中國石化油藏地球物理二十年發展與思考

李 陽,王延光,劉浩杰,陳雨茂,薛兆杰

(1.中國石油化工股份有限公司,北京100728;2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司,山東東營257000;3.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司物探研究院,山東東營257022)

國際政治、經濟、環境因素正在重塑著國際能源結構,但在近中期油氣資源仍將持續保持主體地位[1]。我國油氣能源消費也將持續增長,油氣資源對外依存度高,油氣供給安全形勢嚴峻,穩油增氣降本是我國必須長期堅持的策略。

從油氣勘探開發整體形勢看,陸地、海上油氣勘探開發目標全面從淺層走向深層、由構造油氣藏轉向超復雜巖性油氣藏,由常規油藏走向致密油藏、頁巖油藏,面臨著深水、深層、復雜山地和復雜構造,勘探開發難度不斷增大[2-6]。同時,我國主力油田普遍進入勘探開發中后期,剩余油高度分散、局部富集,近1/3的高含油飽和度剩余油賦存于受小斷層、薄互層等小尺度地質體控制的富集區[7],需要繼續查明受薄互層、小斷塊、微幅度構造控制的剩余油富集區。如何發揮地球物理技術優勢,深度融合開發動靜態信息,更精確地落實微構造、預測薄儲層、識別流體、尋找剩余油是助力我國主力油田二次開發、保障穩油增氣降本戰略有效實施迫切需要解決的重大課題。

在老油田開發需求和地球物理技術發展共同驅動下,中國石化于2002年提出并著力發展面向油藏開發的地球物理技術理念和方法,全面服務于新老區產能建設和非常規油藏開發。具體歷程大致可分為單項技術突破、全面深化攻關、全面推廣應用和迭代提升四個階段。2002年至2006年,面向陸相油藏開發的特點和需求,中國石化相繼設立并完成了“十條龍”項目《油藏綜合地球物理技術研究》和重大科技先導項目《油藏綜合地球物理技術應用先導試驗》,針對高精度三維地震、井間地震、VSP等關鍵技術進行攻關,在勝利墾71區塊開展了綜合應用,標志著油藏地球物理技術實現單項技術突破;2007年至2015年,依托兩期國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目《油藏綜合地球物理技術》和《油藏地球物理關鍵技術》,開展多尺度資料聯合反演、地球物理約束油藏建模、非一致性時移地震、微地震壓裂監測等攻關,研制了油藏地球物理軟件平臺R系統,油藏地球物理技術實現產業化應用。2016年至2020年,以油藏地球物理軟件平臺為依托,全面服務油田勘探開發,在老區油藏描述、新區產能建設全面應用。2020年至今,依托中石化重大攻關項目群《低滲致密油藏地質工程一體化關鍵技術研究》等一系列項目,開展人工智能油藏地球物理、地質工程一體化攻關,在提升油藏描述精度和效率的同時,拓展油藏地球物理技術的應用領域和范圍。

本文在回顧總結油藏地球物理概念及研究現狀的基礎上,系統梳理了中國石化20年以來油藏地球物理技術取得的創新成果和實踐效果,分析面臨的主要形勢與挑戰,并探討了油藏地球物理技術未來的發展方向。

1 油藏地球物理的提出、概念及內涵

在油氣勘探中以地震為核心的勘探地球物理技術得到了廣泛應用[8-9],但隨著地球物理技術的發展和油藏提高采收率對油藏模型精度需求的提高,針對油藏評價、油藏開發及生產的油藏地球物理技術逐步發展起來[10-11]。1984年美國SEG(美國勘探地球物理學家協會)成立了D&P委員會(Development and Production Committee),著力推動面向油藏開發的地球物理技術研究。歷屆SEG會議,油藏地球物理研究和應用都是會議的熱門主題之一。

