，并以此把物性特征置于其中，实现物性参数建模。

4．岩石属性模型

以测井解释的物性数据为基础，应用随机模拟的沉积微相模型为约束条件，采用相控建模技术对不同沉积微相的各种物性参数分别建模，这些模型主要用来表征储层各沉积微相内部物性的变化特征。岩石物理模型主要包括孔隙度、渗透率、含油饱和度等岩石物理参数的三维模型。通过岩石物理模型可以很好地了解储层内部的物性变化。

由于高斯模拟技术的简单方便，常常使用该算法来模拟连续变量的空间变化。高斯技术主要有3个特点:可以局部变化平均值来捕捉属性变化趋势;可以和其他变量建立线形关系，如孔隙度和地震资料、孔隙度和渗透率;用协克立格法来实现。另外，在对渗透率参数建模时，由于序贯高斯模拟的前提是数据服从正态分布，因此，首先对其进行对数转换，使其具正态分布特征，模拟计算后再进行逆转换。

另一种模拟连续变量的技术是指示算法技术，指示算法的关键在于把连续变量离散为一系列的门槛值，模拟时考虑每一门槛值的空间变化模式，这种方法有两大优点:①直接考虑了变量的极端值，如渗透率的变化太大;②可以方便地结合软数据，且不一定是线性关系。

第三种模拟连续变量的技术是基于退火技术，这种算法把建立模型当作是一种优化问题，目标函数可以整合任何数据，这是传统的基于克立格技术的模拟算法所不容易处理的。而发挥这种算法的威力，依赖于许多退火参数的仔细调节。

在模拟结束以后，对每一个模型统计地质对象的个数、大小、弯曲度等参数，计算模拟后的变差函数，比较模型和模拟所采用的数据的相关性。

5．模型优选

储层模型建立的目的是为经济决策量化油藏动态的不确定性，但由于该方法产生了许多等概率的、井间储层属性不确定的储层模型，如图2-4所示，还因为建立储层的数据源也存在不确定性，如构造、相变化、相空间分布及其相互关系、静态和动态的岩石物理属性等，储层模型网格大小由用来建立储层模型的有用数据测量级别决定，然而，由岩芯和测井得到的流动属性的测量级别相对很小，需要在模型中用小级别的网格块来再现，这样导致网格数非常大，达到几百万个网格，即使在粗化以后，也要面对油藏数值模拟所使用的许多模型实现，所以有必要对模型实现进行排队，一般有3种方法:一种是使用简单的流动模拟技术，但这种方法过于简单，一般很少使用;另一种是用井间示踪剂流动的数值模拟技术;第三种是经常使用的油藏数值模拟技术，但这种方法费用高、时间长、计算量大，一般在挑选好模型以后使用。

(四)油藏数值模拟

一个油藏，在现实中只能开发一次。但通过油藏数值模拟，可以很容易地重复计算不同开发方式或者不同储层描述的开发过程，从中选出最好的开发方法。迄今为止，油藏数值模拟方法给动态分析提供了一种快速、精确的综合性分析方法，是定量地描述非均质地层中多相流体流动规律的唯一方法。进行油藏数值模拟研究的目的最终都是为了要对油田未来的动态作出预测。它可以帮助我们在油田开采前就能了解到某口井、井组甚至整个油田在不同开发方式下的生产动态情况。可以计算许多方案，然后从中选出一个最适合的方案作为实施方案。此外，动态预测还为我们提供了展示新方案的潜在效益的可能性。

图2-4 碎屑岩储层岩相模拟结果与插值结果的比较

开展油藏数值模拟工作的第一步，是确定研究的目标和范围。即首先要给本次数值模拟研究一个明确的定位，明确本次模拟要解决的主要问题是什么，需要研究哪些油藏动态特性，这些项目的完成对油藏的经营管理者会产生什么影响等。从而根据项目的要求进行数值模拟研究程序设计，并收集有关的油藏基础地质、流体及生产动态数据。然后对数据进行检查，查看收集到的数据是否足够，是否都合格。如果取得的数据依靠经验和评价方法进行修正和补充后仍不合要求，那就需要修正或重新确定研究目标。接下来的工作就是对模拟模型进行选择，即确定用哪种模拟模型对该问题最为有效。并不是所有的情况下都需要对油藏进行整体模拟，例如在研究锥进、指进、超低产问题时，就应采用单井、剖面或平面模型，这样会大大节省计算成本。在模拟器选定以后，就需要设计出一套合适的网格模型。网格模型的设计要受到模拟过程的类型、在非均质油藏中的液体运动的复杂性、选定的研究目标、油藏描述的精确程度以及允许的计算时间和成本预算等因素的影响。网格数目越多，模拟出的单井动态会越精细，但网格数目越多计算的时间会越长，成本越高。紧接下一步是历史拟合，这是油藏模拟中的一项极其重要的工作。因为一个油藏模型被建立起来以后，它是否完全反映油藏实际，并未经过检验。只有利用将生产和注入的历史数据输入模型并运行模拟器，再将计算的结果与油藏的实际动态相比，才能确定模型中采用的油藏描述是否是有效的。若计算获得的动态数据与油藏实际动态数据差别甚远，我们就必须不断地调整输入模型的基本数据，直到由模拟器计算得到的动态与油藏生产的实际动态达到满意的拟合为止。获得了好的、可以接受的历史拟合后，就可利用该模型来预测油藏未来的生产动态。预测的内容包括原油、天然气和水的产量、气油比与油水比的动态、油藏压力的变化动态、液体前缘位置、对井设备和修井的要求、区域采出程度，估计油藏最终采收率等。预测的结果将作为我们进行开发与管理决策的重要依据。由此可见，动态预测的准确性，明显地取决于采用的模型的正确性和储层表征的准确性与完整性。因此，花一定的时间与精力对模拟的结果进行评估，判断它是否达到了预期的研究目的，是十分必要的。

另外，传统的油藏数值模拟技术一般都是在油藏中划分块中心网格的基础上采用有限差分方法进行空间离散化，在每一个离散的时间步，需要在所有的空间离散网格上求解整个数学模型，计算速度慢。特别是随着油田的不断开发，油藏的储层非均质性加剧，流体性质变差、流体分布不断发生变化，对于中高渗油田高含水油藏，油藏流场发生较大变化，形成优势流场。此时，重力效应和纵向非均质性是水驱开采的重要参数，其在流体的分布和运移过程起重要作用。流线模拟技术通过将三维模拟模型还原为一系列的一维线性模型，同时还可以进行流体流动计算，具有处理更大数量级数据的计算优势。通过流线方法，建立流体沿流线运移，形成一个自然运移网络，追踪油、气、水在油藏中的移动，流体沿着流线在压力梯度方向运移，而不是在网格块内运动，所以与传统的油藏数值模拟方法相比，流线模拟技术能更好地认识地下流体的分布、运移和认清剩余油分布，对改善油田开发效果和提高采收率提供科学依据。流线模拟技术是通过将三维模拟模型还原为一系列的一维线性模型，同时还可以进行流体流动计算，具有处理更大数量级数据的计算优势。在驱替过程中保持明显的驱替前缘和减少网格方位影响的特点，提高了模拟精度。