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第 3 1卷第 3期 天 然 气 勘 探 与 开 发 油气储层建模方法综述 宋海渤 黄旭 日 1 ．中国石油大学 华东2 ．北京旭 日奥油能源技术有限公司 摘要随着计算机技术的迅速发展， 油气储层建模方法在近年来得到了很大的发展。它在综合了地质、 地 球物理等信息的基础上， 充分利用了已知点的储层信息， 进行油气藏及内部结构精细解剖， 揭示油气分布规律， 建 立能够描述油气分布状况和流动特征的油气参数地质模型。文中简要介绍了目前比较常用的储层建模方法、 建模 方法的步骤、 发展现状及今后的发展趋势。 关键词储层建模储层属性建模步骤发展趋势 0 引言 随着计算机技术 的迅速发展 ， 对油藏各种特征 进行三维空间定量描述 和预测的综合技术油 藏描述技术得到 了很大的发展 ， 而建立三维定量模 型是现代油藏描述 的核心。油藏模型研究是上世 纪 8 O年代中后期兴起的一项用于油藏描述和油藏 物性分布预测的复合学科理论和方法体系， 它是集 数学地质、 地质统计学、 油层物理学等方法于一体 ， 最大限度应用计算机技术进行油气藏及 内部结构 精细解剖 ， 揭示油气分布规律 ， 建立能够描述油气 分布状况和流动特征的地质的， 岩石物理 的等油气 参数地质模型。一般所说的地质模型指储层地质 模型， 且主要是建立储层孔隙度、 渗透率的三维空 间定量分布模型。 建立储层模型 的关键技术是如何根据 已知 的 控制点数据和其它空 间数据估计模拟 已知点 间及 以外的储层参数估计值 ， 也就是寻找和选择最能符 合储层地质变量实 际空间变化规律 的数值计算模 型 。 目前 ， 油气地质储层 建模处 于蓬勃发 展 的时 期 ， 储层建模技术 己成为油藏描述研究 的核心技术 之一。近年来 ， 国外一些石油公司、 大学院校 的科 研机构都致力于这方面的研究工作， 理论研究的同 时 ， 许多地 质模 拟软件 也 随之 出现 。例 如， 美 国 S c h l u m b e r g e r 公 司 的 P e t r e l ， 美 国 S t a n f o r d大 学 的 G S L I B G e o s t a t i s t i c a l S o f t w a r e L i b r a r y a n d U s e r ’s G u i d e ， 挪威的 S m e d v i g T e c h o n o g i e s 公 司的 R MS ／ S T O RM Re s e r v i o r Mo d e l i n g S y s t e m ／ S t o c h a s t i c R e s e r 。 v o i r Mo d e l i n g ， 法国 HE R I S I M集 团的 H E R I S I M 3 D 软件包 ， P a r a d i g m公 司的 G O C A D G e o l o g i c a l O b j e c t A i d e d D e s i g n 等。 储层建模技术在我国的储层研究 中应用得较 晚， 但经过一大批致力于我国储层研究 的人员不懈 努力， 目前 已在一些关键技术方法上取得了很大的 进展[ 2 _ 6 ] 。如西安石油学院的王家华教授等人结 合油田实际 ， 也开展 了一系列 的攻关研究 ， 编制了 适合我国广为分布 的河道砂体储层 的我国 自己版 权 的第一个储层建模软件系统 G A S O R， 为从事储 层地质研究的人员提供 了有力的工具 。另外 ， 三大 石油公司的研究机构、 各高校和公司都开发了一些 建模工具， 但总体而言， 还不如国外系统。 1 储层建模方法 目前 ， 储层建模技术 的发展趋势是 由定性向定 量发展、 单学科建模研究向多学科综合建模发展、 静态资料建模 向动静态资料结合建模发展。其方 法主要分为两类 确定性建模和随机建模。 1 ． 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 井点 出 发， 推测出点间 井间 确定的、 唯一的和真实的储 层参数。目前， 常用的确定性建模的储层预测方法 主要有以下几种 1 储层地震学方法。