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應(yīng)用生命旋回理論預(yù)測四川盆地常規(guī)天然氣探明儲量增長趨勢

2023-01-13 04:12:48戰(zhàn)薇蕓易海永吳雪峰宋榮彩王彥力
關(guān)鍵詞:探明儲量哈伯四川盆地

戰(zhàn)薇蕓, 易海永, 吳雪峰, 宋榮彩, 王彥力, 王 眾

(1. 中國石油西南油氣田公司 勘探開發(fā)研究院,成都 610041;2.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院,成都 610059;3.數(shù)學(xué)地質(zhì)四川省重點實驗室(成都理工大學(xué)),成都 610059)

四川盆地是世界上最早發(fā)現(xiàn)和利用天然氣的地區(qū),也是中國現(xiàn)代天然氣工業(yè)的起源地,天然氣產(chǎn)量曾在中國“領(lǐng)跑”半個多世紀。根據(jù)國家提出的新發(fā)展理念,天然氣作為化石能源中最清潔的能源,在國內(nèi)消費市場仍有較大需求,天然氣勘探開發(fā)力度將持續(xù)加大,四川省也提出了建設(shè)中國“天然氣大慶”的目標,到2035年,有望建成中國第一個千億級天然氣生產(chǎn)基地,四川盆地將迎來天然氣發(fā)展的黃金時期[1]。

根據(jù)國土資源部組織的“十三五”油氣資源評價,四川盆地天然氣資源量居全國首位,探明率僅15%,與國外成熟盆地30%~60%的探明率相比,勘探仍處于早中期,是中國天然氣勘探開發(fā)最具潛力的盆地?!笆晃濉币詠恚拇ㄅ璧靥烊粴鈨α?、產(chǎn)量持續(xù)增長,目前已進入快速發(fā)展時期[2-3]。

根據(jù)四川盆地含油氣地質(zhì)特征和勘探發(fā)現(xiàn)規(guī)律,選取適合的數(shù)學(xué)模型預(yù)測未來天然氣探明儲量增長趨勢,對制定油氣戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃具有重要意義。

1 四川盆地勘探概況

1.1 含油氣基本地質(zhì)特征

四川盆地位于上揚子地臺西緣,是在海相克拉通和陸相前陸盆地基礎(chǔ)上發(fā)展起來的大型疊合盆地,也是中國大型含油氣盆地之一。四川盆地沉積蓋層厚度達6~12 km,以震旦系-中三疊統(tǒng)海相碳酸鹽沉積為主(厚4~7 km)。6套烴源層(海相4套,陸相2套)廣覆式分布,具一定規(guī)模的孔隙型儲層大面積發(fā)育,匹配良好的區(qū)域性蓋層,形成了11套成藏組合,已發(fā)現(xiàn)29套工業(yè)油氣產(chǎn)層,具有縱向上可供勘探層系多、平面上滿盆含氣的特征[4-5]。

1.2 勘探發(fā)現(xiàn)歷程

四川盆地大規(guī)模油氣勘探始于1953年,至今經(jīng)歷了以下4個階段(圖1):

第一階段(1953-1977年),早期地面構(gòu)造、裂縫氣藏勘探階段

該時期為四川盆地天然氣工業(yè)起步時期,處于含油氣地質(zhì)條件探索階段,主要在川南地區(qū)開展勘探開發(fā)工作,以背斜構(gòu)造為鉆探目標,在川南、川西南地區(qū)發(fā)現(xiàn)了一大批碳酸鹽巖縫洞型氣藏,以及臥龍河、威遠、中壩等一批裂縫-孔隙型整裝氣藏。1964年探明的威遠震旦系氣藏是中國第一個陸上整裝的大型氣藏,形成四川盆地儲量增長首個小高峰。

圖1 四川盆地常規(guī)天然氣勘探歷程圖Fig.1 Conventional natural gas exploration history of the Sichuan Basin

