蘭雪梅，張連進(jìn)，徐 偉，蒲柏宇，王俊杰，王天琪

(西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

我國(guó)西部地區(qū)位于印度板塊與歐亞板塊交界處，地質(zhì)構(gòu)造極其發(fā)育。區(qū)域上大型斷裂與伴生斷層發(fā)育，斷層之間相互截?cái)?、相交等空間組合關(guān)系復(fù)雜，利用常規(guī)勘探方法準(zhǔn)確斷面組合難度大，交切關(guān)系計(jì)算困難[1-3]。同時(shí)，大斷距、高幅度、窄條幅及復(fù)雜的斷層組合樣式，對(duì)網(wǎng)格剖分造成極大難度，導(dǎo)致網(wǎng)格形變嚴(yán)重、正交性差，影響后續(xù)數(shù)值模擬的速度和精度[4-7]。隨著地質(zhì)建模技術(shù)不斷發(fā)展，構(gòu)造建模和裂縫建模技術(shù)也不斷向復(fù)雜化、精細(xì)化與大規(guī)模化推進(jìn)[8-10]。

常規(guī)數(shù)值軟件對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的建模結(jié)果通常存在地層網(wǎng)格非常扭曲，導(dǎo)致層面模型不準(zhǔn)確；出現(xiàn)大量的負(fù)網(wǎng)格、體積異常大網(wǎng)格；Petrel IJ網(wǎng)格編號(hào)不準(zhǔn)確；針對(duì)有凹凸起伏、斷面形態(tài)變化比較大的斷層，很難完全擬合斷層面[11-12]，即使是經(jīng)過(guò)平滑處理的斷層面都很難擬合；若通過(guò)增加控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)來(lái)擬合斷層面，又會(huì)大幅增加人工交互的工作量[13-16]；針對(duì)復(fù)雜的斷層交切關(guān)系，通過(guò)編輯得到的斷層交線與實(shí)際的斷層交線差別較大。常規(guī)方法在構(gòu)建地質(zhì)模型時(shí)存在的問(wèn)題會(huì)影響后續(xù)的屬性建模、儲(chǔ)量計(jì)算和數(shù)值模擬工作[17-19]?；诖?，選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，利用petrel軟件建立地質(zhì)模型，根據(jù)地震數(shù)據(jù)基于屬性插值方法，加載井口數(shù)據(jù)及地層參數(shù)，對(duì)雙魚石地區(qū)復(fù)雜構(gòu)造進(jìn)行建模，有效獲取地質(zhì)巖體及構(gòu)造發(fā)育特征。

1 Petrel建模方法

1.1 弱化相交網(wǎng)格剖分方法

雙魚石區(qū)塊主要位于四川省廣元市劍閣縣昭化區(qū)及利州區(qū)境內(nèi)，構(gòu)造單元上隸屬上揚(yáng)子克拉通北緣龍門山山前褶皺帶，西鄰龍門山逆掩推覆帶，東接川北古中坳陷低緩區(qū)。由于受逆沖推覆擠壓作用，整體褶皺變形、斷裂發(fā)育，形成一系列呈北東南西向展布、近平行的褶皺斷高構(gòu)造群。工區(qū)內(nèi)斷塊寬度為1～3 km、構(gòu)造幅度50～550 m、斷層斷距80～300 m、斷層搭配樣式復(fù)雜(圖1)，對(duì)區(qū)域上大斷距、高幅度、窄條帶的構(gòu)造建模難度大，需通過(guò)petrel構(gòu)造建模技術(shù)更好地刻畫雙魚石地區(qū)構(gòu)造特征。

圖1 雙魚石地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造地震剖面

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)復(fù)雜構(gòu)造進(jìn)行精細(xì)表征，首先需要提取復(fù)雜構(gòu)造的幾何信息，以這些幾何體為約束進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分。若斷層等構(gòu)造幾何體十分復(fù)雜，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分，會(huì)造成網(wǎng)格數(shù)量巨大，且容易產(chǎn)生大量“病態(tài)三角形”[13,18-21]，導(dǎo)致網(wǎng)格整體質(zhì)量變差，計(jì)算不穩(wěn)定，甚至不收斂，這也是目前制約非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的主要原因之一。

