中国石化油藏地球物理二十年发展与思考

李 阳,王延光,刘浩杰,陈雨茂,薛兆杰

(1.中国石油化工股份有限公司,北京100728;2.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司,山东东营257000;3.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司物探研究院,山东东营257022)

国际政治、经济、环境因素正在重塑着国际能源结构,但在近中期油气资源仍将持续保持主体地位[1]。我国油气能源消费也将持续增长,油气资源对外依存度高,油气供给安全形势严峻,稳油增气降本是我国必须长期坚持的策略。

从油气勘探开发整体形势看,陆地、海上油气勘探开发目标全面从浅层走向深层、由构造油气藏转向超复杂岩性油气藏,由常规油藏走向致密油藏、页岩油藏,面临着深水、深层、复杂山地和复杂构造,勘探开发难度不断增大[2-6]。同时,我国主力油田普遍进入勘探开发中后期,剩余油高度分散、局部富集,近1/3的高含油饱和度剩余油赋存于受小断层、薄互层等小尺度地质体控制的富集区[7],需要继续查明受薄互层、小断块、微幅度构造控制的剩余油富集区。如何发挥地球物理技术优势,深度融合开发动静态信息,更精确地落实微构造、预测薄储层、识别流体、寻找剩余油是助力我国主力油田二次开发、保障稳油增气降本战略有效实施迫切需要解决的重大课题。

在老油田开发需求和地球物理技术发展共同驱动下,中国石化于2002年提出并着力发展面向油藏开发的地球物理技术理念和方法,全面服务于新老区产能建设和非常规油藏开发。具体历程大致可分为单项技术突破、全面深化攻关、全面推广应用和迭代提升四个阶段。2002年至2006年,面向陆相油藏开发的特点和需求,中国石化相继设立并完成了“十条龙”项目《油藏综合地球物理技术研究》和重大科技先导项目《油藏综合地球物理技术应用先导试验》,针对高精度三维地震、井间地震、VSP等关键技术进行攻关,在胜利垦71区块开展了综合应用,标志着油藏地球物理技术实现单项技术突破;2007年至2015年,依托两期国家高技术研究发展计划(863计划)项目《油藏综合地球物理技术》和《油藏地球物理关键技术》,开展多尺度资料联合反演、地球物理约束油藏建模、非一致性时移地震、微地震压裂监测等攻关,研制了油藏地球物理软件平台R系统,油藏地球物理技术实现产业化应用。2016年至2020年,以油藏地球物理软件平台为依托,全面服务油田勘探开发,在老区油藏描述、新区产能建设全面应用。2020年至今,依托中石化重大攻关项目群《低渗致密油藏地质工程一体化关键技术研究》等一系列项目,开展人工智能油藏地球物理、地质工程一体化攻关,在提升油藏描述精度和效率的同时,拓展油藏地球物理技术的应用领域和范围。

本文在回顾总结油藏地球物理概念及研究现状的基础上,系统梳理了中国石化20年以来油藏地球物理技术取得的创新成果和实践效果,分析面临的主要形势与挑战,并探讨了油藏地球物理技术未来的发展方向。

在油气勘探中以地震为核心的勘探地球物理技术得到了广泛应用[8-9],但随着地球物理技术的发展和油藏提高采收率对油藏模型精度需求的提高,针对油藏评价、油藏开发及生产的油藏地球物理技术逐步发展起来[10-11]。1984年美国SEG(美国勘探地球物理学家协会)成立了D&P委员会(Development and Production Committee),着力推动面向油藏开发的地球物理技术研究。历届SEG会议,油藏地球物理研究和应用都是会议的热门主题之一。

由于国内陆相沉积油藏的复杂性和特殊性,需要发展针对中国陆相油藏特征的油藏地球物理技术和体系。中石油、中石化以及相关石油高校都相继组建了油藏地球物理研究机构和团队,在油藏地球物理理论和方法等方面开展深入研究[12-16]。在中国石化二十年的发展中,形成了以“井震动融合”为核心的油藏地球物理内涵,即油藏地球物理技术的实质就是面向油藏开发,综合应用多种地球物理资料和油藏开发动静态信息对油藏三维空间特征进行精细描述和动态监测的综合性交叉新学科[17-18]。

