三維地質建模

三維地質建模（Three-dimensionalgeological modeling）是一個基於數據/ 信息分析，合成的學科，或者說是一個整合各種學科的學科。這樣建立的地質模型匯總了各種信息和解釋結果。所以是否了解各種輸入數據/ 信息的優勢和不足是合理整合這些數據的關鍵。我們的儲層一般都會有多尺度上的非均質性和連續性，但是由於各種原因我們不可能直接測量到所有的這些細節。

那麼藉助於地質統計技術來生成比較真實的，代表我們對儲層非均質性和連續性的認識的模型是一個比較有效的研究儲層的手段。同一套數據可以生成很多相似的但是又不同的模型，這些模型就是隨機（stochastic）的。

那麼什麼是地質模型呢？地質模型是一個三維網格體。這些網格建立在surface，斷層和層位的基礎之上。它決定了儲層的構造和幾何形態。網格中的每一個節點都有一系列屬性，比如孔隙度，滲透率，含水飽和度等等。一般來說，節點的尺度為200英尺×200英尺×1英尺。不過具體的模型節點尺度要取決於油田的大小，要解決的關鍵地質問題的尺度以及模型的商業用途。不同情況下建立的地質模型節點尺度會有很大差別。地質模型的建立可以細分為三步：建立模型框架，建立岩相模型，建立岩石物性模型。

三維地質建模的概念最早是由加拿大SimonWHoulding 於1993年提出的。所謂三維地質建模, 就是運用計算機技術, 在三維環境下, 將空間信息管理、地質解譯、空間分析和預測、地學統計、實體內容分析以及圖形可視化等工具結合起來，用於地質研究的一門新技術。嚴格的講，三維地質建模已經不能算是很新的技術，在國外，地質建模已經發展了幾十年，中國自上世紀80年代末開始引入EarthVision以來，也已經發展了快二十年。但回顧一下地質建模在油田開發中的作用，我們不難發現，目前的三維地質建模主要有兩個作用：一個是為數值模擬提供基礎模型，第二是用於油藏的整體評價，例如油藏勘探開發的風險評價。但三維地質建模一直沒能深入到油田的生產中。就像許多搞生產的人評價的：好看，但不中用。

在另一方面，油田開發地質研究工作中，目前還沒有十分有效、先進的技術。油藏地質研究還主要依靠手工編製的厚度圖、油藏剖面圖、連通圖等。十分需要新的技術的補充與提高。在整個開發階段地質研究工作中，唯一可以稱為新技術的就是三維地質建模。因此三維地質建模完全可以在開發階段地質研究中起到更為突出的作用。實際上，三維地質建模應該，也完全可以成為油藏開發階段油藏精細描述和生產措施部署的核心技術。

自上世紀五十年代馬特龍把地質統計學引用地質研究以來，地質統計學就成了地質建模的核心。但是幾十年的實際應用也表明，單純依靠地質統計學是不能把三維地質建模更深入的引入到油田的開發生產中的。

如何更多的發揮三維地質建模技術的作用，真正使其成為油藏開發階段油藏精細描述和生產措施部署的核心技術是每一個從事三維地質建模工作的人必須經常琢磨的問題。

地質建模的輸入數據就要盡量包括已有的資料。通常這些資料有：

1、地震資料及其解釋結果這包括地震層位，斷層，地震相，岩石類型，岩石屬性；

2、測井、岩心資料和解釋結果這包括tops，連井剖面，岩性，岩相，岩石物性；滲透率；油氣水界面；各種分布圖比如直方圖，散點圖；空間連續性，比如垂向半變譜（semivariogram）。

3、概念模型/ analog資料包括沉積相模型；沉積體疊置關係；泥岩分佈特徵；沉積體的大小，百分比以及屬性直方圖；空間連續性- 橫向半變譜（semivariogram）。

很多人並不重視這最後一類資料，即概念模型/ analog資料。也就是說他們忽略了要把儲層的概念模型轉換成數值模型，再把這個數值模型整合到最後的地質模型中去。關於這一點，以後會詳細討論。

已建成的地質模型可以為我們提供很多信息。首先是儲層地質的三維可視化。我們可以看到儲層的地質三維空間分佈，變化，也可以製作二維的圖片比如構造圖，等厚圖，岩相分布圖等。其次是它為我們提供了一套有機融合在一起的數據體，因為建模過程就是各種數據的融合過程。第三，它是我們進行儲層分析的平台。從地質模型我們通過分析可以得到粗至儲層的平均砂泥比，平均孔隙度等儲層平均值，也可以得到細至儲層的kv/ kh，各項異性等信息。這些定量分析可以大大提高我們對儲層的認識。

地質模型的主要用途有以下幾種：

1、為油藏數值模擬提供三維地質數據體。因為控制油藏流體流動的許多因素來自於儲層的地質特徵。在許多情況下正是因為油藏工程師需要準確預測油藏的生產情況，我們才進行儲層建模。地質模型的網格一般都比油藏數值模型的網格要細，所以地質模型在輸入數值模擬器之前需要經過一個網格粗化過程。在網格粗化過程中，如何保留住小尺度地質特徵對流體的影響是一個關鍵。如果網格粗化過程過濾掉/ 忽略了小尺度地質特徵對流體的影響，那麼這個粗化的地質模型並不能代表原來的精細地質模型，可想而知用這個變形的地質模型進行數值模擬，其結果的參考價值也就大大降低。