储层地震学方法主要是 作者简介宋海渤， 男， 1 9 8 3年出生； 中国石油大 学 华东 地球探测与信息技 术专业硕士研 究生 ， 研究方向地球 物理探测方 法与技术。地 址 2 5 7 0 6 1 山东东营 中国石 油大学 华 东 。电话 1 3 4 0 1 1 9 8 8 6 7 。Em i a l h a i b o 8 3 0 9 1 0 1 6 3 ． c o rn 53 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天 然 气 勘 探 与 开 发 2 0 0 8年 9月出版 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。 2 储层沉积学方法。主要是在高分辨率等时 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 问砂体解 释 。 3 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 已经取得长足的进步 ， 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。 4 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。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 l O o m 1 0 c m 8 c m 和大剖面写实 。 5 克里金方法。克里金方法是 以变差 函数为 工具进行井间插值而建立的储层参数模型。虽然克 里金方法采用统计特征作为空间估计 的约束 ， 但估 计结果往往是较确定 的， 因此 ， 人们把它当做一种确 定性建模方法 。该方法大致可以分为传统 的统计学 插值方法和地质统计学插值方法 主要是克里金方 法 。克里金估计实际上是一种线性的最佳无偏估 计。克里金估计原理具有如下特点 J 克里金方法区别于其它传统方法关键之处， 就在于它不仅考虑 已知点对待估点的影响， 而且也 考虑已知点之间的相互影响， 即强调数据构形的作 用， 不同位置相互影响的大小是用协方差函数或变 差函数来定量描述的。 从克里金方程组可看 出， 克里金估计通过 已 知数据点， 故克里金估计方法是严格内插方法。 利用最小均方误差标 准式知道 ， 克里金估计 实际上是对条件数学期望的估计 ， 在线性无偏估计 类中是最优的。克里金估计方法由于是一种光滑的 内插方法而不能定量评价储层空间的非均质性， 由 5 4 于克里金估计给出的是 一种单一 的数值模 型， 是一 种对平均值的估计， 所以不能反映隐含在随机场概 率模型中的整体相关结构 ， 不能反映储层空间的非 均质性 ， 不能反映储层 内的沉积相和沉积微相的空 问分布 。 1 ． 2随机建模 随机建模是利用已知的信息为基础， 以随机函 数为理论 ， 应用随机模拟方法得到可选 的、 等概率的 和高精度的反映变量空间分布的模型。其中， 可选 是指所合成的模型是多个 ， 每个模型都是对原始数 据的反映 ； 等概率是 指模 型参数 的统计特征与现有 样品统计特征或参数的理论分布是一致的； 高精度 是指得到的模型能够反映参数的细微变化 ， 而各个 模型之间的差别反映了由于资料不足而引起的建模 中的空间不确定性。 随机建模方法可分很多类 ， H a l d o r s e n等从变量 类型角度来分 ， 将随机模型分成了离散模型、 连续模 型和混合模型。D e u t s c h等根据模拟单元 的特征 ， 将 随机模型分为基于目标 o b j e c t b a s e d 的随机模型 和基于象元 p i x e l b a s e d 的随机模型。其它还有 ①从数据分布类型角度分为高斯模拟和非高斯模 拟； ②从参与模拟的变量数 目可分为单变量模拟和 多变量模拟 ； ③从模拟结果是否忠实于原始数据的 角度分为条件模拟和非条件模拟。 下面介绍几种应用较广且发展比较成熟的模拟 方法 引 1 布尔模拟方法 B o o l e a n S i m u la t i o n ， 又称示 性点方法或示点法 。该方法是随机模拟方法中最简 单的一种 ， 它主要用于建立离散型模型 ， 如砂体格架 平面、 剖面或者三维空 间分布模 型。