与常规意义上的勘探地球物理相比,油藏地球物理对地震资料分辨率的要求更高,对流体的可预测性要求更强,对油藏模型的确定性要求更精准,对资料的综合应用要求更深入全面。但在本质上,两者均是地球物理理论和方法的创新和实践,都是利用地球物理技术对地下油气目标进行准确成像。因此对具体技术而言,二者又没有明显的应用边界。例如,高精度三维地震和多波多分量地震等,既可以应用于勘探寻找新的油气圈闭,又可以在已开发老区对油藏的复杂构造、储层进行描述及流体识别[19]。当前,油藏地球物理技术正不断向油气田勘探和工程领域延伸,已成为发现油气资源储量和提高油气采收率的重要技术手段。

围绕着油藏的三维空间精细表征和动态监测这一核心目标,发展形成了关联配套油藏地球物理技术路线和体系,即以油藏的动静态属性与多种地球物理波场关联和匹配融合研究为基础,以提高对地下小地质目标体成像精度的井中地震、高精度三维地震技术和以流体识别检(监)测为目标的多波多分量地震、非一致性时延地震和微地震压裂监测技术突破为关键,充分发挥多尺度资料在不同频率优势和空间覆盖尺度的互补关系,通过多尺度资料联合储层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体化平台,实现点、线、面、体多尺度资料的关联匹配处理、解释融合,逐步逼近地下真实的油藏模型,基于油藏地球物理技术体系(图1),全面服务油田勘探开发。

图1 油藏地球物理技术体系

2.1 油藏地球物理基础研究

地震波除受激发和接收条件直接影响外,还与油气藏储层的速度、密度等弹性参数和吸收特性有关,而这些特性又与岩石成分、孔隙度、埋深、孔隙流体性质、压力、岩层的不均匀性以及其它地质特性密切相关。依托油藏地球物理重点实验室,从微观和宏观角度,建立地球物理勘探所获得的物理量与地下油藏参数的定性和定量关系,使得“复杂构造成像有依据,精细地震解释讲道理”。

针对地震、测井、超声不同频段声波岩石物理性质差异性,基于应力应变测量原理,研制了高低频联合岩石物理测试系统(图2),实现了地震频段不同频率(2～2000Hz,800kHz)、温度、压力、流体条件的岩石声学参数(速度、衰减和各向异性)测量,制定了测试标准,推动了地震岩石物理技术的发展[20]。系统完成了稠油、碳酸盐岩、致密砂岩、浊积岩等不同油藏类型的测试,揭示了“流体诱导、结构控制、频率驱动”频变地震响应机理,提出了复杂孔隙、复杂流体性质环境下地震频散的校正方法,提高了井震匹配及储层预测的精度。

图2 高低频联合岩石物理测试系统

建立胜利油田典型油藏模型(垦71薄互层、花古1井区复杂潜山、牛斜55井区页岩油),通过多尺度资料联合正演物理模拟和数值模拟,验证了多种资料间具有时深域一致性和频率域叠合性的特征,夯实了多尺度地球物理资料联合反演的基础。首次建立陆相页岩油仿真物理模型(牛斜55井区),模拟了110km2、3种岩相、26套地层、18个裂缝发育带(不同裂缝方位、倾角、密度),通过物模-数模一体化分析,建立岩相及裂缝识别模板(图3),夯实了陆相页岩油地震构造成像、储层描述和裂缝预测实验基础。

图3 页岩油裂缝发育带地震响应特征识别模板

2.2 面向油藏的高精度地面三维地震技术

2004年,在东部老区垦71区块,国际上首次开展了高精度三维、多波多分量、三维VSP、井间地震等地球物理资料全系列联合采集,拉开了油藏地球物理矿场试验的序幕。特别是,在三维地震采集方面,国内首次超万道(13200道/炮)、高密度(面元10m×10m,550炮/km2),大大提升了对复杂断块、断裂系统的辨识能力,地震频带拓宽30%,推动了中国石化从高精度地震到单点高密度地震再到全节点地震技术的跨越发展[21-23],为地球物理各向异性研究,提高构造解释、地层解释、岩性解释、流体识别、裂缝预测和地应力研究水平奠定了高分辨、高保真度三维地震资料基础。

在塔河油田西部深层油气勘探开发中,针对缝洞储集体埋藏深、类型多样,地球物理响应特征复杂,多解性强等特点[24-26],建立了地震成像体上溶洞“串珠”识别模式,15m规模的缝洞体在埋深6000m的情况下可以获得地震响应,成像精度由30m提高到15m,缝洞体的识别数量增加了19.5%。