由于國內陸相沉積油藏的復雜性和特殊性,需要發展針對中國陸相油藏特征的油藏地球物理技術和體系。中石油、中石化以及相關石油高校都相繼組建了油藏地球物理研究機構和團隊,在油藏地球物理理論和方法等方面開展深入研究[12-16]。在中國石化二十年的發展中,形成了以“井震動融合”為核心的油藏地球物理內涵,即油藏地球物理技術的實質就是面向油藏開發,綜合應用多種地球物理資料和油藏開發動靜態信息對油藏三維空間特征進行精細描述和動態監測的綜合性交叉新學科[17-18]。

與常規意義上的勘探地球物理相比,油藏地球物理對地震資料分辨率的要求更高,對流體的可預測性要求更強,對油藏模型的確定性要求更精準,對資料的綜合應用要求更深入全面。但在本質上,兩者均是地球物理理論和方法的創新和實踐,都是利用地球物理技術對地下油氣目標進行準確成像。因此對具體技術而言,二者又沒有明顯的應用邊界。例如,高精度三維地震和多波多分量地震等,既可以應用于勘探尋找新的油氣圈閉,又可以在已開發老區對油藏的復雜構造、儲層進行描述及流體識別[19]。當前,油藏地球物理技術正不斷向油氣田勘探和工程領域延伸,已成為發現油氣資源儲量和提高油氣采收率的重要技術手段。

2 油藏地球物理技術創新與實踐

圍繞著油藏的三維空間精細表征和動態監測這一核心目標,發展形成了關聯配套油藏地球物理技術路線和體系,即以油藏的動靜態屬性與多種地球物理波場關聯和匹配融合研究為基礎,以提高對地下小地質目標體成像精度的井中地震、高精度三維地震技術和以流體識別檢(監)測為目標的多波多分量地震、非一致性時延地震和微地震壓裂監測技術突破為關鍵,充分發揮多尺度資料在不同頻率優勢和空間覆蓋尺度的互補關系,通過多尺度資料聯合儲層反演和匹配油藏建模,融入人工智能元素,基于油藏地球物理一體化平臺,實現點、線、面、體多尺度資料的關聯匹配處理、解釋融合,逐步逼近地下真實的油藏模型,基于油藏地球物理技術體系(圖1),全面服務油田勘探開發。

圖1 油藏地球物理技術體系

2.1 油藏地球物理基礎研究

地震波除受激發和接收條件直接影響外,還與油氣藏儲層的速度、密度等彈性參數和吸收特性有關,而這些特性又與巖石成分、孔隙度、埋深、孔隙流體性質、壓力、巖層的不均勻性以及其它地質特性密切相關。依托油藏地球物理重點實驗室,從微觀和宏觀角度,建立地球物理勘探所獲得的物理量與地下油藏參數的定性和定量關系,使得“復雜構造成像有依據,精細地震解釋講道理”。

針對地震、測井、超聲不同頻段聲波巖石物理性質差異性,基于應力應變測量原理,研制了高低頻聯合巖石物理測試系統(圖2),實現了地震頻段不同頻率(2～2000Hz,800kHz)、溫度、壓力、流體條件的巖石聲學參數(速度、衰減和各向異性)測量,制定了測試標準,推動了地震巖石物理技術的發展[20]。系統完成了稠油、碳酸鹽巖、致密砂巖、濁積巖等不同油藏類型的測試,揭示了“流體誘導、結構控制、頻率驅動”頻變地震響應機理,提出了復雜孔隙、復雜流體性質環境下地震頻散的校正方法,提高了井震匹配及儲層預測的精度。

圖2 高低頻聯合巖石物理測試系統

建立勝利油田典型油藏模型(墾71薄互層、花古1井區復雜潛山、牛斜55井區頁巖油),通過多尺度資料聯合正演物理模擬和數值模擬,驗證了多種資料間具有時深域一致性和頻率域疊合性的特征,夯實了多尺度地球物理資料聯合反演的基礎。首次建立陸相頁巖油仿真物理模型(牛斜55井區),模擬了110km2、3種巖相、26套地層、18個裂縫發育帶(不同裂縫方位、傾角、密度),通過物模-數模一體化分析,建立巖相及裂縫識別模板(圖3),夯實了陸相頁巖油地震構造成像、儲層描述和裂縫預測實驗基礎。