為了處理雙魚石地區(qū)廣泛存在的高角度復(fù)雜縫網(wǎng)，同時(shí)保留薄層分層信息，發(fā)展了三棱柱層狀非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其同樣基于Delaunay三角形剖分，通過(guò)空間仿射變換進(jìn)行三維網(wǎng)格重構(gòu)，并還原三維離散裂縫(圖2)?；凇皬?fù)雜曲面弱化求交”算法，距離和夾角簡(jiǎn)化斷層等構(gòu)造幾何體的復(fù)雜度，消除病態(tài)三角形，形成高性能非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分方法，實(shí)現(xiàn)了任意復(fù)雜縫網(wǎng)條件下的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分(圖3)。

圖2 三棱柱網(wǎng)格剖分流程

圖3 復(fù)雜曲面弱化求交法[3]

1.2 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格下的屬性插值方法

非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中，性質(zhì)最優(yōu)的、最適合用于油藏?cái)?shù)值模擬的有三棱柱網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格(圖4和圖5)，這2種網(wǎng)格在網(wǎng)格靈活度、復(fù)雜斷層、裂縫表征精確度、地層信息描述以及數(shù)值計(jì)算收斂型等方面各有所長(zhǎng)。主要通過(guò)2個(gè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)：優(yōu)化搜索策略，仿照非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格傳導(dǎo)率連通表技術(shù)，提前形成網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)距離連通表，與傳導(dǎo)率聯(lián)通表不同的是，距離聯(lián)通表的連通系數(shù)為2個(gè)網(wǎng)格中心點(diǎn)距離；發(fā)展并行算法，每個(gè)網(wǎng)格的屬性插值計(jì)算過(guò)程是獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，提高非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格插值效率數(shù)十倍，建模時(shí)間與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相近。

圖4 三棱柱網(wǎng)格化模型

圖5 四面體網(wǎng)格化模型

非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格針對(duì)高角度構(gòu)造主要通過(guò)三棱柱網(wǎng)格及四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。三棱柱網(wǎng)格在進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時(shí)能有效保留構(gòu)造層信息、構(gòu)造正交性良好，適合處理高角度裂縫、斷層、薄層模型；四面體網(wǎng)格具有網(wǎng)格化靈活、斷層、裂縫精細(xì)表征，適合處理復(fù)雜斷層、裂縫網(wǎng)絡(luò)。

1.3 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的傳導(dǎo)率處理與連通表征技術(shù)

網(wǎng)格的傳導(dǎo)率與滲透率類似，通常認(rèn)為是與流體性質(zhì)無(wú)關(guān)的屬性，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，筆者所有討論均假設(shè)為單相流動(dòng)問(wèn)題且忽略重力影響。對(duì)任意控制體，流量公式可以表示如下：

Qi,j=Ti,jλ(pi-pj)

(1)

式中：Qi,j為單位時(shí)間中從網(wǎng)格塊i到網(wǎng)格塊j的流量；pi、pj為網(wǎng)格塊壓力；Ti,j為傳導(dǎo)率，只與網(wǎng)格和多孔介質(zhì)屬性有關(guān)；λ為流度，和流體屬性有關(guān)。

利用petrel對(duì)地質(zhì)體數(shù)據(jù)網(wǎng)格剖分完畢之后，最重要的問(wèn)題就是解決裂縫基質(zhì)網(wǎng)格之間的傳導(dǎo)率。離散裂縫模型的傳導(dǎo)率計(jì)算可分為基質(zhì)-基質(zhì)(M-M)傳導(dǎo)率、基質(zhì)-裂縫(M-F)傳導(dǎo)率和裂縫-裂縫(F-F)傳導(dǎo)率，如圖6所示。

圖6 三維離散裂縫模三種傳導(dǎo)率示意[5]

1)基質(zhì)-基質(zhì)(M-M)傳導(dǎo)率。假設(shè)在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)部，壓力梯度方向沿著網(wǎng)格控制點(diǎn)與公共邊(或公共面)形心連線的方向[13-14]，則由流量守恒得：

(2)