第二階段(1978-2004年),川東高陡構(gòu)造帶突破階段

1977年在川東地區(qū)相國寺背斜構(gòu)造發(fā)現(xiàn)石炭系孔隙性氣藏,使四川盆地勘探發(fā)生重大轉(zhuǎn)變,開始以裂縫-孔隙性儲層作為主要勘探對象,以大中型整裝氣藏為目標。先后發(fā)現(xiàn)臥龍河、 大池干井、五百梯等一批石炭系大中型整裝氣藏,形成探明儲量增長的又一個高峰。整體勘探石炭系的同時,兼探二疊系、三疊系,1995年發(fā)現(xiàn)渡口河飛仙關(guān)組鮞灘氣藏,揭開了四川盆地長興組-飛仙關(guān)組礁灘氣藏大規(guī)??碧降男蚰?,又發(fā)現(xiàn)了鐵山坡、羅家寨、七里北等一批礁灘大中型整裝氣藏。這一階段累計探明儲量900×109m3,年均探明33.4×109m3。

第三階段(2005-2011年),巖性油氣藏探索勘探階段

在巖性油氣藏理論指導(dǎo)下,2005-2006年,川中廣安地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組巖性氣藏、龍崗地區(qū)上二疊統(tǒng)長興組生物礁巖性氣藏勘探相繼獲得突破,拉開了巖性油氣藏規(guī)模勘探的序幕[6]。這一階段,勘探對象由單一的構(gòu)造圈閉氣藏向巖性、構(gòu)造氣藏并舉轉(zhuǎn)變,海陸領(lǐng)域同進,進一步拓展勘探領(lǐng)域,發(fā)現(xiàn)了廣安、合川、龍崗、普光、元壩等大型氣田,累計探明儲量123.23×1010m3,年均新增探明儲量達到176×109m3,2005年、2006年、2009年新增探明儲量均超過200×109m3,四川盆地開始進入天然氣儲量快速增長期。

第四階段(2012年至今),川中古隆起勘探重大突破階段

2011年、2012年,安岳地區(qū)震旦系燈影組和寒武系龍王廟組勘探分別取得重要成果,實現(xiàn)了川中古隆起震旦系-下古生界的歷史性突破。以深層、超深層海相碳酸鹽巖大型整裝氣藏為目標,在以“古裂陷、古隆起、古侵蝕面”為核心的古老碳酸鹽巖成藏理論指導(dǎo)下,探明儲量繼續(xù)保持高位增長,截至2021年底,累計探明儲量200×1010m3,年均新增探明儲量200×109m3,2013年探明了國內(nèi)最大的單體海相碳酸鹽巖整裝氣藏——磨溪龍王廟組氣藏,探明儲量超400×109m3,是四川盆地迄今為止年新增天然氣探明儲量的最高峰。

2 四川盆地常規(guī)天然氣探明儲量增長特點

根據(jù)勘探歷程和年新增天然氣探明儲量分布情況,四川盆地常規(guī)天然氣探明儲量增長具有以下特點:

a.大型巖性和復(fù)合圈閉氣藏的發(fā)現(xiàn)是儲量實現(xiàn)快速增長的主體。在以裂縫和構(gòu)造圈閉氣藏為主的勘探階段,儲量增長總體較為緩慢。1953-2004年,年均新增探明儲量僅21.6×109m3;2005年勘探對象轉(zhuǎn)為巖性和復(fù)合圈閉氣藏為主以后,年均新增探明儲量189.1×109m3,增長775%。未來儲量規(guī)模較大的巖性和復(fù)合圈閉氣藏仍是勘探的主要對象,儲量有望繼續(xù)保持高位增長。

b.儲量增長呈現(xiàn)“多峰、多旋回”特征。新區(qū)、新領(lǐng)域的突破是儲量出現(xiàn)高位增長的重要因素之一?;仡櫩碧綒v史,每當突破一個新層系,就會出現(xiàn)一次探明儲量增長峰值。第一個勘探階段中震旦系燈影組的突破帶來第一個儲量增長高峰;川東高陡構(gòu)造勘探階段中,1993年取得石炭系突破后的儲量增長高峰,2004年取得下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組的增長高峰;巖性氣藏勘探階段中,2005年川中地區(qū)須家河組的突破形成多個峰值;2012年以來,在以川中古隆起為代表的深層海相碳酸鹽巖勘探階段中,震旦系燈影組、寒武系龍王廟組的突破,形成了四川盆地儲量持續(xù)高位增長的態(tài)勢。

