火山岩储集层模型及流体模拟.doc

火山岩储集层模型及流体模拟
——多点法地质统计学和概率摄动法的应用

山田知己 冈野祥之

王立群编译

摘要：对国内的气田进行了模型化和流体模拟试验。它的储集岩体由水下环境喷发的熔岩穹叠置而成。其内发育有孔隙系统并且由水体所引起的迅速冷却形成的玻璃质碎屑岩堆积在它的周围。尽管玻璃质碎屑岩也存在孔隙，但是它的渗透率因粘土矿物的存在而显著地减小。也存在非渗透性的玄武岩和泥岩层。在气田的压力系统中，每一种岩相类型都起着特定的作用。
地层对比最初识别出多套储集层。在假设每套储集层都被其它地层封闭的条件下，天然气根据赋予每套地层的先后顺序来生产。但是，后来发现未生产的储集层的压力也随着产量的变化而下降。此外还发现了异常的局部压力状态。因此决定对整个压力系统重新建模以确切地解释这些现象。
本文使用了多点地质统计学和概率摄动法。当在较大范围内对分布在地质体内的压力数据赋值时，它成功地再现了熔岩穹复合体的非线性特征。构建正确的训练图，进一步地描绘火山岩储集层的难点是存在的，但是已经通过以下方法得以解决，即逐步地调整储层的原始模型直到历史匹配的摄动数最小。由于熔岩生长的随机性，由此产生的不确切的储层边界可通过加载计算和不计算图形像素的预定的模型空间来随机地描述。
所得到的结果对每个细节和可能的相分布都完整地模拟了压力分布史。得出产生上述压力变化的原因是在不同的储层单元和连接储层的复杂流体通道之间的不均一压力下降。模拟结果也揭示了异常局部压力状态的原因。OGIP评估了20个在中值前后15%范围内的等概率实现图，与量化相关地质风险的辅助压缩设备法相比，通过增加新开发井得到的增量恢复显现较宽的分散度。
关键词：火山岩储层，多点地质统计学，概率摄动法，不确定性量化。
1、 前言
火山岩储层的储层工程学特征与熔岩体的孔隙发育状况相关。本节叙述由流纹岩的孔隙发育机理所控制的、本气田的模型和模拟研究等方面的技术课题。
熔岩，特别是在水下喷发的情况下，因迅速冷却而破碎，所以一般情况下很容易形成油、
气的储集层。岩浆一到达水下，就会形成熔岩穹。其内部，因气体的成分分异而形成气孔，而外部因熔岩体本身的流动及由水体所引起的迅速冷却形成裂隙。外部的裂隙逐渐扩大时，熔岩发生破碎。在熔岩穹的周围堆积有玻璃质碎屑岩，其中的一部分发生再次移动，堆积到更远的地方。图1是具有这种模式的流纹岩熔岩穹的概念图。
在本气田中构成熔岩穹的各种流纹岩具有10%左右的孔隙度和1md左右的渗透率，成为主要的储集岩。一般情况下，每个熔岩穹有数十到上百米左右的地层厚度和数百米左右的分布范围，多数观点认为熔岩穹的外部存在裂隙化，但是在本气田中并没有观察到表示双重孔隙度存在的压力状态。这种熔岩穹相互重叠所形成的复合岩体，因在横向上厚度发生急剧变化而在相邻钻井之间产量也有很大变化。本气田是由若干这种类型的复合岩体构成的。
本气田的流纹质火山玻璃碎屑岩虽然具有与熔岩穹内部的熔岩相相当的孔隙度，但是因变质作用的影响，形成的粘土矿物堵塞了孔隙而使渗透率下降。所以在气田生产中，如果根据每个岩体的连续性和分布范围控制气体的流量，那么压力的降低会比周围缓慢，这样，这种压力下降缓慢的区域就会形成局部的压力供给源。形成时粘度较低的玄武岩，厚度为数十米、分布范围数公里，形态为层状，而且在本气田中是非渗透的，尤其在构造翼部发育。由于它是非渗透层且在横向上连续性较好，所以玄武岩明显地起着阻止压力在垂向上传递的效果。为了正确地说明本气田的压力系统，关键是对流纹岩以外的上述岩体的作用进行确切的模型化。另外，在储集层的上下部沉积有非渗透性的泥岩，在模型化时把玄武岩和泥岩合起来并称为非储集层。
2、 过程