2、用來計算含油氣孔隙體積，或者儲量。與二維模型相比，三維地質模型具有獨特的優勢，可以用來計算比較真實的孔隙體積，它也可以用來計算油田儲量。在某些情況下，油田開發和生產階段需要一個嚴格的儲量計算，這可以通過地質建模得到。

3、幫助布井。地質模型可以用來優化評價井的數目和其井位部署；我們也可以從地質模型識別出儲層的“sweetspots”，或者計算單井的可產出量；通過三維地質模型，我們可以設計井的鑽探軌跡以鑽遇單個砂體，或者對井位部署/ 鑽探軌跡vs。油氣目標層進行詳細的三維空間分析。這樣就會減少鑽遇差儲層的機會。當然地質模型對布井的價值完全取決於模型本身的準確度。如果地質模型幾乎沒有整合可靠的數據（harddata，如井資料）或者模型所依據的地質概念並不可靠（還屬於推測階段），那麼這樣建立的地質模型對詳細布井並沒有多大幫助。隨著井資料的增多和地質概念的成熟，地質模型的價值也會增加。

4、進行斷層封堵分析和預測。地質模型把構造和地層格架結合到一起，這有利於我們進行斷層的封堵性預測。一般來說斷層的封堵有兩種情況：一是斷層兩邊砂岩對砂岩接觸面的減少，二是斷層處由於斷層泥的存在，其對流體的傳導性降低。我們可以通過計算斷層的垂向和橫向上的斷距，或者計算砂岩對砂岩的疊置關係，或者估算斷層泥存在的可能性及其影響來預測斷層的封堵性。實際上，斷層的封堵性預測工作很複雜，需要大量的解釋和對比校對，目前這是一個比較熱門的研究課題。

5、進行油田監測。無論是一次採油階段還是二次採油階段，地質模型都是一個監測油田含水飽和度的有效工具。地質模型可以用來監測油藏的動態。

6、有效的交流平台。地質模型的存在，為地質師、油藏工程師、鑽井師提供了一個交流的平台。這些不同領域的工作人員關心的問題不同，行業語言也不凈相同，但是當他們聚集在一起對著同一個地質模型進行交流的時候，相同的討論目標（這裡指地質模型）會促進他們之間的相互理解，同時地質模型的可視化也可以提高他們對油藏的認識。當然模型的可視化也可以幫助我們QC地質模型。如果看到很奇怪的特徵就說明模型的什麼地方出錯了。

從地質模型的這些作用我們可以看出地質建模貫穿在油田勘探開發的各個階段。一個油田的生命周期通常可以劃分為四個階段：勘探評估階段，開發規劃階段，油田開發初期，油田開發晚期。不同階段要解決的問題不同，所以建模的精細度也不一樣。從勘探時起到開發晚期，模型的精度不斷增加。

在勘探評估階段，要解決的主要問題通常是：油藏有多大？具有商業價值嗎？主要的不確定因素是什麼？地質建模工作者要回答這些問題，幫助公司決策者做出正確的決定。在這種情況下，很多人認為要把模型建的足夠精細以減少技術上的失誤，從而為決策者提供一個完美的參考模型。其實如果把很多細節都包括到模型中去，反而為妨礙我們對主要地質參數的不確定性分析，這樣也會導致不明智的決策。所以說精細並不意味著準確。這個階段的地質模型應該著重於確定油藏的總容量（確定控制油藏的地層或構造界面）。在尺度上只要劃分出第3和第4級的層序地層界面就行了。至於岩石物性，給模型選區一個合理的平均值也足夠了。這個階段的重要任務是作儲層主要參數（如平均孔隙度）的不確定性分析。

由於地質體的複雜性，三維地質模型中的不確定性是固有的，不可迴避的。面對不確定性，擅長地質統計學的專家更喜歡從統計的角度對不確定性進行分析和評價。這在油藏整體評價階段是正確的，但當我們把三維地質模型直接應用於生產的時候，又是遠遠不夠的。例如從統計學的角度，可以利用隨機模擬技術得到多個實現，通過多個實現的分析，對不確定性進行分析和評價。但對於生產來說，我們有可能根據多個實現鑽探多套開發井網嗎？生產需要的是一個確定的模型。因為生產方案只能有一個，生產措施方案只能有一套，鑽探井位也只能有一套。

我們也可以計算出一個最大概率的模型做為最終的結果。但這個最大概率模型就真的更接近於地質體的實際狀況嗎？有生產經驗的人都可以很容易的給與否定的回答。因此要想讓地質模型能夠被直接從事油藏開發生產的技術人員所接受，更合理的出路是想辦法（通過更為充分的基礎地質研究和基礎數據的應用）盡量降低模型的不確定性。從而為生產方案提供一個更為合理可靠的（而不是多個等概率的）參考依據。

