曲流河储层构型建模方法研究进展*

叶小明 刘小鸿 张 岚 徐 静 李俊飞

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

储层构型，是指不同级次储层构成单元的形态、规模、方向及其叠置关系[1]。自Miall于1985年提出储层构型的概念及方法以来[2-3]，储层构型已成为研究热点方向[4-5]，其中以曲流河研究最多，成果最为丰富，研究方法也最为成熟。目前，国内外学者通过露头、现代沉积、水槽实验等方式建立了丰富的曲流河储层定性及定量模式[6-9]，指导了众多密井网老油田曲流河储层的精细构型解剖，在油田开发后期综合调整、剩余油挖潜中起到了较好的效果[10-11]。

近年来，伴随着地质研究逐渐向定量化发展，如何将精细曲流河储层构型分析成果定量地表征在三维地质模型中成为研究热点，并形成了一些切实可行的技术方法[12-15]，为构型研究成果在实际油田开发中应用起到了较好的推动作用。传统的三维建模一般只达到了微相级次，而构型建模则是指对单一微相砂体内部构型界面及构型单元的三维定量模拟，其实质是细化了模型的界面级次，将储层内部次级界面纳入了非均质性的定量表征范畴。针对曲流河沉积，构型建模主要指点坝砂体内部侧积体和侧积夹层的建模。点坝内部的侧积夹层对于油藏内部的流体运动具有重要影响，只有将其精确地表征到模型中，提高剩余油分布的预测精度，才能更好地指导油田后期调整与挖潜[16]。对曲流河储层构型建模的研究进行总结和评述，有利于更好地理解曲流河储层构型建模研究难点及解决方法，合理应用其开展实际油田构型建模，推动构型建模方法发展，促进辫状河、三角洲等其他类型储集层构型建模方法的完善。

1 曲流河内部构型特征

点坝是曲流河主要的砂体类型，也是构型研究的重点，点坝内部构型研究主要是对砂体内部各要素(侧积体、侧积层、侧积面)进行识别描述。侧积体是点坝的主体，侧积层(侧积泥岩)是识别点坝内部侧积面、划分每期侧积体的关键。侧积层一般是指侧积体之间沉积的泥质层，产状多呈斜插的泥质楔子，倾向指向河道迁移方向的一侧，倾角一般为5°～10°左右[1,10,12]。

定量地描述侧积层的产状、侧积体的规模是曲流河砂体内部构型研究的核心。因此，针对曲流河储层构型建模，其研究重点为如何在三维模型中定量表征侧积体和侧积夹层的空间位置及其相互关系。由于侧积夹层对流体具有遮挡作用，因此，实际建模过程中其重点在于对侧积夹层模型的建立。

2 曲流河储层构型建模研究现状

从地质建模主要研究流程来看，储层构型建模仍属于相建模的范畴，只是研究精度更细。在油田开发早期可能只需要模拟出砂泥岩分布就能满足开发需要，到了中后期则需建立精细的微相模型，在砂体内模拟出点坝等各种微相类型。而伴随油田步入高含水乃至特高含水期，为了基于地质模型来精细预测剩余油分布，则需将微相砂体内部构型界面表征出来。由于曲流河河道及点坝级次构型建模方法已较成熟，这里主要重点关注侧积夹层级次构型单元的建模方法。目前针对侧积夹层模型的建立主要包含基于面的建模方法、基于网格的随机建模方法以及等效表征等方法。

2.1 基于面的建模方法

针对侧积夹层建模，基于面的建模方法主要分2个步骤，第1步为在三维空间中生成侧积面，第2步则是将多个侧积面表征到网格模型中去。侧积面的生成是该类方法的研究重点，主要包括了确定性建模方法及随机建模方法两种，而将多个侧积面表征到网格模型中目前主要采用确定性的重采样方法。