于是得到任意形狀的基質(zhì)網(wǎng)格間傳導(dǎo)率的T1，2可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

2)基質(zhì)-裂縫(M-F)傳導(dǎo)率。在計(jì)算傳導(dǎo)率的時(shí)候，裂縫會(huì)被還原成原來(lái)的形態(tài)，因此基質(zhì)-裂縫的傳導(dǎo)率計(jì)算與基質(zhì)-基質(zhì)的傳導(dǎo)率計(jì)算是完全一致的，只是式(3)中的αf變?yōu)?/p>

αf=Afkf/Di

(4)

3)裂縫-裂縫(F-F)傳導(dǎo)率。通常針對(duì)裂縫-裂縫模型構(gòu)建過(guò)程中，地質(zhì)體中2個(gè)裂縫網(wǎng)格之間不存在公共面，無(wú)法直接使用式(2)進(jìn)行計(jì)算[11,17-18]。為解決公共面不存在的問(wèn)題，引入體積無(wú)窮小的虛擬網(wǎng)格“0網(wǎng)格”進(jìn)行計(jì)算?！?網(wǎng)格”的特點(diǎn)是與相連兩條裂縫都是“正交”連接的，即網(wǎng)格中心點(diǎn)連線0-1和0-2分別與其公共面正交。我們的假設(shè)是裂縫網(wǎng)格1到裂縫網(wǎng)格2發(fā)生的所有流動(dòng)都是通過(guò)“0網(wǎng)格”傳導(dǎo)的。因此有：

(5)

式中：Bi為網(wǎng)格i與網(wǎng)格0交面面積，即裂縫網(wǎng)格i的寬度；mi為裂縫網(wǎng)格滲透率。

由于“0網(wǎng)格”為設(shè)定為無(wú)窮小，即有：

(6)

因此：

(7)

當(dāng)裂縫出現(xiàn)相交(包括分支、匯合等)情況的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)3條及以上相交裂縫網(wǎng)格間的傳導(dǎo)率計(jì)算。與i類似，也在交點(diǎn)處加入“0網(wǎng)格”。

由于在網(wǎng)格中裂縫用線段表示，而在計(jì)算模型中考慮了裂縫的寬度，因此會(huì)引起總體積不守恒。當(dāng)裂縫較多的情況下，這種誤差就不能忽略。處理的方法是對(duì)和裂縫相鄰的基質(zhì)網(wǎng)格做體積修正，即計(jì)算基質(zhì)網(wǎng)格體積時(shí)(計(jì)算傳導(dǎo)率時(shí)只用到了中心點(diǎn)和交面的信息，無(wú)須修正)要從中減去與之相鄰的裂縫網(wǎng)格體積的一半(圖7)。

圖7 計(jì)算模型與網(wǎng)格模型中裂縫網(wǎng)格的區(qū)別[9]

2 復(fù)雜構(gòu)造的三維地質(zhì)網(wǎng)格模型特征

2.1 建模區(qū)域

基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，選擇雙魚石地區(qū)東北部區(qū)域(圖8)，建立三維地質(zhì)網(wǎng)絡(luò)模型，構(gòu)建地層特征。

建模區(qū)域面積533 km2，該區(qū)域囊括了區(qū)塊最復(fù)雜的斷層樣式及接觸關(guān)系；建模層位：茅口組、棲霞組斷層，區(qū)域共有大小斷層52條，分別采用常規(guī)pillar和自由斷面組合2種方法建模；選取3種網(wǎng)格進(jìn)行三維地質(zhì)建模，常規(guī)角點(diǎn)網(wǎng)格、三棱柱網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格；網(wǎng)格設(shè)置中角點(diǎn)網(wǎng)格大小為100×100×10，總網(wǎng)格量160萬(wàn)；三棱柱網(wǎng)格大小為平面約50 m，垂向10 m，剖分困難；四面體網(wǎng)格大小為約50 m，總網(wǎng)格量約148萬(wàn)。

沉積相及屬性建模過(guò)程中由于角點(diǎn)網(wǎng)格剖分質(zhì)量太差，所以選擇在四面體網(wǎng)格的基礎(chǔ)上進(jìn)行沉積相及屬性建模，基于沉積相平面圖進(jìn)行確定性沉積相建模，基于井上的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)及平面圖，進(jìn)行約束性的序貫高斯屬性模擬。