c.探明儲量峰值的出現(xiàn)具有一定周期性(圖1)。勘探第一階段,探明儲量的峰值分別出現(xiàn)在1959年、1964年、1972年,間隔的時間分別為5 a、 8 a;第二階段,探明儲量峰值出現(xiàn)在1988年、1993年、2001年、2004年,間隔的時間分別為5 a、 8 a、 3 a;第三和第四階段,探明儲量峰值出現(xiàn)在2005年、2009年、2013年、2015年、2020年,間隔的時間分別為4 a、 4 a、2 a、 5 a??梢钥闯隽芽p和構(gòu)造圈閉氣藏勘探階段,6~7 a探明儲量會出現(xiàn)一次峰值;在巖性和復(fù)合圈閉氣藏為主的勘探階段,大約4 a出現(xiàn)峰值:峰值出現(xiàn)的時間有縮短的趨勢。

3 模型設(shè)計

3.1 生命旋回法

生命旋回法通常用來對具有生命周期特點的事物發(fā)展趨勢進行描述,并用來預(yù)測其發(fā)展規(guī)律。天然氣作為一種非再生資源,其探明儲量增長趨勢符合生命周期特征。在生命旋回法中,常用的模型有龔帕茲(Gompertz)模型、哈伯特(Hubbert)模型和胡-陳-張(HCZ)模型等。在本研究中,也是選擇這3種模型對四川盆地天然氣未來5 a新增探明儲量以及探明儲量高峰期出現(xiàn)的時間進行預(yù)測。

3.1.1 龔帕茲模型

龔帕茲曲線是由英國統(tǒng)計學(xué)家和數(shù)學(xué)家Gompertz提出的一種生命增長曲線,也稱為生長曲線預(yù)測模型。該模型常用于油氣藏類型較多、地質(zhì)條件較復(fù)雜的地區(qū)或盆地儲量增長趨勢預(yù)測[7-8],其數(shù)學(xué)表達式為

NP=NR·abt

(1)

式中:NP為累計探明儲量;NR為年度新增探明儲量;a、b為待定參數(shù),NR>0,a<1,b<1;t為年份。

3.1.2 哈伯特模型

哈伯特模型由美國學(xué)者Hubbert提出。該模型假設(shè)當時間趨于無窮大時,所對應(yīng)的累計探明儲量可作為最終可采儲量;并且,受地質(zhì)資源量條件約束,儲量增長高峰將出現(xiàn)在累計探明儲量達到最終可采儲量的一半的時候[9-11]。哈伯特模型已被大量應(yīng)用在油氣產(chǎn)量、可采儲量、最高產(chǎn)量、累積產(chǎn)量及其對應(yīng)時間的預(yù)測中,取得了很好的效果。近年,該模型也被廣泛應(yīng)用在油氣地質(zhì)儲量、產(chǎn)量趨勢預(yù)測方面。

累計探明儲量的哈伯特模型對應(yīng)公式如下[12-13]

(2)

式中:NP為累計探明儲量;NR為年度新增探明儲量;a、b為參數(shù);t為累計儲量的年份時長。

3.1.3 胡-陳-張模型

1995年由胡建國、陳元千和張盛宗建立的胡-陳-張(HCZ)油氣田產(chǎn)量預(yù)測模型,模型如公式(3)所示, 可以對油氣田開發(fā)全過程的產(chǎn)量、累積產(chǎn)量、可采儲量和最高年產(chǎn)量及其發(fā)生的時間進行預(yù)測,預(yù)測結(jié)果與實際情況吻合[14-15]。

(3)