在本气田开发的初期，和沉积岩一样进行过井间的地层对比。以测井曲线和井间的岩相资料为依据，划分出多套地层单元（图2），在储层管理上将其作为相互独立的地层单元来处理，并优先开采生产能力强的地层单元，从一号井到三号井连续地生产下去。在生产期间大致定期地对全井测定密封压力（图3），从开发后的第十五年左右，出现了几乎没有生产的四号井发生明显的压力下降这种现象，相同的变化也逐渐地扩展到其它密封井中。到目前为止，所有密封井都可见压力下降，而压力下降的方式在各地层单元之间存在较大的差异。另一方面，该期间同时在反复地进行模拟研究。因为模型把各地层单元都假设为独立状态，所以对再现连续生产的地层单元的压力变化来说，必须非现实地假设存在较强的水驱。因上述原因，从模型化的区域外部流入天然气，补充储层压力的观点遭到强烈的质疑。所以根据向模型化区域供给天然气的要求，制作能够不相互矛盾地说明压力状态的储层模型就成为当务之急。
此外，从图3中也可以看到在连续的生产井之间（一号井到三号井）也存在一定程度的压力差。而且一号井的压力曲线在最后一点转为上升，这是因为在井区封井数个月的结果，而地层单元的总体压力变化是一致的，呈下降趋势，所以极有可能从局部区间供给地层压力。可见以上都反映了火山岩储集层所特有的压力连续性，因此合理地说明这些现象也是一个重要课题。
3、 储集层研究方法
我们知道整个气田的压力状态是相互联系的，但是因岩相变化复杂，所以不能根据井间对比推测地层单元之间的连续性，而且也难以从地震勘探数据上获得解释，因此应该最大限度地活用压力变化史，采用预计适合于再现熔岩穹复合体的多点法地质统计学和以动态数据为约束条件的、包括概率摄动法的计算方法。
地质统计学着眼于多数测点物性的相似性与它们的相对配置有关这一事实，把分布场模型化。其中，相对于把两点间的相似性进行函数化处理的两点法，把重点放在三点以上的相关性分析的方法叫做多点法。因为多点法模拟直接使用储集层地质概念图（训练图）代替变量图，所以适用于分布更复杂的储集岩的模型化。尤其在处理沿曲面的空间分布方面，因为需要三点以上的信息，所以多点法地质统计学在模型化河流相的蛇曲砂和熔岩穹等方面发挥极大的作用。在本研究中，后面所叙述的算法中，把由测井得到的岩相解释作为“硬数据”（Hard data），把叠置的熔岩穹的概念图作为训练图进行多点法模拟（图4）。图中，白色表示熔岩穹内部的流纹质熔岩，浅灰色表示玻璃质碎屑岩，黑色表示非储集岩。根据实现图的水平切片可知玻璃质碎屑岩包围流纹质熔岩穹。在以前的两点法中，如果不设置若干个非现实的假设，岩相的分布就不能模型化。
概率摄动法在不损失训练图所赋予的地质构造信息的情况下改变实现图，是匹配历史的一种算法（图5）以像素为基础的地质统计学在成图区域的所有位置定义固有的、各岩相的发生概率。一张实现图也可以看到这种概率分布图的极端情况（各岩相出现的概率都在0和1之间）。而作为另一个极端，表示每种岩相的所有位置具有相同的出现概率（在整个成图区域做地质假设，是各种岩相的平均出现概率），即可以准备不包含前述实现图中所有信息的图件。概率摄动法把这两个极端内容内插，绘出若干个概率分布图，并把这些图件作为“软信息”（soft data）进行模拟。其结果是逐渐地降低了前述实现图的影响，得到许多新的实现图。把所有这些图都投入到生产模拟中（内反复），并在生产历史中选择最接近的结果，反复地绘制极端概率图（外反复），使其进一步地接近生产历史。这期间因一贯地使用相同的“硬数据”和训练图，所以仍然能够维持将要模型化的地质构造图的原貌。