2.2 三角剖分的復(fù)雜斷層模型

進(jìn)行三角剖分時(shí)，對(duì)雙魚石地區(qū)使用Delaunay三角剖分表征斷層面的幾何形態(tài)，建立不依賴于pillar的斷層面描述方法，能精確的表征彎曲的斷層面；復(fù)雜斷面自動(dòng)求交，操作簡(jiǎn)單，提高效率，不受斷面形態(tài)的影響，精確度高(圖9)。

圖9 三角剖分?jǐn)鄬咏Y(jié)構(gòu)

基于復(fù)雜斷層模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格剖分；剖分的網(wǎng)格質(zhì)量高，體積均勻，不會(huì)有大量扭曲。結(jié)果表明，雙魚石地區(qū)斷層主要以大角度逆沖斷層形式產(chǎn)出，斷裂延伸長(zhǎng)度大，區(qū)域大斷層伴生有大量的小型斷裂(圖10)。通過(guò)三角剖分技術(shù)，可以清楚的顯示出雙魚石地區(qū)的斷裂形態(tài)。

在剖分的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格基礎(chǔ)上，基于井上的孔隙度、滲透率曲線，利用序貫高斯模擬方法，建立孔隙度、滲透率模型；由于工區(qū)的井比較少，所以利用儲(chǔ)層厚度圖對(duì)模型做平面趨勢(shì)約束；進(jìn)行滲透率建模時(shí)，把孔隙度模型作為約束體，進(jìn)行協(xié)同建模，建立滲透率模型(圖11)。

圖11 雙魚石地區(qū)地層滲透率分布特征

通過(guò)建立孔隙度、滲透率模型，雙魚石地區(qū)總體滲透率為0.11%～7.49%，平均滲透率為2.09%。茅口組滲透率為0.11%～7.49%，平均滲透率為2.39%；棲霞組滲透率為0.16%～3.20%，平均滲透率為1.49%。雙魚石地區(qū)總體孔隙度為0.01～1.052，平均孔隙度為0.26。茅口組孔隙度為0.01～1.069，平均孔隙度為0.32；棲霞組孔隙度為0.020 0～1.183 7，平均孔隙度為0.139 9?？傮w上雙魚石地區(qū)茅口組與棲霞組滲透率與孔隙度較小，屬于致密巖層，不同區(qū)域上巖層孔隙度與滲透率有一定程度的變化，西南部滲透率略微高于東北部區(qū)域。

表1 雙魚石地區(qū)滲透率及孔隙度特征分布

3 結(jié) 論

1)基于petrel建模軟件，優(yōu)化地質(zhì)構(gòu)造建模方法，針對(duì)獲取的地球物理數(shù)據(jù)提出弱化相交網(wǎng)格剖分方法與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格法，對(duì)復(fù)雜構(gòu)造區(qū)高陡構(gòu)造的地質(zhì)建模有較好的效果，將該方法運(yùn)用于四川盆地雙魚石地區(qū)，直觀有效解釋了雙魚石地區(qū)斷裂構(gòu)造空間展布特征。

2)利用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格法下的屬性插值，建立三角剖分的復(fù)雜斷層模型，恢復(fù)了雙魚石地區(qū)主要目標(biāo)巖層茅口組與棲霞組的地層特征，對(duì)斷裂切割地層的方式與組合特征有效恢復(fù)，區(qū)域上結(jié)合滲透率和孔隙度模型，得到雙魚石地區(qū)滲透率與孔隙度平面分布特征。

3)孔隙度與滲透率模型計(jì)算結(jié)果表明，雙魚石地區(qū)總體滲透率為0.11%～7.49%，平均滲透率為2.09%；孔隙度為0.01～1.052，平均孔隙度為0.26?？傮w上雙魚石地區(qū)茅口組與棲霞組滲透率與孔隙度較小，屬于致密巖層，不同區(qū)域上巖層孔隙度與滲透率有一定程度的變化，西南部滲透率略微高于東北部區(qū)域。