2.1.1确定性建模方法

针对如何在三维空间中生成侧积面，国内学者开展了较多研究，且在实际油田小区块应用中取得了较好的效果。各研究方法中，以确定性建模方法为主。2009年，岳大力 等以孤东油田曲流河沉积为例，探索了储集层构型界面的几何建模方法,采用三次样条插值方法来生成侧积面[17]。基于该方法生成的侧积面后期还需通过人机交互处理才能采样到网格模型中，一定程度上增加了建模人员的工作量。2012年，范峥 等提出一种点坝内部构型的嵌入式建模方法，该方法包括侧积面模式拟合、侧积层厚度插值以及侧积层模型嵌入等主要环节[13]。该方法建立的模型赋予了侧积层厚度的概念，更加符合实际地质认识，但采用了网格局部加密方式，应用中若处理不好，对油藏数模收敛性会产生一定影响。2014年，刘卫 等提出基于界面约束法的曲流河点坝内部构型建模方法[18]，通过生成侧积层顶、底界面，采用多级界面联合约束方法建立储层结构模型。该方法利用非均匀粗化的方式将侧积层表征进模型中，由于侧积层与侧积体采用了2种不同规模网格，在数值模拟中收敛性变差。2017年，张建兴 等以孤东油田七区西为例，利用基于构型单元的侧积体建模方法建立了构型模型，并用油藏数模预测了剩余油分布[19]。2017年，孙红霞 等提出了构造界面约束下的侧积层构型网格模型构建方法[20]，指出构型模型网格方向既要准确刻画侧积层的产状，又要保证侧积体网格的正交性。2019年，牛博 等采用界面约束原理建立了石臼坨凸起西部明化镇组下段区域三维构型模型(图1)[21]。其用构型界面将点坝内部不同构型要素的顶底界面进行逐级封隔和组合封装，在侧积层、侧积体内部分别进行网格细分，解决模型网格数与侧积层精度之间的矛盾。

图1 点坝侧积体模型及剖面(据文献[21])

2.1.2随机模拟方法

采用随机模拟方法进行侧积面的模拟，研究相对较少。2013年，黄继新 等将基于沉积界面的建模方法从浊积扇体建模推广到河流相构型建模中，并以吉林油田某区块为例进行了建模[22]。该方法在界面数学模型构建、界面叠加样式描述等方面还存在较多问题，目前主要应用于浊积扇体建模。2013年，李宇鹏 等借鉴计算机图像学中矢量图形存储的思路，提出基于空间矢量的曲流河点坝砂体构型建模方法，该方法通过基于目标的模拟直接用面和体生成构型模型[12，23]。图2为利用该方法建立的侧积体构型模型，由于模拟中没有定义网格，有效提高了模拟速度。

图2 点坝内部侧积体构型模拟结果(据文献[23])

2.2 基于网格的随机建模方法

随机建模是指以已知的信息为基础，以随机函数为理论，应用随机建模方法，产生可选的、等可能的储层模型的方法[24]。按照随机模拟空间赋值方式的不同，可以把随机建模方法分为两大类：基于象元的方法、基于目标的方法。与前面分类中基于面的建模方法先生成侧积面，再重采样到网格模型中不同，此处分类中的随机建模方法在进行建模时一般为直接基于网格开展。

2.2.1基于象元的方法

根据建模方法所应用的统计学特征，又可将基于象元的方法分为基于两点统计学的方法和多点统计学方法。曲流河储层内部构型建模方法也经历了从基于两点统计学的序贯指示模拟到多点统计学模拟方法的不断发展。

2006年，岳大力以孤岛油田馆陶组为例，利用序贯指示模拟及人机交互后处理方法[25]，采用Direct软件，建立了中一区某井区三个单层的构型模型(图3)。由于序贯指示模拟应用起来相对简单，软件系统也比较成熟，白振强[26]、兰丽凤[27]、王凤兰[28]等均利用该方法在大庆萨北油田、萨中开发区等区块开展了小范围的曲流河构型建模及数值模拟，总结出构型控制下的剩余油分布模式，并提出相应的挖潜措施，取得了较好的应用效果。

图3 储层构型模型栅状切片(据文献[25])