要想做到這一點，出路顯然不在於更為合理的計算方法和計算參數上，而是更為充分合理的應用地質、物探基礎數據。

若要將三維地質建模技術直接應用到油藏開發生產，必須也能夠與油藏地質研究相結合。

下面的圖片是一個華北油田的例子。我認為是一個將三維地質建模直接應用於生產研究的很好的例子。

由於渤海灣盆地沉積、構造的複雜性，在許多區塊地層對比是一個很大的難題，尤其是斷點的對比，出現50m左右的誤差是很平常的事。但斷點對比的不準確，會直接影響到斷層兩側油藏關係的認識，並進而影響到生產措施的實施。在利用最初的地層對比方案建立斷層模型的時候發現，兩條主要斷層的斷點是分散在斷層模型兩側的，顯然這是由於地層對比的誤差所導致的。對於常規建模工作來說，我們完全可以不必考慮所有的斷點，只要根據多數斷點建立起一個平均的斷面就可以。如果出現不準確的問題，哪是地層對比人員的事，不是我們的責任。但油田採油廠的人從生產要求的角度出發，採用了斷層建模與地層對比相交互的方法。即通過Petrel的斷層模型找出與斷層面不吻合的斷點，然後對斷點進行重新對比。經過多次的反覆，最終將所有的斷點都收斂到了一個斷面上。其結果不僅使斷層模型更為準確，也幫助解決了地層對比工作中長期存在疑問。從而使建模技術很快的被油田一線生產人員所接受和喜愛。

三

通常，在如何評價地質模型的可靠性方面更多的是從地質統計學的角度進行研究，例如儲量計算、多實現的統計分析等，但這些都只是數字上的計算，從建模理論和純學術研究的角度並無不可。但如果讓生產上認可我們所建立的模型，並將模型應用到生產中去，就不能只是這些統計上的數字，因為有生產經驗的人都知道計算概率大的模型並不一定是與地下地質情況最吻合的模型。檢驗的最好標準與生產動態數據進行對比，模型必須與油藏的生產情況相吻合。

下面的附圖是一個單砂體模型，總厚僅15m，內部有一些泥質夾層，。模型完成後將過井剖面與生產曲線進行了對比。從生產曲線反映出，由於井軌下面的夾層隔擋，雖然井軌離油水界面很近，但並沒有形成水錐，產油量和含水都比較穩定，而相鄰無夾層井區含水上升很快，形成了水錐。從而證明了夾層的可靠性。

模型計算時採用了最普通的SEquence Indicator方法。但在前期的基礎工作上做了大量的工作。包括：沉積韻律層的細分與對比（15m的砂層被細分為三個韻律層）、精細的地震解釋、測井曲線的重新處理、砂體的細緻識別與劃分（綜合了岩芯、電測、試油等）、地震屬性的分析與標定、模擬計算中地震屬性參數的合理應用等。這從另一方面也說明，模型的可靠性並不是靠統計計算的各種分析得到的，而是靠大量的紮實的基礎地質研究工作。

三維地質建模主要應用於開發階段的油藏靜態描述，在儲層預測方面起到的作用有限。去年有機會在一個海上的項目里試驗了一下，感覺有一定的效果。這裡主要想說明只要建模技術得到恰當的應用，可以得到更廣泛的成果。這個工區有高分辨三維地震，並進行了反演，並根據反演進行了儲層預測。在反演數據體的基礎上通過建立三維地質模型，發現對曲流河砂體的描述更為合理準確。

這個工區面積50平方公里左右，只有14口鑽井，但三維地震解析度較高。由於三維地震對曲流河道已經有一定的反映，河道的分佈已經是一個確定性的問題，因此採用了確定性的Kriging插值演演算法，同時通過Co-Kriging利用三維地震反演體對計算進行了條件約束。我也用隨機模擬計算過，效果不如Kriging好，說明隨機模型也不總是最好的演演算法

下圖中左面為直接根據反演數據提取出的砂體，右面為根據模型提取的砂體。可以看出曲流河砂體得到更清楚的描述。建模過程中最大的難點是建立準確的速度場，使測井曲線與三維地震十分準確的對應。這又一次說明了基礎工作在建模過程中的重要性。

在這個實例中我感覺主要改進的是數據在空間上的平衡。三維地震是採集的原始數據，因此應該是可靠的。但受採集條件和處理參數的影響，數據在空間上的統一性較差，通過以歸一化的測井曲線進行校正，使數據在空間上得到了有效的平衡，從而使砂體反映的更清楚。

最初的想法來源於對反演處理的一個疑問。在反演處理中提高解析度的方法主要是利用基於模型的反演。但問題是目前的反演軟體中，初始模型的建立也是通過測井曲線的插值，而且這種插值是一種比較簡單的數學插值，插值過程中反而沒有地震參數的參與。這就導致一個矛盾，如果模型的權重比較小，解析度就提不上去，如果模型的權重大了，雖然解析度得到了提高，但很可能會失真，因為初始模型來自於簡單的數學插值。而在地質模型的計算中，卻可以有效的利用地震數據的空間分佈特徵。正好彌補了反演技術中的不足。