圖3 頁巖油裂縫發育帶地震響應特征識別模板

2.2 面向油藏的高精度地面三維地震技術

2004年,在東部老區墾71區塊,國際上首次開展了高精度三維、多波多分量、三維VSP、井間地震等地球物理資料全系列聯合采集,拉開了油藏地球物理礦場試驗的序幕。特別是,在三維地震采集方面,國內首次超萬道(13200道/炮)、高密度(面元10m×10m,550炮/km2),大大提升了對復雜斷塊、斷裂系統的辨識能力,地震頻帶拓寬30%,推動了中國石化從高精度地震到單點高密度地震再到全節點地震技術的跨越發展[21-23],為地球物理各向異性研究,提高構造解釋、地層解釋、巖性解釋、流體識別、裂縫預測和地應力研究水平奠定了高分辨、高保真度三維地震資料基礎。

在塔河油田西部深層油氣勘探開發中,針對縫洞儲集體埋藏深、類型多樣,地球物理響應特征復雜,多解性強等特點[24-26],建立了地震成像體上溶洞“串珠”識別模式,15m規模的縫洞體在埋深6000m的情況下可以獲得地震響應,成像精度由30m提高到15m,縫洞體的識別數量增加了19.5%。

2.3 井中地震技術

研發了井間地震和3D VSP采集處理解釋配套技術和軟件系統[27]。井間地震技術在勝利油田、吐哈油田、吉林油田、華北局、西北局等油區,完成57對井間地震資料的采集、處理和綜合研究,能夠描述2～3m的薄儲層和前積砂體沉積現象,解決了井間米級小尺度地質結構的精細刻畫問題。VSP技術在深層地質地層速度結構反演、地下地質體刻畫等方面發揮了重要作用:在濟陽陸相頁巖油基于零偏VSP地震資料,提高井震匹配精度,大幅提高構造模型精度(3500m,模型絕對誤差5～8m);在塔河油田基于三維VSP成像剖面,準確刻畫斷溶體和縫洞體。

針對日益復雜的地表激發環境,面對滾動和開發目標“零散、碎小、隱蔽”等地質問題,攻關了井中三維地震關鍵技術,研制井中高功率震源系統,通過井中靠近地質目標激發、地面超高密度布置節點檢波器進行接收,減少低降速帶吸收衰減影響(僅穿過一次),可有效解決低序級斷層識別及空間組合、薄儲層精細刻畫等難題,在勝利油田江家店等進行了應用,取得預期地質效果(圖4)。

圖4 井中激發三維地震資料效果與地面三維地震對比a 優勢頻帶8～48Hz; b 優勢頻帶9～82Hz

目前著力攻關的隨鉆地震技術,已在官130井開展了試驗,能夠預測鉆頭前方200m地層的速度和壓力,有效減小鉆頭深度不確定性,降低鉆探風險。

2.4 多尺度資料聯合反演技術

充分發揮測井、井中地震等資料縱向高分辨率和高精度的優勢,提出了多尺度資料聯合反演方法,通過不同尺度資料的優勢互補,著力提高地震資料的分辨率、儲層描述精度、流體識別能力[28]。

研發了井控提高地震分辨率方法,充分利用測井資料的高頻信息,對地震資料進行高頻補償,能夠拓寬優勢頻帶15～20Hz,高保真地提高地震資料的地質分辨能力。通過多尺度聯合儲層反演,基于貝葉斯融合理論,多資料聯合提高儲層反演精度,縱向分辨薄層能力由8～10m提高至2～3m?；谡硰椊橘|地震波傳播理論,研發了粘彈介質地震流體識別技術,通過疊前不同角度、不同頻段資料聯合反演,實現吸收衰減、速度頻散、粘彈流體因子的預測。與常規縱波速度、橫波速度、密度三參數反演相比,頻變粘彈性流體因子能夠反演區分油、水層,刻畫油層變化并分析產能,部署井位獲得較好產能。