由于侧积层三维空间形态复杂，传统序贯指示方法难以表征其复杂的空间结构和几何形态。相对于传统的地质统计学，多点地质统计学利用训练图像代替变差函数，在一定程度上克服了传统地质统计学的不足，较多学者将该方法应用到了曲流河构型建模当中。2012年，邹拓等以港东油田一区为例，采取层次模拟、试验筛选、分级预测交互方式，利用多点地质统计法，建立了网格大小为2 m×2 m×0.5 m 的构型模型[29]。2016年，刘可可 等利用多点地质统计学Snesim算法，再现了点坝内夹层三维形态[30]。其将利用多点地质统计法和序贯指示法建立的模型进行了对比，前者建立的模型在夹层侧积形态、延伸长度及平面连续性等方面都与实际更为相符，具明显优越性(图4)。2020年，陈仕臻 等以胜利油田史南区块为例，提出构型模式控制下的曲流河多尺度地质建模方法，实现井间点坝和侧积层的合理预测,模型吻合度提高至92.7%[31]。利用多点地质统计学建模方法来开展曲流河构型建模过程中，重点是训练图像的获取，由于侧积夹层空间展布样式多样，如何随机模拟或者手工绘制适合研究区域的侧积层训练图像是该方法的关键。

图4 点坝内夹层展布模型对比(据文献[30])

2.2.2基于目标的方法

基于目标的方法以目标物体作为基本模拟单元，由于其能较好的再现模拟目标体的形态，也被一些研究人员应用到曲流河构型建模当中。基于目标的模拟方法又可细分为基于目标体结果的方法和基于目标体形成过程的方法[32]，近年来，基于过程的建模方法逐渐成为研究热点。

在曲流河建模过程中，基于目标体结果的模拟方法主要应用于曲流河微相级次模型的建立，在点坝内部侧积层构型建模方面应用相对较少。如2002年，Deutsch等提出基于目标的层次模型Fluvsim[33-34]，模拟了河道、溢岸、决口扇等微相的分布;Journel提出基于流线分布的河流相模拟方法,通过局部随机修改方位角再现河流流动方位的变化[35]。在侧积层建模方面，2010年，乔勇 等开展了基于改进布尔模拟的点坝建模，其对布尔方法进行了改进，使模拟砂体更符合真实地质形态，更能够模拟曲流河侧向迁移过程，进而模拟侧积层分布[36]。该研究只建立了二维构型模型，如何利用该方法模拟侧积层三维分布还需进一步研究。2011年，尹艳树 等设计开发了一种新的侧积层建模方法[14]，其采用基于目标方法，首先模拟河道主流线,然后沿中线建立河道剖面，通过蒙特卡罗随机抽样等完成点坝和侧积层建模[14]。

基于当前建模方法在整合与沉积过程有关的地质信息方面存在的不足， Pyrcz 等提出了基于沉积过程的随机建模方法，并开发了模拟河流相储层的Alluvsim算法[37]。该方法提高了建模精度，降低了储层预测不确定性，但在河道中线生成、侧积层刻画及井数据条件化方面还存在一些不足[37]。2013年，李少华 等针对Alluvsim算法进行了改进，改进后的算法能灵活控制侧积层倾角、延伸长度等关键参数，实现点坝内部构型模拟[38]。2015年，赵永军 等[39]基于河道迁移演化模拟、侧积层定量三维分布模式及沉积过程模拟提出一种复杂曲流带储层三维构型建模新方法，实现曲流带内部构型单元规模、几何形态及其相互配置关系的定量表征，但该方法在拟合井数据方面还有待进一步研究。2017年，Yan Na 等开发了一套针对曲流河沉积的三维正演地层数值模型PB-SAND[40]，并对英国北约克郡中侏罗统点坝沉积内部构型进行了模拟，证明了该方法的可行性及强大的模拟能力，但目前基于该方法开展实际油田构型建模的实例较少。2019年，舒晓 等提出了基于曲流河演化模拟、井数据拟合的点坝内部构型建模方法[41]，并在渤海湾盆地 A 油田进行了应用，结果显示该方法不仅能构建具有真实形态的构型模型，同时能忠实于井数据。

2.3 等效表征方法

无论是采用哪种建模方法，其建立的曲流河构型模型最终都要表征到网格模型中。由于侧积层尺度非常小，往往采用局部网格加密方法来表征。从已发表文章来看，建立的各构型模型网格尺度平面上大部分都为5 m×5 m～10 m×10 m,垂向上大部分为0.25～0.5 m。这样的模型的确是提高了地质模型精度，但是却为油藏数值模拟带来了巨大挑战，如果将地质模型粗化，构型模型当中精细的渗流屏障必定被粗化掉，难以反映到流动模拟当中，构型建模的意义也就大打折扣。这也导致目前大部分储层构型建模只能局限在小范围内开展，无法在全油田范围内进行。