因此， 这种模拟 可以用于模拟砂体在空间的形态、 大小、 位置和排列 方式。该方法主要适用于油田勘探阶段和开发早期 井间砂体和非渗透隔夹层 的描述 。当钻井增加时 ， 其存在的一个问题是难以条件化。此外， 由于没有 考虑沉积过程中先后沉积的砂体之间的控制关系， 其结果往往过于乐观， 砂体的连通性过好。 2 序贯高斯模拟方法 S e q u e n t ia l G a u s s i a n S i m u l a ti o n 。该方法的基本思路是沿着随机路径依 次地求取各节点的累计条件分布函数， 并从累计条 件分布函数中提取模拟值， 其最大的优点是把前面 的估计值当作条件点参与下一次估计， 可以更好的 与实验变差函数拟合。该方法快速简单， 比较适合 模拟一些中间值很连续而极端值分散的储层属性参 数， 如孔隙度等。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1 卷第3期 天 然 气 勘 探 与 开 发 3 序 贯 指 示 模 拟 方 法 S e q u e n t i a l I n d i c a t o r S i m u l a t i o n 。该方法是将地质信 息离散化， 一般编 码为 0和 1 ， 然后将变差函数用于指示变量 ， 最终得 到指示变量的克里金估计 。而指示变量的克里金估 计正好给出了未知位置变量的概率分布的估计 。其 计算速度比序贯高斯模拟方法慢 ， 但 比较适合渗 透 率的模拟。因为这种方法能够反映出渗透率的极值 的连续性 ， 而渗透率 的极值的分布对于油藏工程的 流动模拟起着关键的作用。 4 截 断 高 斯 模 拟 方 法 T r u n c a t e d G a u s s i a n S i m u l a t i o n 。该方法首先采用指示模拟方法生成一 个高斯随机场 ， 然后对高斯值进行截断 以得到类型 变量的模拟结果。这种方法 易于使用 ， 快速、 灵活， 可用于模拟离散的特征 ， 尤其适合于模拟相序简单 明确的沉积， 如三角洲成因的储层。 5 概 率场模 拟方法 P r o b a b i l i t y F i e l d S i m u l a t i o n 。该方法是只基于原始已知条件从局部条件 概率分布中的随机取样， 为了克服变异性范围太小 的缺陷 ， 它对分布的采样进行控制 ， 即让用于采集局 部条件概率分布的概率值在空间上是相关 的。其计 算速度快 ， 既可以模拟连续变量 ， 也可以模拟类别变 量 ， 如模拟浊积岩和三角洲沉积体系的砂泥岩分布 等。 6 模拟退火方法 S i m u l a t e d A n n e a l i n g S i m u l a t i o n 。该方法是一种较先进 的启发式蒙特卡罗方 法 ， 它灵活、 适应性好 ， 适合于模拟连续或离散模拟 ， 而且可以综合多种已知信息 。但是实际资料的处理 中， 它的计算效率不够高 ， 方法有时会失效。 7 分形随机域模拟方法 F r a c t a l S i m u l a t i o n 。 该方法的最大特点是其 自相似性 ， 即局部与整体相 似， 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 。在数据点较少时 ， 更能体现其优越性。这种 方法用于连续变量的模拟 ， 如孑 L 隙度、 渗 透率的模 拟 ， 也可以用于模拟天然裂缝的分布模式。 8 马尔可夫随机域方法 M a r k o v R a n d o m F i e l d S i m u l a t i o n 。该方法利用变量 的概率状态转移矩阵 可预报变幅较大的随机波动 ， 是对 随机过程进行分 析预测的一种半定量的研究方法。它可以用于离散 性属性模拟 ， 也可以用于连续性属性的模拟。其原 理为 如果当前属性 已知 ， 其后属性出现的概率只和 当前的属性有关， 与先前的无关。其可以更好的反 映复杂空间的连续性 ， 既可用于离散变量也可用于 连续变量 的模拟。这种方法可用于镶嵌分布的岩相 或岩性模拟。 9 矩阵分解方法 Ma t ri x F a c t o r i z a t i o n 。该方 法是通过把协方差 函数 矩阵 C分解成上下两个三 角阵 L及 u从 而快速得到权 系数矩阵并进行估计 的一种方法 ， 这个预先计算好的矩阵带有空 间连续 性信息 ， 特别是变差 函数或 相关 图模 型来建立 的。 