式中:NP和NR分別為累計探明儲量和年度新增探明儲量;t為開采時間; 系數(shù)a和b為HCZ預(yù)測模型常數(shù)。

3.2 多峰模型

多峰預(yù)測模型是通過多個單峰模型進行疊加組合而成,能夠反映每個單峰模型的信息,常用在儲量增長具有多峰、多旋回特征的盆地中。多峰高斯和多峰哈伯特是比較常用的預(yù)測模型,在鄂爾多斯、渤海灣等盆地的天然氣探明儲量增長趨勢預(yù)測中得到應(yīng)用。四川盆地天然氣探明儲量增長同樣具有多峰、多旋回的特征,因此本文選用多峰哈伯特模型和多峰高斯模型對四川盆地天然氣探明儲量未來增長趨勢進行預(yù)測。

3.2.1 多峰哈伯特模型

用多峰哈伯特模型預(yù)測天然氣儲量未來變化規(guī)律,首先根據(jù)預(yù)測區(qū)已出現(xiàn)的儲量峰值來確定哈伯特回旋的數(shù)量和時間段,再通過預(yù)測區(qū)的油氣資源量等條件求解、確定模型中每個回旋的參數(shù),最后將預(yù)測得到的每個回旋曲線疊加,得到新的預(yù)測曲線。

多峰哈伯特模型如下[16-17]

(4)

式中:N為年度新增探明儲量;Nmi為第i個旋回的年儲量高峰值;ai為模型參數(shù);t為儲量提交年份;tmi為儲量高峰值的年份;k為峰總數(shù);i為回旋數(shù)。

3.2.2 多峰高斯模型

多峰高斯模型也稱為混合高斯模型,通常由幾個單峰高斯模型組合形成多峰高斯模型。通過表征油氣地質(zhì)儲量和產(chǎn)量的多個峰值,采用多個高斯旋回疊加的方式進行擬合與預(yù)測[18-19]。

多峰高斯模型如下

(5)

(6)

式中:Nmi為第i個旋回的年儲量高峰值;si表示第i個旋回的標準差參數(shù),無量綱;tmi為第i個儲量高峰值的年份;t為儲量提交年份。

3.3 模型求解步驟及模型評價指標

a.儲量旋回數(shù)量的確定。建立多峰模型,首先需要確定旋回數(shù)量,包括已出現(xiàn)的和未來出現(xiàn)的,兩者結(jié)合作為參數(shù)放入模型中。一般有兩種方法,第一種方法是儲量的“外在變化”方法,通過對歷史儲量進行分析,確定旋回的數(shù)量;第二種方法是根據(jù)變化的“內(nèi)在原因”,分析儲量發(fā)生重大變化的內(nèi)在原因,以此作為新循環(huán)的起點,從而確定旋回的數(shù)量。

b.求解模型的改進。有別于傳統(tǒng)的線性試差法,本文引入機器學(xué)習(xí)法求解模型參數(shù),即通過網(wǎng)格搜索算法,以RMSE為損失函數(shù),使其在迭代過程中計算其最小值,即直到損失函數(shù)的值收斂,進而求得模型的最優(yōu)解。

(7)

式中:Nv為真實儲量;Nf為預(yù)測儲量。

c.模型的評價。通過計算自相關(guān)系數(shù)(r)和可決系數(shù)(R2),評價模型的優(yōu)劣。其中r和R2的取值在(0,1)范圍內(nèi);其取值越接近于1,則表示模型的擬合效果越好。

(8)

(9)

4 四川盆地常規(guī)天然氣探明儲量增長趨勢預(yù)測

4.1 探明儲量增長趨勢分析

儲量增長受資源、地質(zhì)條件、工程技術(shù)、投資、政策等眾多因素影響,其中資源富集程度對中長期儲量增長預(yù)測結(jié)果影響較大。參考國外成熟盆地30%~60%的天然氣最終探明率,以四川盆地天然氣資源量為基礎(chǔ),將最終探明儲量(NUR)作為控制邊界,對龔帕茲模型、哈伯特模型、胡-陳-張模型進行改進,改進的模型如下所示