2.5 地球物理約束油藏建模技術

高精度油藏模型是油田勘探開發一體化、地質工程一體化高效實施的基礎和橋梁。綜合利用三維地震、測井、動態數據等多尺度資料,發揮地震資料空間約束能力強的優勢,實現了油藏高精度的動態描述與更新。攻關了“點、線、面、體”多維匹配構造建模方法,實現井震統一、時深一致高精度構造建模。形成了井間地震“擬露頭”方法[29],以密閉取心和巖石物理關系模型標定為基礎,將井間地震解釋的米級精細地質結構,轉換為油藏建模的“露頭”約束條件,為高精度儲層建模奠定基礎。發明了井震條件遞推儲層建模技術,解決了常規儲層建模僅依賴井資料、對儲層橫向連通性約束程度低的瓶頸問題,實現了沉積相、儲層物性和流體高精度建模,可分辨0.7m隔夾層和1～2m薄砂體油層。研發了地球物理資料約束的流體建模技術,創新引入地球物理資料三維流體預測信息,聯合油藏數值模擬及開發動態信息匹配,實現了三維空間剩余油分布精準預測。針對勘探領域長期以來存在的“三維地震、剖面解釋、剖面分析”的工作模式,提出并逐步實踐了勘探大模型解釋建模一體化技術。以盆地級地質建模為核心,地震解釋、構造和儲層建模同步推進、循環迭代,形成了面向勘探階段大模型構建技術,建立了“三維解釋、模型驅動、立體部署”的勘探井位部署新范式。2023年,在東營北帶鹽家地區,建立了330km2三維油藏模型(圖5),開展了圈閉綜合評價,探索了基于勘探大模型井位部署論證方式,優選有利井位目標3口,新增控制儲量324×104t?？碧酱竽Ｐ徒⒓夹g能夠實現盆地/區帶級數據與知識的三維可視化表達,實現“所想能所見、地下能透明”,為油田勘探開發一體化、信息化、智能化的發展奠定基礎。

圖5 鹽家地區油藏模型柵狀圖

2.6 時移地震剩余油氣描述技術

時移地震在海上油氣開發中的應用取得了較好效果[30],但在陸上油田,由于復雜的地表條件和油藏條件以及經濟因素,難以實現真正的時移地震。針對我國東部老油田目前地震二次采集乃至三次采集常態化的局面,首次提出了非一致性時延地震技術。

通過高斯束照明技術,明確了“偏移距和方位角是影響非一致地震的最主要因素”,建立了“觀測重建+道插值”的觀測系統優化匹配技術,最大程度地降低了觀測不一致的影響,解決了制約非一致時延地震應用的基礎問題;針對采集條件(激發、接收、環境噪聲等)不同帶來的不一致問題,通過約束疊前互均化處理,消除地震數據中非一致性采集因素帶來的差異;針對水驅條件下時移特征微小的特點,將疊前屬性引入到時延地震敏感屬性分析中,發展了疊前、疊后差異屬性聯合優化技術,提高剩余油的預測精度[31]。在單56稠油區1991年采集了三維地震數據,2010年又重新采集了三維地震資料,基于時延地震研究,準確描述了蒸汽吞吐后剩余油氣的展布(圖6),發現剩余油富集區塊2個,預測石油地質儲量367×104t。

圖6 單56區塊館下段時延差異屬性

2.7 微地震壓裂實時監測技術

隨著致密油藏、頁巖油藏等非常規油氣資源開發力度不斷加大,微地震監測技術成為描述裂縫展布情況、計算壓裂改造體積、評估壓裂效果、指導壓裂方案優化的重要手段。研發了微地震采集處理解釋配套技術系列。