但它要求单一 的协方差矩阵中同时考虑所有有结点 和数据位置 ， 且模拟的结点是不多于几百个 。 9 0 0 个数据 ， Mi c h a e l D a v i s 1 0 配置协克里金一序贯高斯模拟 C ok r i g i n g a n d S e q u e n t i a l G a u s s i a n S i m u l a t i o n o该方法 的 理论是基于高斯随机域。高斯随机域是最经典的随 机函数。该模型的最大特征是随机变量符合正态分 布 高斯分布 。在进行序贯高斯模拟之 前， 必须对 原始数据的正态分布性进行检验 ， 若原始数据不符 合正态分布， 必须对该数据进行正态变化， 将其变换 成正态分布的数据 。该方法是 目前应用最广泛的方 法之一。 1 1 转向带模拟法 T u r n i n g B a n d M e t h o d 。该 方法是最早被实际应 用的三维高斯模拟算法 ， 属于 估计加模拟误差的模拟 ， 利用估计建立光滑模型， 然 后加上适当的噪音 ， 以建立一个仍忠实原始数据且 具有适当空间变化的模 型。该方法速度慢 ， 步骤烦 琐 ， 且通常得到的模拟 实现显示出呈带状 的人为影 响。另外 ， 它也不能简单地处理与模拟网格的坐标 轴方向不一致的各向异性 的方 向。 1 2 遗传算法 G e n e t ic A lg o r i th m 。该方法 是一种受生物进化启发 的学习算法 ， 它不再是从一 般到特殊或从简单到复杂地搜索假设 ， 而是通过变 异和重组当前 已知的最好假设来生成后续的假设。 遗传算法的局部搜索能力不强， 但把握总体搜索过 程的能力较强。 此外还有一些方法 ， 如二点直方图法 ， 适用于镶 嵌状分布的沉积相 或岩性 的随机模拟 ， 亦可用于 只有两个相的沉积相 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它随机实现 的后处理 ， 但不能很好地恢复相几何形态。随机游 走方法， 是针对国内河流相的实际情况而研究的一 种模型。 2 确定性建模与 随机建模 的区别和关 玄 [ 8 ] ，J、 1 确定性建模是局部最优估计 ， 它 只考虑局 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天 然 气 勘 探 与 开 发 2 0 0 8年9月出版 部估计值的精度， 而未考虑估计值的空间相关性； 随 机模拟强调结果的整体相关性， 在整体上对储层 属 性空间提供了不确定性的度量 ] 。 2 确定性建模给出观测值间的平滑估值， 而 削弱了观测数据的离散性， 忽略了井间的细微变化； 而随机模拟在插值模 型 中系统 地加 上 了“ 随机 噪 音” ， 这样产生的结果 比插值模 型真实得多。“ 随机 噪音” 正是井间的细微变化， 虽然对于每一个局部 的点， 模拟值并不完全是真实的， 估计方差甚至更 大， 但模拟曲线能更好地表现出曲线的真实波动情 况 引。 3 确定性建模 只产 生一个模 型 ， 而 随机建模 则产生多个可选 的模型， 各种模 型之 间的差别正是 空间不确定性的反映。 因为随机建模更能反映储层性质的离散性， 所 以更适合储层非均质的研究， 这对油气田开发生产 尤为重要 。应用随机建模技术建立储层模型可以得 到某一属性模拟的多个不同的等概率实现， 用以说 明该属性的空间组合 的不确定性 ， 从而提供更加丰 富的储层模型。确定性建模掩盖了非均质程度 即 离散性 ， 特 别是离散性 明显 的储层 参数 如渗透 率 的非均质程度， 因而不适用于渗透率非均质性 的表征 。而对于一些离散性不大的储层参数 ， 如孔 隙度， 应用克里格插值方法研究其空间分布， 并用于 估计储量， 亦表现出方便、 快速、 准确的优越性。 确定性建模可以很好地和地质模式结合 ， 从而 较容易满足地质规律。值得一提的是近几年来， 对 确定性建模方法， 尤其是把测井、 地震和地质模式结 合的研究也逐渐在发展。另外， 可以认为经过多年 的随机建模的开展， 一方面， 随机建模本身的缺点在 逐渐的展现， 如当井点较少时， 难以获得稳定的变差 函数， 从而使得随机模拟的随意性过大； 另一方面， 确定性建模在克服 了其原有 的缺点后 ， 优点也开始 突出出来。