NP=NUR·abt

(10)

(11)

(12)

式中:Np為累計探明儲量;NUR為最終探明儲量;t為開采時間;a和b為預(yù)測模型常數(shù)。

根據(jù)四川盆地油氣資源評價最新成果,常規(guī)氣(含致密氣)資源量3.4×109m3,按照成熟盆地60%的探明率估算最終探明儲量(NUR)將達到2.04×109m3。以此作為約束條件,使用改進后的龔帕茲模型、哈伯特模型和胡-陳-張模型,對天然氣累計探明儲量增長趨勢進行預(yù)測,預(yù)測值經(jīng)驗證與歷史值符合度較高(圖2);并且3種模型的可決系數(shù)(R2)和自相關(guān)系數(shù)(r)均在0.95以上(表1),說明模型預(yù)測精度較高,可運用于累計探明儲量增長趨勢預(yù)測。其中胡-陳-張模型的可決系數(shù)為0.982 4,自相關(guān)系數(shù)達到 0.996 8,在3種模型中最大,表明其預(yù)測結(jié)果更加真實可靠,因此本文選擇胡-陳-張模型作為預(yù)測模型。

表1 改進后的模型參數(shù)Table 1 Improved model parameters

圖2 約束后累計天然氣探明儲量預(yù)測趨勢圖Fig.2 Prediction trend diagram of cumulative proved natural gas reserves after constraint

選擇可決系數(shù)最大時的參數(shù),作為胡-陳-張模型的輸入?yún)?shù),預(yù)測累計探明儲量,并計算模型的擬合誤差(表2)。預(yù)測值與實際值的相對誤差在前期相對較大,其原因主要有兩方面,一是數(shù)據(jù)本身波動性比較大,二是模型曲線本身為光滑曲線,在建模的過程中,要求損失函數(shù)達到最小、可決系數(shù)達到最大,才能達到最優(yōu)結(jié)果。

表2 胡-陳-張模型預(yù)測誤差分析Table 2 Prediction error analysis of HCZ model

根據(jù)儲量增長歷史數(shù)據(jù),四川盆地常規(guī)天然氣累計探明儲量在2000年左右開始緩慢提升,2001年新增天然氣探明儲量首次突破100×109m3;2004年以來儲量增長勢頭迅猛,年均新增探明儲量達到190×109m3以上;至2021年底,累計探明天然氣儲量為343.9×1010m3,占目前累計儲量的80%。按照當前的增長趨勢,模型預(yù)測探明儲量在2034年左右會達到峰值,預(yù)計“十四五”期間常規(guī)天然氣將新增探明儲量124.91×1010m3,年均探明儲量為249.828×109m3。

4.2 多峰預(yù)測模型

根據(jù)四川盆地常規(guī)天然氣勘探歷程和探明儲量增長規(guī)律,大致劃分為7個旋回,分別用H1、H2、…、H7新增曲線來表示(圖3)。由于H8曲線還未形成一個完整的旋回,因此回旋數(shù)量為7。通過這7條曲線的累加可以很清晰看到每個階段探明儲量的變化情況[20-21]。

圖3 四川盆地常規(guī)天然氣歷年新增探明儲量Fig.3 Proved reserves of conventional natural gas increased over the years in Sichuan Basin

利用多峰哈伯特和多峰高斯構(gòu)建擬合模型。根據(jù)公式(4)和(5),對每個旋回峰值單獨計算;然后將各段預(yù)測的數(shù)據(jù)相加,構(gòu)成多峰預(yù)測模型。各段參與計算的參數(shù)如表3所示,模型擬合評價結(jié)果如表4。