2.3 井中地震技术

研发了井间地震和3D VSP采集处理解释配套技术和软件系统[27]。井间地震技术在胜利油田、吐哈油田、吉林油田、华北局、西北局等油区,完成57对井间地震资料的采集、处理和综合研究,能够描述2～3m的薄储层和前积砂体沉积现象,解决了井间米级小尺度地质结构的精细刻画问题。VSP技术在深层地质地层速度结构反演、地下地质体刻画等方面发挥了重要作用:在济阳陆相页岩油基于零偏VSP地震资料,提高井震匹配精度,大幅提高构造模型精度(3500m,模型绝对误差5～8m);在塔河油田基于三维VSP成像剖面,准确刻画断溶体和缝洞体。

针对日益复杂的地表激发环境,面对滚动和开发目标“零散、碎小、隐蔽”等地质问题,攻关了井中三维地震关键技术,研制井中高功率震源系统,通过井中靠近地质目标激发、地面超高密度布置节点检波器进行接收,减少低降速带吸收衰减影响(仅穿过一次),可有效解决低序级断层识别及空间组合、薄储层精细刻画等难题,在胜利油田江家店等进行了应用,取得预期地质效果(图4)。

图4 井中激发三维地震资料效果与地面三维地震对比a 优势频带8～48Hz; b 优势频带9～82Hz

目前着力攻关的随钻地震技术,已在官130井开展了试验,能够预测钻头前方200m地层的速度和压力,有效减小钻头深度不确定性,降低钻探风险。

2.4 多尺度资料联合反演技术

充分发挥测井、井中地震等资料纵向高分辨率和高精度的优势,提出了多尺度资料联合反演方法,通过不同尺度资料的优势互补,着力提高地震资料的分辨率、储层描述精度、流体识别能力[28]。

研发了井控提高地震分辨率方法,充分利用测井资料的高频信息,对地震资料进行高频补偿,能够拓宽优势频带15～20Hz,高保真地提高地震资料的地质分辨能力。通过多尺度联合储层反演,基于贝叶斯融合理论,多资料联合提高储层反演精度,纵向分辨薄层能力由8～10m提高至2～3m。基于粘弹介质地震波传播理论,研发了粘弹介质地震流体识别技术,通过叠前不同角度、不同频段资料联合反演,实现吸收衰减、速度频散、粘弹流体因子的预测。与常规纵波速度、横波速度、密度三参数反演相比,频变粘弹性流体因子能够反演区分油、水层,刻画油层变化并分析产能,部署井位获得较好产能。

2.5 地球物理约束油藏建模技术

高精度油藏模型是油田勘探开发一体化、地质工程一体化高效实施的基础和桥梁。综合利用三维地震、测井、动态数据等多尺度资料,发挥地震资料空间约束能力强的优势,实现了油藏高精度的动态描述与更新。攻关了“点、线、面、体”多维匹配构造建模方法,实现井震统一、时深一致高精度构造建模。形成了井间地震“拟露头”方法[29],以密闭取心和岩石物理关系模型标定为基础,将井间地震解释的米级精细地质结构,转换为油藏建模的“露头”约束条件,为高精度储层建模奠定基础。发明了井震条件递推储层建模技术,解决了常规储层建模仅依赖井资料、对储层横向连通性约束程度低的瓶颈问题,实现了沉积相、储层物性和流体高精度建模,可分辨0.7m隔夹层和1～2m薄砂体油层。研发了地球物理资料约束的流体建模技术,创新引入地球物理资料三维流体预测信息,联合油藏数值模拟及开发动态信息匹配,实现了三维空间剩余油分布精准预测。针对勘探领域长期以来存在的“三维地震、剖面解释、剖面分析”的工作模式,提出并逐步实践了勘探大模型解释建模一体化技术。以盆地级地质建模为核心,地震解释、构造和储层建模同步推进、循环迭代,形成了面向勘探阶段大模型构建技术,建立了“三维解释、模型驱动、立体部署”的勘探井位部署新范式。2023年,在东营北带盐家地区,建立了330km2三维油藏模型(图5),开展了圈闭综合评价,探索了基于勘探大模型井位部署论证方式,优选有利井位目标3口,新增控制储量324×104t。勘探大模型建立技术能够实现盆地/区带级数据与知识的三维可视化表达,实现“所想能所见、地下能透明”,为油田勘探开发一体化、信息化、智能化的发展奠定基础。