针对这一问题，2016年，霍春亮 等提出了一种储层成因单元界面等效表征方法并开发了配套软件，其核心思想为将侧积夹层对流体渗流的影响通过网格界面传导率表征到油藏数值模拟模型中去，而不是将其几何参数反映到油藏数值模拟模型中[16]。基于该方法及软件，可依据构型研究得到的侧积层产状直接生成三维侧积面(也可将基于网格建立的地质模型中侧积夹层通过界面重建，提取出三维侧积面)，然后将多个侧积面与粗化后的数模模型求交，输出构型界面两侧网格间传导率乘数数据卡，提供给数值模拟软件，开展基于侧积夹层构型定量表征的生产动态历史拟合及油藏数值模拟。该方法在渤海河流相油田进行了实际应用，有效提高了数值模拟运行效率及剩余油分布的预测精度[42-43]。

该方法有效解决了侧积夹层构型模型网格规模巨大导致的油藏数值模拟精度和效率问题，但针对如何定量评价侧积层对流体渗流的影响，主要还是依据人工试错方式来进行调整，还需要进一步完善，特别是与大数据、人工智能等方法的结合，来进一步提升研究效率。

3 存在问题及展望

近年来，曲流河储层构型建模在技术方法及应用实践中均取得了较大的进展，有效推动了曲流河储层构型研究成果在精细剩余油预测及挖潜中的应用，并为其他类型储层构型建模提供了借鉴。但由于其发展时间较短，从2005年左右我国第一个曲流河构型模型建立[4]，到如今仅有十多年时间，还有很多问题需要攻关。

3.1 井区地下构型模式过于简化

前人基于野外露头、现代沉积等对曲流河开展了大量研究，建立了丰富的构型模式，如图5所示，为王夏斌 等[44]通过Google earth卫星图像的观察分析，进行的塞内加尔河和墨累河典型区块的构型素描及非均质性解释结果，可以清晰地看出，在废弃河道所圈定的范围内，往往发育的是互相切割的多期侧积层，具有较强的非均质性。但在实际地下构型应用中，各种模式往往被简化处理，从已发表文献来看，当前地下曲流河内部构型研究大部分都将侧积层简单地刻画为一系列平行的模式(图6)[21]，简化后的构型模式降低了点坝砂体内部的非均质性，导致基于此构型结果建立的构型模型与地下实际存在较大差距。如何在实际油田构型研究中充分考虑并应用不同的构型模式，得出更加合理的构型认识，是曲流河构型建模的基础，也是需要重视的一个问题。

图5 基于卫星图像的曲流河构型素描及非均质性解释(据文献[44]，有修改)

图6 侧积层平面分布图(据文献[21])

3.2 点坝内部构型不确定性表征研究不足

针对点坝内部构型，目前采用最多的还是确定性建模，这也就导致了建立的模型只有1个实现。虽然油田一般到了开发中后期，有了较为丰富的动静态资料才开展构型研究，对地下储层认识的不确定性较开发早期阶段显著降低，但这并不意味着没有不确定性。由于点坝内部侧积夹层规模一般较小,即使在100米小井距的条件下也难以准确控制[45]。侧积层倾角、延伸长度、宽度等产状参数在不同油田差异很大，即使是同一油田或者同一点坝内部，受洪水事件差异性影响,这些参数也不一样[14]，比如汪巍 等[46]通过对横穿点坝的水平井资料进行测量统计，得出曹妃甸11-1油田侧积夹层水平宽度为0.7～4.7 m(表1),其中A9H井穿过的侧积夹层水平宽度最小仅为0.9 m，而最大为4.6 m。侧积层产状及规模的复杂性加剧了侧积层构型建模的难度，而这些参数都会对后期基于该地质模型的精细剩余油预测精度带来影响。此外，侧积夹层三维空间形态也并非是一个光滑的曲面。建议应加强对实际建模油田的不确定性表征，通过显著性分析，优选主要不确定性变量，建立多套确定性的模型来涵盖不确定性范围。

表1 曹妃甸11-1油田侧积夹层水平宽度统计(据文献[46])