模拟使用一种概率分布图可以绘出许多实现图，但是对于历史匹配这个问题，则有必要绘制与原来的实现图的局部趋势相似的、新的实现图（但是控制了其影响程度）。因此在内反复中，设定一个随机种子并固定下来（随机种子是为绘制一张实现图所设的随机列，其他实现图因仅在随机种子方面不同，所以在概率方面是等价的），对每张概率分布图仅绘制一张实现图。因此内反复的次数等于由内插得到的概率分布图加2（两个极端）。当无法得到由内反复所做的、改善历史匹配的实现图时，就设置另外的随机种子，再一次进行内反复操作，即设置随机种子，确定摄动原实现图的方向。所以如果没有改善历史匹配，就重新设置别的方向，反复地摄动。
在该算法中，所谓与生产历史的匹配，就是反复地最小化生产模拟结果与实测值之间差的单调增加函数（目的函数），即所谓最佳化处理，因此和其它的最佳化问题一样，每次反复不一定减少目的函数，而且还会嵌入局部的最小值，即便多次反复，也可能出现不发生上述变化的情况。因而如果训练图和各岩相的储层物性的赋予方法不确切，那么就达不到可接受的历史匹配程度。因此在本研究中，如后所述，在训练图的设置上，反复地进行一定程度的试行错误（错误试验，即依次地更正统计数据，计算得到更正确的结果）。此外各种岩相的孔隙度和渗透率分别以一个值代表而且设储层的非均质性受岩相分布的控制。虽然这些值也可识别模型的压力状态，但是对这些来自岩心分析的数据还是进行了若干校正，但是没有发生源于最佳化算法本身的、目的函数停滞等问题。其原因之一是因为本研究的历史匹配主要以压力为对象，所以在技术上是比较容易实现的。
还需说明的是多数匹配生产历史的实现图替换最初应用到概率摄动算法的原实现图，这是根据改变最初的模拟随机种子得到的。
根据这种方法，把本研究中匹配历史状况的一个例子用图6表示。这种算法以模拟压力接近实测值为条件改变实现图，从而认识到最初分散分布的熔岩穹逐渐地聚集在一起形成复合体这一事实，整体上形成储集岩。压力数据作为该过程的动力在起作用，在实现图中可以理解为具有增加不稳定性（为局部的统计性质）的作用。
如此，压力史明显地影响实现图变化的原因在于训练图所给予的、地质上可对比的距离和来自经数十年生产的气井的压力影响范围之间的数值大小关系，即当在气井中发现流纹岩时，因含流纹岩的熔岩穹的大小在数百米左右，所以压力达不到更远的岩相位置。但是因长年的生产，气井的压力可波及到数公里岩相分布的边缘部位。相反，由气井压力数据分析得到的控制范围会达到数公里。因此仅使用静态的压力数据绘制最初的、稳定的实现图，依压力数据可进一步地扩展数公里规模的构造空间。这种规模因相当于油气田的整体大小，所以如前所述导入了不稳定性。假如储层流体是重油或者生产的时间仅几星期，那么为油气井压力所控制的范围较窄，因此由压力史分析所得到的实现图的变化较小。
4、 理论的实用化
在把所提出的理论应用到实际的油气田时，要做一定的准备工作。
首先，使用多点法地质统计学时的一般问题是准备适当的训练图。尤其是在火山岩储集层的情况下，由于找不到可绘制熔岩穹复合体概念图（训练图）范围内的、具一定规模的露头，而且其统计数据（每个火山口之间的距离、每个喷出岩体的体积分布、储层的岩性含量比等统计数据）在文献资料中也几乎找不到，因此必须对统计数据给予任意值及分布，准备出训练图的原型（图7-1）。把这些值应用到概率摄动法的计算中，，尽量减少图形变化的次数以得到历史匹配，以此通过试验调整这些统计数据。之所以可进一步地减少变化的次数，是因为这样的训练图就接近了储集层的实际地质状况。最终得到的训练图（图7-2）与原型相比，尤其在岩性方面变化很大，但是如果考虑到下一节所叙述的模型空间，这应该是合理的变化。
其次，因熔岩穹的进一步生长形成复杂的储集层外缘，据调查这种复杂的地层关系不能用井间地层对比方法彻底地解决问题，在火山岩储集层中普遍存在这个事实。为了解决该问题，使用包括整个储集岩体的模型空间，根据模拟的结果，决定把模型空间用孔隙性和非孔隙性这两种岩性代替。其结果如图8所示。多数情况下能够绘制出具有复杂外缘的储层分布图。不仅要确定没有信息的情况，而且还要根据所做的大量具有统计的公共空间的实现图，把不确定因素纳入考虑的生产状态和经济效益进行概率上的定量化。此外，对于设置模型空间来说，在图中的储集层的外侧必须添加表示非孔隙性的像素。因此总体上孔隙性的岩性含量比会下降，前述的训练图也会发生变化。