針對地面監測信號能量弱、噪聲干擾嚴重的難題,通過微地震分步靜校正、多域去噪,數據信噪比提升3倍,提升微地震時間識別和定位精度45%。研發了壓裂改造有效體積(ESRV)計算方法,剔除裂縫通道之間未有效改造體積,儲層改造體積計算準確度提升35%。研發了微地震海量數據實時傳輸、實時處理、實時解釋技術,具備了微地震壓裂實時監測技術服務能力。在濟陽陸相頁巖油國家示范區,實現了樊頁平1試驗井組8口水平井3層樓(圖7)和牛頁1試驗井組20口水平5層樓立體壓裂的實時監測,為壓裂動態分析、壓裂參數優化和壓裂效果綜合評價提供了依據。

圖7 樊頁平1頁巖油試驗井組8口井壓裂效果

2.8 非常規油藏地震地質工程一體化技術

低滲致密油藏、頁巖油藏等非常規油氣資源是我國重要的能源接替領域。地質工程一體化是實現非常規油氣藏經濟有效開發的必由之路。以地震為核心的一體化共享模型建立是地質工程一體化有效實施的基礎和關鍵[32]。圍繞“選好區、定好井、鉆好井、壓好井”相關環節,通過充分挖掘地球物理信息,開展裂縫、物性、地應力等關鍵甜點參數預測,建立非常規油藏地震地質工程應用一體化共享模型,實現地質甜點和工程甜點的三維空間量化表征和動態綜合評價,支撐井網井型部署和井軌跡優化、高效鉆井和高效壓裂。

義184為低滲致密油藏,埋深3500～4300m,單層厚度薄(最薄1～3m)、儲層物性差(滲透率為2～5mD,1mD≈0.987×10-3μm2),效益建產難度大。充分利用疊前、疊后地震資料,通過新井資料加入及地質認識持續提升,建立適應不同階段需求的全井段地質工程三維可視化模型(圖8),儲層預測精度從60%提升到90%。綜合分析平面儲層厚度變化和地震裂縫預測結果,劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類甜點,本著“先易后難、先好后差、有序推進”原則,分不同期次開展產能建設,在儲量品位下降的形勢下,實現了二期、三期建產效益持續提升,平均單井產能由5.5t/d提高到6.7t/d,百萬噸投資平均下降2.8%,基準平衡油價平均下降2.6%。

圖8 義184區塊地質工程全井段三維可視化模型

3 油藏地球物理技術面臨的形勢和挑戰

隨著東部老油田勘探開發的進一步深入和以油藏經營為核心的高質量勘探開發一體化理念的進一步推進,勘探開發形勢面臨新的轉變。油藏目標上,由常規油藏向非常規油藏轉移,地質層系由中淺層向中深層、深層、超深層轉移,油藏目標和剩余油分布更趨復雜,對油藏表征和動態監測精度提出更高要求。發展模式上,勘探開發一體化、地質工程一體化的新范式、降本增效成為油田發展的主旋律。需要進一步發展完善油藏地球物理技術,更好破解油田高效勘探、效益開發難題。

面對“兩深一非一老”勘探開發目標和需求,中石化油藏地球物理技術在關鍵技術裝備、軟件平臺建設、人工智能應用等方面與國際先進水平仍有一定差距,主要面臨以下挑戰:①工作理念上的挑戰,要從服務勘探、開發為主向服務油藏全生命周期、全過程,要從常規油藏到頁巖油非常規油藏的轉變,從模型驅動的地震描述到大數據驅動的智能地震預測;②基礎建設的挑戰,要從跨頻段超聲、測井、地震等不同頻段數據耦合關系的分析,到進一步從數字巖心、物理模擬角度構建地球物理信息與油藏信息一體化融合的理論方法;③研究內容的挑戰,從以儲層描述為主的研究到剩余油分布的轉變,要從以地震為主的靜態描述到井震動一體化更深度融合動態描述,要從常規三維地震到光纖分布式聲波傳感(DAS)井中與地面地震聯合采集處理解釋和監測;④技術集成及推廣應用的挑戰,需要進一步完善油藏地球物理一體化集成平臺,加大在不同油藏類型應用的力度和深度。