3.3 应注重多种建模方法综合应用

近年来，针对点坝砂体内部侧积夹层建模，虽然各种建模方法都取得较大进步，但单一应用一种建模方法开展构型建模时仍存在不足。如基于象元的序贯指示方法主要通过变差函数表示模拟对象的空间相关性，难以描述侧积夹层的复杂空间结构特征，最终都需要经过人机互动手工修改，无形中增加了建模人员的工作量。基于目标体结果的方法由于在运算速度及井数据条件化等方面存在不足，在曲流河侧积层建模中应用较少；而基于目标体过程的方法近年来成为一个新的研究方向，但其发展时间较短，算法还不够成熟，且没有成型的商业化应用软件。多点地质统计学方法通过引入训练图像来替代变差函数，在几何形态表征及井数据条件化等方面展现出更大优势，特别是近年来在训练图像建立方面取得长足的进步，促进了该方法的推广应用，但其在模拟目标连续性、非平稳数据处理等方面还需要进一步攻关。

考虑到各种建模方法都有各自的优势及不足，实际研究中应综合利用多种建模方法来最大化程度提高建立模型的精度。如可以利用基于目标体结果及过程的方法在构型单元几何形态表征上的优势，建立构型单元的训练图像，再利用多点地质统计学方法进行随机模拟，再通过适当的人机交互修改完成最终构型模型的建立。可以将各类基于界面或者界面约束建模方法产生的侧积夹层三维曲面，采用等效表征方法定量表征到油藏数值模拟模型中。

3.4 应加强高效数值模拟器的研发和应用

从目前已经发表文献来看，关于曲流河点坝内部侧积层建模研究大部分都是局限于某一试验区，有的建立的仅为单一点坝内部侧积层模型。其原因主要由于侧积层规模较小，要在三维地质模型中进行定量刻画，平面及垂向网格都必须要设置的足够小，这样必然会导致建立的模型网格规模很大。如刘卫等人采用5 m×5 m×0.25 m的网格设置，建立的大港油田某单个点坝模型网格数就达到1 776 500个[18]，如果建立全油田的点坝构型模型，网格数都将达到千万级别以上。网格规模过大必定导致油藏数值模拟运算效率降低，以一个1 000万左右网格规模的河流相油田构型模型为例，应用eclipse模拟器32核CPU并行计算，15年生产历史，需要耗时20 h以上。虽然部分研究人员采用了局部网格加密、非均匀粗化等方法，其应用大部分也只是在小范围内开展，并且局部加密后网格尺寸相差太大会导致孔隙体积差异变大,造成迭代算法收敛慢,增加数值模拟运算耗时[16]。李君 等人提出一种考虑夹层影响的渗透率粗化方法，通过判断粗化网格内部不同砂体是否连通，实现在粗化的渗透率模型中反映精细地质模型中的侧积夹层信息，但尚未见实际油田应用，作者也指出该方法作为一种纯数学方法，在实际应用中还应加入更多地质约束条件来提高准确性[47]。霍春亮 等提出的储层成因单元界面等效表征方法[16]采用网格间传导率乘数来定量表征侧积夹层对流体渗流的影响，突破了网格尺寸的限制，实现了油田级别侧积层油藏模型定量表征，但若粗化后的油藏数值模拟模型网格尺寸太大，等效表征的精度也会受到一定影响，如可能存在两个相邻的侧积面在油藏模型中穿过同一个网格。

近年来，斯伦贝谢Intersect、俄罗斯tNavigator等新一代数值模拟器的应用，在一定程度上解决了网格规模巨大运行效率低下的问题，但面对油田级别精细侧积夹层构型模型，仍面临挑战，国内在该方面则相对落后，因此下一步应重点加强高效数值模拟器的研发攻关。随着计算机软硬件的不断发展和进步，大规模网格数量的构型模型运算速度将得到大幅提升，将有效促进储层构型建模技术的进一步发展。

4 结束语

系统介绍了曲流河储层构型建模方法的研究进展，将目前已有的各种侧积夹层建模方法归纳为基于面的建模方法、网格随机建模方法及等效表征方法3大类。对当前曲流河储层构型建模方法存在的问题进行了分析，指出当前曲流河储层构型建模存在井区地下构型模式过于简化、点坝内部构型不确定性表征研究不足等问题。在详细分析当前曲流河储层构型建模方法及存在问题的基础上，指出多种建模方法综合、高效数值模拟器的研发和应用等是其重要发展趋势。