图5 盐家地区油藏模型栅状图

2.6 时移地震剩余油气描述技术

时移地震在海上油气开发中的应用取得了较好效果[30],但在陆上油田,由于复杂的地表条件和油藏条件以及经济因素,难以实现真正的时移地震。针对我国东部老油田目前地震二次采集乃至三次采集常态化的局面,首次提出了非一致性时延地震技术。

通过高斯束照明技术,明确了“偏移距和方位角是影响非一致地震的最主要因素”,建立了“观测重建+道插值”的观测系统优化匹配技术,最大程度地降低了观测不一致的影响,解决了制约非一致时延地震应用的基础问题;针对采集条件(激发、接收、环境噪声等)不同带来的不一致问题,通过约束叠前互均化处理,消除地震数据中非一致性采集因素带来的差异;针对水驱条件下时移特征微小的特点,将叠前属性引入到时延地震敏感属性分析中,发展了叠前、叠后差异属性联合优化技术,提高剩余油的预测精度[31]。在单56稠油区1991年采集了三维地震数据,2010年又重新采集了三维地震资料,基于时延地震研究,准确描述了蒸汽吞吐后剩余油气的展布(图6),发现剩余油富集区块2个,预测石油地质储量367×104t。

图6 单56区块馆下段时延差异属性

2.7 微地震压裂实时监测技术

随着致密油藏、页岩油藏等非常规油气资源开发力度不断加大,微地震监测技术成为描述裂缝展布情况、计算压裂改造体积、评估压裂效果、指导压裂方案优化的重要手段。研发了微地震采集处理解释配套技术系列。

针对地面监测信号能量弱、噪声干扰严重的难题,通过微地震分步静校正、多域去噪,数据信噪比提升3倍,提升微地震时间识别和定位精度45%。研发了压裂改造有效体积(ESRV)计算方法,剔除裂缝通道之间未有效改造体积,储层改造体积计算准确度提升35%。研发了微地震海量数据实时传输、实时处理、实时解释技术,具备了微地震压裂实时监测技术服务能力。在济阳陆相页岩油国家示范区,实现了樊页平1试验井组8口水平井3层楼(图7)和牛页1试验井组20口水平5层楼立体压裂的实时监测,为压裂动态分析、压裂参数优化和压裂效果综合评价提供了依据。

图7 樊页平1页岩油试验井组8口井压裂效果

2.8 非常规油藏地震地质工程一体化技术

低渗致密油藏、页岩油藏等非常规油气资源是我国重要的能源接替领域。地质工程一体化是实现非常规油气藏经济有效开发的必由之路。以地震为核心的一体化共享模型建立是地质工程一体化有效实施的基础和关键[32]。围绕“选好区、定好井、钻好井、压好井”相关环节,通过充分挖掘地球物理信息,开展裂缝、物性、地应力等关键甜点参数预测,建立非常规油藏地震地质工程应用一体化共享模型,实现地质甜点和工程甜点的三维空间量化表征和动态综合评价,支撑井网井型部署和井轨迹优化、高效钻井和高效压裂。

义184为低渗致密油藏,埋深3500～4300m,单层厚度薄(最薄1～3m)、储层物性差(渗透率为2～5mD,1mD≈0.987×10-3μm2),效益建产难度大。充分利用叠前、叠后地震资料,通过新井资料加入及地质认识持续提升,建立适应不同阶段需求的全井段地质工程三维可视化模型(图8),储层预测精度从60%提升到90%。综合分析平面储层厚度变化和地震裂缝预测结果,划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类甜点,本着“先易后难、先好后差、有序推进”原则,分不同期次开展产能建设,在储量品位下降的形势下,实现了二期、三期建产效益持续提升,平均单井产能由5.5t/d提高到6.7t/d,百万吨投资平均下降2.8%,基准平衡油价平均下降2.6%。

图8 义184区块地质工程全井段三维可视化模型

随着东部老油田勘探开发的进一步深入和以油藏经营为核心的高质量勘探开发一体化理念的进一步推进,勘探开发形势面临新的转变。油藏目标上,由常规油藏向非常规油藏转移,地质层系由中浅层向中深层、深层、超深层转移,油藏目标和剩余油分布更趋复杂,对油藏表征和动态监测精度提出更高要求。发展模式上,勘探开发一体化、地质工程一体化的新范式、降本增效成为油田发展的主旋律。需要进一步发展完善油藏地球物理技术,更好破解油田高效勘探、效益开发难题。