表3 多峰模型參數(shù)表Table 3 Multimodal model parameters

表4 多峰模型預(yù)測效果評價Table 4 Multimodal model prediction evaluation

預(yù)測結(jié)果如圖4所示,從H1到H7旋回兩個模型預(yù)測的結(jié)果都與原始數(shù)據(jù)曲線擬合效果較好,探明儲量整體呈逐步上升趨勢,并且每一旋回的峰值也呈上升趨勢,如H7旋回的峰值是H6旋回峰值的1.87倍,H6旋回的峰值是H5的1.24倍。根據(jù)四川盆地天然氣勘探歷程,常規(guī)氣探明儲量仍處于快速增長階段。根據(jù)胡-陳-張模型預(yù)測的儲量高峰出現(xiàn)在為2034年,對H8曲線進行補全,當兩個模型預(yù)測的儲量峰值分別達到599.95×109m3、450×109m3時,擬合效果達到最佳(圖4)。

圖4 四川盆地常規(guī)天然氣探明儲量多峰模型預(yù)測圖Fig.4 Multimodal model prediction of proved conventional natural gas reserves in Sichuan Basin

根據(jù)模型擬合效果評價表,多峰哈伯特模型的自相關(guān)系數(shù)為0.944 1,可決系數(shù)為0.883 1,結(jié)合四川盆地目前天然氣勘探形勢和未來發(fā)展目標,選取多峰哈伯特模型的預(yù)測結(jié)果更符合實際。其預(yù)測結(jié)果與原始數(shù)據(jù)之間的誤差如表5所示。部分預(yù)測數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)相差較大,主要是由于原始數(shù)據(jù)上下浮動過大,導(dǎo)致模型在訓(xùn)練過程中擬合曲線有誤差;但預(yù)測結(jié)果仍能較真實地反映每個旋回的實際變化情況。

表5 多峰哈伯特模型預(yù)測結(jié)果的誤差分析Table 5 Multimodal Hubbert prediction error analysis

峰值預(yù)測模型可以直觀反映油氣資源全生命周期的發(fā)展規(guī)律,對中長期探明儲量增長趨勢預(yù)測具有較好的指導(dǎo)作用[22]。但天然氣探明儲量增長是一個復(fù)雜的綜合工程,同時受到地質(zhì)條件、認識程度、工作量等多因素的影響,因此預(yù)測值和實際值也會產(chǎn)生一定程度的偏差。

多峰哈伯特模型預(yù)測四川盆地常規(guī)氣在2034年達到探明儲量高峰期的峰值為599.95×109m3左右,屆時探明率將達到37%左右;2050年之后增長速率開始放緩(圖5)。預(yù)測結(jié)果總體與四川盆地目前的勘探開發(fā)形勢和未來發(fā)展目標較匹配,也表明四川盆地常規(guī)天然氣未來一段時間仍將處于高速增長期,發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

圖5 四川盆地常規(guī)天然氣探明儲量增長趨勢預(yù)測圖Fig.5 Prediction of the growth trend of proved conventional gas reserves in Sichuan Basin

5 結(jié) 論

a.四川盆地天然氣資源豐富,勘探歷經(jīng)半個多世紀,累計探明儲量已超4×1012m3,目前仍處于快速增長期?;仡櫵拇ㄅ璧乜碧綒v程,探明儲量增長總體呈現(xiàn)多峰、多旋回特征,儲量峰值不斷提高;隨著理論技術(shù)的進步,出現(xiàn)儲量峰值的周期有縮短的趨勢。

b.探明儲量增長具有明顯的全生命周期變化特征,選用胡-陳-張模型預(yù)測四川盆地天然氣探明儲量峰值時間。將盆地天然氣資源量和成熟盆地最終探明率作為約束條件,對胡-陳-張模型進行改進,改進后的模型預(yù)測四川盆地在2034年前后會出現(xiàn)儲量增長高峰,“十四五”期間年均新增探明儲量249.8×109m3。

c.根據(jù)四川盆地天然氣探明儲量增長具有多峰、多旋回特點,采用多峰哈伯特模型預(yù)測年均探明儲量增長趨勢。根據(jù)歷年新增探明儲量變化特征,分段擬合預(yù)測年均新增探明儲量,最終預(yù)測四川盆地在2034年峰值期探明儲量將達到599.95×109m3左右,探明率達到37%。

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