因而， 确定性建模和随机建模不能对立 起来认识， 而要用发展的眼光看待， 在实际应用中应 把两者结合起来应用。 3 储层建模的步骤 一 般来说， 广义的储层建模包括数据准备、 构造 建模、 储层相建模、 储层物性 参数 建模、 模型粗化 及图形显示几个环节。 对于单一微相分布的储层参数模型， 可用传统 的“ 一步建模法” ， 即直接根据各井储层参数进行井 56 间预测和估计以建立储层参数模型。对于具有多相 分布的储层而言， 不同相的储层参数的概率不同， 一 般需要采用“ 两步建模法” ， 这样， 可以提高储层模 型的精度。第一步是指， 不同地质体或不同沉积相 所引起 的大范围非均值性用离散变量建模方法来建 模 ， 其模型参数从地震资料、 测井资料、 地质资料和 露头类比资料来获得。第二步是指， 在第一步的模 拟结果的基础之上 ， 即在不 同沉积相的控制之下 ， 利 用合适的建模 方法 ， 对不 同的物性参数进行建 模。 其主要步骤如图 1所示 。 4 结束语 否 连 续 变量建模 方法 二二二工二二 属 性参数 模型 合理 模型 粗化 数模模型 图 1 储 层建模的流程 储层建模已经在油藏描述和预测 中起到了越来 越大的作用 ， 应用也越来越广泛。如在油田早期评 价阶段， 可将其应用于岩相、 沉积相的划分和空间展 布、 储层砂体连通性研究、 储层参数 如孔隙度、 渗 透率等 的空间分布等； 在油气田开发阶段， 可研究 储层可采油气的空间分布、 储层产量预测、 含水率预 测、 更精确地物性表征以及流动单元的定量研究等。 储层建模方法还有一些 尚待攻克的地方， 为了 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1 卷第 3期 天 然 气 勘 探 与 开 发 更为准确、 客观 、 真实地建立起符合地下实际地质特 征的储层地质模型， 在以后 的生产和研究 中要不断 的改进和提高以下几方面的问题 1 各种建模方法 的原理、 适用条件 和复杂程 度都不相同， 都有其优点和缺点， 因此如何针对要描 述的地质现象和参数选择最合适的建模方法或综合 利用多种建模方法完成储层描述将是一个重点和难 点。 2 不断的发展各种建模方法 ， 使其 能整合更 多不同尺度的数据 ， 建立起完善 的动、 静态数据库 ， 降低模型的不确定性 ， 使结果更加 符合地质规律。 尤其值得一提的是确定性建模方法亦值得进一步关 注 。 3 找到更合适的评判标准 ， 对 随机模拟结果 的不确定性进行评价。 参考文献 1 杨辉廷， 颜其彬 ， 李敏．油藏描述中的储层建模技术[ J ] 圣 _ 量 圣 ． ． 量 圣 - 圣 _ 圣 - 量 量 - 圣 - ． 量 卜 天然气勘探与开发， 2 0 0 4， 2 7 3 4 5 4 9 ． 2 胡向阳， 熊琦华， 吴胜和 ．储层建模方法研究进展[ J ] ． 石油大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 1 ， 2 5 1 1 0 71 1 2 ． 3 刘振峰， 郝天姚 ， 杨长春 ．沉积模型和储层随机建模[ J ] ． 地球物理学进展 ， 2 0 0 3 ， 1 8 3 5 1 9 5 2 3 ． 4 李功权， 陈恭洋 ， 吴东胜， 等 ．油气储层建模中的空问数 据挖掘技术[ J ] ．石油天然气学报 江汉石油学院学报 ， 2 0 0 6 ， 2 8 4 4 7 4 9 ． 5 印兴耀， 贺维胜， 黄旭日．贝叶斯序贯高斯模拟方法[ J ] ． 石油大学学报 自然科学版 2 0 0 5 ， 2 9 5 2 8 3 2 ． 6 雷启鸿， 宋子齐， 谭成仟 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[ 美] 法鲁克．西维编著 ．油层伤害一原理、 模拟、 评价和 防治[ M] ． 北京 石油工业出版社， 2 0 0 3 ． 3 贺承祖， 华明琪 ．油气藏物理化学[ M] ．成都 电子科技 大学出版社， 1 9 9 5 ． 收稿13期2 0 0 8 一 o 6 2 3 编辑周国英 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m