面对“两深一非一老”勘探开发目标和需求,中石化油藏地球物理技术在关键技术装备、软件平台建设、人工智能应用等方面与国际先进水平仍有一定差距,主要面临以下挑战:①工作理念上的挑战,要从服务勘探、开发为主向服务油藏全生命周期、全过程,要从常规油藏到页岩油非常规油藏的转变,从模型驱动的地震描述到大数据驱动的智能地震预测;②基础建设的挑战,要从跨频段超声、测井、地震等不同频段数据耦合关系的分析,到进一步从数字岩心、物理模拟角度构建地球物理信息与油藏信息一体化融合的理论方法;③研究内容的挑战,从以储层描述为主的研究到剩余油分布的转变,要从以地震为主的静态描述到井震动一体化更深度融合动态描述,要从常规三维地震到光纤分布式声波传感(DAS)井中与地面地震联合采集处理解释和监测;④技术集成及推广应用的挑战,需要进一步完善油藏地球物理一体化集成平台,加大在不同油藏类型应用的力度和深度。

面对新的形势和挑战,需要以油田勘探开发需求为导向,瞄准油藏地球物理一体化、智能化、绿色化发展方向,解决地球物理领域的“卡脖子”技术难题,构建高水平的油藏勘探开发解决方案。研究方向可能涉及以下几个方面。

4.1 油藏地球物理理论基础研究

油气地球物理探测的地质对象、观测数据、物理规律等具有较强的跨尺度科学属性,使得油藏参数和地球物理信息的融合机理还不完善。因此需要研发更高精度的仪器设备,通过跨尺度岩石物理研究、多维度地震物理模拟、数字岩心一体化分析,明确不同尺度、不同频带、不同观测方式情况下的地震响应与油藏参数的耦合机制。

4.2 井中高精度地球物理新技术

在东部成熟探区,对地震资料的高保真、高分辨率需求与越来越严峻的地表采集条件之间的矛盾不断凸显。近年来,随着DAS地震[33]、广域电磁等井中监测手段的成熟,通过联合采集井中地震数据,实时收集油气藏储层参数与油气井动态生产数据,为油气藏评价、油气田开发与油气藏生产阶段的剩余油发现、提高采收率等提供新的技术方案。

4.3 跨尺度油藏模型构建

实现油藏全生命周期油藏经营新理念的基础是建立满足勘探开发全过程的油藏模型,以模型为中心开展勘探开发一体化部署决策。当前面向开发单元的开发建模和面向区带的勘探建模在模型规模、研究目的和分析流程上存在较大的区别,因此需要通过区带级油藏建模、跨尺度模型融合、模型动态更新等关键技术的攻关,实现不同阶段、不同位置的油藏模型的集成、融合和应用。

4.4 人工智能油藏地球物理技术

在人工智能技术快速发展的背景下,面对油田老区海量的多尺度地震数据、井资料以及开发动静态信息,迫切需要在油藏地球物理技术基础上,融入人工智能技术,攻关地层的智能划分和对比、构造的智能解释、储层的智能描述、剩余油的智能预测等技术,实现油藏地球物理智能化发展。

4.5 地震地质工程一体化技术

面对页岩油等非常规油藏高效勘探、效益开发的压力,需要深度挖掘地震信息,攻关地震岩相预测、多尺度裂缝预测、岩石力学和地应力模拟等地质工程甜点量化表征技术,持续完善模型驱动地震地质工程一体化技术系列,不断满足井网井型优选、优快钻井、高效压裂等地质工程需求。

4.6 油藏地球物理一体化软件平台研发

软件是技术推广应用的载体。随着油藏地球物理技术智能化、一体化的发展,着眼于创新技术的产业化应用,需要在软件架构、数据管理、交互界面等方面持续优化,着力打造系统化、集成化、标准化、可视化的油藏地球物理软件2.0版本,解决油气勘探开发领域软件“卡脖子”难题。

油藏地球物理技术已经成为认识油藏、改造油藏、开发油藏不可缺少的技术手段。面对我国油气田“两深一非一老”形势和油气藏类型多样、地质条件复杂、开发难度大的现实,需要坚持问题导向、实践推动、紧跟前沿、迭代升级,强化与国际国内知名大学的交流,跨单位联合、跨学科创新,持续攻关油藏地球物理新理论、新技术,共同推动油藏地球物理技术的进步,实现更高水平的自立自强,更好服务于油藏全生命周期建设的需求。

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