5、 历史匹配的结果和实现图
由概率摄动法所做的历史匹配结果，不仅再现了地层单元之间压力传递状态的强弱，而且，而且也成功地再现了各气井压力历史的细节。前述的两方面即一直生产着的相邻的三口气井（一号井到三号井）的压力对比和一号井最后的压力上升（图6）分别说明了分布范围较小的玻璃质碎屑岩阻碍气体流动以及压力降低缓慢的玻璃质碎屑岩相和孤立的熔岩相向气井周边供给流体的事实。这种岩相模型来自于训练图。如上一章所述，该图本身得自于错误试验的结果，但是最终完成的训练图，可以说能够一定程度地得到再现这种压力系统的空间统计数据。
像这样，把历史匹配的实现图之一表示在图9中，从储层的外缘看，可发现玻璃质碎屑岩相的含量较高，而其内部熔岩相则处于核心位置。这明确地反映出火山岩体自外向内的迅速冷却。此外在宏观上可见多数复合岩体分布的连续性良好，而进一步观察可见它们之间由流体通道相连（图9-3）。因此模拟压力呈现出在复合体的边缘变化较大的阶梯状（图10），可知这是因地层单元之间的压力分散状态所致。
可以绘制无数张可说明相同的静态和动态数据的储层分布图，但是地质统计学模拟在任何时候都可以绘制出理论上等概率出现的实现图。这种等概率使得用许多实现图所作的评价值的幅度按原样换算为概率分布图成为可能。在本研究中，使用最后测得的训练图，绘制出20张匹配历史的实现图（其中的若干张表示在图11中），用它进行概率上的储量评价和未来预测。
6、 概率上的储量评价和未来预测
用图12表示由20张匹配历史的实现图所得到的原始储量分布。该图使用平均值相除所得到的直方图。虽然表现得较为分散，但是来自所有实现图的评价值都包括在±15%范围内。即便第21张实现图在该范围之外，也能够定量地判断95%以上的概率在±15%范围之内。在具有数十年历史的气田中，其原始储量还存在这样的不确定性，可以说明储集层评价的难度。
也评价了采用各种措施得到的生产结果的不确定性。图13是在预先指定的位置钻探开发井时和在控制中心安装辅助压缩设备以在气井中降低所需的反向压力时的追加可采储量直方图。对每个平均值进行了无次元化。新钻开发井的追加储量值非常分散，这可以理解为地质风险被定量化的结果。因为气井产量降低的预测可以按照前述的20张实现图进行，所以，如果把它们转换为流动现金，那么贴现值和内部收益率这些指标也可以作为概率分布来评价。即便是经济评价的期望值相同的生产措施，不确定性大的和不确定性小的，其战略地位自然不同。而所说的“不确定性定量化”，其想法和做法对这种企业战略的架构来说具有很大的贡献。
7、 结论
A对某气田的火山岩储层的岩相分布和压力系统，应用多点法地质统计学和概率摄动法的综合分析进行了确切的模型化，较准确地匹配历史到细节。
B、在应用概率摄动法绘制实现图并依条件变化实现图的过程中，反映大范围空间构造的气井压力历史数据在确定同类熔岩穹相互叠置、构成更大的复合岩体及储层成像方面起作用。
C、重叠熔岩穹的训练图，最小化需要历史匹配的概率摄动次数由错误试验算法确定。其结果是临近气井之间的压力对比和带来局部压力供给的地质体空间统计可以包括在训练图中。
D、预测困难的、分布复杂的火山岩储层的外缘，在预先设置的模型化空间中，根据模拟，按孔隙性和非孔隙性两种岩相，以概率方式表示。
E、使用最后确定的训练图，绘制了20张匹配历史的实现图。由此所得到的原始储量的分散度在±15%范围内。另外，由钻探开发井所获得的追加储量，因地质风险安装升压压缩设备，本研究定量地表示了由此而产生的、增大的不确定性。