4 油藏地球物理技術未來發展的思考

面對新的形勢和挑戰,需要以油田勘探開發需求為導向,瞄準油藏地球物理一體化、智能化、綠色化發展方向,解決地球物理領域的“卡脖子”技術難題,構建高水平的油藏勘探開發解決方案。研究方向可能涉及以下幾個方面。

4.1 油藏地球物理理論基礎研究

油氣地球物理探測的地質對象、觀測數據、物理規律等具有較強的跨尺度科學屬性,使得油藏參數和地球物理信息的融合機理還不完善。因此需要研發更高精度的儀器設備,通過跨尺度巖石物理研究、多維度地震物理模擬、數字巖心一體化分析,明確不同尺度、不同頻帶、不同觀測方式情況下的地震響應與油藏參數的耦合機制。

4.2 井中高精度地球物理新技術

在東部成熟探區,對地震資料的高保真、高分辨率需求與越來越嚴峻的地表采集條件之間的矛盾不斷凸顯。近年來,隨著DAS地震[33]、廣域電磁等井中監測手段的成熟,通過聯合采集井中地震數據,實時收集油氣藏儲層參數與油氣井動態生產數據,為油氣藏評價、油氣田開發與油氣藏生產階段的剩余油發現、提高采收率等提供新的技術方案。

4.3 跨尺度油藏模型構建

實現油藏全生命周期油藏經營新理念的基礎是建立滿足勘探開發全過程的油藏模型,以模型為中心開展勘探開發一體化部署決策。當前面向開發單元的開發建模和面向區帶的勘探建模在模型規模、研究目的和分析流程上存在較大的區別,因此需要通過區帶級油藏建模、跨尺度模型融合、模型動態更新等關鍵技術的攻關,實現不同階段、不同位置的油藏模型的集成、融合和應用。

4.4 人工智能油藏地球物理技術

在人工智能技術快速發展的背景下,面對油田老區海量的多尺度地震數據、井資料以及開發動靜態信息,迫切需要在油藏地球物理技術基礎上,融入人工智能技術,攻關地層的智能劃分和對比、構造的智能解釋、儲層的智能描述、剩余油的智能預測等技術,實現油藏地球物理智能化發展。

4.5 地震地質工程一體化技術

面對頁巖油等非常規油藏高效勘探、效益開發的壓力,需要深度挖掘地震信息,攻關地震巖相預測、多尺度裂縫預測、巖石力學和地應力模擬等地質工程甜點量化表征技術,持續完善模型驅動地震地質工程一體化技術系列,不斷滿足井網井型優選、優快鉆井、高效壓裂等地質工程需求。

4.6 油藏地球物理一體化軟件平臺研發

軟件是技術推廣應用的載體。隨著油藏地球物理技術智能化、一體化的發展,著眼于創新技術的產業化應用,需要在軟件架構、數據管理、交互界面等方面持續優化,著力打造系統化、集成化、標準化、可視化的油藏地球物理軟件2.0版本,解決油氣勘探開發領域軟件“卡脖子”難題。

5 結束語

油藏地球物理技術已經成為認識油藏、改造油藏、開發油藏不可缺少的技術手段。面對我國油氣田“兩深一非一老”形勢和油氣藏類型多樣、地質條件復雜、開發難度大的現實,需要堅持問題導向、實踐推動、緊跟前沿、迭代升級,強化與國際國內知名大學的交流,跨單位聯合、跨學科創新,持續攻關油藏地球物理新理論、新技術,共同推動油藏地球物理技術的進步,實現更高水平的自立自強,更好服務于油藏全生命周期建設的需求。